Слідами вуглецю
До 100-річчя від дня народження видатного американського біохіміка Мелвіна Кальвіна — «розшифровувача» фотосинтезу.
«Дійсно, усе геніальне — просте!» — така думка мимоволі виникає, коли читаєш знамениту кальвінівську статтю «Шлях вуглецю у фотосинтезі», опубліковану в 1950 році в «Журналі біологічної хімії». Лише сім сторінок машинописного тексту — і Нобелівська премія. Та що там премія — розуміння ключового біохімічного процесу, перебіг якого багато в чому визначив зародження й існування життя на Землі. Але ця простота уявна.
Батьки майбутнього нобелівського лауреата емігрували в США із царської Росії. Залишившись на батьківщині, батько, кравець, і мати, куховарка, після революції могли б дати синові всі привілеї вихідця із пролетарської родини — якби не єврейське походження. В Америці звичаї були інші. Жили більш ніж скромно, і здобутий Мелвіном диплом хіміка Мічиганського коледжу гірничої справи й технологій був для родини межею можливостей. Але талант сам проторує собі дорогу: молодого випускника запросили до свята святих американської науки — до Каліфорнійського університету в Берклі. У 24 роки Кальвін захистив докторську дисертацію, а через два роки вже очолював хімічний відділ. У тридцятирічному віці вченого залучили до Манхеттенського проекту: тут Кальвін розробив унікальний метод одержання чистого кисню з атмосфери.
Цілком можливо, що саме тоді вчений зацікавився процесом фотосинтезу. Спочатку далекий від біології, Кальвін почав з електро- і фотохімії хлорофілу та інших координаційних металорганічних сполук. Однак дуже швидко перейшов від суто фізичних процесів, які відбуваються із хлорофілом під дією світла, до «чистої» біохімії — реакції утворення цукрів, де й зробив своє головне відкриття.
До кінця 1940-х, коли група Кальвіна впритул наблизилася до розгадки головної таємниці зелених рослин, про фотосинтез було відомо досить багато — із часу його відкриття Джозефом Прістлі в 1772 році минуло вже більше 170 років. Учені знали, що для одержання глюкози та інших органічних сполук рослині необхідні вуглекислий газ і вода, що відбувається це дивовижне перетворення на світлі в присутності особливого зеленого пігменту — хлорофілу й супроводжується виділенням кисню. Але от що відбувається всередині «чорного ящика», у які реакції вступає «сировина», перетворюючись на «кінцевий продукт», залишалося загадкою.
Методика, за допомогою якої Кальвіну вдалося простежити всі проміжні стадії фотосинтезу, сполучила дві інновації: мічення радіоактивним ізотопом і паперову хроматографію. Культуру морських одноклітинних зелених водоростей хлорел «годували» незвичайним вуглекислим газом, який містить замість стабільного вуглецю 12С його важчий радіоактивний ізотоп 14С. На хімічному боці процесу така підміна ніяк не позначалася, але при цьому дозволяла відслідковувати рух вуглецевих атомів за рентгенівськими знімками. Для цього через певні проміжки часу з колби з водоростями брали пробу, витягали всю органіку, яка містилася в ній на той час, і розкладали її «по полицях» за допомогою паперової хроматографії. У результаті одержували картинку, де кожна хімічна сполука осідала в певному місці — відповідно до своєї здатності просочуватися крізь товщу паперу. Тепер, просвічуючи ці «шедеври абстракціонізму» рентгенівськими променями, можна було точно сказати, у якій плямі в кожну конкретну мить перебуває радіоактивний вуглець, і в такий спосіб відновити послідовність його перетворень. Єдина заковика полягала в тому, що кожну пляму попередньо необхідно було ідентифікувати. Для цього Кальвіну довелося з’ясувати, яке місце на хроматограмі обирає собі кожна з багатьох десятків органічних сполук.
Це була надзвичайно складна робота. «На жаль, на цьому папері, як правило, не відбиваються назви сполук, — жартував він уже пізніше, — і наша первісна стомлива робота протягом десяти років полягала в тому, щоб ретельно мітити ці потемнілі місця на плівці». Але справа була варта заходу: щодня «здавалася» ще одна сполука, і зрештою від первісного хаосу не залишилося й сліду — він поступився місцем вражаючому за красою циклу реакцій, який сьогодні ввійшов до золотого фонду біохімії під ім’ям свого першовідкривача.
Розшифрування фотосинтезу стало найвідомішим відкриттям Кальвіна, але аж ніяк не апофеозом його наукової діяльності. Ще тридцять років він плідно працював у Каліфорнійському університеті, до 1980 року очолюючи лабораторію біодинаміки. Почавши з досить конкретних досліджень, він незабаром захопився фундаментальними проблемами на стику з філософією — аж до хімічних основ виникнення життя й формування знань. Цьому багато в чому сприяло юнацьке стажування в Англії: там керівником Мелвіна був Майкл Полані — блискучий фізикохімик і не менш видатний філософ, автор постпозитивістської концепції неявного знання. «Люди знають більше, ніж можуть висловити» — Кальвін із посмішкою згадував, як хлопчиськом довів цей принцип Полані на власному прикладі: тоді поспішними й поверховими висновками він викликав у шкільного вчителя побоювання, що «хлопчик зможе стати вченим».
…Один із найяскравіших спогадів Кальвіна — як хлопчиком він спостерігав за роботою батька-кравця. Темний безформний обріз тканини в руках майстра перетворювався на елегантний, скроєний точно за фігурою костюм. Мелвін бачив це десятки разів і завжди радів цьому маленькому диву. Через тридцять років він знову випробував це невимовне відчуття — тепер уже сам у ролі творця.
