Источник: журнал «Astounding Science Fiction» №10/1956

Эти невозможные автотрофные люди

Анализ проблемы показывает, что человек,
приспособленный к жизни за счёт солнечного света
благодаря хлорофилловому механизму,
получается похожим на дерево.
Даже с корнями и неподвижный!

В. А. Эйлах

Иллюстрация: Фрис

Время от времени в научной фантастике прибывающие из космоса существа, более или менее похожие на человека, оказываются зелёными. Подобно растениям, они содержат хлорофилл и, подобно растениям, не зависят от внешних источников пищи – то есть, представляют собой то, что биологи называют автотрофными организмами. Если мы не хотим, чтобы наша научная фантастика блуждала в царстве совершенно фантастического и невозможного, стоит задаться вопросом о том, насколько вероятными могут быть такие люди или другие животные. Могут ли существовать люди с хлорофиллом в коже? Если да, то могут ли они осуществлять фотосинтез в масштабах, достаточных для создания всей необходимой им пищи? И если могут, то могла бы существовать какая-то планета, на которой вся жизнь состояла бы из самодостаточных животных, без каких-либо растений, от которых люди и другие животные Земли так зависят в плане питания, кислорода и даже самой своей жизни?
Конечно, на Земле существует какое-то количество автотрофных животных. У небольшой части одноклеточных животных, или простейших, есть хлорофилл, и они живут, по крайней мере, большей частью за счёт той пищи, которую создают в результате фотосинтеза. У некоторых более сложных животных вроде зелёной гидры есть одноклеточные зелёные водоросли, живущие как симбионты в их тканях, и поэтому они, как минимум, частично независимы от внешних источников пищи. Кроме того, существует несколько видов бактерий – скорее растений, чем животных, – которые способны синтезировать собственную пищу. Некоторые из них содержат не хлорофилл, а пурпурный пигмент, с помощью которого они улавливают световую энергию для своего фотосинтеза. Другие используют для синтеза пищи энергию, полученную в результате окисления минеральных солей, а не энергию света. Однако, за этими немногими исключениями, все животные, и все незелёные растения вроде бактерий, плесени и грибов, полностью зависят от зелёных растений как основного источника пищи. Ни одно очень крупное, очень развитое или очень сложное животное не является автотрофным.
Не исключено, что у человека или другого животного может случиться мутация, приводящая к способности вырабатывать хлорофилл, поскольку гемоглобин крови химически очень похож на хлорофилл. С точки зрения химии гемин гемоглобина отличается от хлорофилла лишь в мелочах: так, в нём содержится железо, а в хлорофилле содержится магний. Человеку не потребовалось бы значительных изменений способностей к синтезу для производства хлорофилла, хотя такой мутации, очевидно, никогда не происходило. У такого зелёного животного хлорофилл, вероятно, находился бы исключительно в коже, в виде слоя не толще обычного листа, поскольку для синтеза хлорофилла, а также для фотосинтеза в целом необходим свет. Вопрос заключается в том, сможет ли человек или другое крупное животное с такой хлорофиллоносной кожей осуществлять фотосинтез в объёмах, достаточных для создания пищи в количествах, необходимых для обеспечения процессов дыхания и ассимиляции, что делает животное независимым от внешних источников пищи?
Мы можем легко дать ответ на этот вопрос, если взглянем на проблему с количественной точки зрения. Прежде всего, мы должны обратить внимание на максимальную скорость производства растениями сахара путём фотосинтеза в самых благоприятных природных условиях. Цифра составляет около 20 миллиграммов на один квадратный дециметр площади листа в час. Фактически же обычная продуктивность фотосинтеза у большинства растений составляет лишь малую часть от этого даже в благоприятных условиях. Самая высокая когда-либо измеренная скорость фотосинтеза составляла 52 миллиграмма сахара на квадратный дециметр в час, но её добились за счёт снабжения растений 5-процентным углекислым газом вместо 0,03 процентов, присутствующих в воздухе. Предположим, что мы щедро допускаем возможность животных синтезировать сахар на уровне 20 мг, и что мы будем столь же щедрыми в других наших оценках.
По приблизительным оценкам, площадь кожи человека, подходящая для воздействия света, составляет 170 дм². Если отталкиваться от этого значения, то продуктивность фотосинтеза будет составлять 2,4 грамма сахара в час или 28,8 г за двенадцатичасовой день. Это значительно больше, чем было бы разумно ожидать, поскольку мы исходим из одинаково благоприятных условий освещённости и прочих факторов на протяжении всего дня. Хотя летом световой период будет длиннее двенадцати часов, зимой он короче, и двенадцатичасовое значение является среднегодовым. Однако, чтобы получить круглую и максимально оптимистичную цифру, мы предположим, что за величину среднего дневного производства сахара принимается 30 граммов.
Эти 30 граммов сахара содержат около 112 килокалорий энергии. В какой степени это удовлетворит пищевые потребности нашего зелёного человека в энергии и в материале для построения тела? Если вы когда-нибудь задумывались о своем ежедневном потреблении калорий, то уже заметили, что этого объёма пищи совершенно недостаточно. Мужчина среднего роста затрачивает от полутора тысяч до тысячи восьмисот килокалорий в день только на свой основной обмен, то есть, когда он находится в полном покое. Это энергия, необходимая для осуществления таких автоматических процессов в организме, как биение сердца, перистальтические движения и дыхание. Кроме того, любая деятельность потребует ещё как минимум пятьсот килокалорий энергии сверх того, а человеку, занятому тяжёлой работой, потребуется примерно на две тысячи килокалорий больше. Иными словами, ежедневный расход энергии человека будет варьировать от примерно двух до примерно четырёх тысяч килокалорий.

Примем за энергетические потребности нашего фотосинтезирующего человека минимальную цифру, поскольку у него не было бы нужды проявлять большую активность. Освободившись от необходимости добывать пищу (если предположить, что он может синтезировать всё, что ему нужно), ему не пришлось бы ни добывать себе пищу непосредственно, прикладывая для этого собственные усилия, ни работать, чтобы получить деньги, на которые можно купить еду. Фактически, ему, вероятно, вообще не приходилось бы работать. Чтобы пользоваться преимуществами своей фотосинтетической кожи, ему пришлось бы отказаться от всякой одежды и жить в тропическом климате, где он мог бы с комфортом находиться на солнце круглый год. Таким образом, не было бы необходимости ни в укрытии, ни в топливе для обогрева.
Единственными потребностями, внешними по отношению к нему самому, были бы те же самые, что испытывают и растения, – углекислый газ и кислород из воздуха, вода и минеральные соли. Вероятно, последние будут присутствовать в достаточном количестве, по крайней мере, в части той воды, которую он использовал бы для питья, хотя иногда у него могли бы возникнуть трудности с получением их в достаточном количестве. Однако в дополнение к фотосинтезу наши зелёные люди также должны бы приобрести способности к синтезу некоторых других веществ, присущую лишь растениям. Важнейшей среди них стала бы способность синтезировать витамины и аминокислоты, последние – для использования при создании белков. И если животные могут синтезировать одни аминокислоты из других, то лишь растения способны синтезировать аминокислоты из сахара и неорганических солей азота и серы. Однако нет никаких причин, по которым животные не могли бы осуществлять эти процессы, если бы у них просто были соответствующие ферменты.
Мы предположили, что зелёные люди могут производить путём фотосинтеза достаточное количество сахара для удовлетворения своих ежедневных потребностей в энергии. Это предположение, разумеется, неверно, о чём говорят наши цифры. Максимальное количество 30 граммов сахара, производимого ежедневно в результате фотосинтеза, даёт лишь сто двенадцать из базовых двух тысяч необходимых килокалорий. Зелёные люди быстро умрут от голода, если попытаются полагаться исключительно на свой фотосинтез как источник пищи.
Теперь допустим, что мы пробуем предложить структурные и физиологические модификации зелёных людей, которые сделали бы их самодостаточными, если речь идёт о пище. Первым очевидным предложением было бы увеличение площади поверхности, чтобы фотосинтез мог протекать в больших масштабах. Увеличение размеров не поможет совсем, поскольку с увеличением размеров объём увеличивается быстрее, чем площадь поверхности. Уменьшение размеров могло бы помочь, но это уменьшение должно быть настолько резким, что в конце концов мы получили бы животное не крупнее реально существующих мелких фотосинтезирующих животных.
Более результативной возможностью были бы тонкие отростки тканей на теле, которые значительно увеличили бы фотосинтезирующую поверхность, не добавляя слишком много тканей, которые сами по себе потребовали бы дополнительной энергии для своего дыхания. Иными словами, у зелёных людей было бы то, что на самом деле сводится к листьям. С учётом того факта, что наша цель в две тысячи килокалорий представляет собой исключительно энергию, затрачиваемую на дыхание, и не включает пищу, необходимую для построения тканей тела в процессе роста и восстановления, площадь поверхности должна быть, как минимум, в двадцать раз больше, чем площадь кожи в настоящее время, или 3400 дм² вместо 170 дм². Такая обширная выставка «листьев» сильно мешала бы тем движениям, которые должны были бы делать зелёные люди, и существовала бы постоянная опасность того, что они могут получить повреждения или отломиться. В результате получится, что те люди, которые совершали бы минимальное количество движений, словно растения, оказались бы в лучшем положении для выживания.
Другой подход к проблеме превращения зелёных людей в самодостаточные организмы заключается в снижении скорости основного обмена и, тем самым, суточной потребности в калориях. Логично было бы начать с пищеварительного тракта, который больше не нужен для приёма, переваривания и всасывания пищи. Однако необходимо предусмотреть средства обеспечения водой и минеральными солями. Возможно, самым логичным предложением была бы система уходящих в почву отростков – корней, если хотите. Это, конечно, привязало бы организм к почве и сделало бы ненужными мышцы, используемые для перемещения с места на место, и сэкономило бы ещё больше энергии. Также будет сэкономлена энергия, используемая для поддержания жизнедеятельности нервной системы, которая контролирует эти мышцы. Сердце по-прежнему будет расходовать значительную энергию на перекачку крови, поэтому было бы неплохо заменить его системой, с помощью которой у растений происходит перенос воды и пищи.
К этому моменту у нас получился бы организм, который сможет легко производить всю необходимую ему пищу, и даже больше, путём фотосинтеза. Но у нас больше не осталось бы ни животного, ни тем более человека. В результате получится то, что кто угодно назвал бы растением – нечто, не слишком отличающееся от растений, существующих на Земле. Пытаясь изобрести жизнеспособное фотосинтезирующее животное, мы потеряли животное и вернулись к растению. Конечно, мораль здесь в том, что в любой мыслимой биологической схеме, даже отдалённо напоминающей земную, растения являются абсолютно необходимым компонентом. Должна существовать такая группа организмов, у которых есть способность синтезировать пищу из веществ, не являющихся пищей, и которые также обладают достаточно небольшими собственными потребностями в энергии, чтобы им можно было в изобилии производить пищу как для обеспечения своих собственных потребностей, так и для пропитания популяции животных.

А насколько хорошо справляются с этой задачей растения Земли?
Несколько цифр всё объяснят. Подсчитано, что за один год растения Земли производят путём фотосинтеза около 270 × 10⁹ тонн сахара, т. е. 270 миллиардов тонн. Другие оценки доходят до 376 миллиардов тонн, но в любом случае эта цифра огромна. На то, что фотосинтез, безусловно, является величайшим производственным процессом на Земле, указывает тот факт, что ежегодный объём добычи полезных ископаемых и промышленного производства на Земле составляет всего около одного миллиарда тонн, и при этом продуктивность сельского хозяйства составляет ещё один миллиард. Несмотря на такую огромную продуктивность фотосинтеза, растения используют для фотосинтеза лишь около одной-двух десятых процента всей световой энергии Солнца, поступающей на Землю в течение года.
Если растения производят 270 миллиардов тонн сахара в год, то они дополнительно выделяют 288 миллиардов тонн кислорода, который попадает в воздух, и используют для фотосинтеза 396 миллиардов тонн углекислого газа и 162 миллиарда тонн воды. Без этого постоянного поступления кислорода в воздух, атмосфера в итоге лишилась бы кислорода, поскольку он расходовался бы в ходе различных процессов окисления. Вот почему астрономы считают наличие кислорода в атмосфере планеты признаком наличия растительной жизни. Из-за того, что углекислый газ составляет всего лишь 0,03% воздуха, может показаться, что фотосинтез скоро исчерпает его. Однако в атмосфере содержится около 600 миллиардов тонн углекислого газа.
Что ещё важнее, 50000 миллиардов тонн углекислого газа растворено в водах океанов, а 66 миллионов миллиардов тонн связано в известняковых породах. Поскольку эти запасы находятся в химическом равновесии с углекислым газом воздуха, его потенциальные запасы неисчерпаемы. Количество углекислого газа, ежегодно добавляемого в воздух в результате дыхания растений и животных, а также горения, сравнительно невелико, и составляет всего лишь около 33 миллиардов тонн. Когда мы осознаем, что лишь 11 из этих 33 миллиардов тонн углекислого газа добавляют в воздух животные, в том числе человек, становится очевидным, что животные не являются необходимым компонентом для поддержания уровня содержания углекислого газа в воздухе для растений, как иногда полагают.
270 миллиардов тонн сахара, ежегодно производимого растениями, – это чистое значение, то есть то, что остаётся после того, как растения использовали для собственного дыхания, возможно, лишь десятую часть от этого количества. 270 миллиардов тонн расходуются на создание клеточных стенок и протоплазмы растительных клеток, а то, что остаётся после этого, накапливается в растении, главным образом в виде углеводов и жиров. Животные ежегодно потребляют в качестве пищи лишь около одного миллиарда тонн этих растительных тканей, поэтому очевидно, что фотосинтетическая продуктивность растений значительно опережает пищевые потребности животных, даже несмотря на то, что некоторые растительные ткани вроде древесины не подходят в пищу большинству животных.
Ещё один интересный факт в этой связи состоит в том, что около 90% всего фотосинтеза осуществляется исключительно морскими растениями океана, тогда как наши растения производят лишь оставшиеся 10%. Основная масса этого великого океанского объёма пищи создаётся микроскопическими растениями. Эта весьма поразительная статистика указывает на тот факт, что даже в наше время, после миллиардов лет эволюции, основная часть всей жизни, как животной, так и растительной, по-прежнему живёт в океане. Как источник пищи для человека океан всё ещё остаётся неиспользованным. Об этом следует помнить, когда пророки начинают беспокоиться об угрозе массового голода, поскольку человеческая популяция продолжает увеличиваться век за веком.
Мы отошли от наших зелёных людей и занялись зелёными растениями, но это необходимо в таких разговорах, как этот, равно как и в любой работоспособной биологической схеме. Если на других планетах существует жизнь, то живые организмы там могут сильно отличаться от земных. Вполне могут существовать планеты, на которых нет формы жизни, сравнимой с нашими животными, но если там вообще существует жизнь помимо простейших существ, сравнимых с вирусами или бактериями, мы можем быть уверены, что там найдётся нечто сравнимое с нашими растениями. Мы также можем быть уверены, что не существует планеты, населённой фотосинтезирующими животными разного размера и уровня сложности, но лишённой организмов типа растений.

КОНЕЦ

Перевод: Павел Волков, 2023 г.