Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
Органической характеристикой живой ткани является углерод. Углерода, присутствующего в растворимой форме в плодородной почве, недостаточно, чтобы обеспечить потребность постоянно увеличивающего свои размеры растения в углероде. При гидропонике питательная смесь может быть вообще полностью лишенной углерода, а растение все равно будет откуда-то брать этот элемент. Откуда? Раз ни в почве, ни в воде его нет, то остается только воздух.
Именно ван Гельмонту принадлежит честь открытия существования различных газов, и именно он впервые описал свойства того газа, который мы сейчас называем углекислым. На протяжении следующего за его открытиями столетия исследования различных газов проводились все активнее, и в 1727 году английский физиолог Стивен Гейлс, проявлявший большой интерес к газам, обнаружил, что ответ на вопрос, мучивший ван Гельмонта, кроется в открытом самим же ван Гельмонтом углекислом газе.
Но ведь углекислый газ составляет лишь 0,03 процента в атмосфере, так что остается только удивляться, как вещество, присутствующее в столь малой концентрации, может служить источником углерода для множества окружающих нас организмов. Что ж, все равно углекислого газа оказывается достаточно, если учесть, что атмосфера огромна и общая масса ее невероятно велика, как ни тяжело это представить людям, мыслящим аллегориями типа «легкий как воздух». Общий вес углекислого газа, содержащегося в атмосфере, составляет, хотите верьте, хотите нет, 4 х 1014 килограммов. В океане его растворено еще в пятьдесят раз больше, либо в виде углекислоты, либо в виде иона бикарбоната, так что общая масса углерода, доступного для потребления живыми формами на суше и в море, составляет 2 x 1016 килограммов.
Подсчитано, что общая масса углерода, связанного в составе живых существ, — около 2,5 x 1014 килограммов; так что суммарный запас углерода, содержащегося в море и в воздухе, примерно в восемьдесят раз превышает количество углерода, заключенного в живых тканях. Как я уже сказал в начале главы, масса доступной пищи должна быть вдесятеро больше массы ее потребителя, и если считать углекислоту основной пищей для всего живого на Земле, то ее хватит на все живое на нашей планете.
В 70-х годах XVIII века английский унитарианский священник Джозеф Пристли продвинулся еще на шаг дальше. Он посадил растение под герметичным куполом, оно какое-то время росло, пока не исчерпало весь углекислый газ, содержащийся в замкнутом объеме, а затем прекратило рост, несмотря на обилие воды и солнечного света. Помещенная под такой же герметичный купол мышь быстро расходовала весь содержащийся в замкнутом объеме кислород и умирала. А вот мышь вместе с растением под одним куполом могли прожить гораздо дольше, чем каждое из этих существ по отдельности. Из этих наблюдений Пристли сделал вывод, что растение наверняка не только потребляет углекислый газ (это если оперировать сегодняшними терминами — Пристли выражался несколько по-другому), но и выделяет кислород, а животные, наоборот, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Таким образом каждое существо из такой пары помогает удовлетворить потребности другого.
Теперь оставалось только отметить подобную же связь и на уровне всей планеты — что и сделал голландский физик Ян Ингенхауз. В своей вышедшей в 1779 году книге он отметил, что животный и растительный мир на Земле находится в равновесии. Растения поглощают воду и углекислый газ и с помощью света (Ингенхауз оказался также и первым, кто недвусмысленно подчеркнул необходимость света) производят из них свои собственные ткани и выделяют кислород. Поскольку свет является важнейшим условием процесса формирования тканей из углекислоты и воды, то этот процесс был назван фотосинтезом, что по-гречески означает «сборка с помощью света».
С другой стороны, продолжал Ингенхауз, животные, поедая растения и вдыхая кислород, снова превращают их в углекислый газ и воду.
По мере развития химии питательных процессов становилось ясно, что принятым среди растений способом хранения энергии является крахмал. Представим эмпирическую формулу крахмала как СбН10О6. Тогда представления Ингенхауза можно выразить так:
При таком раскладе цикл может продолжаться вечно. Углерод, водород и кислород будут постоянно перемещаться от растений к животным и обратно, с суши в море и обратно — такое циклическое перемещение было названо «углеродный цикл». Другие элементы тоже используются циклическим образом. Растения извлекают из земли азот, серу, фосфор и другие неорганические элементы и встраивают их в состав своих тканей. Животные съедают растения и переводят эти элементы в собственные ткани, а извергая всю жизнь отходы и в конце концов умирая с последующим разложением тел, — возвращают их в почву.
И на всех этапах цикла используется безвозвратно только одно — энергия солнечного излучения. И его потребляется гораздо больше, чем хватило бы для запуска процесса уменьшения энтропии, так что в целом энтропия опять увеличивается, как это происходит всегда и как требует второй закон термодинамики.
В 1819 году двое французских химиков, Пьер Жозеф Пеллетье и Жозеф Бьенемэ Каванту, выделили из растений вещество зеленого цвета. Они назвали выделенный продукт «хлорофиллом», от греческого «зеленый лист» — понятней некуда.
Однако прошло еще сто лет, прежде чем было установлено строение хлорофилла. Начиная с 1910 года немецкие химики Рихард Вильштеттер и Ганс Фишер провели ряд экспериментов по расщеплению молекулы хлорофилла на фрагменты и изучению их свойств, в результате чего было составлено представление и о самой молекуле хлорофилла. Оказалось, что по основе строения хлорофилл очень похож на гем, являющийся частью гемоглобина, каталазы и цитохромов. Основные отличия хлорофилла от гема заключаются, во-первых, в том, что посреди молекулы, там, где у гема — железо, у хлорофилла — магний, а во-вторых, в том, что к хлорофиллу крепится еще и длинная углеводная молекула, принадлежащая к классу каротеноидов.
Своим цветом молекула хлорофилла обязана тому факту, что она поглощает свет некоторых волн видимой части спектра, в частности длинные волны красного и оранжевого участков спектра, а большую часть остальных — отражает. Если из солнечного света вычесть красный и оранжевый цвета, то получится зеленый — что мы и наблюдаем.
Поглощая свет, хлорофилл повышает свое энергетическое содержание. В главе 11 я уже описывал механизм, с помощью которого молекула хлора расщепляется светом на более энергетически насыщенные атомы хлора. Конечно, процессы, в которых участвует хлорофилл, не так просты, но принцип тот же — хлорофилл получает дополнительную энергию за счет поглощения света.
Получив энергию, хлорофилл теперь может ее потратить и вернуться в «естественное состояние», произведя при этом некую энергоемкую реакцию, определяющую весь процесс фотосинтеза.
Так что же это за «определяющая реакция»? Ответ на этот вопрос тоже стал возможен только с появлением технологий изотопного маркирования.
Как видно из формулы, приведенной в этой главе, в реакцию фотосинтеза должно входить соединение воды и углекислоты. В состав обеих этих молекул входит кислород, так что логично предположить, что производимый растениями молекулярный кислород должен включать в себя атомы из обоих этих веществ. В конце концов, фотосинтез ведь должен представлять собой реакцию, обратную дыханию. Если при дыхании кислород объединяется с органическими веществами для образования и углекислоты, и воды, то при фотосинтезе углекислый газ и вода должны расщепляться для образования кислорода, верно ведь?