Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Все эти структуры образовались постепенно, и хлорофилл не сразу появился на Земле.

В осадочных породах, начиная с кембрийского, были обнаружены порфирины, и, как думают ученые, именно они являются остатками древних носителей хлорофилла. Некоторые ученые считают, что хлорофилл совершает свою работу в живых системах вот уже 550 млн. лет.

Хлорофилл и сам был рожден светом. Возможно, как считает М. Кальвин, солнечная радиация, действуя на воду и углекислый газ, привела сначала к появлению муравьиной и щавелевой кислот. Щавелевая кислота Н 2С 2О 4содержит два атома углерода. При облучении таких двухуглеродных молекул часто образуются четырехуглеродные молекулы; в частности, четыре атома углерода содержатся в кислоте С 4Н 6O 4, называемой янтарной. С другой стороны, прямыми опытами Бахадура, А. Г. Пасынского с сотрудниками и других ученых доказано, что ультрафиолетовая радиация, действуя на растворы нитратов и формальдегида, в которых содержатся соли железа, вызывает появление в растворах аминокислот; аминокислоты могут возникнуть и при действии электрических разрядов на смесь азота, углекислого газа и паров воды. Из янтарной кислоты и аминокислоты глицина, NH 2CH 2COOH, по-видимому, и образовались порфирины.

Они и были (по А. А. Красновскому) первичными аппаратами для использования энергии света. У наиболее древних видов бактерий — автотрофов — обнаружено наличие свободных порфиринов. Бактерии действовали в лишенной кислорода восстановительной атмосфере, которая была характерна для ранних периодов истории Земли, и содержали восстановленную форму порфирина. Однако свободные порфирины, в силу особенностей их спектра поглощения, не могут обеспечить достаточно полного использования видимой части солнечного излучения. Постепенно химическая эволюция усовершенствовала аппарат и привела к образованию хлорофилла; внедрение магния в структуру порфирина вызвало повышение активности, и, кроме того, магний укрепил связи хлорофилла с белком [8] Некоторые ученые (Гранин) считают, что сходство гема и хлорофилла обусловлено тем, что оба вещества при биосинтезе сначала образуются одинаковым путем, и лишь на более поздних стадиях их синтез идет по-разному; различают "железную" и "магниевую" ветви: образование с одной стороны гема, с другой — хлорофилла. .

Фотосинтез в той его форме, которая приобрела особенно большое значение на Земле, совершается в зеленых частях растений и в водорослях. Трудно представить колоссальные масштабы деятельности зеленых водорослей, плавающих в морях и океанах. За один год они выделяют в атмосферу Земли 3,6*10 т кислорода. Это составляет около 90% всего кислорода, поступающего в атмосферу из океана и с поверхности листьев наземных растений. Следовательно, именно водоросли являются основным поставщиком кислорода. Именно они создают ту часть атмосферы, которая необходима для нашего существования. Наша жизнь неразрывно связана с "дыханием океана" и непрерывной деятельностью микроскопических носителей хлорофилла. К. А. Тимирязев в книге "Солнце, жизнь и хлорофилл" изложил результаты своих фундаментальных исследований в области фотосинтеза и указал, что фотосинтез — это процесс, от которого зависят все проявления жизни на нашей планете.

Развитие фотосинтетических аппаратов знаменовало собой начало совершенно нового периода в эволюции форм жизни на Земле. Появились новые виды живых существ, резко изменились условия питания, состав атмосферы — началось обогащение ее кислородом. Синтез органических веществ в растениях и водорослях обеспечил пищей гетеротрофные [9] Способные жить за счет питания готовыми органическими соединениями; отличаются от автотрофов — способных первично синтезировать необходимые им вещества. организмы; из остатков растений под влиянием химических и биологических факторов начали образовываться массы ископаемых углей. Накопления таких отложений, как нефть и сланцы, — это тоже результат фотосинтетической деятельности.

Пожалуй, невозможно найти другой биохимический аппарат, который мог бы с таким совершенством использовать энергию излучения для химических целей, как это делает хлорофилл. Хлорофилл действительно является звеном между энергией Солнца и жизнью на Земле; этим определяется исключительная роль ионов магния в развитии форм жизни.

Лишь очень небольшая часть энергии, падающей на лист, используется им для целей фотосинтеза, эта часть не превышает 1%. И тем не менее общая продукция фотосинтеза на Земле колоссально велика. Биохимики называют фотосинтез самым крупным из химических процессов на Земле. Действительно, продукция фотосинтеза за год (10 11т органического углерода) в 100 раз превышает ежегодную мировую продукцию угольной и нефтяной промышленности; энергия, которую накапливают фотосинтетические машины в организмах, в 10000 раз превышает энергию воды, используемую в гидростанциях всего мира, и в 100 раз — энергию сгорания угля.

Эти числа, конечно, являются ориентировочными; но тем не менее их порядок дает вполне ясное представление о масштабах биологического процесса, который называется фотосинтезом.

Биологические машины по совершенству конструкции и точности работы превосходят многие технические устройства. Но особенно ярко преимущество организмов над механизмами, созданными человеком, проявилось в проблемах фиксации атмосферного азота и фотосинтеза.

В этой главе коснемся вопросов связывания азота. Уже в начале нашего века стало ясно, что запасов природной селитры — распространенного сырья для получения соединений азота (удобрений, лекарств, красителей) хватит приблизительно на 50 лет. Угроза настоящего азотного голода заставила химиков и инженеров тщательно изучать все реакции, в которые вступает свободный азот. Азот, состоящий из двухатомных молекул N 2, в большом количестве имеется в воздухе, практически атмосфера — неисчерпаемый источник азота. Но молекулы N 2очень прочны, и число реакций, в которые они вступают при невысоких температурах, невелико.

Так, азот реагирует с металлом литием, образуя нитрид лития, но литий дорог, а регенерировать его нельзя без значительных затрат. При высоких температурах в присутствии катализаторов и при повышенном давлении удается связать азот с водородом в аммиак, но для этого требуется сложное и тоже не дешевое заводское оборудование. В природе существует много видов бактерий (клубеньковые бактерии — азотобактер, клостридиум и др.), фиксирующих атмосферный азот в гораздо более "мягких" условиях и успешно превращающих его в аммиак.