Свет и тьма, их непреложность, чередование, бесконечный хоровод — так устроена жизнь, и неудивительно, что и растениям необходимо и то и другое. Однако лишь в начале нашего века физиологи растений начали осознавать это, а решающие доказательства были получены лишь в последние десятилетия...

Английский ученый Ф. Блэкман в 1905 году положил начало громадному этапу новейших исследований фотосинтеза. К этому времени о фотосинтезе было известно немногое—только то, что углекислый газ и свет (и вода), исчезая в листе, образуют в нем кислород и глюкозу (крахмал с его гигантскими молекулами весом в 50 тысяч получается из крошечных молекул глюкозы путем полимеризации — однотипного наращивания, так растет снежный ком из снежинок). Но как это происходит? Выражаясь языком кибернетиков, фотосинтез и в начале нашего века был для исследователей “черным ящиком” (эти магические слова означают полное отсутствие знаний о внутреннем устройстве того или иного объекта). Однако Блэкман понимал, что у него в руках две “веревочки” — углекислота и свет,—дергая за которые, он, видимо, кое-что сможет узнать про фотосинтез. В этом и была соль его работы.

Он изменял интенсивность освещения листа. Когда свет очень слабый, продуктивность фотосинтеза (о ней судят по количеству образовавшегося крахмала) целиком зависит от освещения и растет вместе с ним. Но лишь до некоторого предела. Рано или поздно наступает момент, когда фактор освещения перестает действовать.

Как объяснить этот экспериментальный факт? В листе процесс фотосинтеза распадается по крайней мере на две стадии: есть реакции световые, целиком определяемые качеством и количеством света, и темновые, от света не зависящие, идущие даже в темноте.

Через 27 лет после публикации работы Блэкмана был сделан еще один очень важный шаг. Что лучше — яркое солнце над головой, без устали изливающее свои лучи, или же ночная мгла, которая через каждые несколько секунд прерывается короткими солнечными вспышками? Иначе говоря, солнце-прожектор или солнце- маяк? Именно на этот вопрос попытались в 1932 году ответить два американских биохимика—Р. Эмерсон и В. Арнольд. Исследователи освещали растительные клетки короткими вспышками света — импульсами, за которыми следовали периоды темноты.

Выяснилось, что темновая стадия должна быть во много раз длительнее световой, этого требовали сами растения — показателем была их продуктивность. Ученые следующим образом интерпретировали свои данные: во время световой вспышки растение запасает энергию, которая необходима для успешного хода каких-то темновых процессов, видимо, связанных с фиксацией в растении углекислого газа. Этот последний процесс (в отличие от светового) идет медленно, и, пока он не завершится, бесполезно вводить в растение новые порции световой энергии.

Эти давние, сугубо вроде бы научные изыскания имели в наши дни вполне практическое продолжение. Биологи из Ленинградского сельскохозяйственного института соорудили в специальной теплице мигающее солнце. Длящиеся мгновения “дни” сменяют долгие (несколько секунд) “ночи” — такой режим пришелся явно по вкусу растениям, разместившимся на грядках этого рукотворного мирка. Опыт ленинградцев повторили овощеводы Мурманска, Гомеля и других городов: урожаи значительно возросли, а расход электроэнергии резко сократился (при умелом регулировании света, утверждают ленинградские ученые, нужды на электроэнергию в теплицах можно сократить в 400 раз!).

И эта пропись физиологов растений оказалась для зелени весьма действенной.

Еще одна возможность заглянуть в черный ящик — попытаться выяснить, что служит в растении источником кислорода— вода или углекислый газ? Ведь и то и другое соединение включает в себя кислородные атомы.

Но одно дело — стеклянная колба, другое— живой лист! Начались поиски. В растительных клетках искали формальдегид. На это ушли многие десятки лет. Обнаружили: формальдегид крайне ядовит для растений. Но, возражали сторонники Байера, в клетке формальдегид превращается в глюкозу чрезвычайно быстро, и он присутствует там в ничтожных дозах.

Превращение формальдегида в сахар в химической лаборатории — весьма длительная процедура. Но и на это нашелся ответ у приверженцев формальдегидной теории: то, что трудно нам, людям, с тем шутя справляются растения, ферменты которых сокращают долгие часы реакций до мгновений.

Гипотеза Байера была проста, изящна, а потому казалась верной. На протяжении почти трех четвертей столетия ее изложение можно было найти в любом учебнике. Только очень мощный толчок мог поколебать и опрокинуть этот устоявшийся взгляд. Необходимо было на старую биологическую проблему взглянуть свежими глазами другой науки. И это сделала физика.

Способность изотопов метить атомы и молекулы дала ученым мощнейший инструмент, который позволил наконец заглянуть в святая святых растительной клетки и многое понять в ней.

Вопрос о происхождении кислорода в растительной клетке был одновременно решен двумя группами исследователей.

Методика работы советских ученых отличалась от американской. Советские ученые воспользовались тем обстоятельством, что в углекислом газе тяжелых изотопов кислорода больше, чем в воде. Оставалось сравнить изотопный состав воды, углекислого газа и выделяемого растениями кислорода. Советские ученые пришли к тому же выводу, что и американские (открытие было сделано одновременно): растения извлекают кислород из воды, а не из углекислого газа.

Почти 20 лет шла эта научная путаница. Никто толком ничего не понимал, пока наконец в 1960 году теперь уже академик Виноградов вместе со своим сотрудником Владимиром Михайловичем Кутюриным не внес в это дело решающую ясность. Кислород растения получают все-таки из воды, а причина недоразумений в дыхании растений. Дыхание у растений переменчиво, оно зависит от многих условий. Потому и изотопный состав кислорода в опытах неустойчив.

Растение извлекает кислород из воды, и тут изотопный состав кислорода газообразного и кислорода, содержащегося в исходной воде, одинаков. Но затем в процесс вмешивается дыхание и смазывает всю картину. Растение отбирает преимущественно легкую фракцию изотопов кислорода, в результате остающийся кислород утяжеляется — тяжелых изотопов в нем становится все больше. Вот она, разгадка!

Так в длящемся почти целый век споре исследователей была наконец поставлена последняя точка. И сделали это советские ученые.

Значительно проще с изотопами радиоактивными. Тут каждый “взрывающийся” атом может обнаружить, проявить себя, к примеру, в портативном и простом в обращении счетчике Гейгера — Мюллера, Отпадает и надобность в достаточно больших количествах анализируемого с помощью масс-спектрометра вещества. Другое достоинство радиоизотопов — за ними можно следить на всех этапах исследуемого процесса, изучая не только вещества на “входе” и “выходе”, но и промежуточные званья долгой цели превращений.

Посмотрим, что здесь приготовила исследователям сама природа.

Начнем с водорода. У него радиоактивен только тритий, самый тяжелый изотоп (он был обнаружен в 1939 году). Водород — участник очень многих процессов в клетке. Но, к сожалению, он и самый подвижный из атомов: скачет от молекулы к молекуле, охотно меняя места. Как метка, индикатор он бесполезен. Ведь метка ценна, если она крепко “привязана” к какому-то узлу клетки, помечая, выделяя его.

Проследить путь углекислого газа в растительных клетках — об этом мечтали многие поколения ученых. Ведь углерод — элемент необычный. Это — ключевое вещество всего живого, состоящего преимущественно из углеродных соединений. Собственно, все возникновение жизни на Земле — это сложный процесс эволюции углеродных соединений.

Труд был опасен и тяжел, а результаты (увы!) очень скромны. Было показано, что вопреки предсказаниям углекислый газ присоединялся не к хлорофиллу, а к какому-то Сложному органическому соединению с молекулярным весом, примерно равным тысяче. Но самым досадным результатом было то, что уже через считанные минуты радиоактивная метка обнаруживалась сразу в десятках мест.

Теперь можно было следить за любым, даже самым медлительным процессом, идущим в живой ткани. И в то же время этот период полураспада был и не слишком длинен: число распадов в единицу времени оказалось достаточно большим, чтобы можно было уловить их с помощью существующих тогда приборов.

Удача, говорят, не приходит одна. В 1944 году два английских биохимика Арчер Мартин и Рихард Синг радикально усовершенствовали хроматографический метод, созданный в начале этого века русским ученым Михаилом Цветом для разделения пигментов и других смесей молекул.

Хроматография старая (в колонках) имела ряд недостатков: количество исследуемого вещества должно было быть немалым; трудоемкой оказывалась процедура извлечения нужных компонентов из пор колонки. Мартин и Синг заменили колонку из порошкообразных адсорбентов — мела, сахарной пудры, талька (анализируемые вещества распределялись в колонке в виде узких колец) промокашкой, специально подобранной фильтровальной бумагой.

Теперь на полоску фильтровальной бумаги (в один из уголков) наносили каплю раствора, в ней была смесь подлежащих разделению веществ. После просушки этот же уголок опускали в растворитель. Двигаясь по бумаге, увлекаемый капиллярными силами, растворитель несет с собой и части анализируемой смеси, и каждый компонент оседает на листке в разных местах. Затем хроматограмму проявляют, обрабатывая листок бумаги химикалиями, дающими во взаимодействии с разными веществами смеси различные цветовые реакции. И листок расцвечивается ярким узором: каждая составляющая смеси как бы расписывается на нем... (За это открытие в 1952 году Мартин и Синг были удостоены Нобелевской премии по химии.)

Эстафету научного поиска в послевоенные годы подхватил биохимик Мелвин Кальвин (Калифорнийский университет).

Вначале приемы работы были незатейливы. Брали лист растения, помещали его в камеру с меченым углекислым газом, выжидали некоторое время (лист был освещен, в нем шел процесс фотосинтеза), а затем лист погружали в спирт. Эта мера, по мысли ученых, должна была остановить течение биохимических процессов в листе, “заморозить” их на какой-то вполне определенной стадии. Однако мгновенно “убить” лист, сразу и одновременно выключить (как свет в комнате) все процессы в нем никак не удавалось. Пока спирт проникнет в лист, дойдет до центров фотосинтеза — хлоропластов, проходит не сколько секунд; вроде бы немного, но за это время успевает совершиться множество биохимических реакций, меченые углеродом продукты фотосинтеза по инерции вступают в новые связи с другими молекулами,— стройная картина фотосинтеза оказывается смазанной...

И вновь проблемы! Уже через минуту радиоактивный изотоп составлял часть “плоти” по крайней мере 15 различных молекул. Среди них были не только сахара, но и аминокислоты — составные части белков. Оставалось одно — максимально сокращать время от начала фотосинтеза до момента, когда он останавливается (до секунд и даже долей секунды). Только тут была надежда обнаружить самые первые продукты фиксации меченого углекислого газа.

Работу группы Кальвина смело можно сравнить с археологическими раскопками. По отдельным меченым молекулам ей предстояло восстановить всю сложную цепь, последовательность фотосинтетических превращений. Исследователи дробили клетки хлорелл в центрифугах, с помощью бумажной хроматографии разлагали молекулярные смеси на составляющие, идентифицировали их, а авторадиография указывала те молекулы, где в момент остановки фотосинтеза “застревал” меченый углерод.

По мнению Кальвина и его сотрудников, самым первым продуктом фотосинтеза оказалась фосфоглицериновая кислота.

Принцип работы этого цикла в следующем: углекислота прежде всего связывается с акцептором (биохимическая терминология означает этим словом вещество, принимающее в свой состав различные атомы или атомные группы) — рибулозодифосфатом, сокращенно РДФ.

Эта молекула, давшая циклу одно из его имен, имеет вид:

В ней пять атомов углерода и два атома фосфора. Соединяясь с молекулой углекислого газа, РДФ образует шестиуглеродное соединение, которое затем разваливается, распадается на две трехуглеродные (вот она разгадка!) молекулы фосфоглицериновой кислоты.

Далее шествует сложная цепь превращений, в которую включается и отщепленный от воды водород (мы помним, что на свету растение расщепляет воду, выделяя в атмосферу кислород). Образуются последовательно триозофосфат, гексозофосфат и сахара — конечные продукты, выходящие из цикла. Часть же промежуточных соединений сложными путями возвращается в цикл. Что и приводит к регенерации исходного РДФ. И восстанавливается исходная позиция этой биохимической карусели, цикл готов прокрутить еще один оборот: обновленная молекула РДФ готова принять новую, только что поступившую из воздуха молекулу углекислоты...

(Мы нарисовали — и довольно грубо — лишь основной каркас этого процесса, умолчав о многих существенных деталях, о роли разнообразных ферментов, участвующих в цикле, о целом комплексе условий, обеспечивающих исключительно тонкую “настройку” всего этого механизма.)

Позже было доказано, что цикл Кальвина успешно действует не только в хлорелле, но и в хлоропластах высших растений и во многих других способных к фотосинтезу живых объектах.

В заключение отметим важное обстоятельство! Все биохимические превращения цикла Кальвина могут идти в полной темноте. Между тем для образования Сахаров и других продуктов из исходных углекислого газа и воды требуется энергия. И немалая. Откуда она берется? Энергию растениям дает свет. Это так, но до сих пор оставалось неясным, в какой форме его энергия доходит до углеродного цикла.

Среди многообразных соединений органической химии красители (а все пигменты, которыми наполнены хлоропласты растений, это и есть красители) отличаются интенсивным поглощением видимого света, что обусловливает их яркие цвета. Красители — мощные приемники солнечной радиации, именно они способны превращать ее в иные формы.

Советский физико-химик академик Александр Николаевич Теренин, всю жизнь изучавший взаимодействие света и вещества, не мог поэтому не увлечься красителями и пигментами. Эта тема на долгие годы становится одной из ведущих на его фотохимических семинарах. Как происходят элементарные фотопроцессы в молекулах красителя? Как создать искусственные системы для эффективного химического использования солнечного излучения, системы, способные конкурировать с естественными? Это была очень сложная программа исследований в очень трудной области.

Свет — это и электромагнитная волна и поток световых квантов — фотонов. Каждый фотон несет сгусток, порцию, квант энергии. И хотя, по нашим обыденным меркам, энергия отдельного кванта света и ничтожна, для молекулы, поглотившей фотон, это крупное событие. Например, квант коротковолнового ультрафиолетового света вызывает в молекуле красителя такие разрушения, что его действие можно сравнить с последствием прямого попадания крупнокалиберного снаряда.

Замечательное свойство фотосинтеза в том и состоит, что растения (вернее хлорофилл) умеют продуктивно использовать такие мелкие (в сравнении с ультрафиолетом) порции энергии, как кванты красного света, в большом количестве присутствующие в солнечной радиации.

Молекула красителя способна поглотить только один фотон. При этом она приходит в так называемое “возбужденное состояние”. Это значит, что один из ее электронов изменяет свой “статус”: перескакивает на более высокий энергетический уровень. Энергия поймана — теперь ее надо удержать!

В 1943 году академик Теренин обосновал ныне общепринятые представления о том, что у хлорофилла фотохимически активным состоянием является именно долгоживущее триплетное состояние. Годом позже, в 1944 году, американский физико-химик Дж. Льюис независимо от Теренина высказал ту же мысль. После окончания войны, ознакомившись с советскими работами, Льюис обратился к Теренину с письмом, в котором признавал его приоритет.

В книге “Биоэнергетика” (1957) Альберт Сент-Дьёрдьи писал: “Проблема ставится так: каким образом энергия управляет жизнедеятельностью? Как она приводит в движение живую машину?..”

Специально фотосинтезом Сент-Дьёрдьи никогда не занимался, но последние десятилетия (особенно показательна здесь его книга “Биоэлектроника”, вышедшая в 1968 году) он неустанно размышляет над путями преобразования энергии в живых клетках.

Итоговая, суммарная картина фотосинтеза ясна. Энергия света перестраивает химические связи в исходных молекулах углекислого газа и воды. Вместо прежних связей углерод — кислород и водород — кислород возникает иной тип химических связей: углерод — водород и углерод — углерод.

Однако процесс образования углеводов (цикл Кальвина) идет в темноте. Откуда же берется энергия? Разъяснения (принцип, общий подход к вопросу) дает Сент-Дьёрдьи: “С какой бы стороны мы ни пришли к биологии — со стороны ли материи или со стороны энергии,— мы так или иначе придем к электронам. Удивительно тонкие биологические реакции, по всей вероятности, представляют собой реакции очень мелких лабильных единиц, каковыми являются электроны”.

Мы сильно упростили реальную картину, обрисовав лишь ее скелет, совсем не касаясь многих тонких вопросов, подлежащих компетенции новой области биологии — квантовой биохимии (ее основателем считается Сент-Дьёрдьи). Квантовая биохимия, представляющая собой приложение законов современной квантовой механики к вопросам биологии, ведет анализ на субмолекулярном уровне, на уровне электронных взаимодействий.

Но мы все-таки ушли от ответа: как же энергия электрона преобразуется в энергию химических связей? В подробностях этого пока еще никто не знает, понятна лишь следующая аналогия. Электроны, эти движители жизни, достигают в молекуле хлорофилла (после поглощения ею кванта света) высокого энергетического состояния. Они как бы взбираются на высокую горку (мальчишки с санками). С этого высокого энергетического уровня электроны скачками, как скатывающийся по лестнице шар, спускаются на более низкие уровни. Жизнью движет энергия, отдаваемая электронами на каждой ступеньке этой лестницы.

И опять (в который раз) вечный круговорот. Квант света поднимает электрон вверх “по лестнице”, затем он (электрон) самопроизвольно спускается вниз, даря энергию всему живому; после новый фотон вздымает электрон (уже другой)... и так до бесконечности.

Но ночью Солнце не светит, а энергия нужна клеткам постоянно. Как быть? Природа, оказывается, решила и эту задачу. Она научилась как бы консервировать энергию бегущих вниз электронов. В растениях этот процесс носит название фотосинтетического фосфорилирования. Открыл его в 1954 году американский биохимик Арнон. Этот ученый осуществил-таки мечту русского академика Фаминцина, заставив жить обособленно выделенные из растительной клетки хлоропласты — клеточные органеллы, целиком специализирующиеся на фотосинтезе.

Образование молекул АТФ (запасание энергии в удобной форме) в любой клетке идет в специализированных органеллах — митохондриях, этих энергетических фабричках живого организма.

С точки зрения живой энергетики (биоэнергетики, идущей в любой клетке) АТФ — очень удобное соединение. Однако эти молекулы не могут накапливаться в клетках в очень больших количествах, так как при этом развилось бы чересчур высокое осмотическое давление. Поэтому энергия АТФ переводится в такую форму, в которой она уже может запасаться практически в неограниченном количестве. В любом растении изготовленные при помощи света АТФ используются для синтеза жиров и углеводов. Последние нерастворимы, они не меняют осмотического давления клетки, а потому и могут откладываться про запас.

Это и есть та пища (читай: энергия), которую растения изготавливают как для собственных нужд, так и на потребу всему животному миру. Эти склады энергии в случае необходимости могут затем (уже в митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования) снова превращаться в молекулы АТФ (в нужном месте, в нужном количестве).

И еще одно замечание. В большинстве европейских языков прежде вместо слова “фотосинтез” употребляли выражение “ассимиляция углекислоты”, тем самым подчеркивая, что главное в этом процессе— синтез углеводов и других органических продуктов.

Сейчас взгляды начинают изменяться. Двухвековые исследования фотосинтеза (и особенно усилия ученых в последние 2—3 десятка лет) показывают: уникальность фотосинтеза в ином. Самое сложное здесь (что умеют растения, но пока еще не могут люди)—- процесс непосредственного преобразования солнечной энергии (квантов света) в энергию химических связей (образование АТФ в фотосинтетическом фосфорилирования и выделении из воды химически активного водорода). Самое трудное — это познать тайны “светлого”!

Во время бесед с сотрудниками лаборатории я узнал и о феофитине. Если из молекулы хлорофилла удалить магний, то получится его безмагниевый аналог — феофитин, так сказать, оправа без драгоценного камня.

При выделении хлорофилла из крапивы (стандартная процедура) феофитин получали не раз, но считали, что это лишь результат деструкции, разрушения молекулы хлорофилла, словом, издержки производства. Обнаружили, что это не так, совсем недавно, когда вплотную занялись изучением так называемых реакционных центров— тех структурных единиц в хлоропласте, где и происходит первичное преобразование света.

— Понятно, с каким интересом и надеждой занимаются ученые исследованием этих объектов. То, что я рассказываю,— продолжает Красновский,— события последних двух-трех лет. Это еще, если можно так выразиться, совсем горячие следы науки. Работа ведется преимущественно в ряде лабораторий США и СССР; пока изучены лишь реакционные центры пурпурных бактерий.

— Применяются тончайшие методы разборки биологических структур. Живая ткань растений, будто детские кубики, разбирается на отдельные блоки, подсистемы. Здесь помогают детергенты — поверхностно-активные вещества, растаскивающие, разъединяющие отдельные компоненты системы, и изощренная техника выделения частей целого.

— В бактериях (в высших растениях пока, увы, нет) удалось получить этот центр в чистом виде и проанализировать. И вот здесь исследователей ждала неожиданность: основными кирпичиками реакционных центров оказались не только молекулы хлорофилла, но и феофитина! Того самого феофитина, который так долго третировали. Выяснилось, что система хлорофилл — феофитин, по-видимому, является универсальным участником эстафеты переноса электрона в реакционных центрах любого фотосинтетика...

...Исследования фотосинтеза вступили в третью, очень важную стадию. Почти столетие после открытия Пристли ученые выясняли суть фотосинтеза, по существу, они дали определение этому процессу. Ответили на вопрос, что происходит, кто участники, что получается в итоге. Еще примерно век ушел на то, чтобы рассмотреть детали, подробности этого уникального процесса, получить ответ на вопрос “как”. Здесь было открыто “светлое” и “темное”, прояснен их смысл.

Было сделано немало, но и число вопросов, проблем за это время также неизмеримо возросло. Сейчас исследователи уже жаждут ответов на вопрос “почему”. Начинается третий, решающий этап изучения фотосинтеза.

Структура — вот пароль новейших исследований. Если здоровый, способный к фотосинтезу зеленый лист растения, лежащий на стекле, легко прокатать стеклянной палочкой, то, сохранив в себе все химические компоненты, лист все же утеряет способность к фотосинтезу. Этот простой опыт наглядно демонстрирует важность структуры в живых тканях. Все физические и химические ингредиенты должны быть вобраны, упакованы вместе в совершенно определенную целостную структуру. Так, гем без несущего его на себе белка — глобина — теряет свои замечательные свойства. И хлорофилл, его дееспособность теснейшим образом связана с белковыми и иными структурами.

Изучить хлорофилл и феофитин, действующие не в искусственно приготовленных растворах, а в живых белково-липоидных комплексах на биологических мембранах,— это и есть высший и наиболее трудный этап в изучении пигментов растений.