Привет, Хабр. В годы моей юности мне попалась марсианская сага Эдгара Берроуза о Джоне Картере, а именно книга с тремя первыми повестями — «Принцесса Марса», «Боги Марса» и «Повелитель Марса». Обойдёмся без излишних спойлеров; оговорюсь лишь, что первая часть этого эпического сюжета была экранизирована в 2012 году, провалилась в прокате и была незаслуженно забыта. Удивительный марсианский мир Барсум был создан Берроузом в те времена, когда фэнтези ещё не отделилось от научной фантастики, и сам Барсум даст фору любым «Dungeons & Dragons» по разнообразию и сюрреалистичности населяющих его существ. Среди наиболее жутких насельников берроузовского Марса особого внимания заслуживают голубоватые «растительные люди» (plant men) с хищническо‑вампирским метаболизмом. Вспомнив о них в затянувшуюся питерскую зиму, я придумал пару новых тем для Хабра, и одну из них, о практической невозможности накатить фотосинтез на человеческий метаболизм, поручил исследовать в качестве гостевого поста уважаемой Анастасии Лазукиной @anastasiamrr, которая не первый год трудится автором в корпоративном блоге FirstVDS, а также иногда разнообразит своими работами мой блог. Под катом много картинок.

Человеческая биология фундаментально несовместима с фотосинтезом. В отличие от растений, эволюция животных пошла по пути мобильности и гетеротрофности — мы получаем энергию через пищу, а не свет. Однако давайте честно, у некоторых же возникали мысли о том, что фотосинтез для животных тканей — интересная вещь. Ведь солнце излучает ежесекундно огромное количество энергии, а некоторые люди уверены в том, что могут питаться только за счет него. Насколько был бы эффективен Шрек (если представить, что его кожа — это клетки с хлорофиллом)? Насколько хватило бы энергии солнца человеку, если отбросить все эволюционно‑биохимически-физиологические нюансы? Давайте разбираться.

Основы фотосинтеза для любопытных

(Прежде, чем читать текст далее, просим учесть, что в нем намеренно опущены многие подробности, касающиеся биохимических реакций и особенностей процессов)

Никакой речи о фотосинтезе без понимания фотосинтеза! Начнем относительно издалека. Фотосинтез — это… процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений (которую организм уже будет использовать в своих метаболических путях).Упрощенно говоря, процесс фотосинтеза заключается в получении глюкозы из воды и углекислого газа при воздействии света.

В известной нам биосфере фотосинтезом обладают в основном растения, водоросли и некоторые бактерии… А также некоторые организмы из царства животных. Например, эта брюхоногая прелесть:

Вообще фотосинтез это очень сложный процесс. До сих пор его не могут повторить в лабораторных условиях. Хотя казалось бы! СО₂, вода, свет. Увы, нет. Для начала мы немного подробнее разберем процесс, чтобы было представление, с чем имеем дело.

Как это ни странно, но фотосинтез бывает разный. С выделением кислорода и, внезапно, без него. Кислород это лишь побочный продукт фотосинтеза. Основная цель фотосинтеза — получить органику.

1-й вариант — оксигенный фотосинтез. Это самый распространенный тип, идет с выделением кислорода в качестве побочного продукта. В качестве основных составляющих для фотосинтеза выступают:

1. Хлоропласты (пластиды, где происходят процессы, связанные с фотосинтезом);

2. Двухфотосистемная архитектура (PSI + PSII) или фотосистема 1 и фотосистема 2 (комплексы, которые поглощают свет, отличаются длиной волны поглощаемого света). Находится обычно в хлоропластах (точнее, на мембранах тилакоидов, но об этом чуть позже), а у бактерий — в цитоплазматической мембране;

3. Рубиско (достаточно экстравагантный фермент фиксации СО₂)

4. Цикл Кальвина (метаболический алгоритм действий)

Хлоропласт многие могут помнить еще со школы. Вот эта зеленая штуковина, внутри которой идет фотосинтез. На деле в хлоропласте масса всего интересного. У хлоропласта две мембраны, которые никогда не сливаются друг с другом. Между ними — межмебранное пространство. Внутри хлоропласта, под второй мембраной — строма, внутреннее пространство. Там много чего плавает: РНК, ДНК, рибосомы… В общем джентльменский набор, обеспечивающий хлоропласту полуавтономное существование в клетке. Внутри хлоропласта также есть тилакоиды — ограниченное одинарной мембраной пространство в форме приплюснутого диска. Если они собираются в стопку, то она называется грана. Граны между собой связываются удлиненными тилакоидами — ламеллами. Все вот эти тилакоиды‑граны‑ламеллы образованы через «отшнуровывание» от внутренней мембраны. 

Как видите, хлоропласт устроен довольно нетривиально. Это биологическая оптимизация для более эффективного использования окружающего пространства для лучшего улавливания света, оптимизация массопереноса вещества и много чего еще.

Рассматривая вариант оксигенного фотосинтеза, мы все равно можем столкнуться с тем, что у него много различных путей в которых работа идет тоже по‑разному. Поэтому берем и рассматриваем базу (классику) — С3-путь.

С3-путь делится на 2 фазы. Это световая фаза, при которой происходит улавливание квантов света и темновая фаз, при которой происходит получение глюкозы. Да, не все этапы происходят при воздействии света.

Как работает световая фаза? Ее схема представлена на схеме выше. Суть сводится к тому, что кванты света попадают на специальные молекулы‑антенны. Эту совокупность молекул еще называют антенным комплексом или светособирающим комплексом. Как у радиоприемника. Вы не сможете принять сигнал без антенны. Уже светособирающий комплекс перенаправляет энергию возбуждения в реакционный центр. В реакционном центре молекулы хлорофилла, получив энергию, теряют электроны. Отдаленно это можно сравнить с фотоэффектом в полупроводниковых фотоприемниках (солнечных батареях).

В солнечных батареях электроны идут по электрическим проводам. Тут вместо проводов существует цепь передачи электронов «ЭТЦ»(электрон‑транспортная цепь). Ее суть очень проста. Доставить электроны от фотосистемы 2 к фотосистеме 1. Зачем так делать детально объяснять будет долго, просто представьте, что это что‑то вроде последовательного соединения солнечных батарей. При таком подключении солнечные батареи создают большее напряжение. В мембране происходит аналогичный процесс. Увеличивается потенциал между переносчиками электронов и внешней средой мембраны. 

У нас есть 2 последовательно соединенные солнечные батареи. Однако если мы хотим работать ночью, нам нужно накопить энергию в аккумуляторах. В хлоропластах «ночная работа» есть во второй фазе фотосинтеза. Так что там тоже нужны свои аккумуляторы. И такие есть это «биоаккумуляторы» или специализированные молекулы, которые называются НАДФН и АТФ. НАДФН Это такое вещество, которое может менять степень окисления, присоединяя к себе протоны и электроны. Примерно так как НАДФ+ + Н+ + 2е‑=> НАДФН. т. е. было некоторое вещество, которое приняло электрон и протон, приобрело энергию, которую потом сможет где‑то потратить.

АТФ (аденозинтрифосфат) — универсальная энергетическая «валюта» клетки. Генерация происходит благодаря протонному градиенту, созданному цепью переноса электронов. Протоны, протекая через АТФ‑синтазу, как через турбину, дают энергию для реакции: АДФ + фосфат => АТФ.  Подробнее на Хабре об этом рассказано тут.

Итог:

Итак, в общем виде первая фаза сводится к зарядке биологического аккумулятора. Чтобы биологическая фабрика работала без перебоев и днем и в темноте. Теперь вторая фаза — темновая.

Как работает темновая фаза? Смысл этой фазы сводится к тому, чтобы энергию преобразовать в сахар (точнее, глюкозу). Здесь появляется затык. Задачка нетривиальная. Ибо нужно углекислый газ каким‑то образом «пересобрать» так, чтобы из него получилась высокоэнергетическая глюкоза.

«Сборка» происходит уже в строме — внутреннем пространстве хлоропласта. Здесь в дело вступает главный «процессор» — Рубиско (RuBisCo). Этот древний «массовый фермент» (до 50% белка в листе!) захватывает молекулу CO₂ и «прикручивает» ее к 5-углеродному сахару рибулозо-1,5-бисфосфату (RuBP). Откуда сахар? Дело в том, что «Сборка» происходит в специализированном Цикле Кальвина.

Этот «старт сборки» и есть начало цикла. Цикл — вещь замкнутая, поэтому сахар был сгенерирован за предыдущий цикл. Но также он может синтезироваться из продуктов иных метаболических путей.

Получается нестабильный 6-углеродный интермедиат (промежуточное вещество), мгновенно распадающийся на две молекулы 3-фосфоглицерата (3-ФГА). Отсюда и имя пути — С3.

Далее фосфоглицерат соединяется с АТФ и с НАДФН, которые накопились в световой фазе, с получением глюкозы. Энергия, накопленная в АТФ и НАДФН как раз таки тут и тратится.

Данные реакции на самом деле намного сложнее и раскрываются в цикле Кальвина. Намеренно их опускаем. За расшифровку этих реакций Мелвин Эллис Кальвин получил Нобелевскую премию по химии в 1961 году. 

Ценасинтеза одной молекулы глюкозы: 18 АТФ + 12 НАДФН + 6 CO₂. Дороговато, учитывая, что на дыхание потратится 38 АТФ. А при окислении 1 НАДФН получится 3 АТФ.

Выше было описано, что Рубиско — глючный фермент и вот почему: если растениям с типом фотосинтеза С3 жарко, или CO2 недостаточно, то Рубиско начинает дико глючить и вместо CO₂ хватать кислород.

Это все, что касается «базового» типа С3. Конечно, некоторые организмы провели оптимизацию, чтобы адаптироваться и сделать жизнь несколько легче. Тем не менее, в данном тексте оставим только классику.

Аноксигенный фотосинтез. Это разновидность фотосинтеза, который используют некоторые бактерии. Здесь не продуцируется кислород, не используется вода (только альтернативы). Древний, энергоэффективный процесс, однако требует специфического «топлива» и темной комнаты. Звучит неплохо да и в целом бактерии научились очень специфичным вещам. Кислород в данной ситуации фатален для фотосинтеза. 

Теперь к интересному. 

Генетическая инженерия и энергоэффективность

«Озеленить» клетки можно попробовать с помощью CRISPR/Cas9, чтобы точно вставить все гены. Или с помощью вирусного вектора.

Для настройки фотосинтеза потребуется:

• Гены светособирающих комплексов

• Ферменты цикла Кальвина (RuBisCO и не только!) для фиксации углерода

• Системы поддержания жизнедеятельности хлоропластов

• Хлоропласты

Начнем с того, что редактировать (даже не редактировать, а вставлять) — нецелесообразно. Да и последствия самые неочевидные. Гены могут влиять на гены. То есть продукты экспрессии одних генов могут подавлять экспрессию других генов и наоборот. Поэтому было бы необходимо сначала перепроверить, как все гены, необходимые для фотосинтеза влияют друг на друга, а после — как влияют на все гены в целевых клетках. Процедура бы заняла пару лет и лярдов деняк. Недавно восстановили фенотип лютоволка (фенотип! то есть только внешние признаки) и там внесли 20 изменений в 14 (!) генов. Притом исследования велись с 2021 года, а волчат получили только в 2025. А теперь можно подумать, сколько генов понадобится вставить, которые отвечают за фотосинтез. В этой статье описаны гены тополя, ответственные за фотосинтез. Определили 515. Понятно, что пару десятков можно попробовать убрать или сократить. Подумайте, сколько времени, сил и материальных вложений на это уйдет. И не факт, что получится.

И даже если бы пару клеток или даже ткань получилось озеленить, то ставится вопрос — а зачем? Вот было бы круто, если бы человек фотосинтезировал? Да нет, во‑первых, этически это плохая идея. Во‑вторых, для фотосинтеза придется перепроектировать все — от кожи до кровеносных сосудов. И что по энергоэффективности? Очень сложно, потому что бы поменялись все реакции.

Энергетика фотосинтеза у человека

Мы с вами уже поняли, что заставить человеческие ткани вести себя как у растений не получится. А если бы и получилось, то это настолько сильно бы изменило метаболизм, что мы не смогли бы тут ничего посчитать с энергетической точки зрения.

Поэтому предлагаем альтернативу изменению метаболизма человека. Чтобы была примерная возможность подсчёта эффективности.

Что если внедрить в человеческие клетки дополнительный органоид. Это будет гипотетический органоид со своим генетическим аппаратом, который мог бы независимо от наших клеток обеспечивать себе метаболизм, а наши клетки снабжать глюкозой? Звучит странно? Но сходный случай уже произошел с митохондриями. Когда-то анаэробная клетка вступила в симбиоз с аэробной. Аэробная давала анаэробной энергию, а анаэробная клетка давала аэробной защиту и недостающие питательные вещества. Вот так в клетках и завелись митохондрии. Но в целом,  метаболизм митохондрий кардинально отличается от метаболизма остальной клетки, и при этом митохондрии имеют свою ДНК и экспрессируют достаточный набор генов, чтобы  функционировать относительно автономно.

Вот тут в одной клетке мы видим сразу несколько митохондрий. Давайте предположим, что в клетку мы поместим гораздо более мелкую клетку, которая гипотетически могла бы прижиться в ней, как когда то было с митохондриями. Рассмотрим для этого одноклеточную водоросль — хлореллу. Это, разумеется не простая задача, но гораздо более реалистичная, чем интегрировать программу двух фаз фотосинтеза в клетку вместе со всем белково‑липидным содержимым хлопласта. В этом случае хлорелла изолирует все процессы, связанные с фотосинтезом внутри себя. Остается решить вопросы синхронизации деления клеток кожи и хлореллы и иммунной совместимости. Но, как уже было сказано, с митохондриями такая история прокатила. Правда то был симбиоз с прокариотом, а здесь выбрали эукариот. Вопросы будут, конечно, и много, но мы же теоретизируем

Что еще интересно, данная водоросль спокойно обитает в некоторых инфузориях

Точное количество клеток хлореллы в инфузориях оценить трудно. Иногда единичные экземпляры, иногда несколько сотен. Но тем не менее концептуально это работает и даже позволяет уменьшить количество митохондрий внутри инфузории

Но как много в клетку можно засунуть клеток хлореллы? Митохондрии могут занимать до 20% от объёма клетки. Но это касается клеток мышц, где потребление энергии очень интенсивно. Для обычных клеток это максимум 10%.

Давайте предположим, что в эпителиальной клетке кожи хлорелла будет занимать около 10% объема клетки. Типичный размер Chlorella vulgaris около 4 мкм. Соответственно, при сферической форме хлореллы (какую форму она в норме имеет) занимаемый хлореллой объем внутри эпителиальной клетки будет около 33.5 мкм³. Типичный размер эпителиальной клетки человека около 15 мкм и занимаемый объем около 1760 мкм³. В целом это позволяет разместить внутри клетки около 4 клеток хлореллы.

Также мы должны учесть то, что фотоактивными клетки могут быть только на коже. Причём это будет всего несколько слоев клеток, располагающихся друг над другом  (см. рисунок)

В нашем случае хлорелла может размещаться в шиповатом слое. Это самый толстый слой кожи, содержащий живые клетки. Все остальные клетки выше — мертвы. Это ороговевший слой.

Что еще можно учесть? Учтем, что кожа не прозрачная. Свету нужно преодолеть роговой слой кожи, и блестящий слой (он свет хорошо отражает). Таким образом до шиповатого слоя доходить будет точно не более 50% солнечной радиации.

Учтем, что свет на тело человека попадает только с одной стороны, подобно тому, как на лист растения он тоже попадает с одной стороны. Для человека это будет или сторона живота или сторона спины. За среднюю площадь тела человека примем 1,8 м2. Тогда его освещенная часть будет около 0,9 м2.

Что еще важно? Важно понять какая реальная солнечная интенсивность безопасна для человека. Если свет будет слишком сильным то можно получить тепловой удар. т. е. лежать в 40 градусов с солнечной экспозицией >1000 Вт/м2 конечно можно, но недолго. Поэтому примем за максимальное излучение, которое может быть получено человеком без вреда для здоровья 200 Вт/м2

Общая мощность солнечного излучения, достигающего шиповатого слоя эпидермиса будет определяться как;

где: Pdostup = доступная мощность, достигающая шиповатого слоя Вт, I — интенсивность излучения Вт/м2, А — освещаемая площадь м2, foslab​ — константа ослабления интенсивности света, при прохождении через верхние слои кожи.

Таким образом общая световая мощность, достигающая клеток около 90 Вт без учета потерь на оптической плотности в самом шиповатом слое. Опустим это.

Ну и последнее, это эффективность преобразования солнечного света хлореллой. Вести точные расчеты в рамках данной статьи мы конечно же не будем, поэтому просто отметим себе, что реальная эффективность С3 фотосинтеза около 4,6% Это в целом очень оптимистично, особенно учитывая стрессовые факторы для самой хлореллы. Как ни крути, для хлореллы среда внутри клетки гораздо менее располагающая, чем в южном пруду.

Формула для расчёта химической мощности (P_chem), т. е. энергии, доступной для синтеза органики в случае хлореллы c эффективностью (eff) будет определ яться как:

При подстановке получим

 Pchem=90×0,046=4,14 Вт (или Дж/с)

При пересчете на 1 час получим 14 904 Дж или 3,56 килокалории.

Много это или мало? Ну, для сравнения всем известная алюминиевая баночка типичного сладкого газированного напитка имеет энергетическую ценность около 45 килокалории. Стандартный ломтик хлеба 30 г имеет энергетическую ценность около 60 калорий.

А сколько потребляет человек энергии? Есть такое понятие как «Основной обмен» что подразумевает то, какое количество энергии тратит организм на поддержание своих основных функций. То есть когда вы лежите на диване и пялитесь в потолок без мыслей в голове при комфортной для вас температуре 25 градусов.

Для разных возрастов основной обмен различен. Но вы можете сами без проблем рассчитать его для себя пот по этой ссылке.

 ecalc.ru/bmr. Или можете посмотреть по таблице, приведённой ниже

Для примера возьмем мужчину 25 лет, веса 75 кг, роста 170 см. В этом случае его основной обмен будет 1693 ккаллории в сутки или 75,5 ккаллории в час. 

Итого, мужчина, с функцией фотосинтеза мог бы покрывать в лучшем случае ~4,7% от своего основного обмена. То есть если бы он физически или умственно трудился, то все было бы еще хуже. 

В начале статьи мы задали вопрос мог бы ли шрек использовать энергию солнца для жизни. Давайте прикинем сколько Шреку потребовалось бы энергии.
Гугл даёт нам следующие габариты: 

А вес 96-98 кг. Вероятная площадь тела Шрека будет примерно в полтора раза больше, чем площадь тела обычного человека. 

Предположим, что Шрек не сидит на месте, а просто живет себе и удерживает вес. Тут таблица основного обмена уже не актуальна. Воспользуемся другой таблицей, которая отражает средний рацион, который нужен для жизни при определенном весе. Вот она:

Согласно таблице, в режиме удержания веса Шрек должен потреблять около 4000 килокалорий или 166 килокалории в час.

Мы уже посчитали, что для обычного человека количество энергии, полученной посредством фотосинтеза будет около 3,56 килокалории. Если предположить, что площадь тела Шрека больше тела человека на 50% то тогда он получает 5,34 килокалории или 3,4% от его потребностей) Можно еще учесть что обычно он ходит в одежде и его открытая часть тела сокращается в лучшем случае до 20%. Тогда ситуация еще печальнее. Так что да. Шрек питаться светом не сможет.

В заключение нужно отметить ещё раз, что в этой статье сделано очень много упрощений. Не учитывается ослабление поглощения света в шиповатом слое, не учитываются потери при конвертации энергии из глюкозы в гликоген при запасании в мышцах, как это в норме происходит. Игнорируется, что в коже вырабатывается меланин для защиты кожи от солнца и затенения света, чтобы не попортить живые клетки. В реальности эффективность такой авантюры была бы еще ниже если не на порядок, то в несколько раз точно.

Так что в текущем варианте для нас энергетически выгоднее выращивать растения и есть их, чем самим становиться растениями.

Не будьте растениями, будьте людьми.