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
