Вот фотон, посланный далеким светилом, угодил в органическую молекулу зеленого листа. Это молекула зеленого красителя — хлорофилла. Один из электронов валентной пары тотчас возбуждается, подпрыгивая на более высокую ступеньку — точь-в-точь как в полупроводнике. Рано или поздно он, конечно, вернется в свое прежнее состояние, но долгим и сложным будет его обратный путь. И кто бы мог подумать, что все богатейшее разнообразие жизненных проявлений укладывается в эту простенькую схему: стрелка вверх — переход из основного состояния в возбужденное; стрелка вниз — возвращение восвояси. Конечно, за второй стрелкой таится целая эпопея электрона и кванта, перед красочностью и драматизмом которой тускнеют странствия самого Одиссея.
Самое удивительное: хлорофилл работает как полупроводник.
Когда электрон перескакивает в зону проводимости, на ступеньке, где он сидел, остается пустое место. Но это не просто «дырка от бублика». Отсутствие электрона эквивалентно появлению единичного положительного заряда. Поэтому «дырка» притягивает к себе электрон, как бы зовет его обратно. Но, вознесенный квантом света в зону проводимости, он и не думает возвращаться обратно.
Такое состояние очень неустойчиво. Обычно оно продолжается лишь миллионные доли секунды. Затем энергия электронного возбуждения переходит в другие формы. Например, в тепловую: начинают вибрировать валентные связи-пружинки, атомы одной молекулы соударяются с атомами соседней. Вещество разогревается.
Конечно, это не единственный вариант. Электрон может упасть на прежний энергетический уровень, заполнив своей персоной «дырку» и высветив квант энергии. Такое падение проявит себя в виде флуоресцентного свечения. И тогда хлорофилл просто-напросто возвратит «ссуду», выданную ему Солнцем, так и не пустив ее в оборот. Нас же интересует другой случай: каким путем кипучая энергия электрона преобразуется в энергию биохимического «топлива»?
Известно, что при фотосинтезе зеленый лист вырабатывает углеводы, усваивая углекислый газ и выделяя кислород. Реакция протекает с поглощением энергии: СО2 + H2O + 112 ккал = (CH2О) + O2. Энергия солнечного луча переходит в энергию валентных связей. И легко высвобождается при обратном процессе: (CH2O) + O2 = СО2 + H2O + 112 ккал. Например, при сгорании глюкозы в нашем организме (глюкоза может гореть и в пробирке). И это естественно: полная энергия системы понижается. Зато обратить вспять ход процесса, заставить углекислоту и воду превратиться в углевод несравненно труднее. Здесь химику не обойтись без катализаторов, повышенных давлений и температур. А зеленый лист проделывает эту операцию легко и просто.
Молекула хлорофилла состоит из двух частей. Первая — остаток спирта фитола — представляет собой линейную углеводородную цепочку. Вторая и самая главная — так называемое большое порфириновое кольцо. Оно, в свою очередь, составлено из малых циклов — пятичленных, с атомами азота, обращенными внутрь и охватывающими центральный атом магния. Перед нами замкнутая система сопряженных связей. По этой кольцевой трассе и начинает свой вояж возбужденный электрон. Такой циркулирующий ток не связан с энергетическими потерями. Молекула переходит в метастабильное состояние. Оно более устойчиво, чем обычное возбужденное, и может сохраняться в течение отрезка времени, который в миллионы раз длиннее.
А что же будет потом — по истечении этих нескольких десятитысячных долей секунды?
Энергия фотохимической активации перекочевывает вместе с электроном на соседнюю молекулу. Да, на соседнюю, как это ни удивительно. Налицо межмолекулярный перенос заряда — тот самый, механизм которого так интересует инженеров — творцов органических полупроводников.
Сколько патентов хранится в сейфах живой природы! Действительно: природа — богатейший политехнический музей.
Чтобы углекислота CO2 превратилась в глюкозу, ей нужен водород. И энергия! Поставщиком того и другого служит трифосфопиридиннуклеотид ТПН. Чтобы 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.