Откровения зеленого листа
Откровения зеленого листа
Уважаемые джентльмены! Когда Гулливер в первый раз осматривал академию в Лагадо, ему прежде всего бросился в глаза человек сухопарого вида, сидевший, уставив глаза на огурец, запаянный в стеклянном сосуде. На вопрос Гулливера диковинный человек пояснил ему, что вот уже восемь лет, как он погружен в созерцание этого предмета в надежде разрешить задачу улавливания солнечных лучей и их дальнейшего применения… В зале, где собрались члены Лондонского Королевского общества, наступила недоуменная тишина. Что он хочет сказать, этот русский профессор, которого Королевское общество пригласило в апреле 1903 года прочесть лекцию о своих, говорят, очень интересных исследованиях?
— Для первого знакомства я должен откровенно признаться, что перед вами именно такой чудак. Более тридцати пяти лет провел я, уставившись если не на зеленый огурец, закупоренный в стеклянную посудину, то на нечто вполне равнозначащее — на зеленый лист в стеклянной трубке, ломая себе голову над разрешением вопроса о запасании впрок солнечных лучей…
«Запасать впрок солнечные лучи? Разве их можно уловить и удержать?»— думал кое-кто из присутствующих. А остроумный русский профессор (это был Климентий Аркадьевич Тимирязев), ничуть не смущаясь, продолжал лекцию, точными цифрами и экспериментами подтверждая шаг за шагом свою мысль о величайшей, как он выразился, космической роли земных растений — деревьев, трав, водорослей.
Нет, не абстрактные рассуждения волновали замечательного русского ученого, а великая польза, которую получает от растений человечество, само того, может быть, до конца и не осознавая.
Зеленых растений на земном шаре — неисчислимое количество, а закон их питания — един. И не надо думать, что, если они встречаются нам на каждом шагу, значит, мы все знаем о них. Великая тайна зеленого листа, тайна самой жизни остается и до сих пор не полностью раскрытой.
Великая тайна зеленого листа — это проблема фотосинтеза. Это вопрос о том, каким образом растения извлекают из воздуха углерод, как солнечный свет помогает им строить, синтезировать из этого углерода сложнейшие питательные вещества.
…Мы пришли к профессору Анатолию Александровичу Ничипоровичу, крупнейшему специалисту в области изучения фотосинтеза.
— Изучая жизнь растений, ученые поняли, что высокие урожаи зависят прежде всего от фотосинтеза, — сказал ученый. — Удобрения, водоснабжение повышают урожаи постольку, поскольку они повышают фотосинтетическую продуктивность растения. Ведь на 90–95 процентов урожай любого растения возникает из воздуха, из углекислого газа, поглощенного растением на свету. Значит, надо выяснять и создавать наивыгоднейшие условия для фотосинтеза.
Нужно и можно поднять урожайность почти всех культур, потому что теоретический «потолок» урожайности еще далеко не достигнут. Человечество получает от культурных растений значительно менее 1/10 части того, что они могли бы дать, как говорит теория.
— Если бы удалось заглянуть в будущее, — продолжает профессор А. А. Ничипорович, — то мы увидели бы, как шаг за шагом поднимается урожайность, по мере того как человек раскрывает основы и механизм питания растений и ведущую роль в нем фотосинтеза — основы всего сущего.
Если бы можно было заглянуть подальше в будущее… Но сначала оглянемся назад, в историю, в те времена, когда у человека впервые возник интерес к загадке, которую в наше время называют проблемой фотосинтеза.
Пастор, священник Жан Сенебье не был специалистом-биологом, но именно ему наука обязана одним из великих открытий. Он установил, что растение, построенное в основном из углеродистых соединений, получает этот элемент из воздуха. В 1782 году в одном из трех томов своих сочинений он коснулся вопроса о действии света на листья, а в следующем. 1783 году посвятил ему целый том.
Сенебье, как и некоторые ученые до него, рассуждал примерно так: «Из чего строится растение? Из какой среды — из земли, из воды или из воздуха?» И пришел к выводу, что «стройматериалом» и главной пищей растения является воздух. Эта пища есть всюду: и в пустыне, и на скалах, и в лесу. Вот почему, где бы ни жили растения, состав у них одинаковый, ибо они строятся из углекислоты.
Есть идеи, которые, как говорят, носятся в воздухе, и нужно только, чтобы нашелся человек, который смог бы сформулировать их полно и четко. В 1753 году, за 20 лет до открытия Сенебье, написал свое «Слово о явлениях воздушных» Михайло Васильевич Ломоносов.
Вдумайтесь в его мысли:
«Преизобильное ращение тучных дерев, — писал он, — которые на бесплодном песку корень свой утвердили, ясно изъявляет, что жирными листами жирный тук из воздуха впитывают».
Это была догадка, предвосхищавшая открытие Жана Сенебье. Не произнося слова «углерод», Сенебье открыл самый факт его кругооборота и вполне осознавал значение своего открытия.
«Я вижу, — говорил он, — как моя кровь образуется в хлебном колосе… А древесина отдает мне зимою теплоту, огонь и свет, похищенные ею у солнца… Я вижу, как частицы света соединяются с телами; я хотел бы думать, что этот свет вновь будет поражать мои взоры в пламени горючих веществ, мне кажется, что он образует эти смолы, с которыми имеет так много сродства, эти маслянистые вещества, насыщенные его теплотой, его пламенем, эти спиртовые частицы семян и плодов, пропитанные его огнем…»
Все шло к тому, чтобы фотосинтезом заинтересовались многие. Почти в то же время, когда Сенебье писал свои теоретические сочинения, англичанин Пристли экспериментально установил, что растения «исправляют» воздух, испорченный дыханием животных. Но Пристли не заметил, что «исправление» воздуха зависит от того, освещается растение солнцем или нет. Лишь через семь лет, в 1789 году, это открыл голландский ученый Ингенгуз.
Целая плеяда ученых, живших в разное время и в разных странах — Лавуазье, Де-Кандоль, Соссюро, Буссенго, Либих, Роберт Майер, — связала себя с решением этой проблемы.
Но понадобился гений К. А. Тимирязева, чтобы двинуть дело дальше и положить начало современному этапу работ по фотосинтезу. Тимирязев умело и блестяще сочетал точные методы разных наук — физиологии растений, физики и химии. Недаром ему было присвоено звание доктора точных наук. Девизом К. А. Тимирязева было «Работать — для науки, писать — для народа, то есть популярно». Даже о сложнейшей проблеме фотосинтеза он умел рассказывать интересно и увлекательно.
«Когда-то, где-то, — рассказывает ученый, — на землю упал луч солнца; но он упал не на бесплодную почву, — он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он погас, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы. И вот теперь атомы углерода стремятся в наших организмах вновь соединиться с кислородом, который кровь разносит во все концы нашего тела. При этом луч солнца, таившийся в них в виде химического напряжения, вновь принимает форму явной силы. Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу…»
Количества энергии и углерода, накапливаемые растениями в угле, нефти, газе, древесине, торфе, выражаются в цифрах поистине космических! Как микробы, крохотные и невидимые, вершат порой гигантские процессы, так и растения, эти крохотные былинки на лике нашей планеты, преобразуют ее, вершат дела космического масштаба.
В нашей атмосфере 21 процент кислорода. Весь он также добыт и освобожден растениями из воды и минералов в процессе фотосинтеза.
Пока человек использует лишь 0,35 процента энергии, накапливаемой растениями в фотосинтезе. (Это равно годовой выработке 700 Волжских ГЭС.)
Мы могли бы сказать тем, кто пророчит планете мальтузианскую голодную смерть:
— Смотрите, какие колоссальные возможности роста у сельского хозяйства! Сколько энергии дает нам солнце! Сколько земель, пригодных для сельского хозяйства, пустует! По данным Организации Объединенных Наций, эта цифра доходит до 48 процентов!
Подумать только: в центре так называемого цивилизованного мира, во Франции, пустует 10 миллионов гектаров земель. И если в наше время голод или частичный голод охватывает 2/3 населения земли, то это происходит не из-за биологических, как пытаются доказать буржуазные идеологи, а из-за социальных причин.
Ученые подсчитали, что если бы всюду сельскохозяйственное производство поднять до уровня лучших западноевропейских ферм, то продукция сразу увеличилась бы вдвое. Например, в Соединенных Штатах урожай пшеницы с гектара вдвое ниже, чем в странах Западной Европы, где применяются более передовые методы обработки. В Индии применение японского метода выращивания риса привело к увеличению урожая вдвое. Вообще нужно сказать, что в странах с развитым сельским хозяйством урожай с гектара растет быстрее, чем само население.
Наши мастера высоких урожаев, вдохновленные высокими идеями коммунизма, на практике доказали, что человек в силах поднять урожайность растения в десятки раз и приблизиться к тому теоретическому «потолку», о достижении которого мечтали ученые, исследовавшие фотосинтез. Это открывает необыкновенный простор для творческих дерзаний работников сельского хозяйства. Уже сейчас для многих передовиков у нас стало обычным получать с гектара не менее 120 центнеров зерна кукурузы, 60–70 центнеров зерна пшеницы, 1000–1200 центнеров свеклы, 1000–1500 центнеров зеленой массы кукурузы…
Трудно себе представить, насколько освоенной, изобильной и плодородной станет через десятки лет вся суша. И не только суша!
Настанет время, и мы научимся несравненно лучше, чем сейчас, использовать растительность морей и океанов, и прежде всего микроскопические одноклеточные водоросли. Водные растения синтезируют органических веществ в восемь раз больше, чем сухопутные. И это не только потому, что море в два с половиной раза больше суши. Море плодороднее. Гектар суши в среднем дает за год 3–4 тонны растительности, а гектар моря — 8–9 тонн. Но как ее добывать? Над этим пусть подумают инженеры…
Мы немного отвлеклись, — говорит профессор А. А. Ничипорович. — Вернемся к загадке фотосинтеза, решение которой позволит не только в несколько раз поднять урожайность на тех же земельных площадях, но и обещает обогатить химическое производство новыми типами реакций, новыми катализаторами и новым сырьем.
Мы не случайно начали разговор о фотосинтезе с солнца. Ведь пища, которую нам дают растения, есть не что иное, как «консервы солнечных лучей». Но нужен был основной материал, который мог бы стать переносчиком солнечной энергии из неживой природы в растение, из растения — в животное, а затем снова в неживую природу. Таким материалом является углерод — элемент с замечательным свойством: он способен легко окисляться, соединяясь с кислородом, и восстанавливаться, освобождаясь от кислорода, присоединяя, например, водород.
Есть у этого элемента и другие достоинства. Атомы углерода могут соединяться в цепочки, кольца разнообразной длины, величины и конфигурации.
Они становятся основой, скелетами сотен тысяч молекул разнообразных органических веществ, которые легко превращаются друг в друга и дают вещества с самыми разнообразными свойствами.
Итак, растения питаются углеродом. Как же он проникает в растение? Огромное количество углекислого газа растворено в атмосфере и омывает листья, принося растению основную пищу.
Лист — это орган фотосинтеза, чрезвычайно мощный синтетический аппарат. Если растения занимают гектар, то площадь их листьев достигает 3–4 и даже иногда 10 гектаров. Однако фактически поверхность соприкосновения с воздухом у листа еще больше, потому что весь лист испещрен сотнями тысяч микроскопических устьиц. Внутри листа и происходит поглощение углекислоты зернами хлорофилла. Общая поверхность клеток, которые поглощают углекислоту, за счет такой пористости в 7—10 раз больше поверхности листа. Чтобы создать большие урожаи, растения должны усваивать из воздуха громадные количества углекислого газа.
Тесно пешеходам и автомобилям на узких улицах больших городов. А в крошечных устьицах еще «теснее». Обычно через каждое устьице диаметром в несколько микрон каждую секунду внутрь должно пройти 2500 миллиардов молекул углекислого газа. А навстречу им через те же устьица мчится такой же поток кислорода и в 2–3 тысячи раз большее количество молекул воды. Скользнув взглядом по зеленой листве, мы и не догадываемся порой, с какой бешеной скоростью идут процессы внутри листа.
Пришла осень. Вы сняли урожай сахарной свеклы. Урожай средний — 250–350 центнеров с гектара. Вы не поверите сразу, сколько углекислого газа усвоили из воздуха растения — 20 тонн! Это значит, что они смогли «съесть» весь углекислый газ из слоя воздуха в четыре километра над участком в гектар!
В какой же последовательности образуются вещества при фотосинтезе?
Сначала из простейших углеродных соединений возникают так называемые промежуточные продукты. Среди них — фосфорные эфиры органических кислот, Сахаров, а также аминокислоты. Сначала все, что возникает, существует в виде растворимых соединений. А когда первый голод клеток утолен, избыток «дохода» растение кладет «в банк», переводит в крахмал, в нерастворимую форму. Крахмал можно увидеть в листьях уже через несколько минут после начала фотосинтеза. Во времена К. А. Тимирязева думали, что это первый продукт фотосинтеза, а оказалось, что это один из последних продуктов. Просто реакция идет настолько быстро, что десятки промежуточных продуктов, возникающих буквально за секунды, мы не успеваем даже распознать.
Может быть, вся цепочка превращений при фотосинтезе полностью изучена? Так ли это? К сожалению, нет! Нащупаны пока только некоторые из основных звеньев процесса.
От нескольких сантиметров до десятков метров колеблется рост растений. И если маленький колючий лютик живет всего 30–40 дней, то жизнь гигантской секвойи, эвкалипта, тисса растягивается на сотни лет. Но совершенно независимо от размеров растения фотосинтез у них может быть и очень активным, и слабым. Например, у подсолнечника и кок-сагыза аппарат фотосинтеза действует исключительно интенсивно, но каков внутренний «механизм» их высокой активности, пока неясно. А ведь без ответа на этот вопрос невозможно активизировать фотосинтез для многих сельскохозяйственных культур и поднять их урожайность до теоретического «потолка».
По-разному работает фотосинтетический аппарат при разном свете. Например, советский ученый А. Ф. Клешнин заметил, что если растить лук под белым или красным светом, он хорошо образует луковицы. А под синим люминесцентным светом он, наоборот, быстро идет в перо и не дает луковицы.
Оказывается, кванты (порции) синего света обладают почти вдвое большей энергией, чем кванты красных лучей, и способны осуществлять более трудные в энергетическом отношении фотохимические реакции. Кроме того, лучи разных частей спектра поглощаются разными веществами и активируют разные реакции превращения веществ в растениях. Поэтому при разном освещении образуются различные вещества, меняется весь ход процесса обмена.
А разве не заманчиво исследовать все способы светового воздействия на растение? Ведь можно менять не только спектр света, но и его продолжительность и силу.
Практическое применение световой техники в сельском хозяйстве по существу еще только начинается, поэтому поле деятельности для исследователя здесь безграничное.
Для того чтобы использовать энергию света на превращение веществ и усвоение углерода, свет должен быть поглощен и энергия его должна быть превращена в энергию химическую. Эти обязанности выполняет в листьях растений зеленый пигмент хлорофилла. И в наше время биологи исследуют особенно внимательно зеленое хлорофилловое зерно — этот микроскопический очаг, который служит посредником между Солнцем и всей жизнью на Земле.
Свет кажется нам непрерывным потоком, а на самом деле луч света идет последовательными порциями.
Есть у растений одна, видимо, очень существенная, но до сих пор не объясненная особенность: листья их содержат гораздо больше хлорофилла, чем, казалось бы, необходимо для фотосинтеза. Чтобы образовать одну молекулу органического вещества, продукта фотосинтеза из одной молекулы углекислого газа, достаточно энергии всего трех-четырех фотонов. А листья в полевых посевах на каждую молекулу поглощают нередко в 30–40 раз большее количество энергии. За это растению приходится расплачиваться усиленным испарением воды из листьев. Но даже в тех районах, где мало воды, растения упорно сохраняют высокое содержание хлорофилла и по-прежнему поглощают много энергии. Зачем?
И почему, даже если дать ему больше пищи и воды, в ответ растение прежде всего увеличивает содержание хлорофилла в листьях, хотя света кругом — в избытке, а доля усваиваемого света все так же мала?
Как же объяснить эти особенности растения?
Точных ответов на эти вопросы пока не дал никто.
Благодаря этому в полевых посевах растения связывают в продукты фотосинтеза в среднем всего 1/100 или 1/200 часть энергии, получаемой от Солнца. К. А. Тимирязев считал, что «человеку предстоит или усовершенствовать в этом отношении растение или изобрести взамен его искусственный прибор, который утилизировал бы больший процент получаемой энергии и притом работал бы круглый год. Насколько успеет он на этом пути — вопрос будущего».
Но усовершенствовать растение нельзя, не разобравшись в его внутреннем механизме. Давайте возьмем с вами углекислый газ и воду (то есть обычную пищу растения) и постараемся разделить эти вещества на простые составные части. Растение это делает за доли секунды, легко и просто, а нам придется нагреть газ и воду до сотен градусов. Причем как только температура и давление снизятся, снова образуется углекислый газ и вода. Это похоже на пружину: пока ее держишь, она растянута. Отпустил — сжимается.
Но почему же растение безо всяких давлений и температур не только разлагает углекислоту и воду, но и надежно разъединяет их? Как удается растению разъединить кислород и водород, которые имеют высокое сродство друг к другу и всегда стремятся соединиться между собой? Почему здесь энергетическая «пружина» остается взведенной? Эта «пружина» будет спущена, отдаст свою энергию только тогда, когда растение или будет сожжено, или станет кормом для животного.
Академик А. Н. Теренин и профессор А. Н. Красновский, исследуя хлорофилл, вскрыли интересные особенности фотохимической стадии и показали, как хлорофилл под ударами фотонов света становится своеобразным электронным насосом. В присутствии катализаторов под действием света молекула хлорофилла возбуждается и приобретает «жадность» к электрону, отнимает его у молекулы воды. Электрон передается «с рук на руки» веществам-переносчикам, пока, наконец, не доберется до углекислоты. Так же через хлорофилловую молекулу передается и ядро атома водорода. Водород вытесняет часть кислорода из углекислоты и становится на его место. «Пружина» взведена.
Обычно сгорание органического вещества идет по уравнению: СН2О + О2 = CO2 + Н2О +112 килокалорий. А в зеленом листе под солнцем эта же реакция идет в обратном направлении. Взятые растением у солнца 112 килокалорий — это и есть та сила, которая помогает реакции идти как бы против течения. Но дело не только в этом. Есть в листе что-то такое, что не дает реакции «скатываться» обратно, вспять. Это «что-то» кроется в замечательной структурной организации фотосинтетического аппарата растений, и прежде всего в тех круглых дискообразных зеленых тельцах в клетках листьев, которые Тимирязев называл в свое время хлорофилловыми зернами. Они образуют определенные структурные системы — хлоропласты.
Фотохимическая активность и совершенство хлоропласта зависят не только от его состава и обилия ферментов. Для точно направленной работы, для соединения нужных веществ растение за миллионы лет создало определенную структуру хлоропластов. Пока ясны далеко не все детали процессов, которые совершаются, происходят в хлоропласте. Во всяком случае, объемная пространственная структура хлоропласта, действующего, может быть, наподобие полупроводника, помогает реакции двигаться «против течения», как по ступенькам, поднимая вещества на более высокий энергетический уровень и сводя их в новые соединения.
Хлоропласты работают интенсивней многих химических заводов. За день работы они создают столько же органических веществ, сколько их содержится в них самих.
Убедиться в том, как важна для растения внутренняя структура листа, может каждый. Не отрывая листик от цветка, прокатайте слегка лист на столе стеклянной палочкой: клетки его останутся живы, дыхание сохранится, будут идти даже некоторые биохимические реакции, а способность к фотосинтезу будет сразу утрачена.
Хлоропласт и его структура — одна из еще не решенных полностью проблем биологии. Подобных «белых пятен» вокруг нас миллионы. И до каждого из них в конце концов доберется пытливый человеческий ум.
А когда мы полностью будем знать особенности структурной организации хлоропластов, особенности фотохимических и ферментных реакций фотосинтеза, особенности взаимодействия хлоропластов с живой протоплазмой клеток, а листьев, как органов фотосинтеза, — с растением, как единым, целым организмом, Мы получим в руки сильнейшие рычаги овладения силами природы. Применяя их для невиданного еще повышения урожайности растений, для воспроизведения фотосинтеза в искусственных условиях, для организации новых отраслей химической технологии, мы будем получать разнообразные и ценнейшие продукты и материалы из повсеместно распространенного сырья — углекислого газа, карбонатов, воды, азота воздуха и на неограниченной энергетической базе, то есть используя неиссякаемые потоки энергии солнечной радиации.
Заканчивая нашу беседу, — сказал профессор А. А. Ничипорович, — я напомню вам слова академика Сергея Ивановича Вавилова.
«Весьма возможно, — говорил он, — что сложность фотосинтеза зависит не только от запутанного переплетения физико-химических областей, уже известных. Возможно, что они заключают в себе также и новые стороны, до сих пор даже с принципиальной стороны оставшиеся скрытыми от общих наук».
Значит, молодым биологам, — сказал профессор А. А. Ничипорович, — надо смелее вторгаться в тайны зеленого листа, в секреты фотосинтеза. Их ждут, я убежден, большие романтические открытия.
Проблема фотосинтеза — это одно из «белых пятен» науки. Решив ее, мы сможем регулировать урожайность растений, навсегда уничтожим угрозу голода на земле. Конечно, мы должны прежде всего использовать и совершенствовать высокопродуктивные сельскохозяйственные растения. Но не ограничивать свое зрение только ими. Загадка эта требует более широкого научного подхода, и решение может прийти с совершенно неожиданной стороны. Еще раз советую обратить внимание на водоросли.
Да, мы пока совершенно их не используем в пищу. Но разве имеет право биолог забывать, что водоросли — одна из первых ступенек, пройденных живыми существами в ходе всей эволюции? У водорослей многие процессы идут проще, чем у высших растений. Тем лучше для исследователя! Тем ближе мы к разгадке самой поэтичной тайны природы.
И кто знает: не используют ли астронавты XXI века растения для регенерации воздуха в межпланетных ракетах? Не возьмут ли они в свои космические «ковчеги», подобно Ною из библейской легенды, примитивные, но живучие растения, которые на других планетах станут для них и пищей, и разведчиками, и напоминанием о родной Земле?