Яким чином природа перетворює сонячне проміння на основу нашого існування?
Фотосинтез є фундаментальним біохімічним процесом, під час якого рослини, водорості та деякі бактерії використовують сонячне світло для синтезу органічних речовин із вуглекислого газу та води. Це не просто хімічна реакція, а складний ланцюжок перетворень, де сонце виступає джерелом енергії, а рослина – майстерним кухарем, що готує їжу для себе та всієї біосфери. Основним рівнянням цього процесу є поєднання шести молекул вуглекислого газу та шести молекул води, що під дією світла дають одну молекулу глюкози та шість молекул кисню, пише 24 Канал.
Дивіться також Що таке парниковий ефект і чому він дедалі більше посилюється
Весь процес традиційно поділяють на дві стадії, одна з яких протікає при світлі, а інша – за темних умов.
Світлова фаза відбувається в мембранах тилакоїдів — спеціальних структурах у хлоропластах, де міститься хлорофіл, зелений пігмент, що поглинає світло. Хлорофіл вловлює фотони світла, переважно в синьому та червоному діапазонах спектра, і запускає ланцюжок реакцій. На цьому етапі енергія сонця перетворюється на "енергетичну валюту" клітини – молекули Аденозинтрифосфату (АТФ) та Нікотинамідаденіндинуклеотидфосфату (НАДФН). Важливим побічним ефектом є розщеплення води (фотоліз), внаслідок якого в атмосферу виділяється кисень, необхідний нам для дихання.
Друга фаза, також відома як цикл Кальвіна, відбувається у стромі хлоропластів і не потребує прямого світла, використовуючи накопичену раніше енергію для створення цукрів із вуглекислого газу.
Ключовим компонентом цієї системи є хлорофіл – пігмент, що має унікальну структуру. Його молекула складається з порфіринового кільця, у центрі якого знаходиться атом магнію, та гідрофобного вуглеводневого "хвоста", що закріплює пігмент у мембрані. Саме магній є критично важливим макроелементом, оскільки він становить близько 10 відсотків структури хлорофілу і прискорює ферментативні процеси.
Чому рослини зелені?
Відповідь на питання, чому рослини зелені, криється у фізиці світла. Світло – це електромагнітна хвиля, і хлорофіл найефективніше поглинає фотони у синьо-фіолетовій (400 – 500 нанометрів) та червоній (600 – 700 нанометрів) частинах спектра. Зелене світло (500 – 600 нанометрів) поглинається значно гірше, тому воно відбивається від листка в наші очі, що і надає йому характерного кольору.
Еволюційно це вигідно, оскільки поглинання всього спектра (якби листя було чорним) могло б призвести до перегріву та "сонячного опіку" клітин через надмірну енергію.
Квантова фізика у фотосинтезі
Сучасна наука відкриває у фотосинтезі квантові ефекти. Виявляється, передача енергії збудження до реакційного центру відбувається за допомогою квантової когерентності, що забезпечує майже 100 відсоткову ефективність транспорту енергії. Екзитони (збуджені стани) здатні рухатися подібно до хвиль, одночасно "випробовуючи" різні шляхи та обираючи найшвидший маршрут до реакційного центру. Це відбувається на неймовірних швидкостях – наприклад, перенесення енергії збудження займає близько 30 пікосекунд.
Рослини адаптували свої механізми до різних умов довкілля. Більшість видів використовує С3-фотосинтез, проте в умовах спеки та дефіциту води з'явилися С4-рослини (наприклад, кукурудза), які активніше фіксують вуглекислий газ, та САМ-рослини (кактуси), що відкривають продихи лише вночі для збереження вологи. Розуміння цих процесів є критичним для людства, адже фотосинтез регулює рівень вуглекислого газу в атмосфері, стримуючи глобальне потепління, та забезпечує продовольчу безпеку планети.