Текст книги "Яблони на Марсе"

Автор книги: Юрий Чирков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 18 страниц)

Доктор биологических наук Игорь Александрович Шульгин считает, что Земля – настоящий музей растительного мира, музей, где экспонаты, правда, предоставлены самим себе, ибо мы еще мало знаем условия, в которых можно поддерживать вымирающие формы. К ним относятся растущие в Абхазии знаменитые пицундские сосны, исчезающие деревья гинкго (Китай), древовидные папоротники и другие реликтовые, остающиеся за кормой «корабля» эволюции формы – по ним, пока не поздно, можно было бы хоть как-то воссоздать картину далекого прошлого планеты. Может быть, надеется Шульгин, когда-нибудь будет создан специальный музей флоры, где в искусственных условиях будут поддерживаться режимы, оптимальные для сохранения исчезающих растений.

А не являются ли C₃-растения «прорехой» эволюции, отголоском прошлого, видами, сходящими со сцены?

Когда-то на нашей планете все было иным. Ее первая атмосфера состояла преимущественно из аммиака, метана и водяных паров. Фотосинтез возник в протерозое – около полумиллиарда лет назад. Это была революция, имеющая далекие последствия. Растения, усваивая богатые запасы углекислоты древней атмосферы, переводили углерод в состав органических веществ, позднее, захороненных в горючих ископаемых, и в карбонаты (различные соли угольной кислоты, ее формула H₂CO₃), составляющие значительную часть земной коры.

Количество углекислоты в атмосфере начало катастрофически падать, а кислорода – расти. Все это ухудшало условия для фотосинтеза растений, так что нынешняя концентрация углекислого газа в воздухе для растений далеко не оптимальна. Видимо (и это одна из точек зрения ученых), многие растения просто не смогли в наилучшей степени приспособиться к новому режиму: их фотосинтетический аппарат и сейчас гораздо лучше работает при значительно более высоких концентрациях углекислоты, чем обычные 0,03 процента, и при более низких, чем современная цифра – 21 процент, концентрациях кислорода. Таковы, считается, все C₃-растения, обладающие древним и универсальным типом фотосинтеза. Но затем появилась новая ветвь – C₄-растения, более совершенные формы, лучше приспособленные к жизни в обедненной углекислотой атмосфере. Они выработали в себе мощный механизм, слой клеток мезофилла, для улавливания углекислоты, связывания и запасания ее.

Вот расхожая версия, которая, естественно, относит фотодыхание к разряду недоделок природы.

Но, может быть, все не так просто? И фотодыхание – необходимое звено жизненного цикла C₃-растений? Попробуем в этом разобраться. Начнем с того, что сахарный тростник или сорго произрастают в довольно-таки тепличных условиях: высокая влажность, обилие света, тепла. Тут основная помеха – низкая концентрация CO₂ в атмосфере. И C₄-растения успешно справились с этой трудностью.

Совсем иное у растений-«северян», C₃-растения вынуждены существовать в сравнительно суровых условиях. Тут часто возникают экстремальные, стрессовые ситуации. Быть может, и это вторая точка зрения, фотодыхание и позволяет C₃-растениям уцелеть в трудных условиях. И естественная цена выживания, расплата (жизнь или кошелек?) – это уменьшение их продуктивности. Так что, возможно, C₃-растения – это вовсе не растительные «динозавры», а так же, как и С₄-растения, – результат длительного приспособления к изменившимся внешним условиям. Они тоже прошли долгий путь эволюции, изменили морфологию, жизненные циклы, чтобы достаточно гибко приспособиться к новым условиям среды.

Разочарования… надежды!

Загадка фотодыхания, таинства C₄-пути фотосинтеза привлекают все большее число ученых самых разных специальностей – физиологов растений, биохимиков, эволюционистов, морфологов, селекционеров. Оно и понятно: тут затронуты фотосинтез и дыхание – центральные физиологические процессы, а также нужды практики, ибо есть шансы поднять продуктивность растений, увеличить выход биомассы.

Вначале суждения исследователей были чересчур категоричными, а устремления практиков слишком прямолинейными. C₃– и C₄-типы растений? Это, рассуждали тогда, как «белые» и «черные» – как две различные расы. Чтобы различать их, существовало несколько тестов. C₄-растения выдавало отсутствие фотодыхания, вполне определенная структура листа и другие признаки.

Но вскоре от таких простых взглядов пришлось отказаться. Выяснилось: у ряда растений оба пути фотосинтеза представлены одновременно! Так, у портулака, этого по всем признакам C₄-растения, по мере старения листьев усиливаются признаки C₃-растений, появляется и растет фотодыхание.

Другой интересный пример. Листья бобов фотосинтезируют по C₃-пути, а проростки того же растения явно относятся к C₄-типу.

Мощные удары опрокинули и эволюционные представления о том, что-де C₄-тип растений – это недавнее приобретение флоры, приспособление к понижающемуся уровню углекислоты в атмосфере. Нет же! Неожиданно обнаружилось, что к C₄-классу растений следует причислить и сине-зеленые водоросли, этих древнейших обитателей планеты, живших на Земле и 3 миллиарда лет назад, когда количество кислорода в воздухе составляло всего лишь тысячную часть от сегодняшнего! Понятно, в таких условиях фотодыхание вряд ли угрожало растениям.

Нет, скорее всего C₄-путь фотосинтеза необходим растениям, когда они попадают в сложные экологические условия, когда C₃-способ связывания углекислоты оказывается подавленным. Например, в условиях низкого содержания углекислоты в воздухе, когда фиксацию углерода надо вести без потерь, самым экономным способом. Ну, скажем, при высокой плотности растений, что бывает в период цветения водоемов, или в жарком засушливом климате, когда углекислота становится недоступной из-за закрытых устьиц.

В пользу экологических соображений говорят и такие факты. Есть сведения, что переключение на C₄-путь фотосинтеза дает возможность растениям активно адаптироваться и к повышенной засоленности. Далее, в стрессовых условиях (водный дефицит, например) C₃-растения также начинают проявлять C₄-признаки…

Свою долю разочарований, а надежды, мы помним, были очень большими, получили и исследователи практического склада. Ведь они надеялись выключить тем или иным способом вредный, по их мнению, процесс фотодыхания. Самое простое тут – снизить концентрацию кислорода. Однако эта мера, как выяснилось, явно угнетала развитие растений. К примеру, Лайск показал, что продуктивность фотосинтеза листьев осины при 21 проценте кислорода в воздухе (обычное содержание) на 20 процентов выше той, которая наблюдается, если растение держать в газовой смеси с 0,5 процентами кислорода.

Правда, другая крайность – подкормка растений углекислотой – себя оправдала. При повышенном содержании углекислого газа в воздухе фотодыхание слабеет, а фотосинтез становится более интенсивным.

И вновь вопросы, вопросы… Их гораздо больше, чем ответов. И это свидетельство того, что должны быть сделаны еще более значительные и для теории и для практики новые открытия. Об одном из вселяющих большие надежды явлений мы сейчас расскажем.

Амарант

C₄-растения можно разбить на две большие группы: малатные (в нее входит кукуруза) и аспарагатные. Вторые менее изучены. Поговорим о культуре, о которой человек вспомнил после четырехсот лет забвения. Называется она амарантом, что – символично! – по-гречески значит «вечный».

Амарант (второе название щирица) – это преимущественно однолетние травы с мелкими цветами, собранными в густые колосовидно-метельчатые соцветия. Травы с довольно необычным видом и свойствами.

Амарант существует в нескольких формах. В природе встречается 60 видов этого растения. 15 растет на территории СССР, 12 видов можно выращивать как культурные, но в основном это широколиственное, пурпурно-зеленое растение, которое и на широте Ленинграда может достигать двухметрового роста.

Основной стебель амаранта несет метелку с красными, оранжевыми и золотистыми цветами. Семена этого растения очень малы, они как песчинки, число их огромно – до 500 тысяч у одного растения. Что является и неудобством, затрудняет работу с амарантом, и одновременно достоинством: для посева на одном гектаре земли достаточно 0,5 килограмма семян, для кукурузы – 180 килограммов.

Амарант привлек внимание людей еще 8 тысяч лет назад. Он был пищей майя и инков, выращивался тысячами тонн в Мексике и Центральной Америке, однако испанские колонизаторы истребили эту культуру: они запрещали ее возделывание, так как полагали, что аборигены получали из нее краски, которые затем использовали в ритуальных церемониях. И к XVI веку амарант исчез. Лишь в последние десять-пятнадцать лет острый интерес к этой культуре вспыхнул вновь.

В СССР горячим пропагандистом амаранта стал заведующий лабораторией фотосинтеза Биологического института Ленинградского университета, доктор биологических наук Исхан Магомедович Магомедов. Он ездит по стране, читает лекции об амаранте, организует опытные посевы – всячески пытается привлечь внимание работников сельского хозяйства к достоинствам этой незаслуженно забытой культуры.

Амарант – культура очень продуктивная. Одно растение дает до 30–40 килограммов биомассы. Метелка с зернами весит около килограмма, что дает до 20 центнеров с гектара. Очень важны также вкусовые и питательные свойства щирицы. Семена имеют вкус, напоминающий ореховый, и могут прямо использоваться для выпечки хлеба или входить в состав добавок для выпечки.

Амарант отличается от других зерновых культур (пшеницы, риса, кукурузы) тем, что его листья можно использовать как зеленую овощную массу. Нежные листочки молодых растений богаты витаминами А, С, рибофлавином и фолиевой кислотой. Из них можно делать салат, как и из шпината. До возрождения интереса к амаранту он выращивался в небольших количествах крестьянами в деревнях Мексики, Гватемалы, Перу, Индии и Непала на зерно. А овощной вариант возделывался в Китае, Юго-Восточной Азии, Южной Индии, Западной Африке, странах Карибского бассейна.

Однако самым ценным качеством семян и листьев амаранта является то, что они содержат 16–18 процентов высококачественного белка. В пшенице же и других зерновых культурах белка значительно меньше, и, главное, он не сбалансирован по незаменимым аминокислотам.

По данным экспертов, белок амаранта оценивается в 100 баллов по принятой шкале качества, все остальные белки – животные и растительные – значительно ниже. Содержание важнейшей аминокислоты (лизина) в амаранте, по данным лаборатории Магомедова, в 3–3,5 раза выше, чем в пшенице. По мнению американских специалистов, амарант более ценный диетический продукт, чем пшеница, кукуруза, рис или соя.

Таинственное зерно ацтеков

В нашей стране свойства амаранта, как кормовой культуры, изучались в 30–50-е годы, однако дальше опытных делянок дело не пошло. Более того, растение объявили злейшим сорняком, с которым, естественно, нужно беспощадно бороться.

Да, действительно, щирица может стать сорняком, если среди зерновых или овощных культурных растений появится дикий амарант. Культурные же виды щирицы, напротив, заслуживают к себе самого уважительного отношения.

За рубежом в последние годы к амаранту проявляют очень большой интерес, особенно после того как появились данные о высоком содержании лизина в белках амаранта.

Летом 1985 года 6 линий амаранта были опробованы на полях фермеров Центрального Запада США. Получены многообещающие результаты. Помощник директора Исследовательского центра, ведущего эти работы, Чарлз Кауфман сказал следующее: «Мы дали фермерам единообразные формы, которые никогда ранее не существовали. Хотя очень мало известно о генетике амаранта по сравнению с кукурузой и пшеницей, мы показали, что быстрые улучшения возможны при использовании стандартных селекционных методов – амарант можно легко окультурить».

Трудности внедрения амаранта заключаются в следующем. Во-первых, столетиями амарант выращивали на небольших площадях. Приспособить эту культуру для крупномасштабного производства зерна, механизировать выращивание и уборку непросто: у полукультурных линий амаранта растения имеют различную высоту и могут полегать; семена в метелках созревают неодновременно, часть семян осыпается, когда другая еще не созрела.

Во-вторых, хотя амарант во взрослом состоянии растет быстро, его проростки отчего-то развиваются медленно, их легко могут заглушить сорняки. Поэтому приходится тщательно ухаживать за посевами в течение нескольких первых недель, в дальнейшем же культура не требует большого внимания.

Есть и другие проблемы, препятствующие быстрому внедрению амаранта в сельское хозяйство. Тут, однако, стоит вспомнить историю окультуривания сои, которую в США лет 50 назад только начинали выращивать для пищевых и фуражных целей, а теперь она стала там одной из ведущих сельскохозяйственных культур.

В нашей стране усилиями Магомедова и его единомышленников внедрение амаранта хотя и с трудом, но продвигается. Сотрудники лаборатории Магомедова вместе с научными работникам Всесоюзного научно-исследовательского института растениеводства (ВИР) в совхозе «Скреблово» под Ленинградом в течение нескольких лет выращивают амарант в полевых условиях. В 1985 году эта культура была посеяна на полутора гектарах, в 1986-м – на четырех. Урожай биомассы доходил до 800 центнеров с гектара. Но, к сожалению, пока в стране широкомасштабных опытов выращивания амаранта нет. Хотя, возможно, и до этого вскоре дойдет, ибо в 1987 году было создано научно-техническое объединение «Амарант».

А что делается за рубежом? Там в ряде стран амарант стал коммерческим продуктом. Так, к примеру, компания «Health Valley» из Монтебилло (Калифорния) с 1981 года начала поставлять крупы с добавкой из амаранта. Затем она стала продавать печенье, пасту и замороженные хлебцы из пшеничной муки с амарантом. Эта компания привлекает покупателей тем, что рекламирует амарант как «таинственное зерно ацтеков, забытое на 400 лет». Продажей продуктов из амаранта (зерно, мука, масло, крахмал, гранулы которого у амаранта рекордно мелки, биомасса для производства фуража или этанола) занимаются и многие другие компании.

Вот так C₄-растения преподнесли человеку еще один сюрприз. И кто знает, не сбудутся ли пророческие слова, сказанные одним из наиболее активных проповедников амаранта американцем Лео Леманом, который недавно заявил: «Вопрос состоит не в том, станет ли амарант главной зерновой культурой, а когда он ею станет».

Глава 5
Завет Тимирязева

…Одно из главнейших богатств России заключается в тех потоках лучистой энергии, которые изливаются на хлорофилловую поверхность ее необозримых полей и лесов. Я полагаю, что по меньшей мере любопытно узнать, как же велико это богатство, как велика та доля его, которой мы пользуемся в настоящее время, как велика и та доля, которой мы еще можем воспользоваться, пока не достигнем предела, зависящего от свойств солнечного луча и хлорофилла.

К. А. Тимирязев

В начале XIX века английский священник Томас Мальтус (1766–1834) выдвинул теорию, согласно которой население Земли растет в геометрической прогрессии 1: 2 : 4 : 8 : 16 : 32 и так далее, удваиваясь каждый раз, а производство продуктов питания – в арифметической – 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6. Следовательно, утверждал он, прогрессирующее обнищание, одичание человечества неизбежно, и посему голод, болезни, войны, сокращающие численность людей, – не что иное, как благо, ниспосланное господом.

Мальтус высчитал, что население Англии, удваиваясь каждые 25 лет, к 1950 году составит 704 миллиона человек, тогда как прокормить удастся всего 77 миллионов. На деле же число англичан к этому времени увеличилось лишь до 51 миллиона, причем питались они в среднем гораздо лучше, чем 11 миллионов их предков 150 лет назад.

Мальтус ошибся. И все ж какая-то доля истины в его рассуждениях есть. Она в том, что размеры суммы жизни на нашей планете, ее верхние пределы устанавливают растения. И максимальная численность человечества в конечном итоге определяется тем, насколько эффективно действует зеленая энергопреобразующая «машина».

Растения – машины? Сразу же возникает множество вопросов. Насколько совершенны эти механизмы? До какой степени их можно сравнивать с техническими созданиями рук человека? Можно ли попытаться усовершенствовать конструкцию растений?.. Вопросов тьма, но прежде хотелось бы выяснить вот что. Растение – это энергетический автомат, действующий всегда однообразно, стереотипно, запрограммированно? Или это тонкая, гибкая, податливая, эластичная система?

От Таймыра до Монголии

Однажды к ученым Ботанического института Академии наук СССР (сокращенно его называют БИН), что в Ленинграде, обратились… пограничники. Они просили помочь им разрешить одну научную загадку. Пограничники рассказали, что розыскные собаки, взяв след, ночью уверенно преследуют нарушителей. Но утром, после восхода солнца, овчарки словно бы утрачивают чутье, чувствуют себя неуверенно, сбиваются со следа.

Проблемы ботаники и тонкости работы пограничных собак – казалось бы, какая между ними связь? Какие могут быть точки соприкосновения? Тут нам вновь придется говорить про фотосинтез. Вспомним, ночью лишенные света растения могут только дышать. И лишь при свете дня, когда включается фотосинтез, усвоение листьями углекислоты начинает преобладать. Так вот, гипотеза пограничников – ее они и принесли на суд ученых – состояла в том, что утром, когда дыхание растений, грубо говоря, «подавлялось» фотосинтезом, бурно выделяющийся кислород окислял сохранявшиеся на листьях, цветках, стеблях и прочих частях растений пахучие вещества. Следы нарушителей границы как бы растворялись в воздухе, исчезали. Это и сбивало с толку овчарок, ведущих преследование.

Но пограничники хотели не просто утвердиться в своей правоте. Они ожидали большего: просили у ученых практических рекомендаций, какие растения следует сажать в пограничной зоне? Ведь процесс фотосинтеза у различных видов растений идет, конечно, не одинаково. Следовательно, казалось бы, можно подобрать породы деревьев, кустарников, трав, слабо фотосинтезирующих, выделяющих малые количества кислорода…

Эта погранично-фотосинтетическая история – лишь один из многих примеров того, какие интересные проблемы решают научные сотрудники лаборатории экологии и физиологии фотосинтеза в БИНе. Руководитель лаборатории профессор Олег Вячеславович Заленский начал подобные исследования еще в довоенные годы на Памирской биологической станции Таджикского филиала АН СССР. В 1940 году с помощью группы одесских альпинистов он поднял научные приборы в горы Восточного Памира, на высоту 6 тысяч метров. Туда же были доставлены проростки ячменя и пшеницы. Позже, перебравшись с Памирской биологической станции в Ленинград, Заленский стал организатором и руководителем многочисленных экспедиций, изучавших фотосинтез в тундрах Центрального Таймыра и острова Врангеля, в степях и пустынях Казахстана и Средней Азии, в сухих и пустынных степях далекой Монголии.

А зачинателем экологической физиологии растений в нашей стране стал академик Сергей Павлович Костычев (1877–1931). Это был инициативный, энергичный исследователь. Работа по физиологии фотосинтеза была начата им в 1920 году в Петроградском университете. В трудное время гражданской войны, когда даже для получения двух пудов керосина, пары примусов и нескольких электрических лампочек приходилось обращаться непосредственно в правительство, к Ленину.

Масштабное изучение фотосинтеза растений в условиях их естественного произрастания, не «искусственных» сельскохозяйственных посевов, а, так сказать, растений-аборигенов началось в 1928 году. Костычев направил многочисленные экспедиции в Закавказье (растения влажных субтропиков), в Среднюю Азию (растения глинистых и песчаных пустынь), на мурманское побережье Кольского полуострова (тундра), на Южный берег Крыма (сухие субтропики).

Изучались и культурные растения – хлопчатник, люцерна, виноград. Данные, полученные Костычевым и его сотрудниками, позднее вошли во все учебники и монографии по фотосинтезу растений. Было доказано, что суточный ход фотосинтеза крайне неравномерен. То он весьма ослаблен, то идет с большой скоростью и силой. Оказалось, что львиную часть времени растения почти совсем не запасают углерод. Но затем, в течение какого-нибудь часа, быстро наверстывают упущенное, обеспечивая свою потребность в углеводах.

Открытий было сделано немало. Естественно, скажем, ожидать, что в тропиках интенсивность фотосинтеза велика. Однако это не так: пышность и буйство тропических растений добыты за счет огромного увеличения сезонной продолжительности фотосинтеза и за счет развития обширной и длительно живущей листовой поверхности. А вот там, где жизнь растений нелегка (пустыни, север, высокогорье), машина фотосинтеза, вынужденная функционировать малое время, творит чудеса: развивает рекордную производительность.

Саксаул в Антарктиде

В первое мое посещение БИНа я не застал Заленского, познакомились мы позже. В тот раз я беседовал с его сотрудницей, доктором биологических наук Ольгой Александровной Семихатовой.

– Нас интересуют в первую очередь крайности, экстремальные условия существования растений, – говорила она. – Тут легче всего познать, как растение приспосабливает фотосинтез к тем или иным особенностям данной ботанико-географической зоны. Высокогорный як, если спустить его с гор, погибнет от разрыва сердца. В тепличных условиях тропиков кактус просто-напросто сгниет. Поэтому морошка в Африке или саксаул в Антарктиде – это, конечно, бессмыслица. И все же растения удивительно гибко и цепко приноравливаются к самым суровым и трудным условиям…

Ольга Александровна говорила далее о том, как нелегко исследовать фотосинтез в полевых условиях. Надо защищаться от морозов, слепящего солнца, сильных ветров, несущих тучи песка. А доставка к растениям необходимого измерительного оборудования, часто довольно громоздкого? А сам зеленый лист – до чего же прихотливый и капризный объект!

– Наша работа, – продолжала свой рассказ Семихатова, – важна для геоботаники, палеоботаники, для систематиков растений, морфологов и растительных анатомов. Но не думайте, что мы занимаемся лишь чистой наукой, чуждой практических нужд. Приведу примеры. Сейчас в невиданных прежде масштабах осваивается Север нашей страны. Но его природа очень хрупка: вездеход процарапал следы в тундре – нужны десятки лет, чтобы эти нанесенные цивилизацией шрамы исчезли. Природа нуждается в помощи, но какой? Этот вопрос обращен и к нам, ученым.

Познакомила меня Ольга Александровна и с проблемой светолюбивых (к ним относятся пшеница, рис, свекла, береза, дуб…) и тенелюбивых (бук, самшит, папоротники, кислица, женьшень) растений. Первые не выносят затемнения: оно действует на них угнетающе. Тенелюбы, наоборот, страшатся яркого света, прячутся в тень: они приспособлены для жизни в нижних затененных ярусах таежных ельников, лесостепных дубрав, тропических гилей.

И вот, говорила Семихатова, представьте, что лес вырублен, молодняк, жизнь которого складывалась в тени, неожиданно оказывается на свету и может погибнуть. Спрашивается, как с учетом данных о фотосинтезе у светолюбов и тенелюбов научно вырубать леса: через дерево или узкими полосами?..

Еще я узнал тогда о том, как несладко приходится растениям в городах, особенно больших, таких, как Москва или Ленинград. По-видимому, отчетливо стресс у растений впервые наблюдали в Берлине в начале этого века, когда там ввели газовое освещение. При этом погибли столетние липы на знаменитой Унтер-ден-Линден – одной из центральных улиц немецкой столицы.

– Фотосинтез может служить хорошим индикатором стойкости растений, – говорила Ольга Александровна, – он помогает очертить область температур, влажности, освещенности, – тех контуров, где растение находится в комфортных условиях и где для них начинается зона стресса. У нас, в Ленинградской области, да вот хотя бы в нашем Ботаническом саду (Ольга Александровна указала на пышную зелень за окном) многие деревья живут на крайних границах своего ареала, живут там, где, строго говоря, не должны жить. Это естественно, южане – каштаны, грецкий орех, белая акация (ленинградский день для нее слишком долог) и другие виды…

Наша беседа с Семихатовой подходит к концу. Я смотрю на виднеющиеся за окном огромные, высотой в десятки метров, деревья Ботанического сада (БИН расположен на его территории). Возле каждого из них дощечки с латинскими надписями… Эти пришельцы из самых разных краев земли таят многие не раскрытые еще учеными тайны фотосинтеза.

КПД – одна миллионная

Мы убедились: фотосинтетический аппарат растений – совершеннейшее устройство, способное подстраиваться под меняющиеся условия. И значит, у человека-исследователя появляется шанс найти среди растений лучшие образцы. Но по какому критерию их следует отбирать?

Конкретно поставим вопрос так: насколько умело растения используют солнечный свет? За миллион лет шлифовки все случайное и несовершенное, казалось, должно было быть отброшено. Ясно: коэффициент полезного действия (КПД) зеленой машины должен быть велик.

Увы! Практика показывает иное: в среднем по планете на фотосинтез идет лишь 0,1 процента от всей солнечной энергии, падающей на поверхность листвы.

КПД растений мал. Это научно установленный факт. Малоприятный для людей, ибо тут обнаруживается страшная расточительность природных процессов.

Чтобы прокормить 12-летнего мальчика телятиной в течение года, нужны 4 теленка. Телят кормит люцерна, и поля в 4 гектара для них достаточно. Но этой траве тоже нужна «еда» – солнечные лучи, их энергия. А теперь – простая арифметика. Из всей солнечной энергии, падающей на поле, люцерна использует для своего роста лишь 0,24 процента. Из энергии, накопленной люцерной, телята усваивают (на тот же рост) 8 процентов. Из энергии, запасенной, так сказать, телятами, мальчик берет, чтоб вырасти за год и увеличить свой вес на 3 килограмма, 0,7 процента.

Результат оглушительный – мальчику достается только миллионная доля энергии излучения! Остальные 999 999 растрачиваются впустую. Страшные цифры, если вдуматься. Выходит, что в природной кормовой цепочке человеку достаются какие-то жалкие крохи!

КПД – одна миллионная! В промышленности и говорить не захотят о такой машине. Подобную конструкцию инженеры не станут и рассматривать.

Тут необходимо, правда, отметить, что претензии наши к природе безосновательны. Она и не ставила перед собой цель прокормить человека. Она кормилец поневоле. Солнце заливает светом поле вовсе не для того, чтобы растить на нем люцерну. Люцерна растет не для того, чтобы ее жевали телята. А те бродят по полю совсем не ради того, чтобы стать отбивными. И у животных, и у растений свои задачи: им надо сохранить себя и дать потомство. А для этого необходимы и несъедобные рога, копыта, шкура, и не перевариваемые желудком человека стебли, листья, корни растений.

Что мы имеем от растений сейчас, нам известно, но есть ли надежда получить больше? Да. На рубеже прошлого и настоящего веков Тимирязев (уж сколько раз мы цитировали слова этого выдающегося исследователя!) писал: «Недалеко то время, когда… мы будем в состоянии разрешить вопрос, касающийся не только физиолога, но и практика, и экономиста, и, вообще, человека, интересующегося судьбами человечества… вопрос о предельном количестве органического вещества, которое человек в состоянии получить с известной площади земли при помощи растения…» И далее Тимирязев четко сформулировал научную стратегию – добиться увеличения коэффициента использования солнечной радиации растениями до 10–15 процентов.

Задумаемся над этими красноречивыми цифрами: 0,1 процента и 15 процентов, реальность и идеал – какие мощные резервы! Какие потенциальные возможности для прогресса уже существующего земледелия! Эти цифры никого не могут оставить равнодушными.

Опыты Варбурга

Ближайшая наша задача теперь – получить теоретически указанные Тимирязевым 15 процентов. Пусть это будет, так сказать, нашим «домашним заданием».

Тут нам придется еще раз вспомнить, что делает растение. Оно ловит световые кванты, порции лучистой энергии. Это – на входе, а на выходе растение выдает синтезированные им углеводы. Самопроизвольно химическая реакция образования углеводов не идет. Чтобы запустить этот процесс, и нужна энергия световых квантов. Сколько же их необходимо?

Расчеты показывают: для получения грамм-молекулы глюкозы или, что эквивалентно, грамм-молекулы кислорода (после отщепления от молекулы воды атома водорода остается кислород, который растение выделяет в атмосферу) нужно затратить примерно 120 килокалорий энергии. Поэтому трех квантов красных лучей, каждый красный квант несет 40 килокалорий энергии, было бы достаточно, чтобы процесс фотосинтеза шел с эффективностью 100 процентов.

Вот так, чисто теоретическим путем можно установить, что минимальное количество световых квантов – три. Но, конечно, потери неизбежны и действительное число квантов, эта величина в науке носит название «величины квантового расхода», должно быть большим. Каким?

За ответом я отправился к доктору биологических наук, сотруднику Института физиологии растений Академии наук СССР Леону Натановичу Беллу. Не один десяток лет этот ученый, физик по образованию, занят изучением термодинамики превращений солнечных лучей в растениях. Написанная им монография «Энергетика фотосинтезирующей растительной клетки» была удостоена высокой награды – премии имени К. А. Тимирязева. В книге этой подробно обсуждалась и одна из старых интригующих загадок фотосинтеза, вопрос о величине квантового расхода.

Первое измерение этой величины было выполнено еще в 1922 году знаменитым немецким биохимиком и физиологом, позднее лауреатом Нобелевской премии, открывшим природу и функции дыхательных ферментов, Отто Варбургом (1883–1970). Он дал метод исследований – респирометр, или просто аппарат Варбурга, прибор для определения небольших количеств выделяющихся газов.

Варбург предложил и очень удобный объект для исследований, одноклеточную водоросль – хлореллу (она придает изумрудный цвет тихим заводям и лужам), которая столь прославилась в более поздние годы. Замечательна хлорелла тем, что при размножении может делиться не на две, а сразу на 4, 8, 16, 32 и даже 64 части! Ее биомасса нарастает столь же быстро, как снежная лавина в горах…

Опыты, которые вели сотрудники Варбурга, были по замыслу очень просты. Зная интенсивность падающего на хлореллу света и определяя количество выделяющегося при фотосинтезе кислорода, можно оценить квантовый расход. Он оказался равным четырем: четыре кванта света на каждую выделяющуюся молекулу кислорода.