Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Азимов Айзек

Но голые рассуждения, не подтвержденные экспериментальными свидетельствами, могут оказаться очень обманчивыми. И вот американские биохимики Сэмюэл Рубен и Мартин Кеймен решили получить такие свидетельства, устроив эксперимент с использованием тяжелого, но нерадиоактивного изотопа кислорода О¹⁸. Большая часть всех атомов кислорода, 99,76 процента, принадлежит к самому распространенному изотопу, О¹⁶, так что вещество с необычно большим содержанием О¹⁸ всегда заметно отличимо в масс-спектрографе.

В 1938 году Рубен и Кеймен изготовили некоторое количество воды с содержанием О¹⁸ и стали поливать этой водой растения. В производимом растениями кислороде О¹⁸ оказалось столько же, сколько и в употребленной ими воде. С другой стороны, если же растениям подавался углекислый газ с содержанием О¹⁸, то лишь крайне малый процент этого О¹⁸ попадал в состав производимого растениями кислорода. Вывод ясен — вода, и только она, в процессе фотосинтеза расщепляется, и только из расщепленной молекулы воды образуется кислород. А молекула углекислого газа остается нерасщепленной и интегрируется в таком виде в состав формируемых в процессе фотосинтеза органических тканей.

Таким образом были установлены общие очертания реакции фотосинтеза. Хлорофилл поглощает солнечный свет и использует полученную таким образом энергию для энергоемкой реакции расщепления воды на водород и кислород (рис. 73). Эта реакция называется «фотолиз», или «фотохимическая диссоциация» воды.

Получаемый таким образом водород может использоваться двумя различными способами. Половина атомов водорода направляется в дыхательную цепочку, как и водород, получаемый в результате обычной дегидрогенизации. В принципе фотолиз воды можно рассматривать и как катализируемую хлорофиллом дегидрогенизацию воды. После этого водород снова объединяется с кислородом на заключительном этапе цитохромоксидазы и опять образуется молекула воды. По ходу этих реакций формируется три молекулы АТФ; таким образом энергия солнечного излучения преобразуется в химическую энергию АТФ, а поскольку кислород, полученный одновременно с пущенным в дыхательную цепочку водородом, при образовании воды снова потребляется, то в этой цепочке реакций выделения кислорода не происходит.

Оставшаяся половина атомов водорода вступает в соединение с углекислотой с образованием углеводов (вот здесь-то и высвобождается кислород, который больше растению ни для чего в дальнейшем не пригодится и потому выпускается в атмосферу). Это энергоемкая реакция, и она проходит за счет АТФ, образованных в процессе фотолиза и реакции формирования воды.

Так энергия солнечного излучения, будучи переведенной в химическую энергию АТФ, используется для образования углеводов (а в конечном итоге—и жиров и прочих составляющих тканей), за счет чего существуют все формы жизни на Земле — и растительные, и животные.

^{Рис. 73. Фотосинтез}

Теперь осталось только установить, как именно водород соединяется с углекислотой. Это оказалось непростой задачей. Исследователи пытались использовать углекислый газ, содержащий необычный изотоп, но через короткий промежуток времени этот изотоп обнаруживался уже во всех составляющих тканей. Тогда ученые решили выделить хлоропласта (клетки растения, содержащие хлорофилл) отдельно и проверить на них, но изолированный хлорофилл вообще отказывался проявлять какие бы то ни было фотосинтетические свойства, так что и эксперименты с упрощенной системой, оказавшие такую неоценимую помощь при работе с реакциями, катализируемыми ферментами, в данном случае ни к чему не привели.

Надеяться оставалось только на радиоактивные изотопы. К сожалению, единственным известным в 30-х годах XX века радиоактивным изотопом углерода был С¹¹, столь нестабильный, что за полчаса почти весь уже переставал существовать, и при этом очень дорогой.

Но вот в 1940 году Рубен и Кеймен открыли С¹⁴, радиоактивный изотоп углерода, оказавшийся, ко всеобщему изумлению, сравнительно стабильным, а потому — удобным для практического применения. Вообще, можно сказать, что С¹⁴ — это самый полезный изо всех изотопов.

После Второй мировой войны американские биохимики А. Бенсон и Мельвин Кальвин попытались исследовать фотосинтез с помощью С¹⁴. Они взяли взвесь одноклеточных водорослей и обработали ее углекислотой с содержанием С¹⁴. Через небольшой промежуток времени они убили клетки в надежде на то, что С¹⁴ успел использоваться лишь на ранних этапах внутриклеточных реакций. Затем содержимое убитых клеток было сегментировано с помощью технологии бумажной хроматографии (см. главу 16). Осталось только посмотреть, какие участки бумаги проявляют радиоактивность, и определить, какое вещество на них отложилось.

Всего полторы минуты спустя различных радиоактивных веществ оказалось уже не менее пятнадцати, тогда Бенсон и Кальвин еще больше сократили временной промежуток. Через пять секунд после обработки радиоактивной углекислотой радиоактивных веществ на бумаге оказалось пять, впрочем, наибольшую радиоактивность проявляли два из них. Оба оказались разновидностями фосфоглицериновой кислоты, в состав которой входят три атома углерода.

Проведя множество подобных экспериментов, Бенсон и Кальвин разработали логическую схему происходящего. Углекислота, попадая в клетку, соединяется с рибулозо-1,5-дифосфатом. (Этот сахар, содержащий пять атомов углерода и две фосфатные группы, называют еще «углекислотной ловушкой».)

Получив углекислый газ, рибулозо-1,5-дифосфат превращается в соединение из шести атомов углерода и вскоре распадается на две молекулы по три атома углерода в каждой — это и есть обнаруживаемые при бумажной хроматографии фосфоглицериновые кислоты. Это энергоемкий шаг, и именно при нем используются АТФ, образованные путем фотолиза и реакции формирования воды. Затем эти трехуглеродные сахара преобразуются в крахмал посредством ряда реакций, которые уже хорошо изучены и не требуют дальнейшего приложения энергии.

Наверное, самым примечательным свойством фотосинтеза является тот факт, что в качестве источника энергии при нем применяются красный и оранжевый цвета. Фотохимические реакции, производимые человеком в лаборатории, обычно задействуют гораздо более энергетически насыщенное излучение синей, фиолетовой и ультрафиолетовой части спектра. Способность хлорофилла использовать длинноволновое излучение очень важна, так как его в солнечном свете содержится гораздо больше, чем ультрафиолета. Кроме того, более длинные волны света лучше проникают сквозь атмосферную пыль, чем коротковолновое излучение, так что длинноволновой свет можно назвать более надежным источником энергии.