История жизни на Земле, так же как и история самой Земли, начинается с Солнца. Лишь недавно человек сумел овладеть- энергией, выделяющейся при взаимодействиях атомных ядер. Если не считать этого, то единственным источником энергии- почти для всех форм жизни является Солнце. Любой машине для работы необходим какой-нибудь источник энергии: в часах используется энергия сжатой пружины; на гидроэлектростанции— кинетическая энергия падающей воды; в автомобиле, работающем на бензине, — химическая энергия молекул горючего, высвобождающаяся в процессе их окисления. Необходима энергия и всем живым существам; они также извлекают ее из окисляемого «горючего», называемого в этом случае пищей.

Пищевые вещества по своей химической природе очень разнообразны, но некое общее представление об их свойствах мы можем получить, рассмотрев обычный пищевой продукт — простой сахар глюкозу (СбН^Об), в молекулу которого входят 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода. Все сахара принадлежат к классу углеводов — химических веществ, названных так потому, что в их молекуле присутствует углерод, а водород с кислородом входят в нее в том же соотношении (2:1), что и в молекулу воды. Глюкоза образуется (с одновременным выделением газообразного кислорода) в реакциях фотосинтеза, протекающих в зеленой клетке, из двух простых веществ — двуокиси углерода и воды. Осуществляются эти реакции благодаря использованию энергии Солнца ( 1.1)> Энергия, запасенная в молекулах синтезированной глюкозы, может высвобождаться в процессе дыхания, при котором глюкоза! окисляется до двуокиси углерода и воды. Дыхание, таким образом, представляет собой химический процесс, обратный фотосинтезу.            ,

Когда зеленое растение растет, оно улавливает и запасает солнечную энергию. Питаясь зелеными растениями или мясом животных, которые едят зеленые растения, человек также зависит от Солнца, хотя и не столь непосредственно. Даже автомобили, работающие на бензине, и тепловые электростанции, в топках которых сжигается каменный уголь, потребляют «ископаемую» солнечную энергию, т. е. энергию, уловленную в процессе фотосинтеза организмами, жившими миллионы лет назади

Не будь зеленых растений, выполняющих роль преобразователей солнечной энергии, почти вся жизнь на Земле прекратилась бы. Исключение составили бы разве что некоторые бактерии, добывающие необходимую им энергию путем окисления каких- нибудь необычных субстратов, например закиси железа. Однако даже и эти организмы зависят от солнечной энергии при фиксации углерода, который необходим им для построения собственного тела. Впрочем, они в любом случае составляют лишь ничтожную часть всех живых существ, населяющих нашу Землю.

СОЛНЦЕ КАК ТЕРМОЯДЕРНАЯ УСТАНОВКА

С конца второй мировой войны, т. е. с тех пор как были взорваны первые атомные бобмы, человек начал осваивать ту энергию, которая в огромных количествах выделяется при взаимодействиях атомных ядер. Атомная эра началась с воспроизведения реакций распада, приводящих к расщеплению тяжелых атомов, таких, как уран, на более легкие и на субатомные частицы. Теперь, однако, в исследованиях по атомной энергии

улор делается в основном на реакции синтеза, в которых более мелкие частицы, например протоны (ядра водорода), сливаются с образованием более крупных единиц, например альфа-частиц (ядер гелия). Синтез ядер гелия из ядер водорода -г- реакция, лежащая в основе водородной бомбы, — изучается в настоящее время также и для того, чтобы найти способы осуществлять управляемый термоядерный синтез и использовать его как источник промышленной энергии.

Солнце —1 это, в сущности, водородная бомба. Оно представляет собой как бы термоядерный «реактор», в котором из атомов водорода синтезируются атомы гелия; в результате сложной последовательности реакций четыре атома водорода с массой, близкой к 1, сливаются в атом гелия с массой, близкой к 4 ( 1Д): 4Н     * Не.

причем в качестве промежуточных продуктов в этой последовательности реакций участвуют ядра других атомов.

Из всей солнечной радиации поверхности Земли достигает ежегодно около 5,5-1023 кал, или 100000 кал/см2/год. Примерно одна треть всего этого количества расходуется на испарение воды, так что на фотосинтез и на некоторые другие процессы остается около 67 000 кал/см2/год. Ежегодно зелеными растениями связывается в процессе фотосинтеза — в виде Сахаров — 200 млрд. т углерода из атмосферной С02, а это приблизительно в 100 раз превышает массу всего того, что за год производит человек. Однако, хотя фотосинтез — самый распространенный химический процесс на Земле, зеленые растения используют солнечную энергию, вообще говоря, малоэффективно. В среднем по всей земной поверхности на фотосинтез ежегодно затрачивается всего лишь около 33 кал/см2, т. е. около 1/2000 всей наличной энергии. Правда, эти цифры не очень точно отражают эффективность фотосинтеза, поскольку существенная часть солнечной радиации достигает поверхности Земли в тех местах, где растительность отсутствует. Если включить в расчет только то количество солнечной радиации, которое действительно поглощается зелеными растениями, то общая эффективность фотосинтеза (отношение запасенной лучистой энергии к поглощенной) окажется более высокой — порядка нескольких процентов

ЛУЧИСТАЯ ЭНЕРГИЯ

Когда в термоядерной «топке» Солнца водород превращается в гелий, энергия высвобождается в форме излучения различных видов. Эти разные виды излучения, образующие непрерывный спектр энергий, различаются по длинам волн ( 1.3). Длины волн удобно выражать в нанометрах (один нанометр — это миллиардная часть метра, Ю-9 м). Видимая часть спектра охватывает длины волн от 400 до 700 нм. (У некоторых людей порог восприимчивости со стороны коротких и длинных волн несколько сдвинут, но в качестве средних указанные пределы вполне можно принять.) Нижний предел (400 нм) соответствует сине-фиолетовому концу спектра, а верхний (700 нм) — красному его концу; отдельные цвета спектра располагаются в следующем порядке: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Растения воспринимают излучения почти точно в том же интервале длин волн, что и человеческий глаз, если только не считать некоторых групп бактерий, способных использовать инфракрасные лучи, невидимые для глаза.

При соударении с какой-нибудь молекулой квант лучистой энергии может быть поглощен этой молекулой. В результате поглощения энергии молекула переходит в «возбужденное состояние», и в таком состоянии она оказывается способной вступить в реакцию, которая была для этой молекулы фактически невозможной, когда она находилась на более низком энергетическом уровне. Чтобы вызвать определенную химическую реакцию, квант должен обладать энергией, превышающей некую критическую величину, характерную для данной реакции. Кванты рентгеновских и коротковолновых ультрафиолетовых лучей могут, например, выбивать из атомов электроны, превращая атомы в ионы. Кванты видимой области спектра несут меньше энергии и не способны вызывать ионизацию; однако если они поглощаются ййгментами хлоропластов, то они могут осущест

вить превращение СОг в глюкозу. Кванты инфракрасного (теплового) диапазона не способны вызвать ни одной из этих реакций, но они могут вызывать другие перестройки молекул, требующие меньших количеств энергии.

Солнечная радиация, весьма сложная по своему составу, достигает поверхности Земли в сильно измененном виде. Например, озоновый слой атмосферы («озоновый щит Земли») интенсивно поглощает ультрафиолетовые лучи. Это весьма благоприятный факт, потому что если бы ультрафиолетовое излучение достигало земной поверхности неослабленным, то оно сильно повреждало бы все живое на нашей планете. В последнее время некоторые ученые высказывают опасения, что озоновый щит Земли может оказаться частично разрушенным в результате деятельности человека, в частности под влиянием выхлопов сверхзвуковых самолетов и вследствие накопления в атмосфере фторорганических соединений, используемых в аэрозольных баллонах. Такой эффект имел бы, конечно, пагубные последствия для жизни на Земле. Инфракрасное излучение Солнца поглощается главным образом присутствующими в атмосфере водяными парами, а также в какой-то степени двуокисью углерода, хотя ее содержание в атмосфере очень невелико; благодаря этому поглощению температура на поверхности Земли поддерживается в пределах, приемлемых для живых организмов. Проходит сквозь атмосферу и достигает поверхности Земли по преимуществу то излучение, которое соответствует видимой и инфракрасной областям. Именно это излучение составляет-основу энергетики всех живых систем на Земле. Определенную часть этой лучистой энергии улавливают и запасают в процессе фотосинтеза зеленые растения.

НАСЕЛЕНИЕ ЗЕМЛИ И ПИЩЕВЫЕ РЕСУРСЫ

Мы живем в необычное время. Население Земли, составляющее сейчас уже более четырех миллиардов человек (в 1960 г., когда появилось первое издание этой книги, оно приближалось еще только к трем миллиардам!), растет с невиданной быстротой: ежегодный прирост (рождаемость за вычетом смертности) достигает 1,8% ( 1.4). При таком росте населения ежегодно появляется 72 млн. новых едоков. Ежедневный прирост составляет около 200 000 человек, а это значит, что каждую секунду появляются два новых рта, которые нужно кормить (точнее, 2,3). Более того, растет не только общее число жителей Земли, но увеличивается и ежегодный прирост населег ния. По мере того как совершенствуется и распространяется здравоохранение, снижается смертность, а следовательно, и сама скорость роста населения тоже растет. Мы вправе, таким образом, ожидать, что население Земли будет удваиваться при-близительно каждые 35 лет. Если допустить, что такие темпы сохранятся на протяжении ближайшего тысячелетия, то это будет означать, что к его исходу общая масса всех людей на Земле сравняется с массой самой планеты. Очевидно, что-то должно измениться, прежде чем эта «популяционная бомба» погубит всех нас.

Поскольку все животные, а следовательно, и человек снабжаются «метаболическим горючим» за счет солнечной энергии, улавливаемой зелеными растениями, любые расчеты с целью выяснить, сколько людей может прокормить Земля, должны исходить из количества энергии, связываемой в процессе фотосинтеза. Выше мы уже сказали, что ежегодно в процессе фотосинтеза связывается около 200 млрд. т углерода. Можно ли увеличить это количество, и если можно, то насколько? Ясно, что как бы мы ни старались расширить площади наших сельскохозяйственных угодий, даже и геркулесовы усилия вряд ли позволят нам увеличить возделываемые земли более чем вдвое. Однако даже и в этом случае продуктивность не удвоится, потому что лучшие земли давно уже заняты. Оценки продуктивности фотосинтеза по большей части приводят к выводу, что очень существенный вклад в общий итог вносят воды земного шара; не менее 50%, а может быть, и до 80% всего фотосинтеза протекает в морях и в пресных водах. Нельзя ли в таком случае начата «возделывать» моря или, например, выращивать для пищевые целей различные водоросли в обширных, специально для этого удобряемых «морских огородах»? Правда, пока это представляется нам неосуществимым с экономической точки зрения. Однако со временем, когда мир будет переполнен голодными людьми, нечто подобное может оказаться попросту необходимым. Совершенно ясно, что этот новый тип хозяйствования потребует всех наших ботанических знаний и умений и что им суждено сыграть в этом деле самую важную роль.

Еще один путь к увеличению производства пищи — это улучшение самих растений. В этом направлении уже многого удалось достичь на основе развития агрономической науки и той «зеленой революции», в которой ботаники принимают самое активное участие. Селекционеры создают новые улучшенные сорта культурных растений, и число таких сортов неуклонно растет; фитофизиологи учат нас тому, как следует удовлетворять потребности растений в питательных веществах, как можно соответствующим образом влиять на рост растений и как с помощью специальных химических средств уничтожать сорняки; фитопатологи и энтомологи разрабатывают способы защиты от патогенных грибов и от насекомых-вредителей; почвоведы учат, как сохранять и обогащать сложную почвенную среду —смесь измельченных горных пород, органических веществ и почвенных микроорганизмов; наконец, агрономы заботятся о том, чтобы сельское хозяйство велось достаточно эффективно. Возможно, со временем мы постигнем механизм фотосинтеза настолько хорошо, что научимся регулировать этот процесс и повышать его эффективность в растении или даже успешно осуществлять его вне живой клетки. Новые перспективы, открывающиеся в области дальнейшего улучшения растений, мы еще обсудим ниже, в гл. 14 и 16.

Приходится признать, однако, что, даже если на Земле и будет производиться больше пищи, весь выигрыш от этого все равно сведется на нет неограниченным ростом населения. К чему добиваться удвоения продуктивности сельского хозяйства, коль скоро уже через 35 лет эффект от этих усилий окажется равным нулю, поскольку удвоится и число ртов, которые нужно будет кормить? Совершенно ясно, что рано или поздно человечество вынуждено будет решать вопрос о том, сколько людей может быть обеспечено всем необходимым за счет ресурсов, •которыми располагает Земля; а затем потребуется изыскивать способы, которые позволили бы удерживать численность населения на этом уровне. И хотя мы, конечно, столкнемся на этом пути с множеством всевозможных проблем — религиозных, политических и социальных, — росту населения в конце концов будет положен предел либо на основе мирных, сознательно планируемых мероприятий, либо среди насилия и хаоса, порожденных голодом, эпидемиями или войной.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГЛАВЫ

Почти все формы жизни на Земле получают необходимую им энергию прямо или косвенно от Солнца, т. е. от протекающих в нем реакций термоядерного синтеза, в результате которых водород превращается в гелий. В процессе этого синтеза часть массы переходит в энергию, излучаемую в космическое пространство. Небольшая доля этой энергии достигает поверхности Земли и поглощается здесь хлорофиллом и вспомогательными пигментами, содержащимися в зеленых растениях. Сложные химические механизмы в хлоропластах клеток зеленых растений обеспечивают запасание этой энергии в форме углеводов [Сх(Н20)у], образующихся из двуокиси углерода (СОг) и воды (Н2О) в процессе фотосинтеза; в качестве побочного продукта этого процесса выделяется кислород. Когда за-' тем углеводы окисляются в процессе дыхания до С02 и Н20, запасенная в них энергия высвобождается и может быть использована организмом.

Поскольку человек питается или самими зелеными растениями или продуктами животного происхождения, а пищей животным служат те же растения, численность населения Земли ограничивается в конечном счете суммарным количеством накопленных продуктов фотосинтеза. В настоящее время на Земле проживает более 4 млрд. человек. При современных темпах роста населения — около 70 млн. в год — численность населения должна удваиваться примерно каждые 35 лет. Если даже нам и удастся как-то стимулировать рост растений, повысить эффективность фотосинтеза и расширить пахотные земли, то и тогда трудно надеяться на то, чтобы увеличение продуктивности сельского хозяйства поспевало за ростом населения. По этой и по другим причинам в конце концов мы вынуждены будем каким-то образом ограничить численность населения Земли.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Учебники по физиологии растений и биохимии

Bidwell R. G. S. 1979. Plant Physiology, 2nd ed., New York, Macmillan. Основательное и полное изложение предмета с упором на биохимические интерпретации.

Salisbury F. В., Ross С. 19>78. Plant Physiology, 2nd ed., Belmont, Calif., Wads- worth. Обзор, написанный в легкой, занимательной форме со многими отступлениями.

Bonner ]., Vartier J., eds. 1976. Plant Biochemistry, 3rd ed., New York, Academic Press. Сборник статей, принадлежащих специалистам в разных важных отраслях бнохимнн растений. Krogmann D. W. 1973. The Biochemistry of Green Plants, Englewood Cliffs, N. J., Prentice-Hall. Доступное и последовательное изложение биохнмн» растений.

Goodwin Т. W„ Mercer E. I. 1972. Introduction to Plant Biochemistry, Oxford, Pergamon Press. Описание растения с точки зрения бнохнмнка.

Goldsby R. А. 1967- Cells and Energy, New York, Macmillan. Основы химии и бнохнмии — книга, особенно полезная для начинающих.

Обзоры, отражающие успехи в области физиологии растений

Annual Review of Plant Physiology, Stanford, Calif., Annual Reviews, Inc. Включает около 15 разделов, выходит с 1950 г. Содержит обширный список литературы с общими указателями, которые помогают начинающему ориентироваться в новейшей литературе.

Encyclopedia of Plant Physiology. 1976 and later. New Series, Berlin-Heidelberg- New York, Springer. Каждый том посвящен какому-нибудь одному разделу физиологии растений н дополняет современными данными тома, опубликованные в 50-х гг. Когда серия будет завершена, в ней будут подробно рассмотрены все темы, представленные в книге «Жизнь зеленого растения».

Растения, пищевые ресурсы и сельское хозяйство

Food and Agriculture. 1976. Scientific American, 235 (3), 30—196. Полный выпуск содержит 12'статей, посвященных проблемам и перспективам сельского хозяйства.

Abelson Р. #., erf. Food: Politics, Economics, Nutrition and Research, Washington D. C., American Association for the Advancement of Science. Сборник статен, написанных специалистами по естественным и общественным наукам. Посвящен путям решения мировых продовольственных проблем.

ВОПРОСЫ

1.1.      Зеленые растения на протяжении многих миллионов лет успешно используют солнечную энергию. Опишите в общих чертах процесс, посредством которого они запасают солнечную энергию, и дайте оценку эффективности этого процесса.

1.2.      Как следует понимать библейское выражение «...всякая плоть как трава»?

1.3.      Солнце — это удаленный от нас на 150-10® км термоядерный «реактор». Кратко охарактеризуйте источник солнечной энергии, а также природу испускаемого им излучения и излучения, достигающего Земли.

1.4.      Что такое квант? Как связана частота излучения с энергией кванта?

1.5.      Зная частоту излучения, можно определить длину волны, и наоборот. Напишите формулу, с помощью которой можно произвести такой расчет.

1.6.      Укажите границы участка спектра (длины волн в единицах метрической системы): а) воспринимаемого человеческим глазом и б) используемого зелеными растениями.

1.7.      Какова примерная численность населения Земли в настоящее время? Как быстро оно растет? За какой срок оно может удвоиться при такой скорости роста?

1.8.      Томас Роберт Мальтус в своем труде «Опыт о законе народонаселении», опубликованном в 1798 г., высказал мысль, что созданию счастливого общества всегда будет препятствовать несоответствие между ростом населения, совершающимся в геометрической прогрессии, н увеличением средств к существованию, растущих в арифметической прогрессии. Сохраняет лн силу это обобщение Мальтуса в наши дни? Какие факторы моглн бы отдалить наступление голода, грозящего людям в связи с тем, что население земного шара растет быстрее, чем производство продовольствия?