Чарльз Уолфорт - За пределами Земли: В поисках нового дома в Солнечной системе

Процесс создания топлива в листьях и водорослях гораздо сложнее и отличается от вида к виду и от местообитания к местообитанию. Фотосинтез возник в ходе эволюции и оказался ключевым фактором. Ни один человек не нашел лучшего способа производить твердое топливо из солнечного света и атмосферного углекислого газа. Роберт Бланкеншип, профессор биологии и химии из Университета Вашингтона в Сент-Луисе, пытался разобраться в химии фотосинтеза с 1970-х гг., когда учился в аспирантуре, и до сих пор не выведал всех секретов растений.

Благодаря фотонам атомы углерода и водорода соединяются в молекулы сахаров — основного стройматериала биосферы, способного хранить энергию миллионы лет в виде ископаемого топлива. При разрыве этих химических связей, например сжигании органических материалов, их переваривании или гниении, энергия высвобождается. Эта система питает почти всю жизнь на Земле, улавливая в целом менее 1% солнечного света, падающего на растения. Этот 1% до сих пор оказывался достаточен благодаря тому, что Земля велика, а Солнце светит ярко. Растения придают планете зеленую окраску и при этом теряют более 99% получаемого ими солнечного света.

Бланкеншип и прочие исследователи этой области определили ряд энергопотерь в химии фотосинтеза растений. Яркий свет может вызывать сбои в химии растений, поэтому листья сбрасывают излишки энергии в жаркий полдень. Фотосинтез основан на связывании атомов углерода энзимом под названием рибулозобисфосфаткарбоксилаза (рубиско), который реагирует и с кислородом, что приводит к потере большей части энергии, получаемой растением. Также к потерям энергии приводят способ транспортировки CO 2из клетки в клетку, использование ими света разной длины волны и другие процессы, понятные только химикам.

Эволюция не создает совершенных организмов. Она создает виды, которые достаточно хороши для размножения. Фотосинтез далеко не совершенен, поскольку успех воспроизводства растения определяется не только эффективностью захвата и хранения энергии, но и другими факторами. Например, растение, которое способно к фотосинтезу при слабом освещении и сбрасывает излишки энергии в полдень, получает преимущество в густом лесу или на лугу. Энзим рубиско мог развиться во времена, когда кислорода на Земле было мало, и он ничего не стоил системе фотосинтеза. Большую часть времени растения сталкиваются не с пределами энергоэффективности, а с другими препятствиями вроде недостатка воды и питательных веществ, физическими факторами вроде ветра, наводнений, жары, причиняющих ущерб, или соревнуются с конкурирующими организмами.

Но искусственный отбор, биотехнологии и Зеленая революция устранили эти ограничения. Посевные растения обычно получают достаточно питательных веществ и воды. Скрещивание и генная инженерия позволили создать виды, устойчивые к засухам и наводнениям. Фермеры уничтожают конкурирующие сорняки и паразитов. Растения не могут стать значительно лучше без более совершенного фотосинтеза. Но, преодолев этот последний барьер, мы получим огромный прирост в производстве пищи. Роберт Бланкеншип говорит, что ждать осталось не так уж долго.

«Можно легко удвоить или утроить эффективность фотосинтеза против нынешней. Наверное, эта оценка даже слишком консервативна, — говорит он. — Удвоив или утроив эффективность фотосинтеза, вы удваиваете или утраиваете урожай, что чрезвычайно важно. Это будет вторая Зеленая революция, если не больше».

Работая с химией живых организмов, мы, возможно, повысим эффективность фотосинтеза до 12% — это теоретический предел, вычисленный Робертом и его коллегами с учетом проблем, решить которые невозможно (например, свет неизбежно отражается от листа растения). Для космической колонии такая технология позволит использовать растения, требующие на 90% меньше места и света. Эта разница может оказаться решающей в смысле практичности постоянного проживания за пределами Земли.

Но такое эффективное растение нельзя создать традиционной селекцией. Чтобы возник желаемый эффект, ученым придется корректировать геном в лаборатории. Эта работа уже ведется. Например, некоторые тропические растения умеют более эффективно обходить проблему с энзимом рубиско, и это решение можно перенести в культурные растения. Роберт говорит, что это сложное исследование, с ним связано много сомнений, оно требует лучшего понимания химии и биологии, но он видит путь к успеху.

Одна группа работает над более радикальным подходом. Крейг Вентер, предприниматель-биотехнолог, несколько лет пытается создать с нуля новый организм, который можно запрограммировать на продвинутую форму фотосинтеза для создания биотоплива. В 2010 г. он объявил об успешном создании самовоспроизводящегося организма с искусственным геномом. Его команда написала геном этого организма алфавитом аминокислот нашей ДНК и внедрила его в клетку, которая выжила. Чтобы доказать, что это действительно было сделано, исследователи включили в гены организма собственные имена; этот список копируется при каждом его воспроизводстве.

Синтезирование нового организма было лишь одним из шагов в программе Вентера. Более крупной целью было создание живых существ, способных выполнять полезную работу, — химических заводов в живых, воспроизводящихся клетках. В марте 2016 г. Вентер объявил о создании клетки с минимальным синтетическим геномом — еще одно достижение, которое, впрочем, не дотягивает до цели компании по созданию искусственных клеток, способных выращивать произвольные желаемые материалы. Тем не менее процесс под названием CRISPR, который в последние годы произвел в данной области много шума, позволяет редактировать гены проще и быстрее. Есть основания надеяться на то, что не за горами решение головоломки высокоэффективного фотосинтеза и в традиционных культурах, и в водорослях.

Если эти прорывы будут совершены, они, возможно, позволят накормить весь мир. У генетически модифицированных организмов (ГМО) достаточно противников, которые загнали в угол даже те новые виды растений, которые могли решить многие проблемы бедных; рис, дополненный витамином A и способный снизить риск детской слепоты, «пылится» в лаборатории. Но если некоторые аргументы против ГМО и сомнительны, то тревоги по поводу перестройки планеты под максимизацию производства пищи вполне обоснованны. Например, генетически модифицированные семена позволили фермерам США вывести со своих полей молочай и повысить таким образом урожайность, но это привело к вымиранию бабочки под названием данаида монарх, которая откладывает яйца в молочай и на личиночной стадии питается его листьями. Мир, превратившись в совершенный механизм по производству пищи для человека, может сильно обеднеть в остальном.