Книга: Жизнь и ее проявления

Как «кормятся» растения?

Как «кормятся» растения?

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 = С₆H₁₂O₆ + 6O₂. При этой реакции на образование одного моля глюкозы (180 г) расходуется 674 килокалории световой энергии.

Фотосинтез на примере свеклы: поглощая световую энергию, зеленые растения создают с ее помощью из углекислого газа (СО2), воды (Н2O) и минеральных солей (NPK) богатые энергией органические вещества.

В созданных в процессе фотосинтеза углеводах, жирах и белках запасена химическая энергия, то есть энергия поднятого электрона. Эта энергия имеет световую природу.

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.

Насекомоядные растения: А) лист-ковш; Б) пузырчатка. 1) общий вид; 2) пузырек в разрезе; 3) железка на внутренней стенке пузырька.

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.

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: а) мухоловка; б) росянка.