February 19th, 2013

О фотосинтезе

  В течении десятилетний идут дискуссии о расшифровке механизмов фотосинтеза и, особенно, об искусственном фотосинтезе. Хотелось-бы разобрать некоторые вопросы терминологии и целеполагания в области искусственного фотосинтеза и в том, что им иногда называется. Рассмотрим лишь "классический" (в кавычках лишь потому, что он привычен по распространённости) фотосинтез зелёных растений - ассимиляция углекислого газа с непрямым фотолизом воды и выделением свободного кислорода. Популярное мнение о фотосинтезе часто состоит в "переводе углекислого газа в кислород растениями за счёт света".

  Растения улавливают свет при помощи каскада фотосистем в своих хлоропластах, каскад уводит энергию света на окислительно-восстановительные цепи, это генерирует трансмембранный градиент протонов, на котором работают АТФ-синтетазы, производящие АТФ (универсальный источник энергии для биохимических процессов, хранилище энергии - но не следует называть его топливом). Также при этом производится НАДФН, являющийся широко распространённым в биохимии восстановителем (практически универсальное горючее, если принимать аналогию с окислителями и горючими для горения). Поскольку водород выдёргивается из воды - побочным продуктом получается кислород, растения выбрасывают его в свободном виде. На этом всё, что связано с фотохимией - заканчивается. Эта часть называется светозавизимой стадией фотосинтеза. Следующими стадиями являются биохимические циклы, именуемые C3, C4 и САМ-фотосинтез (у разных групп растений разные механизмы), принципиально они все идентичны - перевод углекислого газа в органические соединения, точнее углеводы (удобное горючее и стройматериал).
  Посмотрим на всю картину: растения поглощают свет фотосистемами на порфириновых красителях (хлорофиллы), энергия идёт на окислительно-восстановительные процессы расщепления воды (непрямой фотолиз воды), приводящие к генерации протонного градиента в хлоропластах (зарядка протонных аккумуляторов энергии) и восстановлению прекурсоров для НАДФН (синтез горючего - накопление восстановительных эквивалентов). Кислород является лишь побочным продуктом и не используется. Можно найти некоторые цифры: не буду ручаться за достоверность, но КПД
фотосинтеза объявляется порядка 1%. Вне зависимости от того, к чему это относится - к эффективности захвата энергии фотосистемами или целиковому процессу ассимиляции углекислого газа, цифра наверняка близка к реальности. Дальше (а точнее, параллельно) на градиент протонов работает трансмембранный протоно-мотор/насос (или генератор протонного тока, кому как нравится) АТФ-синтетаза, за счёт тока протонов сшивающий (щИЙ потому что мотор/насос) АДФ с Ф (продукты использования АТФ) обратно в АТФ. Можно найти КПД этого механизма - при отсутствии холостого хода (протоны текут, но реагенты сорвались с активных центров или их нет из-за низкой концентрации), который вполне может иметь некоторое место (хотя механизм это не очень позволяет), величина составляет около 50%. Опять-же параллельно с зарядкой и накоплением, химичесий аккумулятор (АТФ) и горючее (НАДФН) расходуются на ферментативные циклы ассимиляции углекислого газа, где он встраивается в углеводную цепь. И что это получается? Процесс, именуемый световой стадией фотосинтеза, даёт биохимическую энергию в универсальных формах (АТФ и НАДФН), а процесс, именуемый темновой стадией фотосинтеза, даёт поглощение углерода за счёт универсальных запасов биохимической энергии? С какой стати вообще процесс ассимиляции CO2 был отнесён к фотосинтезу, кроме как формально для удобства? Любому, кто с этим работает, этот формализм понятен, просто номенклатура устоялась и ассимиляцией СО2 занимаются, как правило, только те, у кого есть системы получения энергии из света.

  Кое-какие сравнения: растения поглощают свет пигментными каскадами, переводя его (временно) в трансмембранный градиент протонов - заряжают протоноконденсаторы, мы умеем ловить свет полупроводниками, транспортировать энергию электронами и хранить в разнице потенциалов, грубо говоря, кобальтата/интеркалята лития (литиевые аккумуляторы), или растворённого в металле водорода (металгидридные аккумуляторы), или тупо окислах (свинцовые и иже с ними), ну или в градиенте самих электронов (конденсаторы). При этом КПД наших фотосистем доходит до 40%. Но с химическим преобразованием всё сложнее: растения делают это на месте, перевода в АТФ и НАДФН, а нам в общем не нужно преобразование в химическую энергию, в нашей технике многое работает на непосредственном градиенте электронов. Примечательно что биологический протономотор-синтетаза работает с КПД 50%, а наши электромоторы-генераторы с КПД 98-99%. Так что с ассимиляцией солнечной энергии у нас дела обстоят получше - хотя и нам нужен непосредственно градиент электронов. Но с ассимиляцией углекислого газа у нас сложности - нет ещё хороших и выгодных полезных процессов его переработки во что-то нужное. Встаёт вопрос - а во что нужное? Не глюкозу-же с АТФом варить из него. Практически единственным химическим топливом, которое мы можем нормально использовать в технике, являются углеводороды для ДВС. И хорошо чтобы углекислый газ превращался в горючее органическое топливо непосредственно от электрического тока, т.к. всяческие химические каскады с цепями электрохимических каскадов угробят КПД, сильно повысят стоимость и убъют надёжность.

ПРОДОЛЖЕНИЕ ПОЗЖЕ