Роль диоксида углерода в биосфере Земли не столь однозначна, как кажется

Небо над Лос-Анджелесом после месяца жесткого карантина очистилось от смога. Фото Physorg

На пике индустриальной активности Китая, в 2012 году, специалисты Иллинойского университета в г. Энн-Арбор провели картирование состояния воздушного бассейна над азиатским гигантом. Его результат, «Карта глобального выброса углерода в Китае» опубликована в приложении к журналу Nature.

Карта очень похожа на привычную всем физическую школьную, на которой разными цветами, начиная от зеленого и кончая коричневым, указаны перепады высот. Однако приведенная рядом шкала, начинающаяся белым цветом и заканчивающаяся оранжево-красным, показывает масштаб выбросов в атмосферу парникового газа – диоксида углерода (СО2): от 103 до 106 т. Авторы подчеркивают, что всего лишь 1% территории Китая дает 75% выбросов СО2, связанных с произведенной на экспорт продукции. При этом на соседние Гонконг и Японию приходится соответственно 11 и 9%, в то время как на США 23%.

Ученые провели «ковровое» обследование, разбив всю территорию Китая на квадраты 10х10 км, тем самым повысив пространственное разрешение. Следы газовых выбросов показывают, что наибольшие объемы приходятся на дельты рек Жемчужной (Гуанчжоу–Шеньян) и Янцзы (Шанхай), а также Северо-Китайскую равнину (Пекин и Тяньцзин). Практически полностью белыми оставались Сычуань, где в бамбуковых лесах разводят панд, и высокогорный Тибет, куда ради сохранения хрупкой экониши провели железную дорогу, по которой в Лхасу ходят герметично закрытые поезда, чтобы пассажиры ничего не выбрасывали из окон и дверей.

Между тем роль диоксида углерода в био- и геосфере Земли не столь однозначна, как кажется на первый взгляд.

Жизнь некогда начиналась в явно абиогенных условиях с наличия всего лишь пяти биогенных элементов: водород, углерод, азот и фосфор. Позже к ним присоединилась сера – без ее двусерных-дисульфидных мостиков трудно удерживать вместе белковые цепи (в инсулине два таких мостика). Агрессивный и стоящий на втором месте по электроотрицательности после фтора кислород активно окислял углерод, что приводило к образованию угарного газа СО (хотя угорать еще было некому) и диоксида углерода СО2, а также угольной кислоты Н2СО3, легко отщепляющей положительно заряженный ион водорода, протон.

Рубиско (зеленые образования) и красный белок Ссm в карбоксисоме.  Иллюстрация Physorg

Относительно давно было известно, что с помощью Рубиско осуществляется фотосинтез. Взаимодействуя с белковой фотосистемой, фотоны солнечного света выбивают электроны из атомов марганца. В результате происходит перераспределение заряда на клеточных мембранах (как при зарядке конденсатора). Мембранный «разряд» приводит к расщеплению воды на токсичные для клеток кислород, выбрасываемый в атмосферу, и протоны. Прохождение положительно заряженных ионов сквозь канал АТФазы заставляют одну из ее частей «вертеться», СО2 восстанавливается и дает глицерин, из которого синтезируется глюкоза. Сжигание глюкозы в клеточных митохондриях и дает нашим мышцам и нейронам необходимую энергию.

Земля в своей истории уже неоднократно сталкивалась с переизбытком диоксида углерода в атмосфере. Именно в результате этих процессов и возникли меловые утесы Туманного Альбиона, ракушечники Одессы и Севастополя, а также Большой барьерный риф в водах Австралии.

После того как Рубиско и мембранные фотосистемы рассмотрели под электронным микроскопом и разобрались в их строении, ученым показалось, что до овладения тайнами фотосинтеза и снабжения человечества чистой энергией остался один небольшой шаг. Однако все оказалось гораздо сложнее, поскольку еще предстояло открыть в клетках цианобактерий и зеленых растений новые тельца. Они получили название карбоксисомы (Carboxysomes). Без них невозможно усвоение СО2.

Большой шаг по пути овладения фотосинтезом был сделан после открытия белка Сcm (СО2 carboxysome mechanism). Использование светящихся красителей позволило выяснить, что число карбоксисом в клетках увеличивается при повышении содержания диоксида углерода. Вполне возможно, что со временем ученые все же смогут наладить управляемый фотосинтез или сымитировать его с помощью тонкопленочных светоулавливающих материалов.