Готовый перевод Janine M. Benyus. Biomimicry / Джанин М. Бенюс. Биомимикрия: Глава 3. Как мы будем получать энергию?

Свет есть жизнь: собирать энергию как лист.

“Озёрная тина” может быть синонимом слова “быдло”*, но крошечные организмы, из которых она состоит, легко затмевают наши передовые технологии в деле получения энергии от солнца. Некоторые пурпурные бактерии, отвечающие этому нелестному описанию, используют световую энергию с эффективностью почти 95% — более чем в четыре раза выше, чем у лучших солнечных панелей.

— Выпуск новостей Университета Южной Калифорнии, 22 августа 1994 г.

*Выражение "pond scum" в английском имеет оскорбительное значение

Энергетический сектор в индустриально развитых странах, вероятно, является единственным крупнейшим экономическим фактором, способствующим глобальной деградации окружающей среды.

— Семинар экспертов EPA* по энергетике и окружающей среде 21 июля 1992 г.

*U.S. Environmental Protection Agency - Агентство по охране окружающей среды США

Когда я впервые начала мечтать об этой книге, я сидела на краю своего пруда и наблюдала, как облака Монтаны плывут в отражении по поверхности воды. Ночью я наблюдала, как в отражении всходит и опускается луна. Это было до того, как появилась ряска и украла это большое небесное представление.

Ряска - это плавающее растение с одним круглым листом, тонким, как бумага, и не шире карандашного ластика. Она зимует живой на дне моего замерзшего пруда, питаясь запасённым крахмалом. В один шумный майский день она всплывает, как будто приходит на запланированную встречу, а затем, мягко говоря, множится. За считанные недели она затягивает живой плёнкой из светло-зеленых листьев каждый квадратный сантиметр водной поверхности. К августу, когда листья рогоза и тополей становятся темными и пыльными, ряска все ещё буйствует краской, такая по-весеннему зеленая, что люди останавливают свои машины, чтобы полюбоваться на неё. Они говорят мне: "Мы думали, что это мокрая краска".

В совокупности ряска раскидывает впечатляющую солнечную батарею – одно растение, каких-то полсантиметра в поперечнике, может размножаться за счет чистой энергии солнечного света, покрывая площадь размером с футбольное поле за пару месяцев. Но это не одно растение; их миллионы. Я очищаю от них воду – они прорастают у меня за спиной, как прутики из метлы Колдуна. Этот спазм фотосинтеза – солнечный свет, на моих глазах превращающийся в гектары зеленой ткани – больше, чем просто мой заклятый враг. Это чудо.

Так считало большинство людей до конца восемнадцатого века, когда ученые начали экспериментировать с листьями, чтобы узнать, “откуда берется их таинственная пища”. Помните, что это было во времена, когда считалось, что мыши самозарождаются из груды тряпья. Джозеф Пристли, английский химик-любитель, озадачил любопытных, когда в 1771 году опубликовал результаты своего эксперимента с колоколообразной банкой. Он запечатал мышь и свечу в банку, и мышь умерла, задохнувшись от “поврежденного воздуха”. Чудесным образом, когда Пристли поставил в банку растение мяты, он мог посадить туда новую мышь, и она выживала. Растительность, сказал он миру, может каким-то образом "чинить" воздух.

Но из-за дьявольского пути, которым, кажется, идут исследования фотосинтеза, Пристли в течение многих лет терпел поражение, когда пытался повторить эти эксперименты. Историки полагают, что он, должно быть, перенес банку в темный угол своей лаборатории, не зная, что свет играет роль в выделении кислорода из листьев мяты. Мышь за мышью продолжали терять сознание. Прошло еще восемь лет, прежде чем голландский врач и химик Ян Ингенхауз провел тот же эксперимент возле солнечного окна, и в его мыслях зажглась лампочка осознания.

Остальное уже история. Теперь мы знаем, что фотосинтез, что означает “синтез с помощью света”, - это процесс, посредством которого зеленые растения, а также некоторые водоросли и бактерии поглощают углекислый газ, воду и солнечный свет и превращают их в кислород и богатые энергией сахара. В то же время животные, подобные нам, поглощают этот кислород и эти сахара и превращают их обратно в углекислый газ, воду и энергию. Благодаря солнцу мята, мыши и люди – все процветают.

Нам в этой стеклянной банке, называемой Землей, повезло, что мы находимся так близко к чудесному взрыву, происходящему весь день, каждый день, над нашими головами. Синтез водорода на солнце обеспечивает достаточно световой энергии, чтобы легко удовлетворить все наши энергетические потребности, не сжигая ни капли нефти. Если бы только у нас был способ подключиться к этой розетке.

До сих пор мы жили по милости зеленых растений, и мы обязаны им как своей жизнью, так и своим образом жизни. Считайте, всё, что мы потребляем, от морковной палочки до филе с острым соусом, является продуктом растений, превращающих солнечный свет в химическую энергию. Наши автомобили, наши компьютеры, гирлянды на рождественских елках - всё это также питается фотосинтезом, потому что ископаемое топливо, которое они используют, - это всего лишь спрессованные за 600 миллионов лет останки растений и животных, которые выращивали свои тела с помощью солнечного света. Все наши пластмассы, фармацевтические препараты и химикаты, произведенные на основе нефти, также происходят из творений древнего фотосинтеза. На самом деле, кроме камней и металлов, трудно найти какое-либо сырье из тех, что мы используем, которое не было когда-то живым и потому в конечном счёте существовавшим благодаря растениям.

Растения собирают солнечную энергию и сохраняют ее в качестве топлива. Чтобы высвободить эту энергию, мы сжигаем растения или растительные продукты либо во внутренней среде, внутри наших клеток, либо во внешней среде, с помощью огня.

На мой вкус, открытие огня, какую бы шумиху оно не запустило, было сильно переоценено. Огонь был хорош первое время - он согревал нас и готовил для нас мясо. Проблема в том, что мы никогда не выходили за рамки огня — сжигание в печах или двигателях по-прежнему является основным яйцом в нашей корзине производства энергии, и это ни на йоту не приблизило нас к устойчивому образу жизни. Вместо этого сжигание старого топлива привело к повышению уровня углекислого газа (CO2), таянию льдов в Антарктиде, повышению уровня океана и самому жаркому десятилетию за всю историю наблюдений.

Когда мы сжигаем нефть, бензин и уголь, мы выпускаем большое количество углерода, который был сжат и погребён в течение мелового периода. Гигантские папоротники тех дней разлагались в условиях кислородного голодания и никогда не имели возможности завершить свой цикл разложения. Теперь мы заканчиваем работу с помощью костра, поглощая за год то, на формирование чего потребовалось сто тысяч лет роста органики. Подобно огромным мехам, наш костер вдыхает кислород и выдыхает неземное количество CO2, парникового газа.

Такой экстремальный поток в такой замкнутой системе, как наша биосфера, представляет ту же опасность, с которой вы столкнулись бы, если бы сожгли мебель в своем доме с закрытыми окнами. Последние сто лет мы только этим и занимались — сжигали семейные реликвии, сделанные из древнего солнечного света, игнорируя тот факт, что современный солнечный свет струится в каждое окно. Вместо того, чтобы все эти годы подкармливать наши костры мертвыми растениями, возможно, нам следовало бы изучать живые растения, тщательно копируя их магию.

Пуповина, тянущаяся к солнцу

Несмотря на то, что идея солнечной энергии не пользуется популярностью и не приносит прибыли в тени всё ещё бьющих фонтаном нефтяных вышек, в течение многих лет она росла в великих умах. Еще в 1912 году итальянский профессор химии по имени Джакомо Чамициан написал в журнале Science статью о мире, в котором будут снесены дымящие трубы, чтобы освободить место лесам из чистых стеклянных трубок, которые будут имитировать “потаённый секрет растений” и фотосинтезировать нам необходимое нам топливо.

Насколько близко мы подошли к мечте Чамичана? Восемьдесят лет спустя у нас есть гектары мерцающих солнечных элементов, сделанных из кремния, материала, который никогда не встречается в чертежах зеленых растений. После первого тестирования их на панелях космических кораблей мы теперь используем фотоэлектрические элементы для перекачки воды, освещения домов, работы ноутбуков, зарядки аккумуляторов и подачи энергии в электросеть. Фотоэлектрические системы могут покрыть крышу или заставить электронные цифры танцевать в мельчайших калькуляторах, но они не будут заниматься реальной химией (производить компактное топливо из света), как это делают растения. И хотя фотоэлементы стали меньше и доступнее со времени изобретения, они по-прежнему далеко не так компактны, эффективны или невероятно дешевы, как органические модули, собранные растениями. Что даёт ещё один повод для зависти. Каждое утро, когда наши техники надевают свои белые костюмы и антистатические ботинки-луноходы, чтобы собирать высокотехнологичные солнечные батареи на заполненных токсичными веществами фабриках, листья, ветви и стебли за их окнами безмолвно собирают сами себя триллионами.

По прошествии всех этих лет, несмотря на поток статей по фотохимии, публикуемых каждую неделю по всему миру, секрет фотосинтеза остается под охраной. Фрагментарные проблески процесса понемногу раскрываются, но рабочая модель все еще заполнена черными ящиками (необъяснёнными частями процесса) и таинственными молекулами под кодовыми названиями Q и Z.

Часть проблемы заключается в том, что фактический сбор заряженных частиц света (фотонов) не является макроскопическим, который можно было бы видеть невооруженным взглядом. Наши самые сильные электронные микроскопы не всесильны и могут показать нам лишь то, где происходит фотосинтез, но не как он происходит. “Шестеренки” фотосинтеза являются молекулярными комплексами, они состоят из групп атомов, которые остаются вне диапазона чувствительности даже таких фантастических микроскопов. Представьте, что в маленькой ряске, которая плавает на поверхности моего пруда, на каждый квадратный миллиметр листа приходится пятьдесят тысяч хлоропластов (клеточных органелл, в которых происходит фотосинтез).

Представьте, что в маленькой ряске, которая плавает на поверхности моего пруда, на каждый квадратный миллиметр листа приходится пятьдесят тысяч хлоропластов (клеточных органелл, в которых происходит фотосинтез). Каждый хлоропласт содержит сложную сеть мембран, заполненных молекулярными пигментами и белками, расположенными в фантастически точной хореографии. По крайней мере, так говорит нам наша лучшая гипотетическая модель. Для высших растений, таких как ряска, мы все ещё ждём реальных фотографий. Тем временем мы догадываемся, как протекает этот процесс, строим теории и ищем доказательства.

Несмотря на наши неполные знания, дух Чамичана всё ещё витает в коллективе исследователей искусственного фотосинтеза. Эти исследователи полагают, что мы знаем достаточно об этом потаённом секрете, чтобы начать рационально создавать факсимиле, фотоэлемент молекулярных размеров, который будет превращать световую энергию в электричество, в компактное топливо или в искру, необходимую нам для проведения химических реакций при комнатной температуре и в воде.

Каждая лаборатория, похоже, рассматривает этот секрет и способ его имитации немного по-разному. Некоторые объединяются под лозунгом “Разделение зарядов!”. Другие говорят: “Нам нужно построить антенну!”. Третьи уклоняются от использования органических строительных блоков и вместо этого стремятся воссоздать замысел природы в неорганической форме. Каждая лаборатория выбирает свой путь через этот великий океан обещаний, как лодки разных конструкций в научном аналоге регаты "Кубок Америки".

В 1990 году я с радостью прочитала, что одна команда в Аризоне вырвалась вперед. Они действительно синтезировали органическую молекулу, смоделированную на основе реакционного центра фотосинтеза, и получили квантовый выход, который уже мог поспорить с квантовым выходом фотосинтеза! Их научная лодка огибала буй с возбужденными криками и гудками — статьями в престижных журналах Science и Nature. В марте 1994 года я подплыла к их лодке и забралась на неё.

Если бы вам нужно было вообразить место, где можно спрятаться от солнца, кампус Университета штата Аризона в Темпе был бы идеальным ответом. Только что вернувшись из зимы в Монтане и всё ещё чистя одежду от катышков с парки, я была опьянена звуками юго-западного кампуса: стуком теннисных мячей, смехом из заполненных цветами гротов, непрекращающимся пением птиц в пальмах. Я заявилась в Центр по изучению ранних событий фотосинтеза, улыбаясь, как пассажир круизного лайнера, который только что впервые поднялся на палубу.

Но вряд ли это был отпуск для Дж. Девенса Гаста-младшего и его команды. Они только что получили известие о том, что крайний срок по их большому гранту Национального научного фонда был передвинут ближе, и черновики летали между офисами, как снег во время бури. Несмотря на давление, Гаст — химик, профессор и руководитель центра — составил график, который позволил бы мне встретиться с экспертами по каждому аспекту их работы: от людей, которые разбирают реальные фотосинтетические электростанции, до тех, кто собирает имитирующие их приборы с нуля. Как объяснил Гаст, команда вместе собрала то, в чём слишком тяжело было бы разбираться одному учёному: от понимания “квантовой неопределенности движения электронов в ближнем красном спектре света” до “по вкусу ли растению кукурузы из Индианы местная почва и почему”. Лаборатории на одном этаже содержали светящиеся банки с образцами одних из самых древних бактерий в мире, в то время как в сейсмостойком подвале гудели ультрасовременные лазеры. На промежуточных этажах, казалось бы, обычные лаборатории органической химии готовили молекулы, которые были ближе к имитации природных солнечных коллекторов, чем что-либо созданное ранее.

Моя экскурсия по центру была своего рода ментальным десятиборьем, каждый разговор расширял мое понимание всего, что связано с мимикрией такого рода. Каждый член команды знал о фотосинтезе по-своему: в своём масштабе, или дисциплине, или со своими методами измерения, - но в целом они работали как единый организм. И у меня сложилось отчётливое впечатление, что это организм в расцвете сил.

Биохимик Томас А. Мур, похожий на лепрекона бумер, который изо всех сил старается быть ворчуном, хмуро смотрит на экран своего компьютера, когда я вхожу. Ругается с мягким техасским акцентом. Словно в ответ, его Macintosh выдает гитарный рифф: “That’ll be the day/when you say good-bye-yie-yie/ that’ll be the day…" Под ворчание Томаса компьютер затихает. “Он говорит мне приниматься за работу, - театрально шепчет он, - но мы проигнорируем это”.

Это, кажется, доставляет ему удовольствие. Том Мур из тех людей, которые потирают руки, когда собираются погрузиться во что-то: в дискуссию, хорошую еду, острый научный вопрос. Есть определенное удовольствие, с которым он отрывает кусочки жизни и пережевывает их. Когда я прошу его объяснить фотосинтез, он заметно светлеет и (после скольких лет преподавания?) буквально подскакивает к белой доске и начинает рисовать. “Это потрясающе”, - говорит он мне. “Возможность имитировать даже малую часть этого процесса успокаивает меня — я говорю себе, видишь?, это не магия”.

Магия это или нет, но мимикрия не уменьшает удивления, которое, очевидно, испытывает Мур. Время от времени, в перерывах между страстными набросками — формулы, клетки, бактерии, листья — он говорит: “Мне скоро нужно будет уходить”. Но вместо этого стрелки часов ещё долго движутся по циферблату, пока я узнаю, как солнце превращает свет в жизнь.

Пинбол с электронами

Мур говорит мне, что солнечный свет подобен дождю из энергетических частиц, и задача каждого зеленого растения, сине-зеленой водоросли и фотосинтезирующей бактерии состоит в том, чтобы улавливать эти частицы и заставлять их работать. Чтобы увеличить свои шансы, эти сборщики фотонов выставляют множество светочувствительных пигментов - хлорофилл a, хлорофилл b и каротиноиды, которые действуют как антенны для солнечной энергии. Атомы в каждом пигменте расположены в форме леденца — кольца на стебле. Сотни леденцов встроены в мембрану заполненного жидкостью мешка, называемого тилакоидом. Сотни тилакоидов собраны в кучу, как водяные шарики, внутри каждого хлоропласта. Хлоропласты, которые делают зеленое растение зеленым, упакованы в количестве сотен тысяч, если не миллионов, даже в самом крошечном листике.

Когда солнечный свет попадает на эти хлоропласты, антенны-леденцы в мембране тилакоидов захватывают пакет энергии, а затем направляют его в один из реакционных центров фотосинтеза, также встроенных в мембрану тилакоидов. Каждый реакционный центр представляет собой обширную сборку из десяти тысяч атомов со своим собственным набором из двухсот антенн. В его основании лежит пара из двух высокочувствительных молекул пигмента, которые фактически поглощают энергию. Назовём это Центром фотосинтеза, где свет становится пищей для жизни.

А теперь рассмотрим всё крупным планом. Вокруг этого хлорофилла — как вокруг всех молекул, на самом деле, — вращаются электроны, типа тех, которые нарисованы на логотипах чистящего средства Atomic в 1950-х годах. Эти электроны являются отрицательно заряженными частицами, теми самыми, которые, взаимодействуя в потоке, могут испечь для вас кексы. Чтобы представить себе фотосинтез, вы должны мысленно следить за этим движущимся облаком электронов. Когда лист поглощает энергию солнца, некоторые из этих электронов, вращающихся вокруг пары хлорофиллов, настолько возбуждаются, что начинают мигрировать к другим молекулам, вызывая цепную реакцию, в ходе которой расщепляется вода, высвобождается кислород, а углекислый газ превращается в сахар. В листе такого зелёного растения, как ряска, для выполнения этой солнечной алхимии требуются два разных типа фотосистем (ФС I и ФС II).

Каждая фотосистема чувствительна к своей части светового спектра. Фотосистема II, например, поглощает длины волн длиной 680 нанометров (красноватый свет), и это поглощение заставляет один из электронов, вращающихся вокруг центральных хлорофиллов, переходить на орбиту с более высокой энергией, как мячик в начале игры в пинбол. Прежде чем электрон сможет вернуться на свою старую орбиту, высвобождая свою энергию в виде бесполезного тепла, молекула-акцептор, расположенная поблизости, подхватывает его. Но прямо по соседству с акцептором есть другая молекула, ещё более хороший акцептор, и цап! - она крадёт электрон. Электрон продолжает двигаться, как горячая картофелина, перебрасываемая между молекулами всё дальше от хлорофилла. За триллионные доли секунды отрицательный заряд оказывается на одном конце цепочки акцепторных и донорных молекул, а положительный - на другом. Положительный заряд на самом деле представляет собой “дырку” в центральном хлорофилле, образовавшуюся, когда электрон был унесён прочь.

Поскольку природа не терпит такого рода дыр, соседняя молекула с кодовым названием Z отдает электрон и сбрасывает состояние хлорофилла, что-то вроде автомата для пинбола, заряжающего новый шарик на место предыдущего. Вскоре гонка начинается вновь, когда поглощается ещё один фотон и новый электрон вылетает со своей орбиты и вступает в игру.

Тем временем первая "горячая картошка" - электрон, который путешествовал от акцептора к акцептору, теперь полностью перепрыгивает через игровое поле и попадает в другую фотосистему, ФС I. Там он встречается с центральным хлорофиллом, который недавно поглотил фотон света (длина волны 700 нанометров) и запустил в игру свой собственный электрон. Это оставляет в нем дырку, которая удобно закрывается электроном, перескакивающим с ФС II. Опять же, ФС I играет в "горячую картошку", перебрасывая электрон от одной молекулы-акцептора к другой. Электрон в конечном итоге перемещается к внешней стороне тилакоидной мембраны, в то время как положительный заряд (оставшийся в виде "дырки" в частице Z ФС II) остается близко к внутренней части мембраны.

В этот момент Мур поворачивается и указывает на меня своим маркером. “А что вы получаете, когда у вас есть положительный заряд на одной стороне мембраны и отрицательный заряд на другой?” Он похож на сумасшедшего ведущего игрового шоу. Я понятия не имею. ”МЕМБРАННЫЙ ПОТЕНЦИАЛ!" - кричит он, как будто мы попали на судебное заседание.

Изредка вы обнаруживаете истинный фетиш учёного, концепцию, которая абсолютно его захватывает. Получив возможность объяснить её непосвященным, он на мгновение останавливаются как вкопанный. Столько мыслей толпится в голове, ожидая выхода — с чего начать?

“Разница, - медленно и терпеливо продолжает он, - между мертвой и живой бактерией заключается в мембранном потенциале. В живых клетках концентрация веществ или зарядов внутри клетки отличается от концентрации снаружи. Закон неубывания энтропии гласит, что все системы хотят перейти в положение с более низкой энергией — они хотят выровнять неравномерные градиенты или концентрации. Вот почему пятно чернил расплывается в воде — концентрированные молекулы чернил диффундируют в воду, а молекулы воды проникают в чернила. Как только концентрации сравняются, система может успокоиться."

“Фотосинтез на самом деле создают неравные градиенты. Он перемещает отрицательные заряды наружу от мембраны тилакоида, оставляя внутри скопление положительно заряженных ионов. Этот процесс поляризует мембрану, создавая разницу между внутренней и внешней стороной тилакоида. Заряды по обе стороны мембраны хотят перераспределиться, высвободить свою энергию и расслабиться; это была бы нисходящая реакция, самая естественная вещь в мире. Но из-за того, что мембрана мешает, напряжение остается высоким. Ваш автомобильный аккумулятор делает то же самое — он разделяет заряды, и так накапливает энергию. Живые клетки, как и автомобили, могут использовать такой энергетический потенциал. Они используют его для импорта питательных веществ, для возбуждения нейронов, для общения клеток друг с другом или для движения мышц. На клеточном уровне жизнь живет в напряжении между неравными концентрациями, неравными зарядами. Мембранный потенциал = химический и электрический потенциалы = жизнь.”

В этот момент я, много лет не открывавшая учебник по клеточной биологии, почувствовала, что концепция немного ускользает от моего понимания. Мур, непревзойденный учитель, вернулся к листу.

Мембранный потенциал имеет большое значение для растений, а именно для питает и даёт топливо целой планете. Во-первых, происходит расщепление воды. С каждым электроном, который вбрасывает в игру хлорофилл ФС II, молекула Z жертвует один из своих электронов для “перезагрузки” хлорофилла. Z в конечном итоге отдает четыре электрона фотосистеме II. Чтобы заполнить свои положительно заряженные "дырки" из-под электронов, он объединяется с водоокисляющим комплексом, который удаляет четыре электрона из воды (H2O). Вода распадается на кислород, который просачивается из листа, и ионы водорода (H+), которые застревают внутри тилакоидного мешка. Ионы водорода, будучи положительно заряженными, отчаянно хотят сравнять счёт и выбраться наружу, где находятся отрицательные заряды.

Тем временем снаружи мембраны один за другим электроны передается молекуле, называемой NADP+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Эта передача превращает NADP+ в переносчик электронов NADPH, который обладает мощными восстановительными свойствами (способностью отдавать электроны другим соединениям). Это означает, что на следующей стадии фотосинтеза, так называемой темновой фазе, NADPH может отдавать электроны CO2 и таким образом восстанавливать его до сахара, CH2O. Но он не может этого сделать без помощника — молекулы, которая будет обеспечивать энергию.

“И здесь, - говорит Мур, - мембранный потенциал вступает в игру”.

Единственный способ для захваченных ионов водорода выбраться из тилакоидного мешка - через канал в ферменте, который работает как фактор сопряжения. В обучающих мультфильмах он выглядит как поганка, со стеблем, охватывающим мембрану, и выпуклой головкой, торчащей наружу. Поскольку плюсовые заряды выходят через этот фактор сопряжения, они извлекают плату — они превращают соединение, называемое аденозиндифосфатом (АДФ), в аденозинтрифосфат (АТФ), добавляя третий фосфат. Этот третий фосфат соединен с двумя другими высокоэнергетической связью, и именно здесь сохраняется энергия солнца. Во время темновой фазы высокоэнергетическая связь АТФ разрывается, и эта энергия используется для превращения CO2 в сахар.

Химическая реакция, заключившая эту энергию в химической связи, не могла бы произойти без разделения двух зарядов, плюса и минуса, на противоположных сторонах мембраны, куда их отправила сила обычного, как на огороде, солнечного света. Всякий раз, когда таким образом разделяются положительный и отрицательный заряды, по сути, получается батарея, заряженная от солнца.

Мур снова глубоко вздыхает. “Мы начали задаваться вопросом, сможем ли мы создать солнечную батарею, подключив светочувствительный пигмент к цепочке донорных и акцепторных молекул. Мы хотели добиться двух вещей. Во-первых, добиться разделения зарядов — плюс на одном конце цепочки и минус на другом; а во-вторых, добиться, чтобы заряды были разделены достаточно долго для того, чтобы эта энергия перешла в работу ”.

Работа может принимать разные формы: можно 1) подключить провода к концам молекулярной нити, чтобы получить электрический ток, 2) использовать его для расщепления воды и получения водорода, 3) использовать его в качестве источника питания для оборудования на заводах, или даже 4) использовать энергию как переключатель для проведения вычислений с околосветовой скоростью.

“Однажды мы можем даже убедить нашу цепочку молекул проникнуть в мембрану искусственной клетки”, - говорит Мур. “Вместо того чтобы кипятить химикаты в течение нескольких часов в токсичных растворах для производства пластмасс или других продуктов, можно было бы создать крошечный реакционный сосуд, снабдить его блоком питания и отойти в сторону, чтобы не загораживать ему солнце”. Для нас это научная фантастика — экологически чистое топливо и химические реакции на солнечном свету - но для растений это обычное дело. Кто-то всё-таки должен сказать Аристотелю, что и на кухне есть боги.

Солнечная алхимия

Строить догадки - прекрасное занятие, но, как скажет вам любой учёный центра, одно дело разработать прототип донорно-пигментно-акцепторного устройства на бумаге, совсем другое дело - в реальности соединить молекулы так, чтобы они передавали электроны. Применять теорию на практике значит делать небольшие шаги по неизведанной (по крайней мере, людьми) местности, работая с картами, которые в лучшем случае схематичны. Но учитывая тот факт, что фотосинтез производит 300 миллиардов тонн сахара в год, это, несомненно, самая масштабная химическая реакция в мире. Её умеет производить каждая сосновая иголка и пальмовый лист. Чем больше я думала об этом, тем больше поражалась тому, что никто не принял вызов Чамичана. Насколько сложно было бы повторить первые несколько пикосекунд реакции, ту часть, где происходит перенос электронов? И почему мы не пытались сделать это раньше?

Это было до того, как я увидела молекулярную карту реакционного центра фотосинтеза. У Девенса Гаста в кабинете есть полноцветная репродукция реакционного центра из пурпурной бактерии, и мы с ним некоторое время просто любовались ею. Наглядное изображение было в новинку для учёных, которые изучали фотосинтез в течение многих лет. Гаст всматривается в него, его чёрные глаза фокусируются, как глаза ястреба на норе суслика, и на мгновение он потерян для мира.

Девенс Гаст - это глубокой души человек, чьё фирменное спокойствие хорошо сочетается с порывистой страстью Тома Мура. В то время как Том и его коллега по исследованиям Ана (она же его жена) обычно надолго задерживаются в офисе вечером, Гаст закрывает свою дверь в пять и редко бывает в лаборатории по выходным. “Девенс может сделать больше за сорокачасовую неделю, чем большинство из нас за семидесятичасовую”, - говорит мне Том Мур. Перед моим отъездом Гаст достал карту и помог мне спланировать поездку по Аризоне, показав, где я могу найти руины культуры Анасази, которые туристы обычно пропускают. “Это так похоже на Девенса, - сказал Мур. - У него действительно есть время на пешие походы!” И даже перед дедлайном у него хватает времени на то, чтобы показать мне суть идей, которые вдохновляют его команду.

Реакционный центр представляет собой поразительно красивое устройство, состоящее из нескольких химических групп, называемых кофакторами, расположенных, как драгоценные камни, в спутанном птичьем гнезде из белка — ученые называют его белковым карманом. Когда вы соединяете кофакторы по точкам, вы получаете нечто похожее на вилочку у птиц, с парой хлорофилла в центре и двумя изогнутыми "костями" кофакторов, расположенных с почти зеркальной симметрией. Десять тысяч атомов расположены в мембране именно таким образом, который позволяет им играть в пинбол с электронами. Учитывая такую сложную схему, какие шаги нужно предпринять, чтобы построить солнечную батарею с нуля?

“Мы знали, что было бы нелепо пытаться воспроизвести что-то настолько сложное и тонко устроенное, - говорит Гаст. - Природа опередила нас на три миллиарда лет”. Пурпурная бактерия, которой мы восхищаемся, - это фотосинтезирующий микроб, рутинный модельный объект для поиска ключей к разгадке фотосинтеза. Это что-то вроде дрозофилы или E. coli для мира исследований фотосинтеза, потому что её легко культивировать, легко читать её геном, и в целом она структурно проще, чем зеленые растения. Считается, что она сильнее похожа на первых фотосинтетиков, которые возникли три миллиарда лет назад. Вместо двух фотосистем пурпурные бактерии обходятся одной, аналогичной ФС II. “Поскольку люди так интенсивно изучали пурпурные бактерии, в их реакционном центре меньше "черных ящиков", чем в любой другой системе; это самая подробная схема, которая есть у нашей команды".

"Мы поставили себе цель упростить схему реакционного центра и смоделировать только его суть. Мы хотели, чтобы наше устройство работало, как он, хотя и знали, что внешне оно будет сильно отличаться”. Естественный реакционный центр, например, использует запутанный каркас белков для расположения и удержания независимых кофакторов. Не желая заниматься чем-то столь сложным, как белковый карман, команда пошла другим путем. В их прототипе кофакторы плавают в стакане с жидкостью, прочно соединённые друг с другом с помощью методов органической химии.

“Химические связи должны имитировать магию белкового каркаса: удерживать молекулы в нужном положении и на нужном расстоянии друг от друга, чтобы обеспечить необходимые пути переноса электронов. Чтобы совершить этот подвиг мимикрии, - говорит Гаст, - мы подсматривали за тем, как работает природа, пробовали что-то сделать и снова подсматривали. В последнее время мы часто ходим к Нилу.”

Нил Вудбери - химик, ставший сыщиком фотосинтеза, который использует генетические ножницы и клей, лазерные прицелы и миллионы бактерий для выполнения своей детективной работы. “Ты когда-нибудь их видела?” - спрашивает Вудбери, ведя меня через холл в лабораторию по выращиванию бактерий. Лаборатория выглядит как обычная биологическая лаборатория в колледже, с длинными столами и полками над головой, заставленными горелками Бунзена и стеклянной посудой. Он садится на корточки, протягивает руку к дверцам одного из лабораторных шкафчиков и открывает двойные двери, за которыми я вижу ряд теплых ярко освещенных камер, заполненных большими банками.

Они напоминают мне банки с маринованными яйцами, которые продаются в деревенских салунах. Некоторые банки содержат слизистое коричневое вещество, в то время в других растёт пушок зелёного цвета. Он отодвигает их в сторону, чтобы найти банку с колониями пурпурной бактерии Rhodopseudomonas viridis густого розового цвета. Когда он подносит его к свету, я не вижу никакого движения, никаких волн на поверхности среды или вращающихся жгутиков. Бактерии неразличимы невооружённым взглядом, а в банке, которую держит Вудбери, должно быть, миллиарды особей. Пока мы говорим, размножение и истощение среды соответственно увеличивает и уменьшает численность бактерий.

Вудбери рассказывает мне, что долгое время им приходилось работать, почти угадывая, как расположены кофакторы, потому что молекулярной схемы реакционного центра не было. “Одним из самых впечатляющих достижений в области фотосинтеза в этом столетии стало то, что мы наконец-то вернули наши снимки с проявки и увидели бактериальный реакционный центр, каждую его молекулу. Это заняло так много времени по той причине, что структура, с которой мы имеем дело, настолько крошечная, что фотографировать ее с помощью светового луча - всё равно что пытаться попасть теннисным мячом по маковой семечке”.

Вместо этого ученым пришлось использовать "маленькие" рентгеновские лучи, чтобы сделать снимки. Этот метод называется рентгеновской кристаллографией, потому что молекула, которую нужно сфотографировать, сначала кристаллизуется - её молекулы выстраиваются так, чтобы все они были обращены в одну сторону, в безупречном парадном порядке. Рентгеновский луч проходит через молекулу, и картина дифракции рентгеновских лучей записывается в виде множества пятен на фотопластинке. Эта закономерность подсказывает ученым, как расположены атомы в молекуле — что находится рядом с чем. Самая сложная часть процесса — заставить молекулу кристаллизоваться - учёный может легко потратить от восьми до пятнадцати лет, пытаясь получить один хороший кристалл и его качественное изображение.

Чтобы получить хороший кристалл, сначала необходимо полностью растворить молекулы в воде. С белками, которые живут в мембранах, это сделать непросто. Обладая сродством к жиру (мембраны представляют собой двойные слои жира), но не к воде, мембранные белки просто скапливаются на дне мензурки вместо того, чтобы растворяться. Только после того как ученые научились цеплять к ним водолюбивые молекулы-помощники, реакционные центры смогли расцвести в воде и их наконец сфотографировали.

Ученые, совершившие этот подвиг (немецкие химики Хартмут Михель, Иоганн Дайзенхофер и Роберт Хубер), получили за него Нобелевскую премию по химии в 1988 году. “До этого, - говорит Вудбери, - мы гадали о том, какие элементы находятся в реакционном центре и как они могут быть ориентированы по отношению друг к другу. Фотографии показали нам, как именно природная геометрия улучшает передачу электронов. Теперь у нас есть конкретный план работы и цель для вдохновения”.

Тем не менее, когда Вудбери смотрит на эти бактерии, картина перед его мысленным взором гораздо более детализирована, чем то, что остальной мир видит на новых молекулярных картах. Еще до того, как были составлены карты, он и другие генетики исследовали пурпурные бактерии с помощью собственных инструментов, секвенируя белки и делая выводы на основе тщательно контролируемых мутаций. “Я знаю каждую аминокислоту в этом белковом кармане”, - говорит Вудбери. - Но знать, кто они такие, и знать, что они делают, - это две разные вещи. Сейчас мы хотим выйти за рамки простой структуры. Мы хотим знать, как структура влияет на функцию — что именно заставляет всё работать так хорошо. Я выясняю это, искажая или даже "отключая" части структуры по очереди посредством процесса под названием мутагенез”. Проще говоря, Вудбери использует биотехнологии для создания мутантных бактерий со определённым дефектом в их реакционных центрах. “Мы стараемся найти ответ на вопрос, как это специфическое изменение влияет на способность к фотосинтезу. Так мы узнаем, какие части реактивного центра наиболее важны”.

Пурпурная бактерия - удобный модельный организм для такой работы. Это не только простая система, состоящая всего из одного вида реактивного центра, но и двусторонняя в деле использования энергии окружающей среды. Она может фотосинтезировать в одно мгновение, а затем переключиться на окисление своей пищи с помощью дыхания, как это делаем мы. Как говорит Вудбери: “Эта гибкость означает, что мы можем повозиться с её фотосинтетическим аппаратом и даже немного ослабить его, не рискуя убить пациента”.

Я пытаюсь представить себе размер реакционного центра, учитывая тот факт, что он спрятан в мембране бактерии, длина которой, как рассказывает мне Вудбери, составляет всего от одного до трех микрон. Несколько тысяч таких бактерий могли бы поместиться в точку в конце этого предложения. Теперь представьте, что реакционный центр внутри этой бактерии сам по себе составляет всего около тридцати на восемьдесят ангстрем. Ангстрем - это одна десятая миллиардной доли метра. Если бы у вас была нитка с бусинами длиной в ангстрем, и вы хотели бы охватить один сантиметр, вам нужно было бы нанизать вместе 100 миллионов бусин. Теперь отмерьте тридцать бусин, и вы получите представление о ширине реакционного центра. Отмерьте восемьдесят, и вы получите длину реакционного центра.

“Электрон движется по одной стороне этого реакционного центра в форме галочки со скоростью, которая столь же поразительна, как и размер центра - говорит Вудбери. - Время переноса электрона измеряется в пикосекундах — триллионных долях секунды”. Чтобы понять это крошечное число, учтите, что одна пикосекунда составляет 1 × 10^-12 секунд, а возраст Земли составляет около 1 × 10^12 дней. Это означает, что пикосекунда так относится к секунде, как день относится к возрасту Земли. И электрону требуется всего несколько сотен этих пикосекунд, чтобы пробиться изнутри мембраны наружу. Разделение зарядов быстрее скорости мысли во много миллионов раз. Как шпионить за таким маленьким молекулярным комплексом и фиксировать такой быстрый процесс "на месте преступления"?

Решение этой проблемы - шпионить не за одним молекулярным комплексом, а за целой пробиркой реакционных центров одновременно. Хитрость заключается в том, чтобы дать им “стартовый” импульс света, чтобы все они начали фотосинтезировать одновременно. Таким образом то, что происходит в каждом реакционном центре, отражается в общем состоянии группы молекул.

Проблема синхронизации решается с помощью сверхбыстрых лазерных импульсов, которые вспыхивают, чтобы сделать “снимок” реакционного центра на различных стадиях переноса электронов. Чтобы лично увидеть эту сверхбыструю съемку, я спустилась в лазерный кабинет, где Вудбери проложил путь для движения лазерного луча. Представьте себе закольцованную игрушечную железную дорогу, только вместо вагонов движется свет. Там были светоделители, зеркала и лазерные лучи разных цветов, сфокусированные на кюветах с очищенными реакционными центрами фотосинтеза. В роли стартового пистолета - вспышка когерентного света (световые волны одинаковой длины, колеблющиеся с идеальным смещением фаз). Она возбуждает реакционные центры и заставляет их начинать передачу электронов. В этот момент Вудбери исследует кювету вторым лучом, чтобы посмотреть, в чем дело.

“В состоянии покоя каждая молекула будет поглощать свет определённой длины волны, а затем флуоресцировать — излучать свет, высвобождая энергию. Но когда эта молекула возбуждается, например, солнечным светом, она меняет свою форму и испускает свет уже другой длины волны. [Та же идея лежит в основе работы колец настроения — когда химические вещества нагреваются и меняют форму, они поглощают (и отражают) свет другого цвета.] Эта ‘спектральная подпись’ непрерывно меняется по мере того, как молекула участвует в фотосинтезе, а электроны перескакивают с одного места на другое. Отслеживая эти изменения в спектральной подписи, мы можем подсматривать за тем, что делает молекула”.

После освещения флакона с реакционными центрами “стартовой” вспышкой Вудбери переключает лазер на новую длину волны и начинает зондирование этим лучом. Он делает микрофотоснимки через определенные промежутки времени, ища флуоресценцию. “Молекула меняет форму по мере прохождения реакции. Мы внимательно наблюдаем за ней, и когда молекула поглощает зондирующий луч и излучает свет, мы отмечаем, сколько прошло времени. Мы получаем информацию о том, что на отметке 1,3 пикосекунды молекула имела такой-то спектр и находилась на такой-то стадии реакции. Затем мы повторяем это зондирование светом с другими длинами волн, чтобы получить полную картинку (хотя это больше похоже на фильм), показывающую, как молекула меняется с течением времени. Реакционные центры наших мутировавших бактерий будут функционировать иначе, чем у диких бактерий. Сравнивая запись реакции в мутантном центре с записью его дикой формы, мы пытаемся угадать, как мутация повлияла на фотосинтез”.

Вудбери вызывает изменения в дикой форме реакционного центра, переписывая его генетический план (редактируя последовательность ДНК). “Когда я убираю фрагмент, без которого фотозинтез останавливается полностью, я понимаю, что здесь есть что-то важное, и иду сообщить об этом Девенсу и Тому”. Девенс Гаст объясняет это так: “Это как если бы Нил копался в компьютере и удалял случайные части программ. Допустим, мы хотим знать, что заставляет работать текстовый редактор. Однажды он удаляет шрифты, и мы больше не можем печатать. Тогда мы говорим, что шрифты, должно быть, важны. Пойдём смоделируем их.”

Никто не просыпается однажды утром и не решает смоделировать какую-нибудь огромную молекулу типа реакционного центра; эта задача органично вырастают из гораздо более скромных начинаний. Много лет назад Том и Ана Мур шли по горячему следу механизма работы антенны — "спутниковой тарелки", которая помогает растению собирать больше света. Том написал дипломную работу по каротиноидам (пигментам в антеннах), которые в то время были не очень хорошо охарактеризованы или картированы. Они с Аной пытались выделить каротиноиды из живых систем, чтобы посмотреть, как они работают, но это оказалось непросто. Девенс Гаст тем временем работал с молекулами под названием порфирины, которые родственны хлорофиллу и также присутствуют в антеннах.

Однажды за обедом Гаст и Том Мур, которые никогда не работали вместе, заговорили о своих отдельных, но общих проблемах с антенной. Они подумали: почему бы нам не попробовать подключить каротин к порфирину и построить упрощенную антенну? В то время не было изображений того, как эти компоненты ориентированы друг по отношению к другу в реальной жизни, поэтому Мур и Гаст сделали обоснованные научными данными предположения и попытались химически связать эти молекулы, чтобы проверить свою гипотезу. “Это была изнурительная задача, и студент за студентом в отчаянии бросали это дело. В конце концов мы наняли аспиранта из Университета Монтаны, Гэри Диркса, который вцепился в это исследование, как питбуль. Он буквально жил в лаборатории, пока наконец не нашел способ собрать молекулы вместе в нужной ориентации, и они заработали!” Они предположили, что орбитали у каротина и порфирина должны частично перекрываться, чтобы энергия резонировала от одной молекулы к другой при работе антенны. Хотя их идея была логичной для них, в то время она противоречила общепринятому мнению. “Когда появились фотографии пурпурных бактерий, мы были в восторге, увидев, что элементы антенны в нашем искусственном устройстве действительно были ориентированы почти под тем же углом и на том же расстоянии, что и в настоящих антеннах, - с удовольствием говорит Мур. - Мы попали в точку”.

Диады

Но передача энергии не равна передаче электронов; дотянувшись до одной звезды, они потянулись к следующей. Другие "лодки" уже обогнали их на этом этапе гонки. Полу Лоаху из Северо-Западного Университета и его группе в Японии удалось создать диаду (молекулу, состоящую из двух частей), которая переносила бы электрон от возбужденного порфирина к акцептору - молекуле хинона. Вместо возвращения на старую орбиталь вокруг порфирина у возбужденного электрона вдруг появился “альтернативный путь” — более выгодное предложение — в виде орбитали вокруг хинона. Эта вторая орбиталь была особенно привлекательной, потому что находилась совсем рядом и была немного ниже по энергии, как вогнутость в энергетическом ландшафте. Вся хитрость в том, как связать донора и акцептора так, чтобы их электронные орбитали перекрывались.

“Это как если бы конструкторы диады вырыли речное русло между двумя молекулами”. К сожалению, “уклон” русла был недостаточно велик, и это позволяло электрону "течь" в обоих направлениях. Вскоре после кратковременного разделения плюса и минуса электрон находил путь обратно, и заряды рекомбинировали с выделением тепла, растратив энергию впустую, прежде чем её можно было использовать. “У них был довольно хороший выход [процент фотонов, которые успешно вызывали разделение зарядов], но разделение зарядов было слишком недолгим - от одной до десяти пикосекунд”. Поскольку этого слишком мало для выполнения химической работы, это была недостаточно хорошая имитация фотосинтеза.

“Наша задача состояла в том, чтобы заставить заряды быстро разделиться, а затем удерживать в таком состоянии, замедляя рекомбинацию. Хорошей тактикой казалось увеличение расстояния между положительным и отрицательным зарядами. Мы спросили себя: что, если добавить еще одну молекулу к донорно-акцепторной диаде и сделать ее цепочкой донор-донор-акцептор, триадой?” Гасту и Мур уже удавалось соединить каротин и порфирин в пару донор-донор. Добавив хинон в качестве акцептора, они создали бы триаду. В 1979 году они подняли паруса и вступили в гонку.

Триада

На бумаге это выглядело как прямой рывок к финишу. Но в лаборатории ветры переменчивы, и всё не так гладко, как можно себе представить, особенно когда подводные течения не нанесены на карту. Доктор Ана Мур фактически была бы создательницей молекулы, руководительницей экспериментальной лаборатории, и собирала бы её мучительно долго, по одной органической реакции за раз.

Если у Гаста глаза ястреба, высматривающего добычу с присады, то у Аны Мур глаза ворона, любопытные и пронзительные. Как и Том, она увлечена своей работой и говорит мне, что решения сложных проблем снятся ей во сне или приходят к ней непрошенными в душе. Во время разговора мы подходим к одной из терракотовых скамеек, которые я заметила по пути сюда. Там мы купаемся в чистом аризонском солнечном свете, размышляя о процессе, который мог бы сделать силу этого солнечного света такой же доступной для нас, как для вьющихся рядом виноградных лоз. Ана Мур описывает мне будущее, каким она его видит, заполняя мой блокнот химическими граффити.

Речь Мур больше, чем у других, пронизана чуткостью инженера, как будто химические группы, которые мне было так трудно представить, - это настоящие каркас и кирпичи, соединенные шарнирами и тросами. Она рассказывает мне о процессе синтеза с сильным аргентинским акцентом, говоря все быстрее и быстрее, с нарастающим волнением, как на американских горках во время спуска.

“Мы решили связать группы амидными связями; с их же помощью соединяются аминокислоты в белках. Амидные связи стабильны и универсальны — мы полагали, что эти связи будут удерживать нашу молекулу вытянутой в линию, достаточно жестко, чтобы она не сворачивалась сама по себе и не давала зарядам рекомбинировать. Проблема лишь в том, что для создания такого моста требуется много-много шагов”.

"Органический синтез - это искусство, - говорит она, - такое же, как кулинария для гурманов". Нельзя научить тому, как набить руку, как определять правильное время и последовательность реакций. Нужно просто делать это год за годом. Опытный химик-органик растёт долго, и научная группа Университета штата Аризона застряла бы в оковах теории, если бы не нашла хорошего химика-синтетика.

Произнесите имя Мур при её коллегах, и вы услышите слова "волшебница", "фокусник" и "чудотворец". Я повторяю их при ней, и она смеется, не понимая этого обожания. “Ты знаешь, зачем я это делаю? - спрашивает она меня. - Я люблю создавать молекулы. Как только я узнала, что соединение существует в природе, я просто обязана создать его, просто чтобы посмотреть, смогу ли я. Но построить соединение, которое умеет что-то делать, ещё лучше”.

Синтез молекулы требует отслеживания множества различных реакций, происходящих в мензурках по всей лаборатории в течение многих месяцев. Чтобы подготовить химическую группу к склеиванию, вы должны сначала присоединить к ней "ручку", с которой другие химические группы могут взаимодействовать и связываться. Пока это происходит, вы также добавляете "ручку" к следующей группе, которую хотите присоединить. Чтобы убедиться, что вы получите только желаемую реакцию, нужно защитить определенные участки химических групп своего рода маскировкой. Как только всё замаскировано и снабжено "ручками", вы создаете первую связь. Если всё получается, вы снимаете защиту с замаскированных участков и начинаете всё сначала — добавляете "ручку", защищаете, соединяете и снимаете защиту. Для каждого из этих этапов требуется специальный реагент — химическая смесь, кипящая при нужной температуре в течение нужного времени. Процедура может включать в себя десятки этапов с добавлением одного слоя за другим, пока молекула не будет построена.

“Если хоть один шаг провалится, - говорит Мур, - вам придётся очистить мензурки и начать всё сначала."

“Прямо в разгар создания триады Том уехал в Париж на творческий отпуск, а я получила должность во Французском музее естественной истории. Девенс тоже работал там вместе с нашим коллегой, Полом Матисом. Все они работали в Сакле, на атомной электростанции, которая оказалась местом расположения крупнейшей исследовательской лаборатории фотосинтеза в Париже.” Ядерная физика связана с фотосинтезом куда сильнее, чем кажется. Большая часть знаний о фотосинтезе была получена путем внесения радиоактивных меток в CO2 и отслеживания углерода вплоть до образования веществ в листьях.

Мур привезла свои планы по созданию молекулы в Париж и начала создавать её в еле-еле укомплектованной лаборатории в музее. “Каждый вечер я приносила незавершенную работу домой и ставила ее в холодильник. Мои двое детей ходили в садик, и к тому времени, как я добиралась до офиса, я проезжала пять веток метро, везде нося с собой свой драгоценный флакон. Мне потребовалось полтора года, чтобы наконец собрать молекулу, которая, как мы думали, будет работать. В музее не было спектроскопов, необходимых для тестирования, поэтому мне пришлось отправить флакон в Сакли, чтобы Том и Девенс протестировали его там”.

Том Мур продолжает рассказ жены. “Мы знали, что, если он работает должным образом, при подсвечивании отрицательный заряд будет переходить на одну сторону, оставляя положительный заряд на другом конце. Положительный заряд на одном конце заставил бы сборку поглощать свет определенной длины волны, так что, когда у нас будет конечный продукт (состояние с разделением зарядов), мы увидим большой скачок на наших детекторах. И вправду, когда мы исследовали его светом определенной длины волны, мы увидели чрезвычайно большой сигнал. Мы прыгали от радости и собирались уже звонить Ане, когда техник вышел с покрасневшим лицом и сказал нам, что он настроил зонд не на ту длину волны, поэтому результат, который мы увидели, был неточным. Это было огромное разочарование, и мы подумали, что всё. Ничего не получится. Но потом мы всё настроили правильно, и, о чудо, оно сработало. Сигнал был еще сильнее! Ана села на поезд до Сакле и, как обычно, будучи Фомой неверующим, собиралась снова проверить всё сама.”

“Когда я увидела всё своими глазами, - говорит Ана Мур, - я поняла, что это правда”.

Пожалуй, самым удивительным было то, как долго им удавалось разделять заряды в триаде. “До этого самое длительное разделение зарядов (в диаде) длилось от десяти до ста пикосекунд, прежде чем молекула схлопывалась с выбросом тепла. Не было никакого способа ухватиться за этот потенциал. Но с триадой мы смотрели, как рассчитывается время, и не могли в него поверить. Разделение продолжалось и продолжалось — от двухсот до трехсот наносекунд, от десяти до ста тысяч раз дольше, чем в диаде! Впервые у нас была достаточная дистанция и время жизни, чтобы планировать проведение настоящих химических реакций на концах молекулы”.

Стоя в Сакле, во Франции, за тысячи миль от дома, учёные-"имитаторы" фотосинтеза таращились на приборы, затем друг на друга, затем снова на приборы. Они сделали это! Они обогнули буй в гонке, за которой наблюдал весь мир фотохимии. Гаст представил доклад на Гордоновской научной конференции в 1983 году, задав темп для других "лодок" исследователей на всё следующее десятилетие.

Пентада

После этого были разработаны триады всех форм и характеристик. Все старались обогнать Гаста и Муров по продолжительности разделения зарядов и увеличить энергетический выход. Со своей стороны, трио уже подумывало о том, как выйти за рамки триады и разделить заряды ещё больше. Ана Мур рассказывает: “Когда мы вернулись домой, мы сразу же взялись за дело. Мы достроили конструкцию до молекулы, состоящей из четырех частей, и затем наконец перешли к пентаде, состоящей из пяти частей: донор-донор-донор-акцептор-акцептор. Это наша лучшая попытка на сегодняшний день. С помощью пентад мы достигли квантового выхода в восемьдесят три процента, то есть на каждые сто фотонов, которые мы закачиваем в систему, восемьдесят три из них вызывают разделение зарядов. Фотосинтез имеет выход в девяносто пять процентов, так что мы подбираемся все ближе. Лучше всего то, что в пентаде заряды остаются разделёнными даже дольше, чем в триаде. Мы постоянно подправляем молекулу, чтобы это время увеличивалось дальше”.

Химические компоненты пентады записываются так: C-Pzn-P-Q-Q. По очереди располагаются: каротин, затем молекула порфирина с цинком, затем обычный порфирин, затем нафтохинон и бензохинон. Цепь доноров (Д) и акцепторов (А) выглядит следующим образом: Д-Д-Д-А-А. Каждая из этих молекул обладает уникальной формой и электронной “индивидуальностью” и, следовательно, уникальным сродством к приему или отдаче электронов. Чтобы убедиться, что наклон находится в правильном направлении, и электрон не найдет обратный путь слишком рано, по ходу цепи расположены всё более сильные акцепторы, и каждый последующий создает более глубокую впадину в энергетическом ландшафте, чем предыдущий. Каротин в начале цепи - лучший донор; он занимает самое высокое место в энергетическом ландшафте и наиболее охотно отдает свой электрон. Хинон в конце занимает низину в энергетическом ландшафте и, следовательно, является лучшим акцептором. Электрон переходит от одной молекулы к другой, как мяч, прыгающий вниз по лестнице, и в конечном итоге останавливается на последнем хиноне.

В пентаде учёные добавили еще одно измерение, помимо основного переноса электронов. В паре Pzn-P есть крошечная имитация светособирающей антенны. Когда свет попадает на Pzn, энергия, а не электрон, направляется к P. Тот реагирует на эту энергию, отдавая возбужденный электрон первому хинону, который, в свою очередь, передает его второму хинону. Каждый оставшийся положительный заряд (“дырка”) нейтрализуется (“заполняется”) электроном от предыдущей молекулы в цепи.

Если очеловечить сказанное до невозможности, можно предположить, что пять химических групп (5-4-3-2-1) - это зрители на концерте под открытым небом. У каждого есть лёгкий плед. Легкий ветерок срывает плед с 3-го. Номеру 2 не терпится получить ещё один плед, поэтому он крадет его, в итоге получая два пледа. Номер 1 проявляет ещё большее рвение и крадет дополнительный плед у 2. Тем временем бедняга номер 3 замерзает без пледа. Щедрая душа слева от него, номер 4, даёт ему свой плед. Номер 5, будучи ещё более щедрым, отдает 4 свой плед. Теперь номер 5 без пледа (положительный заряд), а у номера 1 есть дополнительный плед (отрицательный заряд).

На языке химических формул перетасовка пледов выглядела бы так: световая энергия движется слева направо, и электроны движутся следом в том же направлении, чтобы закрыть дыры от пожертвованных электронов:

(*) = возбуждённое состояние, (-) = дополнительный электрон и (+) = "дырка", оставленная пожертвованным электроном.

Шаг 1. Свет возбуждает Pzn: C Pzn* P Q Q
Шаг 2. Передача энергии от Pzn к P: C Pzn P* Q Q
Шаг 3. Электрон переходит от P к Q: C Pzn P(+) Q(-) Q
Шаг 4. Электрон переходит от Pzn к P: C Pzn(+) P Q(-) Q
Шаг 5. Электрон переходит от C к P и от Q к Q: C(+) Pzn P Q Q(-)

Поскольку вероятность отдачи или приёма электрона зависит от формы молекулы и ее взаимодействия с соседями, у создателей пентад есть множество “регуляторов”, которые они могут настраивать, чтобы увеличить скорость переноса электронов. Они могут изменять химическую структуру молекул, расстояние их друг от друга или даже их взаимодействие со средой, которая на данный момент представляет собой жидкий раствор. Нил Вудбери предполагает, что когда-нибудь они даже смогут встроить пентаду в мембрану и окружить её белковым каркасом, который тоже будет ускорять или замедлять перенос электрона.

Хитрость при настройке пентад заключается в лёгкой руке, говорит Гаст. “Разница в энергии между этапами не должна быть слишком большой, потому что с каждым шагом теряется немного первоначальной солнечной энергии, поступившей в систему. Слишком большая разница означала бы слишком большую потерю энергии. Вместо этого нужна серия маленьких шагов, каждый из которых лишь немного ниже предыдущего на энергетическом ландшафте. Допустим, в систему поступает два вольта от солнца. Приложив все усилия, мы смогли сохранить целых пятьдесят процентов энергии от каждого поступившего фотона. Два вольта на входе, и после реакций остаётся один вольт для выполнения работы. Это уже совсем близко к фотосинтезу по эффективности”.

Создавая пентаду, команда ASU доказала важный принцип. Они показали, что если можно заставить заряды переместиться достаточно далеко друг от друга с помощью шагов, которые более привлекательны, чем естественное стремление к рекомбинации, эти заряды будут оставаться разделенными в течение длительного времени. Затем они показали, что, если сделать эти шаги достаточно мелкими, вы выиграете не только во времени, но и в энергии. Вопрос в том, во времени и энергии для выполнения чего?

Мембранная упаковка: катализатор с блоком питания

Учёные не слишком беспокоились разговорами о приложении их работы к технике. После их последней публикации (статья в журнале Discover) им начали звонить люди, интересуясь, когда они смогут купить молекулярные батарейки в гипермаркете. Команда ASU подчеркивает, что их исследования относятся к исключительно фундаментальным, и они с радостью оставляют прикладную работу инженерам. “Наш центр гораздо больше заинтересован в улучшении нашего понимания механизмов природы, чем в создании устройств”, - проговаривает Гаст официальную позицию команды.

"Да, - говорю я, - но если бы кто-то, конечно, кто-то другой, что-то построил, что бы это могло быть? Отбросьте дисклеймеры, дадим волю воображению."

Никто из них не считает, что в ближайшее время фотоэлементы на крышах будут сделаны из пентад. Пентады в их нынешнем виде иссохнут при высоких температурах и замёрзнут при низких, поэтому вряд ли смогут прослужить двадцать лет на вашей крыше. "Как насчет лишайников, - спрашиваю я, - которые содержат водоросли, способные к фотосинтезу при минусовых температурах, или пустынных растений, прекрасно выживающих при адской жаре в Долине Смерти? Разница, напоминает мне Гаст, заключается в том, что живые растения могут заменять изношенные части запасными. Несмотря на всю функциональную близость, пентада всё же не умеет регенерировать. Кроме того, по его словам, если современные тенденции сохранятся, кремниевые фотоэлементы могут в конце концов подешеветь до такой степени, что их установка на крыше станет экономически выгодной.

Однако что отличает пентады от кремниевых элементов, так это их размер — пентада размером около восьмидесяти ангстрем представляет собой крошечную пальчиковую батарею, которая активируется светом. В мире, где технологии быстро приближаются к молекулярному масштабу, будет много потребности в микроскопических батарейках. Если найти способ прикрепить их к сетке, я думаю, можно было бы залить миллиарды пентад в банку с краской и целиком покрыть свой дом солнечными батарейками! Или раскрасить ими автомобильные дороги! “Попробуйте сделать так с обычными солнечными батареями”, - смеется Мур. Затем он выгибает бровь, смотрит по сторонам и наклоняется ко мне. “Знаешь, что будет действительно потрясающим? Когда мы найдем способ внедрить эту штуку в искусственную мембрану. Вот это уже будет совсем другой разговор.

“Сейчас мы имеем, по сути, устройство для переноса электронов”, - объясняет он. “Дальше мы хотим сделать то же, что делает на следующем этапе фотосинтез, - преобразовать разделение зарядов в мембранный потенциал [Гаст никогда не упускает возможности поднять этот вопрос]. Чтобы сделать это, мы должны сконструировать искусственную клетку, поместить молекулу в мембрану и осветить ее. Таким образом мы преобразуем свет в напряжение на мембране. Тогда мы сможем применить любой из известных в природе способов использования потенциала. Перенос ионов, производство АТФ (топлива жизни), импорт сахаров — все, что биохимия делает с потенциалом в природе, сможем делать и мы, как только научимся включать молекулы пентад в мембраны”.

Ученые уже умеют создавать искусственную клетку: они помещают липиды (молекулы, из которых состоят клеточные мембраны) в воду и встряхивают их так, чтобы они самособирались в жидкие сферы, называемые липосомами. Если бы Гаст и чета Муров смогли поместить свою молекулу в оболочку одного из этих пузырьков вместе с похожим на поганку фактором сопряжения, который производит АТФ, они могли бы освещать его и получать топливо для жизни. “Просто подумайте”, - говорит Том Мур. “Мы бы продемонстрировали производство АТФ в системе, которая питается энергией света”.

И что со всем этим делать дальше? Мур вздыхает. “Ну, во-первых, я бы отошел и долго любовался нашим достижением со стороны. Потом, я полагаю, мы могли бы провести энергоёмкую реакцию — например, сборку белка. Поместить в клетку всё, что нужно для производства белков: систему рибосом, ДНК, аминокислоты, — а затем направить на неё свет и посмотреть, выделит ли она порцию белка, например, инсулина”. Сейчас инсулин вырабатывается генетически модифицированными бактериями E. coli. Возможно, настанет день, когда мы сможем отказаться от бактерий, которых нужно кормить и содержать при определенных температурах, и вместо этого будем использовать крошечные фабрики — липидные мешочки с блоками питания в стенках. Поскольку я боюсь генетических манипуляций даже с кишечной палочкой, мне нравится эта альтернатива.

Ана Мур, инженер, думает о логистике. “Сейчас наша пентада слишком длинная, чтобы поместиться вдоль мембраны — в мембранах есть тридцать ангстрем места, а длина пентады - восемьдесят. Для мембран лучшим вариантом могут быть более короткие триады, но сначала нужно улучшить их производительность и время разделения заряда. Затем мы должны заставить молекулу распознать мембрану, войти в нее и улечься в правильном направлении. Конечно, нам ещё придется разбираться с межфазными отношениями между триадой и белками, с которыми она столкнется в мембранном слое — пока что она просто плавает в растворе”. Пока она говорит, я вижу, как ее мозг лихорадочно работает, мысленно заполняя заявку на грант.

“Приходите в следующем году”, - зазывает Том Мур. - “Покажем, чего новенького сделаем к тому времени”.

Нил Вудбери любит представлять, как реакция могла бы измениться даже без мембраны, если бы мы могли найти способ подключить пентады к катализаторам, этим белковым рабочим лошадкам, которые плавают внутри клеток, соединяя и расщепляя молекулы. Подобно точечной сварке, катализаторы работают с удивительной специфичностью, отточенной за миллионы лет эволюции.

У биохимиков есть целый арсенал природных катализаторов, которые они могут взять с полки, таких как ДНК-полимераза, которая перемещается по ДНК, создавая тысячи её копий. Эти биохимические реакции по большей части протекают вниз по склону термодинамического ландшафта. Вы просто добавляете катализатор, и реакция протекает без огромных затрат энергии. Биохимия так и работает.

К сожалению, многие химические вещества и фармацевтические препараты, которые мы производим, получаются в ходе энергоёмких реакций, которые приходится вызывать с помощью агрессивных химических смесей, высокой температуры и экстремальных давлений. Что, если вместо технологии производства, состоящей из сорока или пятидесяти этапов, вы могли бы подойти к полке и выбрать дизайнерский аппарат для точечной сварки (катализатор) с собственным блоком питания (пентадой)? Вы могли бы смешать его с прекурсорами A и B и осветить, и он катализирует сложные реакции, образуя AB со всей специфичностью, на которую способна природа. Таким образом мы смогли бы эффективно производить очищенные химические вещества в воде, используя солнечный свет в качестве источника энергии и не производя вредных побочных продуктов. И тогда осталось бы только отойти в сторонку и полюбоваться на результат.

Водородные мечты

Наконец, если мы хотим имитировать ценную на планетарном уровне растительную оболочку, мы должны найти способ использовать солнечный свет для запуска химической реакции, которая даст нам пригодное для хранения высокоэнергетическое топливо. При всем уважении к растениям, сахар и крахмал - это не то, что мы, люди, желаем произвести (растения уже прекрасно справляются с их производством для нас). Что нас действительно интересует, так это возможность получения газообразного водорода из солнечного света и воды.

Водород — самое чистое в мире топливо, пригодное для хранения; его можно получить из воды, а когда вы сжигаете его, вы снова получаете чистую воду. Водород также является предпочтительным топливом для топливных элементов. Топливные элементы - это портативные устройства, которые используют газообразный водород для выработки электроэнергии, например, в автомобиле.Топливные элементы на основе ферментов пока ещё остаются недостижимой целью — никто не может заставить химическую реакцию работать дольше нескольких часов. Если и когда эти барьеры будут преодолены, спрос на газообразный водород станет огромным.

Алхимия, необходимая для “взлома” воды и извлечения газообразного водорода, на бумаге не выглядит сложной. Природа постоянно делает это с помощью фермента под названием гидрогеназа. Гидрогеназа захватывает ионы водорода (Н+) и добавляет к ним электроны с образованием газообразного H2, который выводится из раствора в виде газа. Фотосинтез производит все необходимые ингредиенты. Он отнимает ионы водорода у воды и передает электроны NADP+, который переносит электроны и водород в форме NADPH. Пока имеются ионы водорода и постоянный источник электронов, мы можем добавлять гидрогеназу и бесплатно получать газообразный водород, верно? К сожалению, все не так просто. Гидрогеназа чувствует себя некомфортно в присутствии кислорода, и спустя несколько часов работы кислород одолевает фермент и останавливает реакцию. Однако эксперты по развитию технологий предсказывают, что решение этой проблемы - вопрос времени. Когда побочные реакции будут нейтрализованы, мир начнёт искать блок питания, использующий солнечную энергию для разделения зарядов. Скорее всего, пентада или новая, ещё более продвинутая модель на основе реакционного центра, будет наверху списка кандидатов.

Вычисления на световых скоростях

Тем временем наиболее вероятное применение пентад в ближайшем будущем - это союз, который трудно себе представить: технология, имитирующая самые древние организмы в мире, может вдохнуть жизнь в совершенно новое поколение компьютеров. Эти кремнийорганические гибриды, оснащенные переключателями размером с молекулу, заставят компьютеры Pentium в сравнении выглядеть громоздкими, как компьютер ENIAC на вакуумных лапмах, произведённый в сороковых годах.

Современные компьютеры используют серию переключателей для хранения и передачи электронных битов — нулей и единиц цифрового кода. Они похожи на переключатели стрелок на железнодорожной станции. Они открываются, чтобы пропускать потоки электронов всякий раз, когда они получают правильные сигналы. И наоборот, некоторые переключатели могут быть отключены, чтобы блокировать поток электронов. Чего большинство из нас не осознает, так это того, насколько медленным и трудоемким на самом деле является этот процесс — с цепочкой переключателей компьютер может выполнять только одно вычисление за раз, последовательно. Компьютеры будущего будут больше похожи на мозг — у них будут трехмерные сети переключателей. Сигналы, вместо того чтобы распространяться через поток электронов, будут кодироваться на световых волнах, распространяющихся, ну, со скоростью света. Допустим, вы хотите отправить Британскую энциклопедию — все тридцать или около того томов — из Бостона в Балтимор. Если вы отправите его по современным медным проводам и втиснете в модем с пропускной способностью 28,8 бод, ваши телефонные линии будут перегружены на полдня. Тот же документ при передаче с помощью световых волн по оптическому волокну толщиной в волосок отправился бы менее чем за секунду.

Для оснащения этих оптических чудес технологам понадобятся светочувствительные переключатели, и чем меньше они будут, тем лучше. Устройство, подобное пентаде, которое изменяет распределение заряда (расположение электронов и "дырок" от них) в ответ на определенную частоту света, будет идеальным переключателем. Осветите его, и отрицательный и положительный заряды устремятся к противоположным концам пентады. Когда переключатель находится в этом состоянии с разделёнными зарядами, он фактически меняет форму и, следовательно, поглощает свет из другой части светового спектра (как в кольце настроения). Это означает, что пентадой можно управлять — ее можно переключать туда-сюда, например, из состояния, в котором она поглощает только красный свет, в состояние, в котором она поглощает только зеленый свет. На компьютерном жаргоне эти состояния станут "вкл" и "выкл", нулями и единицами.

Гаст и Том Мур уже размышляли в прессе о возможности установки миллионов переключателей-пентад на долговечной основе. Их статьи в компьютерных журналах описывают специфику молекулярных логических вентилей “ИЛИ” и “И-НЕ”. Вот один из сценариев: в состоянии с разделенными зарядами (C+ Pzn P Q Q-) пентада будет поглощать свет с длиной волны 960 нанометров (нм). В переключателе, через который проходит свет с длиной волны 960 нм, пентада с разделенными зарядами блокирует этот свет, поглощая его. По сути, это выключение сигнала. И наоборот, пентада в спокойном состоянии не будет поглощать свет с длиной волны 960 нм и, следовательно, будет его пропускать. Мы могли бы переводить эти молекулярные переключатели из спокойного состояния в состояние с разделением зарядов, осветив их подготовительным импульсом света, фактически открывая или закрывая вентили для передачи битов и байтов.

Последнее упомянутое применение может показаться далеким от идеи фотосинтеза, если не вспомнить, что, находя новое применение механизмам фотосинтеза, мы становимся совершенными биомимиками. “Природа славится тем, что переоборудует существующие технологии для достижения самых разных целей”, - напоминает мне Том Мур. По его словам, с некоторыми изменениями тот же механизм, который превращает углекислый газ, воду и энергию в сахар и кислород, просто запускается в обратном порядке всякий раз, когда мы едим салат или бефстроганов. Мы берем сахар и кислород и расщепляем их на энергию, углекислый газ и воду. Общим для этих зеркальных реакций является то, что пронизывает все царства живых организмов: чудо мембранной поляризации. На самом деле (с каждой минутой я все больше напоминаю Тома Мура), это общий элемент всех биологических функций, включая мышление. Пока вы читаете это предложение, мембранный потенциал ваших нервных клеток помогает вам посылать сигналы, обрабатывать информацию и, короче говоря, вычислять. Внезапно идея играть в тетрис на компьютере с искусственным фотосинтезом перестает казаться странной — это просто ещё одно яблоко, упавшее не так уж и далеко от яблони.

Позже на той же неделе я снова думаю об этом всём, пробираясь среди руин анасази, на которые меня завел Девенс Гаст, и начинаю улыбаться. После всех этих лет мы только сейчас смотрим на листья как на источник вдохновения. В отличие от анасази, мы построили слишком много наших лабораторий, повёрнутых не в ту сторону, подальше от солнца. “Надеюсь, ты получишь свой грант”, - говорю я вслух, а затем прислоняюсь спиной к круглой стене церемониальной кивы и засыпаю в мягких лучах солнца.

Фотоферменты

Несколько месяцев спустя, когда я упоминаю усилия команды из Аризоны по конструированию пентад при Джеймсе Гийе из Университета Торонто, он кивает головой. “Они впечатляют, и они хорошо работают, - вежливое молчание, - до тех пор, пока у вас есть к чему подключить лазер. Но что, если выйти на улицу и подставить их под обычный канадский северный солнечный свет? Сможете ли вы получить электрический ток? Более того, сможете ли вы получить из них топливо? Это то, чего хочу добиться я”.

И чтобы сделать это, Гийе занимается другой частью фотосинтетического механизма. Пока Гаст и Мур моделируют реакционный центр, Гийе пытается создать то, что, по его мнению, в конечном итоге понадобится каждому реакционному центру: способ сфокусировать рассеянный солнечный свет. Растения делают это с помощью пигментных антенн, и если Гийе преуспеет, команда из Аризоны, возможно, сможет соединить полноценную антенну со своей пентадой и проводить химические реакции в воде. Но это мы забежали вперёд.

Пока что у Гийе есть лишь причины искать свою отдельную часть Грааля искусственного фотосинтеза. Он живет в холодной, темной стране, которая потребляет больше энергии на душу населения, чем любая другая в мире. Поскольку солнечных дней не так уж много, Гийе заинтересован в том, чтобы найти способ выжать из солнца пригодное для хранения топливо, которое можно было бы сжигать в течение этих зимних месяцев — что-нибудь типа водорода. Хотя он может быть неуверен в своих планах, я думаю, что он размышляет в эту сторону. Его послужной список — документы, награды, патенты, бизнесы — говорит о человеке, который не позволяет хорошим идеям зарастать мхом.

Несмотря на то, что он ушел с преподавательской работы несколько лет назад, Гийе имеет офис в Университете Торонто и по-прежнему регулярно приходит туда. Здесь он одной ногой стоит в академических кругах, а другой - в частном секторе, где и началась его карьера. “Я проходил обучение в частном секторе, где практический аспект науки был главным, - говорит он мне. - Но когда я перевелся в университет, от меня потребовали забросить эти привычки”. Это было в эпоху, когда настоящий престиж в науке лежал в области физики, где элегантные теории и объединяющие концепции были блестящими значками отличия для учёного. Погруженный в муки так называемой “зависти к физике”, глава его отдела фактически запретил ему производить что-либо достойное патента. К чести Гийе, он решительно проигнорировал этот совет и с тех пор не прекращал патентовать изобретения и стартапы.

Одно из его изобретений - Ecolyte, пластик, который разлагается на мелкие кусочки, когда на него попадает солнечный свет.

*К биоразлагаемому пластику стоит относиться с осторожностью, т.к. большинство его сортов ещё опаснее для окружающей среды, чем обычный, из-за образования микропластика.

“У меня в четыре раза больше изобретений, чем у Бенджамина Франклина, - говорит он мне, - и я стремлюсь к сотне”. Где-то между настоящим моментом и сотней он может запросто изобрести устройство, превращающее энергию солнца в топливо, способное заправить автомобиль. Его дебют может оказаться совершенно неожиданным для конкурентов по отрасли. По словам Гийе, он и они участвуют в параллельных гонках с совершенно разными правилами.

В Соединенных Штатах, говорит Гийе, для достижения действительно больших целей часто используется военный подход, примером чего является Манхэттенский проект. Но на этот раз это не сработает, считает он. “Покупка высокотехнологичных лазеров [вроде тех, что окружают установку Нила Вудбери] всегда была одной из главных статей расходов в исследованиях солнечной энергии. Но я не думаю, что устройства на солнечной энергии будут использовать дорогостоящие подходы. Я не думаю, что природа работает с такими затратами”.

Мы направляемся к французскому ресторану в университетском районе, и он останавливается, чтобы сорвать лист с одного из многочисленных деревьев, растущих вдоль узкой дороги. “Вот это устройство для получения солнечной энергии все хотят сымитировать”, - говорит он, протягивая мне листик, как цветок. “И это устройство не проводит реакции под концентрированным когерентным светом лазеров. Лазеры очень интенсивны, в то время как солнечный свет более рассеян — как морось вместо сильного дождя”.

В этот момент он прерывается и щурится на солнце. “Несмотря на то, что на Землю падает много солнечного света, его заведомо очень трудно собрать. Проблема
в синхронизации. Фотосинтез зеленых растений требует, чтобы не один, а два фотона попадали в реакционные центры двух фотосистем в быстрой последовательности. Это ”двухфотонное событие" должно произойти в течение времени жизни возбужденного состояния, иначе побочные реакции сведут всё на нет - в одном фотоне просто недостаточно энергии, чтобы запустить процесс". Ни один букмекер в мире не поставил бы деньги на то, что два фотона попадут на один и тот же квадратный сантиметр листа почти в одно и то же время. Природа, естественно, взяла эти безрадостные шансы и превратила их в надежные ставки.

Это делают листья, это делают водоросли. Даже фотосинтезирующие бактерии делают это. Они разворачивают антенну, перед которой фотоны не могут устоять. Тратя львиную долю своего хлорофилла, фотосинтезаторы распределяют набор принимающих молекул пигмента примерно по двести на каждый реакционный центр. Каждая молекула антенны, как подсолнух, поворачивает свое порфириновое кольцо навстречу входящим фотонам. Когда фотон попадает в любое место комплекса, он возбуждает электрон в порфирине, тот переходит на более высокую орбиталь, и прежде чем электрон сможет спуститься обратно на свою первоначальную орбиталь, энергия (не сам электрон, а только энергия) мигрирует в соседнее порфириновое кольцо, готовое её поглотить. “Миграция энергии подобна звуковым волнам, которые исходят от камертона, когда по нему ударяют, - говорит Гийе. - Спустя какое-то время камертон в другом конце комнаты "поймает" энергию и начнёт резонировать с той же частотой”.

В листе энергия быстро направляется к месту назначения, передаваясь от антенны к антенне. По словам Гийе, иметь множество этих кольцеобразных пигментов, готовых улавливать энергию - это все равно что собирать дождь со всей крыши, а не только с поверхности дождевой бочки. “На самом деле, - говорит он, - если антенна состоит из двухсот молекул пигмента вместо одной, вероятность поймать второй фотон в нужное время увеличивается в сорок тысяч раз”.

Чтобы сделать что-то близкое к фотосинтезу — например, расщепить воду для водородного топлива с помощью солнечного света, нужно поймать оба фотона. “Как только вы отучите себя от лазеров, вы поймете, что вам понадобятся два фотона, поступающих почти в одно и то же время. Независимо от того, насколько хорош ваш реакционный центр, ему не с чем будет работать, если вы не сможете собирать для него фотоны ”. Как только он осознал этот факт, по словам Гийе, он решил оставить другим усовершенствование разделения зарядов, пока он будет выяснять, как сделать искусственную антенну.

“Я хотел посмотреть, будет ли энергия мигрировать по линейной цепочке светочувствительных пигментов так же, как по большой неорганизованной группе. Я выбрал нафталин - органический хромофор, используемый для изготовления красителей и растворителей, - потому что он связан со светочувствительными частями молекул хлорофилла. Я связал тысячи этих нафталинов вместе в длинную цепочку повторяющихся молекул - полимер. Если по-простому, полимер похож на длинное жемчужное ожерелье на гибкой нитке. Когда я положил его в раствор, он свернулся в спираль. При попадании света один из нафталиновых хромофоров подхватил энергию, которая затем начала перемещаться от жемчужины к жемчужине не только по цепочке, но и перескакивая на между частями спирали, которые касались друг друга”. Гийе называет случайные перескоки энергии “походкой пьяного моряка”.

Гийе также признал, что в листе природе удается мягко направлять это случайное блуждание — например, поместить пьяного моряка на наклонную поверхность, чтобы он в конце концов направился ко дну. В случае с растением “дно” - это реакционный центр хлорофиллов, где начинается основная реакция. Каждый шаг на этом пути, каждая антенна находится на несколько ниже на энергетическом ландшафте. Переход от высокой энергии к низкой подобен спуску по скользкому склону; энергия не может двигаться в другую сторону, поэтому она попадает в ловушку центральных хлорофиллов.

Гийе хотел повторить трюк природы на линейной цепочке. “После выуживания фотонов из "моросящего" света я хотел, чтобы вся энергия поступала в одно место в конце цепочки — в низину энергетического ландшафта”. Как только удастся направить фотоны в центральную точку, можно начинать придумывать, как использовать энергию для создания и разрушения связей в химических соединениях, расщепления воды, производства фармацевтических препаратов и многих других химических реакций.

Антрацен оказался идеальной "низиной" — Гийе поместил его в конец цепочки, и после того как нафталиновое ожерелье осветили, спектральная сигнатура изменилась, сигнализируя о перемещении энергии. “Этот сигнал был замечательным знаком. Я сразу понял, что большая часть световой энергии покинула нафталин и попала в антрацен. В довершение всего, процесс был еще и эффективным — девяносто пять из ста фотонов вызывали активацию антрацена. Этот 95%-ый коэффициент преобразования конкурирует с коэффициентом в природном фотосинтезе, что показал нам, что мы можем создавать антенны, которые улавливают фотоны не хуже природных”.

Теперь, когда мы можем улавливать энергию, я спросил, что с ней можно сделать? Гийе оживляется, и я чувствую тот момент, когда ученый открывает душу — для Тома Мура это был мембранный потенциал, а для Джима Гийе, я думаю, это реакции в растворах. “У жизни есть несколько очень распространенных стратегий — трюков, которые она использует повсеместно, потому что они отлично работают. Один из них заключается в проведении химических реакций в воде — будь то в дереве, кукурузном растении или клетке мозга — предпочтительным растворителем является вода”. Человечество, конечно, придерживалось другого курса. Когда мы производим пластмассы, синтетические волокна, покрытия, фармацевтические препараты, сельскохозяйственную химию и другие продукты нефтехимии, мы используем органические растворители, которые могут выделять токсичные вещества и которые трудно безопасно хранить и утилизировать. Как только Гийе запустил в работу свое энергетическое ожерелье, он начал фантазировать о том, как заставить эти органические растворители выйти из моды. “Я подумал, почему бы не подражать природе и не использовать благоприятную для жизни жидкость в качестве среды для реакций?”

В своих самых смелых мечтах Гийе начал видеть, как его полимерная антенна открывает новую эру, в которой химические заводы будут похожи на растения. “Была только одна проблема, - говорит он мне, - нафталины ненавидят воду". Как и мембранные белки, нафталины боятся воды и не будут висеть в жидкости долго. Его решение состояло в том, чтобы присоединить к цепочке несколько водолюбивых молекул, придав полимеру двойные свойства. Гидрофильные группы с удовольствием купались бы в воде, в то время как нафталины скопились бы под ними в центре, образуя уютный гидрофобный карман.

Это раздвоение личности - повторяющаяся тема в химии, даже когда дело касается стирки. На самом деле именно из-за раздвоения личности молекулы мыла мы можем получить чистую одежду. Представьте себе молекулу мыла в виде “магнита” с двумя полюсами - один полюс любит воду, а другой боится воды. Опустите крошечные магнитики в воду, и водобоязненные концы найдут друг друга и прижмутся друг к другу, в то время как водолюбивые концы будут направлены в сторону воды. Мыло формирует колючие сферы молекул, которые называются мицеллами, и они "висят" в воде внутри стиральной машины. В центре каждой сферы находится водобоязненный “карман”, который притягивает другие водобоязненные молекулы, проплывающие мимо, в том числе молекулы жирных пятен. Как только эти водобоязненные вещества вырвутся из волокон ваших джинсов, лишь вопрос времени, как быстро они наткнутся на один из колючих шариков моющего средства. Почувствовав убежище, они ныряют в центр мицеллы, которые вытекают с водой при полоскании.

Та же история и с новыми полимерами Гийе. Каждый длинный полимер, похожий на ожерелье, создает свою собственную спираль, называемую псевдомицеллой, с гидрофобным карманом посередине. Гийе создал шаровидную антенну, в которой энергия направляется к центру, как и любые проплывающие мимо водобоязненные молекулы. Если водобоязненные молекулы оказываются предшественниками для химической реакции, по словам Гийе, всё готово к проведению реакции в воде: предшественники направляются в центр, где на них выливается энергия, поступающая от солнечного света, которая либо образует, либо разрывает связь.

Во многих отношениях это то, что представляет себе Нил Вудбери, когда говорит о природных катализаторах с блоком питания. Гийе создал микрореакторы, которые плавают в воде и действуют как катализаторы или ферменты - “захватывают” субстраты в своем гидрофобном кармане и используют энергию солнечного света для образования и разрыва связей. Гийе называет их фотозимами.

Фотозим, на котором сосредоточено большинство исследований Гийе, имеет прозвище, на котором язык спотыкается: PSSS-VN. Он состоит из двух соединений: стиролсульфоната натрия и 2-винилнафталина. Первый тестовый запуск PSSS-VN был проведен в мензурке, наполненной водой и пиреном, который является канцерогеном. Как только он высыпал водобоязненный пирен в стакан, он нырнул в центральный карман полимерной спирали, в который поступает улавливаемая энергия света. Когда солнечные лучи освещали полимер, энергия устремлялась к центру спирали и запускала чрезвычайно быстрые фотохимические реакции, расщепляя пирен на менее опасные молекулы.

Чтобы продемонстрировать свою идею широкой аудитории, Гийе выбрал животрепещущую тему: полихлорированные дифенилы, или ПХД. Эти распространенные промышленные химикаты (присутствующие в 40 процентах электроприборов) в настоящее время встречаются повсюду, даже в арктических водах. Причина, по которой ПХД проникают так далеко, заключается в их устойчивости к разрушению под воздействием солнечного света. Обычная очистка от ПХД и других загрязняющих веществ часто затрудняется тем, что эти вещества в сверхмалой концентрации распределены по большому объёму воды.

Фотозимы предстают идеальным решением, поскольку они могут улавливать ПХД даже в концентрации всего несколько частей на миллион, а затем с помощью световой энергии удалять из ПХД хлор, делая их безвредными. Гийе объясняет, что это будет работать следующим образом: молекула ПХД будет притягиваться к центру мицеллы, а там вспышка световой энергии приведет к разрыву одной из ее связей с атомами хлора. Затем разложившаяся молекула ПДХ выходила бы из мицеллы, а на её место улавливалась бы следующая. Через неделю или две, после полудюжины дехлорирующих "путёвок" в центр мицеллы, каждая молекула ПХД будет разложена до нехлорированного, биоразлагаемого состояния.

Я спрашиваю, можно ли не разрушать, а создавать что-то с помощью фотозимов? "Да! Вы были бы удивлены, узнав, сколько реакций можно провести, используя свет вместо тепла, давления или агрессивных химикатов. Мы показали, например, что можно смешивать фотозимы с предшественниками витамина D и получать его за один шаг вместо нескольких, которые требуются сейчас, — энергию любезно предоставляет солнце. А оно даёт, конечно, много энергии. Мы вычислили, что при существующей эффективности процесса мы могли бы обеспечить Канаду годовым запасом витамина D, если отвести под синтез небольшой бассейн”.

С фотозимом фотохимия становится очень специфичной: вы получаете желаемый продукт без побочных или вспомогательных реакций, которые дают нежелательные продукты. Процесс также может быть откалиброван. Вы можете изменить молекулярный вес фотозима, сконструировать карман таким образом, чтобы в него могли попасть только определенные гидрофобные соединения, или сопоставить уровни энергии антенны с определенными молекулами субстрата, чтобы антенна “находила” и активировала только нужный субстрат в мешанине молекул. Помимо того, что фотозимы эффективны и используют неисчерпаемую энергию солнца, они ещё и долго служат. Как только вы извлекете витамин D или любой другой продукт из раствора, полимер можно использовать снова.

Не то чтобы химия "au naturel" была панацеей для всего, говорит Гийе. У неё есть свои проблемы, такие же, как те, с которыми сталкиваются живые организмы. “Каждый раз, когда вы проводите химическую обработку в воде, используя естественный солнечный свет, вам приходится учитывать слои воды — свет лучше всего проникает в верхний слой и слабеет по мере продвижения вглубь. Моя проблема — инженерного толка, если подумать — заключалась в следующем: как привязать реакции к верхним слоям, чтобы они подвергались максимальному воздействию солнечного света? Я все размышлял и размышлял над этим, пока однажды, приехав на выходные в Стоуни-Лейк, я не отправился на прогулку и не оказался у тихой бухты. Там перед моими глазами предстала лучшая в мире стратегия сбора света для фотохимических реакций. Сейчас покажу.”

Он берёт с полки позади небольшой пластиковый контейнер, затем вытряхивает его содержимое мне в руку. Полупрозрачные пластиковые диски размером с канцелярскую кнопку скапливаются у меня на ладони. “Это шарики Соларона*. Они сделаны из полиэтилена. Сейчас они сухие, но если положить их в жидкость, они быстро впитают ее, как это делают впитывающие подгузники. Чтобы использовать их для проведения реакций на свету, сначала дайте им впитать растворённые реагенты. Потом можно бросить шарики в пруд, где они распределятся равномерным слоем, впитают солнце и проведут химическую обработку прекурсоров. Чтобы удалить шарики, нужно либо просеять их из воды сразу все, либо медленно сдвигать, вылавливая готовые шарики с одного края и засыпая новые шарики с другого. Чтобы ‘собрать урожай’ витамина D, нужно промыть шарики, затем можно снова замочить их в реагентах и бросить обратно в пруд.

*Продукт не вышел в продажу или уже вышел из продажи, в Интернете информация отсутствует

“Во многих отношениях это больше похоже на сельское хозяйство, чем на промышленную химию”, - говорит Гийе. “На самом деле, мы можем представить себе использование оборудования для обработки зерна — конвейеров, шелушильных машин и элеваторов - для хранения и транспортировки гранул. В компании Solarchem, которую я основал, мы уже производим ряд продуктов таким образом. Покрыть квадратный метр воды этими крошечными солнечными лабораториями стоит около пятьдесяти центов, в то время как солнечные батареи стоят от пятидесяти до двухсот долларов за квадратный метр”.

Все это время я перекатываю шарики по ладони. Наконец, я внимательно смотрю на них. Они овальные и слегка вогнутые. “Догадываетесь, откуда я черпал вдохновение?” спрашивает Гийе.

Я представляю себе крошечные диски, плавающие на поверхности воды, и могу представить, как они равномерно и плотно распределяются по поверхности. Внезапно я понимаю. Мои поиски привели меня к началу, и уроки, которые я должна усвоить — что такое сорняк, что такое досадная помеха, что такое блестящий образец эффективности и элегантности, — все это разом выбрасывается на поверхность. Вдохновение Гийе - Чеширский кот, которого я не могу поймать, часть неотвратимого гения, который нас окружает.

"Я абсолютно точно знаю, откуда," - говорю я.

“Потрясающе, не правда ли?” - говорит он, и мы улыбаемся друг другу, когда он высыпает небольшую горку шариков в мои подставленные ладони.

Искусственная ряска. Патент номер 84.

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/83764/527520

Переводчики: wild_wolf