Хлопок одной ладонью - Николай Кукушкин

Сероводород знаком всем по запаху тухлых яиц, минеральных вод и прочих вонючих природных ветров. Это простая молекула из одного атома серы и двух атомов водорода. При ее разламывании образуется в целом довольная жизнью сера, несчастные, но бессильные протоны (обделенные электронами положительно заряженные водороды) и два электрона, которыми можно возместить убытки двум стенающим хлорофиллам. В итоге всё успокаивается: хлорофилл спит, сера никого не трогает, на протоны всем плевать, АТФ произведен.

Сероводород, таким образом, решает проблему злобного хлорофилла. Но сероводород еще надо где-то найти. Где же его искать? Возможно, в геотермальных источниках, разломах земной коры на берегу водоема, а может, даже в уже хорошо нам знакомых гидротермальных источниках глубоко под водой. И ничего, что там царит кромешная тьма, – есть версия, что изначально в качестве источника энергии в фотосинтезе использовался не свет, а инфракрасное излучение из-под земли14, 15. Так или иначе, сероводород – пусть не самое редкое вещество на земле, но и далеко не самое распространенное. Это накладывает огромные ограничения на фотосинтез как явление.

Но не нужно быть химиком, чтобы увидеть в сероводороде (H2S) сходство с другой, гораздо более знаменитой и несопоставимо более распространенной молекулой: водой (H2O). Это точно такая же молекула, только вместо серы в ее состав входит кислород. В ней тоже есть электроны, которые теоретически можно извлечь и выдать хлорофиллу. Преимущество воды перед сероводородом очевидно: ее не надо искать. Вода есть повсюду, как и углекислый газ с солнечным светом. Фотосинтез «на воде» превращается из химии в магию: еду можно производить где угодно, когда угодно и фактически из ничего.

Казалось бы, при таком раскладе в сероводороде смысла нет вообще. Но у воды есть один большой минус: это одна из самых стабильных молекул во Вселенной. Сероводород разваливается от взгляда, сломать же молекулу воды невероятно трудно.

Первые фотосинтезирующие организмы были бактериями и жили около 3 млрд лет назад13, 16. Сегодняшние их потомки называются цианобактериями (синезелеными водорослями). На первых порах этим ранним фотосинтезаторам для фотосинтеза был нужен сероводород или, возможно, какая-то другая расходная молекула, которой неизменно было мало. То, что происходит дальше, на мой взгляд, – это одна из самых великолепных иллюстраций всесилия эволюции. Если существует непреодолимая проблема, у которой есть теоретическое решение, несущее колоссальную выгоду, то рано или поздно проблема будет преодолена.

В данном случае непреодолимая проблема была преодолена при помощи впечатляющей клеточной машины под совсем не впечатляющим названием «фотосистема II» (ее номер никак не связан с биологической ролью). Это до смешного сложный агрегат, состоящий из десятков белков и 99 (и это не шутка!) мелких, но причудливых деталей – кофакторов, включая, например, экзотические кластеры из кальция и марганца17. Это Большой адронный коллайдер молекулярного мира. Одного взгляда на фотосистему II достаточно, чтобы почувствовать те миллионы лет эволюции, которые должны были уйти на создание чего-то настолько сложного. А это, в свою очередь, показывает, насколько принципиальной и фундаментальной должна быть проблема, которую решает такая машина, чтобы оправдать столь феноменальную настойчивость ее изобретателей.

Фотосистема II – это машина для ломки воды18.

В результате ее работы из воды изымается все тот же электрон, которым возмещаются потери хлорофиллу. Теперь клетке не нужно постоянно сидеть возле источника сероводорода. Разламывая молекулу воды, клетка избавляется от последнего ограничения, удерживающего ее в гео– или гидротермальном источнике, да и вообще в любом источнике любого ресурса. Фотосистема II означает, что жить можно где угодно, где есть вода, воздух и свет.

Этот новый, «водный» тип фотосинтеза 2.0 – свобода от всех зависимостей. И поначалу он, конечно, завоевал мир. Он дал клеткам возможность жить где угодно, даже вдали от источников подземной энергии или экзотических химикатов. До этого живая материя уходила проводами в земную кору – теперь у нее появилась солнечная батарея, и провода стали не нужны.

Однако любопытно, что свое название новый революционный способ добычи энергии получил не по свободе, которую он дал своим обладателям, и не по воде – источнику этой свободы, а по побочному продукту, который образуется в результате распада водной молекулы. «Фотосинтез 2.0» называется оксигенным, то есть кислородным. Потому что этот побочный продукт, следствие заветного перехода с сероводорода на воду, как и сам фотосинтез, повернул ход истории жизни на Земле.

Дело в том, что кислород – это яд. Если его никак не контролировать, он стремится уничтожить любую биологическую молекулу.

После изобретения оксигенного фотосинтеза сначала в океане, а потом и в атмосфере начинает медленно, но верно расти содержание кислорода. Пока кислорода мало, он нейтрализуется другими атомами, прежде всего железом, растворенным в океане и отложенным на дне19. Жизнь продолжает множиться и развиваться на фотосинтетических дрожжах миллионы лет. Когда кислорода становится столько, что океан больше не может его поглощать, он начинает отравлять воду и даже просачиваться в атмосферу. В конечном итоге его становится столько, что большинство живых клеток, во всем своем разнообразии расселившихся по мировому океану, не могут продолжать существовать. Выживают только те, кто устойчив к кислороду, – аэробы, то есть «воздушники», к которым относимся и мы.

Этот момент в истории некоторые ученые называют «кислородной катастрофой» или даже «кислородным холокостом», хотя другие сомневаются, был ли вообще «холокост», или же, скорее, постепенное вытеснение «воздушниками» «безвоздушников» – анаэробов, неспособных переносить кислород20, 21. Так или иначе, насыщение океана и атмосферы кислородом принципиально меняет правила существования жизни на планете. Одним из следствий этого изменения правил и станет возникновение нашего домена эукариот.

Красный путь и зеленый путь

Как помнит читатель из первой главы, кислород – это молекулярный Шива, электронно-атомный агрессор, который норовит разорвать большие молекулы на куски с выделением энергии. Так работает горение. Так что «кислородный холокост», если он действительно в каком-то смысле произошел, – даже не метафора, а вполне прямое описание событий, ведь слово «холокост» дословно означает «полное сожжение», то есть ровно то, что кислород делает.

Тот факт, что сегодняшняя атмосфера Земли состоит из кислорода аж на 21 %, – это по космическим стандартам одно из самых неординарных свойств нашей планеты. Кислород просто так не витает над планетами – он всегда находит какой-нибудь другой атом, к которому можно присосаться с отъемом электронов. Чтобы в воздухе был свободный кислород, его нужно постоянно производить в мировых масштабах. То есть с поверхности Земли в ее атмосферу непрерывно бьет фонтан кислорода. С точки зрения человека, заядлого «воздушника», это замечательный фонтан. Но с точки зрения населения планеты 2,5 млрд лет назад, состоявшего из «безвоздушников», это был фонтан токсичных отходов с планетарной энергостанции фотосинтеза.