"Bizning muammomiz, men birinchi bo'lib qo'ygan muammo bilan bog'liq holda - Yer yuzida tobora ko'payib borayotgan odamlar bilan nima qilish kerak, savol tug'iladi: "Biosferadagi katta biologik tsikl odamlarga nima berishi mumkin?" Ushbu muammoni ko'rib chiqish mumkin uch Men hozirgina tasvirlab bergan biosferaning asosiy nuqtalari yoki joylari:
1) energiya kiritishda,
2) biosferaning biologik siklida va
3) biologik sikldan geologiyaga chiqishda.
Keling, energiya kiritishdan boshlaylik. Quyosh energiyasining ma'lum miqdori Yer yuzasiga tushadi. Albatta, uning avtotrof organizmlar tomonidan so'rilgan qismigina biologik ishlay oladi. Yerga tushadigan barcha quyosh energiyasining faqat ma'lum bir foizi (aniq hisoblash unchalik oson emas), aytaylik, taxminan uchdan sakkiz foizgacha , yashil o'simliklar tomonidan so'riladi. So‘rilgan energiyaning hammasi ham fotosintezga ketmaydi. Texnologiyada bo'lgani kabi, tirik tabiatda ham samaradorlik - fotosintez samaradorligi haqida gapirish mumkin. Bu (yana hisoblash juda qiyin) taxminan ikki-sakkiz foiz .
Shuni ta'kidlash kerakki, o'simliklarning har xil turlari va guruhlari har xil samaradorlikka ega.
Shunday qilib, allaqachon kirish joyida, insoniyat o'simliklar Yerga kiradigan quyosh energiyasini ko'proq o'zlashtirishi uchun biror narsa qilishi mumkin va buning uchun Yerning yashil qoplamining zichligini oshirish kerak. Shu bilan birga, biz odamlar, iqtisodiy, sanoat faoliyatida va kundalik hayotimizda o'rmonlar, o'tloqlar, dalalar va qurilish maydonchalariga beparvolik bilan munosabatda bo'lib, Yerning yashil qoplamining zichligini kamaytirishga moyilmiz. Cho'l va dashtlarni etarli darajada ko'kalamzorlashtirish orqali biz yashil qoplamaning zichligini kamaytiramiz. Ammo aynan zamonaviy texnologiya va sanoat darajasi bizga nazariy jihatdan qarama-qarshi ishni bajarishga - er yuzasining barcha qulay joylarida va suv havzalarida, ayniqsa chuchuk suvda yashil qoplama zichligini har tomonlama oshirish imkonini beradi.
Bundan tashqari, hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, uni kamida bir yarim, ehtimol ikki baravar oshirish va shu bilan Yerning biologik mahsuldorligini oshirish mumkin.
Yuqorida aytilgan ediki, har xil turdagi o'simliklarning samaradorligi - samaradorlik koeffitsientlari juda farq qilishi mumkin, ikkidan sakkizgacha o'zgarib turadi va bir qator o'simliklar uchun undan ham ko'proq foizni tashkil qiladi. Va bu erda insoniyat uchun yana bir imkoniyat ochiladi: har xil o'simlik turlarining samaradorligini mutaxassis fiziologlar tomonidan oldindan aniq o'rganishga asoslanib, Yer yuzini qamrab olgan o'simliklar jamoalarida ishtirok etish foizini oshirishga harakat qilish maqsadga muvofiqdir. eng past emas, balki eng yuqori samaradorlik bilan. Bu, yana, o'simliklar tomonidan so'rilgan va o'simliklar fotosintezi orqali Yerda organik moddalar ishlab chiqarilishiga olib keladigan quyosh energiyasining foizini bir yarim marta yoki undan kam yoki undan ko'p ko'rsatkichga oshirishi mumkin.
Bu shuni anglatadiki, biosferaga kirishda, energiya kiritishda siz g'alaba qozonishingiz, Yerning biologik mahsuldorligini, aytaylik, ikki baravar oshirishingiz mumkin. Sizga shuni eslatib o'tamanki, bu bizga yuz yildan keyin juda kerak bo'ladi."
Timofeev-Resovskiy N.V., Memuarlar, M., "Vagrius", 2008, s. 344-345.
Fotosintezning asosiy ko'rsatkichlarining xususiyatlari:
intensivlik va mahsuldorlik.
Fotosintez quyidagi miqdoriy ko'rsatkichlar bilan tavsiflanadi:
fotosintez intensivligi,
fotosintetik mahsuldorlik.
Fotosintezning intensivligi (tezligi) - vaqt birligida barg yuzasining bir birligi tomonidan so'rilgan karbonat angidrid miqdori. O'simlik turiga qarab, bu ko'rsatkich 5 dan 25 mg CO2 / dm2 gacha. h.
Fotosintetik mahsuldorlik - butun o'simlik massasining kunlik o'sishining (grammda) barg maydoniga nisbati. O'rtacha bu qiymat kuniga 1 m2 barg yuzasiga 5 dan 12 g gacha quruq moddani tashkil qiladi.
Ushbu miqdoriy ko'rsatkichlarni aniqlashning ko'plab usullari mavjud.
Fotosintezning intensivligini aniqlash mumkin:
gazometrik usullar;
radiometrik usullar.
Gazometrik usullardan foydalanib, so'rilgan karbonat angidrid miqdorini yoki chiqarilgan kislorod miqdorini aniqlash mumkin. Bunda so'rilgan yoki chiqarilgan gazlarning og'irlik ko'rsatkichlari, shuningdek, aniqlanayotgan gazlarning hajm ko'rsatkichlari, bosim ko'rsatkichlari, rang ko'rsatkichlari va issiqlik o'tkazuvchanlik ko'rsatkichlari qo'llaniladi.
Radiometrik usullardan foydalanib, o'simlik tomonidan C14O2 ning yutilish intensivligi unda C14 mavjudligi yoki gaz aralashmasi radioaktivligining o'zgarishi bilan aniqlanadi.
Fotosintezning mahsuldorligi o'simlikdagi assimilyatsiyalarning to'planishi bilan belgilanadi. Bunday holda, quyidagi usullar qo'llaniladi:
ma'lum vaqtdan keyin varaqdan so'qmoqlarning quruq moddasi miqdorining o'zgarishi,
ma'lum vaqtdan keyin bargda uglevodlarning to'planishi,
barglarning quruq moddasining yorug'lik ta'sirida yonish issiqligining o'zgarishi.
O'sish davrida fotosintezning intensivligi va mahsuldorligi rivojlanish boshidan asta-sekin o'sib boradi, gullash-mevalanish bosqichida maksimal darajaga etadi va keyin asta-sekin kamayadi.
O'simliklar tomonidan fotosintetik faol nurlanishni assimilyatsiya qilish.
Fotosintetik faol nurlanish (PAR) - fotosintez jarayonida xlorofilllar tomonidan so'rilishi mumkin bo'lgan quyosh nurlanishining bir qismi. PAR 380 dan 710 nm gacha bo'lgan to'lqin spektriga ega va to'g'ridan-to'g'ri quyosh nurlari va tarqalgan yorug'likdan iborat bo'lib, ularning intensivligi to'g'ridan-to'g'ri quyosh nurlanishining 1/3 qismiga teng. Tarqalgan yorug'likda PAR 90% gacha, ya'ni to'g'ridan-to'g'ri quyosh nurlaridan farqli o'laroq, tarqalgan yorug'lik o'simlik tomonidan deyarli to'liq so'rilishi mumkin.
Fotosintezning intensivligi spektrning qizil qismida maksimal, ko'k va yashil qismlarida minimal bo'ladi.
PAR turli o'simliklarning barglari tomonidan turlicha so'riladi. Bu jarayon bargdagi pigmentlarning miqdoriy va sifat tarkibi bilan belgilanadi. Ertalab va kechqurun xlorofill bilan etarli miqdorda o'simliklarda fotosintez eng qizg'in kechadi.
O'simlikning xlorofillning fotokimyoviy faolligidan foydalanish darajasi assimilyatsiya soni bilan baholanadi - ya'ni vaqt birligida xlorofillning bir birligi tomonidan assimilyatsiya qilingan karbonat angidrid miqdori bilan.
To'q yashil barglari bo'lgan o'simliklarda assimilyatsiya soni kichik; bular asosan soyada yashaydigan o'simliklar; och yashil rangga ega o'simliklarda bu ko'rsatkich ancha yuqori, chunki bu yorug'likni yaxshi ko'radigan o'simliklar.
PAR ning asosiy so'rilishi hosilning yuqori qatlamlarida sodir bo'ladi va ko'proq miqdorda xlorofill ham mavjud.
Bargning nurlanish energiyasini yutishi quyidagi formula bilan ifodalanadi:
Bu erda Q - varaqga tushgan nurlanish miqdori, R - aks ettirilgan nurlanish,% da, T - uzatilgan nurlanish,% da, A - yutilgan nurlanish,%. Barcha uch ko'rsatkich bargdagi xlorofill tarkibiga bog'liq.
Fotosintez minimal yorug'lik intensivligida mumkin; yorug'lik intensivligi to'liq quyosh yoritilishining 1/3 qismigacha oshganda, fotosintez intensivligi ortadi; undan ham yuqori yorug'likda fotosintez intensivligi biroz oshadi; maksimal yorug'likda fotosintezning yorug'lik bilan to'yinganligi va fotonafas olish mexanizmi kuchga kiradi.
Vegetatsiya davrida 1 gektarga tushadigan quyosh radiatsiyasining umumiy miqdori 21,109 kJ ni tashkil qiladi, shundan PAR atigi 8,109 kJ, ya'ni atigi uchdan bir qismini tashkil qiladi.
O'simlik tomonidan so'rilgan PAR miqdori quyidagi formula bilan aniqlanadi:
P = Q - R - Tp + Rp
Bu yerda P - ekin tomonidan so'rilgan nurlanish, Q - ekinga tushgan umumiy radiatsiya, R - ekindan va uning yuqori chegarasidan tashqarida aks ettirilgan nurlanish, Tp - tuproqqa o'tadigan nurlanish, Rp - tuproqdan aks ettirilgan nurlanish. o'simliklar ostidagi tuproq.
Ekish orqali PAR energiyani yutish koeffitsienti (Qp) formulaning ikkala qismini Q ga bo'lish yo'li bilan aniqlanadi:
Qp = P/Q = 1 - R/Q - Tp/Q + Rp/Q,
Bu yerda R/Q - hosilning albedosi, tushayotgan nurlanishning qaysi qismi ekin tomonidan aks etishini ko'rsatadi, Tp/Q - o'tkazuvchanlik koeffitsienti, tushayotgan nurlanishning (Q) o'simlik qoplami ostidagi tuproqqa qancha qismi yetib borishini ko'rsatadi, Rp. /Q - o'simliklar ostidagi tuproqning albedosi.
Fotosintez samaradorligini quyidagi formula bilan aniqlanadigan samaradorlik koeffitsienti bilan tavsiflash mumkin:
E% (samaradorlik) = V.100/A,
Bu yerda A - vegetatsiya davrida 1 gektar ekin uchun olingan energiya miqdori yoki ekin tomonidan o'zlashtirilgan energiya, kJ, B - ekinning organik massasida (biologik yoki iqtisodiy) to'plangan energiya miqdori. , kJ da.
Fotosintez mahsulotlarini hosil qilish uchun barcha qulay sharoitlarda (sug'orish, yuqori CO2 konsentratsiyasi) quyosh energiyasining atigi 2% ishlatilishi isbotlangan. Oʻrtacha real sharoitda qishloq xoʻjaligi oʻsimliklarining fotosintez samaradorligi taxminan 0,5-1% (yaʼni soatiga taxminan 16 kJ/m2), lekin nazariy jihatdan bu koʻrsatkich darajasini 4-6% gacha oshirish mumkin. Amaliy qishloq xo'jaligi ishlab chiqarishi oldida turgan eng dolzarb vazifalardan biri fotosintez samaradorligini oshirishdir.
Fotosintezni bevosita nazorat qilish deyarli mumkin emas, lekin uni bilvosita boshqarish mumkin.
Barg maydoni. ILP kamida 4-5 bo'lishi kerak, ya'ni. 1 gektarga barg maydoni 40-50 ming m2 bo'lishi kerak.
Yorug'likdan yaxshiroq foydalanish imkonini beruvchi optik ekin zichligi. Bunga yo quyuqlashgan (masalan, kartoshka urug'lik uchastkalarida) yoki ko'proq siyrak ekinlarni (masalan, donli urug'lik ekinlari) hosil bo'lishiga imkon beradigan urug'lik ekish normalari orqali erishiladi.
O'simlikdagi barglarning shakli muhim rol o'ynaydi. Ham gorizontal, ham qat'iy vertikal (kamon) tartibga solish bilan yomon. Yaxshiroq - makkajo'xori va don kabi huni shaklida.
Atrof-muhit omillarini tartibga solish (yorug'lik, harorat, CO 2, H 2 O, mineral oziqlanish va boshqalar)
Fotosintez uchun optimal parametrlarga ega ekinlarni yaratish:
Donlarning eng yuqori bargi - bayroq bargi katta rol o'ynaydi. Uning ishi tufayli fotosintez mahsulotlarining taxminan 50% gullashdan keyin, donni to'ldirish davrida hosil bo'ladi.
O'simliklarning faol vegetatsiya davrini ko'chatlar, unib chiqqan ildiz va erta ekish kunlarini ekish orqali uzaytirish. O'simliklarni faol fiziologik holatda saqlash kerak.
Ekin hosil bo'lishida nafaqat barglar, balki fotosintez sodir bo'ladigan quloqlar, poya va hatto ayvonlar ham ishtirok etadi. Ularning ulushi boshqacha, ammo sezilarli.
Yuqori fotosintetik faollik tufayli o'simliklarning mahsuldorligi 1,5-2 baravar ortadi, o'simliklarning printsipial jihatdan yangi turlarini joriy etish. Bular tor polosali ekinlardir: eni taxminan 1 m boʻlgan navbatma-navbat chiziqlar boʻyi baland ekinlar (donli ekinlar) va qatorli ekinlar (lavlagi, kartoshka va boshqalar) Bunday ekinlarda yorugʻlikdan foydalanish yorugʻlik yon taʼsiri, kontsentratsiyasi tufayli yaxshilanadi. CO 2 ekinlarni puflash va qator ekinlari ostiga organik moddalarni kiritish va boshqa bir qator afzalliklarga bog'liq holda ortadi.
Fotosintez quyosh energiyasidan foydalanishning asosiy, yuqori tejamkor usuli hisoblanadi.
Fotosintezning atrof-muhit omillari va o'simlik xususiyatlariga bog'liqligi
IF ning CL tarkibiga bog'liqligi assimilyatsiya raqami (AN) yoki Willstätter raqami bilan izohlanadi. AC - bu xlorofill birligi uchun barg tomonidan 1 soat ichida o'zlashtirilgan CO2 miqdori. Xlorofill miqdori qancha yuqori bo'lsa, AN miqdori shunchalik past bo'ladi. Och yashil barglari bo'lgan o'simliklarda AC qiymati 60-80, quyuq yashil rangda - 5-7 mg CO 2 / soat mg CL.
Xlorofil butun o'simlik dunyosida bir xil bo'lib, uning miqdori o'sish sharoitiga qarab 0,7 dan 9 mg / dm2 gacha.
O'simlik qancha yorug'likni o'zlashtirsa, barglardagi CL miqdori shunchalik past bo'ladi. Mo''tadil zonada, masalan, Belarus Respublikasida barglar quyuq yashil, janubiy hududlarda ular och yashil rangga ega. O'simliklar odatda xlorofillni ortiqcha miqdorda sintez qiladi. Uning o'simliklardagi miqdori tabiiy namlik (0,05-0,32%) asosida yuzdan o'ndan bir foizgacha o'zgarib turadi.
Ontogenez jarayonida fotosintezning o'zgarishi.
Ushbu qaramlikni o'rganish uchun odatda etiolatsiyalangan ko'chatlar ishlatiladi, ya'ni. qorong'ida o'stirilgan. Ularda xlorofill mavjud emas. Ular yoritilsa, bir necha daqiqada xlorofill hosil bo'ladi va to'rt soatdan keyin ularda fotosintez boshlanadi. Bir yillik o'simliklarda IF ning unimodal o'zgarishi ontogenez davrida sodir bo'ladi. IF ko'kalamzorlashtirishdan ikki kundan keyin ma'lum darajada o'rnatiladi. IF ning maksimal qiymati vegetatsiyadan ko'payishga o'tish davrida (gullash bosqichi). Qarish barglarida IF kamayadi.
2. Fotosintez intensivligi va atrof-muhit omillari.
2.1 IF yorug'lik intensivligiga (foton oqimi) va uning spektral tarkibiga bog'liq. FI ning IR (yorug'lik intensivligi) ga bog'liqligi tasvirlangan yorug'lik egri fotosintez, bu ikki fazadan iborat parabolaga o'xshaydi. Birinchi bosqich - IF ning IO ga chiziqli bog'liqligi yorug'lik kompensatsiyasi nuqtasi (SKP). SKP - IF = ID bo'lgan yorug'lik intensivligi. Ikkinchi bosqich - bu egri chiziqning qiyaligining pasayishi, chunki AI ortib boradi va u platoga etadi. Bu yorug'lik to'yinganligi fotosintez.
Umumlashtirilgan yorug'lik egri chizig'i quyidagi shaklga ega.
C 3 o'simliklarida yorug'likning to'yinganligi PSO dan 0,4-0,6 ga teng bo'lgan IQ qiymatlarida sodir bo'ladi va C 4 da u deyarli kuzatilmaydi.
Yorug'lik egri chizig'ining egilish nuqtasiga mos keladigan quyosh radiatsiyasi deyiladi radiatsiya qurilmalari(RP). RP paytida fotosintezning samaradorligi maksimal qiymatlarga etadi. Biroq, ekinlarda, o'zaro soya tufayli, o'simliklar yorug'lik sharoitida etarli emas.
Yorug'likka nisbatan o'simliklar yorug'likni yaxshi ko'radigan (SR) va soyaga chidamli (TP) ga bo'linadi. Ular morfologik, anatomik va fiziologik xususiyatlari bilan farqlanadi. CP barglari kichikroq, qalinroq, zich tomirli, och yashil rangga ega va xlorofill miqdori kamroq. TRda hamma narsa aksincha: barglari kattaroq, ingichka, siyrak tomirli, quyuq yashil rangda, ko'proq xlorofill, ayniqsa Chlv. SR samaraliroq.
TP va SR yorug'lik egri fotosintez jarayonida farqlanadi (2-rasm). Past IRda TR ning IF ko'rsatkichi SR dan yuqori bo'ladi va IR ning ortishi bilan TR ning IF ko'rsatkichi ↓, SR esa .
Ular naslchilik ishlarida ma'lum o'simlik turlari, duragaylari va navlarining fotosintezni past IQ qiymatlarida amalga oshirish qobiliyatidan foydalanishga harakat qilmoqdalar. Bunday tanlov hatto C 4 ekinlari orasida ham mumkin - majburiy yorug'likni sevuvchilar.
Yorug'likning spektral tarkibi. IF ko'p jihatdan yorug'lik sifatiga bog'liq. Kvant nazariyasiga ko'ra, 1 J qizil nurlar (CR) 1 J ko'k-binafsha nurlar (SV) dan 1,5 marta ko'proq kvantlarni o'z ichiga oladi. SF va CS ni hodisa kvantlari bo'yicha tekislashda IF CSda SF va oq nurga (BL) qaraganda yuqoriroq bo'lib chiqadi. Biroq, to'yingan yorug'likda ustunlik SFga o'tadi. SFda o'stirilgan o'simliklarda Phs ning to'yinganligi yuqori yorug'likda sodir bo'ladi va ular CSdagi o'simliklarga qaraganda kuchli nurlanish oqimlaridan samaraliroq foydalanadilar.
Yorug'lik sifati o'sishi tugallangan bargdagi xloroplastlarning soni va hajmiga ta'sir qilmaydi, shuning uchun IFlar asosan bitta xloroplastning faolligi bilan belgilanadi, bu SSdagi o'simliklarda yuqoriroqdir.
Sintezlangan moddalarning tarkibi yorug'lik sifatiga bog'liq. SF ko'proq oqsil va lipidlarni, CS esa ko'proq eriydigan uglevodlar va kraxmalni to'playdi. Hatto 20% SF va CS qo'shilishining ta'siri monoxromatik ko'k nurning ta'siriga o'xshaydi. Eslatma: SF ko'k chiroqni anglatadi. Bu fotosintetik lampalarni qurishda qo'llaniladi.
Mineral oziqlanish.
Suv rejimi.
Havoning gaz tarkibi.
Havodagi CO 2 ning minimal miqdori C3 uchun - 0,005%, C4 uchun - 0,0005%.
CO 2 ning 0,03% dan 0,3% gacha oshishi fotosintez intensivligini oshiradi. CO 2 dan 1% gacha ko'tarilishi fotosintezga ta'sir qilmaydi,
Katta suv tanqisligi bilan fotosintezning intensivligi stomatalarning yopilishi tufayli pasayadi, bu CO 2 ning barglarga kirishini kamaytiradi, transpiratsiyani kamaytiradi va barglar haroratining oshishiga olib keladi. Bundan tashqari, suvsizlanish konformatsiyani va shuning uchun fermentlarning faolligini o'zgartiradi.
Fotosintezning intensivligi 5-10% suv tanqisligida maksimal bo'ladi, 20% da keskin pasayadi va 50% da fotosintez to'xtaydi.
Har qanday EMFni chiqarib tashlash fotosintezga salbiy ta'sir qiladi. Kaliy fosforlanish jarayonlarini faollashtiradi va stomatalarning ochilishida ishtirok etadi. Magniy xlorofillarning bir qismi bo'lib, karboksillanish va NADPni kamaytirish reaktsiyalarini faollashtiradi. Temir xlorofill sintezi uchun zarurdir. Marganets va xlor suvning fotoparchalanishida ishtirok etadi. Mis plastosiyaninning bir qismidir. Azot xloroplastlarning hosil bo'lishi va pigmentlarning shakllanishi uchun zarurdir. Oltingugurt ETC oqsillarining bir qismidir
Fotosintez samaradorligi- fotosintetik mahsulotlarda saqlanadigan PAR energiyasining foizini tavsiflaydi. O'simliklarning biosferadagi samaradorligi past: taxminan 0,2%, shakarqamish uchun - 1,9%, shakarqamish uchun - 0,5-0,6%. Texnik ekinlarda samaradorlik 0,5-1,5% ni tashkil qiladi. Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, ekinlarda 12% gacha samaradorlikka erishish nazariy jihatdan mumkin. Makkajo'xori ekinlarida allaqachon 7-8% samaradorlikka erishilgan.
Samaradorlikni oshirish usullari:
1) atrof-muhit omillarini tartibga solish (yorug'lik, namlik, harorat)
2) fotosintez uchun optimal parametrlarga ega ekinlarni yaratish:
– barg maydoni. ILP - kamida 4-5, ya'ni. 1 gektarga barg maydoni 40-50 ming m2 bo'lishi kerak.
– ekinlarning optik zichligi, bu yorug'likdan yaxshiroq foydalanish imkonini beradi. Bunga quyuqlashgan (kartoshka urug'lik uchastkalarida) yoki ko'proq siyrak ekinlar (don urug'lari) hosil bo'lishiga imkon beruvchi urug'lik normalari orqali erishiladi.
- katta rol o'ynaydi o'simlikdagi barglarning shakli. Ham gorizontal, ham qat'iy vertikal (kamon) tartibga solish bilan yomon. Yaxshiroq - makkajo'xori va don kabi huni shaklida.
3) o'simliklarning faol vegetatsiya davrini uzaytirish:
Ko'chatlar ekish orqali, ildiz mevalarni ekmoqchi.
Erta ekish sanalari.
O'simliklarni faol fiziologik holatda saqlash kerak. Hosilning shakllanishida nafaqat barglar, balki urug'lantirish sodir bo'ladigan quloqlar, poya va hatto ayvonlar ham ishtirok etadi.
4) yuqori fotosintetik faollik hisobiga o'simliklarning hosildorligi 1,5-2 baravar ko'payadigan prinsipial yangi ekin turlarini joriy etish (chiziq va boshqa ekinlar).
Qazilma boyliklarni nazoratsiz iste'mol qilish dunyoni ekologik va energiya inqirozi bo'sag'asiga olib keldi. Bunday vaziyatda, bir tomondan, bizning neft dunyomizga mos keladigan, ikkinchi tomondan, qayta tiklanadigan, ekologik toza va iqtisodiy jihatdan foydali bo'lgan tubdan boshqacha energiya manbai kerak. Mumkin bo'lgan yechim sun'iy fotosintezdir (AP), buning natijasida elektr va yorug'likdan organik moddalarni sintez qilish uchun sun'iy qurilmalar, shuningdek, ajoyib yarim o'tkazgichli zirhli fotosintetik bakteriyalar allaqachon paydo bo'lgan.
Global energiya inqirozi yoki nima uchun sun'iy fotosintez kerak
Bugungi kunda sayyoramizning allaqachon katta aholisi har yili 1% ga ko'paymoqda. Insoniyat yil sayin ortib borayotgan energiya ehtiyojlarini, birinchi navbatda, qazilma boyliklar hisobiga qondiradi. Ammo neft va ko'mir zahiralari cheklanganligi va ko'p hollarda qayta tiklanmasligi sir emas. Ularning hajmi global rivojlanish sur'atlariga to'g'ri kelmasa (yoki hatto ishlatilmasa), dunyo misli ko'rilmagan darajada energiya inqiroziga duch keladi.
Biz allaqachon qazib olinadigan yoqilg'ining yirik manbalari uchun jahon sahnasida boshlangan shiddatli kurashni ko'rishimiz mumkin. Kelajakda yoqilg'i kamroq va kamroq bo'ladi va manfaatlar to'qnashuvi tez-tez sodir bo'ladi.
So'nggi ikki asr davomida insoniyat qazilma energiya manbalarining mavjudligidan ko'r bo'lib qoldi va ular asosida ko'plab texnologiyalarni ishlab chiqdi, ularsiz bugungi hayotni tasavvur qilib bo'lmaydi. Avval ko'mir va parovozlar bor edi, keyin odamlar bir xil ko'mirni yoqish orqali elektr energiyasini olishni, gaz plitalarini ishlab chiqarishni, shaxsiy va jamoat transportini o'rganishdi - bularning barchasi million yillar oldin saqlangan organik moddalarni iste'mol qilishni talab qiladi. Ushbu moddalar energiyasidan foydalanib, insoniyat ijtimoiy hayotning ko'plab sohalarida sakrashga erishdi: dunyo aholisi 7 milliarddan oshdi, cho'llarda gullab-yashnayotgan shaharlar va davlatlar paydo bo'ldi, ishlab chiqarish quvvati va iste'mol darajasi yildan-yilga ortib bormoqda. Shubhasiz, zamonaviy dunyoni ko'mir, neft mahsulotlari va gazsiz tasavvur qilib bo'lmaydi.
Bu erda zamonaviy energiya dilemmasi paydo bo'ladi: bir tomondan, qayta tiklanadigan energiya manbalariga o'tish zarurati mutlaqo aniq, boshqa tomondan, dunyo bunday energiyani iste'mol qilish uchun jihozlanmagan. Biroq, so'nggi o'n yillikda bu dilemmani hal qila oladigan energiya manbalarining rivojlanishi ortib bormoqda. Biz haqida gapiramiz sun'iy fotosintez (IF)- quyosh energiyasini organik yoqilg'ining qulay shakliga aylantirish usuli.
Shuni unutmasligimiz kerakki, yoqilg'ining yonishi atmosferaga CO 2 ning katta emissiyasiga olib keladi va butun biosferaning holatiga salbiy ta'sir qiladi. Katta shaharlarda bu ta'sir ayniqsa seziladi: minglab chekuvchi avtomobillar va korxonalar tutun hosil qiladi va har bir shaharlik shahar tashqarisiga chiqib, birinchi navbatda toza havoga qoyil qoladi. O'simliklar kabi CO 2 ni o'zlashtiradigan va O 2 hosil qiladigan energiya manbasini yaratish atrof-muhit buzilishini to'liq tezlikda to'xtatishi mumkin.
Shunday qilib, IF global energetika va ekologik inqirozlarga potentsial yechimdir. Ammo IF qanday ishlaydi va u tabiiydan qanday farq qiladi?
yashillikning nomukammalligi
2-rasm. O'simliklarda siklik bo'lmagan fotosintez. Fotosistema II (PS-II) ning yorug'lik bilan qo'zg'atilgan xlorofillini elektron tark etadi va hosil bo'lgan "teshik" suvning bo'linishi paytida ajralib chiqadigan elektronlar bilan to'ldiriladi. Elektronlarning oxirgi qabul qiluvchisi binafsha rangli bakteriyalardagi kabi fototizimning pigmenti emas, balki NADP + dir. Yana bir farq shundaki, o'simliklarda ikkita fototizim (PS-I va PS-II) qo'shilgan mexanizmni hosil qiladi va uning ishlashining bir tsikli ikkita fotonning yutilishini talab qiladi. b 6 f kompleksi rasmda ko'rsatilmagan.
Olingan H + gradienti ATP sintaza fermenti tomonidan ATP sintezi uchun energiya beradi, xuddi tushgan suv suv tegirmonini energiya bilan ta'minlaydi (3-rasm). ATP hujayradagi kimyoviy energiyaning universal tashuvchisi bo'lib, energiya sarflaydigan reaktsiyalarning aksariyatida, shu jumladan CO 2 ning kamaytirilgan organik moddalarga aylanishini ta'minlaydigan Kalvin siklining reaktsiyalarida ishtirok etadi. Ushbu tsiklda energiyaning katta qismi yon reaktsiyalarga qarshi kurashga sarflanadi. Uglerodni assimilyatsiya qilishning boshqa usullari mavjud - masalan, keyinroq yoziladigan Vud-Ljungdahl yo'li.
Shakl 3. Yorug'lik energiyasini saqlash. Fotosintez jarayonida fototizim oqsillari foton energiyasidan foydalangan holda protonlarni membrana orqali o'tkazadi. ATP sintaza fermenti hosil bo'lgan H + kontsentratsiyasi gradientini tiklaydi va hujayradagi universal energiya tashuvchisi - ATP ni hosil qiladi. Aylanadigan suv tegirmoniga o'xshatish aslida haqiqatga juda yaqin.
Fotosintez oxir-oqibat butun biosferani energiya bilan ta'minlasa-da, bu jarayonning samaradorligi ko'p narsani orzu qiladi (1-jadval). Fotosintez bo'yicha rekordchi - bioyoqilg'i ishlab chiqarish uchun etishtirilgan jo'xori, uning quyosh energiyasini kimyoviy energiyaga aylantirish samaradorligi 6,6% ni tashkil qiladi. Taqqoslash uchun: kartoshka, bug'doy va guruch taxminan 4% ni tashkil qiladi.
| Energiyani yo'qotish sababi | Energiyani yo'qotish | Qolgan |
|---|---|---|
| Fotonlarning faqat spektrning ko'rinadigan qismida yutilishi | 47% | 53% |
| Bargning fotosintetik qismlaridan yorug'lik oqimining faqat bir qismi o'tadi | 70% | 37% |
| Ko'rinadigan yorug'likda yuqori va past energiyali fotonlar mavjud bo'lsa-da, ularning barchasi fototizimlar tomonidan past energiyalilar sifatida so'riladi (bir turdagi karvon printsipi) | 24% | 28% |
| Glyukoza sintezi paytidagi yo'qotishlar | 68% | 9% |
| Barglarni fotosintezning yon mahsulotlaridan tozalash ( sm. fotonafas olish) | 32% | 6% |
Shu bilan birga, zamonaviy quyosh batareyalari uchun odatiy samaradorlik 15-20% ni tashkil qiladi va prototiplar 46% qiymatiga yetdi. Sun'iy fotoelementlar va tirik o'simliklar samaradorligidagi bu farq, birinchi navbatda, sintez bosqichlarining yo'qligi bilan izohlanadi. Ammo yanada nozik farq bor: o'simlik fototizimlari energiyani faqat to'lqin uzunligi 400-700 nm bo'lgan ko'rinadigan yorug'lik fotonlaridan oladi va yuqori energiyali fotonlarning chiqishi past energiyali fotonlarning chiqishi bilan bir xil. Quyosh xujayralarida ishlatiladigan yarimo'tkazgichlar kengroq spektrdagi fotonlarni ushlaydi. Chiqarishni maksimal darajada oshirish uchun bitta batareya quyosh nurlari spektrining turli qismlari uchun maxsus ishlab chiqilgan materiallarni birlashtiradi.
IF muhandislarining yakuniy maqsadi fotosintezni o'simliklardan yaxshiroq amalga oshiradigan o'simlik (yoki sun'iy organizm) yaratishdir. Bugungi kunda bioinjeneriya buni qilishga harakat qilish mumkin bo'lgan darajaga yetdi. Yildan yilga olimlarning urinishlari o'zlarining ezgu maqsadlariga tobora yaqinlashib, bizni aql bovar qilmaydigan kashfiyotlardan hayratda qoldirmoqda.
Bunday boshqacha IF
Eng oddiy IF sxemasi katalizatorda organik moddalarning to'liq abiotik sintezi. 2014 yilda ruteniy katalizatori topildi, u yoritilganda H 2 va CO 2 dan metan sintez qiladi. 150 ° C ga qadar isitish va kuchli yoritishni o'z ichiga olgan optimal sharoitlarda, bu katalizatorning bir grammi soatiga bir millimol metan hosil qiladi, bu, albatta, juda kam. Katalizatorni o'rganayotgan olimlarning o'zlari tan olishadiki, katalizatorning ancha yuqori narxida bunday reaktsiya tezligi uni amaliy qo'llash uchun juda past.
Haqiqiy fotosintez ko'p bosqichli jarayon bo'lib, uning har bir bosqichida energiya yo'qolishi sodir bo'ladi. Bu qisman yaxshi, chunki u optimallashtirish uchun juda ko'p imkoniyatlarni ochadi. Abiogen fotosintez holatida faqat yangi katalizatorni topish mumkin.
IF ga mutlaqo boshqacha yondashuv - quyosh energiyasi bilan ishlaydigan bioreaktorlarni yaratish. Bunday bioreaktorlarda, g'alati, ular foydalanadilar Yo'q boshqa energiya manbalari yordamida hali ham CO 2 ni tuzatadigan fotosintetik mikroorganizmlar.
Keling, aniq misollar yordamida IF uchun qurilmalarning bir necha turdagi dizaynlari bilan tanishaylik.
2014 yilda 13% rekord samaradorlik bilan tokni biomassaga aylantiradigan o'rnatish uchun sinov natijalari e'lon qilindi. IF reaktorini olish uchun quyosh batareyasini ulash kifoya. Ushbu o'rnatish asosan elektrokimyoviy hujayradir (4-rasm). A), bu erda ikkita elektrod bakteriyalar bilan oziqlantiruvchi muhitga joylashtiriladi Ralstoniya eutrofa(ular - Cupriavidus necator). Tashqi oqim qo'llanilganda, anoddagi katalizator suvni kislorod va protonlarga ajratadi va katoddagi katalizator protonlarni vodorod gaziga aylantiradi. R. eutrofa gidrogenaza fermenti tomonidan H 2 oksidlanishi tufayli Kalvin siklida CO 2 ning assimilyatsiyasi uchun energiya oladi.
Shakl 4. Elektrokimyoviy hujayralarga asoslangan IF uchun bioreaktorlar. Quyosh batareyasi yordamida anoddagi suvning fotolizi orqali oqim hosil bo'lishi mumkin (A) yoki usiz (b) . Ikkala holatda ham suvdan olingan elektronlar avtotrof mikroblarni CO 2 fiksatsiyasi uchun zarur bo'lgan qaytaruvchi ekvivalentlar bilan ta'minlaydi.
Ishlab chiquvchilarning hisob-kitoblariga ko'ra, ularni o'rnatishni odatiy quyosh batareyasi (18% samaradorlik) bilan birlashtirish, agar barcha yorug'lik energiyasi biomassa o'sishiga aylantirilsa, fotosintezning umumiy samaradorligi 2,5% ga, butanolni sintez qiluvchi genetik jihatdan o'zgartirilgan bakteriyalar esa 0,7% ga olib keladi. ishlatiladi. Bu natija madaniy o'simliklar darajasiga etmasa ham, haqiqiy o'simliklardagi fotosintez samaradorligi bilan taqqoslanadi. Qobiliyat R. eutrofa H 2 ishtirokida organik moddalarni sintez qilish nafaqat IF kontekstida, balki vodorod energiyasining mumkin bo'lgan qo'llanilishi sifatida ham juda qiziq.
2015-yilda Kaliforniyalik olimlar yorug‘likni yutish va sintez bosqichlari bir-biri bilan chambarchas bog‘liq bo‘lgan bir xil darajada qiziqarli qurilma yaratdilar. Qurilgan reaktorning fotoanodi yoritilganda suvni kislorod, proton va elektronlarga ajratadi, ular o'tkazgich bo'ylab katodga yuboriladi (4-rasm). b). Interfeysda sodir bo'ladigan suvning fotolizi tezligini oshirish uchun fotoanod kremniy nanosimlardan yasalgan bo'lib, uning yuzasini sezilarli darajada oshiradi.
Ushbu o'rnatishning katodi TiO 2 nanorodlaridan iborat "o'rmon" dan iborat (5-rasm). A), ular orasida bakteriyalar o'sadi Sporomusa tuxumdon. Fotoanoddagi elektronlar ushbu bakteriyalarga o'tadi, ular ularni muhitda erigan CO 2 ni asetatga aylantirish uchun qaytaruvchi ekvivalent sifatida ishlatadilar.
Shakl 5. Sun'iy fotosintezni nanomateriallarsiz tasavvur qilib bo'lmaydi. A - CO 2 maqolasidan olingan IF reaktorida TiO 2 (30 nm qatlam) bilan qoplangan kremniy tayoqchalardan iborat “nano o'rmonda” o'sadigan bakteriyalar qayd etiladi; Ushbu nanoo'rmon bakteriyalar uchun zarur bo'lgan anaerob sharoitlarni yaratadi va bakteriyalar va o'tkazgich o'rtasidagi aloqaning sirt zichligini oshiradi. b - Prinsipial ravishda boshqacha yondashuv bilan, yarimo'tkazgichga bakteriyalar emas, balki yarim o'tkazgich bakteriyalarga joylashtiriladi; CdS qobig'i tufayli yorug'likda o'ladigan bakteriyalar fotosintezga aylanadi.
TiO 2 nanoforest bir vaqtning o'zida bir nechta funktsiyalarni bajaradi: aloqada bakteriyalarning yuqori zichligini ta'minlaydi, majburiy anaerobni himoya qiladi. S. ovata muhitda erigan kisloroddan va shuningdek, yorug'likni elektrga aylantira oladi, bu bakteriyalar CO 2 ni tuzatishga yordam beradi.
S. ovata- juda moslashuvchan metabolizmga ega bakteriyalar, ular elektrotrof deb ataladigan rejimda o'sishga osongina moslashadi. Ular CO 2 ni Vud-Ljungdahl yo'li orqali tuzatadilar, bunda biomassa o'sishi uchun atsetatning atigi 10% ishlatiladi, qolgan 90% esa atrof-muhitga chiqariladi.
Ammo asetatning o'zi ayniqsa qimmatli emas. Uni murakkabroq va qimmatroq moddalarga aylantirish uchun reaktorga genetik modifikatsiyalangan moddalar kiritiladi. Escherichia coli, asetatdan butanol, izoprenoidlar yoki poligidroksibutiratni sintez qilish. Oxirgi modda E. coli eng yuqori hosil beradi.
Butun o'rnatishning samaradorligiga kelsak, u juda past. Quyosh energiyasining faqat 0,4% asetatga aylanishi mumkin va asetatning polihidroksibutiratga aylanishi 50% samaradorlik bilan sodir bo'ladi. Hammasi bo'lib yorug'lik energiyasining atigi 0,2% organik moddalar shaklida saqlanishi mumkin, bu esa keyinchalik yoqilg'i yoki kimyoviy ishlab chiqarish uchun xom ashyo sifatida ishlatilishi mumkin. Ishlab chiquvchilar o'zlarining asosiy yutug'i deb hisoblaydilar, ular yaratgan o'rnatish dizayndagi tub o'zgarishlarsiz butunlay boshqa kimyoviy sintezlar uchun ishlatilishi mumkin. Bu tabiiy fotosintez bilan o'xshashlikni ko'rsatadi, bu erda barcha turdagi organik moddalar assimilyatsiya natijasida olingan CO 2 3-fosfogliseratdan sintezlanadi.
Ta'riflangan ikkala texnologiyada ishlab chiquvchilar yarimo'tkazgichlarning yorug'lik energiyasini yutuvchi sifatidagi mukammalligini biologik tizimlarning katalitik kuchi bilan birlashtirishga harakat qilishdi. Va hosil bo'lgan ikkala qurilma ham "teskari" yonilg'i xujayralari bo'lib, u erda moddalarni sintez qilish uchun oqim ishlatiladi.
Prinsipial ravishda boshqacha yondashuvda, alohida hujayralar yarimo'tkazgichlar bilan bir butunga birlashtiriladi. Shunday qilib, 2016 yilning boshida asetogen bakteriya paydo bo'lgan ish nashr etildi Moorella thermoacetica sistein va kadmiy ko'p bo'lgan muhitda o'stiriladi. Natijada, u odatda yorug'likda o'ladi M. thermoacetica CdS (yarim o'tkazgich) qobig'i bilan qoplangan va shu bilan nafaqat quyoshdan himoyalangan, balki fotosintezga ham aylangan: CdS dan elektronlar Vud-Ljungdal yo'liga kirdi (5-rasm). b).
Bunday "zirhli" bakteriya ustida olib borilgan tajribalar shuni ko'rsatdiki, CO 2 nafaqat yorug'likda, balki qorong'ida ham (kunlik tsiklga bog'liq) o'rnatiladi. Buning sababi, fotosintetik metabolitlarning yorug'likda shunday miqdorda to'planishi, hujayralar ularni qayta ishlashga vaqtlari yo'q. Yuqorida tavsiflangan hujayralar bilan solishtirganda bunday bakteriyalarning asosiy afzalligi o'z-o'zini tashkil qilishdir. Hujayralar uchun nanomateriallar va katalizatorlarni oldindan tayyorlash kerak va bu qismlarning o'zi faqat vaqt o'tishi bilan eskiradi. Qachon M. thermoacetica fotosintetik birliklar, agar atrof-muhitda kadmiy va sistein etarli bo'lsa, o'zlariga kerak bo'lgan hamma narsani ajratadi, ishlab chiqaradi va tiklaydi. Bu bakteriyalar hali yoqilg'i manbai sifatida o'rganilmagan, ammo fotosintezning kvant rentabelligi bo'yicha ular o'simliklardan qolishmaydi.
Ko'p kutishmaydi ...
IF texnologiyalari hali prototip bosqichida, lekin ularni ishlab chiquvchilari optimallashtirish uchun katta imkoniyatlarni ko'rishadi. Siz yorug'lik o'tkazuvchi yarimo'tkazgichlarni, mikroorganizmlarni, bakteriyalarning fazoviy tashkilotini va boshqa katalizatorlarni optimallashtirishingiz mumkin. Lekin birinchi navbatda barqarorlik muammosini hal qilish kerak. Ishlab chiqarilgan qurilmalarning samaradorligi bir necha kundan keyin sezilarli darajada pasayadi. IF uchun to'liq tugallangan qurilma, har qanday tirik tizim kabi, qayta tiklanishi va o'zini o'zi ko'paytirishi kerak. Bu borada, ayniqsa, qiziqarli M. thermoacetica, bu xususiyatlar to'liq qo'llaniladi.
Mavjud namunalar mukammallikdan yiroq bo'lsa-da, FI sohasidagi ish, birinchi navbatda, quyosh energiyasini ichki yonish dvigateli tomonidan qo'lga kiritilgan dunyoga integratsiya qilishning asosiy imkoniyatini ko'rsatishi bilan qimmatlidir. Shamol turbinalari va quyosh panellari, shubhasiz, yuqori samaradorlikka ega va Urugvay va Daniyadagi energiya iste'molini deyarli to'liq qoplaydi va gidroelektrostantsiyalar ko'plab mamlakatlarning energiya tarmog'idagi muhim tugunlardir. Ammo ko'p hollarda yoqilg'ini elektr energiyasi bilan almashtirish energiya tarmoqlarini tubdan qayta qurishni talab qiladi va har doim ham mumkin emas.
Investitsiya fondini yanada rivojlantirish katta investitsiyalarni talab qiladi. Tasavvur qilish mumkinki, futurologlar 2030 yilga borib energiya sohasida jahon hukmronligini bashorat qilgan quyosh batareyasini ishlab chiqaruvchi kompaniyalar bioenergiya, materialshunoslik va nanoinjeneriya chorrahasida bu hali yosh va tajribasiz fanning rivojlanishidan manfaatdor bo'ladi. Kim biladi deysiz, balki kelajakda IF har kungi hodisaga aylanmaydi yoki uning ustida ishlash vodorod energiyasi yoki biofotovoltaiklarga turtki berishi mumkin. Bizda uzoq kutish, kutish va ko'rish kerak emas.
Adabiyot
- 1950 yildan 2100 yilgacha bo'lgan dunyo aholisi piramidalari. (2013). PopulationPyramid.net;
- Korzinov N. (2007).