Где же расположены центры биосинтеза? В каких частях зеленого листа готовится хлорофилл? Что это за цехи такие? Как они устроены? Что собой представляют? По каким принципам работают? Автора книги все это очень интересовало. Он знал, что этой темой занимаются доктор биологических наук Владилен Лазаревич Калер и его сотрудники. В Библиотеке имени В. И. Ленина в Москве были разысканы работы этого ученого. Вот так фотосинтетическая дорожка и привела автора в Минск.
Сентябрь в тот год выдался на редкость теплым и солнечным. Деревья еще сохраняли зелень крон, а кусты цветущих роз источали аромат, когда я дорожками Ботанического сада шел к увитому плющом серому четырехэтажному зданию Института экспериментальной ботаники имени Василия Феофиловича Купревича — родоначальника многих биологических учреждений Академии наук Белоруссии. Вот и комната 214. Лаборатория фотосинтеза…
Многие поколения ученых пытались разгадать структуру хлорофилла — самой, пожалуй, популярной молекулы жизни. И теперь в любом учебнике по физиологии растений можно найти «портрет» этой молекулы. Она похожа… на головастика. Имеет плоскую квадратную «головку» (хлорофиллин) и длиннющий «хвост» (фитол).
— В пруду головастик, лишаясь хвоста, превращается во взрослую лягушку, — помню, рассказывал Владилен Лазаревич. — В листве последовательность обратная: тут можно сказать, что «лягушка» — молекула протохлорофиллида, предшественника хлорофилла, обзаведясь фитольным «хвостом», становится «головастиком» — хлорофиллом. Но это лишь краткий эпизод в долгой и до сих пор во многом таинственной мистерии биосинтеза хлорофилла…
В большую науку Калер пришел в 1957 году с… авторемонтного завода, где заведовал после окончания университета химической лабораторией. Ему было 32 года, когда тайны фотосинтеза всецело покорили и увлекли его. И ныне он автор известной и в Союзе и далеко за его пределами монографии «Авторегуляция в системе биосинтеза хлорофилла в высших растениях».
В зеленом листе возникновение новых молекул хлорофилла происходит на фоне большого количества уже имеющегося пигмента. Поэтому биосинтез «невидим», он как бы одет в маскхалат, и его нелегко исследовать.
Можно, конечно, начать разделять зеленую материю на все более мелкие части в надежде дойти до «первоисточников». Средств для этого придумано немало. Листья дробят в ступке под слоем жидкого азота или быстро пропускают зеленую ткань растений через крохотные отверстия из камер с высоким давлением: оно разрывает хлоропласты на мельчайшие фрагменты. Можно разрушать мембраны зеленых клеток с помощью детергентов или, проще говоря, ПАВов — поверхностноактивных веществ, типа моющих средств. «Резать» их ультразвуком… Однако всюду исследователь как бы оказывается перед выбором: все или ничего, ибо он, отвлекаясь от изучения живой клетки в целом, осуществляющей нормальный фотосинтез, получает в руки груду безжизненных «деталей», отдельных химических компонентов, о роли которых можно только гадать.
Эта довольно безрадостная ситуация изменилась к лучшему с приходом в науку радиоактивных изотопов… Ведь они, эти ядерные детективы, позволяют, не разрушая зеленой ткани, следить за происходящими в ней тонкими процессами. И все же трудности остались немалые. Ведь при биосинтезе хлорофилла одновременно происходят многие десятки превращений. И можно себе представить, как непросто при этом установить истину.
Что же делать? Как одолеть преграды, расставленные хитроумной природой? Долго ломал себе над этим голову Калер. И решил призвать на помощь ЭВМ. Заняться математическим моделированием явлений. Хотя в те годы многим такой подход к биологическим объектам казался несерьезным, игрой в бирюльки. (Теперь-то уже так не думают.)
Что же дало математическое моделирование? Можно ли сейчас представить себе, как устроена и действует «фабрика» биосинтеза хлорофилла? Вместо ответа на мои настойчивые расспросы Калер, помню, просто открыл ящик стола и достал оттуда диковинное устройство, внешне напоминающее восемь груш, соединенных вместе теми местами, где у плодов обычно торчат хвостики — плодоножки.
— Вот вам… — сказал он. — Можете подержать в руках модель того, что природа отлаживала многие миллионы лет. Это полиферментная система, каталитический центр. Место, откуда, словно детали с конвейера, сходят только что изготовленные молекулы хлорофилла…
Владилен Лазаревич (беседа наша была долгой) ввел меня в тонкости биосинтеза хлорофилла. Его рассказ впечатлял. В самом деле, попробуйте представить себе завод, который бы выпускал не только какую-то продукцию, но изготавливал еще и станки, и все необходимое оборудование для этого производства. И обходился бы при этом без рабочих и вообще без обслуживающего персонала!
Да, как это не удивительно, но молекулы хлорофилла сами должны еще и управлять процессами своей сборки. Ничего другого природе не оставалось, выбора у нее не было! В таком самообслуживании и заключена соль «авторегуляции хлорофилла» — явления, открытого Калером.
В мудреных терминах науки это называется кооперативным управлением. Теория подтверждена многочисленными расчетами на аналоговых и цифровых ЭВМ сложных систем десятков нелинейных дифференциальных уравнений. Однако суть дела проста и может быть пояснена двумя словами. Деятельность зеленого конвейера налажена таким образом, что пока конечный продукт — молекула хлорофилла — не выйдет из каталитического центра, работа над созданием новой молекулы не начнется…
Исследования биосинтеза хлорофилла недавно нашли неожиданный выход в практику. Физиологи растений из Иллинойсского университета (США) разрабатывают принципиально новый тип гербицида. Он разбрызгивается ночью, скажем, на кукурузном поле и до утра бездействует. Но через несколько часов после восхода солнца сорняки увядают, а кукуруза или другое какое-нибудь культурное растение остается нетронутым.
Картина та же, что и в известной легенде про графа Дракулу. Этот ужасный вампир как раз перед рассветом должен был забираться в гроб, чтобы спрятаться от лучей восходящего солнца. Иначе ему пришел бы конец. Отныне, считают ученые, та же участь ждет многие виды сорняков, вот только спрятаться от солнца им не удастся!
Фотодинамические гербициды, так называют новый препарат, изобрел Карл Рибейз, научный сотрудник отдела садоводства при одном из филиалов Иллинойсского университета. Рибейз обнаружил, что биосинтез хлорофилла вовсе не идет одинаково у всех растений, как это прежде предполагалось. Исследователь открыл шесть различных химических способов выработки хлорофилла в растениях. Каждый вид растений, полагает ученый, использует свою уникальную последовательность этапов биосинтеза зеленого пигмента. У фиалок она одна, у яблонь — другая, у клевера — третья…
Зачем природе такое множество способов образования хлорофилла? Вопрос интересен и сам по себе. Но Рибейзу эта многоликость биосинтеза подсказала сугубо практическую мысль. Ведь если два растущих рядом растения пользуются различными способами выработки хлорофилла, то следует попытаться заблокировать этот процесс у одного из растений — сорняка! — не причиняя никакого вреда его соседу по полю.
Предложенный ученым гербицид представляет собой сравнительно простое химическое вещество, известное под названием АЛА (дельта-аминолевулиновая кислота, если аббревиатуру английских слов превратить в русский термин). Это исходный материал для образования хлорофилла во всех растениях, независимо от способа выработки окончательного продукта.
Рибейз утверждает, что если растение опрыскать определенной дозой АЛА в определенное время суток, то оно заготовит избыточное количество первичных для биосинтеза хлорофилла молекул. Под воздействием света эти молекулы активируются, но растение не может их переработать. И фактически растение само себя душит или отравляет. Соседним же растениям, у которых способ образования хлорофилла иной, вреда не причиняется, даже если и на них также попал гербицид.
Подобные пояснения могут показаться не очень убедительными. Однако следует принять во внимание, что Рибейз разработал еще с десяток различных добавок к АЛА. Кроме того, открытие его было запатентовано в 1985 году, и ведутся переговоры о продаже лицензий крупным агрокомпаниям. Поэтому в сообщениях о новом средстве борьбы с сорняками нет достаточной ясности. Но вот один из выводов, с которым можно согласиться. В чистом виде АЛА должен представлять собой идеальный гербицид. Он повсюду встречается в природе и потому безвреден для животных. К тому же препарат этот быстро разрушается и полностью исчезает в течение суток.
Однажды известного химика-органика Дерека Бартона спросили: чего бы он пожелал, явись к нему Мефистофель. Ученый ответил: «Я думаю, этот вопрос следовало бы задать не мне, а доктору Вудворду, потому что я совершенно уверен: он продал свою душу дьяволу лет двадцать назад за право стать гением органической химии…»
Роберт Бёрнс Вудворд (1917–1979) — американский химик-органик, химией увлекся с детства: имел дома химическую лабораторию, где проводил всевозможные опыты. В 16 лет поступил в Массачусетсский технологический институт и был бы в 17 лет исключен за неуспеваемость, если бы преподаватели не успели разглядеть его недюжинные способности. Для него была составлена специальная программа занятий, по сути дела, ему предоставлялась полная свобода и самостоятельность. И эта мера оправдала себя: когда в 1936 году сокурсники 20-летнего Вудворда получали степень бакалавра, он удостоился степени доктора философии (эта ученая степень эквивалентна степени кандидата наук в СССР).
Эту романтическую версию годов учебы Вудворда изложил в своей энциклопедии биографий виднейших ученых Айзек Азимов. Другой, прозаический вариант того, как на самом деле проходила его молодость, дал сам Вудворд в беседе с корреспондентом советского журнала «Химия и жизнь» доктором химических наук Олегом Сергеевичем Чижовым: «Я поступил в Массачусетсский технологический институт и проучился там полтора года. А потом меня выгнали, потому что я не отдавал должного принятым курсам обучения; мне было интереснее заниматься тем, что я считал нужным, а не тем, что полагалось по программе. Я пошел на работу. Но, проработав немного, вернулся в институт, решив выполнить все, что от меня потребуют…»