Nature's smallest factory: The Calvin cycle - Cathy Symington

Самый крошечный завод в природе: цикл Кальвина — Кейти Симингтон

Переводчик: Pauline Hortman Редактор: Alexander Ashikhin

You're facing a giant bowl

Перед вами огромная тарелка

of energy packed Carbon Crunchies.

заряженных энергией хлопьев.

One spoonful. Two. Three.

Одна ложка. Две. Три.

Soon, you're powered up by the energy surge

Вскоре после приёма пищи

that comes from your meal.

вы ощутите прилив сил.

But how did that energy get into your bowl?

Как же эта энергия попала в сами хлопья?

Energy exists in the form of sugars

Энергия существует в виде сахаров,

made by the plant your cereal came from,

создаваемых растениями, из которых затем делают хлопья,

like wheat or corn.

например из пшеницы или кукурузы.

As you can see, carbon is the chemical backbone,

Углерод является основой этого процесса.

and plants get their fix of it

Растения получают углерод

in the form of carbon dioxide, CO2,

из углекислого газа, CO2,

from the air that we all breath.

парящего в воздухе, которым мы дышим.

But how does a plant's energy factory,

Но как энергетический завод растения,

housed in the stroma of the chloroplast,

расположенный в строме хлоропласта,

turn a one carbon gas, like CO2,

превращает CO2, газ с одним атомом углерода,

into a six carbon solid, like glucose?

в глюкозу, твёрдое вещество с шестью атомами углерода?

If you're thinking photosynthesis, you're right.

Если вам вспомнился фотосинтез, вы на правильном пути.

But photosynthesis is divided into two steps.

У фотосинтеза две фазы.

The first, which stores energy from the sun

Во время первой фазы растение сохраняет солнечную энергию

in the form of adenosine triphosphate, or ATP.

в виде аденозинтрифосфата, или АТФ.

And the second, the Calvin cycle, that captures carbon

Во время второй фазы, цикла Кальвина,

and turns it into sugar.

углерод превращается в сахар.

This second phase represents one of nature's

Вторая фаза является одним из самых эффективных

most sustainable production lines.

производственных циклов в природе.

And so with that, welcome to world's most miniscule factory.

Итак, добро пожаловать на мельчайший завод на свете!

The starting materials?

Исходные материалы?

A mix of CO2 molecules from the air,

Смесь молекул CO2 из воздуха

and preassembled molecules called

и заранее подготовленных молекул

ribulose biphosphate, or RuBP,

дифосфата рибулозы, или РуБФ,

each containing five carbons.

каждая из которых содержит по пять атомов углерода.

The initiator? An industrious enzyme named rubisco

Инициирующее вещество? Катализирующий фермент Рубиско,

that welds one carbon atom from a CO2 molecule

который присоединяет атом углерода из молекулы углекислого газа

with the RuBP chain

к цепи РуБФ

to build an initial six carbon sequence.

для построения первичной 6-атомной цепочки.

That rapidly splits into two shorter chains

Эта цепочка распадается на две короткие цепочки,

containing three carbons each

содержащих по три атома углерода каждая.

and called phosphoglycerates, or PGAs, for short.

Такие цепочки называются фосфоглицератами, или ФГ.

Enter ATP, and another chemical called

Добавим АТФ и другое химическое вещество

nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,

под названием никотин-амида-дениндинуклеотид-фосфат,

or just NADPH.

или просто НАДФН.

ATP, working like a lubricant, delivers energy,

АТФ выполняет роль смазки и обеспечивает энергию,

while NADPH affixes one hydrogen to each of the PGA chains,

в то время как НАДФН прикрепляет один атом водорода к каждой из цепочек ФГ,

changing them into molecules called

превращая их в молекулы

glyceraldehyde 3 phosphates, or G3Ps.

глицеральдегида-3-фосфата, или Г-3-Ф.

Glucose needs six carbons to form,

Для образования глюкозы необходимо шесть атомов углерода,

made from two molecules of G3P,

то есть две молекулы Г-3-Ф,

which incidentally have six carbons between them.

которые вкупе содержат шесть атомов углерода.

So, sugar has just been manufactured, right?

Итак, у нас получился сахар?

Not quite.

Не совсем.

The Calvin cycle works like a sustainable production line,

Цикл Кальвина — это безотходное производство.

meaning that those original RuBPs

Это означает, что первичные РуБФ,

that kicked things off at the start,

запустившие реакцию, должны быть воссозданы

need to be recreated by reusing materials

путём повторного использования материалов

within the cycle now.

в рамках цикла.

But each RuBP needs five carbons

Каждая молекула РуБФ содержит по пять атомов углерода,

and manufacturing glucose takes a whole six.

а для производства глюкозы необходимо целых шесть.

Something doesn't add up.

Что-то не сходится.

The answer lies in one phenomenal fact.

Ответ кроется в интересном феномене.

While we've been focusing on this single production line,

Пока мы рассматривали одну производственную линию,

five others have been happening at the same time.

в клетке одновременно работало ещё пять.

With six conveyor belts moving in unison,

Когда шесть конвейеров работают одновременно,

there isn't just one carbon that gets soldered

то не один атом углерода прикрепляется

to one RuBP chain,

к одной цепочке РуБФ,

but six carbons soldered to six RuBPs.

а целых шесть атомов — к шести молекулам РуБФ.

That creates 12 G3P chains instead of just two,

В итоге получается 12 цепочек Г-3-Ф вместо двух,

meaning that all together, 36 carbons exist:

а это означает, что в сумме получается 36 атомов углерода —

the precise number needed to manufacture sugar,

ровно столько, сколько необходимо для производства сахара

and rebuild those RuBPs.

и восстановления РуБФ.

Of the 12 G3Ps pooled together,

Из 12 цепочек Г-3-Ф две отправляются

two are siphoned off to form

на создание той самой богатой энергией глюкозы,

that energy rich six carbon glucose chain.

состоящей из шести атомов углерода.

The one fueling you via your breakfast. Success!

Той самой глюкозы, которая придаёт нам силы после завтрака. Успех!

But back on the manufacturing line,

Тем временем на производственной линии

the byproducts of this sugar production

отходы производства сахара

are swiftly assembled to recreate those six RuBPs.

стремительно собираются вместе, чтобы воссоздать шесть молекул РуБФ.

That requires 30 carbons,

Для этого требуется 30 атомов углерода —

the exact number contained by the remaining 10 G3PS.

ровно столько, сколько содержится в 10 оставшихся цепочках Г-3-Ф.

Now a molecular mix and match occurs.

Снова происходит перетасовка молекул.

Two of the G3Ps are welded together

Две цепочки Г-3-Ф прикрепляются друг к другу,

forming a six carbon sequence.

образуя цепочку из шести атомов углерода.

By adding a third G3P, a nine carbon chain is built.

С добавлением ещё одной молекулы Г-3-Ф образуется цепочка из девяти атомов.

The first RuBP, made up of five carbons,

Из неё, отбросив четыре атома,

is cast from this,

появляется первая РуБФ,

leaving four carbons behind.

содержащая пять атомов углерода.

But there's no wastage here.

Но ничто не пропадает зря.

Those are soldered to a fourth G3P molecule,

Четыре отброшенных атома соединяются в четвёртую молекулу Г-3-Ф,

making a seven carbon chain.

создавая цепочку из семи атомов углерода,

Added to a fifth G3P molecule,

которая присоединяется к пятой молекуле Г-3-Ф,

a ten carbon chain is created,

создавая цепочку из десяти атомов углерода.

enough now to craft two more RuBPs.

Теперь материалов хватит на ещё две молекулы РуБФ.

With three full RuBPs recreated

Таким образом, для воссоздания трёх полных молекул РуБФ

from five of the ten G3Ps,

было использовано пять из десяти молекул Г-3-Ф.

simply duplicating this process

Повторив этот процесс,

will renew the six RuBP chains

мы восстановим шесть молекул РуБФ,

needed to restart the cycle again.

необходимых для очередного запуска цикла.

So the Calvin cycle generates the precise number

Так цикл Кальвина генерирует точное количество

of elements and processes

элементов и процессов,

required to keep this biochemical production line

необходимых для поддержания непрерывной работы

turning endlessly.

биохимического конвейера.

And it's just one of the 100s of cycles

И это только один из сотен

present in nature.

природных циклов.

Why so many?

Зачем так много циклов?

Because if biological production processes were linear,

Если бы биологические процессы были линейными,

they wouldn't be nearly as efficient or successful

то они не были бы столь же эффективными

at using energy to manufacture the materials

в использовании энергии для создания

that nature relies upon, like sugar.

важных материалов, таких как сахар.

Cycles create vital feedback loops

Циклы — это своего рода цепи обратной связи,

that repeatedly reuse and rebuild ingredients

которые неоднократно перерабатывают и восстанавливают вещества,

crafting as much as possible

вырабатывая как можно больше

out of the planet's available resources.

из имеющихся у растений ресурсов.

Such as that sugar,

Так, например, сахар, созданный внутри

built using raw sunlight and carbon

крошечных биологических заводов

converted in plant factories

с участием солнечного света путём превращения углерода,

to become the energy that powers you

становится энергией, которая используется нашим телом

and keeps the cycles revolving in your own life.

для поддержания других жизненных циклов.