КПД зелёного листа

Раздел: Наука

Если взять такое весовое количество любого вещества, которое соответствует молекулярному его весу, например, 18 г воды, 44 з углекислого газа, 393 г хлорофилла и т. д., то число молекул этих веществ в данном весовом количестве будет одинаково и равно 6,06 X Ю23> что соответствует числу Авогадро. Это количество веществ, как мы знаем, называется грамм- молем. Если бы фотохимическое превращение того или иного вещества шло с затратой в 1 фотон или 1 квант на одну превращенную молекулу и если бы при этом в продуктах реакции запасались все 100% поглощаемой энергии квантов, то мы говорили бы, что процесс прошел с одноквантовым расходом и с энергетическим КПД, равным единице, или 100%. Однако и в этом случае, если бы процесс шел в разных лучах спектра, даже при реагировании грамм-моля исходного вещества, в про- д>ктах запасалось бы разное количество энергии.

Мы уже видели, что энергия квантов равных лучей спектра различна. Если количество энергии каждого кванта помножить на число Авогадро, то мы узнаем, сколько энергии запаслось бы в грамм-молекуле продуктов одноквантового процесса при КПД равном 1. Для лучей разной длины волны это были бы величины, обозначенные на масштабе в левой части  12. Эти величины, соответствующие энергии моля квантов, получили название «Эйнштейн» (эн).

Таким образом, например, Эйнштейн синих лучей с длиной волны 400 пщ равен 70 ккал, а Эйнштейн красных лучей с длиной волны 680 т\х — 39 ккал. Согласно основному уравнению фотосинтеза при усвоении одного грамм-моля (44 г) С02 в продуктах фотосинтеза запасается около 112—115 ккал (см. стр. 10). Если бы процесс во всех случаях шел с 8-кван- товым расходом и с запасанием в продуктах фотосинтеза 112 ккал/г-моль С02, то КПД фотосинтеза в разных участках спектра соответствовал бы .разным показателям, которые менялись бы от 21% в области синих лучей и до 37% в области красных. Что касается солнечного света, то он характеризуется сложным спектральным составом и Эйнштейн его в среднем равен около 50 ккал.

Значит, на фотосинтез, идущий на солнечном свете с 8-кван- товым расходом, должно было бы поглотиться 8X50=400 ккал, а запастись в продуктах 112 ккал. Таким образом, максимальный КПД при солнечном свете может быть равен 28%.

Однако обычно при усилении интенсивности света, как мы говорили выше, постепенно исчерпывается пропускная способность прежде всего темновых систем. При этом интенсивность фотосинтеза начинает возрастать значительно медленнее, чем интенсивность сзётаг а отсюда снижаются и коэффициенты полезного действия процесса. Понятно, что размеры КПД зависят также ог общей активности фотосинтетического аппарата, а следовательно, и от общего уровня показателей световых кривых, характеризующих зависимость процесса от интенсивности света, что видно из данных  4 и 13.

Главная наша задача в том, чтобы обеспечить растениям такие условия, при которых фотосинтез шел бы с КПД, наиболее близким к максимально возможному, иначе говоря, соответствующему 8-квантовому расходу. Задача эта нелегкая.

Если бы мы хотели, чтобы при всех наблюдающихся в природе интенсивностях света фотосинтез листа шел с 8-кван- товым расходом и с КПД 28%, то его световая кривая, иллюстрирующая зависимость процесса от света, должна, была бы представлять собой прямую линию. При высоких интенсивностях света интенсивность фотосинтеза должна была бы достигать столь высоких величин, которые в 3—5 раз превышали бы те, которые мы наблюдаем в действительности, даже в самых лучших случаях.

Из этого можно сделать следующий вывод: наилучшее использование солнечной энергии растениями будет достигаться тогда, когда световые кривые, характеризующие ход фотосинтеза листа, будут максимально выпрямлены и приближены к теоретическим возможным 8-квантозым. Однако в полной мере это практически неосуществимо, по крайней мере, в течение ближайшего времени.

Каков же тогда выход из положения?

Можно ли рассчитывать на то, что мы все же будем использовать на фотосинтез приходящую энергию солнечной радиации с КПД, близкими к теоретически возможным?

Оказывается, такая возможность есть. Но осуществимо это не по отношению к отдельному листу, а по отношению к сложным системам из совокупности листьев, таким, как посевы растений или естественные ценозы — сообщества растений (леса, луга и т. п.).

В этом случае необходимо, чтобы на каждом метре посева создавалась возможно большая площадь листьев, а ориентировка их в пространстве была бы наиболее рациональной.