Вся электронная библиотека >>>

 Солнечная энергетика >>>

 

 

 

 Солнечная энергия для человека


Раздел: Наука

 

Фотосинтез

  

 

Удостоверившись в том, насколько трудно осуществить процессы, которые позволили бы преобразовать или аккумулировать солнечную энергию, обратимся теперь к вопросу о том, как они протекают в живых клетках. Здесь они осуществляются удивительно экономично. При благоприятных условиях растения могут накапливать до 10% энергии падающей на них солнечной радиации в виде «горючего», молекулы которого имеют чрезвычайно сложное строение. Общее количество энергии, получаемой на земном шаре посредством такого рода преобразований, оценивается по-разному. Считается, что только для своего существования растения расходуют энергии в 10 раз больше, чем в настоящее время потребляет все человечество. Мельчайшие живые организмы, густо населяющие моря, по-видимому, используют еще больше энергии.

Цель проводимых в этой области исследований заключается в том, чтобы научиться воспроизводить хотя бы часть таких процессов и управлять ими. Однако процессы фотосинтеза необычайно сложны и до сих пор в значительной степени остаются непонятными. Их изучение продолжается, а пока особое внимание уделяется применению растений в качестве преобразователей энергии в энергеческих системах, созданных человеком и действующих по другому принципу. В этом разделе мы рассмотрим несколько характерных особенностей фотосинтеза растений, чтобы понять возможности их использования в работе энергосистем.

Реакцию фотосинтеза, происходящую в зеленых растениях, часто представляют уравнением

пС02 + п\\20 + радиация -> п (СН20) + п02. (9.8) Из него мы видим, что в растениях в результате взаимодействия углекислого газа и воды образуются углеводы и выделяется кислород. Это, конечно, грубое упрощение, которое, однако, позволяет нам уяснить существенные моменты метаболизма растений. Для протекания такого процесса необходимы углекислый газ и вода (первый обычно заимствуется из воздуха, где его содержится около 0,03%). Как показывает уравнение (9.8), на каждую поглощенную молекулу углекислого газа растение выделяет одну молекулу кислорода. Молекулы углеводов участвуют в цепи химических превращений, в результате которых образуются органические вещества, необходимые для роста и развития растений. Простейшей формой углевода я(СН20) является глюкоза C6Hi206 (n = G). В какой-то степени она присутствует в растениях в чистом виде, но чаще всего входит как составная часть в более сложные молекулы жиров, белков и других веществ с высоким содержанием углеводов, щедро представленных в живых растениях. Не останавливаясь на рассмотрении всех этих последовательных преобразований, заметим лишь, что роль катализаторов в них играют очень сложные белковые соединения, называемые ферментами. Энергия, требующаяся для осуществления указанных «строительных» операций, получается при окислении некоторых простейших углеводов с образованием снова углекислого газа С02 и воды. Эффективность таких операций зависит от содержания в почве микроколичеств определенных: элементов От них иногда зависит, будет ли урожай шедрым или плохим.

Пути движения веществ, участвующих в процессе (9 8), исследовались методом радиоактивных, или «меченых», атомов. Установлено, что кислород выделяется только из воды, но не из углекислого газа. Таким образом, процесс, по существу, сводится к разложению молекул воды, то есть к реакции (9.1). В первых разделах этой главы мы видели, что энергия одного фотона видимого света недостаточна для осуществления подобной реакции и поэтому нужны вещества, которые могут накапливать энергию поглощаемых фотонов до требуемого уровня. В зеленых растениях эту роль выполняет порфирин магния (MgN4C55H7205), известный как хлорофилл-А, сосредоточенный в хлоропластах растений; он поглощает свет во всем видимом спектре, но особенно сильно в красной области. Отсутствие красного цвета в отраженном растениями свете и дает резко выраженный зеленый цвет. Полагают, что это вещество выполняет каталитическую функцию, переходя в одно из своих триплетиых состояний.

Энергия, необходимая для протекания реакции фотосинтеза, велика. С учетом энергии, затрачиваемой на восстановление углекислого газа, она достигает в целом около 5 эВ на единицу синтезируемого углевода. Однако этот процесс может происходить под действием радиации с длинами волн, лежащими за пределами красного конца видимой области спектра, которым соответствуют энергии фотонов лишь около 1,7 эВ. Такие фотоны не учитываются при определении полного к. п. д. процесса, тем не менее их роль в этом процессе пока остается неясной. Большинство исследователей считают, что для синтезирования одной молекулы углевода требуется около восьми фотонов красного света. Если это так, то потребляемая при этом энергия достигает примерно 14 эВ. Поскольку запасенная энергия составляет около 5 эВ, то общий к. п. д. процесса накопления энергии при облучении красным светом равен 35%. Предполагается, что потери возникают на различных стадиях фотосинтеза, большинство из которых принято считать до некоторой степени необратимыми.

В гл. 8 мы видели, как определяется общий к. п. д. использования солнечной энергии в простейшем квантовом процессе. Если порог фотосинтеза соответствует самому краю красного конца спектра (X ~ 0,7 мкм), то значительная часть солнечной энергии (около 55%), приходящаяся на инфракрасную область спектра, остается неиспользованной. Более того, если процесс фотосинтеза в чем-то подобен фотоэлектрическому процессу, то и короткие волны в нем не участвуют. Для простоты предположим, что к фотосинтезу применим рассмотренный в гл. 8 метод расчета к. п. д. фотоэлектрического процесса, учитывающий граничную длину волны (там мы получили к. п. д. = 35%). Тогда максимальный к. п. д. использования растениями солнечной энергии оказывается не более 11%. Близкое к этому значение к. п. д. получают при выращивании растений в искусственных условиях, тогда как для естественных условий развития растений к. п. д. на порядок ниже, около 1%). Это и есть предел, к которому стремятся ученые, занимающиеся растениеводством и биологией почвы, и который дает нам надежду, что земля еще сможет нас прокормить

 

 

СОДЕРЖАНИЕ КНИГИ: Солнечная энергия для человека

 

Смотрите также:

 

Фотосинтез. БИОЛОГИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

При выполнении длительных (месяцы и годы) космических полетов перспективной является биологическая система, основанная на фотосинтезе зеленых растений.

 

ФОТОСИНТЕЗ — процесс образования органических веществ...

В результате фотосинтеза образуются свободный кислород, попадающий в атмосферу, органич. вещества (в
Фотосинтез оказал огромное влияние на дальнейшую эволюцию жизни на Земле.

 

Фотосинтез. Пельтье и Каванту открыли хлорофилл

Дмитрий Самин. Тайны живого. Фотосинтез. Несколько лет французские химики Пельтье (1788-1842) и Каванту (1795— 1877) работали вместе.

 

...ресурсов. Современные естественно-научные средства. Фотосинтез...

Благодаря фотосинтезу живые растения получают энергию, необходимую для превращения
Фотосинтез – важнейший источник не только продовольственных ресурсов, но и энергии.

 

Фотосинтез. Солнечное освещение растений в теплицах

Фотосинтез. Биологическая регенерация газовой среды. К.п.д. фотосинтеза для различных растений изменяется в пределах 0,01—0,15.

 

Энергетика экосистем. Растения в процессе фотосинтеза. Живые...

Растения, как известно, способны запасать энергию в химических связях в процессе фотосинтеза или хемосинтеза.

 

Микроклимат в теплице. Получение урожая. РОЛЬ МИКРОКЛИМАТА...

Фотосинтез обеспечивает энергией растения в процессе их роста, а также поставляет сахара, необходимые для дыхания растений.