В 1492 году Христофор Колумб открыл Америку.
Путь был долгим и трудным. Бунтовали матросы, грозили расправой: их страшило это путешествие к краю Земли. Колумб терпеливо объяснял: Земля — шар, не имеет конца. Ему возражали: тогда вода океанов должна была бы стечь… и антиподы ходили бы вверх ногами…
Но вот 12 октября показалась суша… Колумб (он был уверен, что достиг Индии) первым ступил на берег, опустился на колени и поцеловал незнакомую землю…
Пять столетий прошло: сколько географических и иных открытий было сделано за это время! Слова «открывать Америку», как и «изобретать велосипед», стали нарицательными. Бытует негласное мнение: крупные находки в науке — заслуги ученых прошлого, мы, дескать, лишь довершатели славных дел. Однако и в наши дни есть еще что открывать. Начинаем рассказ про фотодыхание растений — большое, без преувеличений, достижение ученых, занимающихся изучением фотосинтеза.
Бронзовый призер — кукуруза
Колумб открыл для Европы не только Америку, но и кукурузу (впервые он увидал ее у жителей острова Куба). И это открытие, как мы скоро убедимся, имело большие научные последствия.
Кукуруза — древнейшее культурное растение Америки. В могильниках инков сохранились початки и семена кукурузы так же, как дошли до нас зерна пшеницы, ячменя и проса, укрытые в египетских пирамидах.
В Мексике богине Цинтли (ее имя происходит от названия кукурузы) приносили в жертву первый урожай этой культуры. Девы Солнца в Куско (столица древнего государства инков, расположена на территории Перу) изготовляли из кукурузы жертвенный хлеб. Тлалок — бог кукурузы у ацтеков — был также богом плодородия, дождя и урожая. Изображениями кукурузы были покрыты стены храмов, а метелки, початки и пыльца этого растения использовались при отправлении религиозных обрядов.
Но даже в Америке — а ее территория давно уже детально обследована ботаниками — происхождение кукурузы окутано тайной. Дикие формы кукурузы неизвестны. Зерна культурных сортов кукурузы прочно прикреплены к початку, закрытому плотной оберткой. Это, естественно, препятствует рассеиванию семян и размножению растения. Ветер, птицы или другие природные сеятели не могут помочь кукурузе. Предоставленная самой себе, кукуруза погибла бы на полях. Так что будущее кукурузы связано с будущим человечества. Если люди на планете вымрут, в течение трех вегетационных периодов исчезнет и кукуруза.
Таинственна и феноменальна продуктивность этой культуры. Ведь есть ее сорта, в початках которых насчитывается до 1000 зерен. Сам-тысяча!
«Зеленый богатырь», «королева полей», «чемпион кормовых» — все эти пышные титулы относятся к кукурузе. И заслуженно! Пройдите в конце лета между рядками кукурузного поля, покажется, что вы попали в джунгли. Со всех сторон вас будут окружать высокие (до 5 метров) стебли с мощными листьями, которые достигают метровой длины и заполняют все свободное пространство между растениями. Кукуруза — лучшая фуражная культура, ее можно собирать по 100 центнеров с гектара. Ячмень, овес дают в три раза меньше.
За время, прошедшее со дня открытия Америки, кукуруза распространилась по всему белому свету. Во времена Колумба она покорила Европу, но долгое время этот злак оставался не более чем курьезом: европейцам просто не нравился его вкус; в XVI веке проникла в Африку, Китай, Индию, в XVII столетии добралась и до России. Правда, в нашей холодной стране долгое время дальше Тулы не поднималась.
Однако наибольшее распространение кукуруза получила среди фермеров США. Там она стала сельскохозяйственной культурой номер один. В кукурузном поясе Соединенных Штатов собирается половина всей производящейся в мире кукурузы, что приносит американской казне (экспорт в другие страны) 5 миллиардов долларов дохода.
Ныне по площади, как утверждают специалисты, кукуруза занимает третье место среди всех возделываемых культур земного шара, пропустив вперед только пшеницу и рис. Дело, говорят, попахивает уже и вторым. Валовой сбор кукурузы приближается к валовому сбору пшеницы, а по посевным площадям кукуруза близка к рису.
Растения C 3 и C 4
Отношение к кукурузе у нас в стране менялось много раз: ее то превозносили до небес, то предавали незаслуженному забвению. Это растение то входило в моду, и не было более восторженных эпитетов, чем те, которыми награждалась кукуруза (в наше время из кукурузы можно изготовить до 150 технических и продовольственных продуктов), то оно теряло всех своих поклонников. И причины тут, конечно, не в самой кукурузе. Недостаточное знание ее биологических особенностей, слабая техническая оснащенность кукурузоводческих хозяйств не позволяли использовать богатый потенциал этой культуры.
Но в последнее десятилетие ею вновь очень заинтересовались ученые: появилась вроде бы реальная возможность объяснить высокую продуктивность фотосинтеза у кукурузы.
Сочетание использования радиоактивных изотопов углерода с хроматографией и другими методами химического анализа дало возможность группе американских ученых из Калифорнийского университета — ее в послевоенные годы возглавил Мелвин Калвин — проследить «путь углерода в фотосинтезе»: установить, как в листьях растений углекислый газ в конечном итоге преобразуется в углеводы. Теперь все это уже стало историей науки. И известно как углеродный цикл, или цикл регенерации рибулозодифосфата, или же совсем просто: как цикл Калвина. Этот ученый в 1961 году стал первым, и пока последним, нобелевским лауреатом среди изучающих фотосинтез.
Характерная особенность цикла Калвина в том, что здесь углекислота, меченная радиоактивным углеродом, прежде всего присоединяется к молекулам, содержащим три атома углерода: фосфоглицериновой кислоте и фосфоглицериновому альдегиду. Продолжая эти исследования, в 1960 году молодой и тогда еще мало кому известный советский ученый Юрий Соломонович Карпилов сделал важное открытие. Изучая пути поглощения углекислого газа кукурузой, Карпилов показал, что у этого древнего растения процесс фотосинтеза идет своеобычно, вопреки правилам.
Кукуруза отказывалась подчиняться законам цикла Калвина. Радиоуглеродная метка «застревала» не в трех-, а в четырехуглеродных молекулах — щавелевоуксусной, яблочной и аспарагиновой кислотах. Так открытие казанского ученого разделило растения на два клана: C3-растения, так сказать, трехуглеродные (C, как известно, — химический символ углерода) и C4-растения четырехуглеродные.
Карпилов опубликовал свои результаты в ученых трудах Казанского сельскохозяйственного института. Научного издания, понятно, не из самых читаемых. Эти публикации не привлекли к себе тогда большого внимания, хотя в науке о фотосинтезе то был крупный шаг вперед. Однако вскоре ученые (1965–1967 годы) прибавили к семейству C4-растений и лебеду, и росичку, и сахарный тростник, и сорго, и другие злаковые растения, в основном тропического и субтропического происхождения, около 500 видов из 13 родов. И наконец австралийцы Маршалл Хетч и Конрад Слэк, подытожив подобные исследования, отчетливо показали, что кукуруза и подобные ей растения C4-группы владеют секретом высокоэффективного усвоения углерода. В отличие от C3-растений, «исповедующих» цикл Калвина.
Вот конкретные цифры. Кукуруза, сахарный тростник и другие представители C4-растений способны усвоить в час каждым квадратным дециметром своей листвы 80–100 миллиграммов углекислого газа. А C3-растения — шпинат, овес, сахарная свекла и другие — лишь 30–50 миллиграммов. Примерно в два раза меньше!
«Ошибка» Джозефа Пристли
В 1955 году канадский исследователь Джон Деккер обнаружил еще один, особенный процесс дыхания растений на свету, который получил позднее название фотодыхания. Так досье «фотосинтез» пополнилось новыми данными, которые поначалу только запутывали и сбивали с толку исследователей. В самом деле, каков смысл фотодыхания, если на свету растение в основном все же больше поглощает углекислоту, чем выделяет ее?
Эта почти детективная история имеет еще и привкус курьеза: Деккера опередили. Ведь, по существу, открыл фотодыхание почти за два столетия до исследований Деккера все тот же Джозеф Пристли! Он первым наблюдал этот феномен, долго ломал себе голову над ним, но осмыслить так и не смог.
Вспомним: первые опыты (1771 год, город Лидс в Англии), приведшие к открытию фотосинтеза, Пристли вел в лаборатории при умеренном свете. Но в 1778 году ученый стал экспериментировать уже в саду, на ярчайшем солнце. Здравый смысл подсказывает: чем ярче свет, тем, казалось бы, сильнее должно быть очищающее действие зелени. Истина вроде бы очевидная, однако растения «голосовали против»: они не улучшали, как на то надеялся Пристли, а ухудшали воздух! Было отчего прийти в отчаяние.
Теперь-то, с высоты науки наших дней, которой известен феномен фотодыхания, нам ясна подоплека неудач Пристли. Мы уже свыклись с тем неоспоримым фактом, что при сильном освещении скорость потребления кислорода и, как следствие, выделение углекислоты заметно возрастают. И поэтому у многих растений в фотодыхании вроде бы бесполезно тратится до 50 процентов того, что накапливается в фотосинтезе. И растения вынуждены на 50 процентов работать вхолостую!
Если учесть еще, что в солнечные дни концентрация углекислоты в нижних слоях атмосферы заметно падает, то станет совсем понятным, отчего у Пристли на свету опыты никак не ладились: фотодыхание съедало то, что приносил фотосинтез, растения практически не фотосинтезировали.
Вот она, истинная причина неудач Пристли: он, искусный и изощренный экспериментатор, наблюдал то, что наука его времени объяснить не могла! Да, бывают преждевременные открытия, способные замутить правильное понимание природы вещей, бросить тень на сложившиеся постепенно, добытые с таким трудом и, в общем-то, верные концепции.
Однако вернемся к фотодыханию. В чем все-таки его смысл — вот вопрос! Чтобы ответить на него, надо было попытаться отделить процесс фотосинтеза от обратного ему процесса фотодыхания. Сделать это непросто, ибо часть выделяющегося при фотодыхании углекислого газа, а дело происходит в глубине зеленого листа, в его порах, может тут же поглощаться в фотосинтетическом процессе и таким образом вообще не выходить из пор межклетника. Поглощение углекислого газа идет в темновых, свет здесь не нужен, реакциях цикла Калвина, на так называемых центрах карбоксилирования. Измерить концентрацию CO2 в этих центрах, а значит, и проконтролировать скорость темновых стадий фотосинтеза (здесь-то и появляется надежда отделить фотодыхание от фотосинтеза) никому прежде не удавалось.
Первыми успеха добились эстонские исследователи. В 1970 году Лайск высказал гипотезу (теперь это кажется всем почти очевидным) о том, что фотодыхание является результатом конкуренции между молекулами углекислого газа и кислорода за один и тот же общий акцептор, так сказать «посадочную площадку» для молекул — рибулозодифосфат (РДФ). Обычно РДФ должен соединяться с углекислотой (процесс фотосинтеза), но порой растение как бы ошибается: захватывает кислород вместо углекислоты. Это и есть фотодыхание.
Этот вывод поставил все на свои места: объяснил, отчего фотосинтез слабеет при увеличении содержания кислорода в воздухе, почему подавлено фотодыхание при высоких концентрациях углекислоты, то обстоятельство, что растение с хорошими показателями фотосинтеза обладает и высоким уровнем фотодыхания и многие другие научные факты…
Морковка против сахарного тростника
До сих пор сознательно скрывалось главное: фотодыхание — это болезнь исключительно C3-растений. У C4-группы (кукуруза и прочие) фотодыхание практически отсутствует. Значит, там, где C3-растения испытывают углеродную «одышку», C4-растения чувствуют себя превосходно. Тут, в известной мере, и разгадка их высокой продуктивности.
Но тогда сразу же возникает важнейшая сельскохозяйственная проблема: как добиться того, чтобы C3-растения (а их большинство!) не тратили в фотодыхании бесполезно до 50 процентов того, что было ими накоплено в фотосинтезе. Не «худели» бы, так сказать, прямо на наших глазах.
Если бы можно было разгадать загадку фотодыхания и воспрепятствовать этим напрасным тратам, продуктивность многих сельхозкультур можно было бы удвоить. Это ли не мечта селекционеров, генетиков, агрохимиков и других специалистов, которые подчас годами в тяжких трудах борются за каждый процент?
Легко понять, как заинтриговало фотодыхание практиков, мечтающих о повышенных урожаях.
В начале 70-х годов все казалось простым и ясным. Многие ученые были преисполнены оптимизма. Достаточно взглянуть, к примеру, на групповой портрет участников конференции «Фотодыхание и фотосинтез» в Канберре (Австралия, 1970 год). Веселые, полные энтузиазма и надежд лица. В трудах конференции среди серьезных докладов была даже напечатана песенка про C3- и C4-растения. Ее сочинили сами ученые и пели хором в перерывах между выступлениями и дискуссиями. В куплетах были зарифмованы и шпинат, который-де фотосинтезирует нобелевским путем (намек на работы Калвина, удостоенные высшей награды), и цикл Хетча — Слэка, козни фотодыхания и многое иное…
Вскоре от шуток перешли к делу. Раз фотодыхание — вредное для продуктивности растений явление, с ним надо активно бороться. Американец Израэл Зелитч, например, увлекся селекцией. Он искал мутанты табака (это C3-растение) Гавана Сид, которые бы обладали низкой интенсивностью фотодыхания и, стало быть, повышенной способностью к фотосинтезу. Такие мутанты были найдены, отобраны, но здесь исследователя ждал пренеприятный сюрприз: количество зеленой табачной массы возросло, но… исчез фирменный аромат!
И это был не единственный «звоночек». Так связь между фотодыханием и продуктивностью растений становилась все более запутанной.
Исследования советских ученых, работы лаборатории члена-корреспондента АН СССР Ничипоровича в Институте физиологии растений АН СССР показали, что не существует прямой связи между наличием или отсутствием фотодыхания и фотосинтетической продуктивностью растения.
Мне показывали результаты этих любопытных экспериментов. Выращивали сахарную свеклу в обычных условиях — вариант № 1 — и при пониженной концентрации кислорода — 3 процента, вариант № 2. Об итогах исследований лучше всяких слов рассказали микрофотографии. На электронно-микроскопических снимках было видно, что в варианте № 1 в хлоропластах идет обычное накопление углеводов: отчетливо заметны крупные белые, на темном фоне, вкрапления крахмала. А в варианте № 2 (попытка подавить фотодыхание) картина была совсем иной. Крахмала было очень мало, его заменили темные, похожие на бобы, новообразования. Микроснимки показывали также, что биологические мембраны в хлоропластах при насильственном угнетении фотодыхания меняют свою структуру: они как бы набухают, корежатся.
Мне довелось поговорить с участниками этой важной научной работы кандидатами биологических наук Светланой Николаевной Чморой и Генриеттой Абрамовной Слободской. Они сомневались, что можно много выгадать, насильственно подавляя фотодыхание. Да, проблема оказалась очень непростой. Ее нельзя было сводить лишь к тому, усваивается ли в основном углерод зеленым листом или, наоборот, тратится. Выиграли в зеленой массе, но проиграли в количестве семян (а они-то и нужны!), весе корнеплодов. И тут какую-нибудь морковку бесполезно сравнивать с рекордным ростом сахарного тростника или кукурузы. Поэтому попытки переделывать C3-растения в C4 пока и не дали плодотворных результатов.
Из пустынь или из тропиков?
Если заглянуть внутрь C4-листа с помощью микроскопа, то можно отчетливо различить две группы фотосинтетических клеток. Вокруг сосудисто-проводящих пучков концентрически расположены внешний слой клеток мезофилла и внутренний, ближе к пучку, слой клеток обкладки. В клетках обкладки действует известный цикл Калвина, все тут так же, как и у C3-растений, а вот слой клеток мезофилла как бы является «приставкой», дополнительным органом-устройством: здесь происходит накапливание, концентрирование углекислоты. Эта пища растений вначале фиксируется, войдя в состав яблочной и аспарагиновой кислот (четырехуглеродные соединения! — тут-то и разгадка тех необычных явлений, которые первым наблюдал Карпилов), и уже затем расходуется по обычному механизму цикла Калвина в клетках обкладки.
И вновь загадки! Зачем C4-растениям эти сложности? Ведь поток углекислого газа при этом вроде бы тормозится… Конечно же, это приспособление растений к неким условиям, но каким? К жаре, холоду, яркому свету, отсутствию или избытку влаги?
К недостатку воды в пустынях растения умеют приноравливаться. К примеру, кактусы, эти «растения-верблюды», способны накапливать воду в больших количествах — крупные кактусы могут запасать до 3 тонн воды — и экономно тратить ее в течение продолжительных периодов засухи.
Как им это удается? Прежде всего многие кактусы как бы сложены из шаров, а эта геометрическая фигура имеет минимальное отношение поверхности к объему, а значит, сводятся к минимуму и потери влаги. Ограничивает расходы воды и малое количество устьиц, да и расположены они в углублениях, что также затрудняет испарение.
Но это еще не все. Природа в кактусах явила прямо-таки чудеса экономности. Эти растения открывают устьица только по ночам, когда температура воздуха в пустыне понижается, а его влажность повышается. Поэтому даже при открытых устьицах убыль паров воды в листе становится минимальной. И еще хитрость: запасенную ночью углекислоту кактусы фиксируют в химических соединениях, а уже днем при закрытых устьицах тратят ее на фотосинтез.
С кактусами ученые разобрались, а вот C4-растения для них все еще загадка. Первые их исследователи (среди них и Карпилов, к сожалению, этот талантливый ученый трагически погиб в 1978 году) полагали, что эти растения тропического, низкоширотного происхождения. Многие виды C4-группы обитают в тропиках. Их яркий представитель — сахарный тростник.
Итак, первая версия о происхождении C4-растений, что они родом из тропиков. Но есть и другое предположение. Исследования австралийца Хетча и других ученых показали, что «кукурузный» фотосинтез очень экономен в отношении влаги. C4-растения фиксируют, по крайней мере, в два раза больше углерода на единицу транспирированной воды, чем C3-растения. Причем при повышенных температурах эта разница еще более увеличивается. Таким образом, возникает и другой вывод: C4-растения — пришельцы из аридных зон, они адаптированы к жарким и засушливым условиям пустынь и полупустынь.
Это утвердившееся в последние годы среди ученых мнение решили проверить советские исследователи из Ботанического института Академии наук СССР. Много лет в заповеднике Репетек (Юго-Восточные Каракумы, Туркменская ССР) они изучали особенности фотосинтеза у растений пустынь. Установлено: в условиях пустыни C4-растения вовсе не доминируют. И здесь C3-формы оказались в большинстве, и они в среднем ни в чем не уступали своим соперникам. Так что прародина C4-растений до сих пор не установлена.
Жизнь или кошелек!
Проблема фотодыхания остается одной из самых увлекательнейших, самых волнующих в 200-летнем учении о фотосинтезе. Ибо тут замешаны не только надежды практиков, но и глубокие вопросы теории. К примеру, эволюционный аспект.
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».
