Перед вами огромная тарелка
заряженных энергией хлопьев.
Одна ложка. Две. Три.
Вскоре после приёма пищи
вы ощутите прилив сил.
Как же эта энергия попала в сами хлопья?
Энергия существует в виде сахаров,
создаваемых растениями, из которых затем делают хлопья,
например из пшеницы или кукурузы.
Углерод является основой этого процесса.
Растения получают углерод
из углекислого газа, CO2,
парящего в воздухе, которым мы дышим.
Но как энергетический завод растения,
расположенный в строме хлоропласта,
превращает CO2, газ с одним атомом углерода,
в глюкозу, твёрдое вещество с шестью атомами углерода?
Если вам вспомнился фотосинтез, вы на правильном пути.
У фотосинтеза две фазы.
Во время первой фазы растение сохраняет солнечную энергию
в виде аденозинтрифосфата, или АТФ.
Во время второй фазы, цикла Кальвина,
углерод превращается в сахар.
Вторая фаза является одним из самых эффективных
производственных циклов в природе.
Итак, добро пожаловать на мельчайший завод на свете!
Исходные материалы?
Смесь молекул CO2 из воздуха
и заранее подготовленных молекул
дифосфата рибулозы, или РуБФ,
каждая из которых содержит по пять атомов углерода.
Инициирующее вещество? Катализирующий фермент Рубиско,
который присоединяет атом углерода из молекулы углекислого газа
к цепи РуБФ
для построения первичной 6-атомной цепочки.
Эта цепочка распадается на две короткие цепочки,
содержащих по три атома углерода каждая.
Такие цепочки называются фосфоглицератами, или ФГ.
Добавим АТФ и другое химическое вещество
под названием никотин-амида-дениндинуклеотид-фосфат,
или просто НАДФН.
АТФ выполняет роль смазки и обеспечивает энергию,
в то время как НАДФН прикрепляет один атом водорода к каждой из цепочек ФГ,
превращая их в молекулы
глицеральдегида-3-фосфата, или Г-3-Ф.
Для образования глюкозы необходимо шесть атомов углерода,
то есть две молекулы Г-3-Ф,
которые вкупе содержат шесть атомов углерода.
Итак, у нас получился сахар?
Не совсем.
Цикл Кальвина — это безотходное производство.
Это означает, что первичные РуБФ,
запустившие реакцию, должны быть воссозданы
путём повторного использования материалов
в рамках цикла.
Каждая молекула РуБФ содержит по пять атомов углерода,
а для производства глюкозы необходимо целых шесть.
Что-то не сходится.
Ответ кроется в интересном феномене.
Пока мы рассматривали одну производственную линию,
в клетке одновременно работало ещё пять.
Когда шесть конвейеров работают одновременно,
то не один атом углерода прикрепляется
к одной цепочке РуБФ,
а целых шесть атомов — к шести молекулам РуБФ.
В итоге получается 12 цепочек Г-3-Ф вместо двух,
а это означает, что в сумме получается 36 атомов углерода —
ровно столько, сколько необходимо для производства сахара
и восстановления РуБФ.
Из 12 цепочек Г-3-Ф две отправляются
на создание той самой богатой энергией глюкозы,
состоящей из шести атомов углерода.
Той самой глюкозы, которая придаёт нам силы после завтрака. Успех!
Тем временем на производственной линии
отходы производства сахара
стремительно собираются вместе, чтобы воссоздать шесть молекул РуБФ.
Для этого требуется 30 атомов углерода —
ровно столько, сколько содержится в 10 оставшихся цепочках Г-3-Ф.
Снова происходит перетасовка молекул.
Две цепочки Г-3-Ф прикрепляются друг к другу,
образуя цепочку из шести атомов углерода.
С добавлением ещё одной молекулы Г-3-Ф образуется цепочка из девяти атомов.
Из неё, отбросив четыре атома,
появляется первая РуБФ,
содержащая пять атомов углерода.
Но ничто не пропадает зря.
Четыре отброшенных атома соединяются в четвёртую молекулу Г-3-Ф,
создавая цепочку из семи атомов углерода,
которая присоединяется к пятой молекуле Г-3-Ф,
создавая цепочку из десяти атомов углерода.
Теперь материалов хватит на ещё две молекулы РуБФ.
Таким образом, для воссоздания трёх полных молекул РуБФ
было использовано пять из десяти молекул Г-3-Ф.
Повторив этот процесс,
мы восстановим шесть молекул РуБФ,
необходимых для очередного запуска цикла.
Так цикл Кальвина генерирует точное количество
элементов и процессов,
необходимых для поддержания непрерывной работы
биохимического конвейера.
И это только один из сотен
природных циклов.
Зачем так много циклов?
Если бы биологические процессы были линейными,
то они не были бы столь же эффективными
в использовании энергии для создания
важных материалов, таких как сахар.
Циклы — это своего рода цепи обратной связи,
которые неоднократно перерабатывают и восстанавливают вещества,
вырабатывая как можно больше
из имеющихся у растений ресурсов.
Так, например, сахар, созданный внутри
крошечных биологических заводов
с участием солнечного света путём превращения углерода,
становится энергией, которая используется нашим телом
для поддержания других жизненных циклов.