Растения С3 и С4

Отношение к кукурузе у нас в стране менялось много раз: ее то превозносили до небес, то предавали незаслуженному забвению. Это растение то входило в моду, и не было более восторженных эпитетов, чем те, которыми награждалась кукуруза (в наше время из кукурузы можно изготовить до 150 технических и продовольственных продуктов), то оно теряло всех своих поклонников. И причины тут, конечно, не в самой кукурузе. Недостаточное знание ее биологических особенностей, слабая техническая оснащенность кукурузоводческих хозяйств не позволяли использовать богатый потенциал этой культуры.

Но в последнее десятилетие ею вновь очень заинтересовались ученые: появилась вроде бы реальная возможность объяснить высокую продуктивность фотосинтеза у кукурузы.

Сочетание использования радиоактивных изотопов углерода с хроматографией и другими методами химического анализа дало возможность группе американских ученых из Калифорнийского университета - ее в послевоенные годы возглавил Мелвин Калвин - проследить «путь углерода в фотосинтезе»: установить, как в листьях растений углекислый газ в конечном итоге преобразуется в углеводы. Теперь все это уже стало историей науки. И известно как углеродный цикл, или цикл регенерации рибулозодифосфата, или же совсем просто: как цикл Калвина. Этот ученый в 1961 году стал первым, и пока последним, нобелевским лауреатом среди изучающих фотосинтез.

Характерная особенность цикла Калвина в том, что здесь углекислота, меченная радиоактивным углеродом, прежде всего присоединяется к молекулам, содержащим три атома углерода: фосфоглицериновой кислоте и фосфоглицериновому альдегиду. Продолжая эти исследования, в 1960 году молодой и тогда еще мало кому известный советский ученый Юрий Соломонович Карпилов сделал важное открытие. Изучая пути поглощения углекислого газа кукурузой, Карпилов показал, что у этого древнего растения процесс фотосинтеза идет своеобычно, вопреки правилам.

Кукуруза отказывалась подчиняться законам цикла Калвина. Радиоуглеродная метка «застревала» не в трех-, а в четырехуглеродных молекулах - щавелевоуксусной, яблочной и аспарагиновой кислотах. Так открытие казанского ученого разделило растения на два клана: С3-растения, так сказать, трехуглеродные (С, как известно, - химический символ углерода) и С4, - растения четырехуглеродные.

Карпилов опубликовал свои результаты в ученых трудах Казанского сельскохозяйственного института. Научного издания, понятно, не из самых читаемых. Эти публикации не привлекли к себе тогда большого внимания, хотя в науке о фотосинтезе то был крупный шаг вперед. Однако вскоре ученые (1965-1967 годы) прибавили к семейству С4 растений и лебеду, и росичку, и сахарный тростник, и сорго, и другие злаковые растения, в основном тропического и субтропического происхождения, около 500 видов из 13 родов. И наконец австралийцы Маршалл Хетч и Конрад Слэк, подытожив подобные исследования, отчетливо показали, что кукуруза и подобные ей растения С4-группы владеют секретом высокоэффективного усвоения углерода. В отличие от С3-растений, «исповедующих» цикл Калвина.

Вот конкретные цифры. Кукуруза, сахарный тростник и другие представители С4-растений способны усвоить в час каждым квадратным дециметром своей листвы 80-100 миллиграммов углекислого газа. А С3-растения - шпинат, овес, сахарная свекла и другие - лишь 30-50 миллиграммов. Примерно в два раза меньше!