Журнал "Юный натуралист" №2, 1940

Чудесные клубники

И. Сорокин

Сто лет назад научные круги Парижа были взбудоражены спором двух ученых. Знаменитый ученый Жан-Батист Буссенго в Бехельброне спорил с ботаником Жоржем Виллем.

— Растения, которые мы возделываем на наших полях, — утверждал Буссенго, — неспособны усваивать азот воздуха, хотя азот для них совершенно необходим.

В подтверждение своей правоты Буссенго демонстрировал растения, выращенные в чистом песке. Это были крохотные, уродливые, чахлые кустики земляной груши.

Рядом с уродцами в сосудах с таким же песком росли другие земляные груши. Но так как в песок было внесено азотное удобрение — селитра, то огромные, двухметровые стебли растений с густой зеленой листвой были полны сил.

— Разве этот опыт не говорит, что азот необходим! растению? — спрашивал Буссенго. — Почему же мои уродцы не взяли его из воздуха? Очевидно, только потому, что растения способны получать азот только через корни из почвы.

Тогда выступил Жорж Билль.

— Смотрите, — говорил он, демонстрируя своим слушателям! прекрасные кусты гороха и фасоли. — Вы видите растения, выращенные без всякого азотного удобрения. И все же химические анализы ясно говорят, что в зеленой массе растения, в его зерне содержится значительное количество азота. Разве не ясно, что растение могло получить этот азот только из воздуха?

Они были по-своему правы оба: и Жорж Билль со своим горохом и фасолью и Буссенго со своими земляными грушами. Но ни один из них не сумел обобщить факты и найти единственно правильное разрешение спора.

Однако своими опытами Буссенго и Жорж Вилль положили начало научному исследованию одного из интереснейших явлений природы.

Вопрос о том, как сделать азот воздуха пищей для растений, давно занимал умы ученых. Подсчитав запасы азота в почве и измеряя количество азота, ежегодно уносимое с

полей урожаями, агрономы пришли к выводу, что самые богатые почвы будут неизбежно истощаться. А между тем в столбе воздуха только на четырех квадратных километрах земной поверхности (этот столб воздуха весит 30 миллионов тонн) содержится запас азота, которого хватило бы для удобрения всех полей земного шара в течение по крайней мере пятидесяти лет.

Еще не смолкли отзвуки дискуссии Буссенго и Жоржа Вилля, когда Лооз и Гильберт — два английских ученых-агронома — сообщили о результатах своего опыта, проведенного на Ротгамстедском опытном поле.

Разделив поле на два участка, Лооз и Гильберт засеяли один участок ячменем, а второй — клевером. Осенью, тщательно собрав урожай, они подвергли его анализу и нашли в собранной массе ячменя около 42 килограммов азота, а в клевере — около 170 килограммов. Естественным было ожидать, что почва участка, с которого снят урожай клевера, должна быть беднее азотом, так как клевер вынес из почвы в четыре раза больше азота, чем ячмень. Но анализ почвы показал обратное: в 1 килограмме земли из-под ячменя оказалось азота меньше, чем в земле из-под клевера, Было от чего притти в изумление.

На следующий год Лооз и Гильберт засеяли оба участка ячменем. Анализ, проведенный осенью, показал: в ячмене, снятом с участка, раньше бывшего под ячменем, оказалось около 44 килограммов азота; в ячмене, снятом с участка, бывшего под клевером, — около 78 килограммов азота.

Ученые определили, что клевер, уносящий такую уйму драгоценного азота, не истощает почву, а даже как бы обогащает ее. Но каким образом?

Лооз и Гильберт знали об опытах Буссенго и Вилля, но не смогли связать их с данными своих исследований.

Прошло несколько лет. Французский ботаник Прийо, изучавший корневые системы, обратил внимание на никем до того не замеченную особенность корней бобовых растений. Эти корни были покрыты небольшими узелка ми. Они были очень разнообразны, эти узелки: у одних растений — крохотные округлые «капельки» на волосках корней, у других — желвачки, похожие на бородавки, у третьих — плотные сплошные наплывы. Осторожно срезав бритвой несколько таких узелков.

Корень сои, зараженный клубеньковой бактерией.

Клубеньки на корнях люцерны

Прийо тщательно помыл их, очистил от земли, положил на стеклянную пластинку и раздавил. Положив пластинку под микроскоп, он увидел продолговатые, иногда раздвоенные тельца, не очень подвижные, но явно живые.

Прийо знал и об опытах своих соотечественников Буссенго и Билля и об опытах англичан Лооза и Гильберта, но и он не сумел связать накопленных ими фактов с итогами своих наблюдений.

А между тем ведь Буссенго доказал, что азот необходим растению; Билль установил, что бобовые — горох и фасоль — каким-то образом сами обеспечивают себя азотом; Лооз и Гильберт свидетельствовали, что бобовое — клевер — обогащает почву азотом; Прийо нашел на корнях бобовых какие-то клубеньки, населенные микроскопическими подвижными тельцами… Кажется, все уже так ясно. Но потребовались еще долгие годы, для того чтобы был сделан следующий шаг к познанию явления.

В 1888 году немецкие ученые (агрономы Гельригель и Вильфарт) обратили внимание на один весьма странный факт. Они вырастили в почве, лишенной азота, несколько десятков кустов гороха. Но не все растения развивались формально, росли и цвели; многие из них зачахли.

Гельригель и Вильфарт решили выяснить, в чем тут дело. Выкопав несколько растений, они стали детально изучать их. И сразу же им бросилось в глаза, что на корнях чахлых растеньиц гороха нет тех клубеньков, тех бородавчатых желвачков и наростов, которые всегда в большем или меньшем количестве находились на корнях бобовых растений.

— Значит, в них, в этих корневых клубеньках, ключ к тайне? — спрашивали себя ученые.

Надо помнить, что Гельригель и Вильфарт были современниками Луи Пастера и работали в те годы, когда впервые была доказана роль микробов в жизни природы. Не было поэтому ничего необыкновенного в том, что Гельригель и Вильфарт попробовали выращивать бобовые растения на стерилизованной, лишенной микробов, почве: Пастер, выясняя роль микробов, очень широко пользовался приемом стерилизации среды.

Прогрев до высокой температуры почву, опытники высадили в сосуды с такой, лишенной азота, стерилизованной почвой зерна гороха. Рядом были высажены зерна гороха в сосуды с такой же по составу, но нестерилизованной почвой. Прошло шестьдесят дней, и Гельригель заснял шеренгу своих сосудов, в которых чередовались нормальные, отлично развившиеся растения и чахлые заморыши.

Нужно ли говорить, что чахлые заморыши росли на стерилизованной почве?

Так наконец после долгих лет исканий сделан был нужный вывод: азот из воздуха не усваивается бобовыми растениями, если на их корнях нет клубеньков; лишенное клубеньков бобовое не развивается в почве, лишенной азота; клубеньки не образуются в почве, подвергнутой стерилизации.

Но точны ли эти опыты? Нет ли в них какой-нибудь ошибки? Именно ли в клубеньках все дело?

На эти вопросы ответил голландский агроном и бактериолог Бейринк. Он доказал, что клубеньки с корней бобовых — это своеобразные колонии особых бактерий, названных им «корневыми бациллами».

В тончайших срезах в микроскоп глазу исследователя открылась замечательная картина: сложные лабиринты корневых клеток с округлыми темными ядрами и прорезающие их светлые ленты, усыпанные — то реже, то гуще — скопищами палочек. Ясно видны межклеточные пространства, по которым циркулирует воздух, омывающий бактериальное население клубенька.

Если сравнить микроскопическую картину молодого клубенька и клубенька более старого, станет ясно, что у бактерии свой сложный цикл развития. Молодые бактерии очень мелки, подвижны; взрослые — теряют подвижность, становятся крупнее, меняют форму, начинают ветвиться.

Почему же по мере роста растения клубеньки сморщиваются, сохнут, распадаются? Куда и как отдают они собранный запас азота? Способны ли бактерии жить и усваивать азот вне корневых клубеньков?

Эти и еще многие вопросы вставали перед учеными. Исследованием клубеньковых бактерий и их свойств занялись многие агрономические и микробиологические институты.

Первые два рисунка — бактерии люпина. Вторые два рисунка — бактерии сои. Внизу — бактерии люцерны.

Знаменитый русский ученый Виноградский и его ученик академик Омелянский посвятили свою жизнь изучению клубеньковых бактерий. Одна за другой были открыты живущие в почве бактерии, усваивающие азот воздуха; выяснено, как проникают бактерии в корни бобовых, как они развиваются на корнях растений и в чистой культуре.

В сельском хозяйстве стали широко пользоваться свойствами клубеньковых бактерий. Поля бобовых были включены в схему севооборотов, и каждый гектар, засеянный клевером, люцерной, донником, викой, горохом, фасолью, нутом, соей, чиной и люпином, стал повышать урожаи последующих культур.

Стали применять также «заражение» полей, отводимых под посевы бобовых, землей, взятой с поля, на котором раньше росли бобовые. Но удобрение землей — предприятие сложное. Проще перед посевом заразить бактериями семена, предназначенные для посева. Лаборатории выпускают консервные банки с готовой культурой бактерий. Такой баночки достаточно для гектара посевов. Это невиданное удобрение удваивает и утраивает урожаи бобовых и значительно повышает урожаи последующих культур.

Не следует только путать культуры: бактерия, взятая из клубенька на корнях сои, годится только для сои, люпиновая приживается только на люпине, гороховая — на горохе…

Бактерии очень специфичны и вызывают образование клубеньков лишь на корнях своего растения-хозяина.

Казалось, все решено. Тайна клубеньков на корнях бобовых растений разгадана. Сельское хозяйство получило новое могучее средство для повышения урожаев.

Но пытливая мысль исследователей неутомима. Снова возникает ряд вопросов.

Почему из всех сельскохозяйственных растений только бобовые способны образовывать клубеньки на корнях? Ведь известны же некоторые древесные и кустарниковые виды, на корнях у которых также образуются колонии бактерий, сходные с клубеньками бобовых.

Неужели нельзя получить пшеницу, рожь, хлопок, подсолнечник с клубеньковыми бактериями на корнях? Это было бы величайшей победой над природой.

Мысль о создании новых бактерий, живущих и усваивающих азот воздуха на корнях любых сельскохозяйственных растений, давно волновала молодого мичуринца Федорова.

Но каким путем здесь итти? Книги и записки ученых говорили об упорной специфичности бактерий.

Как поселяется бактерия на корнях бобового? Соки бобового растения, содержащие ряд органических кислот, привлекают к себе бактерий. Бактерии из почвы проникают в корневые мочки и здесь быстро размножаются как паразиты. Колонии бактерий-паразитов начинают усваивать и накапливать свободный азот воздуха. Но вот бактерии накопили достаточно азота, и роли хозяина и его паразитов меняются. Окрепшее растение убивает своими соками бактерий и само становится паразитом, отнимающим у клубеньков накопленный запас азота. А остатки распавшихся клубеньков и немногие уцелевшие бактерии заражают почву.

Федоров пришел к заключению, что для решения поставленной задачи надо одновременно переделывать природу бактерий и природу растений.

Прививая бобовые на бобовые, Федоров направлял питательные вещества из привоя в подвой, в его корни, к его клубенькам и населяющим их бактериям. Бактерии питались измененными соками, а это должно было изменить их природу, сломать их специфичность.

Кроме того, Федоров взял семена люпина, гороха, сои, фасоли и прорастил их.

Через восемь-десять дней он высадил молодые растеньица в сосуды с промытым песком и привил их друг к другу попарно. Вернее, не привил, а «свил»: они остались на своих корнях и так сращивались. Это то, что называют вегетативным сближением.

Сближаются виды очень разные — люпин и фасоль, люпин и горох, люпин и соя.

Клубеньковые бактерии люпина никогда не приживались на корнях фасоли, гороха, сои.

Клубеньковые бактерии фасоли никогда не приживались на корнях люпина.

Федоров внес во все сосуды клубеньковую бактерию люпина, а в сосуд, где растет парочка «люпин — фасоль», — бактерию фасоли.

Посевы он поливал дистиллированной водой. Обыкновенная вода здесь непригодна: надо ведь быть абсолютно уверенным в точности опыта.

Наконец настал долгожданный день. Федоров бережно извлек из сосудов растения, осторожно промыл корни и увидел на них характерные желваки и бородавки клубеньков. Он нашел их на люпине, на горохе, на сое и на фасоли — на всех сорока опытных растениях.

Люпиновая бактерия, никогда не селившаяся на корнях других бобовых, образовала клубеньки и на сое, и на горохе, и на фасоли; а фасолевая поселилась на корнях люпина.

Значит, можно преодолеть специфичность клубеньковых бацилл. Значит, возможно создание таких клубеньковых бактерий, которые будут жить на корнях всех сельскохозяйственных растений. Опыт Федорова доказал это.

Впереди еще много работы: новые искания, опыты, эксперименты… Но первый шаг к решению задачи уже сделан. Это дает уверенность, что ученые нашей страны заставят мириады почвенных бактерий работать на урожай.