Как в пчелином улье

Оперируя первым и вторым началами термодинамики, удается дать ответ не на один «наивный» вопрос. Скажем, отчего одиночная клетка микроскопически мала? Да потому что количество световой энергии, поглощаемой клеткой, пропорционально квадрату ее радиуса, а диффузионный поток необходимых клетке веществ этому радиусу обратно пропорционален. И с увеличением размера клетки быстро нарастает диспропорция между обилием энергии и скудостью материального баланса, оттого-то клетка и обречена быть столь ничтожно малой.

Иной энергетический расклад существует для многоклеточных организмов, растений, например. Количество энергии, поступающей к растению, приближенно пропорционально квадрату его размеров, а объем зон питания - корни, листва -- даже пропорционален кубу размеров. И все же растений-гигантов мы не наблюдаем. Отчего? Дело в том, что при достаточно больших размерах транспортная система растения становится лимитирующим звеном: энергозатраты на поддержание работы транспортной системы - подача в растение минеральных солей, воды, отвод продуктов - растут пропорционально третьей степени размера растения, то есть возрастают быстрее, чем увеличиваются его энергоресурсы.

Как ладно, топко сообразованы отдельные звенья и узлы растительной машины! Допустим, проблема «лист - стебель»: оказывается, между радиусом стебля и площадью листьев имеется четко прослеживаемое соответствие, эти параметры ювелирно подогнаны друг к другу.

На небольшой лист растения площадью 50 квадратных сантиметров под прямыми лучами солнца за одну секунду падает около 1019 квантов света. Столько же капель дождя выпадает за целый год на весь бассейн Волги - на треть европейской территории СССР.

Слияние мириадов капель в могучую реку происходит как многоуровневый иерархически процесс: отдельные капли сливаются в мелкие струйки, струйки объединяются в ручейки, ручейки - в ручьи покрупнее, ручьи - в речушки, в реки и т. д. Иерархический характер с неизбежностью приобретают любые транспортные системы, будь то естественные или технические, если масштабы потоков на входе и выходе системы сильно различаются. Возьмем систему электропередачи: на дальние расстояния электроэнергия передается напряжением в сотни киловольт, на средние расстояния - десятки киловольт, в пределах городского района порядка 6 киловольт, и, наконец, потребители в жилых домах имеют напряжение 0,22 киловольта...

Пигментный аппарат растений прошел долгий путь эволюционных изменений. Постепенно происходило разделение труда между различными молекулами хлорофилла, которые, когда их еще было мало, в примитивных перворастениях, возможно, все выполняли одинаковые функции, совмещая непосредственное улавливание световой энергии и фотохимический катализ. Однако эти молекулы хлорофилла, действующие по принципу «и швец, и жнец, и на дуде игрец», не могли обеспечить в достаточной степени снабжения организма растений световой энергией. Пришло время специализации. И с возрастанием мощи фотосинтетического аппарата все большая часть молекул хлорофилла получала вспомогательную роль.

В пчелином улье на одну матку трудятся многие десятки тысяч рабочих пчел. Они собирают нектар, пыльцу, выкармливают личинок... Нечто подобное наблюдается и при фотосинтезе. Подавляющее большинство молекул хлорофилла выполняет лишь обслуживающие функции - сборщиков квантов света. Перебрасывая фотоны, словно мячики, хлорофиллы-сборщики практически без потерь доносят поглощенную энергию до так называемых реакционных центров. И вот в этих-то центрах несколько молекул хлорофилла (химически они ничем не отличаются от молекул-сборщиков) способствуют стоку и переработке энергетического урожая.

Каждый центр может в секунду переработать около 50 квантов света. Их надо собрать, что непросто, ибо даже при ярком освещении на каждую молекулу зеленого пигмента приходится лишь один поглощенный квант в секунду, а при слабом освещении даже за десятки секунд. Если бы фотохимическая реакция шла в той же молекуле хлорофилла, которая только что поглотила фотон, то подобная система работала бы очень неэффективно, простаивая большую часть времени. Оттого-то каждый реакционный центр и обслуживает сотни молекул-сборщиков...