Нобелевские лауреаты: Мелвин Кальвин

Темная сторона фотосинтеза

Американский биохимик Мелвин Кальвин

BioRach/Berkeley Lab/Flickr/Indicator.Ru

Как сын эмигрантов из России заинтересовался составом продуктов питания и не оправдал прогнозов своего школьного учителя, а также что происходит на «темной» стороне фотосинтеза, рассказывает наш очередной выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Мелвин Эллис Кальвин

Родился 8 апреля 1911 года, Сент-Пол, Миннесота, США

Умер 8 января 1997 года, Беркли, Калифорния, США

Нобелевская премия по химии 1961 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За исследование усвоения двуокиси углерода растениями (for his research on the carbon dioxide assimilation in plants)».

Родители нашего героя были из будущего бывшего СССР. Отец был эмигрантом из Литвы, мать – из Грузии. Роза Хервиц и Элиас Кальвин приехали в США в поисках лучшей доли, ну а потом осели, переехали из Миннесоты в Мичиган, в Детройт, где и учился будущий нобелиат.

Пишут, что Мелвин с детства отличался любознательностью, а на выбор профессии повлиял семейный бизнес: в Детройте его родители держали продуктовую лавку. Естественно, мальчика интересовало, из чего состоят продукты питания. Именно так он решил стать химиком, а решив, поступил в Мичиганский колледж наук и технологии (ныне – Мичиганский технологический университет), где получил степень бакалавра в 1931 году. Удивительно, но он посрамил своего учителя физики, который из-за любви мальчика к скоропалительным и поспешным выводам без должного обоснования говорил, что его ученик никогда не станет ученым. Через четыре года в Миннесотском университете Кальвин получил PhD за диссертацию о сродстве к электрону брома и йода.

Затем последовала командировка в Европу, в Манчестер: помогла стипендия Рокфеллера. В Манчестере Кальвину повезло: он попал в руки замечательного физикохимика, математика, экономиста, философа науки, а главное, выдающегося учителя, венгра Майкла Поляни. Позже два его ученика, Кальвин и физик Юджин Вигнер, а также его собственный сын Джон Чарльз Поляни станут лауреатами Нобелевской премии по физике и по химии. Не зря в официальной биографии Кальвина Поляни именуется «интеллектуальным гигантом».

Майкл Поляни

Wikimedia Commons

В гостях у британцев Кальвин впервые столкнулся с тем, что в итоге принесет ему Нобелевскую премию: с фотохимией и порфиринами. Там он изучал парамагнитную конверсию водорода и каталитическую активность металлопорфиринов.

Его труды не остались незамеченными: в 1937 году его пригласил в Калифорнийский университет в Беркли сам великий Гилберт Ньютон Льюис — автор термина «фотон» и теории кислот и оснований. Кальвин провел в Беркли шесть десятков лет.

Гилберт Льюис

Wikimedia Commons

Свои первые изыскания здесь Кальвин посвятил электронной природе окрашенных соединений. Однако через четыре года исследования прервала война. Как и большинство исследователей в США, Кальвина рекрутировали для удовлетворения военных нужд — с 1941 по 1944 годы он работал в Научно-исследовательском совете национальной обороны, а в 1944—1945-м принимал участие в Манхэттенском проекте. Правда, речь шла не о самой атомной бомбе или обогащении урана, а «всего лишь» о способе получения чистого кислорода из воздуха. Этим прославился и «наш» нобелевский лауреат Петр Капица.

В 1945 году Кальвин вернулся в Беркли и через год стал руководителем группы биоорганической химии в радиационной лаборатории Лоуренса. Именно там он смог сделать главные свои открытия – химические реакции, которые лежат в основе фиксации углерода из воздуха, то есть фотосинтеза.

Кальвин применил два новых метода, чтобы понять, что же происходит в растениях, получающих на входе углекислый газ и воду, которые под действием солнечного света превращаются в глюкозу. Оба были связаны с нобелевскими лауреатами по химии. Первый – метод меченых атомов, разработанный великим венгром Дьердем Хевеши.

Кальвин поместил диоксид углерода, содержащий углерод-14, в круглый сосуд из тонкого стекла. Сосуд, прозванный за форму «леденец», был наполнен взвесью зеленых морских водорослей Chlorella pirenoidosa. Его освещали, и начинался фотосинтез.

Для того чтобы установить промежуточные соединения с радиоактивным изотопом, Кальвин применил метод бумажной хроматографии, который изобрел другой нобелевский лауреат, Арчер Мартин.

Правда, это было непросто: для того чтобы выяснить, в каком из пятен присутствует радиоактивный элемент, Кальвин использовал рентгеновскую фотобумагу.

«К сожалению, на этой бумаге, как правило, не отпечатываются названия соединений, – вспоминал нобелевский лауреат, – и наша первоначальная утомительная работа в течение 10 лет заключалась в том, чтобы тщательно метить эти потемневшие места на пленке».

Тем не менее кропотливая работа привела к успеху, и группа Кальвина установила, что диоксид углерода сначала реагирует с дифосфатом рибулозы (соединением, молекула которого содержит 5 атомов углерода) с образованием фосфоглицериновой кислоты, которая в процессе серии реакций превращается в фруктозо-6-фосфат и глюкозо-6-фосфат. В результате получился цикл реакций, который сейчас так и называется: цикл Кальвина. В него входят «темные» реакции фотосинтеза, которые происходят благодаря таким соединениям – носителям энергии, как аденозинтрифосфорная кислота и восстановленный фосфат-никотин-амидаденин-динуклеотид. Эти соединения образуются в «светлых» реакциях, в ходе которых свет поглощается молекулами хлорофилла.

Цикл Кальвина

Wikimedia Commons

Результатом десятилетия исследований стала Нобелевская премия 1961 года. В очередной раз биохимик и молекулярный биолог потеснил «классических» химиков в списке лауреатов.

«Химическая биодинамика, подразумевающая объединение многих научных дисциплин, еще сыграет роль в решении этой проблемы (проблемы, объясняющей механизм участия хлорофилла в преобразовании энергии света, — прим. Indicator.Ru) так же, как в свое время она способствовала прояснению углеродного цикла. Можно ожидать, что она будет занимать все более значительное место в понимании динамики развития живых организмов на молекулярном уровне», – сказал Кальвин в своей Нобелевской лекции.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.