Книга Глазами Монжа-Бертолле - Лев Викторович Бобров

стать настоящим межмолекулярным «коммивояжером», он должен сначала перейти в восстановленную форму: ТПН—H. Здесь — H является символом того самого водородного атома, который предназначен для углекислоты. Агент по поставке водорода собирает свой товар по частям. Одну часть — электрон — он получает от хлорофилла. Другую — протон — от воды.

Воды в зеленом листе много. И ее молекулы частично диссоциированы на протон и гидроксил: H2O = H+ + ОН–. Протон воды вместе с возбужденным электроном хлорофилла идет на построение высокоэнергетических валентных связей глюкозы. А оставшийся неприкаянным гидроксил?

Он тоже не пропадает втуне. Если отнять у него электрон, произойдет расщепление: OH– = O + H+ + 2e. Кислород выделится в атмосферу. Водород тоже не останется без дела — на него всегда при фотосинтезе спрос большой.

Электрон же поступает в распоряжение веществ-переносчиков. Новые агенты по поставке обдирают электрон как липку, заставляя его раскошелиться и истратить всю свою избыточную энергию на создание высокоэнергетических связей в молекуле аденозинтрифосфата (АТФ). Молекула образуется из аденозиндифосфата (АДФ), присоединяя к себе остаток фосфорной кислоты. Обратный процесс — разложение АТ на АДФ и фосфатный остаток — протекает с выделением энергии. Высвобожденная энергия идет в фонд помощи углекислоте — на образование из нее глюкозы. А окончательно растратившийся электрон водворяется на место «дырки» в молекуле хлорофилла. Цикл фотосинтеза завершен.

Так из воды и углекислого газа зелеными фабриками вырабатывается глюкоза. В ее межатомных связях законсервирована энергия солнечного зайчика. Переходя в организм животных, глюкоза становится биохимическим топливом. Сгорая по схеме (CH2O) + O2 = СО2 + H2O + 112 ккал, она отдает свою энергию на образование АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Энергия запасается валентными связями. А уж отщепление фосфата поставляет животным и человеку энергию для всех процессов жизнедеятельности.

Молекулы хлорофилла расположены в цехах миниатюрных зеленых фабрик отнюдь не как попало. Они не просто плавают в соках растительной клетки. Положите лист любого вашего комнатного растения на твердую гладкую подставку, не отрывая его от ветки. И легонько прокатайте карандашом. Фотосинтез немедленно прекратится! Достаточно малейшего нарушения клеточной структуры, чтобы живой полупроводник перестал работать.

Архитектура живых фабрик сложна и тонка. Плоские молекулы хлорофилла лежат стопками внутри особой структурной ячейки — граны. Каждая молекула напоминает полупроводниковую пластинку фотоэлектрического элемента, каждая грана — сам элемент, а совокупность гран — батарею элементов.

Ежегодно зеленые «электрические батареи» аккумулируют такое количество солнечной энергии, сколько могли бы дать двести тысяч электростанций, равных по мощности Волжской ГЭС имени В. И. Ленина. Научиться изготовлять такие же высокоэффективные полупроводниковые батареи, подобные тем, что действуют внутри растений, — заветная мечта ученых и инженеров. Известный французский физик Фредерик Жолио-Кюри как-то сказал: «Хотя я верю в будущее атомной энергетики, однако настоящий переворот в энергетике наступит лишь в тот день, когда мы сможем осуществить массовый синтез молекул, подобных хлорофиллу, или даже лучше него». Ученый подсчитал: если б удалось использовать всего одну десятую часть солнечной радиации, падающей на Египет, то этого с лихвой хватило бы для удовлетворения нынешних энергетических потребностей человечества.

А для утоления энергетической жажды в далеком будущем? Нельзя ли использовать фотохимические процессы?

Но вернемся к энергетическому циклу в биосфере. Не зря изображают его начало стрелкой, направленной вверх. Вторую стрелку придется нарисовать изогнутой: опускаясь на прежний энергетический уровень, электрон участвует в различных приключениях, где и отдает постепенно свою энергию. Жизнь управляется именно электронами! А электрон, движущийся по замкнутому контуру, — не что иное, как слабый электрический ток. Стало быть, жизнью движут слабые электрические токи, питаемые солнечным светом. И в этих тончайших биологических тонкостях не разобраться без квантовой химии.

Без химии — да, это очевидно. Но почему обязательно квантовой? В конце концов переход электронов от молекулы к молекуле — разве это не обычная химическая реакция? Разве к ней неприложим привычный язык букв и черточек?

Обычный окислительно-восстановительный процесс — это классическая химическая реакция, которая сопровождается перестройкой молекулярной структуры. Такая перестройка осуществляется по двухвалентному механизму. Иными словами, в окислительно-восстановительном процессе электроны удаляются или присоединяются парами. Это связано с тем, что все стабильные органические соединения содержат четное число электронов.

Взять, к примеру, горение углеводов. Реакцию (CH2O) + O2 = СО2 + H2O можно изобразить иначе, привлекая на помощь двоеточия Льюиса:

Какие бы перестройки молекулярных архитектур ни происходили, всегда валентные штрихи — как прежние, так и новорожденные — подразумевают пару взаимодействующих электронов. Формально подобные процессы можно рассматривать как обмен электронными парами. И хотя мы приписываем к уравнению реакции «плюс 112 килокалорий», совершенно не ясно, каким образом этот энергетический «довесок» может трансформироваться в энергию мышц или мозга.

Иное дело одновалентный перенос. В нем участвует только один электрон. Это слабый электрический ток. И он не обязательно связан с разрушением атомных построек. Вспомните хотя бы хлорофилл! Отдавая или присоединяя электроны поодиночке, его молекула сохраняет свою индивидуальность и стабильность. Конечно, на промежуточных стадиях одновалентного переноса электрона мы встречаемся с классическими химическими реакциями. Например, когда ТПН переходит в восстановленную форму ТПН—H. Или АТФ образуется из АДФ и фосфорной кислоты. Но как бы то ни было, процессы, которые изображаются символически в виде полукруглой стрелки, направленной книзу, сводятся к странствиям одного электрона. К падению его со ступеньки на ступеньку, когда он отдельными порциями отдает свою энергию, к слабому электрическому току.

Однако, сколь бы слабым ни был этот ток, он возникает не только внутри молекулы. Между молекулами тоже! Значит, можно все-таки решить главную проблему, которая стоит перед конструкторами органических полупроводников: найти способ, как переправлять электрон от молекулы к молекуле. Выходит, не обязательно надставлять полимерные молекулы новыми звеньями, пока они не достигнут гигантских размеров? Не обязательно сшивать полимерные цепочки? Но тогда совершенно необходимо разобраться в механизме межмолекулярного переноса энергии и электронов. Каков же он, этот механизм?

Между двумя молекулами может установиться резонансная связь. Электронное возбуждение отдаленно напоминает колебания маятника. Роль пружины играет электромагнитное поле. И существует определенная вероятность, что энергия возбуждения может перекочевать от молекулы к молекуле. Для этого необходимо лишь, чтобы соседи более или менее тесно соприкасались. Но именно такой контакт и обеспечит взаимное зацепление молекулярных колец, предложенное Томсоном!

Правда, пока что речь шла о передаче энергии. Скажем, энергии фотона. И только. Перебросить электрон — совсем иное дело. Даже если он унесет с собой возбудивший его кусочек света — фотон.

Переход электрона от одного вещества к другому обычно считают реакцией окисления — восстановления. Однако квантовая химия отграничивает от них одноэлектронный перенос заряда.

В органических соединениях электроны расквартированы на