Жизнь из воздуха, воды и света

Солнечный свет — наиболее мощный и наименее освоенный человеком источник энергии. За исключением энергии ядра практически вся энергия, прямо или косвенно использовавшаяся когда-либо человеком, представляет собой энергию световых лучей. Гидравлические электростанции преобразуют энергию рек в электрическую. Однако возможность работы ГЭС обусловлена круговоротом воды в природе: нагревание атмосферы солнечными лучами вызывает испарение воды, которая затем выпадает в виде осадков. Тепловые электростанции вырабатывают энергию, используя каменный уголь, нефть, природный газ, то есть органические вещества, которые были созданы зелеными растениями с помощью солнечной энергии миллионы лет назад. Органическое происхождение имеют также бензин, керосин, мазут и прочие виды минерального топлива, получаемые из нефти и каменного угля. Продукты питания, обеспечивающие человеческий организм необходимой энергией (зачастую в больших, чем это требуется, количествах), в конечном счете поставляются растениями, поскольку животные, мясо которых мы едим, питаются либо зелеными растениями, либо травоядными животными. Что касается самих растений, то они вырабатывают органические вещества, непосредственно улавливая и связывая лучистую энергию. Без этого первичного использования света жизнь на Земле была бы невозможна.

Но если растения издавна «умеют» утилизовать энергию солнечного луча без каких-либо промежуточных, посредствующих звеньев, то человек смог это сделать с помощью техники лишь в последние десятилетия, правда, пока в очень незначительных масштабах, которые с точки зрения существующих объемов производства энергии можно вообще не принимать во внимание. Сегодня только одним зеленым растениям природой дано искусство создавать органические вещества из воды и воздуха, используя энергию света. В процессе ассимиляции, или фотосинтеза, в листьях и стеблях растений, при участии хлорофилла, из углекислого газа и воды образуются виноградный сахар (глюкоза), а затем крахмал и другие более сложные органические соединения. Заключенная в этих веществах анергия обязана своим происхождением солнечному свету. Эти факторы широко известны. Но то, что сегодня знает каждый школьник, оказывается пока недоступным для повторения в лабораториях без участия зеленого растения. Если частично прикрыть ассимилирующий лист небольшим кружочком из непрозрачного материала, то можно убедиться в том, что только в освещенной части листа из воды и воздуха будут синтезироваться глюкоза, а затем крахмал. Если в конце дня обработать этот лист раствором йодистого калия, то участки листа, содержащие крахмал, потемнеют и перед вами, словно на фотоотпечатке, сделаном с негатива, окажется точное изображение прикрытой части листа. На фото 1 показан лист тополя, с которым был проделан такой опыт. На снимке отчетливо видны темная зона (здесь на лист падал солнечный свет и образовался крахмал) и круглое светлое пятно (эта часть листа была прикрыта).

Фото 1. Часть листа тополя на протяжении целого дня была укрыта от солнечных лучей (светлое пятно). Проведенный вечером тест с применением йода показал, что лист в темноте не способен к фотосинтезу.

Процесс фотосинтеза стал для нас явлением настолько само собой разумеющимся, что мы уже более не удивляемся всему совершенству подобного способа использования энергии. Я приведу несколько цифр, которые позволят наглядно показать читателю, что в действительности скрывается за понятием «фотосинтез».

Начнем с малого. Один квадратный сантиметр листа сахарной свеклы в течение дня образует из воздуха и воды с помощью солнечного света всего одну тысячную долю грамма глюкозы. Картофель и ячмень продуцируют еще меньше. Однако общее количество углеводов, выработанных всеми листьями растения, уже нельзя недооценивать. Сколько органического вещества может синтезировать Растение из воздуха и воды в течение года, довольно убедительно показывает урожай зерновых, снимаемый с полей. С точки зрения энергетического баланса подобное производство в высшей степени рационально и экономично. Для синтеза 1 килограмма глюкозы растению достаточно затратить около 4,4 киловатт-часа энергии. Примерно такое количество энергии потребляет цветной телевизор, если в течение пяти дней он работает по три часа каждый вечер. Один килограмм виноградного сахара связывает 400 граммов чистого углерода, синтезированного из 0,75 кубического метра углекислого газа. Так как содержание углекислого газа в воздухе составляет всего 0,033 процента, то для того, чтобы получить такое количество углерода, растение должно «обработать» 2250 кубических метров воздуха. Одновременно с этим происходит химическое разложение 0,6 литра воды и выделение 0,75 кубического метра чистого кислорода.

Рассмотрим теперь фотосинтез в глобальном масштабе. Ежегодно наземные растения связывают 17,2 миллиарда тонн углерода, растения морей — 25 миллиардов тонн этого элемента, содержащегося в углекислом газе атмосферы и Мирового океана. В сумме эти 42,2 миллиарда тонн углерода расходуются на образование 105,5 миллиарда тонн виноградного сахара. Для перевозки такого количества сахара потребовался бы железнодорожный состав длиной более чем в 50 миллионов километров, что в 40 раз превышает общую длину всех железнодорожных линий Земли, равно одной трети расстояния от Земли до Солнца и в 130 раз больше расстояния от Земли до Луны. А содержание состава — всего-навсего годовое производство виноградного сахара всей растительностью Земли.

В процессе фотосинтеза растения за год усваивают 467 триллионов киловатт-часов солнечной энергии. Это почти в 170 раз превышает мировую выработку энергии за год (по данным за 1963 год). Из этого количества растения потребляют 189 500 миллиардов киловатт-часов, возвращают в атмосферу 17,1 миллиарда тонн углерода, а оставшиеся 25,1 миллиарда тонн углерода трансформируют в твердое вещество. Помимо того, растительный мир связывает за год 37,8 миллиарда кубических метров воды, а и самих растениях ежегодно накапливается 277 500 миллиардов киловатт-часов энергии. В процессе синтеза, происходящего в столь гигантских масштабах, растения ежегодно перерабатывают 79 триллионов кубических метров углекислого газа, 32 триллиона возвращаются вновь в атмосферу, а 47 триллионов остаются в связанном состоянии. Кроме того, растения выделяют в атмосферу 47 триллионов кубических метров чистого кислорода.

Эти цифры настолько велики, что их уже трудно воспринимать. Однако можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время в атмосфере не будет недостатка углекислого газа, а поэтому голодная смерть не угрожает всему живому на Земле. Эта уверенность гарантируется тем, что люди, животные и микроорганизмы, вместе с пищей получающие углерод, при дыхании выделяют в атмосферу углекислый газ. Одни только люди выдыхают за год 140 миллионов тонн углерода. Почвенные микроорганизмы дают несколько больше 24 миллиардов тонн. Огромную роль в этом процессе играют микроскопические, преимущественно простейшие организмы — бактерии. Без подобного «возврата» углерода в атмосферу наземная растительность погибла бы уже через 62 года, а запасов шатания для морских растений хватило бы на 2400 лет. Благодаря жизнедеятельности всех живых существ на Земле кругооборот углерода в природе оказывается сбалансированным. В течение многих миллионов лет создавались некоторые излишки связанного углерода в форме залежей торфа, каменного угля, нефти, природного газа. Но с конца прошлого века человек активно разрабатывает и сжигает эти природные запасы ископаемого топлива. Подсчитано, что в период с 1890 по 1960 год промышленность ежегодно выбрасывала в атмосферу около 1200 миллионов тонн углерода в виде различных продуктов сгорания. За эти 70 лет выбросы составили более 13 процентов веса всей атмосферы планеты. В одном только 1960 году в воздушное пространство Земли было извергнуто 3120 миллионов тонн отходов производства. С тех пор их объем существенно вырос и будет увеличиваться в дальнейшем. По этому поводу некоторые ученые высказывались следующим образом: «Итак, человечество намеревается провести геофизический эксперимент, которого не могло быть в прошлом и который неповторим в будущем. Всего за несколько столетий мы возвратили в атмосферу и океаны углерод, который многие миллионы лет накапливался в осадочных отложениях».

Мы стоим на пороге того, чтобы нарушить равновесие земной атмосферы. Будет ли это иметь решающее значение для развития климата и всего живого на пашей планете? Из-за постоянно растущих потребностей в энергии мы до сих пор вынуждены участвовать в этом в высшей степени сомнительном эксперименте: ведь в отличие от растений человек еще не научился прямо и в больших масштабах использовать энергию света.

Последние достижения в области химии свидетельствуют о том, что для освоения такого источника дешевой энергии, каким является энергия Солнца, вовсе не обязательно разрабатывать столь дорогостоящие проекты, как, например, создание гигантских «солнечных печей» (над этим работают, в частности, американские ученые). Известно, что на свалках скапливаются огромные количества самых разнообразных искусственно созданных человеком материалов, при сжигании которых в специальных установках в качестве побочного продукта горения образуются высокотоксичные газы. В то же время эти материалы могут разлагаться на простейшие элементы практически «бесплатно», быстро и без какого-либо ущерба для окружающей среды непосредственно под воздействием солнечного света, если только в процессе производства в их состав будут добавлены специальные биокатализаторы — биологически активные вещества.

 

Солнцу навстречу

Потребность в энергии обусловливает необходимость максимального поглощения солнечной радиации. Особую актуальность данная проблема приобретает при решении вопросов, связанных с запуском автоматических межпланетных станций (АМС), искусственных спутников Земли, лунных модулей, космических лабораторий и т. п. Электропитание разнообразной электронной аппаратуры искусственных орбитальных станций осуществляется о помощью так называемых солнечных батарей, которые состоят из большого числа фотоэлементов, непосредственно преобразующих энергию солнечной радиации в электрическую. Значит, космонавтам нет необходимости брать с собой в полет большой запас разного рода «энергетических консервов», в частности, очень тяжелые аккумуляторы, обладающие к тому же небольшим сроком службы.

Если солнечные батареи укрепить жестко на подвижной системе, например на искусственном спутнике Земли, то Солнце будет освещать их периодически: из-за осевого вращения спутника большую часть времени они не смогут производить электроэнергию. Чтобы избежать этого, инженеры по космической технике создали исключительно сложные электронные системы слежения, которые непрерывно фиксируют направление солнечных лучей и посредством прецизионных сервомеханизмов стабилизируют спутник в положении, которое обеспечивает оптимальный режим освещения батарей Солнцем. Цепочка от чисто измерительной аппаратуры (для определения направления инсоляции) через систему расчетно-логической обработки полученных данных до системы очень точного выполнения управляющих операций — путь с технической точки зрения достаточно долгий и сложный; к тому же сама электронно-механическая конструкция, выполняющая все это множество операций, расточительна в своем функционировании и чрезвычайно дорога в изготовлении. Пространственные же возможности для ее размещения исключительно малы, даже если иметь в виду такое достоинство солнечных элементов, как их миниатюрность.

Решение этой проблемы растениями на голову выше технических решений, найденных человеком. В принципе растения также обладают системой следящего управления. Но сколь экономны используемые ими средства, сколь незначительны конструктивные издержки! Прибор для определения направления источника света, механизм обработки полученных данных, сервомеханизм и, наконец, сама управляемая часть растения образуют весьма компактную конструктивную единицу размером, если взять крайний случай — одноклеточную водоросль, около одной тысячной доли миллиметра в поперечнике. Выполняемая всеми этими живыми механизмами работа не ограничивается слежением за источником света: в том же крошечном объеме размещена комплексная «монтажная схема» живого организма, ответственная за выполнение всех его жизненных функций. Впрочем, и у высших растений проблема слежения решена настолько рационально, что исполняющие его механизмы не требуют отдельного места — это лишь одна из многочисленных функций самого растения.

Что же дает подобная система слежения за источником света? В космических полетах прежде всего ориентацию приборов на Солнце; в ботанике — множество видовых особенностей, о которых написаны десятки томов. Здесь будут приведены лишь немногие примеры, иллюстрирующие чисто внешнюю реакцию растений на свет.

Условия освещения играют исключительную роль в жизни растений. Вряд ли стоит описывать, сколь отличаются между собой длинные, тонкие, почти безлистные побеги проросшего в темном подвале картофеля и здоровая, широколистная, темно-зеленая ботва растений, росших в открытом грунте. Это известно каждому. Причины неодинакового развития на свету и в темноте очевидны: растение, развивающееся на свету, потребляет для своего роста солнечную энергию; затененное растение довольствуется запасами энергии, хранящимися в клубне, и стремится с помощью тонких и длинных побегов как можно быстрее и с наименьшими затратами пробиться навстречу Солнцу.

Вот еще один пример управляющего воздействия внешней среды на формирование внешней структуры, правда, воздействия, имеющего обратную направленность. Избыток света, особенно его ультрафиолетовой составляющей в горной местности, может оказаться вредным и привести к солнечным ожогам. В условиях избыточного освещения растения вырабатывают защитные приспособления, которые позволяют им уберечься от чрезмерной инсоляции. Так, альпийское растение эдельвейс — травянистый многолетник — густо опушено белыми волосками. В условиях равнин, где инсоляция слабее, и в частности слабее ультрафиолетовое излучение, образование у растений ворсистого опушения намного меньше. Оно полностью отсутствует у растений затененных местообитаний.

Свет управляет ростом растений: они растут в направлении большей освещенности, их чувствительность к свету столь велика, что побеги некоторых растений, в течение дня содержавшиеся в темноте, реагируют на вспышку света, длящуюся всего две тысячных доли секунды. Реакция наступает спустя 20 минут и достигает апогея примерно через час. Как сильно при этом изогнется стебель в направлении вспышки, зависит от количества попавшего на него света.

Обычно плоскость листа располагается перпендикулярно к падающим на него лучам (исключение составляют растения, растущие под палящими лучами тропического солнца). Если лист затеняет другой, то «обделенный» лист постепенно сдвигается в сторону с таким расчетом, чтобы освещение его было оптимальным. Индивидуальные механизмы регулирования у каждого листа позволяют растению создать из листьев мозаичную картину (листовую мозаику), в которой листья расположены весьма плотно, без каких-либо больших просветов между ними, но при этом не затеняют друг друга. Особенно хорошо видна листовая мозаика на плюще, покрывающем наружные стены зданий. Эффект мозаичности усиливается специфической формой листьев (см. фото 2). Совершенную систему слежения за источником света можно наблюдать у льнянки (Linaria cymbalaria). Ее цветоножка реагирует на световое раздражение таким образом, что цветок всегда оказывается повернутым к свету. После того как околоцветник завянет и на месте цветка образуется плод, «поведение» цветоножки в корне меняется. Растение старается отвернуть плод от луча света и «подыскивает» в стене дома или камне темную расщелину, в которую оно могло бы высеять созревшие семена.

Фото 2. На снимке участок стены, сплошь поросший обыкновенным плющом. Система слежения растения за солнечным светом регулирует рост листвы таким образом, что она образует плотное мозаичное панно. Листья лишь незначительно перекрывают и затеняют друг друга.

 

«Персональная» оранжерея

Все попытки содержать в открытом грунте в условиях Центральной Европы изнеженные растения флоры тропических лесов кончаются неудачей: довольно быстро «чужеземцы» гибнут. Успешно выращивать такие растения можно лишь в оранжерее, которая позволяет создать более благоприятные, чем на открытом воздухе, температуру, влажность и освещенность. Почвенно-климатические условия тропических лесов с их постоянно высокими температурами и влажностью резко отличаются от природных условий так называемых «умеренных» широт. Например, среднегодовая температура воздуха на Яве равна 25° по Цельсию, средняя температура самого холодного месяца, февраля, достигает 24,5°, а самого теплого, сентября, около 25,5° выше нуля. Для сравнения скажем, что средняя температура января в Мюнхене равна минус 1,5°, а июля — плюс 17,5°. Таким образом, перепад средних температур в экваториальном лесу между самым теплым и самым холодным месяцами года не превышает 1°, в странах же умеренного климата он составляет почти 20°. Аналогичная картина наблюдается и в отношении влажности воздуха, осадков, числа солнечных дней в году. Остается лишь удивляться тому, что мы называем наши средние широты «умеренными».

Таким образом, тропические растения, которые не переносят резких колебаний погодно-климатических условий умеренных широт, могут нормально расти в европейском климате лишь под защитой оранжерей. Но на Земле есть немало мест, где существуют экстремальные условия обитания. Так, в пустынях перепады между дневной и ночной температурами воздуха нередко достигают 50° и более. Относительная влажность воздуха в течение суток изменяется здесь в пределах 70 — 80 процентов. Картину дополняют немилосердно палящие лучи Солнца. Но вот в южноафриканской пустыне Намакваленд обитает небольшое растеньице, сумевшее защитить себя от гибельного климата путем создания «персональной» оранжереи: это фенестрария (Mesembryanthemum rhopalophyllum). Уже само название растения намекает на существование своего рода «тепличной конструкции», и это действительно так. На фото 3 изображен экземпляр растения, выращенного в Европе. Иные, чем на родине, условия освещенности и обогрева несколько изменили внешний облик растения. В естественных же условиях оно почти полностью погружено в почву. На поверхности остается лишь кончик толстого булавовидного листа. Подземное существования превратило этот вид в растение закрытого грунта. Почва, которая окружает фенестрарию практически со всех сторон, предохраняет ее от чрезмерного нагрева, высыхания и прямого воздействия солнечных лучей. Но любое зеленое растение нуждается хотя бы в минимуме света, причем этот минимум должен быть более или менее равномерно распределен по всему растению, а не сосредоточиваться в одном месте. С первого взгляда кажется, что фенестрария избрала именно последний, неблагоприятный вариант: она почти целиком скрыта в земле, лишь кончики листьев поднимаются над поверхностью почвы и оказываются на полном солнечном свету. В действительности же все обстоит иначе, поскольку каждый булавовидный скрытый в земле лист ее — это небольшая «тепличная конструкция». В кончиках листьев фенестрария отсутствует хлорофилл, они прозрачны, как стекло. Лучи света попадают внутрь растения, практически не ослабевая и не нанося ему никаких ожогов. Внутренность листа заполнена прозрачной тканью. Насколько она прозрачна, можно видеть на фото 4. На бумагу с текстом положен продольный срез листа фенестрарии. Сквозь его прозрачную сердцевину можно легко прочитать те буквы, которые находятся под срезом. Солнечные лучи, проходя сквозь водянистую ткань сердцевины листа, достигают изнутри его зеленых, лежащих под землей стенок. Содержащая хлорофилл фотосинтезирующая ткань располагается внутри листа на его непрозрачных стенках. Свет, попадающий в эту ткань из сердцевины листа, равномерно рассеян и ослаблен до оптимальной интенсивности. Кончик листа, «оконце», подобно обычному стеклу, отражает значительную часть ультрафиолетовых лучей. Свет же, попадающий внутрь растения, рассеивается там и довольно равномерно распределяется изнутри по стенкам листа, причем часть световой энергии поглощается прозрачной сердцевиной. Таким образом, фенестрария достаточно умело использует принцип «тепличной конструкции», но, хотя конечный результат один и тот же, все же имеется и существенное различие между оранжереей и растением. Назначение оранжереи — приспособить условия окружающей среды к потребностям растения-чужеземца. Фенестрария же, используя те же средства, приспосабливает свои потребности к окружающим условиям. Иными словами, на одной стороне — конструктивное изменение окружающего мира, на другой — приспособление к нему.

Фото 3. «Оконное растение» фенестрария растет на своей родине, в Южной Африке, почти целиком под землей. Лишь небольшие «окошечки» по краям листа остаются на поверхности почвы. Сквозь них солнечный свет попадает внутрь растения.

Фото 4. Продольный срез мясистого листа фенестрарии положен на лист бумаги поверх напечатанного названия растения. Хорошо видны прозрачные части листа. Яркий солнечный свет проникает; сквозь «окошечко» (на рисунке справа вверху) внутрь растения, где равномерно рассеивается и достигает стенок листа, содержащих хлорофилл, с внутренней стороны.