Жизнь любого живого организма (в том числе и человека) связана с непрерывными и сложными процессами превращения веществ и энергии. Конечный результат этих превращений — полное окисление части органических веществ и выделение тепловой энергии, которая рассеивается в окружающем пространстве.
Все люди на земле (3 млрд, человек) в процессе дыхания ежегодно полностью окисляют около 700 млн. т. органических веществ и рассеивают в пространство около трех миллионов миллиардов килокалорий тепловой энергии.
Это столько, сколько энергии ежегодно могут давать 350 гидроэлектростанций, равных по мощности Куйбышевской ГЭС. Такая станция дает ежегодно 10 млрд, квт-ч. Эту величину мы будем в дальнейшем называть для краткости КГЭС.
Еще раз подчеркнем — это то количество энергии, которое рассеивает в пространство только людское население земного шара.
Но во много раз большую «работу» производят все животные как высшие, так и низшие; бесчисленные виды микроорганизмов — грибков, бактерий сбраживают, разлагают и в конечном итоге окисляют колоссальное количество органических веществ.
Поглощая энергию солнечного света, зеленые растения создают с ее помощью из углекислого газа, воды и минеральных солей богатые энергией органические вещества
Ежегодно на земном шаре окисляется до 200 млн. т углерода в органических веществах или в угле и рассеивается в окружающем пространстве, безвозвратно теряясь для использования около 200 тыс. КГЭС энергии. Если подсчитать доступные для биологического использования запасы органических веществ на Земле и количество связанной в них энергии, то оказывается, что ежегодные затраты их в процессах окисления и сгорания составляют примерно 1/2000 часть от общих ресурсов.
Если бы жизнь на Земле осуществлялась только за счет имеющихся запасов органических веществ и заключенной в них энергии, то за миллионы лет истории живых существ эти вещества давно были бы исчерпаны, и жизни на Земле грозило бы быстрое затухание.
Но жизнь на нашей планете не только не угасает, а, наоборот, умножается, усложняется и прогрессирует. Не иссякают на ней и запасы органических веществ. Очевидно, что на Земле протекают различные процессы, в результате которых в грандиозных масштабах образуются новые органические вещества, в которых запасается громадное количество химической энергии. Это и достигается за счет фотосинтеза.
В этом процессе зеленые растения из углекислого газа, воды, элементов минеральных солей, т. е. из простейших окисленных веществ, лишенных запасов потенциальной химической энергии, первично синтезируют разнообразные богатые энергией органические вещества. Эти вещества: углеводы, белки, жиры — необходимая пища для жизнедеятельности всех других организмов, в том числе для самих растений, а также и для человека.
Источник энергии для фотосинтеза — энергия солнечного света.
Здесь природа нашла наилучшее решение вопроса массового образования органических веществ, необходимых для развития и поддержания неуклонно развивающейся жизни на Земле.
Схематическое изображение круговорота веществ в природе
На Земле нет другого столь мощного и повсеместно действующего источника энергии, как энергия Солнца.
Повсеместное действие этой энергии делает возможным распространение почти по всей поверхности земного шара и даже в водах океанов зеленых растений. Наиболее характерная особенность планеты Земля та, что она в большей своей части покрыта зеленым ковром растений. Эти растения с помощью своего пигмента — хлорофилла непрестанно улавливают энергию солнечного света и создают с ее помощью органические вещества.
Жизнь на Земле непрерывно существует, совершенствуется и развивается. Это происходит от того, что непрерывные затраты органических веществ воссоздаются в великом круговороте. Движущая сила этого круговорота веществ — энергия солнечной радиации и фотосинтез.
Однако если оценить средний КПД фотосинтеза всего растительного покрова земного шара, то он окажется очень небольшим. Ежегодно во вновь образуемых органических веществах в процессе фотосинтеза связывается всего около 0,3% энергии солнечного света, приходящего на Землю.
Это обусловлено прежде всего тем, что значительные территории Земли лишены хорошего растительного покрова. Таковы покрытые постоянным льдом пространства Антарктиды к Арктики, безжизненные горные массивы или громадные пространства пустынь. Здесь возможности жизни, а, следовательно, и фотосинтеза ограничены либо выходящими за пределы нормы температурами, либо недостатком влаги, либо плохой обеспеченностью растений элементами минерального питания. Между тем в хороших условиях массивы зеленых растений могут связывать энергию света с КПД, равным 5—10%. Обычно это бывает лишь в благоприятных условиях, тогда, когда этому содействует человек. Он культивирует наиболее продуктивные растения, заботится о наилучшем обеспечении их водой, элементами минерального питания, углекислым газом. Таким образом, у человека есть большие возможности воздействовать на фотосинтез растений. Увеличивая КПД процесса, человек тем самым увеличивает количество вновь образуемых органических веществ. Все это крайне важно и прежде всего потому, что фотосинтез зеленых растений практически единственный источник пищевых ресурсов человека, а пищевая проблема всегда волновала и, наверное, еще долго будет волновать человечество.