Пигменты (например, гемоглобин) окрашены потому, что поглощают свет в определенной полосе цветового спектра (вспомним радугу) и отражают свет других полос. Та область, в которой вещество поглощает свет, называется его спектром поглощения. При связывании с кислородом гемоглобин поглощает свет сине-зеленой и желтой части спектра, а отражает красный, вот почему артериальная кровь кажется нам ярко-красной. Спектр поглощения меняется, когда гемоглобин теряет кислород в венозной крови. Дезоксигемоглобин поглощает свет в зеленой части спектра и отражает красный и синий. Поэтому венозная кровь имеет багровый оттенок.

Учитывая, что дыхание происходит внутри клеток, исследователи стали искать похожий пигмент в тканях, а не в крови животных. Первым, кто добился успеха, был ирландский практикующий врач по имени Чарльз Макманн. Исследованиями он занимался в свободное от работы время в лаборатории, которую устроил на чердаке конюшни, где обычно хранилось сено. Сквозь щель в стене он следил за тропинкой, по которой к нему ходили пациенты, и, если не желал, чтобы его беспокоили, заранее звонил в колокольчик, подавая знак домохозяйке. В 1884 г. Макманн обнаружил в животных тканях пигмент, спектр поглощения которого варьировал примерно так, как у гемоглобина. Он утверждал, что это и есть искомый «дыхательный пигмент», но, к сожалению, не смог объяснить его сложный спектр поглощения, и даже не смог убедительно показать, что этот спектр действительно принадлежит этому пигменту. Открытие Макманна было забыто до тех пор, пока в 1925 г. этот пигмент не переоткрыл Дэвид Кейлин — ученый родом из Польши, работавший в Кембридже. По общим отзывам, Кейлин был не только блестящим исследователем и вдохновенным лектором, но и очень порядочным человеком, и он всегда подчеркивал, что приоритет этого открытия принадлежит Макманну. На самом деле Кейлин пошел гораздо дальше своего предшественника. Он показал, что сложность спектра поглощения связана с тем, что он относится не к одному, а к трем пигментам. Таким образом, он переступил камень преткновения, который сбил с толку Макманна. Кейлин назвал эти пигменты цитохромами (клеточными пигментами) и обозначил их буквами a, b и c согласно расположению полос на их спектрах поглощения. Эти буквенные обозначения до сих пор в ходу.

Однако было одно затруднение: как ни странно, ни один из открытых Кейлином цитохромов не взаимодействовал непосредственно с кислородом. Чего-то явно не хватало. На это недостающее звено пролил свет немецкий химик Отто Варбург, работавший в Берлине и получивший за свою работу Нобелевскую премию в 1931 г. Я сказал «пролил свет», потому что наблюдения Варбурга были косвенными и при этом очень хитроумными. Иначе было и нельзя, потому что дыхательные пигменты, в отличие от гемоглобина, присутствуют в клетке в исчезающе малых количествах, и их нельзя было выделить и изучить напрямую, используя грубые методы того времени. Варбург догадался, что вычислить спектр поглощения того, что он называл «дыхательным ферментом»[29], можно благодаря странному химическому свойству монооксида углерода (CO, или угарный газ), который связывается с соединениями железа в темноте, но отсоединяется (диссоциирует) от них на свету. Оказалось, что спектр поглощения дыхательного фермента соответствует спектру гемина — соединения, похожего на гемоглобин и хлорофилл (зеленый пигмент растений, поглощающий солнечный свет в процессе фотосинтеза).

Интересно, что дыхательный фермент активно поглощал свет в синей части спектра, а отражал зеленый, желтый и красный. Поэтому он имел коричневатый оттенок, а не красный, как гемоглобин, и не зеленый, как хлорофилл. Варбург обнаружил, что простые химические изменения могли превратить дыхательный фермент в красный или зеленый, и тогда спектр поглощения становился очень похожим на спектры гемоглобина или хлорофилла. Это навело его на предположение, которое он озвучил в своей нобелевской лекции: «от этого фермента произошли как пигмент крови, так и пигмент листьев <…> очевидно, он существовал до гемоглобина и хлорофилла». Из этих слов следует, что дыхание возникло в эволюции раньше фотосинтеза. Как мы увидим чуть позже, это прозрение Варбурга оказалось совершенно верным.

Несмотря на большой шаг вперед, Варбург все еще не мог понять, как именно происходит дыхание. На момент получения Нобелевской премии он склонялся к мысли, что дыхание — одноступенчатый процесс (при котором вся энергия глюкозы высвобождается одномоментно), и не мог объяснить, какое отношение к дыханию имеют открытые Дэвидом Кейлином цитохромы. Тем временем сам Кейлин разрабатывал концепцию дыхательной цепи. Он предполагал, что атомы водорода или, по крайней мере, составляющие их протоны и электроны отрываются от глюкозы и передаются по цепочке цитохромов, от одного к другому, как пожарные передают друг другу ведра, до тех пор, пока, наконец, не наступит реакция с кислородом с образованием воды. В чем преимущество такой последовательности мелких шажков? Любой, кто видел фотографии крушения «Гинденбурга» — самого большого дирижабля в мире[30], — имеет представление о том, какое огромное количество энергии высвобождается при взаимодействии водорода с кислородом. Если разбить эту реакцию на несколько промежуточных этапов, то на каждом из них можно получать небольшое и управляемое количество энергии, говорил Кейлин. Потом эту энергию организм мог бы использовать (как — тогда еще не знали) для совершения работы, например сокращения мышц.

В 1920-е и 1930-е гг. Кейлин и Варбург, расходившиеся во взглядах на многие детали процесса дыхания, вели оживленную переписку. По иронии судьбы найти подтверждение предложенной Кейлином концепции дыхательной цепи удалось не автору концепции, а Варбургу, который в 1930-х гг. открыл дополнительные небелковые компоненты (коферменты) этой цепи. В 1944 г. Варбургу присудили вторую Нобелевскую премию, однако, будучи евреем, он не получил ее из-за запрета Гитлера. (Тем не менее международная известность ученого, по-видимому, произвела впечатление даже на Гитлера, во всяком случае, Варбург избежал концлагеря или чего похуже.) Как ни печально, глубокое проникновение Кейлина в структуру и функции дыхательной цепи так и не было отмечено Нобелевской премией, что, несомненно, было упущением Нобелевского комитета.

Общая картина на тот момент складывалась такая. Глюкоза расщепляется на более мелкие фрагменты, которые используются в карусели взаимосвязанных реакций, известной под названием цикла Кребса[31]. В процессе этих реакций атомы углерода и кислорода отщепляются и выводятся в виде побочного продукта — углекислого газа. Атомы водорода связываются с коферментами Варбурга и поступают в дыхательную цепь. Там их разбирают на электроны и протоны, дорожки которых тут же расходятся. Что происходит с протонами, мы узнаем потом, а пока давайте проследим за электронами. Их передают по всей длине дыхательной цепи переносчики электронов. Каждый переносчик сначала восстанавливается (приобретает электроны), а потом окисляется (теряет электроны), передавая их следующему звену цепи. Это означает, что дыхательная цепь образует последовательность связанных окислительно-восстановительных реакций, то есть ведет себя как миниатюрный электрический провод. Электроны передаются по нему от переносчика к переносчику со скоростью примерно 1 электрон за 5–20 миллисекунд. Окислительно-восстановительные реакции являются экзергоническими, то есть при их протекании высвобождается энергия, которая может быть направлена на совершение работы. На заключительном этапе электроны переходят от цитохрома с к кислороду, где воссоединяются с протонами, образуя воду. Последняя реакция происходит в дыхательном ферменте Варбурга, который Кейлин переименовал в цитохромоксидазу, так как он использует кислород для окисления цитохрома с. Этот термин прижился и поныне в ходу.