Том Джексон - Взламывая биологию

Растения живут и цветут вокруг нас, но они не едят, не двигаются и вроде бы ничего особенного не делают. Как же они существуют? Голландский врач, живший в Англии, в 1779 г. приблизился к решению загадки.

В течение многих веков люди не знали, откуда растения берут материю для создания своих тканей, хотя самой популярной идеей было, что она берется из земли. Затем, в XVII в., Ян Баптист ван Гельмонт показал, что даже после того, как он пять лет выращивал дерево в горшке, вес почвы почти не изменился. Ван Гельмонт заключил, что растение создает все свои ткани из воды, – предположение отчасти верное. Только в конце XVIII в. пришло понимание, что растения в действительности получают большинство веществ из воздуха.

Реакция темновой фазы в фотосинтезе получила такое название, потому что для нее не нужен свет. Это серия химических преобразований, которые контролирует фермент РуБисКО (от рибулозо-1,5-бифосфаткарбоксилаза/оксигеназа). Во время этой фазы углекислый газ из воздуха соединяется с водородом и энергией, полученными от реакции светофой фазы, для производства сахаров и прочих углеводов.

Слуга-австриец Доминик помогает Яну Ингенхаузу (справа) собрать газ, который производят подопытные растения.

Голландский врач Ян Ингенхауз (1730–1799) разбогател, делая прививки против оспы. Он путешествовал по всей Европе, побывал в разных странах и в поездках заинтересовался устойством растений. В 1779 г. Ингенхауз остановился в усадьбе Боувуд-хауз в Уилтшире, Англия, где работал его друг Джозеф Пристли. Тот пытался понять, что такое воздух, и уже показал в 1771 г., что – по его собственным словам – воздух, «испорченный» в сосуде горящей свечой, вновь становится чистым, если в этот же сосуд посадить растение. Говоря современным языком, Пристли обнаружил, что растения производят кислород, хотя франзцузский химик Антуан Лавуазье придумал название для этого газа лишь спустя несколько лет.

Ингенхауз исследовал феномен в ряде точных экспериментов, описания и результаты которых опубликовал в 1779 г. под заголовком «Опыты над растениями». Он показал, что растения производят кислород, когда находятся на солнечном свете, что это касается только их зеленой части растения и что в темноте дышат, как и животные, высвобождая углекислый газ. Позже ученый также сделал верное предположение о том, что растения забирают из воздуха углекислый газ для генерации тканей.

Некоторые растения собирают углекислый газ для реакции темновой фазы особым образом. Они известны как C4-растения и встречаются в основном в сухом тропическом климате. Это, например, камфорное дерево. В отличие от большинства растений, они не собирают углекислый газ в течение дня. Чтобы забрать его из воздуха, пришлось бы открыть поры на листьях, но тогда через открытые поры испарилась бы вода. Поэтому такие растения пополняют запасы углекислого газа ночью. Это вполне подходящие условия для реакции темновой фазы.

Так началось изучение процесса, который теперь называют фотосинтезом. Однако само это слово, означающее «соединение светом», придумали в 1893 г. Но куда больше усилий потребовалось, чтобы разобраться, что же происходит в действительности. Было установлено, что растение при фотосинтезе производит сахара́ из воды и углекислого газа, и кислород выделяется как побочный продукт. Растения используют сахара́ в качестве источника энергии и для производства других веществ. Позже, в XIX в., опыты показали, что фотосинтез происходит внутри хлоропластов – крошечных образований в клетках растений, содержащих зеленый пигмент хлорофилл. Тип света тоже важен. Растение улавливает свет с помощью хлорофилла, но использует только красный и голубой спектры света и отражает зеленый. Поэтому растения имеют зеленый цвет. (Если бы растения могли использовать энергию солнечного света полностью, они были бы черными.)

Исследования XX в. дополнили картину. Происходит сложная цепь химических реакций, которые для наглядности можно разбить на две стадии – реакции световой фазы и реакции темновой фазы. В первом случае хлорофилл расщепляет молекулы воды, используя энергию солнца. Атомы водорода и энергия, полученные в ходе этой реакции, затем передаются дальше и используются в реакциях темновой фазы, в результате которых молекулы углекислого газа превращаются в сахара́.

Пузырьки на листьях подводных растений, таких как элодея канадская, – это кислород, произведенный в ходе фотосинтеза.

Интерес к естественной истории расцвел в 1700-х гг., и зачастую лучшими натуралистами были увлеченные любители. Английский священник Гилберт Уайт – знаменитость среди них.

Почти всю жизнь Уайт прожил там, где и родился, – в деревне Селборн на юге Англии. Здесь он изучил все особенности местной фауны и флоры. Многие годы он вел переписку с такими же любителями о своих наблюдениях и выводах, а позже его письма были опубликованы в книге, ставшей классической, – «Естественная история и древности Селборна» (1789). Уайт верил, что необходимо проводить тщательные личные наблюдения, а не полагаться на память или на написанное другими. «Бич нашей науки – это сопоставление одного животного с другим на память», – написал он однажды. Он первым описал несколько видов млекопитающих и птиц и исследовал миграции последних. Работа Гилберта Уайта и его коллег-натуралистов помогла лучше понять живую природу, и таким образом они внесли свой вклад в развитие таких дисциплин, как этология, физиология животных и экология.

Вид на Селборн, где жил Гилберт Уайт. Ученый в полной мере использовал богатство природы в окрестностях деревни.

Гилберт Уайт увидел змею. Иллюстрация из ранних изданий его работ.