Наивысшие возможные КПД фотосинтеза


Если взять такое весовое количество любого вещества, которое соответствует молекулярному его весу, например, 18 г воды, 44 г углекислого газа, 393 г хлорофилла и т. д., то число молекул этих веществ в данном весовом количестве будет одинаково и равно 6,06 · 1023, 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 одкоквантовым 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 предметах 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. Эти величины, соответствующие энергии моля квантов, получили название «эйнштейн» (эн).

Таким образом, например, Эйнштейн синих лучей с длиной волны 400 mμ равен 70 ккал, а Эйнштейн красных лучей с длиной волны 680 mμ — 39 ккал. Согласно основному уравнению фотосинтеза при усвоении одного грамм-моля (44 г) СО2 в продуктах фотосинтеза запасается около 112—115 ккал. Нели бы процесс во всех случаях шел с 8-квантовым расходом и с запасанием в продуктах фотосинтеза 112 ккал/г-моль СО2, 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-квантовым расходом, должно было бы поглотиться 8·50=400 ккал, а запастись в продуктах 112 ккал. Таким образом, максимальный КПД при солнечном свете может быть равен 28%.

Итак, названные цифры характеризуют максимальна возможные энергетические выходы фотосинтеза, вытекающие из сложной природы этого процесса. Такие именно КПД получаются обычно при низких интенсивностях света, когда световые и темновые системы фотосинтетического аппарата не загружены полностью, когда не исчерпана их пропускная способность и-когда они не ограничивают друг друга и всего процесса в целом.

Энергия моля квантов лучей различной длины волны

Энергия моля квантов лучей различной длины волны

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 света, а отсюда снижаются и коэффициенты полезного действия процесса. Понятно, что размеры КПД зависят также от общей активности фотосинтетического аппарата, а, следовательно, и от общего уровня показателей световых кривых, характеризующих зависимость процесса от интенсивности света.

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-квантовым 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. д.).

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