Кислород. Молекула, изменившая мир

Вы удовлетворены? Возможно, нет, однако теоретически знакомый нам с вами механизм фотодыхания может оказывать именно такое действие. Выделяющийся при фотодыхании углекислый газ либо выходит в воздух, либо вновь захватывается Рубиско и превращается в сахара, белки и жиры. Поскольку углекислый газ образуется из органического вещества, он уже обогащен изотопом ¹²С. Получающееся из этого углекислого газа органическое вещество содержит еще больше легкого изотопа углерода. Мы обратили внимание на аналогичный эффект в главе 4 при обсуждении серных бактерий («дыхание в пластиковом пакете»). Скорость обогащения изотопом зависит от скорости фотодыхания, которая, как мы уже видели, растет с повышением концентрации кислорода. Таким образом, теоретически высокий уровень содержания кислорода способствует избирательному использованию изотопа ¹²

С и вносит поправку в наши расчеты концентрации кислорода в воздухе. В теории, кажется, все логично, но что происходит на практике?

Бернер продолжил свои исследования совместно с Дэвидом Бирлингом и другими специалистами из Университета Шеффилда (Англия), а также из Гавайского университета. Они выбрали ряд фотосинтезирующих организмов из разных групп, включая покрытосеменные и цикадовые растения, а также морские одноклеточные водоросли, и выращивали их в лабораторных условиях в среде с разным содержанием кислорода. Результаты экспериментов были опубликованы в мартовском номере Science за 2000 г. и удивительным образом совпадали с тем, что предсказывала теория. Все исследованные организмы реагировали на повышение концентрации кислорода, становясь более избирательными по отношению к ¹²

С. Однако сильнее всех реагировали растения, эволюционировавшие во время каменноугольного и в начале пермского периода. Например, при концентрации кислорода 21% цикадовые растения оставляли в воздухе 17,9 части на тысячу изотопа ¹³С, тогда как при концентрации кислорода 35% данный показатель достигал 21,1, что соответствует повышению содержания изотопа ¹²

С на 18%. При снижении числа устьиц в листьях «эффект пластикового пакета» усиливается. Если учесть эти поправки, выявляется отличная корреляция между двумя методами — методом прямых измерений захороненного органического материала (массовый баланс) и методом изотопного анализа. Оба способа измерений показывают, что уровень кислорода во время каменноугольного периода достигал 35%. Бернер наконец доказал свою правоту.

Эти результаты не подтверждают окончательно, что в каменноугольном и раннем пермском периоде воздух был насыщен кислородом, но они меняют расстановку сил: теперь доказывать свою правоту приходится тем, кто не верит в возможность подобных изменений. А пока этим вопросом заинтересовались специалисты в других областях науки. Многие аспекты проблемы можно проанализировать непосредственно путем изучения палеонтологических летописей или измерения физиологических характеристик, таких как параметры полета стрекозы в атмосфере с высоким содержанием кислорода. Однако мы по-прежнему не разобрались с парадоксом огня. Разве при столь высокой концентрации кислорода все вокруг немедленно не сгорит? Как удавалось избежать катастрофических лесных пожаров, о которых мы говорили выше?

Одна из особенностей современной науки заключается в невероятном объеме информации. Невозможно быть в курсе всех последних достижений даже в какой-то конкретной области исследований и при этом работать в лаборатории или лечить больных. Обычно ученые досконально разбираются в том, чем занимаются непосредственно, например в популяционной генетике, и в целом представляют себе ситуацию в смежных областях, таких как молекулярная биология. Но в более отдаленных сферах научной деятельности ученые, как и все другие люди, вынуждены многое принимать на веру. Пример с пожарами позволяет оценить, насколько какая-либо идея может закрепиться в общественном мнении, не подвергаясь никакой экспериментальной проверке.

В 1970-х гг. Лавлок и Уотсон заявили, что «при содержании кислорода выше 25% лишь небольшая часть нашей современной наземной растительности устоит перед повсеместными пожарами, которые уничтожат и тропические дождевые леса, и арктическую тундру», и что даже влажная растительность «скорее всего, будет гореть... так как огонь может возникнуть даже под проливным дождем». Когда мы соглашаемся с такими смелыми заявлениями, мы считаем, что они основаны на каких-то экспериментальных подтверждениях, давно признанных как очевидный факт. По крайней мере я думал именно так, пока не занялся поисками таких экспериментальных подтверждений. Работа на эту тему действительно была написана: аспирант Лавлока Эндрю Уотсон в 1978 г. защитил диссертацию, посвященную детальному анализу горения в среде с разным содержанием кислорода. К сожалению, некоторые сделанные им выводы не подкреплялись экспериментальными результатами.