Углерод – наиболее распространенный элемент не только в человеческом теле, но и в телах всех живых существ на планете – нам, землянам, присуща углеродная форма жизни. (Как выразился один ученый, углерод обеспечивает количественную составляющую нашей жизни, ибо является основным структурным элементом живой материи, в то время как менее распространенный азот обеспечивает качество этой жизни… Но об этом – потом.) Те атомы углерода, из которых мы состоим, первоначально находились в воздухе как части молекул диоксида углерода (CO2). Для того чтобы собрать эти атомы и ввести их в молекулы, необходимые для поддержания жизни, то есть в углеводы, аминокислоты, белки и липиды, существует единственный способ – фотосинтез. Состоит он в том, что клетки зеленых растений, используя солнечный свет, соединяют атомы углерода, взятые из воздуха, с водой и атомами других элементов, находящихся в почве. В результате образуются простые органические соединения, которые лежат в основе каждой пищевой цепи. Иными словами, растения создают жизнь прямо из воздуха – и это не только фигура речи.
При этом в кукурузе процесс фотосинтеза идет иначе, нежели в большинстве других растений. Эти отличия не только делают кукурузу более эффективным преобразователем энергии. Оказывается, особенности фотосинтеза у кукурузы позволяют сохранить идентичность атомов углерода даже после того, как они превратились в молекулы, составившие напитки Gatorade (общее название напитков, производимых компанией PepsiCo&. – Ред.), закуски Ring Dings и гамбургеры, а потом и тела людей, питавшихся этими продуктами. Там, где большинство растений в процессе фотосинтеза создают соединения, которые имеют по три атома углерода, кукуруза (и небольшое число других видов) составляет соединения с четырьмя атомами углерода. В 1970-х годах ботаники условно объединили растения, обладающие такими «талантами», в группу, которая так и называется – С-4.
Процесс объединения четырех атомов углерода по сравнению с процессом объединения трех атомов углерода дает растению важное преимущество – более эффективный и экономичный фотосинтез. Такая экономичность особенно важна в тех районах, где царствуют высокие температуры и ощущается нехватка воды. Для того чтобы забрать атомы углерода из воздуха, растение должно открыть так называемые устьица, то есть микроскопические отверстия в листьях, через которые растения поглощают и испускают газы. При этом каждый раз, когда открывается устьице, растение теряет драгоценные молекулы диоксида углерода и воды. Представьте, что каждый раз, когда вы открываете рот, чтобы что-то съесть, вы теряете определенное количество крови. В идеале вы бы старались открывать рот как можно реже и глотали столько пищи, сколько смогли бы поместить в рот за один укус. Это, по существу, и делает растение, работающее по механизму объединения четырех атомов углерода. Приобретая в течение каждого акта фотосинтеза дополнительные атомы углерода, кукуруза может ограничить потерю воды и «зафиксировать» – то есть взять из атмосферы и связать в полезные молекулы – значительно больше углерода, чем другие растения.
По своей сути история жизни на Земле – это история конкуренции между видами, которые стремятся захватить и сохранить как можно больше энергии. В случае растений эта энергия поступает непосредственно от Солнца, в случае животных – при употреблении в пищу растений и травоядных животных. Энергия запасается в виде молекул, содержащих углерод, и измеряется в калориях. Калории, которые мы поглощаем с початком кукурузы или бифштексом, представляют собой сгустки энергии, когда-то захваченные растением. Существование механизма захвата четырех атомов углерода помогает объяснить победу кукурузы в этом конкурсе: немногие растения могут производить столько органических веществ и калорий при одних и тех же количествах солнечного света, воды и основных элементов, сколько доступно кукурузе. (97 % своей массы кукуруза получает из воздуха, 3 % – из земли.)
Впрочем, специфика этого хитрого процесса не может объяснить, как ученые узнают, что данный атом углерода попал в кость человека после фотосинтеза в растении одного вида (скажем, в кукурузе), а другой пришел из салата или пшеницы. Оказывается, ученые могут сделать это, потому что не все атомы углерода созданы равными. Некоторые из них, так называемые изотопы углерода, имеют бо`льшую атомную массу, чем обычный углерод-12, ядро которого состоит из шести протонов и шести нейтронов. Скажем, в ядре изотопа углерода с атомной массой 13 – шесть протонов и семь нейтронов. Ученые установили, что по какой-то причине в том случае, когда растение проводит фотосинтез по схеме группы С-4, оно поглощает больше изотопов углерода-13, чем растения группы С-3, которые демонстрируют заметное предпочтение более распространенному углероду-12. Жадные до углерода растения группы C-4 не могут позволить себе различать изотопы, и поэтому в итоге в них оказывается относительно больше углерода-13. Таким образом, чем выше отношение числа атомов углерода-13 к числу атомов углерода-12 в организме человека, тем больше кукурузы было в его рационе или в рационе животных, которыми он питался. (Насколько известно, относительное содержание углерода-13 на состояние человека влияет мало.)