Фотонний двигун рослин

Кажуть, з численних визначень, що таке життя, сьогодні можна скласти важкі томи. Можливий біоенергетичний погляд на життя. Кожен, хто дихає, розвивається, – це перетворювач одного виду енергії в інший. І рослини – аж ніяк не виняток. А що служить початком всього сільського господарства, як не електромагнітна енергія оптичного випромінювання, яку зелені організми включають в кругообіг життєвих процесів? Вона становить ні мало ні багато 98 відсотків загальної енергії, яка перетворюється рослинами в енергію, найціннішу для людства. Ту саму, що ми поглинаємо за сніданком, обідом, вечерею. Решта два відсотки припадають на машини, мотори, установки, виготовлення мінеральних добрив, обробку і меліорацію полів.

Всякий знає – чим досконаліше трактори, сівалки, комбайни, чим краще добрива, якісніше оброблені посіви, тим продуктивніше поля. Однак, щоб подвоїти врожайність хлібної ниви, доводиться іноді навіть в 50 (!) раз збільшувати витрати енергії на техніку і добрива.

Два і півсотні – така невідповідність! Але нічого не поробиш. Могутнє світило працює, як йому хочеться. Нам з вами воно непідвладне.

Зате рослини…

Чи можете ви собі уявити, щоб електрострумом гідростанції користувалися тільки для того, щоб нагріти титан води? Розуму незбагненно. Однак в природі таке трапляється. У цьому неважко переконатися, провівши деякі арифметичні підрахунки. У кожну секунду поверхні нашої планети досягає щось близько 20 трильйонів кілокалорій сонячної енергії. (Для порівняння згадаємо, що щорічно людство ціною колосальних зусиль видобуває шість мільярдів тонн умовного палива. У кожній з них міститься по сім мільйонів кілокалорій. Перемноживши ці цифри, отримаємо 42.1015 кілокалорій — стільки ж, скільки Сонце дарує Землі кожні тридцять з невеликим хвилин. За півгодини мало не річний видобуток вугілля, нафти, газу!) Здавалося б, куди як добре. Та тільки використовується сонячне світло дуже погано. Ефективність фотосинтезу дуже низька.

Підраховано, що в енергію їжі і кормів перетворюється в найкращому випадку не більше півтора відсотків сонячного випромінювання. Зернові культури переробляють в поживну речовину і того менше – всього-на-всього 0,03 відсотка променистої енергії, що припадає на площу їх зростання. Стало бути, з повною віддачею як би трудиться лише три квадратних метри з цілого гектара посівів.

Звичайно, за мільйони років еволюції зелені організми могли б навчитися краще користуватися сонячною радіацією. Та їм, мабуть, це не дуже-то і потрібно. Природному біоценозу і того, що є, цілком вистачає. Але ми мріємо про більше.

Сьогодні, щоб поліпшити умови для розвитку рослини, доводиться витрачати порівняно багато матеріальних і головне енергетичних засобів. Вельми дорого обходиться при сучасному рівні науки і техніки водна, теплова меліорація. Одні тільки мінеральні добрива забирають дев’ять десятих енергетичних витрат, що витрачаються суспільством на виробництво зерна. Але діватися нікуди: не збільшивши виробництво енергії, не отримати надбавки продуктів харчування, так необхідних людству.

Як же змусити природу працювати ефективніше? Кандидат технічних наук Іван Йосипович Свентицький зайнятий саме цією проблемою.

Один з можливих шляхів – спонукати рослини до найбільш повного використання сонячного електромагнітного випромінювання. І теоретично це можливо: ККД перетворення фотонів в сільському господарстві може бути підняте до 12-18 відсотків, тобто в десятки разів більше нинішнього.

Щоб дізнатися, чому таке не відбувається на практиці, треба було хоча б провести «фотографію робочого дня» зеленого організму.

Вчені розробили методику і сконструювали прилад, за допомогою якого і розгледіли причини низького коефіцієнта використання енергії Сонця рослинами. У ясний літній день найбільша продуктивність фотосинтезу буває у рослин о 8-9 ранку. Потім Сонце піднімається все вище і вище, світить все яскравіше і яскравіше. Здавалося б, і фотосинтез повинен відбуватися ефективніше. Не тут-то було. Процеси в хлорофілі загасають, а то і зовсім припиняються. Чому?

Чим вище Сонце, тим сильніше гріє. Рослині стає жарко. Рятуючись від перегріву, листя згортаються. Спрацьовує захисний механізм, що рятує клітини від згубного надлишку радіації.

Але ось Сонце минуло зеніт. Промені його перестали бити прямо у верхівку рослини. Вони ковзають по поверхні листя. І у тих знову розкрилися продихи – їх дихальні органи. Приблизно в 4-5 годин пополудні перетворення вуглекислоти і води в органічні речовини знову йде повним ходом.

За весь довгий світловий день в розпал літа рослина продуктивно працює всього якихось три-чотири години. Весь інший час енергія – з нашої, звичайно, точки зору – витрачається даремно. А не будь цього…

Вчені давно вже ламають голову над питанням, чому здавалося б в несприятливих умовах Півночі багато культур розвиваються дуже швидко і досягають величезних розмірів. Адже сонячної енергії там надходить в півтора рази менше, а сумарна біокліматична температура в 1.7 рази нижче, ніж, наприклад в субтропічних широтах. Приріст же біомаси відбувається в півтора рази швидше.

У літературі не раз вже згадувалося про те, що багато трав на Сахаліні ростуть буквально не по днях, а по годинах. За коротке літо вони досягають величезних розмірів. Дудник ведмежий, наприклад, піднімається до трьох-чотирьох метрів. Товщина його стебла біля основи майже не поступається стовпу. Непролазні зарості вище людського зросту, своєрідні “сахалінські джунглі” утворює дика гречка, а листя непоказного білокопитника досягають в діаметрі 120-140 сантиметрів, і сахалінці нерідко використовують їх в якості парасольок від дощу.

У чому ж справа? Одні бачать причину Сахалінського феномена у своєрідності ґрунтів, інші – в особливостях водного режиму.

І. І. Свентицький вважає, що вся справа в тому, що хоча тут тепла і менше, але через постійні тумани, підвищену вологість повітря надходить воно рівномірно, немає різких коливань температури, і склалося сприятливе поєднання між освітленістю і теплом. Рослини не перегріваються, депресії фотосинтезу немає, і хлорофіл, цей двигун рослини, працює без простоїв весь світловий день, весь вегетаційний період. Не треба бути особливо прозорливим, щоб зрозуміти, що більшу частину сил своїх рослина в спеку витрачає на самоохолодження.

Людина ще на самій зорі землеробства помітила, що якщо ниву поливати, то отримуєш більше зерна. Коли ж вологи не вистачає, злаки чахнуть, а іноді і зовсім гинуть. Звідси і повелося поливати грунт. Звідси і ті величезні витрати, що йдуть зараз на зрошення величезних територій. Іншого способу втамувати спрагу рослини ми не знаємо. Та й немає його, мабуть, кращого способу, поки мова йде про спрагу. Звідки ж нам було знати – це стало відомо недавно, — що на власне розвиток зеленої рослини йде всього-на-всього два відсотки споживаної їм вологи? Решту вона пропускає через себе і випаровує головним чином для того, щоб уникнути перегріву.

Підраховано, що пшениця на полі продуктивністю в 40-50 центнерів з гектара за час вегетації перекачує з грунту кілька мільйонів тонн води — по тонні на кожні 16 кілограмів зерна. Титанічна праця! Уявляєте, скільки біологічної енергії витрачається тільки для того, щоб підняти таку собі тяжкість на висоту стебла!

Впливати на природу в злагоді з її власними об’єктивними законами — ось в чому бачать прихильники системного біоенергетичного підходу своє покликання.

І. І. Свентицький і його товариші виходили з того, що рослина, випаровуючи вологу, утворює навколо себе крихітну водяну хмарку. Вона-то і рятує від опіків. А що якщо і поливати не грунт, а сам зелений організм, оточувати його безліччю найдрібніших крапельок? Тоді, мабуть, температура повітря і листя знизиться, наблизиться до термічного оптимуму фотосинтезу, збільшивши тим самим ККД біологічної енергії. Теоретично все начебто вірно. А на практиці?

Професор Інституту фізіології рослин Геннадій Васильович Лебедєв кілька років досліджував вплив на рослини імпульсного дощування. Починаючи з 8-9 години ранку, він періодично обприскував поле дрібнодисперсним штучним дощем. Трохи листя обсохнуть, душ повторювався. І так весь жаркий час дня.

Виявилося, що при одній і тій ж витраті води можна значно підвищити засвоєння сонячної радіації хлорофілом і збільшити урожай різних культур в 1,5—2 рази. Найбільший ефект вдалося отримати на плантаціях капусти, буряка, чайних кущів та інших культур, у яких слабка коренева система, а листя великі або їх багато. Через це рослини особливо погано переносять спеку, випаровують вологу швидше, ніж поглинають її, листя йдуть в глухий захист, згортаються, фотосинтез припиняється.

Група І.І. Свентицького постаралася визначити, яку ж саме температуру треба підтримувати дрібнодисперсним зрошенням при тому чи іншому рівні опроміненості і освітленості, скільки разів і через які проміжки часу треба поливати ділянки протягом спекотного дня.

А можна, виявляється, збільшити біоенергетичну активність деяких городніх і садових культур й іншими способами. Наприклад, саджаючи їх рядами з півдня на північ. Так, втім, здавна чинять виноградарі Кавказу і Криму. Завдяки цьому в прохолодні ранкові та вечірні години майже на всю поверхню листя падає пряме сонячне світло. Опівдні ж листя затінюють одне одного. Тим і рятуються від перегріву.

Ось так, виявляється, можна впоратися з тим, що заважає фотосинтезу. Однак це хоча і активна, але все ж оборона. А як же підвищити біоенергетичний потенціал рослин? Може бути, щоб відповісти на ці питання, варто уважніше придивитися до якості оптичного випромінювання?

З усього спектру випромінювання найбільше рослині потрібно червоного світла. З нього отримують енергію навіть не окремі верстати мікроскопічного хіміко-енергетичного підприємства – хлорофіли, а цілі технологічні лінії хлоропластів, які розташовані поблизу «внутрішньозаводських транспортних шляхів». Тут з вуглекислоти і води виготовляють вуглеводи — цукри, крохмаль.

Є у деяких рослин й інший вид хлоропластів. Ці, як правило, знаходяться в м’якоті листа і здійснюють ще більш важкі в енергетичному відношенні фотохімічні реакції. У них і продукція складніше – білки.

Сюди надходить синє світло. Енергетичний заряд кванта синього світла, виявляється, майже вдвічі сильніше, ніж у кванта червоного.

І якщо нам потрібно, щоб у цибулі, наприклад, була потужна ріпка, треба опромінювати її червоним світлом, а якщо хочемо мати перо побільше — зеленим або синім. Це, до речі, неважко перевірити навіть в домашніх умовах, спорудивши дослідне «поле» на підвіконні.

А інші частини спектра?

Помаранчеві, жовті і блакитні промені використовуються в процесі фотосинтезу багато менше. І вже зовсім мало – зелені.

Стало бути, сонячне опромінення, до якого земна рослинність так довго пристосовувалася, страшно вимовити, далеко не саме для неї найкраще.

От якби надіти на сонце кольорові фільтри. На жаль, це зробити неможливо. Хоча, як сказати…

Не раз вже найсерйозніші дослідники – агрофізик Борис Сергійович Машков, наприклад, або голландець, С.С. де Форест — передбачали, що основну продукцію рослинництва людство буде отримувати в регульованих і контрольованих умовах з використанням спеціальних штучних джерел світла і тепла. А раз так, то чому б не скористатися такими джерелами, які забезпечать найбільш високий ККД генерування енергії, придатної для фотосинтезу.

Автор: Г. Вершубський.