Фотосинтез — уникальный в своем роде биологический механизм, позволяющий использовать солнечную энергию для преобразования углекислого газа в питательные вещества. Главными участниками этого сложного, но жизненно необходимого, процесса являются зеленые растения. Каждый листок можно назвать мини-фабрикой по производству кислорода, потребляемого потом человеком и животными. Интересен и тот факт, что запасы нефти, природного газа и каменного угля — это тоже энергия солнца, трансформированная в полезные ископаемые путем фотосинтеза.
В глубины истории
Лекари средневековья помимо медицинской практики должны были хорошо разбираться еще и в гомеопатии. Поскольку многие лекарства готовились из растений, то знания ботаники считались обязательным условием для подтверждения своей репутации. Самые любознательные врачеватели занимались выращиванием лекарственных средств самостоятельно, проводя над ними различные опыты. К таким «умным и прогрессивным» принадлежал и голландец Ян Баптист Ван-Гельмонт (1579-1644).
Целью его научного эксперимента было узнать, каким образом растут растения. Если с животными вопросов не возникало, так как существовала прямая и наглядная связь между поглощением пищи и увеличением их в размерах, то каким образом из крохотного семечка вырастают огромные деревья, было непонятно.
Опыт состоял в следующем. Ван-Гельмонт подготовил ведро, засыпал в него землю, предварительно просушенную в печи, посадил туда ивовую лозу и щедро полил дождевой водой. В течение 5 лет он тщательно следил, как развивается его «детище», создавая ему комфортные условия для роста. По истечению намеченного времени ученый извлек молодое деревце, очистил его от земли и взвесил, а потом то же самое проделал с почвой из ведра. Оказалось, что масса ивы и земли изменились непропорционально. Лоза увеличилась в весе на несколько десятков килограммов, а почва всего на 100 г. На основании результатов эксперимента голландец объяснил разницу масс поглощением вод. Вывод оказался ошибочным, равно как и основанная на нем теория водного питания растений.
Примерно через столетие Джозеф Пристли (1733-1804) открыл кислород, аммиак, сернистый газ, а также сумел получить хлористый водород. Ученого-химика интересовал один вопрос: почему воздух на природе гораздо чище городского? По его предположениям растения играли роль некого природного абсорбента загрязнений, поступающих в воздух из труб промышленных заводов, а также продуктов жизнедеятельности человека. Чтобы проверить свои предположения, были проведены опытные исследования. Под два одинаковых стеклянных колпака посадили по мыши, только в одном ничего, кроме подопытного образца, не находилось, а в другой поместили веточку мяты. В результате первая мышь быстро умерла, а вторая чувствовала себя превосходно. Мало того, побег растения за время наблюдения даже подрос на три дюйма.
Эксперимент был с интересом принят в научном мире, но устойчивой стабильности при повторных пробах не показал. В одних случаях грызуны дышали хорошо, в других умирали даже при наличии в колбах растений. Истина так и осталась не подтвержденной, так как лаборатория Пристли попала под удар консервативно настроенных англичан, и все оборудование вместе с богатейшей библиотекой было варварски уничтожено. А вот среди народа идея очистки воздуха зеленью получила широкое распространение. Люди массово начали заниматься разведением цветов в домах, где находились больные. Причем свято верили, что нужно плотно закрывать входные двери, чтоб «вредный» наружный воздух не смешивался с внутренним лечебным.
Значительно продвинулся в изучении физических свойств растений еще один голландец, врач Ингенгауз (1730-1799). Именно он доказал, что улучшать воздух способны только зеленые части, да и то при условии, что они находятся на свету. Корни, цветы, почки и листья, оставленные в темноте, вышеизложенными свойствами обладать не могут.
Естествоиспытатель Жан Сенебье (1742-1809) первым озвучил тот факт, что источником углерода для зеленых растений является углекислый газ. Тогда же появился и термин «физиология растений», а вслед за ним был издан первый учебник по этой дисциплине. Работу Сенебье продолжил его соотечественник, швейцарец Никола Теодор Соссюр (1767-1845). Физик, химик и геолог в одном лице, он установил цепочку химических реакций по поглощению углерода из углекислого газа и последующего выделения кислорода. Также он доказал, что растения, как и животные с людьми, дышат, выделяя в воздух углекислый газ и потребляя кислород.
Сам же термин «фотосинтез» появился в 1877 г., его авторство принадлежит Вильгельму Пфефферу (1845-1920). Он структурировал все знания, полученные ранее от коллег ученых, и дал определение процессу преобразования солнечной энергии в энергию органических соединений.
Фотосинтез и урожай — какая связь?
Используя в обычной жизни бумагу, строительные материалы и разные бытовые предметы мало кто задумывается, что все эти привычные вещи — результат фотосинтеза культурных растений. Органические вещества, образуемые в ходе сложного химического процесса, служат основой для производства продуктов питания, лекарств и других средств для удовлетворения потребностей человека.
Растения, выращиваемые культурны способом, способны быстро развиваться и, соответственно, улавливать огромное количество солнечной энергии. В процессе фотосинтеза выделяется бесчисленное множество разнообразной органики, поэтому зная механизмы управления ним, можно значительно повысить продуктивность урожая.
Интересно, что главным сдерживающим фактором фотосинтеза является дефицит углекислого газа. В естественных условиях процент его содержания в воздухе составляет 0,03%. Однако над активно фотосинтезирующим полем, например, сахарной свеклы этот показатель будет почти в 2-3 раза меньше. Чтобы получить средний урожай над полем должен переработаться огромный объем воздуха. Для наглядности, посевы той же свеклы в сутки «съедают» почти 300-400 кг углекислого газа.
Повысить интенсивность фотосинтеза можно путем искусственного наращения концентрации углекислого газа до отметки 1,5%. Эту оптимальную величину определил опытным путем известный российский физиолог Владимир Любименко. Вся проблема заключается в том, что даже при наличии должного уровня технологий пойти на такой шаг человечество не решится. Изменения содержания СО2 в воздухе повлечет за собой нарушение теплого баланса всей планеты — тот самый пресловутый парниковый эффект, о котором часто говорят экологи.
Перегрев земли может повлиять на поднятие уровня Мирового океана за счет таяния арктических ледников, что в свою очередь приведет к сокращению суши, занятой под сельскохозяйственные нужды. Другой путь получить независимость от низкой концентрации СО2 в разрезе урожайности — это выведение так называемых С4-растений, обладающих повышенными свойствами к фотосинтезу. При оптимальных условиях ухода (полив, удобрение, освещение) коэффициент полезного использования света возможно повысить в несколько раз.
Более рационально использовать солнечную энергию можно, подойдя к вопросу выращивания растений с позиции оптимального их расположения относительно друг друга. При слишком большом расстоянии между посевами весомая часть света пропадает впустую, а при излишнем загустении стебли саженцев теряют силу, становятся ломкими и длинными, плохо противостоят ветру и дождю. В обоих случаях продуктивность урожая будет низкой. Также необходимо обращать внимание на систему полива и удобрения, так как существует прямая зависимость между интенсивностью фотосинтеза и условиями водоснабжения.
Ученые доказали еще один интересный факт. Оказывается, растения с компактной низкорослой кроной способны гораздо активнее фотосинтезировать, чем их высокорослые «собратья» с раскидистой формой листьев. На сегодняшний день селекционерами уже выведен ряд культурных сортов, отвечающих современным требованиям. К их числу относится карликовая пшеница (Мексика), низкорослый рис (Филиппины), хлопчатник Дуплекс (Таджикистан).
Фотосинтез хвойных деревьев — это интересно
Кажется логичным, что зимой жизнедеятельность растений резко снижается: прекращается рост, обмен веществ затормаживается, скорость дыхания уменьшается в сотни раз. Но эта вся история о листопадных деревьях, а что происходит с вечнозеленой хвоей — елями, пихтами, соснами и т. д.? По этому поводу учеными были проведены исследования, открывшие множество удивительных фактов. Оказывается, хвойные растения и зимние злаки способны усваивать углекислый газ даже при минусовой температуре, до -1-5 °С.
Не вдаваясь в сложные научные изыскания, опытным путем была выведена некая закономерность. При понижении отметки термометра до -13 С у разных растений началось резкое понижение скорости фотосинтеза. В список самых устойчивых к температурным перепадам попала сосна и ель обыкновенная, линнея северная и несколько видов мхов. Причем ряд мхов не теряли способность к поглощению СО2 даже под снежным покровом, превышающим 20 см.
Интенсивность проникновения световых лучей сквозь такой толстый слой снега снижалась примерно в 15-20 раз, но по факту скорость процессов фотосинтеза у покрытых и непокрытых растений оказалась одинаковой. Это удивительное явления имеет свое объяснение. Озимые и лишайники, оказавшиеся под снегом, пребывали в более комфортных климатических условиях, что и позволило им компенсировать спад фотосинтеза. Опыты показали, что затяжная зима не является преградой для поглощения углекислого газа вечнозелеными растениями.
Откуда кислород?
Учеными подсчитано, что количество кислорода в атмосфере и гидросфере Земли составляет примерно 1000000 млрд. тонн. Его производителями принято считать анаэробные организмы, существовавшие миллионы лет назад. И только на основе накопленного кислорода на планете стали развиваться аэробные организмы, получившие способность добывать синтезировать энергию из органического «сырья» в ходе окислительных процессов.
Доказано, что большая часть кислорода, генерируемого современной растительностью в процессе фотосинтеза, идет на обслуживание жизнедеятельности самих растений, а также человека и животных. То есть накопления практически не происходит. Есть взять суммарную массу кислорода, продуцируемого лесами, допустим, за год, то окажется, что его удельный вес в объеме общих запасов Земли ничтожно мал. В пропорциональном отношении это выглядит как 1/22000. Кажется удивительным, но текущий вклад наземных экосистем в мировую кислородную «копилку» практически незаметен. Компенсация О («oxygen»), теряемого в процессе горения, происходит за счет фитопланктона.
Также интересно, что концентрация кислорода в атмосфере по сравнению с прошлым веком (наблюдения ведутся с 1910 г.) существенно не изменилась. А вот темпы его использования рекордно возросли, если не сказать больше. Только за последние 50 лет человечество «переработало» кислорода столько, сколько за предыдущие миллион лет. В процентном измерении это исчисляется, как 0,02% от общего мирового атмосферного запаса.
Угрозы для кислородного голодания на ближайшие несколько столетий не наблюдается, однако первостепенной задачей становится сохранить стабильность газового состава атмосферы, направив силы на активное использование ветряной, водной, солнечной и прочих незадействованных в полной мере видов энергии.
Вернувшись к истокам происхождения фотосинтезирующих организмов и их участия в накоплении кислорода, можно прийти к ряду познавательных выводов. Например, если взять все нетронутые запасы торфа, угля, нефти и прочих горючих ископаемых, сделать перерасчет по формуле фотосинтеза, то можно определить количество кислорода, выработанного в результате жизнедеятельности растений, попавших в итоге в категорию полезных ископаемых.
Но вот здесь ученые и упираются в главный вопрос — как могли деревья и растения каменноугольного периода синтезировать кислород, если их существование в атмосфере, лишенной его, невозможно? Как они дышали и жили в принципе? Разгадка кроется в древних геологических слоях земной коры. Именно там были обнаружены следы синезеленых водорослей, которые и стали первичными накопителями кислорода. Поскольку способностью дышать они обладать не могли, то вероятнее всего механизм распада органических веществ в их клетках был приближен к процессу брожения.
Что же касается современной растительности, то вклад ее в общую копилку кислородного запаса достаточно условен. Здесь работает правило равновесия: сколько кислорода выделяется в результате фотосинтеза, примерно столько же и потребляется.