Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

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.

Фотосинтез имеет необычно высокую эффективность для фотохимической реакции. Отто Варбург и Дин Берк в 1950 году выдвинули предположение, что на участие в фотосинтезе одной молекулы углекислоты требуется затратить всего четыре кванта красного света. Для перевода одного моля углекислоты в углевод требуется 115 килокалорий, а если Варбург и Берк правы, то для аналогичной реакции, используя красный свет, потребуется всего 175 килокалорий. Таким образом, получили феноменальную эффективность фотосинтеза, равную ¹¹⁵/₁₇₅^, то есть около 65 процентов.

Итак, как и предположил сто лет назад Майер (см. главу 4), вся жизнь играет в потоках солнечной энергии. Сама солнечная энергия выделяется в процессе превращения водорода в гелий в условиях невообразимо высоких температуры и давления солнечного ядра. Процесс образования энергии сопровождается соответствующей потерей массы.

Атом водорода при превращении в гелий теряет менее 1 процента собственной массы, но размеры Солнца огромны, и количество атомов, подвергающихся подобной метаморфозе, столь велико, что Солнце теряет по 4 200 000 тонн массы каждую секунду. Высвобождаемая в результате этого энергия имеет объем около 8 х 10²¹ (восемь секситиллионов) килокалорий в секунду.

Высвобождение энергии за счет потери массы в условиях солнечного ядра является спонтанной реакцией и сопровождается масштабным увеличением энтропии. Во всех остальных звездах происходит то же самое — на одних медленнее, чем в Солнце, на других гораздо быстрее.

Получается, что во вселенских масштабах главным процессом является возрастание энтропии путем звездного излучения. Каким образом Вселенная набрала столько энергии, чтобы терпеть подобное возрастание энтропии на протяжении миллиардов лет своего существования и чем все это закончится (в конце главы 5 я упоминал, например, теорию «тепловой смерти Вселенной») — пусть решают астрономы. Биологи же и биохимики вполне могут принять исходящий от Солнца поток энергии за постоянную величину — по крайней мере, на протяжении существования жизни на Земле (вероятно, пару миллиардов лет) и еще на несколько миллиардов лет вперед.

И лишь с помощью столь глобального увеличения вселенской энтропии, выражаемого в выработке солнечной энергии, жизни на Земле удается немного понижать энтропию в пределах своей компетенции.