Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Только растения (в компании с небольшим количеством микроорганизмов), благодаря миллионам лет эволюции, умудрились изобрести «стратагему», способную задействовать эффективным образом фотосинтез. Сердцем удивительного молекулярного устройства стал хлорофилл, пигмент, благодаря которому растения окрашены в зеленый цвет. В компании с другими пигментами, присутствующими в меньшей концентрации, хлорофилл поглощает солнечный свет и превращает его в энергию, которая питает сложную последовательность реакций, в результате которых образуется глюкоза и другие важные для здоровья растений реакции.
Хлорофилл зеленый не случайно. Мы видим его зеленым, потому что он поглощает видимый свет в красно-оранжевом (самый активный в фотосинтезе) и сине-фиолетовом (используется для других процессов – цветение и синтез белка) спектрах. Представьте себе, если в радуге пропадут красная, оранжевая, синяя и фиолетовая полосы: что останется? Зеленая и капелька желтой, естественно. С удивительным миром красок мы познакомимся в рассказе 4 и вместе узнаем, почему одни молекулы поглощают свет, а другие – нет.
Растения весьма чувствительны к цвету световых лучей, их освещающих, настолько, что если некое растение освещать зеленым, оно начнет ускоренно расти ввысь, забросив другие физиологические процессы. Почему? Все просто: если растение освещается зеленоватым светом, то воспринимает это как соревнование с другими растениями, затеняющими его. И реагирует так, будто оказалось в тени более высокого растения, поэтому меняет собственный метаболизм так, чтобы вырасти как можно выше и добраться до света. Если сделать освещение синим или красным, можно вызвать иные процессы в растениях: в зависимости от спектра света, который оно получает, растение может реагировать и вести себя очень по-разному, активизируя или прекращая синтез определенных молекул.
Это побуждает нас задуматься над очень важным выводом: растение – живое существо. Возможно, это ни для кого не новость, а обычная банальность, но это та банальность, о которой мы не очень часто задумываемся. «Быть овощем», «стать овощем» – кто из нас не использовал эти выражения, говоря о состоянии комы или серьезных неврологических нарушениях? Конечно, у растений нет центральной нервной системы и мозга, и у них нет болевых рецепторов. Нет смысла, конечно, говорить о боли, страхе или сознании. Тем не менее растения представляют собой очень сложные организмы, реагирующие на стимулы, как и другие живые существа, хотя не ходят и не покрикивают.
Растение Mimosa pudica (мимоза стыдливая) обладает способностью складывать листочки, когда ее трогают. Достаточно легко ее коснуться, чтобы она сложила свои листья. Если, конечно, не успокоить ее хлороформом или иным анестетиком (это вовсе не шутка). Многие растения обладают более коварными защитными механизмами. Некоторые в ответ на опасность начинают выделять токсичные вещества, например, при нападении гусениц или тли, которые собираются их сожрать. Мы углубимся в эту тему чуть далее, а пока маленькое предупреждение: значительная часть пестицидов, которые мы съедаем, производится… самими растениями.
Другой весьма любопытный факт из жизни растений. Точно так же, как и организм животного, организм растения передает сигналы посредством электрических импульсов, в точности как наши нейроны. В 2014 году группа ученых из Университета Лозанны продемонстрировала, как Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля), весьма распространенное растение, не представляющее никакого сельскохозяйственного интереса, но активно используемое в исследованиях по растительной физиологии, реагирует электрическими сигналами на присутствие паразитов, хотя сам механизм, регулирующий это поведение, еще до конца не ясен.
По ту сторону света
Мы увидели, как растения могут с помощью фотосинтеза синтезировать глюкозу, которая служит «топливом» для снабжения клеток энергией. Тем не менее растениям нужно еще и вытягивать из земли другие питательные вещества, необходимые для выживания, в частности воду и минеральные соли.
Если бы мы провели анализ листа салата, то обнаружили бы, что он содержит все девяносто природных элементов периодической таблицы, включая золото, вольфрам, ртуть, даже уран, хотя большинство из них, по мнению ученых, не играют никакой роли в биологии.
Элементов, необходимых для жизни растения, на самом деле совсем немного, всего шестнадцать. Некоторые из них – так называемые макроэлементы – необходимы в бо́льших количествах, в то время как других, микроэлементов, достаточно совсем чуть-чуть. Чтобы вы могли примерно понять масштабы, я приведу типичное соотношение между содержанием азота (макроэлемент) и молибдена (микроэлемент) – оно равно 10000:1. То есть если растение содержит 1,5 % азота, то молибдена в нем 0,000001 %. Тем не менее, несмотря на столь микроскопические количества, молибден входит в состав некоторых ферментов, необходимых растениям для синтеза белков и метаболизма азота.
Самыми важными макроэлементами служат углерод и кислород (получаемые растениями из углекислого газа, СО2), а вода используется для получения водорода. Эта информация не должна вас удивлять: эти три элемента лежат в основе фундаментальной структуры органических молекул. Если же обратить внимание на минеральные элементы, которые растения берут из земли, то окажется, что важнее всего для них азот и калий, а затем фосфор, сера, кальций и магний.
На почвах, которые не содержат необходимого количества одного из этих элементов, невозможно ничего вырастить. Именно в связи с этим уже в середине XIX века знаменитый химик Юстус фон Либих сформулировал закон минимума, согласно которому рост растения ограничен не только общим объемом питательных веществ, но и наличием в питательной среде одного основного минерала, который находится в относительно малом запасе. Другими словами, если почва изобилует азотом, но в ней нет калия, на ней не получится создать растительное разнообразие. Если попытаться найти подходящее сравнение, то это как если бы вы хотели приготовить пасту карбонара из десяти килограммов макаронных изделий, пяти килограммов ветчины и одного яйца. Максимальное количество порций будет ограничено этим единственным яйцом.
Ко всему вышесказанному надо добавить и другой фундаментальный фактор – избыток определенных элементов может быть не менее вреден, чем их отсутствие. Порой даже более. Возьмем в качестве примера всем известный натрий. Те, кто увлекался историей Древнего Рима, могут вспомнить знаменитый эпизод. Римляне после завоевания Карфагена посыпали все поля карфагенян солью, чтобы сделать их бесплодными. А верующие вспомнят, как пророк Иеремия обратился к людям, слишком привязанным к материальным ценностям: «Он будет как вереск в пустыне и не увидит, когда придет
