Занимательно об энергетике

Но и в спектр электромагнитных волн входит не только видимый свет — также инфракрасное излучение, ультрафиолет, космические лучи гигантских энергий... Отчего же растения обходятся лишь видимым светом?

Ответ прост: инфракрасные лучи несут фотоны (световые корпускулы) очень малых энергий. Крошечных: они не способны вызвать химических изменений в молекулах. (Так фотолюбители проявляют в красном свете, чтобы не засветить фотопленки.)

На другом полюсе ультрафиолетовое излучение настолько богато энергией, что способно погубить зеленый росток: эти лучи вызывают ионизацию и разрушение химических связей. Это «дубинка», все сокрушающая на своем пути.

К счастью, для всего живого слой озона в атмосфере почти полностью задерживает ультрафиолетовую часть солнечного спектра.

Вот и получилось: «питаться» растения могут лишь энергией видимого света. Но и этот участок непрост: есть желтые, зеленые и другие лучи. Отчего же растение предпочитает красные? И тут нашелся ответ. Красные лучи наиболее интенсивны (слабее всего рассеиваются атмосферой). Так в процессе длительной эволюции растения постепенно выбрали для себя наиболее подходящий участок энергии.

Но удивительнее всего в исследованиях хлорофилла то, что человек уже научился получать хлорофилл искусственно.

Это сделал в 1960 году американский химик-органик Р. Вудворд. То был крупный успех: одно дело разгадать состав и структуру этой знаменитой молекулы, совсем иное — синтезировать ее искусственно!

Вудворд создал множество шедевров органического синтеза. Он воссоздал хинин, стрихнин, кортизон, резерпин, холестерин и ланостерин, хлорофилл и витамин В12, тетрациклин и другие важные и чрезвычайно сложные природные соединения.

В 1965 году за эти работы Вудворд был удостоен Нобелевской премии.

Над синтезом хлорофилла Вудворду пришлось изрядно потрудиться Он возглавил громадный коллектив ученых-химиков. Ведь полный синтез хлорофилла включал в себя до 30 стадий!

Завет Фредерика Жолио-Кюри

Зеленый цвет вовсе не обязателен для каждого фо-тосинтезирующего организма. Так, водоросли в большинстве случаев желтые, бурые, оливковые, красные или синие, но не зеленые. И на суше некоторые растения имеют желтые или красные, а не зеленые листья.

Но в какие бы одежды ни рядились фотосинтетики, ключевую, доминирующую роль в них играет зеленый пигмент — хлорофилл. Всякий раз, когда пигментная система «цветного» фотосинтетика подвергалась тщательному научному анализу, в ней обязательно находили и хлорофилл.

Невольно рождается мысль: хлорофилл — это избранник Природы, ее «любимчик». В нем чувствуется даже нечто мистическое. Словно эта молекула — ключ к разгадке какой-то глубокой тайны живого, так много сулящей практике.

С исследованиями хлорофилла всегда были связаны большие надежды. Люди давно мечтают о техническом воплощении фотосинтеза, о дне, когда маститый ученый на глазах у благоговеющей публики совершит чудо.

Солнечный луч создаст из углекислого газа и воды «ложечку сахара» в пробирке, и мы перестанем быть в рабской зависимости от плодов, поставляемых биосферой. От капризов погоды, скудости почв... Так рассуждали не только простые неученые граждане. Сам К. Тимирязев писал:

«Тогда явится находчивый изобретатель и предложит изумленному миру аппарат, подражающий хлорофилловому зерну, — с одного конца получающий даровой воздух и солнечный свет, а с другого — подающий печеные хлебы...»

Поэтому-то искусственный синтез хлорофилла Вудвордом был принят «на ура». То была научная сенсация. В популярной литературе того времени это замечательное достижение приравнивалось к решению (и окончательному) всей проблемы фотосинтеза, и даже революции в производстве пищи!

Увы! Революция не состоялась. Ученые знатоки фотосинтеза давно уже поняли всю неизмеримую сложность грандиозной проблемы. Двухсотлетний опыт исследований показывает: не существует одной загадки фотосинтеза, а есть целый ряд ключевых вопросов. И механизм действия хлорофилла лишь один из них.

Блестящий синтез хлорофилла, осуществленный Вудвордом, ничего не решал окончательно, и потому человек еще не может создать «ложечку сахара» в пробирке.

Однако в последние десятилетия наметился еще один заманчивый путь. Ученые пытаются создать технические устройства особого рода, которые бы помогли нам обуздать солнечную энергию, воспользоваться ее неисчерпаемыми запасами. Фотосинтез захотел породниться с энергетикой!

У нобелевских лауреатов, всемирно известных физиков Ирен и Фредерика Жолио-Кюри были дочь Элен и (младший) сын Пьер. Элен, окончив, как и отец, с отличием Школу физики и химии, тоже посвятила себя ядерной физике: пошла по стопам родителей. Но Пьер... Он занялся биологией! Его увлекли загадки фотосинтеза, тайны зеленого листа.

Каприз? Бунт? Дух противоречия? Вовсе нет! Оказывается, любимой научной идеей Ф. Жолио-Кюри, ученого-атомника, одного из «крестных» атомной энергетики, была мысль о непосредственном использовании энергии падающего на Землю света.

Как-то в один из приездов в Советский Союз в беседе с нашими учеными Ф. Жолио-Кюри здесь же, у доски, сделал простейшие подсчеты.

Вышло: если бы на малой части пустыни Сахары (скажем, территория Египта) при помощи соответствующего оборудования молено было бы использовать хоть 10 процентов солнечной радиации, то этой энергии с лихвой хватило бы для нужд всей планеты. Но еще поразительнее слова Ф. Жолио-Кюри, оставленные им как завещание будущим поколениям ученых: «Хотя я верю в будущее атомной энергии и убежден в важности этого изобретения, однако я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, аналогичных хлорофиллу или даже более высокого качества...»

Странные все-таки слова для физика-ядерщика! Человека, который одним из первых создал атомный реактор — сердце атомной электростанции.

Что это, причуда гения? Прихоть беспокойного, вечно мятущегося ума? Научное кокетство? Ни то, ни другое, ни третье. Это, как сейчас выясняется, трезвый взгляд в будущее.

Обыкновенный полупроводник

А началось все с практического вопроса: как помочь промышленности в борьбе против выцветания красителей.

Вещества, которыми красят, например, ткани, поглощают свет. Мельчайшие порции световой энергии — фотоны разбивают молекулы красителя, и он разрушается, выцветает.

Когда в первые послевоенные годы в лаборатории академика А. Теренина в Ленинграде стали изучать эти процессы, неожиданно выяснилось, что красители типичные полупроводники.

Но если на минуту отвлечься от проблем собственно фотосинтеза и взглянуть на дело широко, то все пигменты, которыми наполнены листья растений, также предстанут перед нами как рядовые великой армии красителей!

Среди многообразных соединений органической химии, красители выделяются интенсивным поглощением видимого света. Это и обусловливает их яркие цвета: поэтому их и используют с давних пор для крашения.