3 месяца назад
Нету коментариев

Эта проблема привлекает внимание ученых с дав­них пор. Первым высказал свои соображения на сей счет великий русский ученый М. В. Ломоносов в 1753 году. В работе «Слово о явлениях воздушных» он писал: «Преизобильное ращение тучных дерев, кото­рые на бесплодном песку корень свой укрепили, ясно изъявляет, что жирными листами жирный тук из воз­духа впитывает в себя… Из бессочного песку столько смоляной материи получить не возможно». Значит, из воздуха! И тут же Ломоносов в подтверждение своей мысли рассказывает о питании сосны, иглы которой черпают из воздуха вещества, превращающиеся в пищу и тело этого растения. Но одного воздуха мало, думает Ломоносов, и опять-таки первым среди ученых говорит о роли солнечного света в питании растений.

Гениальные догадки, но только догадки! Нужны были опыты, чтобы точно установить, чем и как «кор­мятся» растения. Теперь, через 200 лет после М. В. Ломоносова, мы это знаем вполне определенно. А тогда поиск только начинался.

Итак, в 1772 году английский ученый Джозеф Пристли установил, что побег мяты «исправляет» воз­дух, испорченный горящей свечой. Он проделал серию опытов. Под стеклянный колпак помещал горящую свечу, которая неизменно через некоторое время гасла. Вместе с горящей свечой под колпак сажал мышь, и тогда не только огонь угасал, но и мышь погибала. Однако стоило поместить под колпак ветку мяты, и свеча продолжала гореть, мышь оставалась живой. Пристли сделал вывод, что мята «исправляет» испор­ченный воздух. Правда, ученый, делая свои опыты днем, не смог предположить, что без солнечного света из этого опыта ничего не выйдет. Это существенное об­стоятельство несколько лет спустя (в 1779 году) выяс­нил его соотечественник Ян Ингенгаузен. Он устано­вил, что растения могут «исправлять» плохой воздух только при солнечном освещении, причем оказалось, что способность растений «исправлять» воздух пропор­циональна ясности дня и длительности выдерживания растений на свету. В темноте же растения выделяют воздух, «вредный для животных». Позже было уста­новлено, что «исправляют» воздух только листья и зеленые стебли растений, а цветы, плоды и корни «де­лают воздух губительный для животных».

Первые глубоконаучные исследования процесса фотосинтеза (от лат. слова фото — свет) были произведены русским ученым К. А. Тимирязевым. Он вскрыл материалистическую природу фотосинтеза, доказал приложимость к нему закона сохранения энергии и опроверг идеалистическое представление о наличии особой жизненной силы у растений. К. А. Тимирязев установил, что в хлорофилле зеленых листьев расте­ний световая энергия превращается в химическую. С помощью специальных приборов он определил, ка­кие лучи солнечного спектра больше всего участвуют в фотосинтезе, вычислил общий процент поглощения солнечной энергии зелеными растениями на Земле: всего лишь 3 процента, то есть одну двухсотмиллион­ную долю от общего количества солнечной энергии, из­лучаемой в мировое пространство, потребляют расте­ния. За способность улавливать солнечный свет К. А. Тимирязев назвал зеленые растения посредника­ми между небом и землей. Он писал: «Растения — истинный Прометей, похитивший огонь с неба. Погло­щенный ими луч солнца горит в едва мерцающей лу­чине и в ослепительной искорке электричества. Луч солнца приводит в движение и чудовищный маховик гигантской паровой машины, и кисть художника, и перо поэта».

Большое внимание уделил К. А. Тимирязев изуче­нию хлорофилла. По своим химическим свойствам он сходен с гемоглобином крови человека и других выс­ших животных. Но в молекуле гемоглобина содержит­ся железо, а в молекуле хлорофилла — магний.

В наши дни известно не только сложное строение хлорофилла, но и произведен его искусственный син­тез. Установлено также, что хлорофилл, взятый сам по себе, не способен к фотосинтезу. Этот процесс может протекать только в живой клетке листа и других зе­леных частей растений.

Фотосинтез — процесс очень сложный и многосту­пенчатый. Его изучению посвящено огромное количе­ство работ ученых разных стран мира. И только в по­следние годы с появлением биоэнергетики — науки, изучающей энергетические процессы в организме, ста­ло возможным расшифровать основные этапы этого процесса.

Мы уже отметили, что источником энергии в орга­низме растений является свет. В результате фотосинте­за в зеленом листе растения образуется вещество аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), которая выпол­няет функцию аккумулятора (накопителя) химической энергии. Для расшифровки энергетических процессов в клетке был применен биофизический подход. При таком подходе исходят из того, что всякая химическая энергия — это энергия электронов, занимающих самые высшие орбиты в молекуле. Накопление энергии моле­кулой прямо или косвенно связано с подъемом элек­трона на орбиту, более удаленную от ядра. Спуск электрона на нижнюю орбиту сопровождается выделе­нием энергии, которая может быть превращена в рабо­ту. Чем выше уровень (то есть чем дальше электронная орбита от ядра), тем большую энергию имеет находящийся там электрон. В обычных условиях элек­троны занимают нижние орбиты.

В брошюре «Три тайны жизни» сообщалось, что хлорофилл содержится в органоидах клеток зеленых органов растений и что органоиды эти называются хлоропластами.

Итак, как же протекает фотосинтез?

Начинается он с того, что хлорофилл, содержащий­ся в хлоропластах зеленых листьев, поглощает (сенси­билизирует) кванты световой энергии. В результате фотосенсибилизации молекула хлорофилла приходит в возбужденное состояние и на ее орбите образуется электронная вакансия, которая может быть заполнена за счет присоединения электрона соседней молекулы. В итоге, как было показано советским ученым А. А. Красновским, образуется весьма активное соеди­нение — фотовосстановленный хлорофилл, который может отдать электрон другим веществам, то есть вос­становить их. В конечном счете из таких окисленных продуктов — углекислого газа и воды — под воздейст­вием света образуются восстановленные соединения — углеводы и жиры. Если выразить сказанное химиче­скими знаками, то суммарная конечная формула фото­синтеза будет такова: 6СО2 + 6Н2О + световая энергия = С6Н12О6 + 6О2. При этой реакции на образование одно­го моля глюкозы (180 грасходуется 674 килокалории световой энергии. В созданных в процессе фотосинтеза углеводах, жирах и белках запасена химическая энер­гия, то есть энергия поднятого электрона. Эта энергия имеет световую природу.

Фотосинтез на примере свеклы...

Фотосинтез на примере свеклы…

Пользуясь очень тонкими методами исследований, советский ученый А. П. Виноградов установил, что освобождающийся при фотосинтезе кислород (О2) по­лучается не из углекислого газа, как это думали рань­ше, а образуется при расщеплении воды под действием света. Это явление получило название фотолиза воды. При этом водород воды идет на восстановление угле­кислоты и в конечном счете на образование углеводов.

Синтетические способности растительных клеток, конечно, не исчерпываются образованием углеводов. В тесной связи с фотосинтезом, а также с общим ком­плексом биохимических реакций обмена веществ в растительной клетке идут синтезы аминокислот, бел­ков, жиров и других органических соединений.

По новейшим данным, фотосинтез состоит из ряда сложных реакций. Вначале происходит фотолиз воды с выделением кислорода и связыванием водорода хло­рофиллом.

Для осуществления фотосинтеза растениям необхо­димы огромные массы воздуха, так как воздух содер­жит всего 0,03 процента углекислого газа (СО2). Чтобы растению получить 3 кубических метра СО2 (около 6 кг), оно должно пропустить через устичный аппарат своих листьев около 10 000 кубических метров воздуха. Растения лучше и быстрее растут, если воздух содержит большое количество углекислого газа. Однако по­вышение концентрации углекислого газа в воздухе, положим, до 0,3 процента губительно действует на животных и человека. Чтобы ускорить рост растений и получить от них больше урожай, строят специальные вегетационные домики, где повышают содержание СО2 в атмосфере от 1 до 5 процентов. Обычно в таких до­миках выращивают ранние овощи.

В настоящее время подсчитано, что ежегодно все зеленые растения земного шара синтезируют до 100— 150 миллиардов тонн органических веществ. При этом большую часть (около 2/3) органических веществ син­тезируют водные, а не наземные растения.

Среди водных растений наиболее активным фото­синтезом обладают водоросли. Некоторые одноклеточ­ные водоросли, например хлорелла, при благоприят­ных условиях фотосинтеза благодаря быстрому росту и размножению могут увеличивать общий вес и число клеток в семь и более раз в сутки. Цикл жизни у нее определяется восемью часами. Таким образом, за сут­ки могут завершить жизнь три поколения, дав начало четвертому. Одноклеточные водоросли ценны в том отношении, что они, легко культивируясь на искусст­венных питательных растворах, синтезируют в боль­шом количестве различные органические вещества и многие витамины. Хлорелла, например, содержит в су­хом веществе до 50 процентов белка, 25 процентов жира, 15 процентов углеводов и 10 процентов минеральных солей; кроме того, в ее состав входят важней­шие витамины «А», «В» и «С». В настоящее время в Советском Союзе, США, Японии и других странах хло­релла и некоторые другие планктонные водоросли куль­тивируются в больших масштабах в эксперименталь­ных установках полупроизводственного характера. В благоприятных условиях, то есть при оптимальном температурном режиме, достаточном освещении и вы­сокой концентрации углекислого газа, хлорелла может создавать большое количество органических веществ: за сутки до одного центнера в пересчете на один гектар.

В процессе фотосинтеза органических веществ зе­леные растения очищают воздух от углекислого газа и одновременно обогащают его кислородом. Поэтому зеленые растения создают условия для жизни всех живых организмов, в том числе и для себя, так как они тоже дышат кислородом. Чем интенсивнее осу­ществляется фотосинтез, тем быстрее атмосфера очи­щается от СО2 и обогащается О2. Поэтому в промыш­ленных городах рекомендуется как можно больше разводить зеленых насаждений.

Исходя из этой неоценимой особенности зеленых растений, К. Э. Циолковский писал, что на космиче­ских кораблях, отправляющихся в длительное меж­планетное путешествие, необходимо создавать оран­жереи.

В наши дни мечты К. Э. Циолковского воплощают­ся в действительность; в космических кораблях испытывается хлорелла и другие водоросли. Известно, что один кубический метр культуры хлореллы может обес­печить почти суточную потребность человека в кисло­роде. Кроме того, один литр хлореллы может погло­щать до девяти литров углекислого газа в сутки. Таким образом, аквариум с водорослями в космическом ко­рабле может обеспечить космонавтов кислородом и калорийной пищей. В настоящее время вопросами использования водорослей в длительных межпланет­ных путешествиях занимаются очень серьезно и все­сторонне.

Свет дает жизнь растениям, а через них и всем организмам на Земле. Однако зеленые растения боятся избытка солнечной энергии. Постараемся разобраться в этом весьма загадочном и интересном явлении.

Чтобы понять, чем опасен для растения избыточ­ный свет, сделаем небольшое отступление. В начале нашего столетия ученые Рааб и Тапейнер обнаружили, что некоторые краски, в темноте безвредные или мало ядовитые для инфузорий, на свету очень быстро их убивают. Это явление было названо фотодинамическим эффектом. Наблюдается такой эффект только при на­личии кислорода в окружающей среде.

Позже было доказано, что фотодинамический эф­фект способны вызывать и растворы зеленого вещества хлоропластов — хлорофилла, который дает жизнь рас­тениям. Раствор хлорофилла при сильном освещении действует смертельно на инфузорий и разрушает красные кровяные тельца крови. В темноте же этот раствор совершенно безвреден.

По современным представлениям фотодинамиче­ский эффект в принципе сходен с механизмом процес­са фотосинтеза. Молекулы красителя, в том числе и хлорофилла, поглощая кванты энергии, переходят в возбужденное состояние: их электроны занимают бо­лее высокий энергетический уровень. В возбужденном состоянии молекулы хлорофилла, как явствует из ска­занного выше, легко соединяются с кислородом и мо­гут образовать так называемую фотоперекись. Она-то и является ядом, который губит живые клетки, попав­шие в освещенный раствор: она окисляет все органи­ческие вещества раствора. Без кислорода, так же как и без света, фотодинамический эффект не происходит.

Но почему же тогда хлорофилл не разрушает жи­вые клетки листьев в процессе фотосинтеза? Дело в том, что в растительной клетке световая энергия, пре­вращенная хлорофиллом в химическую, используется в первую очередь на фотосинтез. На разрушительное окисление живой протоплазмы в клетке энергии про­сто не хватает.

Однако если световой энергии поступает в клетку так много, что она не успевает расходоваться на фо­тосинтез, то хлорофилл становится опасным. Это об­стоятельство является одним из важнейших при раз­работке режима фотосинтеза у водорослей при косми­ческих полетах. На ярком свету зеленые клетки выцветают и гибнут. Такова, например, причина мас­совой гибели мелких зеленых водорослей в летние месяцы в верхних слоях воды Средиземного моря. За счет избытка световой энергии хлорофилл образует фотоперекись, которая губит клетку и разрушает хло­рофилл. В данном случае мощный поток энергии как бы выходит из своих берегов и катастрофа для клетки и организма в целом неминуема.

Если приостановить процесс фотосинтеза ядами, низкой или высокой температурой, свет начинает свою разрушительную работу, так как энергия его не исполь­зуется в процессе фотосинтеза и оказывается избыточ­ной. Эти данные говорят за то, что свет при определен­ных условиях оказывает губительное действие на растения. В настоящее время многими опытами у нас и за границей установлено, что некоторые теплолюби­вые растения (огурцы, кукуруза и др.) гораздо лучше переносят холод в темноте. Если листья огурца дер­жать при температуре +2° в темноте, то они остаются живыми и неповрежденными; после пребывания при той же температуре на свету листья огурцов погибают.

Это открытие может оказаться весьма важным для овощеводства и растениеводства в защите теплолюби­вых растений от заморозков или кратковременных по­нижений температуры. Может быть, достаточно будет просто затемнять растения на период заморозков и тем самым спасать их от повреждений.

В природе у растений проявляется весьма важное приспособительное свойство при избытке освещения. В клетках листьев, попавших из неяркого света на яр­кий, хлоропласты очень быстро становятся ребром к свету и расходятся к боковым стенкам клетки, то есть уходят от яркого освещения.

Итак, мы рассказали о значении света для питания растений. Но не все растения питаются одинаково. Они ведь обитают почти всюду на нашей планете, даже в очень суровых и мало пригодных для них условиях — на Крайнем Севере, в пустыне, на засоленных почвах и т. п. Некоторые растения приспособились жить в та­ких местах, где разложение органических веществ не происходит, например на болотистых почвах. Здесь растения не получают из почвы крайне необходимого для них азота, но так как без азота они жить не могут, то в процессе эволюции и приспособились добывать его с помощью «охоты» за насекомыми и другими мелки­ми животными. Такие растения вполне заслуженно называют хищниками, или насекомоядными растения­ми. В настоящее время науке известно около 500 видов таких растений.

Листья у насекомоядных растений выполняют одновременно две функции: они являются органом фотосинтеза и своеобразными орудиями лова жертвы. У большей части насекомоядных растений листья по­теряли обычный вид и превратились в ловчие органы. Кроме того, у некоторых насекомоядных растений образуются своеобразные органы на корнях (у водных) или стеблях, с помощью которых они тоже ловят жертву.

Таким образом, способ питания насекомоядных растений можно назвать миксотрофным (от лат. слова микстус — смешанный), то есть смешанным.

На болотах Северной Америки живет растение сар­рацения. Листья этого растения напоминают мешок, у отверстия которого расположена зеленая пластинка с жилками кроваво-красного цвета. Эта пластинка соби­рает дождевую воду. Попав внутрь листа, насекомые тонут, а затем и разлагаются, сгнившие же их остат­ки всасываются стенками листа.

Растение наших заболоченных водоемов пузырчат­ка также питается сгнившими остатками мелких на­секомых. На корнях пузырчатки имеются небольшие пузырьки с отверстиями, прикрытыми клапаном, лег­ко отгибающимся в полость пузырька. Попавшие внутрь пузырька мелкие водные животные не могут выйти из него, так как клапан наружу не открывается.

Саррацения, пузырчатка и некоторые иные расте­ния с листьями в виде трубок или мешков используют продукты разложения трупов мелких животных. Дру­гие же насекомоядные растения вырабатывают фер­менты, которые и переваривают захваченных насеко­мых. К этой группе относится около семидесяти раз­личных видов непентесов. Под этим названием объеди­нены тропические растения с листьями, похожими на ковш, кувшин или урну. Кувшинчатый лист непентеса служит ловушкой для насекомых. На дне листа скап­ливается кисловатая переваривающая жидкость. Когда в кувшин попадают насекомые, со стенок его обиль­но выделяются капли кислого сока. Сок этот убивает насекомых, все мягкие части их тела растворяются, и переваренная пища всасывается растением.

Насекомоядные растения...

Насекомоядные растения…

У нас в Советском Союзе на болотах и торфяниках встречается растение росянка. Листья у нее по краям усажены мелкими ресницами, их красные кончики утолщены и покрыты каплями блестящего клейкого сока. Попавшие на лист насекомые удерживаются склонившимися к ним ресницами листа, которые одно­временно выделяют переваривающий сок.

На болотах Северной Америки встречается другой вид насекомоядного растения — мухоловка. Ее листья устроены наподобие створок или капкана. Они снабже­ны по краям зубцами, а на пластинке каждого листа находятся железки, выделяющие пищеварительный сок, и шесть чувствительных щетинок. Как только на­секомое садится на такой лист и прикасается к его чувствительным щетинкам, половинки листа захлопы­ваются. Открываются они снова, лишь когда все мяг­кие части пойманной добычи переварены и поглощены растением.

Биологический смысл насекомоядности растений был вскрыт Ч. Дарвиным в труде «О насекомоядных растениях» (1875 г.). Дарвин показал, что насекомояд­ность — это один из путей приспособления растений к недостаточному питанию минеральными соединения­ми азота. В этих условиях способность питаться животными белками, содержащими много азота, стано­вится полезным признаком, так как позволяет виду выжить, сохраниться. Благодаря естественному отбору специфические приспособления насекомоядных расте­ний достигают большой сложности и совершенства.

Насекомоядные растения...

Насекомоядные растения…