Он открыл, как дышат растения

17.10.2001

МЕЛВИН КАЛВИН


Мелвин Калвин

Американец Мелвин Калвин (1911-1997) был награжден Нобелевской премией в области химии в 1961 году за работу, описывающую механизмы ассимиляции углекислого газа растениями (ассимиляция — усвоение клетками организма химических компонентов). Сейчас этот процесс в его честь назван — "циклом Калвина". Эта работа внесла огромный вклад в понимание процессов фотосинтеза, при котором растения, используя энергию света, превращают углекислый газ и воду в более сложные соединения, такие как углеводы.

Для роста и жизнедеятельности каждому живому организму необходима энергия, которую должен получать в доступном виде. В связи с этим живые организмы, населяющие нашу планету, могут быть разделены на две группы. Все животные, включая человека, и некоторые более низкоорганизованные организмы получают энергию, потребляя "богатую калориями" органическую пищу. Эта энергия, содержащаяся в пищевых продуктах, становится доступной в результате биологического окисления ("сжигания") углеводов, жиров и т.д. Совершенно очевидно, что такие организмы, называемые гетеротрофами, нуждаются в органических веществах, производимых вне их организма.

В противоположность гетеротрофа, организмы, принадлежащие ко второй группе, называются автотрофами, например зеленые растения и бактерии, которые не нуждаются в органических соединениях, поступающих извне. Они синтезируют органические вещества, преимущественно углеводы, из простых компонентов: углекислого газа и воды, которые сами по себе не содержат калорий. Обеспечение энергией, необходимой для синтеза, происходит за счет солнечного света, который абсорбируется организмами и превращается в химическую энергиюv. Последовательность реакций, при которых углекислый газ и вода превращаются в углеводы, называется ассимиляцией углекислого газа или, учитывая роль световой энергии, фотосинтезом.

Совершенно очевидно, что фотосинтез позволяет объяснить существование автотрофных организмов, а также обеспечивает пищей человека и животных. Иными словами, фотосинтез — это процесс, необходимый для всего живого на земле, и для большинства биохимических реакций. Было подсчитано, что все растения и бактерии на земле трансформируют около 6000 тонн в секунду углерода из углекислого газа в углеводы, при этом четыре пятых этого количества производится организмами, населяющими океан.

Понятно, что реакция такой важности должна была привлечь внимание ученых на самых ранних стадиях. Однако более чем столетие процесс изучения химии фотосинтеза шел медленно, частично из-за отсутствия приемлемых экспериментальных методов.

Более пятидесяти лет назад стало известно, что фотосинтез состоит из двух фаз — световой и темновой. Доктор Мелвин Калвин, много лет исследовал химические процессы, происходящие в этих двух фазах, при этом надо отметить, что реакции, ведущие к превращению углекислого газа в продукты ассимиляции, происходят именно в темновую фазу. Работа над изучением этого процесса позволила внести ясность в запутанный вопрос.

Успех был достигнут благодаря упорной, квалифицированной работе и современным экспериментальным методам, позволившим сделать такие открытия, которые в старые времена были невозможны. Следует отметить два таких метода: применение радиоактивных изотопов и хроматография. Благодаря комбинации этих и некоторых других методов Калвин смог проследить путь превращения атома углерода из молекулы углекислого газа, улавливаемого растениями, в конечный продукт ассимиляции.

В большинстве своих экспериментов ученый использовал зеленые водоросли, но параллельные опыты с высшими растениями показали, что фотосинтез идет одинаково у всех растений.



Открытие Калвином фотосинтеза пролило свет на многие биохимические процессы, которые долгое время находились под завесой тайны. Он изучил различные этапы фотосинтеза, четко и ясно показал все сложнейшие реакции, имеющие огромное значение для жизни на нашей планете.

Мельвин Калвин родился 8 апреля 1911 года в городе Сан-Поль (Миннесота) в семье еврейских иммигрантов, незадолго до того уехавшей из России, из черты оседлости, то есть — говоря американским термином — "резервации для еврейского населения империи", вне пределов которой евреям не разрешали селиться в городах и крупных населенных пунктах России. Его родители имели обыкновенные еврейские профессии — мать была кухаркой, а отец — портным. Много позже доктор Калвин вспоминал, как он наблюдал за работой своего тихого, доброго и трудолюбивого отца, когда тот кроил из темного и бесформенного (как тогда казалось мальчику) куска ткани то брюки, то полы пиджака, то праздничный сюртук для раввина.... Кстати, в еврейской общине этого городка, которая очень помогла его семье встать на ноги, а детям приличное образование, отец Калвина пользовался очень хорошей репутацией как "шнайдер" — портной, удивительно тщательно делающий свою работу, и большинство праздничных костюмов, в которых евреи городка праздновали субботу, а равно и талитов, в которых они молились в синагоге, были сшиты руками его отца. И вот именно это превращение кажущегося "хаоса" в стройное и красивое изделие, точно подходящее по размеру к фигуре человека, всякий раз казалось маленькому Мелвину чудом, едва ли не равным тому чуду, о котором он с детства читал в первой книге Торы — Брейшит, где описан процесс сотворения мира Вс-вышним из ничего. Он еще много раз вспомнит эти детские впечатления, когда станет разбираться в том, как именно устроен сотворенный Вс-вышним мир в его биологическом измерении, как дышат деревья и цветы, превращая то, что выдыхают люди, в кислород, который опять вдыхают люди и животные. Лишний раз демонстрируя совершенство и целостность замысла Творца, все это создавшего и предусмотревшего.

Степень бакалавра химии он получил в 1931 году в Мичиганском геологоразведочном колледже, а докторскую степень в Университете Миннесоты в 1935. Свою академическую карьеру ученый начал в 1937 году в калифорнийском Университете в Беркли, в качестве преподавателя, а в 1947 году уже доктор наук Мелвин Калвин получил должность профессора. С 1946 года он возглавлял группу химиков-органиков в радиационной лаборатории Лоуренса. Эта группа впоследствии в 1960 году трансформировалась в лабораторию биодинамики.

Калвин был награжден множеством медалей и премий, читал лекции в различных университетах, был членом многих научных обществ.

Его научная жизнь началась с написания диссертации в 1935 году на тему сходных свойств электронов у галогенов. Следующие два года он провел в Университете Манчестера, где с большим интересом занимался координационным катализом, а особенно металлопорфиринами. Это увлечение было основным и явилось результатом как теоретического ("Химия металлических внутрикомплексных соединений"), так и практического (кислородсодержащие синтетические внутрикомплексные соединения) изучения. Открытие электронного, фотоэлектрического и фотохимического поведения таких материалов занимает достойное место среди открытий того времени.

Ко времени приезда в Беркли (Калифорния) он увлекся общими теоретическими аспектами структуры и поведения органических молекул. В тот период Калвин опубликовал две основные работы: "Цвет органических субстанций" и "Теория органической химии". Именно с трудов этого человека началось детальное изучение поведения органических молекул.

Увлечение этой проблемой вместе с прежним интересом к каталитическому поведению координационных соединений послужило основой для изучения фотосинтеза. Доступность использования изотопа углерода 14 позволила изучить превращение углекислого газа в процессе фотосинтеза ("Путь превращения углеводов в процессе фотосинтеза").

Увлечение этими процессами неминуемо повлекло за собой изучение общих проблем биологии, и таким образом, с его легкой руки, в лаборатории доктора появились ученые из разных областей науки, стоящие по обе стороны от химии: физики, с одной стороны, и биологи — с другой.

Доктор Калвин женился на дочери еврейских иммигрантов из Норвегии Женевьеве Емтегарг. У них родились две дочери и сын.

Мелвин Калвин умер в 1997 году.

Материал подготовил

Арсений Волков