Углерод – наиболее распространенный элемент не только в человеческом теле, но и в телах всех живых существ на планете – нам, землянам, присуща углеродная форма жизни. (Как выразился один ученый, углерод обеспечивает количественную составляющую нашей жизни, ибо является основным структурным элементом живой материи, в то время как менее распространенный азот обеспечивает качество этой жизни… Но об этом – потом.) Те атомы углерода, из которых мы состоим, первоначально находились в воздухе как части молекул диоксида углерода (CO2). Для того чтобы собрать эти атомы и ввести их в молекулы, необходимые для поддержания жизни, то есть в углеводы, аминокислоты, белки и липиды, существует единственный способ – фотосинтез. Состоит он в том, что клетки зеленых растений, используя солнечный свет, соединяют атомы углерода, взятые из воздуха, с водой и атомами других элементов, находящихся в почве. В результате образуются простые органические соединения, которые лежат в основе каждой пищевой цепи. Иными словами, растения создают жизнь прямо из воздуха – и это не только фигура речи.
При этом в кукурузе процесс фотосинтеза идет иначе, нежели в большинстве других растений. Эти отличия не только делают кукурузу более эффективным преобразователем энергии. Оказывается, особенности фотосинтеза у кукурузы позволяют сохранить идентичность атомов углерода даже после того, как они превратились в молекулы, составившие напитки Gatorade (общее название напитков, производимых компанией PepsiCo&. – Ред.), закуски Ring Dings и гамбургеры, а потом и тела людей, питавшихся этими продуктами. Там, где большинство растений в процессе фотосинтеза создают соединения, которые имеют по три атома углерода, кукуруза (и небольшое число других видов) составляет соединения с четырьмя атомами углерода. В 1970-х годах ботаники условно объединили растения, обладающие такими «талантами», в группу, которая так и называется – С-4.
Процесс объединения четырех атомов углерода по сравнению с процессом объединения трех атомов углерода дает растению важное преимущество – более эффективный и экономичный фотосинтез. Такая экономичность особенно важна в тех районах, где царствуют высокие температуры и ощущается нехватка воды. Для того чтобы забрать атомы углерода из воздуха, растение должно открыть так называемые устьица, то есть микроскопические отверстия в листьях, через которые растения поглощают и испускают газы. При этом каждый раз, когда открывается устьице, растение теряет драгоценные молекулы диоксида углерода и воды. Представьте, что каждый раз, когда вы открываете рот, чтобы что-то съесть, вы теряете определенное количество крови. В идеале вы бы старались открывать рот как можно реже и глотали столько пищи, сколько смогли бы поместить в рот за один укус. Это, по существу, и делает растение, работающее по механизму объединения четырех атомов углерода. Приобретая в течение каждого акта фотосинтеза дополнительные атомы углерода, кукуруза может ограничить потерю воды и «зафиксировать» – то есть взять из атмосферы и связать в полезные молекулы – значительно больше углерода, чем другие растения.
По своей сути история жизни на Земле – это история конкуренции между видами, которые стремятся захватить и сохранить как можно больше энергии. В случае растений эта энергия поступает непосредственно от Солнца, в случае животных – при употреблении в пищу растений и травоядных животных. Энергия запасается в виде молекул, содержащих углерод, и измеряется в калориях. Калории, которые мы поглощаем с початком кукурузы или бифштексом, представляют собой сгустки энергии, когда-то захваченные растением. Существование механизма захвата четырех атомов углерода помогает объяснить победу кукурузы в этом конкурсе: немногие растения могут производить столько органических веществ и калорий при одних и тех же количествах солнечного света, воды и основных элементов, сколько доступно кукурузе. (97 % своей массы кукуруза получает из воздуха, 3 % – из земли.)
Впрочем, специфика этого хитрого процесса не может объяснить, как ученые узнают, что данный атом углерода попал в кость человека после фотосинтеза в растении одного вида (скажем, в кукурузе), а другой пришел из салата или пшеницы. Оказывается, ученые могут сделать это, потому что не все атомы углерода созданы равными. Некоторые из них, так называемые изотопы углерода, имеют бо`льшую атомную массу, чем обычный углерод-12, ядро которого состоит из шести протонов и шести нейтронов. Скажем, в ядре изотопа углерода с атомной массой 13 – шесть протонов и семь нейтронов. Ученые установили, что по какой-то причине в том случае, когда растение проводит фотосинтез по схеме группы С-4, оно поглощает больше изотопов углерода-13, чем растения группы С-3, которые демонстрируют заметное предпочтение более распространенному углероду-12. Жадные до углерода растения группы C-4 не могут позволить себе различать изотопы, и поэтому в итоге в них оказывается относительно больше углерода-13. Таким образом, чем выше отношение числа атомов углерода-13 к числу атомов углерода-12 в организме человека, тем больше кукурузы было в его рационе или в рационе животных, которыми он питался. (Насколько известно, относительное содержание углерода-13 на состояние человека влияет мало.)
Как и следовало ожидать, сравнительно высокая доля углерода-13 была найдена в организмах мексиканцев, у которых кукуруза является основным продуктом питания. Жители США едят гораздо больше пшеницы, чем кукурузы: 52 килограмма пшеничной муки против 5 килограммов кукурузной муки на человека в год. Европейцы, которые колонизировали Америку, считали себя «людьми пшеницы» – в отличие от «людей кукурузы», с которыми они воевали: пшеница на Западе всегда считалась самым изысканным, самым «цивилизованным» зерном. Даже сегодня, если предоставить американцам выбор, то большинство из нас, скорее всего, назовут себя «людьми пшеницы» (за исключением, возможно, гордых кукурузоедов из штатов Среднего Запада, но и среди них таких «людей кукурузы» вряд ли будет больше половины). Впрочем, сегодня сама идея отождествлять себя с растением кажется немного старомодной: хорошо звучит термин «люди говядины», не так хорошо – «люди цыплят» (хотя, наверное, их в стране гораздо больше). Но углерод-13 не обманешь: исследователи, которые сравнивали относительное содержание изотопов углерода в тканях и волосах североамериканцев с такими же данными по мексиканцам, сообщают, что сейчас именно нас, северян, следовало бы называть истинными людьми кукурузы. «Судя по результатам изучения пропорций изотопов, – говорил мне Тодд Доусон, биолог из Беркли, который проводил подобные исследования, – мы, североамериканцы, должны быть похожи на кукурузные чипсы с ножками». Действительно, мексиканцы сегодня наслаждаются гораздо более разнообразной углеродной диетой, чем мы. В Мексике животные до сих пор едят траву – ведь до недавнего времени у мексиканцев кормить скот кукурузой считалось настоящим святотатством. Большая часть белка поступает на стол мексиканцев вместе с бобовыми культурами. Наконец, они до сих пор добавляют в напитки не кукурузный сироп, а тростниковый сахар…
Так что, когда сегодня говорят «Кукуруза идет», имеют в виду нас, североамериканцев.
3. Возвышение Zea mays
Как так получилось, что трава из Центральной Америки, неизвестная в Старом Свете до 1492 года, «колонизировала» нашу землю и наши тела? В мире растений история кукурузы – одна из ярчайших историй успеха. Я говорю «в мире растений», потому что неясно, является ли победа кукурузы благом для остального мира – в этом еще нужно разбираться. Так или иначе, кукуруза – герой собственной истории, и хотя мы, люди, сыграли лучшую роль второго плана в фильме о восхождении кукурузы к мировому господству, было бы неверно считать, что при съемках этого фильма мы всегда действовали в наших собственных интересах.
