Галилео Галилей
Несколько раз в месяц Билл Алберс, швейцар дома, в котором я живу в Нью-Йорке, просовывает мне под дверь конверты с материалами из журналов и газет. Материалы разнятся от безумных “Хотите верьте, хотите нет: у креветки-пистолета когти способны выстреливать ударными волнами, чтобы парализовать добычу; они создают поток пузырьков той же температуры, что поверхность Солнца!” до заумных статей, посвященных солнечной энергии или последним исследованиям солнечных пятен. Однажды я сказал ему, что пишу о воздействии солнца на растения и животных и для понимания поведения последних мне нужно начать с объяснения фотосинтеза. Он спросил, как у меня идут дела. “Медленно, – ответил я, – процесс очень сложный”. “Сложный! – повторил он со смехом. – Это же элементарно – просто повторите то, что выучили в школе”.
Может быть, он и прав. Я прекрасно помню, как нас учили, что наши топливо и пища происходят от растений, а растительная энергия в свою очередь – от солнечного света. При этом главное различие между нами и растениями состоит в том, что мы (как и другие животные) получаем энергию от Солнца опосредованно, в форме пищи, в то время как растения получают ее непосредственно из того же источника. Этот процесс получения энергии растениями называется фотосинтезом (от греческих слов со значением “соединять со светом”) и происходит в фототрофах – бактериях и растительных организмах, которые сами синтезируют себе пищу с использованием света, превращая физическую энергию в химический процесс. Большинство растений попадают именно в этот класс.
При помощи сложных комплексов, называемых хлорофиллами (греч. χλωρòς – зеленый, φύλλον – лист), растения используют водород из воды для преобразования углекислого газа в более сложные углеродные образования, включая сахарные молекулы (такие как глюкоза). Кислород, остающийся от воды, высвобождается в газовом состоянии – этот отход жизнедеятельности растений, хотя и драгоценный для нас, имеет и свои отрицательные стороны. Как замечает Билл Брайсон в “Краткой истории почти всего на свете”, кислород, хотя и жизненно необходим для животной жизни на Земле, токсичен гораздо чаще, чем безопасен: “Именно от него горкнет масло и ржавеет железо. Даже мы переносим его лишь до определенной точки. Его содержание в клетках нашего организма составляет лишь десятую часть от содержания в атмосфере
[504]”.
Углерод попадает в листья в результате энергетического воздействия солнечного света, а листья передают материал для формирования ствола у дерева или лепестков у цветка. Хлорофилл внутри них поглощает энергию из фиолетовой и красной частей солнечного спектра и посредством серии химических реакций преобразует ее, направляя на смещение электронов в определенных молекулярных цепочках. Солнце входит в контакт с более чем 64 млн кв. км листьев ежедневно. Но только от 1 до 3 % света, падающего на зеленое растение, перерабатывается в биоэнергию, остальное теряется при передаче, отражении или неэффективном поглощении
[505].
Фотосинтез происходит в хлоропластах, особых конструкциях внутри клетки обычно шириной всего в несколько тысячных миллиметра. В них содержится хлорофилл и другие химические вещества, в частности энзимы (“регуляторы”: протеины, контролирующие специфические реакции). Ученые еще не до конца понимают сложную биохимию фотосинтеза, хотя это самая важная метаболическая инновация в истории эволюции нашей планеты. Каждый летний день средний акр зерна производит объем кислорода, достаточный для удовлетворения потребностей около 132 человек. Если бы не этот процесс, мы все исчезли бы в течение срока одной человеческой жизни, настолько высоки скорости вымирания живых существ.
Еще в 1640-х годах исследователи предположили, что растениям необходимы воздух и вода для роста, а уже к началу XVIII века начали идентифицировать отдельные газы, вовлеченные в процессы горения, дыхания и фотосинтеза. Затем случился большой прорыв, и все благодаря пивоварне. В 1772 году полным ходом шла подготовка ко второму путешествию Кука – отправлению на поиски Неведомой южной земли (Terra Australis Incognita). Нескольким ученым было разрешено присоединиться к экспедиции, и Королевское общество поначалу одобрило включение в ее состав астронома и ботаника Джозефа Пристли (1733–1804). Однако его известное свободомыслие в религиозных и политических вопросах привело к отзыву его кандидатуры. Пристли взамен получил оплачиваемое место литературного компаньона лорда Шелберна, крупного вига. Будучи на службе у Шелберна, Пристли взялся за эксперименты.
Перед этим Пристли работал в Лидсе, где его дом примыкал к пивоварне. Там он принялся экспериментировать с пара́ми, выделяющимися в процессе брожения пива. Пары оставались в чанах на глубине фута или около того и не смешивались с воздухом, находящимся выше. Это был углекислый газ (или “неподвижный воздух”, как его назвал Пристли), и эксперименты Пристли показали, что зажженные свечи при помещении в этот газ тут же гаснут. Он понимал, что воздух, которым мы дышим, отличается от углекислого газа, но не понимал, какие еще формы воздуха существуют. Вскоре после своего назначения к Шелберну ученому удалось показать, что воздух является смесью газов, а не единым элементом (как предполагали греки). Пристли соглашался с принятой тогда теорией флогистона, почти невесомой субстанции, необходимой для возникновения огня. С несколько бо́льшим основанием он выделил девять отдельных газов, считая их загрязненными вариантами “нормального” воздуха. Эти газы позднее получили названия оксид азота (веселящий газ), аммиак, оксид серы, сероводород, оксид углерода (угарный газ), хлор, тетрафторид кремния, хлороводород и нечто, названное “дефлогистированный воздух” – неуклюжий термин для того, что потом будет названо кислородом (калька с греч. ὀξύς – кислый и γεννάω – рождаю).
Пристли показал, что в этом газе свеча горит ярче и даже мыши в нем выживают (предыдущие эксперименты привели к скорому концу нескольких мышей, наглотавшихся пивных паров)
[506]. Газ был “в четыре-пять раз лучше [для дыхания], чем обычный воздух”, сообщал он: эта оценка, учитывая наше нынешнее знание о составе воздуха (21 % кислорода, остальное в основном азот), была поразительно точной. Ученый обнаружил, что свеча в закрытом контейнере постепенно гаснет, но если туда поместить веточку мяты, то пламя вновь усиливается, – так стало ясно, что растения выделяют кислород.
