Кибернетика в лесу

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

Как-то, находясь в США, около Сан-Франциско, я сидел под сенью мамонтовых деревьев. Им было около двух тысяч лет. Я спрашивал американцев: есть ли какие-либо теории о причинах такого удивительного долголетия Мамонтова дерева! Мне отвечали, что этим вопросом мало кто интересуется, поскольку за его разрешение никто не предлагал большого количества долларов. Шутки шутками, но я задумался: почему мамонтово дерево живет так долго! Может быть, дело в условиях жизни! Когда я занялся этим подробнее, то выяснил, что в январе в Калифорнии средняя температура воздуха плюс 10 градусов, почти как и в июле. Так я получил наглядное доказательство значения равномерности условий существования для продления жизни растений.

Самое любопытное, что растения сами стараются поддержать равномерность некоторых своих внутренних показателей. В течение ряда лет ежедневно я измерял влажность растений на полях и в лесах, а одновременно следил за состоянием атмосферы. Оказалось, что, как бы ни менялась погода, во время проливных дождей и в периоды засух некоторые растения упорно сохраняли постоянную влажность, необходимую для их существования. Брусника, например, при любой погоде поддерживала влажность на уровне 100 процентов, а пшеница — примерно 130.

Когда наблюдаешь удивительные факты постоянства жизненных показателей живых организмов — температуры, влажности, химического состава и т. д., то невольно удивляешься, как же это достигается! Оказывается, в организмах существует обратная связь между органами исполнения и органами управления. Благодаря этому последние «знают», нужно ли усиливать или, наоборот, уменьшать действие первых, чтобы регулируемая величина в данных условиях поддерживалась на должном уровне.

Когда погода сухая и растения усиленно испаряют воду, то сопротивление клеточных оболочек внутреннему давлению падает. Вследствие наступившей вялости клеток, образующих отверстия в кожице листьев, эти устьица, как их называют, закрываются и испарение воды уменьшается. В то же время повышается концентрация растворенных веществ в содержимом клеток, и в связи с этим усиленно начинает нагнетаться вода из почвы. В результате поддерживается необходимый уровень влажности растений.

Когда сыро, устьица широко раскрываются, хотя погода не благоприятствует испарению воды. А одновременное понижение концентрации раствора внутри растений замедляет поглощение воды из почвы.

Обратные связи в данном примере менее выражены и не так надежны, как в организмах животных. В природе встречаются и такие растительные организмы, которые вообще не способны поддерживать свои жизненные показатели на необходимом уровне. Это связано с очень плохой обратной связью внутри них. Например, мхи и лишайники во время дождей настолько пропитываются водой, что она составляет 500—1000 процентов от сухого веса. А мох сфагнум намокает настолько, что воды в нем становится 3000—5000 процентов. При наступлении засухи лишайники теряют эту воду почти целиком, и в них остается лишь 5—10 процентов влаги.

Картофель и лен тоже сильно набухают во время дождей и подсыхают в жаркое время. Листья и стебли картофеля после дождя содержат около 450—500 процентов воды, а спустя несколько дней — до 350 процентов. Аналогичные колебания влажности льна укладываются соответственно в пределы 300— 140 процентов.

Как видим, разные организмы далеко не одинаковы по своей способности поддерживать свое внутреннее постоянство. Как же определять степень совершенства организмов! Ведь это очень важно для отбора лучших растений на семена, а животных на племенные цели, для того чтобы выяснить устойчивость организмов к неблагоприятным воздействиям, загодя определять их заболевания.

Для этого надо сравнить два ряда цифр: температуру, влажность и т. д. в окружающей среде и внутри растений. На основе же сравнения можно вычислить коэффициент приспособленности растения к тем или иным условиям. Такой метод я применил для того, чтобы установить связь влажности растений и погоды. Что же получилось!

Если коэффициент приспособленности близок к нулю, значит организм крайне слабо самоуправляется. Когда этот показатель приближается к единице, мы имеем весьма совершенный организм, способный поддерживать нужный уровень влажности независимо от колебаний влажности среды. Так степень совершенства брусники, черники, пшеницы и овса (речь идет об управлении влажностью в зависимости от погоды) выражается цифрой 0,8, тогда как мхи, лишайники, картофель, лен имеют коэффициент примерно 0,2—0,4.

Очень интересно установить связь между коэффициентами приспособленности и изменениями среды обитания растений. Она будет выражаться разными математическими формулами. Например, влажность растений и засушливость погоды связаны по уравнению гиперболы, согласно которому при увеличении одного параметра, второй уменьшается. Подобные закономерности распространяются в живой природе довольно далеко. К примеру, размножение белок и мышей в лесу следует за урожаями древесных семян, а урожаи семян скачкообразно следуют за засухами.

Зная математическую форму связи физиологических величин и внешних условий, можно с помощью уравнения погоды довольно точно определить в процентах влажность растений, не измеряя ее непосредственно. По урожаю семян таким же способом удается вычислить количество птиц в лесном массиве, не подсчитывая их и т. д. Я думаю, этот прием похож на определение состава солнца по анализу спектра его света.

Можно сделать и обратное вычисление: по прогнозу погоды дать прогноз состояния растительности в той или иной области на несколько дней и даже на месяц вперед. Это позволит регулировать полеты патрульной авиации и рациональнее использовать наземную службу охраны леса и степи от пожаров.

Трудно перечислить все те возможности, которые открывает кибернетика перед сельским хозяйством, лесным, охотничьим. Хотелось бы, получать, например, огурцы не за 50 дней, а за 10, лес же выращивать не за 100 лет, а за 15—25. Что ж, можно попробовать. Управляя интенсивностью жизненных процессов, можно значительно поднять продуктивность организмов.

А нельзя ли попытаться создать совсем новые комплексы организма и среды, с тем чтобы добиться в продуктивности растениеводства и животноводства огромного скачка! Мне кажется, можно. Вполне вероятно, что для такой коренной переделки особенно подходящими могут оказаться сообщества одноклеточных организмов. Для них легче искусственно создать новые условия. Некоторые известные одноклеточные водоросли, вроде хлореллы, при обильном снабжении водой и теплом достигают гигантского роста: масса их увеличивается за сутки раз в 6—7.

Несколько изменяя условия, наверное, можно получить у них хороший вкусовой эффект с уклоном в огурцы, помидоры, капусту, картофель… белый хлеб и т. д. А затем на базе этих растений, может быть, удастся выращивать простейших одноклеточных животных со вкусом лучшей баранины, телятины, курятины или осетрины.

Словом, усиливая саморегулирование в организмах и обеспечивая дополнительно управление жизненными процессами в растениях со стороны человека, можно достигнуть гигантского успеха.

Автор: В. Нестеров.