Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Более 90 % всех видов растений следуют C3-фотосинтезу, в ходе которого три атома Углерода из трех разных молекул CO₂ связываются в цепочку. Этот путь возник несколько миллиардов лет назад, когда концентрация CO₂ в атмосфере была намного выше, чем сегодня, а концентрация O₂ – ниже. Примерно 30 миллионов лет назад, когда концентрация CO₂ значительно снизилась (а миллиарды лет фотосинтеза подняли уровень O₂ до современных значений), развился более эффективный C4-фотосинтез, при котором уже на первом этапе связывается не три, а четыре атома Углерода. Это оказалось особенно выгодным в более жарком и сухом климате, поэтому несмотря на то, что C4-растения составляют менее 3 % всех растений, произрастающих сегодня на Земле, именно они отвечают за производство примерно 25 % мирового растительного материала. Кроме того, целых 46 % сельскохозяйственного производства зерна связано с тем, что кукуруза, сорго и просо используют C4-фотосинтез⁵. Третий механизм, который с эволюционной точки зрения также появился довольно поздно, называется CAM‐фотосинтез (звучит как скороговорка: кислотный метаболизм толстянковых). Он обеспечивает первый этап фотосинтеза у остальных 6 % растений (в первую очередь у кактусов и суккулентов, в том числе и у важных компонентов тропических коктейлей с зонтиком, таких как агава текильная и ананасы).

Молекулы атмосферного CO₂ отражают соотношение изотопов Углерода, о котором мы говорили в главе 4: 98,9 % содержат ¹²C, 1,1 % – ¹³C и один из триллиона – ¹⁴C. Напомним, что все изотопы элемента химически идентичны; то есть молекула ¹²CO₂ химически неотличима от молекулы ¹³CO₂, и ее атом Углерода будет вести себя точно так же, когда эту молекулу разобьет на части сгусток солнечной энергии и она послужит для создания сахарозы или чего-то еще. Однако единственная отличительная особенность молекулы ¹³CO₂ состоит в том, что она тяжелее, чем ее «сестрица» ¹²CO₂, а тяжелые предметы движутся медленнее – как может подтвердить бывший марафонец, впоследствии набравший немало килограммов. «Раздобревшие» молекулы ¹³CO₂ не столь проворны, как их более легкие родственницы.

Рис. 10.1. Распределение соотношений ¹³C/¹²C для С3-растений (светло-серый) и С4-растений (темно-серый). Распределения не перекрывают друг друга и достигают пиковых значений примерно на уровне –2,0 % и –0,5 % соответственно по сравнению с содержанием ¹³C в воздухе. Отрицательные величины указывают на то, что все растения, о чем подробно говорится в тексте, не проявляют особой склонности к усвоению более тяжелого и медленного изотопа ¹³C, но на более кратком пути C3-фотосинтеза эта черта выражена в большей степени

Как следствие, когда C3-растение начинает поглощать CO₂, чтобы начать процесс фотосинтеза, оно легче находит более быстрые молекулы ¹²CO₂ – они всегда под рукой, в то время как «ленивые» и более тяжелые изотопы появляются не так часто. В результате материал C3-растений содержит в среднем на 1,95 % меньше ¹³C, чем было в окружающем воздухе⁶. C4-растениям, с другой стороны, приходится проявлять терпение, поскольку им необходимо собрать четыре молекулы CO₂ и разделить их еще до того, как завершится первый этап процесса. Хотя они тоже «недолюбливают» медленные молекулы ¹³CO₂, они не могут позволить себе быть настолько привередливыми, и в результате дефицит ¹³C в их целлюлозе составляет всего лишь 0,55 %⁷ (см. рис. 10.1).