68. Уникальная роль процесса фотосинтеза на Земле. Образование энергии при фотофизических и фотохимических процессах фотосинтеза.

Зеленые растения — биологи называют ихавтотрофами— основа жизни на планете. С растений начинаются практически все пищевые цепи. Они превращают энергию, падающую на них в форме солнечного света, в энергию, запасенную в углеводах (см.Биологические молекулы), из которых важнее всего шестиуглеродный сахар глюкоза. Этот процесс преобразования энергии называется фотосинтезом. Другие живые организмы получают доступ к этой энергии, поедая растения. Так создается пищевая цепь, поддерживающая планетарную экосистему.

Кроме того, воздух, которым мы дышим, благодаря фотосинтезу насыщается кислородом. Суммарное уравнение фотосинтеза выглядит так:

    вода + углекислый газ + свет → углеводы + кислород

Растения поглощают углекислый газ, образовавшийся при дыхании, и выделяют кислород — продукт жизнедеятельности растений (см.Гликолиз и дыхание). К тому же, фотосинтез играет важнейшую роль в круговороте углерода в природе.

Фотосинтез начинается с того, что излучаемые солнцем фотоны попадают в особые пигментные молекулы, находящиеся в листе, — молекулыхлорофилла. Хлорофилл содержится в клетках листа, в мембранах клеточных органелл хлоропластов (именно они придают листу зеленую окраску). Процесс улавливания энергии состоит из двух этапов и осуществляется в раздельных кластерах молекул — эти кластеры принято называть Фотосистемой I и Фотосистемой II. Номера кластеров отражают порядок, в котором эти процессы были открыты, и это одна из забавных научных странностей, поскольку в листе сначала происходят реакции в Фотосистеме II, и лишь затем — в Фотосистеме I.

ФОТОСИ́НТЕЗ - уникальный физико-химический процесс, осуществляемый на Земле всеми зелеными растениями и некоторыми бактериями и обеспечивающий преобразование электромагнитной энергии солнечных лучей в энергию химических связей различных органических соединений. Основа фотосинтеза — последовательная цепь окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых осуществляется перенос электронов от донора — восстановителя (вода, водород) к акцептору — окислителю (СО₂, ацетат) с образованием восстановленных соединений (углеводов) и выделением O₂, если окисляется вода.

Фотосинтез играет ведущую роль в биосферных процессах, приводя в глобальных масштабах к образованию органического вещества из неорганического. Фотосинтезирующие организмы, используя солнечную энергию в реакциях фотосинтеза, осуществляют связь жизни на Земле со Вселенной и определяют в конечном итоге всю ее сложность и разнообразие. Гетеротрофные организмы — животные, грибы, большинство бактерий, а также бесхлорофилльные растения и водоросли — обязаны своим существованием автотрофным организмам — растениям-фотосинтетикам, создающим на Земле органическое вещество и восполняющим убыль кислорода в атмосфере. Человечество все более осознает очевидную истину, впервые научно обоснованную К.А. Тимирязевым и В.И. Вернадским: экологическое благополучие биосферы и существование самого человечества зависит от состояния растительного покрова нашей планеты.

Фотофизические и фотохимические процессы, инициируемые ультрафиолетовым излучением, с чисто химической точки зрения не приводят к какому-либо превращению вещества, а затрагивают лишь отдельные стадии сложных химических реакций. 

Для фотофизических и фотохимических процессов в многоатомных молекулах большое значение имеет их строение. 

Во многих случаях, фотофизические и фотохимические процессы связаны с образованием триплетных возбужденных молекул или триплетных экситонов. 

Энергия кванта излучения, поглощенная молекулой, может расходоваться в фотофизических и фотохимических процессах. В результате фотофизических процессов происходит рассеивание поглощенной энергии или передача ее другим молекулам. 

Одной из основных задач фотохимика является установление природы и определение эффективности первичных фотофизических и фотохимических процессов. Именно таким путем можно найти связь между спектроскопическими свойствами, структурой молекулы и путями фотопроцесса. Из-за больших трудностей, встречающихся в подобных работах, в настоящее время ощущается недостаток количественных данных такого рода. Если в результате первичного процесса образуется устойчивый продукт, то квантовый выход этого продукта служит непосредственной мерой эффективности этой стадии. Однако бывает трудно доказать, что данный продукт является первичным продуктом, а также установить природу возбужденного состояния, из которого он возникает, и оценить первичный квантовый выход образования свободных радикалов или возбужденных молекул. 

Важно заметить, что из правила сохранения спина вытекает разная реакционная способность при фотофизических и фотохимических процессах переноса энергии от электронно-возбужденного атома или молекулы к триплетным или синглетным молекулам. Поэтому правило Вигнера широко применяется к фотофизическим спектроскопическим процессам. Эти работы привели к созданию эффективных конверторов инфракрасного излучения в видимое без предварительного возбуждения и к развитию новых представлений о механизме явления сенсибилизации фотофизических и фотохимических процессов, в том числе очувствления ( оптической сенсибилизации) фотографических материалов к длинноволновому излучению. Установленная авторами широкая распространенность кооперативных явлений открывает новые пути к изучению и таких важнейших, тем не менее далеко н & ясных даже в основных звеньях явлений природы, как фотосинтез. 

Чтобы рационально подойти к объяснению этих общих наблюдений, весьма существенно дифференцировать первичные и вторичные реакции, а также, насколько это возможно, оценить относительные эффективности первичных фотофизических и фотохимических процессов.

Из других видов энергии в процессах тонкого химического-синтеза представляют интерес: перенос оптического излучения, энергии акустических колебаний, ионизирующего излучения. Процесс переноса оптического излучения происходит в фотофизических и фотохимических процессах, перенос энергии акустических волн - в звукохимических процессах и при перемешивании при помощи ультразвуковых колебаний, ионизирующего излучения - радиационно-химических процессах.