Именно исследование второй – синтетической фазы фотосинтеза, позволяет выявить неорганический фактор, лимитирующий его скорость. Им является величина диссоциации углекислого газа в воде:

Все биохимические процессы синтеза и обмена веществ в клетке происходят в водных растворах. Элементы и соединения, в том числе и активный углерод углекислоты, усваиваются клеточными органоидами только в диссоциированном на ионы виде. Поэтому от степени диссоциации СО₂ в воде напрямую зависит и скорость вступления углерода углекислоты в ключевую, мгновенную синтетическую реакцию его биофиксации с пятиуглеродным сахаром в цикле Кальвина. Это самое узкое место всего процесса фотосинтеза, которое невозможно расширить физико-химическими способами, доступными естественной эволюции растительных форм жизни.

Вот некоторые из опробованных растениями методов повышения концентрации диссоциированных ионов углекислоты в своих внутриклеточных водных растворах:

Стадия фиксации углерода в строме хлоропласта чувствительна к повышению температуры. С увеличением температуры повышается скорость оборота цикла Кальвина, что могло бы, в принципе, увеличить продуктивность фотосинтетического процесса растений, живущих в жарком, тропическом климате. Но из вышеприведённой таблицы видно, что с увеличением температуры с 20 до 50^оС в 2,4 раза падает растворимость углекислоты в воде, что сводит на нет весь возможный положительный эффект термоускорения С3-цикла. Более того, сахарному тростнику и колючим кустарникам в Долине Смерти (шт. Калифорния) пришлось даже вырабатывать специальный защитный С4-цикл фиксации углерода, позволивший им выжить в условиях резкого понижения концентрации СО₂ в перегретых внутриклеточных растворах.

Углекислота намного лучше растворяется в концентрированных солевых растворах (например, карбонатов) или в органических растворителях (спирте, метаноле, ацетоне). Однако для клеток эти среды являются смертельно токсичными.

Растворимость СО₂ в воде может быть увеличена повышением давления. Но реально давление внутриклеточной жидкости может быть повышено в несколько раз только перемещением растений в глубины морей и океанов, где фотосинтез невозможен из-за отсутствия света.

Недостаточную растворимость углекислоты в воде можно компенсировать ускорением процессов механической циркуляции внутриклеточных растворов. Однако растения, в ходе эволюции, уже полностью исчерпали этот небольшой резерв производительности, на 100% задействовав все физико-химические возможности капиллярно-осмотических эффектов транспортировки потоков и пропускной способности внутриклеточных мембран.

Можно продолжить этот перечень «неудач» природной эволюции, но и так уже ясно, что повысить скорость диссоциации углекислоты и, соответственно, скорость всего фотосинтетического процесса можно только искусственно оснастив растительные клетки физико-химическими «орудиями», которые не смогут сами сформироваться в естественной природе без помощи сознательного управления человеком биохимическими процессами растительных форм жизни.

Рассматриваемый нами процесс диссоциации и активизации углекислоты в воде состоит из следующих основных стадий:

1 стадия: насыщение воды газообразной углекислотой, поступающей из атмосферы, с последующей диссоциацией молекул образовавшейся угольной кислоты на электролитически активные ионы:

Н₂О + СО₂ Н₂СО₃ Н+ + НСО₃ - 2Н+ + СО3-2

2 стадия: образование фотосинтетически активных анион-радикалов углекислоты, вступающих далее в биохимические реакции цикла Кальвина:

Н *+ + НСО₃- Н₂О + СО₂*-
2Н *+ + СО3-2 Н₂О + СО₂ *-
h, ?
(образование протон-радикалов идёт по реакции: Н+ Н *+)