Нам свойственно недооценивать значение растений в нашей жизни. А они сами, к сожалению, не наделены способностью афишировать свои заслуги. Но если бы кактус на вашем рабочем столе мог разговаривать, то поведал бы вам поразительную историю о том, что совершили его предки. Оказывается, это они изобрели самый важный биологический процесс на Земле – фотосинтез.

Миллионы лет назад поверхность нашей планеты была покрыта голыми скалами, водой и грязью. Единственными формами жизни на ней были бактерии и морские беспозвоночные. Никаких деревьев, птиц, млекопитающих или людей не существовало.

Но однажды в одном из уголков этой голубой планеты, возможно, там, где сейчас находится Южная Африка, произошло чудо. После миллионов лет проб и ошибок сквозь земную кору пробился нежный росток, который выпустил крошечный листочек и открыл новую главу в истории развития жизни.

Что это, если не чудо? Но как слабый росток смог его сотворить?

Когда-то люди называли растения пожирателями почвы, которые создавали сами себя из грязи. В 1640-х годах фламандский ученый Ян Баптиста ван Гельмонт попытался выяснить, так ли это на самом деле. Он провел пятилетний опыт, известный как эксперимент с ивой, в результате которого человечество узнало две вещи: во-первых, что ван Гельмонт обладал неистощимым терпением; во-вторых, что растения не создают себя из грязи.

Ван Гельмонт посадил ивовую ветвь весом в 5 фунтов (2,268 килограмма) в большую кадку, наполненную 200 фунтами (90,718 килограмма) почвы. В течение следующих пяти лет он поливал ветку дождевой водой и наблюдал, как она росла. За это время из ветки выросло дерево, которое он извлек из кадки и взвесил: вес растения составил 169 фунтов (76,657 килограмма), то есть увеличился на 164 фунта (74,389 килограмма). Но самое главное в том, что вес почвы практически не изменился. Это означало, что 164 фунта древесной массы должны были взяться откуда-то еще.

Так как же растения создают свои… тела, если не из почвы? Давайте вернемся к крошечному ростку, который только что увидел лучи солнца, и дадим ему имя – Джерри.

Джерри стал первым, кто придумал очень элегантное решение: создавать ткани тела не из почвы, а из воздуха. Джерри соединил углекислый газ (взятый из воздуха) с водой (она была извлечена из почвы, но фактически не являлась почвой) и использовал солнечную энергию, чтобы синтезировать невиданное ранее вещество, которое он применил для строительства новых частей самого себя. Сейчас мы называем это вещество глюкозой. Без глюкозы не было бы ни растений, ни жизни.

На протяжении сотен лет после эксперимента с ивой орды исследователей, пытавшихся понять, как происходит развитие растений, проводили бесчисленные эксперименты со свечами, герметично закрытыми банками и множеством видов водорослей.

В конце концов разгадку нашли трое американских ученых: Мелвин Кальвин, Эндрю Бенсон и Джеймс Бассам. (За это открытие Кальвин в 1961 году получил Нобелевскую премию по химии.) Открытый ими процесс получил официальное название «цикл Кальвина – Бенсона – Бассама». Со временем вместо этого громоздкого названия в практику был введен термин «фотосинтез», означающий процесс превращения углекислого газа и воды в глюкозу с помощью солнечной энергии.

Я немного завидую тому, как растения это делают. Им не нужно тратить время на посещение продуктовых магазинов. Они сами создают себе еду. С точки зрения человека, это равнозначно способности вдохнуть молекулы воздуха, посидеть на солнышке и приготовить прямо в желудке чечевичную похлебку, без необходимости искать для нее ингредиенты, варить и глотать.

Растения могут либо расщеплять глюкозу, чтобы использовать ее как источник энергии, либо сохранять ее молекулы в нетронутом виде, как строительные кирпичики. Чтобы дать вам представление об их размере, скажу лишь, что в точке на конце этого предложения могло бы разместиться 500 тысяч молекул глюкозы. Ее можно использовать для формирования жесткого ствола растения, гибких листьев, тонких корней или сочных плодов. Точно так же, как из одного и того же химического элемента (углерода) могут быть созданы алмаз и карандашный грифель, растения могут производить из глюкозы множество разных вещей.

В число веществ, которые растения могут создавать из глюкозы, входит крахмал.

Живые растения постоянно нуждаются в энергии. Но когда на небе не светит солнце – либо из-за облачности, либо в темное время суток, фотосинтез не может происходить и обеспечивать растения глюкозой, необходимой им для выживания. Чтобы справиться с этой проблемой, растения производят дополнительную глюкозу в светлое время суток и создают ее резервы для последующего использования.

Однако хранение глюкозы является непростой задачей. Глюкоза имеет обыкновение рассеиваться во всех направлениях, подобно детям на игровой площадке во время школьной перемены. Школьники разбегаются в разные стороны, как правило, бесконтрольно и непредсказуемо, но перед началом следующего урока учителю удается их собрать и заставить более или менее смирно сидеть за партами. У растений есть такие же надежные способы сбора «разбежавшейся» глюкозы. Для этого они мобилизуют микроскопические молекулы, которые называются ферментами и играют роль помощников учителя. Они захватывают молекулы глюкозы и заставляют их, словно детей, образно говоря, взяться за руки. В результате получается длинная цепочка из нескольких сотен или тысяч молекул, которые больше не носятся сломя голову в случайных направлениях.

Эти цепочки глюкозы называют крахмалом. В такой форме ее небольшие количества могут храниться в разных местах растений, но в основном в корнях и корнеплодах.

Свекла, картофель, морковь, сельдерей, пастернак, турнепс, хикама и ямс – все это корнеплоды, и все они содержат крахмал. Кроме того, много крахмала есть в семенах, чем обеспечивается запас энергии, необходимой им, чтобы прорастать и превращаться в растения. Рис, овес, кукуруза, пшеница, ячмень, фасоль, горох, чечевица, соевые бобы и нут – все это семена, и все они тоже содержат крахмал.

Молекулярные связи в цепочках крахмала очень сильны. Видимо, не зря английское слово starch (крахмал) происходит от немецкого Stärke, означающего «сила».

Однако сила этих связей не делает крахмал неразрушимым. С помощью подходящего инструмента его можно разделить на части. Всякий раз, когда растениям требуется глюкоза, они активируют фермент альфа-амилазу, который направляется к корням и вырывает из цепочек крахмала необходимое количество молекул глюкозы. Таким образом они высвобождают глюкозу, готовую к использованию в качестве источника энергии или строительного материала.

Еще один фермент (их существует довольно много) растения могут использовать для выполнения другой задачи: создания волокон клетчатки. Вместо того чтобы заставлять молекулы глюкозы соединяться, «взявшись за руки», и образовывать цепочки крахмала, этот фермент побуждает молекулы глюкозы держаться «руками» за «ноги» соседних молекул; полученная цепочка называется клетчаткой. Это вещество выполняет функцию цементного раствора, скрепляющего кирпичные стены дома. Оно позволяет растениям тянуться вверх, не падая на землю. Больше всего клетчатки содержится в стволах, ветвях, цветках и листьях, однако в корнях и плодах она тоже присутствует.

Люди нашли клетчатке широкое практическое применение: еще в Древнем Египте ее собирали и перерабатывали в папирус. Сегодня ее извлекают из стволов деревьев, полимеризуют и превращают в листы и пачки бумаги. Если вы читаете эти слова в бумажной книге, значит, это книга о глюкозе, напечатанная на глюкозе.

Если вы лизнете глюкозу, то почувствуете, что у нее сладкий вкус. Помимо этого, многие растения преобразуют некоторую часть производимой глюкозы в еще более сладкие молекулы фруктозы, которая примерно в 2,3 раза слаще глюкозы.

Растения насыщают фруктозой свисающие с их ветвей плоды – яблоки, вишни, киви и т. д. Предназначение фруктозы в том, чтобы сделать вкус этих плодов (фруктов и ягод) привлекательным для животных. Чем это объясняется? Тем, что в плодах находятся семена. В этом ключ к успешному расширению ареала произрастания: растения надеются, что животные съедят плоды, а семена останутся непереваренными. Через какое-то время они будут выведены из пищеварительной системы едоков и попадут в почву. Именно таким образом обеспечивается выживание и распространение различных видов растений.

Так используется основная часть производимой растениями фруктозы, но некоторое ее количество, с помощью другого фермента, на какое-то время соединяется с глюкозой, образуя вещество, называемое сахарозой. Последняя помогает растениям повысить концентрацию энергии (молекула сахарозы немного меньше, чем расположенные в ряд молекулы глюкозы и фруктозы, и это позволяет растениям накапливать больше энергии в меньшем пространстве). Для растений сахароза – оригинальное временное хранилище энергии, но для людей она тоже очень важна. Мы каждый день употребляем ее в виде столового сахара.

Крахмал, клетчатка, фруктоза и сахароза являются разными формами глюкозы и существуют благодаря фотосинтезу. Этот изобретенный Джерри элегантный процесс проложил путь для всех прочих форм жизни на нашей планете.