Как сахарная свёкла превращает солнечный свет в сахар

Зелёная фабрика: фотосинтез в листьях свёклы

Всё начинается в листьях. Процесс, который здесь происходит, называется фотосинтезом (химическая формула фотосинтеза выглядит так: 6H₂O (вода) + 6CO₂ (углекислый газ) + свет → C₆H₁₂O₆ (глюкоза) + 6O₂ (кислород)), и без него не было бы не только сахара, но и кислорода, которым мы дышим.

Для фотосинтеза растению нужны три ингредиента:

• вода, которую корни впитывают из почвы;

• углекислый газ (CO2), который листья поглощают из воздуха через крошечные поры — устьица;

• солнечный свет — главный источник энергии.

Внутри клеток листа находятся особые «цеха»  — органеллы хлоропласты. В них содержится хлорофилл, который улавливает энергию солнечного света. Хлорофилл частично отражает зелёный, а красный и синий свет поглощает и использует, поэтому растения зелёного цвета. Из углекислого газа растение берёт главный строительный блок для всех живых существ — углерод. Энергия света запускает химическую реакцию, в результате которой получается глюкоза и кислород.

Кислород — это побочный продукт, который растение выделяет в атмосферу. А вот глюкоза — это универсальное топливо и строительный материал для самого растения. Часть её сразу же тратится на рост и поддержание жизни, а на оставшуюся часть у сахарной свёклы есть особый план.

Растение превращает глюкозу в сахарозу, а затем запасает её в корне. Сахароза и есть тот самый сахар, который потом появляется у нас на столе. 

Почему именно сахароза, а не глюкоза?

Для начала стоит сказать, что после того, как свёкла нафотосинтезировала глюкозу, часть молекул она с помощью ферментов превращает во фруктозу. Это нужно, чтобы пережить холода.

Ферменты — специальные вещества (белки), которые стимулируют протекание определённых химических реакций.

Дело в том, что молекулы воды при замерзании пытаются выстроиться в упорядоченную кристаллическую решётку льда. А молекулы растворённого в воде сахара (глюкозы и фруктозы) физически мешают этому процессу. Они «разбавляют» воду и создают хаос, из-за чего для формирования кристаллов льда требуется отвести больше энергии, то есть охладить воду до более низкой температуры, чем 0 °C. Чем больше разных молекул в воде (а на самом деле в водном растворе), тем сложнее «заморозить» растение. 

А ещё фруктоза примерно в 1,7 раза слаще глюкозы. Это помогает свёкле привлечь насекомых-опылителей и животных, которые распространяют семена. 

Так вот, чтобы передвигаться по растению, глюкоза и фруктоза соединяются в сахарозу. Сахароза не попадает в клетки напрямую, сначала её нужно расщепить, а для этого нужен специальный фермент — сахараза. Это делает её идеальным веществом для транспортировки энергии — от листьев, где происходит фотосинтез, до корней и плодов. Сахароза более компактна — это соединение из одной молекулы глюкозы и одной молекулы фруктозы. Так эти молекулы не болтаются хаотично в растворе, а собираются в более удобные «пачки». 

Чаще всего растения для запасания энергии превращают глюкозу в крахмал (это длинная цепочка из молекул глюкозы). Но у свёклы, тростника или, например, финиковой пальмы выработался механизм запасания сахарозы. Это связано с условиями, в которых эти растения живут: им нужно уметь защититься от засухи, холода и при этом иметь способ быстро получить энергию. Во всех этих случаях сахароза приходит на помощь. 

Таким образом, растение превращает «быструю» глюкозу в стабильную и компактную сахарозу, чтобы эффективно перевезти её в корень и надёжно спрятать до следующего года. 

Зачем так много? 

Мы уже убедились, что свёкла умеет выживать. Она адаптировалась к холоду и засухе, а также готовит большой запас питательных веществ на два года жизни. Но почему свёкла не тратит всю энергию сразу, а накапливает её в корне, в отличие от огурца или помидора? Давайте разбираться.


Однолетние растения используют стратегию «всё или ничего», быстро размножаясь за один сезон и отмирая с приходом холодов. Многолетние растения, напротив, инвестируют в долгосрочное выживание и размножаются в течение многих лет.

Двухлетние растения, к которым относится и сахарная свёкла, объединяют обе стратегии:

1. Накопление ресурсов. В первый год главная задача свёклы — выжить и подготовиться к будущему. Она отращивает пышную розетку листьев. Всё лето её зелёные «солнечные панели» работают на полную мощность, производя сахар. Но вместо того, чтобы тратить его на цветение, свёкла отправляет почти всю произведённую энергию в свой корень. Это её стратегический запас на долгую зиму и на самую важную миссию — размножение.

2. Защита и выживание. Под землёй растение защищено от морозов и других неблагоприятных условий, что повышает его шансы на выживание по сравнению с однолетними, которые погибают с наступлением холодов. 

3. Эффективное размножение. На второй год, используя накопленные за первый год ресурсы, растение тратит всю энергию на цветение и созревание большого количества семян. А затем уступает своё место потомству. 

Двухлетний цикл позволяет растению выжить в условиях, где один год может быть неблагоприятным для роста, а второй — для размножения. В любом случае часть популяции сохранится. Этот подход даёт свёкле максимальные шансы на успешное продолжение рода.

Создана человеком: свёкла, которая не выживет в дикой природе

Та свёкла, из которой делают сахар — творение человека. Её дикий предок (свёкла обыкновенная приморская — beta vulgaris maritima) до сих пор растёт на побережьях Европы. Это растение с тонким, жёстким и совсем не сладким корнем. Сахарная свёкла (свёкла обыкновенная сахарная — beta vulgaris saccharifera) была выведена в результате длительной селекции.

В XVIII веке немецкий химик Андреас Маргграф обнаружил, что в свёкле содержится то же вещество, что и в дорогом колониальном тростнике, но содержание сахарозы в ней было всего 6%. Поколения агрономов и учёных отбирали для размножения самые крупные и самые сладкие корнеплоды. В результате за два столетия содержание сахара в свёкле удалось поднять до 18% в современных сортах.

Однако за сладость пришлось заплатить. Современная сахарная свёкла стала настолько специализированной, что без человека она практически нежизнеспособна. Её корнеплод стал привлекательной добычей для грызунов, насекомых и микроорганизмов.

Свёкла утратила многие защитные механизмы своих диких предков и не может конкурировать с сорняками без помощи фермеров. Селекционерам постоянно приходится работать над выведением устойчивых сортов.

Симбиоз корнеплода и человека

Сахарная свёкла, как и остальные растения, использует фотосинтез, чтобы создать глюкозу. Она научилась запасать сахарозу, а не крахмал, чтобы при необходимости быстро получать из неё глюкозу и фруктозу. Это и помогало ей выживать в сложных условиях. 

Человек, заметив этот потенциал, за несколько столетий с помощью селекции превратил дикое растение в высокопродуктивную культуру.

В результате симбиоза природной изобретательности и человеческой настойчивости мы нашли источник сахара в природном аккумуляторе. И теперь он доступен каждому из нас.