«Растения — химики», «Растения — архитекторы, строители, механики», «Рекорды измерительной техники» — это названия лишь нескольких глав из книги ученого — популяризатора науки Феликса Р. Патури. Занимательно и со знанием дела рассказывает автор о том, как решаются в мире растений многие проблемы из области экологии, энергетики, передачи информации, утилизации отходов, рационального использования ресурсов окружающей среды и др.
Решения-модели, найденные растениями, этими, по выражению автора, «лучшими в мире инженерами», эффективны, экологически безупречны и одновременно просты. Умелое заимствование их человеком означало бы большую экономию средств и времени.
Рекомендуется широким читательским кругам.
Введение
Нехватка энергетических и сырьевых ресурсов — это та серьезная проблема, с которой обществу придется столкнуться уже в ближайшем будущем. Жизнь — это, в конечном счете, не только обмен веществ и энергии. Вполне естественно, что мы потребляем энергию, расходуем сырье и материалы, причем тем больше, чем «активнее» мы живем. Но суть вопроса в том, почему именно человек разумный, и только он, за свою столь короткую историю, насчитывающую всего 40 тысяч лет, сумел создать энергетическую и сырьевую проблемы. Жизнь на нашей планете зародилась около 2,5 миллиарда лет назад. Высшие растения существуют уже почти 450 миллионов, а позвоночные животные — около 400 миллионов лет. Почему же эти живые организмы на протяжении своего несравненно более длительного времени существования ни разу не оказались в кризисной ситуации?
[1]
Ведь и они преобразуют энергию и вещество, причем в гораздо больших масштабах, чем это делал и делает человек. Однако перед ними не возникало дилемм. Почему? Можем и должны ли мы учиться у животных и растений, если хотим выжить? Я думаю: можем и должны. И я постараюсь доказать это на ряде примеров.
Цель этой книги не только показать, что растения более «сознательно», чем человек, относятся к своей окружающей среде и поэтому никогда не попадают в критическое положение.
[2]
Я постараюсь разъяснить, почему и где человек, выступающий в роли конструктора, допустил и все еще допускает серьезные ошибки. Я покажу также, каким образом можно узнать, в самом ли деле хороша созданная человеком та или иная конструкция, то есть соответствует ли она тому мерилу ценностей, которое я считаю главным: оправдывает ли она себя экологически.
Я введу вас с помощью этой книги в мир флоры, и вы увидите, что окружающая среда ставит перед растениями проблемы, которые удивительно схожи с проблемами взаимоотношения среды и людей. Вам станет ясно, что растения более умелые инженеры, чем мы. Знакомство с их «изобретениями» будет полезно читателям. Но мир флоры представляет интерес не только для ботаников и инженеров. Он в состоянии увлечь и восхитить каждого из нас, общение с ним способствует восстановлению тех контактов с природой, которые мы в последнее время во многом утратили.
После того как в 1859 году Чарлз Дарвин опубликовал свой всемирно известный труд «Происхождение видов путем естественного отбора», в корне изменились существовавшие до того традиционные представления о целесообразности в живой природе. Прежде ученые полагали, что все растения и животные — это в высшей степени рациональные «конструкции», в которых каждая деталь изначально хорошо приспособлена к условиям окружающей среды. Эволюционная теория Дарвина доказала, что о такой незыблемой конструкции не может быть и речи. Согласно его теории естественного отбора, природа без какого-либо плана и разумения создает великое разнообразие видов и форм, но выживают из них только те, которые случайно, но наилучшим образом сумели противостоять условиям внешнего мира. Следовательно, можно говорить не о приспособляемости как таковой, а об отборе хорошо приспособившихся видов.
Со времен Дарвина биологи твердо убеждены в том, что природа работает беспланово и неосмысленно, поскольку она не преследует никакой цели на пути создания той или иной конструкции. Но не оказывается ли в наши дни подобное убеждение неким заблуждением?
Использовать солнечный свет
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.
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.
«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
[6]
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.
