Фотопотенциал хлоропласта

Автор: admin · Дата: 29 апреля 2015 · Прокомментировать

Фотопотенциал хлоропласта

В 1839 г. Эдмонд Беккерель опубликовал работу, в которой был описан первый из когда-либо наблюдавшихся фотоэффектов. Суть явления, впоследствии названного эффектом Беккереля, или фотовольтаическим эффектом, заключается в возникновении под действием света разности потенциалов между двумя помещенными в электролит металлическими электродами, один из которых покрыт слоем светочувствительного вещества. Первые обширные исследования были выполнены Э. Беккерелем на серебряных пластинках, несущих пленку галлоидного серебра. Электролитом служил слабый раствор серной кислоты. В 1874 г., он наблюдал, что освещение красным светом посеребренного платинового электрода, несущего пленку хлорофилла, вызывает изменение его потенциала. В последующие годы изучение фотовольтаических свойств красителей было продолжено рядом исследователей.

Чрезвычайно интересные опыты по выяснению механизма эффекта Беккереля выполнены X. Нга (1935 г.). На основании проведенных экспериментов она пришла к выводу, что для объяснения механизма возникновения фотовольтаического эффекта в красителях пригодна гипотеза Р. Одюбера, выдвинутая для неорганических веществ. Суть гипотезы в том, что при поглощении света слоем светочувствительного вещества на поверхности раздела с электролитом происходит сенсибилизированный фотолиз воды. Продукты фотолиза вступают в окислительно-восстановительную реакцию с пигментом электрода, что вызывает изменение потенциала. Отметим, что возможность подобного механизма возникновения фотопотенциала в кристалле антрацена рассматривалась X. Калманом и М. Поупом, которые пришли к выводу, что поглощенной кристаллом световой энергии достаточно для образования аниона, в результате чего на освещенной грани антрацена выделяется водород.

Механизм разложения воды

Для доказательства возможности фотолиза воды в фотовольтаических системах X. Нга использовала такие данные. В тщательно высушенном глицерине, содержащем в качестве проводящей добавки KI, не было зарегистрировано возникновение фотопотенциала, т. е. в безводном глицерине фотоэффект не наблюдался. С добавлением воды в сухой глицерин регистрировалось возникновение потенциала, величина которого возрастала по мере дальнейшего добавления воды. Предельное значение фотопотенциала не превышало значение такового в воде без глицерина.

В фотовольтаических системах краситель сенсибилизирует электрод к видимому свету. Характерно, что активность неорганических сенсибилизаторов максимальна в присутствии воды; при полном обезвоживании окись цинка теряет свои сенсибилизирующие свойства. При этом скорость фотореакций в десятки раз уменьшается.

Наличие фотопотенциала в пленках каротина было обнаружено нами совместно с Ю. С. Шумовым в 1965 г. При постановке этих экспериментов мы исходили из определенной фотохимической общности, существующей между хлорофиллом и каротином, и посредством цифрового микроскопа наблюдали за ходом реакции. Кроме того, мы учитывали большое сходство в структурном строении молекул каротина и феофитина, на что обратил внимание А. Сент-Дьерди. Эта общность проявилась также и при изучении фотоэлектрохимических свойств каротина. Например, фотопотенциал пленок каротина, так же как и пленок феофитина, имеет отрицательное значение.

Величина фотопотенциала в пленках каротина, полученных путем испарения раствора пигмента с поверхности электрода, не превышала 80—85 мВ. При наплавлении же пигмента фотопотенциал достигал 140—145 мВ. При изучении вольтамперных характеристик каротина как на контакте с электролитом, так и без него были получены следующие результаты. Токи короткого замыкания между электродами, помещенными в раствор KCl, при освещении ток увеличивался в 4—6 раз.

Поскольку в хлоропластах хлорофилл и каротин сопутствуют друг другу, представлялось интересным в модельных опытах проверить, не является ли каротин своеобразной легирующей добавкой к основному фотосинтетическому пигменту — хлорофиллу. Как показали измерения, введение каротина в пленку хлорофилла в 6—8 раз увеличивает значение фотопотенциала. Аналогичная зависимость была обнаружена при введении добавок хлорофилла в пленку каротина. Оптимальное соотношение пигментов, как и в предыдущем случае, наблюдалось при десятикратном избытке основного пигмента по отношению к добавке. Возможно, что это соотношение «использовано» фотосинтезирующими организмами, где одна молекула каротина приходится на 3—15 молекул хлорофилла. Интересно также отметить, что нанесение слоя олеиновой кислоты на пленку каротина приводило к росту отрицательного значения фотопотенциала примерно в 2 раза.

То обстоятельство, что хлорофилл и каротин проявляют фотовольтаический эффект, причем фотопотенциал у первого положителен, а у второго — отрицателен, было использовано нами для того, чтобы предложить в качестве модели, способной к фоторазложению воды, фотобатарею «хлорофилл — каротин». Для протекания электролиза в такой батарее, очевидно, необходимо выполнение двух условий:

  • 1) разность потенциалов между двумя электродами должна быть не менее 1,2 В (потенциал разложения воды при рН=7);
  • 2) необходимо, чтобы величина фототока, текущего между электродами, была достаточной для экспериментального обнаружения электролиза воды (регистрации выделения O2).
  • На основании вышеизложенных фактов, а также учитывая возможность последовательного соединения нескольких электродов в батарее «хлорофилл — каротин», можно получить необходимые условия для фотоэлектролиза воды. Более того, возможно создать батарею, содержащую лишь один пигмент. В качестве таковой нами была предложена и совместно с Ю. С. Шумовым и Ю. С. Борисеричем. построена первая фотовольтаическая батарея, содержащая синтетический аналог хлорофилла — фталоцианин. Поскольку фотовольтаические свойства хлорофилла чрезвычайно близки к свойствам фталоцианина, который более доступен и обладает рядом преимуществ в методическом плане, при создании батареи мы использовали именно фталоцианин.

    Батарея характеризовалась следующими основными параметрами: световой потенциал батареи, составленной из четырех последовательно соединенных элементов, достигал 2,4 В (при рН=7); максимальное значение светового тока при параллельном соединении элементов равно 5,9-10-6 А; квантовый выход фототока был равен ~ 0,01 %. Для изучения энергетических характеристик предложенного устройства были сняты нагрузочные кривые.

    Предложенное устройство способно под действием видимого света выделять кислород из воды, т. е. воспроизводить одну из функций хлоропласта, причем процесс, происходящий в батарее, носит фотокаталитический характер.

    В связи с изложенным представляет интерес оценка (хотя бы очень грубая) величины токов в фотосинтетическом аппарате листа. Мы попытались ее сделать, исходя из следующих данных. Суспензия хлоропластов, содержащая 0,1 мг хлорофилла, выделяет за 1 ч~0,4 мкМ кислорода. При электролизе же воды за 1 А/ч выделяется 0,21 л O2. Предположив правомерность фотоэлектрического механизма разложения воды в листе, найдем, что суммарный ток в хлоропластах, содержащих 0,1 мг хлорофилла, равен по порядку величины 10-5 А. В одном же хлоропласте ток, естественно, будет намного ниже. Отметим, что содержание пигмента в батарее не превышало 0,1 мг, ток при этом был равен 5,9-10,5 А. Приведенная оценка весьма груба, однако она позволяла почувствовать, что процесс, происходящий в зеленом листе, можно моделировать с помощью фотоэлектрохимических устройств.

    Добавим еще одно косвенное подтверждение возможности фотоэлектрического механизма разложения воды при фотосинтезе. Изотопный состав кислорода, выделенного при реакции Хилла из нормальной воды, и воды, совпадает с изотопным составом кислорода при электролизе той же воды. А. Холт и С. Френч получили эти данные для доказательства водного происхождения кислорода. Однако, на наш взгляд, они могут быть использованы также для косвенного подтверждения возможности фотоэлектрического механизма разложения воды в хлоропласте.

    Рубрика: Микробиология ·  

    загрузка...


    Оставить комментарий или два