Заглянем в будущее
Шрифт:
Учитывая такое своеобразие к.п.д. фотосинтеза, было бы очень выгодно создать условия равномерного распределения солнечной энергии по всем листьям растений с таким расчетом, чтобы, увеличивая поверхность листьев, работать с уменьшенной интенсивностью света, а значит, с большим к.п.д. По-видимому, подобные условия осуществляются на кукурузных полях в течение 2–3 недель перед уборкой и на плантациях сахарного тростника для растений второго года. Своеобразие этих культур, как и многих других тропических трав, заключается в том, что их длинные листья расположены под малым углом к стволу. Это позволяет, особенно в южных районах,
Рассматриваемый нами эффективный к.п.д. фотосинтеза зависит от разнообразных условий (формы и расположения листьев, ухода за посевами и пр.), а не только от самого аппарата фотосинтеза.
Оказалось, что соответствующие значения начального к.п.д. и характер кривых не точно одинаковы для разных растений. Но в общем они распадаются на две группы. К одной относятся все растения средней полосы, а к другой — растения, относящиеся к так называемым тропическим травам. Для первых к.п.д. при малых интенсивностях составляет в среднем 8 процентов, а для вторых — 12 процентов, что соответствует «биологическому» к.п.д. 16 и 24 процента. Это обстоятельство также является одной из причин повышенной урожайности кукурузы, сахарного тростника и им подобных растений.
Итак, солнечная энергия в соединении с агрокультурными мероприятиями и селекцией способна обеспечить человечество питанием на сто-двести лет вперед даже при большом увеличении населения.
Поставим теперь вопрос: не сможем ли мы за счет энергии Солнца добывать в достаточном количестве и электроэнергию для нужд промышленности и быта, учитывая постепенное уменьшение запасов горючих ископаемых, накопленных в течение многих миллионов лет за счет той же солнечной энергии? А быть может, удастся получать органические вещества чисто химическим путем, за счет солнечной энергии вне растений?
При космических полетах и особенно при исследовании поверхности Луны (а впоследствии и Марса) применяются полупроводниковые солнечные батареи, которые работают с к.п.д., превышающим 10 процентов. Нет сомнений, что в будущем ученым удастся повысить к.п.д. преобразования солнечной энергии в электрическую, скажем, до 20 процентов. Кстати, в этих батареях к.п.д. не уменьшается при увеличении интенсивности солнечной энергии в противоположность тому, что имеет место при фотосинтезе в растениях.
В принципе при дальнейшем удешевлении полупроводниковых материалов не исключена возможность использования подобных батарей и на поверхности Земли, покрывая ими большие пространства суши. Суточные, месячные и годовые изменения интенсивности излучения, а значит, и электрического тока от батарей можно было бы выровнять с помощью аккумулирования электрической энергии батарей в виде продуктов электролиза. При этом можно было бы выбрать такой электролиз, продукты которого давали бы возможность переводить их химическую энергию в электрическую с к.п.д. около 100 процентов в топливных или обычных электрических элементах. От этих элементов мы могли бы получать ток уже постоянной мощности.
Сами фотоэлементы должны быть распределены на больших площадях. Они могут быть надежно укрыты в соответствующих пластмассовых кассетах. Уход за такими «энергетическими полями», вероятно, не был бы более трудоемким, чем уход за сельскохозяйственными полями.
Однако я думаю, что такое решение использования солнечной энергии не будет оптимальным. Уж очень много ценного полупроводникового материала для этого потребуется. Есть, правда, возможность получать некоторые органические полупроводниковые материалы, которые были бы значительно более дешевыми. К сожалению, эта область мало изучена, и пока к.п.д. соответствующих батарей еще очень мал (около 2 процентов). Однако нельзя исключать возможность повышения к.п.д. в дальнейшем и для этих материалов.
И все-таки думается, что решение
вопроса следует искать другими путями.Мне придется начать издалека. Примерно 150 лет назад немецкий химик Велер осуществил синтез мочевины, и это было началом революции в химии. До Велера химики полагали, что органические вещества могут быть получены лишь в живых организмах под действием какой-то мистической жизненной силы. Такой взгляд препятствовал развитию органической химии. Велер разбил этот предрассудок, и спустя сравнительно короткое время начался бурный рост органического синтеза. Органическая химия сделалась одной из самых развитых наук, породившей в конце прошлого и в настоящем веке огромную промышленность.
Одновременно органическая химия начала все более содействовать развитию биологической науки, и современная революция в биологии в значительной степени была вызвана химическими исследованиями, прежде всего химией природных соединений. Таким образом, создалась молекулярная биология и биоорганическая химия.
При развитии этих новых наук выяснилось, что химические реакции в живом организме происходят совсем иначе, чем в наших лабораториях и на химических заводах. Таким образом, Велер был лишь частично прав. Мы можем синтезировать в лабораториях любые органические вещества вплоть до белков и даже начинаем синтезировать нуклеиновые кислоты, являющиеся самой основой жизни, но механизм и сами принципы синтеза в организмах иные, чем в лабораториях. В растениях и особенно у животных сложные синтезы идут в течение минуты, а в лабораториях нередко требуют месяцев работы.
И мы стоим опять перед началом революции уже в химии, индуцированной теперь биологией. В то время как наша химическая индустрия использует высокие температуры и давления, организм способен проводить те же реакции при обычных температурах и давлениях.
Первичным источником энергии у зеленых растений является солнечное излучение, у животных — энергия окисления пищевых продуктов, которая используется для проведения реакции в организмах и для работы мышц. Эта энергия запасается в виде химической энергии в молекулах аденазинтрифосфорной кислоты (АТФ). При использовании энергии организмом аденазинтрифосфорная кислота переходит в аденазиндифосфорную кислоту (АДФ), которая затем под действием солнечной энергии снова заряжается и переходит вновь в молекулу АТФ.
Растения питаются в первую очередь углекислотой и водой, животные — растительной и животной пищей. И в тех и в других случаях используются катализаторы удивительной специфичности, так называемые ферменты, представляющие собой огромные белковые молекулы с маленькими активными группами. В очень многих случаях такие активные центры содержат ионы металлов переменной валентности.
Я не могу здесь вдаваться в подробности механизма химических реакций не только в организме в целом, но и в каждой его клетке. Клетка представляет собой миниатюрный химико-энергетический завод со специальными цехами: зарядки АДФ, распределения веществ по отдельным зонам, транспорта аминокислот, сборки белков. Управление этой сборкой осуществляется специальной «управляющей машиной». Заготовка деталей и сборка молекул белков по своей точности превосходят сборку самолетов из деталей. Природа устроила этот миниатюрный завод в таком совершенстве, к которому мы в наших заводах еще только стремимся. Поэтому на первый взгляд кажется, что использовать такой сложный механизм в обычной химии нереально.
Но вот тут-то мы, по-видимому, ошибаемся. Дело в том, что в живом организме все взаимосвязано. Каждый элемент устройства, даже в отдельной клетке, должен обеспечивать эту взаимосвязь функций всей клетки и даже организма в целом. Если же мы хотим вне организма осуществить какую-либо одну функцию, например, получать определенное вещество, которое синтезируется в организме, то задача может снова упроститься. Не копируя природу, но используя некоторые ее принципы, мы сможем со временем в гораздо более простом виде осуществить любой химический процесс, который идет в организме. Если эта возможность реально подтвердится, то химическая технология во многом претерпит подлинную революцию.