что создает благоприятные условия для экспериментиро­вания с

бактериородопсином. К тому же это сложное соеди­нение очень устойчиво к

фак­торам внешней среды. Оно не утрачивает активности при нагревании до 100

°С и может храниться в холодильнике го­дами. Бактериородопсин ус­тойчив к

кислотам и различ­ным окислителям. Причина его высокой устойчивости

обусловлена тем, что эти гало-бактерии обитают в чрезвы­чайно суровых

условиях — в насыщенных солевых раство­рах, какими, по существу, являются

воды некоторых озер в зоне выжженных тро­пическим зноем пустынь. В та­кой

чрезвычайно соленой, да к тому же еще и перегретой, среде организмы,

обладающие обычными мембранами, су­ществовать не могут. Это обстоятельство

представляет большой интерес в связи с возможностью использования

бактериородопсина в качестве трансформатора световой эне­ргии в

электрическую.

Если выпавший в осадок под воздействием ионов каль­ция бактериородопсин

осве­тить, то с помощью вольт­метра можно обнаружить наличие электрического

потен­циала на мембранах. Если выключить свет, он исчезает. Таким образом,

ученые дока­зали, что бактериородопсин может функционировать как генератор

электрического то­ка.

В лаборатории известного советского ученого, специа­листа в области

биоэнергети­ки В. П. Скулачева тщательно исследовались процесс встра­ивания

бактериородопсина в плоскую мембрану и условия функционирования его в

ка­честве светозависимого гене­ратора электрического тока.

Позднее в этой же лабора­тории были созданы электри­ческие элементы, в

которых использовались белковые ге­нераторы электрического тока. В этих

элементах имелись мембранные фильтры, пропи­танные фосфолипидами с

бак­териородопсином и хлорофил­лом. Ученые полагают, что подобные фильтры с

белками-генераторами, соединенные последовательно, могут слу­жить в

качестве электричес­кой батареи.

Исследования по приклад­ному использованию белков-генераторов, выполненные в

лаборатории члена-корреспон­дента АН СССР В. П. Скула­чева. привлекли к себе

прис­тальное внимание ученых. В Калифорнийском универси­тете создали такую

же бата­рею, которая при однократном использовании в течение полутора часов

заставляла све­титься электрическую лампоч­ку. Результаты экспериментов

вселяют надежду, что фото­элементы на основе бактерио­родопсина и хлорофилла

най­дут применение в качестве генераторов электрической энергии.

Проведенные опы­ты — первый этап в создании новых видов фотоэлектричес­ких и

топливных элементов, способных трансформировать световую энергию с большой

эффективностью.

7. Фотосинтез и урожай

Жизнь современного человека немыслима без выращивания различных культурных

расте­ний. Органические вещества, образуемые ими в ходе фото­синтеза, служат

основой пита­ния человека, производства лекарств, они нужны для из­готовления

бумаги, мебели, строительных материалов и т. п.

Культурные растения спо­собны быстро размножаться, покрывать зеленым экраном

своей листвы громадные пло­щади, улавливать колоссаль­ное количество

солнечной энергии и образовывать вели­кое множество разнообразных

органических веществ. В ре­зультате фотосинтеза создает­ся 95 % сухого

ве­щества растений. Поэтому мы с полным правом можем ут­верждать, что

управление этим процессом один из наиболее эффективных путей воздействия на

продуктив­ность растении, на их урожай. Физиологи растений совер­шенно

правильно считают, что основная задача работ в области фотосинтеза —

сохра­нение и поддержание на более высоком уровне фотосинтети­ческой

деятельности естест­венной растительности Земли, максимальное повышение

фо­тосинтетической продуктив­ности культурных растений.

Каковы же пути управления человеком фотосинтетической деятельностью растений?

Часто сдерживающим фак­тором фотосинтеза является недостаток углекислого газа.

Обычно в воздухе присутству­ет около 0,03 % СО2. Однако над

интенсивно фотосинтезирующим полем его со­держание уменьшается иногда в

три-четыре раза по сравне­нию с приведенной цифрой. Вполне естественно, что

из-за этого фотосинтез тормозится. Между тем для получения среднего урожая

сахарной свеклы один гектар ее посевов должен усваивать за сутки около 300—400

килограммов углекислого газа. Такое коли­чество содержится в колос­сальном

объеме воздуха.

Опыты известного отечест­венного физиолога растений В. Н. Любименко показали.

что увеличение количества углекислого газа в атмосфере до 1,5 % приводит к

прямо пропорциональному возрастанию интенсивности фото­синтеза. Таким

образом, один из путей повышения продук­тивности фотосинтеза — уве­личение

концентрации углекис­лого газа в воздухе.

Современный уровень тех­нологии, в целом, позволяет решить эту задачу в

глобаль­ных масштабах. Однако весь­ма сомнительно, чтобы чело­век решился на

практике осу­ществить этот проект. Дело в том, что более высокий уровень

содержания углекис­лого газа в воздухе приведет к изменению теплового

балан­са планеты, к ее перегреву вследствие так называемого «парникового

эффекта». «Пар­никовый эффект» обусловлен тем, что при наличии большого

количества углекислого газа атмосфера начинает сильнее задерживать

испускаемые по­верхностью Земли тепловые лучи.

Перегрев планеты может привести к таянию льдов в полярных областях и в

высо­когорьях, к поднятию уровня Мирового океана, к сокраще­нию площади суши,

в том числе занятой культурной рас­тительностью. Если учесть, что население

Земли увеличи­вается еженедельно на 1 мил­лион 400 тысяч человек, то понятна

крайняя нежелатель­ность таких изменений.

Человечество весьма обе­спокоено естественным ростом концентрации углекислого

га­за в атмосфере, наблюдаемым в последние годы в результате интенсивного

развития про­мышленности, автомобильно­го, железнодорожного и авиа­ционного

транспорта. Поэтому оно едва ли решится когда-либо сознательно стимулиро­вать

этот процесс в глобаль­ных масштабах.

В теплицах и на поле уве­личение содержания углекис­лого газа имеет важное

зна­чение для повышения урожай­ности культурных растений. С этой целью в

теплицах сжи­гают опилки, раскладывают сухой лед на стеллажах, вы­пускают

углекислый газ из баллонов. Основной способ повышения концентрации СО2

над полем — активизация жизнедеятельности почвенных микроорганизмов путем

внесе­ния в почву органических и минеральных удобрений. В процессе дыхания

микробы выделяют большое количество углекислого газа. В последние годы для

обогащения почвы и припочвенного воздуха СО2 поля стали поливать

водой, насыщенной углекислым га­зом.

Другой путь преодоления отрицательного влияния низ­кой концентрации углекислого

газа в атмосфере на урожай — распространение таких форм растений, которые очень

интен­сивно фотосинтезируют даже при ничтожно малом его содер­жании. Это — С

4 — растения. У них рекордные показате­ли интенсивности фотосинтеза.

Распространение таких расте­ний, дальнейшее изучение осо­бенностей их

фотосинтеза представляется весьма нуж­ным и перспективным.

Растительность земного ша­ра довольно неэффективно ис­пользует солнечную

энергию. Коэффициент полезного дей­ствия у большинства дикорас­тущих растений

составляет всего 0,2 %, у культур­ных он равен в среднем одно­му %. При

оптималь­ном снабжении культурных растений водой, минеральны­ми солями

коэффициент по­лезного использования света повышается до четырех — шести %.

Теоретичес­ки же возможен КПД, равный восьми—десяти %. Сопоставление

приведенных цифр говорит о больших воз­можностях в увеличении

фо­тосинтетической продуктив­ности растений. Однако прак­тическая их

реализация встре­чает большие трудности.

Повысить эффективность использования солнечной энер­гии в ходе фотосинтеза

можно, расположив растения на опти­мальном расстоянии друг от друга. В

изреженных посевах значительная часть света про­падет зря, а вот в

загущен­ных растения затеняют друг друга, их стебли становятся длинными и

ломкими, легко полегающими от дождя и вет­ра. В том и другом случае

происходит снижение урожая. Вот почему очень важно выбрать для каждой

культуры наиболее оптимальное рас­стояние. При этом следует учи­тывать, что

оптимальная плот­ность посевов может быть раз­личной в зависимости от

обес­печенности растений водой, элементами минерального пи­тания и от их

особенностей. К сожалению, многие агроно­мы не принимают во внима­ние

названные факторы, по­этому так медленно растет продуктивность наших полей.

Наиболее часто растения не­эффективно фотосинтезируют из-за недостатка воды и

эле­ментов минерального питания. Если улучшить условия водо­снабжения и

питания, то раз­меры листовой поверхности увеличатся, а между ними и

величиной урожая обычно су­ществует прямая зависимость. Однако существует

некото­рый предел роста эффектив­ности фотосинтеза, когда дальнейшее

улучшение водо­снабжения и минерального питания не дает результатов. Дело в

том, что при определенном размере листовой по­верхности (обычно, когда на 1

квадратный метр посевов приходится четыре-пять квад­ратных метров листьев)

рас­тения поглощают практически всю энергию света. Если же на единицу площади

поля при­ходится еще большая поверх­ность листьев, то в результате затенения

их друг другом растения вытянутся, интенсив­ность фотосинтеза уменьшится. Вот

почему дальнейшее улучшение снабжения расте­ний водой и элементами

мине­рального питания неэффек­тивно.

В чем же выход из создав­шегося положения? Ученые по­лагают, что в выведении

но­вых сортов культурных расте­ний, отличающихся выгодным строением тела. В

частности, они должны иметь компактную низкорослую крону, с верти­кально

ориентированными листьями, обладать крупными запасающими (луковицы, клуб­ни,

корни, корневища) и репро­дуктивными (семена, плоды) органами.

На повышение плодородия почвы и улучшение водоснаб­жения эти сорта будут

реаги­ровать усилением интенсив­ности фотосинтеза, умеренным потреблением

продуктов фо­тосинтеза (ассимилятов), на рост листьев и других вегета­тивных

органов, а также активным использованием ас­симилятов на формирование

репродуктивных и запасающих органов.

Вот какие жесткие требо­вания предъявляются теперь к науке, занимающейся

выведе­нием новых сортов культурных растений, — селекции. Из ска­занного

ясно, что без тесного сотрудничества селекционеров с физиологами растений

созда­ние перспективных сортов ста­новится практически невоз­можным.

Селекционеры вывели сор­та, отвечающие современным требованиям. Среди них —

низкорослый рис, созданный в Международном институте ри­са в Маниле,

хлопчатник Дуплекс, с вертикально ориен­тированными листьями, не за­теняющими

друг друга, карли­ковая пшеница мексиканской селекции. Эти сорта на фонах

высокого плодородия дают в полтора раза более высокие урожаи, чем их

предшествен­ники. Однако это лишь один из путей увеличения фотосин­тетической

продуктивности растений. Дальнейшие усилия должны быть направлены на

повышение активности самого фотосинтетического аппарата

Как известно, процесс фото­синтеза осуществляется в осо­бых органоидах —

хлоропластах. Здесь происходит мно­жество реакций, прежде чем из углекислого

газа и воды образуются молекулы органи­ческих веществ. Управлять этими

процессами, безусловно, непросто, но возможно. Об этом свидетельствует тот

факт, что интенсивность фотосинтеза у разных растений неодинако­ва. У одних

листовая поверх­ность площадью в 1 квадрат­ный дециметр усваивает за час от

четырех до семи миллиграм­мов СО2, а у других — 60— 80 и даже 100,

то есть в 20 раз больше! Растения неодинаково реагируют на его низкую

кон­центрацию в воздухе, интен­сивность освещения и т. д.

Изучение особенностей фо­тосинтеза у разных растений, безусловно, будет

способство­вать расширению возможнос­тей человека в управлении их

фотосинтетической деятель­ностью, продуктивностью и урожаем.

8. «Чародейкою зимою околдован, лес стоит...»

Совершенно безжизненным ка­жется нам зимний лес. В это время года у растений

резко заторможен обмен веществ, интенсивность дыхания в 200— 400 раз меньше,

чем летом, прекращается видимый рост. Однако процессы жизнеде­ятельности

идут: крахмал пре­вращается в сахара и жиры, сахара расходуются в процес­се

дыхания.

Ну а как насчет фотосинте­за? Разумеется, речь идет не о березе или лещине,

которые сбросили свои листья еще осенью, а о хвойных деревьях и кустарниках,

сохранивших свой фотосинтетический аппа­рат. В последние годы по этому

вопросу получены очень инте­ресные данные. Ученые уста­новили, что озимые

злаки, хвойные и некоторые листвен­ные вечнозеленые растения усваивают

углекислый газ да­же при температурах — 1... -5°С.

Использование метода мече­ных атомов позволило более детально прояснить этот

воп­рос. При понижении темпера­туры до —12 °С скорость фотосинтеза у разных

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6