Чтобы понять человека, нужно понять эукариогенез. А чтобы понять эукариогенез, нужно понять нечто на первый взгляд совершенно нечеловеческое: фотосинтез.

Фотосинтез

Синтез значит «сборка», «соединение». Если спросить у большинства людей, что синтезируется в фотосинтезе, они уверенно ответят «кислород». Фотосинтез – это такое слово, от которого просто пахнет свежим воздухом.

Кислород в процессе фотосинтеза действительно возникает. Но суть фотосинтеза в другом.

Возьмем, к примеру, бутерброд с икрой (главный деликатес постсоветского пространства). Он состоит из булки, масла и рыбьих яиц. Из чего сделана булка? Из пшеницы. То есть булку сделал фотосинтез. Из чего сделано масло? Из молока, а оно – из травы, которую ест корова. То есть масло тоже сделал фотосинтез. Из чего сделана икра? Из лосося-мамы, а та – из других, мелких рыб, а те – из водорослей, которыми они питаются. То есть и икру в конечном итоге тоже сделал фотосинтез.

Фотосинтез – это не синтез кислорода. Фотосинтез – это синтез еды. Это главный источник пищи на планете, который кормит практически все живое.

Чтобы сделать еду, нужно откуда-то достать атомы углерода, из которых эта еда, углеводы, жиры и так далее, будет состоять. Углерод в природе чаще всего встречается в форме углекислого газа, и за редкими исключениями именно углекислый газ – первичный источник всего углерода в пище, которую потребляют живые организмы.

Но самое сложное в фотосинтезе – где взять энергию. В энергии смысл любого питательного вещества. Чтобы она там была, ее надо туда вложить. Это происходит, когда из углекислого газа выковываются кольца углеводов и цепи жиров. В ходе этого процесса энергия запасается в структуре их молекул и в дальнейшем используется как самим фотосинтезирующим организмом, так и тем, кто его съест. Но где взять изначальную энергию для синтеза еды из углекислого газа, если не из других питательных веществ?

Читатель уже знает ответ: на Солнце.

Солнце – это застывший во времени и пространстве термоядерный взрыв. Из него постоянно извергается свет и жар, которые долетают по прямой линии до нашей планеты в форме фотонов. Фотоны – как бы куски энергии света. Бóльшая часть из них отражается атмосферой или отскакивает от поверхности земли и улетает обратно в космос, рассеиваясь по бесконечному пространству. Но некоторые попадают точно на поверхность растения. Они пролетают сквозь прозрачное восковое покрытие, сквозь клеточную стенку и мембрану растительной клетки, сквозь мембрану ее хлоропласта – внутриклеточной станции фотосинтеза – и наконец ударяются о специально предназначенную для этого молекулярную антенну, которая и придает зеленому листу его цвет. Это хлорофилл, ловец фотонов.

Хлорофилл всасывает энергию прилетевшего к нему фотона и от этого очень возбуждается. Примерно как Супер Марио, глотающий бонусную звезду и временно обретающий сверхспособности. Помните, как атомы и молекулы постоянно занимаются тем, что отбирают друг у друга электроны? Так вот возбужденный фотоном хлорофилл пребывает в таком радостном настроении, что с готовностью отдает электрон окружающим, вкладывая в него ту энергию, которую сообщил ему произведенный на солнце фотон.

Молекулы – существа ветреные, сами не знают, чего хотят. Им все время не сидится со своими электронами, то их мало, то их много. Но стоит всучить молекуле целый лишний электрон или вырвать у нее электрон, от которого она пытается избавиться, как ей тут же становится еще хуже – теперь она хочет этот электрон либо сбагрить, либо добыть соответственно. В случае с возбужденным хлорофиллом потеря электрона мгновенно выводит его из благотворительной эйфории, и возбуждение сменяется жестоким похмельем, при котором хлорофилл готов разорвать клетку на части, лишь бы получить обратно свой потерянный электрон.

Мы вернемся к хлорофиллу и его химической ломке через минуту, но пока давайте посмотрим, что происходит с тем электроном, который он в своем любвеобильном порыве отдал окружающим.

Дело происходит внутри растительной клетки. Как и любая клетка, она имеет клеточную мембрану, отделяющую ее от окружающего мира. Но с внутренней стороны этой главной наружной мембраны в клетке полно более мелких мембранных пузырей, трубочек и цистерн, образующих массу разнообразных полостей и пространств со специализированными функциями. Эти пузыри и полости называются органеллами, то есть мини-органами. К их числу относится хлоропласт – специальная органелла для фотосинтеза. Там и живет хлорофилл.

У хлоропласта две мембраны: наружная и внутренняя. Внутри он заполнен стопками плоских замкнутых цистерн под названием тилакоиды. Именно в их мембрану воткнут хлорофилл. То есть если считать от границы клетки, то это мембрана номер четыре: сначала клеточная мембрана, потом две мембраны хлоропласта и только потом мембрана плоского пузыря-тилакоида.

Что за компания окружает хлорофилл в мембране тилакоида? В основном это мембранные белки, которые с радостью принимают от возбужденного хлорофилла электрон и от этого сами возбуждаются. Но белки гораздо более талантливые молекулы, чем хлорофилл, и их возбуждение можно превратить в полезную работу. От энергии принятого электрона белок корежит и перекручивает, и в конечном итоге он передает эту свою электронную радость другому белку, как эстафетную палочку. Но, пока их крутит, белки проделывают любопытный пируэт: хватают с одной стороны мембраны протон (протон – это просто водород, у которого отняли электрон, такие несчастные обделенные водороды всегда есть в любом водном растворе) и сбрасывают его с другой стороны мембраны. В итоге белки возвращаются к своему исходному состоянию, но пробежавший по ним электрон переносит протон внутрь тилакоида11.

Этот процесс повторяется несколько раз с участием вспомогательных молекул, пасующих друг другу электрон, как мяч. В сумме получается следующее: выбитый светом из хлорофилла электрон прыгает по мембране с белка на белок, возбуждая их по эстафете, и в результате те постепенно накачивают тилакоид протонами. В конечном итоге электрон, запущенный возбужденным хлорофиллом по цепи, теряет энергию и соскакивает с мембраны на специальную молекулу с легендарным названием «никотинамидадениндинуклеотидфосфат» – я был очень горд собой, когда впервые выучил его в десятом классе. Там мы этот отработанный электрон и оставим, присмотревшись вместо него к тому, что происходит с накачиваемым протонами тилакоидом.

Турбина на шарике

Чтобы накачать воздушный шарик, нужно приложить энергию. Что происходит с этой энергией в шарике? Она сохраняется в форме напряжения резины под давлением газа. Если шарик проткнуть, то газ устремится из зоны высокого давления внутри шарика в зону низкого давления снаружи, и энергия напряжения превратится в энергию звука, реактивного движения и всеобщего веселья[7].