CO2 и растения

Я интересуюсь мнением профессионалов, в том числе и климатологов. С удовольствием прочитал статью Ирины Делюсиной. Как исследователь я работаю с растениями, изучаю работу генов, которые находятся в хлоропластах. В тех самых, которые осуществляют фотосинтез, «осаждают CO2» в терминах планетологов. Неизбежно я заглядываю в сопряженные области plant science, читаю о том, что и как делают белки, которые кодируют эти гены. Поэтому меня удивило утверждение о том, что «Излишнее содержание CO2 … выводит систему из равновесия… В конечном счете это приводит к вымиранию… Исчезновение видов растений и животных… Причины включают и варварское обращение с природой, и, как один из его аспектов, загрязнение атмосферы углекислым газом». В тексте Ирины Делюсиной нет прямого утверждения, что увеличение концентрации CO2 токсично для растений. Однако если читатель давно забыл (или не слушал) университетский курс физиологии растений, то у него по прочтении этого текста может создаться именно такое впечатление. Поэтому давайте вспомним, как связаны растения, фотосинтез и CO2.

В школе нас учат, что растения используют энергию солнечного света, чтобы из CO2 и воды синтезировать глюкозу. В университете добавляют, что солнечный свет запускает одну фазу (так называемую световую), а синтез глюкозы из CO2 и воды происходит в другой фазе (так называемой темновой). И это действительно разные фазы: один процесс протекает в мембранах, а другой в клеточном матриксе, в водной фазе. Гены хлоропластов в основном кодируют белки световой фазы фотосинтеза, прямого отношения к реакциям с CO2 они не имеют, поэтому дальше мы о них говорить не будем. В хлоропластах цветковых растений лишь один ген (rbcL) кодирует фермент, который участвует в темновой фазе, в фиксации CO2, в цикле Кальвина. Но это самый важный фермент — рибулозобисфосфат карбоксилаза/ оксигеназа (РБФК/О, или RuBisCO). Именно он присоединяет CO2 к органической молекуле (рибулозо-1,5-бисфосфату) и запускает весь цикл Кальвина. Фермент этот (рубиско, RuBisCO) работает крайне медленно, лимитирует работу всей системы фиксации CO2, растения вынуждены нарабатывать его в огромных количествах. Отчего же так?

Фотосинтез возникал более миллиарда лет назад, когда концентрация СО2 в воздухе была значительно больше, чем сейчас. Углекислый газ легче проникал в клетки, растворялся в них, отчасти превращаясь в НСО3–. В клетках было гораздо больше CO2 и НСО3–. Но потом фотосинтезирующие организмы буквально выкачали СО2 из атмосферы, осадили его, как говорят планетологи. Заодно создали из CO2 некоторые острова. Но возникла проблема: рубиско хорошо работает при гораздо более высоком содержании CO2, чем получается сейчас при его пассивном поступлении в клетку. В процессе эволюции фотосинтезирующие организмы научились увеличивать концентрацию CO2 в том месте, где «работает» рубиско — в цитозоле цианобактерий или в строме хлоропластов у водорослей и растений. Были задействованы разные механизмы: ферменты карбоангидразы ускоряют превращение CO2 + Н2О ↔ НСО3– + Н+; у растений работает несколько разновидностей С4-цикла, в котором НСО3– (при более низкой его концентрации в клетке) присоединяется к другой органической молекуле (фосфоенолпирувату), ее направляют к месту работы рубиско и там расщепляют с образованием CO2. Особый тип — CO2 concentrating mechanism, CCM — возник у цианобактерий. Не пытаясь разбираться в этих механизмах, запомним: с падением содержания CO2 в воздухе растениям, водорослям, цианобактериям пришлось вырабатывать и применять сложные, энергозатратные механизмы, чтобы приспособиться к новой реальности. А еще синтезировать рубиско в огромных количествах — в листьях растений это самый массовый белок.

В приведенных автором цитатах из текста Юлии Латыниной первая — «чем больше CO2 будет в воздухе, тем зеленее и сочнее будет наша планета» — действительно вызывает улыбку. Фотосинтез — очень эффективный процесс, и механизмы внутриклеточного концентрирования CO2 работают надежно. Рост растений — для того, чтобы планета стала зеленее, — ограничивает не фотосинтез, а совсем другие факторы, в том числе хозяйственная деятельность человечества. А вот фраза «Никакого от него, CO2, вреда, окромя пользы» выглядит весьма правдоподобно. Во всяком случае, если мы ограничимся воздействием этого газа на один (любой) вид растений. Как усиленное поглощение CO2 влияет на конкуренцию между разными видами растений, может ли это приводить к вытеснению одних видов другими, к падению видового разнообразия — в этом я не разбираюсь. И с интересом познакомлюсь с примерами, если мне их покажут. Я слышал о таких примерах в области минерального (азотного) питания, но по отношению к CO2 мне это пока кажется удивительным.

Поэтому задам вопрос. В статье Ирины Делюсиной содержится явный намек на то, что увеличение содержания CO2 в воздухе будет вредно (токсично?) для растений. Прошу объяснить, как и в чем это будет выражаться. Конечно, в результате увеличения содержания CO2 в воздухе может нарастать температура, может меняться климат, и уже это может наносить вред растениям. Как исследователь я как раз изучаю влияние повышения температуры на хлоропласты. Но это разные вопросы, и давайте не будем их смешивать.

Евгений Лысенко,
канд. биол. наук, ст. науч. сотр.
Института физиологии растений
им. К. А. Тимирязева РАН

P. S. Я не являюсь специалистом по темновой стадии фотосинтеза (циклу Кальвина и прочим процессам, связанным с фиксацией СО2). Однако в российском «растеническом» научном сообществе осталось немного хороших исследователей световой фазы фотосинтеза и практически не осталось таковых для темновой фазы. Не модно. Поэтому я позволил себе изложить свое понимание этой ситуации и задать вопрос.