Фотонный двигатель растений
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Говорят, из многочисленных определений, что такое жизнь, сегодня можно составить увесистые тома. Возможен биоэнергетический взгляд на жизнь. Всякий, кто дышит, развивается,— это преобразователь одного вида энергии в другой. И растения — отнюдь не исключение. А что служит началом начал всего сельского хозяйства, как не электромагнитная энергия оптического излучения, которую зеленые организмы включают в круговорот жизненных процессов? Она составляет ни мало ни много 98 процентов общей энергии, которая преобразуется растениями в энергию, самую ценную для человечества. Ту самую, что поглощаем мы за завтраком, обедом, ужином. Остальные два процента приходятся на машины, моторы, установки, изготовление минеральных удобрений, обработку и мелиорацию полей.
Всякий знает — чем совершеннее тракторы, сеялки, комбайны, чем лучше удобрения, качественнее обработаны посевы, тем продуктивнее поля. Однако, чтобы удвоить урожайность хлебной нивы, приходится иногда даже в 50 (!) раз увеличивать затраты энергии на технику и удобрения.
Два и полсотни — экая несоразмерность! Но ничего не поделаешь. Могучее светило работает, как ему хочется. Нам с вами оно неподвластно.
Зато растения…
Можете ли вы себе представить, чтобы электротоком гидростанции пользовались только для того, чтобы нагреть титан воды? Уму непостижимо. Однако в природе такое случается. В этом нетрудно убедиться, проведя некоторые арифметические подсчеты. В каждую секунду поверхности нашей планеты достигает что-то около 20 триллионов килокалорий солнечной энергии. (Для сравнения вспомним, что ежегодно человечество ценой колоссальных усилий добывает шесть миллиардов тонн условного топлива. В каждой из них содержится по семь миллионов килокалорий. Перемножив эти цифры, получим 42.1015 килокалорий — столько же, сколько Солнце дарит Земле каждые тридцать с небольшим минут. За полчаса чуть ли не годовая добыча угля, нефти, газа!) Казалось бы, куда как хорошо. Да только используется солнечный свет очень плохо. Эффективность фотосинтеза очень низка.
Подсчитано, что в энергию пищи и кормов превращается в самом лучшем случае не больше полутора процентов солнечного излучения. Зерновые культуры перерабатывают в питательное вещество и того меньше — всего-навсего 0,03 процента лучистой энергии, приходящей на площадь их произрастания. Стало быть, с полной отдачей как бы трудится лишь три квадратных метра из целого гектара посевов.
Конечно, за миллионы лет эволюции зеленые организмы могли бы научиться лучше пользоваться солнечной радиацией. Да им, видимо, это не очень-то и нужно. Естественному биоценозу и того, что есть, вполне хватает. Но мы мечтаем о большем.
Сегодня, чтобы улучшить условия для развития растения, приходится расходовать сравнительно много материальных и главное энергетических средств. Весьма дорого обходится при современном уровне науки и техники водная, тепловая мелиорация. Одни только минеральные удобрения забирают девять десятых энергетических затрат, расходуемых обществом на производство зерна. Но деваться некуда: не увеличив производство энергии, не получить прибавки продуктов питания, так необходимых человечеству.
Как же заставить природу работать эффективнее? Кандидат технических наук Иван Иосифович Свентицкий занят именно этой проблемой.
Один из возможных путей — побудить растения к наиболее полному использованию солнечного электромагнитного излучения. И теоретически это возможно: КПД преобразования фотонов в сельском хозяйстве может быть поднят до 12—18 процентов, то есть в десятки раз больше нынешнего.
Чтобы узнать, почему такое не происходит на практике, надо было хотя бы провести «фотографию рабочего дня» зеленого организма.
Ученые разработали методику и сконструировали прибор, с помощью которого и разглядели причины низкого коэффициента использования энергии солнца растениями. В ясный летний день наибольшая продуктивность фотосинтеза бывает у растений часов в 8—9 утра. Потом солнце поднимается все выше и выше, светит все ярче и ярче. Казалось бы, и фотосинтез должен происходить эффективнее. Не тут-то было. Процессы в хлорофилле затухают, а то и вовсе прекращаются. Почему?
Чем выше солнце, тем сильнее греет. Растению становится жарко. Спасаясь от перегрева, листья сворачиваются. Срабатывает защитный механизм, спасающий клетки от губительного избытка радиации.
Но вот солнце минуло зенит. Лучи его перестали бить прямо в макушку растения. Они скользят по поверхности листьев. И у тех вновь раскрылись устьица — их дыхательные органы. Примерно в 4—5 часов пополудни превращение углекислоты и воды в органические вещества опять идет полным ходом.
За весь длинный световой день в разгар лета растение продуктивно трудится всего каких-то три-четыре часа. Все остальное время энергия — с нашей, конечно, точки зрения — тратится понапрасну. А не будь этого…
Ученые давно уже ломают голову над вопросом, почему казалось бы в неблагоприятных условиях Севера многие культуры развиваются очень быстро и достигают огромных размеров. Ведь солнечной энергии там поступает в полтора раза меньше, а суммарная биоклиматическая температура в 1.7 раза ниже, чем, в например в субтропических широтах. Прирост же биомассы происходит в полтора раза быстрее.
В литературе не раз уже упоминалось о том, что многие травы на Сахалине растут буквально не по дням, а по часам. За короткое лето они достигают огромных размеров. Дудник медвежий, например, поднимается до трех-четырех метров. Толщина его стебля у основания почти не уступает столбу. Непролазные заросли выше человеческого роста, своеобразные «сахалинские джунгли» образует дикая гречиха, а листья невзрачного белокопытника достигают в диаметре 120—140 сантиметров, и сахалинцы нередко используют их в качестве зонтов от дождя.
В чем же дело? Одни видят причину сахалинского феномена в своеобразии почв, другие — в особенностях водного режима.
И. И. Свентицкий считает, что все дело в том, что хотя здесь тепла и меньше, но из-за постоянных туманов, повышенной влажности воздуха поступает оно равномерно, нет резких колебаний температуры, и создалось благоприятное сочетание между освещенностью и теплом. Растения не перегреваются, депрессии фотосинтеза нет, и хлорофилл, этот двигатель растения, работает без простоев весь световой день, весь вегетационный период. Не надо быть особо прозорливым, чтобы понять, что большую часть сил своих растение в жару тратит на самоохлаждение.
Человек еще на самой заре земледелия заметил, что если ниву поливать, то получаешь больше зерна. Когда же влаги не хватает, злаки чахнут, а иной раз и вовсе гибнут. Отсюда и повелось поливать почву. Отсюда и те огромные затраты, что идут сейчас на орошение огромных территорий. Иного способа утолить жажду растения мы не ведали. Да и нет его, пожалуй, лучшего способа, пока речь идет о жажде. Откуда же нам было знать — это стало известно недавно,— что на собственно развитие зеленого растения идет всего-навсего два процента потребляемой им влаги? Остальное оно пропускает через себя и испаряет главным образом для того, чтобы избежать перегрева.
Подсчитано, что пшеница на поле продуктивностью в 40—50 центнеров с гектара за время вегетации перекачивает из почвы несколько миллионов тонн воды — по тонне на каждые 16 килограммов зерна. Титанический труд! Представляете, сколько биологической энергии затрачивается только для того, чтобы поднять эдакую тяжесть на высоту стебля!
Воздействовать на природу в согласии с ее собственными объективными законами — вот в чем видят приверженцы системного биоэнергетического подхода свое призвание.
И. И. Свентицкий и его товарищи исходили из того, что растение, испаряя влагу, образует вокруг себя крохотное водяное облачко. Оно-то и спасает от ожогов. А что если и поливать не почву, а сам зеленый организм, окружать его множеством мельчайших капелек? Тогда, видимо, температура воздуха и листьев понизится, приблизится к термическому оптимуму фотосинтеза, увеличив тем самым КПД биологической энергии. Теоретически все вроде верно. А на практике?
Профессор Института физиологии растений Геннадий Васильевич Лебедев несколько лет исследовал влияние на растения импульсного дождевания. Начиная с 8—9 часов утра, он периодически опрыскивал поле мелкодисперсным искусственным дождем. Чуть листья обсохнут, душ повторялся. И так все жаркое время дня.
Оказалось, что при одном и том же расходе воды можно значительно повысить усвоение солнечной радиации хлорофиллом и увеличить урожай различных культур в 1,5—2 раза. Наибольший эффект удалось получить на плантациях капусты, свеклы, чайных кустов и других культур, у которых слабая корневая система, а листья большие или их много. Из-за этого растения особенно плохо переносят жару, испаряют влагу быстрей, чем поглощают ее, листья уходят в глухую защиту, сворачиваются, фотосинтез прекращается.
Группа И. И. Свентицкого постаралась определить, какую же именно температуру надо поддерживать мелкодисперсным орошением при том или ином уровне облученности и освещенности, сколько раз и через какие промежутки времени надо поливать участки в течение жаркого дня.
А можно, оказывается, увеличить биоэнергетическую активность некоторых огородных и садовых культур и иными способами. Например, сажая их рядами с юга на север. Так, впрочем, исстари поступают виноградари Кавказа и Крыма. Благодаря этому в прохладные утренние и вечерние часы почти на всю поверхность листьев падает прямой солнечный свет. В полдень же листья затеняют друг друга. Тем и спасаются от перегрева.
Вот так, оказывается, можно справиться с тем, что мешает фотосинтезу. Однако это хотя и активная, но все же оборона. А как же повысить биоэнергетический потенциал растений? Может быть, чтобы ответить на эти вопросы, стоит внимательней присмотреться к качеству оптического излучения?
Из всего спектра излучения больше всего растению требуется красного света. Из него получают энергию даже не отдельные станки микроскопического химико-энергетического предприятия — хлорофиллы, а целые технологические линии хлоропластов, которые расположены вблизи «внутризаводских транспортных путей». Здесь из углекислоты и воды изготовляют углеводы — сахара, крахмал.
Есть у некоторых растений и другой вид хлоропластов. Эти, как правило, находятся в мякоти листа и осуществляют еще более трудные в энергетическом отношении фотохимические реакции. У них и продукция посложнее — белки.
Сюда поступает синий свет. Энергетический заряд кванта синего света, оказывается, почти вдвое сильней, чем у кванта красного.
И если нам нужно, чтобы у лука, например, была мощная репка, надо облучать его красным светом, а если хотим иметь перо побольше — зеленым или синим. Это, кстати, нетрудно проверить даже в домашних условиях, соорудив опытное «поле» на подоконнике.
А остальные части спектра?
Оранжевые, желтые и голубые лучи используются в процессе фотосинтеза много меньше. И уж совсем мало — зеленые.
Стало быть, солнечное облучение, к которому земная растительность так долго приспосабливалась, страшно вымолвить, далеко не самое для нее лучшее.
Вот если бы надеть на солнце цветные фильтры. Увы, это сделать невозможно. Хотя, как сказать…
Не раз уже самые серьезные исследователи — агрофизик Борис Сергеевич Машков, например, или голландец, С. С. Де Форест — предсказывали, что основную продукцию растениеводства человечество будет получать в регулируемых и контролируемых условиях с использованием специальных искусственных источников света и тепла. А раз так, то почему бы не воспользоваться такими источниками, которые обеспечат наиболее высокий КПД генерирования энергии, пригодной для фотосинтеза.
Автор: Г. Вершубский.