Читать книгу В гармонии с едой. Основы питания от доказательного диетолога - Александр Бурлаков - Страница 5

Как вы думаете, без чего невозможно существование жизни на Земле? Понимаю, что хочется ответить – без мемов и видео с котиками. Но на самом деле без солнца.

Масса Земли относительно Солнца

Не было бы Солнца, не было бы ничего. Даже сторонников безумных диет, плоской земли и прочих мракобесов. Почему же благодаря нашему светилу возможна жизнь? Одна из причин заключается в том, что Земля находится [6] в пределах обитаемой зоны Солнца (также известной как «Зона Златовласки», или зона жизни). Казалось бы, что в этом такого? А дело в том, что данное расстояние не слишком далекое и не слишком близкое, чтобы получать обильную солнечную энергию, которая включает свет и тепло, необходимые для химических реакций.

В ядре Солнца происходят термоядерные реакции, в ходе которых водород превращается в гелий [7]. Видимая поверхность Солнца называется фотосферой. Именно здесь свет и тепло, поднимающиеся из ядра, распространяются в космос и достигают атмосферы Земли и других планет Солнечной системы.

На Земле верхний слой атмосферы (озоновый) фильтрует большую часть солнечного ультрафиолетового излучения, но часть пропускает на поверхность. Полученное тепло затем поглощается земным воздухом и земной корой, нагревая нашу планету и обеспечивая организмы источником энергии.

Мы с вами не можем преобразовывать энергию солнца в химическую энергию, т. е. в пищу. Но на это способны растения и другие организмы, например цианобактерии [8], посредством фотосинтеза. Этот процесс по сути представляет собой преобразование энергии солнца в энергию химических связей. Тут придется вспомнить биологию. Фотосинтез отвечает за производство и поддержание кислорода в атмосфере Земли и поставляет большую часть энергии, необходимой для жизни на планете [9]. Затем травоядные получают эту энергию, поедая растения, а плотоядные получают ее, поедая травоядных. Если очень сильно все упростить, то в бургере, который мы съедаем на обед, содержится та самая термоядерная энергия солнца.

Но вернемся к растениям. Внутри растительной клетки находятся небольшие органеллы, называемые хлоропластами, которые накапливают энергию солнечного света. Внутри мембран хлоропластов есть светопоглощающий пигмент хлорофилл, который отвечает за придание растению зеленого цвета. Во время фотосинтеза хлорофилл поглощает энергию волн синего и красного света и отражает волны зеленого света, благодаря чему растение выглядит зеленым.

В процессе фотосинтеза растения поглощают углекислый газ (CO₂) и воду (H₂O) из воздуха и почвы. В растительной клетке вода окисляется, то есть теряет электроны, а углекислый газ восстанавливается, то есть приобретает электроны. Это превращает воду в кислород и углекислый газ в глюкозу. Затем растение выпускает кислород обратно в воздух и сохраняет энергию в молекулах глюкозы.

Вполне логично возникает вопрос, насколько этот процесс преобразования эффективен, а именно, всю ли энергию солнечного света удается сохранить? В лабораторных условиях реакции фотосинтеза имеют близкую к 100 % квантовую эффективность, т. е. один квант света приводит к переносу одного электрона. Однако в самых идеальных природных условиях общая энергоэффективность не всегда достигает и 35 %, так как не весь солнечный свет поглощается листом растений. А если взять в расчет потери на всех этапах биохимии то на большинстве сельскохозяйственных культур удалось получить лишь около 1–2 % энергоэффективности, т. е. эти небольшие проценты энергии солнца сохраняются в растительном продукте, например, в зернах кукурузы [10–12]. Сахарный тростник является исключением, так как его эффективность может составлять почти 8 %. При взгляде на эти цифры может показаться, что из-за такой энергоэффективности процесс фотосинтеза не так важен для существования жизни на земле, но это не так. Обилие растительности нивелирует потери преобразования энергии солнца в биомассу растений. И мы можем использовать растения не только в качестве источника пищи, но и используем энергетические ресурсы: уголь, природный газ, нефть. Которые также содержат запасенную энергию солнца, только полученную много лет назад. В процессе фотосинтеза синтезируются углеводороды, т. е. углеводы и жиры. Его еще называют биологической фиксацией углерода (запомните этот термин, мы к нему еще вернемся, когда дойдем до людей). В результате неорганический углерод превращается в органические соединения, в частности в ту самую глюкозу. Жизнь на Земле построена на соединениях, содержащих углерод, азот, водород и кислород. Сложные последовательности этих элементов вместе образуют строительные блоки жизни. Из них состоят необходимые органические молекулы, такие как сахара, ферменты, белки и ДНК. Те, кто внимательно читали эту нуднятину, наверное, задаются вопросом, почему ничего не было сказано про жиры? Ведь написано, что в растениях содержатся и они. Не буду усложнять и без того непростую тему. Скажу только, что углеводы и жиры имеют достаточно похожий состав химических элементов, а именно углерод (С), водород (Н) и кислород (О). Отличается лишь сама их последовательность. Поэтому жиры синтезируется ферментами растений из углеводов [13].

Но растения являются еще и источником растительного белка. А чтобы из аминокислот построить белки, нужен азот (N). И откуда растениям его взять? Азота много в атмосфере. Но есть проблема – растения не могут его напрямую в себя всосать. Вспомним про круговорот азота в природе и азотфиксирующие бактерии. Круговорот азота – это процесс, посредством которого азот превращается в различные химические формы по мере его циркуляции в атмосфере, почве и живых организмах. Происходит это непрерывно, и тем самым растения и животные могут использовать азот для своих нужд, и после их гибели он возвращается обратно в атмосферу. А решающую роль в этом процессе играют азотфиксирующие бактерии. У них есть специальный фермент, который соединяет атмосферный азот (N) с водородом (H). В результате получаются нитраты и нитриты, а растения их могут поглощать своими корневыми волосками. А вообще, для растительных белков нужна еще сера (S), но в такие дебри предлагаю не погружаться, чтобы вы не выбросили эту книгу, и она не превратилась в перегной.

Вот теперь обобщаем все вышесказанное. Получается, что под действием энергии солнца, используя углерод из простых веществ (СО₂ из атмосферы), растения синтезируют белки, жиры, углеводы [14]. Такие производящие питательные вещества организмы называют автотрофами или первичными продуцентами (если совсем точно, то фотоавтотрофами). В пищевой цепи они находятся на самом низком уровне, но являются причиной, по которой на Земле все еще есть жизнь [15].

Животные и люди, сколько бы ни стояли на солнце, не способны получить вещества, которые можно использовать в качестве энергии. А вот ожоги запросто. Такие организмы называют гетеротрофами [16]. Они не могут производить собственную пищу, поэтому должны что-то или кого-то есть. В пищевой цепи гетеротрофы будут являться первичными, вторичными, третичными потребителями, но не продуцентами, как растения.

Таким образом, растения являются источником питательных веществ. Мы едим растения или животных, которые ели эти растения, или животных, которые ели животных, которые ели растения, или… Я думаю, вы поняли.

Далее чуть упрощаем. Мы с вами дышим. Зачем? Чтобы не было скучно? Нет, конечно, нам нужен кислород. Он необходим, чтобы окислить (сжечь) питательные вещества, которые мы едим, и при этом высвободить энергию [17]. Ту самую энергию солнца. Если немного пофилософствовать, то можно предположить, что биологическая масса на нашей планете вообще не меняется, а лишь переходит из одной формы в другую. Ну если только инопланетяне не занесут чего-нибудь с других планет.

Мы уже затрагивали вопрос эффективности фотосинтеза. Дело в том, что при такой передаче солнечной энергии от растений к животным, а от них к другим животным и далее по цепочке, неизбежны потери в виде выделения тепла, метаболизма и других процессов. И исходя из этого был сформулирован закон (хотя автор не называл бы это законом, но так закрепилось) Раймонда Линдемана, или Закон 10 % [18]. Согласно ему при переходе энергии от одного уровня к другому передается лишь около 10 %. Остальное теряется в процессе переноса.

Например, Солнце выделяет 100 тыс. Дж энергии, растения запасают только 1000 Дж энергии от солнечного света (исключение из закона – растениями от солнца поглощается только 1 % энергии). После этого корова, съев растение получит 100 Дж (10 % энергии). Волк, съев корову, получит 10 Дж (10 % энергии коровы). Человек, если съест волка, получит 1 Дж (10 % энергии волка) и т. д. Конечно, в реальности передается не всегда 10 %. Доля энергии может доходить и до 35 %. Но факт состоит в том, что часть энергии теряется.

Пример с морковкой, зайцами и лисой вы можете посмотреть на рисунке ниже.

Закон Линдемана о 10 %

Вот такой сложный процесс передачи энергии, которая поступает на Землю, преодолевая 150 млн километров. А о том, что с ней происходит внутри нашего организма, поговорим далее.