По следам углерода
К 100-летию со дня рождения выдающегося американского биохимика Мелвина Кальвина — «расшифровщика» фотосинтеза.
«Воистину, все гениальное — просто!» — такая мысль невольно возникает при чтении знаменитой кальвиновской статьи «Путь углерода в фотосинтезе», опубликованной в 1950 году в «Журнале биологической химии». Всего семь страниц машинописного текста — и Нобелевская премия. Да что там премия — понимание ключевого биохимического процесса, протекание которого во многом определило зарождение и существование жизни на Земле. Но эта простота обманчива.
Родители будущего нобелевского лауреата эмигрировали в США из царской России. Оставшись на родине, отец, портной, и мать, кухарка, после революции могли бы «одарить» сына всеми привилегиями выходца из пролетарской семьи — если бы не еврейское происхождение. В Америке порядки были другие. Жили более чем скромно, и полученный Мелвином диплом химика Мичиганского колледжа горного дела и технологий оказался для семьи пределом возможностей. Но талант сам проторит себе дорогу: молодого выпускника пригласили в святая святых американской науки — Калифорнийский университет в Беркли. В 24 года Кальвин защитил докторскую диссертацию, а через два года уже руководил химическим отделом. В тридцатилетнем возрасте ученого привлекли к Манхэттенскому проекту, и здесь Кальвин разработал уникальный метод получения чистого кислорода из атмосферы.
Вполне возможно, что именно тогда ученый заинтересовался процессом фотосинтеза. Изначально далекий от биологии, Кальвин начал с электро- и фотохимии хлорофилла и других координационных металлорганических соединений. Однако ученый очень быстро переключился с сугубо физических процессов, происходящих с хлорофиллом под действием света, на «чистую» биохимию — реакции образования сахаров, где и сделал свое главное открытие.
К концу 1940-х, когда группа Кальвина вплотную подошла к разгадке главной тайны зеленых растений, о фотосинтезе было известно довольно много — с момента его открытия Джозефом Пристли в 1772 году прошло уже более 170 лет. Ученые знали, что для получения глюкозы и других органических соединений растению необходимы углекислый газ и вода, что протекает это удивительнейшее превращение на свету в присутствии особого зеленого пигмента — хлорофилла и сопровождается выделением кислорода. Но вот что находится внутри «черного ящика», в какие именно реакции вступает «сырье», превращаясь в «конечный продукт», оставалось загадкой.
Методика, с помощью которой Кальвину удалось проследить все промежуточные стадии фотосинтеза, сочетала две инновации: мечение радиоактивным изотопом и бумажную хроматографию. Культуру морских одноклеточных зеленых водорослей хлорелл «кормили» необычным углекислым газом, содержащим вместо стабильного углерода 12С его более тяжелый радиоактивный изотоп 14С. На химической стороне процесса такая подмена никак не отражалась, но позволяла при этом отслеживать движение углеродных атомов по рентгеновским снимкам. Для этого через определенные промежутки времени из колбы с водорослями брали пробу, извлекали всю содержащуюся в ней на тот момент органику и раскладывали ее «по полочкам» с помощью бумажной хроматографии. В результате получали картинку, где каждое химическое соединение оседало в строго определенном месте — в соответствии со своей способностью просачиваться сквозь толщу бумаги. Теперь, просвечивая эти «шедевры абстракционизма» рентгеновскими лучами, можно было точно сказать, в каком пятне в каждый конкретный момент времени находится радиоактивный углерод, и таким образом восстановить последовательность его превращений. Единственная загвоздка состояла в том, что каждое из пятен предварительно необходимо было идентифицировать. Для этого Кальвину пришлось выяснить, какое место на хроматограмме облюбовывает себе каждое из многих десятков органических соединений.
Это была сложнейшая работа. «К сожалению, на этой бумаге, как правило, не отпечатываются названия соединений, — шутил он уже позже, — и наша первоначальная утомительная работа в течение десяти лет заключалась в том, чтобы тщательно метить эти потемневшие места на пленке». Но игра стоила свеч: с каждым днем «сдавалось» еще одно соединение и, в конце концов, от первоначального хаоса не осталось и следа — он уступил место поражающему красотой циклу реакций, вошедшему сегодня в золотой фонд биохимии под именем своего первооткрывателя.
Расшифровка фотосинтеза стала наиболее известным открытием Кальвина, но отнюдь не апофеозом его научной деятельности. Еще тридцать лет он плодотворно работал в Калифорнийском университете, до 1980 года возглавляя лабораторию биодинамики. Начав с достаточно конкретных исследований, он вскоре увлекся фундаментальными проблемами на стыке с философией — вплоть до химических основ возникновения жизни и формирования знаний. Этому во многом способствовала юношеская стажировка в Англии: там руководителем Мелвина был Майкл Полани — блестящий физикохимик и не менее выдающийся философ, автор постпозитивистской концепции неявного знания. «Люди знают больше, чем могут выразить словами» — Кальвин с улыбкой вспоминал, как мальчишкой доказал этот принцип Полани на своем примере: тогда поспешными и поверхностными выводами он вызвал у школьного учителя «опасения», что мальчик сможет стать ученым.
…Одно из самых ярких воспоминаний Кальвина — как маленьким мальчиком он наблюдал за работой отца-портного. Темный бесформенный обрез ткани в руках мастера превращался в элегантный, скроенный точно по фигуре костюм. Мелвин видел это десятки раз и всегда поражался маленькому чуду. Спустя тридцать лет он вновь испытал это непередаваемое ощущение — теперь уже сам в роли творца.
