Наряду с лампами накаливания широкое применение в качестве искусственных солнц нашли также источники холодного света. Особенно крупный вклад в развитие люминесцентной техники внесен академиком С. И. Вавиловым и его школой. Сергей Иванович (брат академика Н. И. Вавилова) — физик, но его работы сыграли свою роль и в биологии. Академик А. Ф. Иоффе — тоже физик, профессор Б. С. Мошков — биофизик, тем не менее именно они были основоположниками электросветокультуры, преобразившей сельское хозяйство. Биология породнилась с физикой, и этот союз принес замечательные плоды.
Свет — один из важнейших факторов в жизни растений. Однако выяснилось и другое: ежесуточно погружаясь на несколько часов во мрак, царство флоры не просто уступает неумолимому закону природы, не равнодушно подчиняется ему, а испытывает в этом определенную потребность. Регулярные изменения в окружающей среде от сезона к сезону, от дня к ночи (и еще более частые) вызвали ритмичность физико-химических процессор в живых организмах.
Долгое время господствовал взгляд, будто листья прекращают усваивать углекислый газ из воздуха к ночи лишь потому, что они не в состоянии делать это в темноте. Если же освещать их и дальше, то вроде бы хлорофилл должен работать по-прежнему активно. Нет! Академик С. П. Костычев и его сотрудники нашли, что даже в Заполярье, где день длится месяцами, фотосинтез регулярно приостанавливается: он протекает волнообразно — синхронно с суточным вращением Земли. То же самое наблюдается и при непрерывном искусственном освещении. Такая очередность жизненных проявлений внутренне свойственна организму. Похоже, что в его клетках тикают некие биологические ходики, с которыми соразмеряется весь уклад его существования.
Профессор И. И. Тунар обнаружил, что поглощение химических веществ корнями у томатов, подсолнечника, фасоли, кукурузы, овса также подчинено строгому ежесуточному расписанию. Возбуждение и торможение охватывают все растение целиком. Но так как любая физиологическая функция зеленого организма теснейшим образом связана с фотосинтезом и фактически полностью зависит от него, то понятно, сколь важно для согласованной работы всего живого «часового механизма» правильное чередование светового воздействия, которое, как выяснили М. X. Чайлахян и Б. С. Мошков, воспринимается через листья.
Вскрыв закономерности фотопериодизма, ученые превратили световой луч в золотой ключик, с помощью которого можно регулировать ход биологического «хронометра».
Известно, что одни культуры (соя, просо, табак, хризантемы) быстрее зацветают при коротком дне и долгой ночи, другие (например, хлебные злаки), наоборот, — предпочитают поменьше спать, подольше бодрствовать. Иногда лишние 2–3 часа темноты заметно задерживают развитие растений. С другой стороны, чересчур долгое пребывание на свету тоже вредно. Как угодить прихотям самих растений?
Физико-химические процессы, протекающие в недрах листьев и корней, стеблей и побегов, поддаются строгому учету с помощью чувствительных приборов.
В соответствии с характером зарегистрированных сигналов специальный автомат может включать или выключать осветительную аппаратуру. Впервые такое устройство сконструировано лет десять назад в Агрофизическом институте В. Г. Кармановым. Сегодня ученые и инженеры создают более совершенные установки, где по директивам самого растения регулируются еще и температурный режим, влажность воздуха, содержание углекислоты и прочие технологические параметры. Придет пора, когда появятся полностью машинизированные полуфабрики-полуплантации, где умным электронным агрегатам будут переданы все полномочия агрономов.
Светоулавливающий аппарат листьев наделен изумительным совершенством. Но его эффективность, как мы убедились, зависит от многих факторов.
Подбирая наилучшее, наиболее благоприятное их сочетание, человек увеличит урожаи сельскохозяйственных культур в 10–20 раз по сравнению с нынешними (средними), считает профессор А. А. Ничипорович (Анатолий Александрович является представителем СССР в специальном комитете Международной биологической программы, занимающемся фотосинтезом и другими проблемами. Всего в Национальный комитет МБП вошли 32 наших ученых).
Механизм фотосинтеза интересен и с другой точки зрения. Это патент природы, еще не расшифрованный конструкторами высокоэкономических электронных преобразователей энергии. Фредерик Жолио-Кюри как-то сказал: «Хотя я верю в будущее атома, однако настоящий переворот в энергетике наступит лишь в тот день, когда мы сможем осуществлять массовый синтез молекул, подобных хлорофиллу, или даже лучше его».
Понятно, почему так важно проникнуть в тонкую механику фотосинтеза. И здесь опять-таки ученым помогают точные методы физики и химии, роль которых неоднократно подчеркивал К. А. Тимирязев, основоположник учения о фотосинтезе.
В свое время немецкий химик А. Байер полагал, что кислород, выделяющийся при фотосинтезе, образуется при разложении углекислого газа. Эта схема долго пользовалась широким признанием. Академик А. П. Виноградов, применяя радиоактивные изотопы, доказал, что кислород порождается не углекислотой, а водой.
Наряду с мечеными атомами эффективным инструментом исследования в руках физиологов стал электронный парамагнитный резонанс. Именно так сотрудникам институтов биофизики и биохимии удалось обнаружить радикальные формы хлорофилла и точно измерить их концентрацию.
Заметьте, какие здесь названы институты: агрофизики, биофизики, биохимии. Проблемой фотосинтеза занимаются также в Государственном оптическом институте, Институте радиационной и физико-химической биологии, Институте геохимии и аналитической химии, в Эстонском институте физики и астрономии, в Белорусском институте физики, в белорусской же Лаборатории биофизики и изотопов… Это говорит не только о том, сколь широк у нас фронт поисков в одной из самых интересных и важных областей физиологии растений, но также о том, что тимирязевская идея физико-химического подхода к биологическим явлениям нашла свое блистательное развитие. Вся мощь современного исследовательского арсенала физики брошена на изучение процессов, протекающих в недрах зеленого листа. Фотоны, электронные скачки, энергетические уровни — нынче эти физические понятия прочно вошли в обиход науки о живой клетке. Уже написаны книги о квантовой биологии.
Фитотрон. Этот термин образован от греческого слова «фитон» — «растение». Созвучный с названиями ламп и ускорителей («магнетрон», «циклотрон»), он обозначает уже знакомую нам технократическую «зеленую республику», где умные приборы управляют развитием и плодоношением растений. Не является ли этот союз флоры и техники символом всей современной биологии, квантовомеханизированной, опирающейся на химию, физику и математику?
Сады земные и неземные
…25 веков назад в знойной безлесной Вавилонии на том месте, где сейчас находится иракский городок Хилле, зазеленел сказочный оазис. Он представлял собой многоярусное сооружение. На просторных площадках, покрытых мощными пластами плодородной почвы, покачивали своими широколиственными кронами стройные пальмы, курчавились невиданные в здешних краях кустарники, вьющиеся растения низко свешивались через бортики балконов, яркие диковинные цветы пестрым ковром устилали землю между стволами. Кругом простирались голые, выжженные равнины, а тут царила прохлада, напоенная пряным ароматом трав, под сенью деревьев умиротворенно журчали ручьи…
Эти великолепные чертоги с солнечными белокаменными лестницами и тенистыми тропинками были воздвигнуты по повелению Навуходоносора: вавилонский владыка решил сделать подарок своей венценосной супруге Амитис. Царица была родом из Мидии, из страны, занимавшей северо-запад нынешнего Ирана и юг Азербайджана. Именно оттуда (из вавиловского центра
