Яблони на Марсе

Глава 3 Физики в заповеднике

Когда, сойдя с маршрутного автобуса Тарту — Эльви — Валга, начинаешь подниматься в гору, из-за ее макушки постепенно возникают сначала очертания главного здания обсерватории Тыравере, а затем и луковки ее телескопов.

Здесь же, в 20 километрах к юго-западу от старинного университетского города Тарту, разместился Институт астрофизики и физики атмосферы (ИАФА) Эстонской академии наук. Его ученые известны своими работами не только в нашей стране.

Вот, к примеру, исследования серебристых облаков, простирающихся над полюсами Земли. Это загадочные образования: они состоят из кристалликов льда, но расположены на таких высотах (70–90 километров), где воды заведомо не может быть!

Эстонские астрономы, действующие совместно с работающими на пилотируемых станциях космонавтами, близки к разгадке этих сложных фотохимических явлений, активно влияющих на земной климат.

Если бы инопланетяне пожаловали к нам на Землю, то, подлетая, пришельцы увидели бы шарик, окутанный слоем атмосферы, облепленный безмятежными белыми облачками и черными грозовыми тучами. Заметили бы инопланетяне и щедро льющийся на планету солнечный дождь. В потоках света яркие земные краски мерцали, переливаясь всеми цветами радуги.

Конечно, среди инопланетян нашлись бы физики. Они тотчас отметили бы, что Солнце посылает на Землю лучи с короткими длинами волн — фиолетовые, синие, а Земля возвращает в космос длинноволновое излучение — оранжевые, красные лучи. Отдает планета в космос и тепло — инфракрасные волны.

Своеобразными «космическими пришельцами» оказались и ученые сектора физики атмосферы ИАФА, которыми уже многие годы руководит доктор физико-математических наук Юхан Карлович Росс. Ведь они вроде бы занялись не своим делом, как бы попали на чужую научную «планету» — биологическую, стали изучать метаморфозы солнечной радиации в растительном покрове.

Прежде чем ехать в Эстонию, автор книги ознакомился с научными трудами Росса. Одна из его монографий называлась «Радиационный режим и архитектоника растительного покрова». На ее обложке был изображен заманчивый зелено-белый лист. Я полагал, что и в монографии страницы будут сплошь «зелеными» — этакая научная экскурсия в мир растений. Не тут-то было! То был совсем не ботанический атлас. Листая страницы, я обнаружил колонки цифр, косяки формул, волны графиков и иероглифы уравнений. То была теоретическая физика в самом прямом и высоком значении этих слов.

Зеленый лист и математические формулы? Парадокс? Ничуть. Все стало на свои места после беседы с Россом.

— Вы спрашиваете, как я, физик, пришел к биологии? — рассказывал ученый. — Это долгая и непростая история… Солнце дарит нам жизнь: греет, кормит. Это пока все еще наше основное богатство. И оно, конечно, требует призора…

Где и сколько радиации поступает на Землю — эти данные регистрирует мировая сеть актинометрических постов, разбросанных по всему земному шару. Наблюдения ведутся постоянно, но сеть эта прежде не давала никаких сведений о радиации, которая необходима растениям. Никто этим не занимался. В основном потому, что не было необходимых приборов. Вот этим сложным делом и занялись Росс и его сотрудники.

Конечно, вначале физики оставались физиками. И посев они воспринимали весьма абстрактно: как оптически однородную среду, рассеивающую солнечные лучи. Ученых прежде всего интересовал баланс лучистой энергии: сколько ее поглотили растения. Но вскоре физикам этого показалось мало.

Под палящими лучами, вооруженные приборами, измеряли физики распределение радиации в посевах кукурузы, сорго, подсолнечника, хлопчатника, составляли и решали сложные дифференциальные уравнения. Вели исследования и все более убеждались в необходимости теснейшего союза с биологами.

Сколько солнца надо хлоропласту, листу, растению, посеву? Ответить на эти вопросы непросто. Вот что рассказал Росс:

— Подчас у растения вроде бы всего вдоволь, а чувствует оно себя неважно… Даем растению достаточное количество воды, удобрений сколько надо, а ему невмоготу. Повышаем дозу вносимых в почву удобрений, но урожай не увеличивается. Более того: растения становятся менее стойкими к болезням, или, скажем, может произойти их полегание. В чем дело? Достигнут предел урожайности? Нет. Просто водоснабжение и минеральное питание перестали быть ограничивающими факторами для фотосинтеза. И чаще всего теперь в этой роли выступает свет, его количество и качество. Вот здесь-то мы, физики, с нашим умением измерять радиацию и можем сказать свое слово…

Бескрайнее поле кукурузы. Или золотой ковер колышущихся на ветру пшеничных колосьев. Мы любуемся этой красотой, но нам, неспециалистам, совершенно невдомек, какие сложные процессы разыгрываются в глубинах этих посевов. Для ответа на тысячи вопросов, которые тут могут возникнуть, необходимо было создать специальные приборы, которые показывали бы, как вдоль стебля растения (по его высоте) изменяется количество поглощенной радиации, температура, влажность и другие характеристики, как меняется густота листвы.

Вскоре выяснилось, что глубины посева — это особый мир. Там, внутри растительного покрова, формируется свой микроклимат. Резко (к корням) уменьшается радиация, убывает скорость ветра. А температура и влажность воздуха повышаются. Поэтому листья соседних ярусов — этажей живут как бы в разных областях. Одни листья — в довольстве и комфорте, другие — в угнетенном стрессовом состоянии.

Параллели и меридианы листа. На многие связанные с ориентацией листьев «почему» и «отчего» ответили совместные исследования физиков и биологов.

Количество уловленного света зависит от содержания хлоропластов, но в среднем лист может поглотить примерно до 90 процентов падающего на него излучения. Допустим теперь, что все листья растения расположены горизонтально, параллельно поверхности земли. Беда! Это значит, что через первый слой листьев вниз прорвется лишь 10 процентов от падающего на растение света. В третий слой листвы уже попадет 10 процентов от 10, то есть 1 процент. И так далее!

Таким образом, при строго горизонтальном положении листьев свет ослабляется очень быстро. И в нижних этажах посева образуется, как говорят физиологи растений, «зона светового голода». Нижние листья практически не будут участвовать в фотосинтезе. Они станут для растений бременем, обузой. Такие листья быстро постареют, пожелтеют (это в самом-то разгаре лета!) и опадут.

Теперь рассмотрим другой предельный случай. Пусть все листья у растения примут вертикальное положение. Тогда, к сожалению, ситуация тоже не будет слишком радостной. Здесь свет как бы заскользит по листьям, от «макушки» растения до его «пят», и хотя все оно оказывается освещенным, каждый лист получает излучение в микроскопических дозах.

Но, понятно, растения со строго горизонтальной или строго вертикальной листвой — это все не самые лучшие образцы. Больше пользы растениям приносит иная структура: верхние листья пропускают достаточно света, нижние — его полностью поглощают. Это оптимум. О нем мечтают селекционеры.

А еще мы забыли упомянуть одну очень важную характеристику: общее число листьев на растении. Если растения занимают гектар земной поверхности, то площадь их листьев гораздо больше — 3–4, а то и все 10 гектаров. А площадь листьев всех растений земного шара (кто-то уже и это подсчитал) равна поверхности планеты-гиганта Юпитера.

Ученые говорят об индексе листовой поверхности, сокращенно ИЛП. Эта величина представляет собой отношения суммарной поверхности листьев растения к занимаемой им площади почвы. Например, если ИЛП равен 5, то на 1 квадратном метре находится 5 квадратных метров листовой поверхности.

Казалось бы, чем больше ИЛП, тем лучше для растения: больше солнца оно захватит! Однако каждая растительная культура имеет свой, видимо, оптимальный индивидуальный ИЛП. У клевера он равен 4, у пшеницы около 7. Так появился еще один параметр в сложных расчетах, которые вели физики, стремясь построить модель оптимального посева.

В тенистых, бедных солнцем местах листья редко мешают друг другу — они чуть ли не с математической точностью размещены на растении так, чтобы каждый имел доступ к лучам. Располагаются они на стебле по спирали, и если сосчитать число витков от верхнего листа до следующего, занимающего то же положение по вертикали, получим ровно три витка. А теперь сосчитаем число листьев на этих трех витках, исключив один из двух, находящихся на одной вертикальной оси: сумма будет равна восьми…

Математика проявляет себя в зеленом царстве на каждом шагу. На это обращали внимание многие исследователи, среди них был и замечательный советский ботаник Владимир Мартынович Арциховский.

Арциховский (1876–1931) родился в Житомире в семье почтового служащего. Закончив с медалью гимназию, поступил на физико-математический факультет Московского университета, в студенческом кружке изучал сочинения Карла Маркса, за что, как неблагонадежный элемент, в 1896 году был выслан из Москвы. Перешел учиться в Петербургский университет и вновь попал в опалу: за предоставление своей комнаты под нелегальное собрание рабочих был арестован и около года провел в доме предварительного заключения. Однако страсть к науке не позволила Арциховскому пополнить ряды революционеров. В 1906 году он с блеском защитил диссертацию «О карликовых формах Fucus vesiculosus в связи с вопросом дегенерации» и получил ученую степень магистра ботаники.

Круг научных интересов Арциховского был необычайно широк. Он открыл явление филонекроза. Первым проследил на примере водорослей (собирал их на островах Балтийского моря, работал в гербариях Стокгольма, Копенгагена, Киля, Неаполя и других городов Европы), как при изменении внешних условий, проявляющих себя, в частности, в загрязнении морской воды, происходит постепенное вырождение растений. Все это было сделано задолго до введения в науку слова «стресс», до экологических бед, обрушившихся на нашу планету.

Арциховский разработал метод культивации растений без почвы и воды, в воздушной среде. Аэропонику сейчас взяли на вооружение те, кто готовит космонавтов к длительным полетам. Опубликовал несколько исследований, посвященных поиску хлорофилла на Марсе и других планетах. Хорошо владея математическим аппаратом, Арциховский оставил потомкам и ряд оригинальных ботанико-математических работ. Вот как, к примеру, начинается его статья «Листорасположение, ряд Фибоначчи и сосудисто-волокнистые пучки»:

«Пифагорейцы учили, что число управляет миром. Числу в их мистическом мировоззрении приписывалась особая, тоже мистическая, роль. И в самом деле, во многих случаях и явлениях природы мы наблюдаем какую-то странную роль числа. Я остановлюсь на одном примере, наиболее близком ботаникам — на листорасположении. Формулы эти, как известно, образуют правильный математический ряд:

1/2, 1/3, 2/5, 3/8, 5/13, 8/21, 13/34, и т. д.

В этом ряду и числители и знаменатели дробей следуют определенному закону: сложив числители двух последовательных дробей между собою, мы получаем числитель следующей дроби. Сложив точно так же два последовательных знаменателя, мы получим знаменатель следующей дроби; числители и знаменатели этого ряда дробей образуют правильный ряд, именуемый рядом Фибоначчи…»

Эту любопытную работу Арциховский заканчивает неожиданным выводом. «Когда говорят о законах размножения, — пишет он, — обыкновенно приводят геометрическую прогрессию, о которой говорили, конечно, и до Мальтуса, но популярность которой дал именно Мальтус. На самом деле, только для такого случая, как размножение бактерий, закон геометрической прогрессии имеет непосредственное место. Для других случаев дело обстоит гораздо сложнее». И далее: «Геометрическая прогрессия должна быть одним из частных случаев этих рядов из семейства Фибоначчи».

Таким образом, Арциховский указывал на большую неопределенность взглядов и выводов Мальтуса.

Растение — это прежде всего лист, ибо в нем совершаются таинства наиважнейшего для растений процесса — фотосинтеза. Так считал Тимирязев. Ему вторили исследователи более поздних поколений. И делали практические выводы: полагали, что развитие площади листвы — главный козырь в борьбе за высокие урожаи. Хочешь, чтоб поле давало больше — увеличивай количество листьев в растении!

Эти лозунги бытовали в практике еще два-три десятка лет назад. И агрономы действительно боролись за посевы с площадью листвы 40–50 тысяч квадратных метров на гектар (индекс листовой поверхности 4–5) и брали обязательства в будущем добиться 50–60 тысяч. А ученые? Они разрабатывали всевозможные методики, позволяющие определять площадь листьев.

Очертания листовой пластинки, узоры краев листа — все это кажется созданием неистовой фантазии художника. Зачем природе такое богатство? Она не может ограничиться однообразными листовыми пластинками, скажем, преимущественно в форме садовой лопаты или ракетки для игры в пинг-понг по многим причинам. Одна из них та, что в лесу, например, особые фасоны листьев, колеблемых случайными ветерками, пролагают свету дорогу к нижним ярусам листвы сквозь мгновенно образующиеся и тут же исчезающие «световоды». Не для того ли дрожат листья осины?..

Как определить площадь отдельного листа? Как учесть все хитрости его графических построений?

…Распластанный на белой бумаге, зеленый лист как бы демонстрирует мне свою беззащитность и диковинные чары своих затейливых контуров, а кандидат биологических наук старший научный сотрудник Института биологии Казанского филиала АН СССР Юлия Евгеньевна Андрианова, взяв в руки карандаш, быстро фиксирует его силуэт, затем вырезает ножницами листовой «профиль» и кладет его на весы.

— Это один из способов обмера площади листьев, — поясняет Юлия Евгеньевна. — Прежде так пытались предугадывать урожай, но ныне взгляды круто меняются. Теперь важнейшим показателем продуктивности считается содержание в растении хлорофилла. И правильнее определять не площадь листвы, а хлорофилловый индекс, выражающийся в килограммах хлорофилла на гектар посева.

…В 50-х годах молодой исследователь, теперь академик, директор Института биологии Игорь Анатольевич Тарчевский, став аспирантом кафедры физиологии растений славного научными традициями Казанского университета, выбрал нелегкую тему «фотосинтез и засуха». Создавая растениям стрессовые условия (нехватка воды, высокие и низкие температуры, недостаточная освещенность) и используя впервые в Казани метод радиоактивных изотопов, ученый установил факт фундаментального значения. Растения в ответ на стресс давали стереотипный отклик, их реакция была неспецифической и не зависела от характера используемого стрессора. Наиболее чувствительным к стрессу оказался процесс фотосинтеза.

— Чем бы вы растительную клетку ни «стукнули по голове», — шутит в разговоре со мной Тарчевский, — у нее, вопреки распространенным житейским представлениям, не «искры начинают сыпаться из глаз», а наступает, так сказать, фаза «кромешной тьмы»: фотосинтез сворачивает с магистральной дороги, переходит на идущий без света процесс синтеза важнейших для биоэнергетики молекул аденозинтрифосфорной кислоты…

Занимаясь изучением стресса (руководимый им коллектив ученых быстро рос: группа, лаборатория, кафедра, потом целый институт), Тарчевский как побочный продукт исследований неожиданно получил важный для практики результат. Газообмен в зеленом листе (поглощение углекислоты, выделение кислорода) исстари привычно было определять, ориентируясь на площадь листьев (вспомним про индекс листовой поверхности!), а химизм идущих при фотосинтезе реакций естественно было, что и делали, изучая стресс, Тарчевский и его сотрудники, рассчитывать на единицу содержащегося в листе хлорофилла.

Получался «методический разнобой». И возникла необходимость как-то привести обработку экспериментальных данных к общему знаменателю. Какому? Тут-то мысль и заработала. А правильно ли поступают, когда судят об урожае, ориентируясь на площадь листвы? Ведь она может оставаться одной и той же, а количество хлорофилла в листьях, а значит, и интенсивность фотосинтеза и других процессов будут меняться!

Гипотеза Тарчевского о зависимости продуктивности растений в первую очередь от количества содержащегося в них хлорофилла была отчетливо сформулирована в 1972 году. Мнение это поначалу встретили с недоверием: уж слишком резко расходилось оно с традиционными представлениями. Однако такой прием не смутил Тарчевского, и он начал большую серию экспериментов по разработке хлорофилльного метода оценки урожайности. Были заключены договоры о совместной работе с НИИ сельского хозяйства Татарии, Саратовщины и Ставрополья. На обширных полях, на десятках культур — озимые и яровые рожь и пшеница, горох, просо, ячмень, картофель, в различных климатических зонах, всячески варьируя условия жизни растений, многие месяцы велся учет связи между содержанием в растениях хлорофилла и продуктивностью исследуемых культур. Результаты были положительны, и с 1980 года эта большая работа — «Пигменты и урожай» уже шла по заданию Государственного комитета по науке и технике.

И вновь исследователей ждал сюрприз. Обнаружилось: чтобы уверенно судить об урожае, необходимо учитывать содержание хлорофилла и других пигментов (каротиноидов, к примеру, они подпитывают хлорофилл энергией, защищают зеленый пигмент от повреждений) не только в листьях, что было бы естественно, но и в стеблях, колосьях — словом, во всех надземных органах растений. (Если в фазе кущения пшеницы весь хлорофилл находится в листьях, то при формировании зерна в листьях остается лишь одна десятая часть его, а около 80 процентов сосредоточивается в стеблях.)

— Практики, особенно в южных краях, давно должны были бы прийти к подобным заключениям, — рассказывает Тарчевский. — Представьте, что на пшеничное поле обрушился суховей. Высокие температуры, обжигающий ветер изуродовали растения: пожелтели и перестали функционировать листья, они погибли, и вести их обмер — занятие бесполезное. Но, на удивление, зерновые не только выстояли, более того, их урожайность (сухой вес зерен) все еще продолжает расти! Почему? Да потому, что фотосинтез может идти не только в листьях. На срезанном комбайном краю поля можно наблюдать любопытную картину — безжизненно повисли листья, но все еще зеленоваты содержащие хлорофилл стебли и колосья.

И не обученный агрономическим тонкостям крестьянин интуитивно чувствует разницу между растением с бледно-зелеными и темно-зелеными листьями, — продолжает Тарчевский. — Даже на глаз можно судить, как формируется урожай, однако сейчас, в век ЭВМ и аэрокосмических измерений, качественные суждения нас уже не могут удовлетворить. Точные цифры необходимы и для изучения отклика растений на те или иные агроприемы. Вносим, скажем, по инструкции в почву удобрения. Сыпать дальше или остановиться?

Ответ может дать хлорофилльный анализ. Он поможет и селекционерам. Допустим, опробываются два перспективных сорта. Они дали одинаковый урожай, но в растениях одного из них хлорофилла больше. Это значит, что потенциальные возможности сорта выше и он в более благоприятных условиях сможет проявить все свои замечательные качества. С таким сортом стоит работать дальше…

Казанские исследователи не только вооружили сельское хозяйство ценной теорией, они взялись и за разработку простейших, доступных широкому кругу полеводов средств для экспресс-анализа содержания в растениях хлорофилла. Мне показали длинный ряд флаконов, в них были разлиты жидкости всех оттенков зеленого. Только натренированный и изощренный глаз живописца смог бы различить все эти нюансы тонов — от бледно-зеленого до густого изумрудного! А агроном? Ему достаточно сорвать в поле с растения лист или колосок и затем, прикладывая исследуемый образчик к флаконам, найти среди них сходный по цвету. И тем самым — есть поясняющие надписи на флаконах — оперативно оценить концентрацию хлорофилла.

Это если обследуемый участок растительности невелик, скажем, делянка селекционера. А можно ли судить об урожайности области, края, региона? Как подступиться к столь грандиозной задаче? Методами аэрокосмической съемки! Анализ хлорофилльных спектров поможет оценить потенциал будущего урожая.

Из космоса виднее!

В той нелегкой работе, которую вели эстонские физики, принимал участие и физик-теоретик доктор биологических наук Агу Хейнович Лайск. Мне довелось дважды бывать в Тыравере. Полюбил этот небольшой городок ученых, много бродил по его живописным окрестностям. Наблюдал, как ведутся эксперименты в лабораториях ИАФА, вел частые и долгие беседы с Агу (эстонцы зовут друг друга просто по имени).

— Вначале наши исследования носили чисто статистический характер, — вспоминал он те годы, когда еще молодым человеком начинал под руководством Росса свою научную карьеру. — Данные по растениям, листьям, фотосинтезу должны были поставлять нам биологи. Однако аппаратура у них была неважная. По полчаса уходило на то, чтобы снять всего одну кривую зависимости продуктивности листа от освещенности. А подобных кривых (в игру вступали концентрация углекислого газа, влажность воздуха, температура и так далее) требовалось великое множество. Литература же по этим вопросам была отрывочна, случайна и скудна. Вот тогда и родилась мысль: эти данные — прямо в поле! — добывать самим. Сконструировали аппаратуру, стали копить факты…

Лет пятнадцать назад, — продолжал Лайск свой рассказ, — случай резко изменил направление моих научных поисков. Летом мы работали на селекционной станции: снимали характеристики листьев кукурузы. Привезли обед. Кормили строго по графику — пришлось прерваться. Мы оставили высокую интенсивность света, облучавшего лист, и ушли. Через час нас поджидал сюрприз: кривые, характерные для листьев нижнего яруса, превратились в кривые, характерные для листьев верхнего яруса! Тогда-то я и осознал отчетливо, что все те деления, классификации, которых мы придерживались, были весьма условны. Лист очень гибко приноравливается к новым условиям.

Захотелось понять, каковы пружины и возможности этой адаптации, как, в сущности, функционирует зеленый лист, как реагирует на изменение внешних условий. Я резко изменил курс: отошел от математического моделирования процессов продуктивности посевов и ринулся в совершенно новую для меня область, стал изучать отдельный лист растения. Но если бы я был тогда знаком со всем обилием литературы, с дьявольским коварством и сложностью биологических объектов, я бы за это дело, пожалуй, не взялся: духу бы не хватило!..

В истории науки высшие растения часто служили объектами фундаментальных исследований. Грегор Мендель (1822–1884) — основоположник учения о наследственности, работал с горохом. Первый фермент в чистой кристаллической форме был выделен из бобов, а первый вирус — из листьев табака. Это сделал русский ученый Дмитрий Иосифович Ивановский (1864–1920).

С углублением фронта научных исследований, с выходом их на молекулярно-биохимический уровень экспериментаторы стали предпочитать более простые объекты — водоросли, бактерии и даже изолированные органеллы клетки, например, хлоропласты.

Эти тенденции вполне понятны: эксперимент всегда должен быть поставлен так, чтобы исследуемые процессы выявились в наиболее чистом виде. Так и получилось, что в физиологии растений сейчас доминирует аналитическое начало. Исследователи пытаются выяснить тонкости возможных метаболических (связанных с обменом веществ) и регуляторных связей, вплоть до уровня биологических мембран и составляющих их макромолекул. Но такие работы нельзя выполнить методически чисто на целостном многоклеточном организме, его необходимо дробить.

— Уже накоплено огромное количество сведений о свойствах кирпичей, из которых построено здание фотосинтеза, — говорил мне Лайск. — Но пока положение физиолога-фотосинтетика похоже на положение археолога, который нашел иероглифы, но не может их расшифровать, увязать между собой, прочесть первые фразы. А ведь в конечном итоге открытия, сделанные на модельных микросистемах, должны естественно вписаться в сложную иерархию целостного организма. Пока же в исследованиях фотосинтеза, как мне кажется, эти два метода, которые можно назвать аналитическим и синтетическим или дифференциальным и интегральным, еще недостаточно тесно связаны друг с другом. И несомненно, ключ к полному пониманию того, как функционирует зеленый лист, спрятан в его структуре…

Экскурсия по лабиринтам зеленого листа очень поучительна. Швейцарский ботаник и инженер Симон Швенденер (1829–1919) обратил внимание на продолговатые, «остроумно устроенные вентиляционные отверстия» в листьях растений, называемые устьицами. Их основное назначение — автоматически поддерживать необходимый водный режим растений. Если приток воды из корней превышает потерю влаги на испарение, то устьица (их число на один квадратный сантиметр поверхности листа может доходить до 30 тысяч) широко раскрываются, облегчая испарение, транспирацию. При недостатке влаги процесс идет в обратном направлении: количество открытых устьиц сокращается.

Однако роль устьиц этим не ограничивается. Это также и «проходная», через которую в лист поступает углекислый газ. И если устьица закрыты, питание растения прекращается. Потому-то Тимирязев и писал, что «растению приходится пролагать свой жизненный путь между Сциллой и Харибдой», между голодом и жаждой. Так что работа устьичного аппарата листьев растений должна идти очень тонко, в оптимальном режиме, обеспечивающем наименьшие потери воды при наибольшем поступлении в лист углекислого газа.

Вообразить себе, сколь напряженные события разыгрываются в устьицах, нелегко. Вот что однажды, беседуя с журналистами, рассказал член-корреспондент АН СССР Анатолий Александрович Ничипорович:

— Тесно пешеходам и автомобилям на узких улицах больших городов. А в крошечных устьицах еще «теснее». Обычно через каждое устьице диаметром в несколько микрон (микрон равен 10^–4 сантиметра) каждую секунду внутрь должны пройти 2500 миллиардов молекул углекислого газа. А навстречу им через те же устьица мчится такой же поток кислорода и в 2–3 тысячи раз большее количество молекул воды. Скользнув взглядом по зеленой листве, мы и не догадываемся порой, с какой бешеной скоростью идут процессы внутри листа.

Пришла осень. Вы сняли урожай сахарной свеклы — 250–350 центнеров с гектара. Вы не поверите сразу, сколько углекислого газа усвоили из воздуха растения — 20 тонн! Это значит, что они смогли «съесть» весь углекислый газ из слоя воздуха в 4 километра над участком в гектар!..

Принцип работы устьиц не может не заинтересовать инженеров. Есть предложение использовать его в строительной технике: заменить форточки и открывающиеся фрамуги жилых, общественных зданий «дышащими стенами» со сквозными отверстиями, регулируемыми автоматическими клапанами. Рассчитав заранее действие клапанов, можно поддерживать в помещении любой температурно-влажностный режим. Технически это вполне выполнимо, дело за конструкторами.

Архитектурная бионика — большая и интересная тема, ее можно было бы развить, но мы лучше продолжим путешествие в глубины зеленой архитектуры. Лист внутри пористый, словно губка. На долю пор приходится 20–30 процентов его объема. Это облегчает испарение влаги и диффузию углекислого газа к клеткам мезофилла — мякоти, основной рыхлой и пористой ткани листа.

Удивительная эффективность работы листа обеспечена не только достаточно интенсивным газообменом с окружающей средой (большая пористость, гидрофобность стенок его пор), но также высокими показателями отношения поверхности его клеток к объему листа. Внутренняя поверхность одного кубического сантиметра зеленой ткани листа достигает 100–200 квадратных сантиметров! Поэтому 1 квадратный метр листьев за час способен усвоить из воздуха до 6–8 граммов (3–4 литра) углекислого газа и одновременно выделить столько же по объему кислорода.

Однако как бы хорошо ни функционировал лист, он не может дать больше того, на что способен! Обязательно должна существовать какая-то стадия, которая лимитирует весь процесс фотосинтеза в целом. Это может быть и газообмен, и фотофизический акт поглощения квантов света, и влагообмен и в принципе многое другое. Так где же находится самое слабое место фотосинтеза? Что лимитирует производительность зеленого комбината планеты? Этот вопрос задавали себе многие исследователи, его разрешением занялся и уже знакомый нам Лайск.

В конце мая 1968 года из гаража ИАФА выехал автобус. Кроме шофера, в нем находился Агу Лайск и его ближайший сотрудник, кандидат физико-математических наук, физик-экспериментатор Вэло Оя.

Автобус развернулся и взял курс к западному побережью Эстонии. Путь его лежал к заповеднику на полуострове Пухту.

Нутро автобуса имело необычайный вид. В углах висели баллоны с углекислым газом, стены были сплошь завешены приборами, на столе стоял проекционный аппарат. В углу лежали рюкзаки…

Снимать световые и прочие кривые листа прямо в поле под естественным солнцем трудно. Все быстро меняется: освещение, температура, состав воздуха. Вынесешь в посевы прибор, а тут неожиданно дождь!.. Физики решили стабилизировать условия, создать автобус-лабораторию, где можно было бы по желанию воссоздать для листа любой «климат».

Не хватало лишь подопытных кроликов, то бишь листьев. Здоровых, только что срезанных с куста или дерева.

Правда, не всякий лист хорош для дела. Он должен быть гладкий, не шероховатый (чтобы хорошо входил в листовую камеру), достаточно большого размера. Ведь концентрация углекислоты в воздухе мала — лишь 0,03 процента. А лист поглощает и того меньше: зарегистрировать такие крошечные количества непросто. Вот и необходим лист значительной площади, который поглощал бы порции побольше.

Да, удобен не всякий лист. Многие виды листьев, особенно у однодольных (кукуруза, ячмень), а также сныти и других трав, очень чувствительны к внешним условиям: устьица быстро закрываются. Да и вегетационный период у них мал: хоть и зеленые, но уже не фотосинтезируют. За несколько сезонов (заповедник Пухту, селекционная станция Йыгева, дендропарк в Харку — все в Эстонии) физики перепробовали многое: листья березы, дуба, сирени, фиалок, тростника… Наиболее подходящими для измерений оказались листья осины.

Короток сезон экспериментов. А как много надо успеть! Добрался автобус до места. Первое — найти столб электролинии и подключиться к электросети. Затем — настройка и отладка аппаратуры, калибровка приборов, пробные опыты. И вот начинается главная работа.

— Рядом море, вокруг красоты заповедника: загорай, нежься! — вспоминал Лайск. — А мы целые дни просиживали в фургоне и были белые, как лебеди. Вэло даже шутил, что надо было бы поставить внутри кварцевую лампу, чтоб хоть чуточку загореть…

Нет, это был совсем не пикник. Приборы включали в 9 утра, а выключали в 11 вечера. Но часто, ложась, не могли заснуть: в голову лезли мысли о том, правильна ли идея, как завтра продолжать эксперименты, что значит тот загадочный изгиб на кривой?

Сезон научной «охоты» на исходе, еще какие-нибудь десять дней до осени, пора уезжать, надо торопиться. И это тогда, когда проблема только начала по-настоящему вырисовываться.

Физики — люди ясного и точного мышления, с более сдержанными эмоциями в отличие, скажем, от биологов. Как они относились к окружавшей их природной роскоши заповедника? Ощущали ее как красоту или, может, как досадную помеху? Как переносили свою добровольную «робинзонаду»? Ведь надо было самим готовить себе пищу, стирать. Скучали ли по близким? У Лайска в Тарту остались два маленьких сына…

Да, нелегко было выдержать подобное трехмесячное испытание. Но, видно, этот своеобразный подвиг был необходим: физики несколько сезонов повторяли свои поездки.

Да, сезонная работа — нелегкая вещь! И вновь утром — в фургон, в котором днем температура могла подняться до тридцатиградусной отметки.

Вот только что срезанный лист вставлен в камеру-прищепку. И начинается эксперимент, длящийся три-четыре часа.

В день успевали обработать лишь один-два листа: много времени уходило на анализ кривых, показания с лент тут же обрабатывали на небольшой ЭВМ. Потом осмысление данных, обсуждение того, куда идти дальше, что предпринять завтра со свежими силами. Так и получалось, что за сезон обрабатывали не больше сотни листьев.

Результаты каждого опыта: кривые по влиянию на продуктивность (количество ассимилированного углекислого газа) интенсивности света, температуры и так далее собирали в отдельный конверт. Ныне, рассказывал Лайск, таких конвертов накопилось уже 560.

Препятствий было немало. На Пухту вроде бы было очень удобно: рядом продовольственный магазин, недалеко море. Но, увы! Днем к сети на ближайшей сельскохозяйственной ферме подключались какие-то мощные агрегаты. Напряжение сразу падало на 120 вольт! Вот и приходилось долгое время работать по ночам!

Много хлопот доставляла и аппаратура. Нужно было собрать свои оригинальные приборы, ибо стандартные образцы не годились. Почти все было сконструировано, собрано, переделано руками Вэло Оя. Психрометры, измеряющие влажность воздуха. Газоанализаторы. С ними было больше всего мучений. Промышленные аппараты имели чувствительность шкалы раз в десять грубее, чем требовалось. А надо было измерять примеси углекислоты с точностью до 0,005 процента! Биологи бы со всем этим не справились. Тут преимущество физика-экспериментатора, не боящегося приборов и измерений, хотя бы и самых тонких, было очевидно.

Лист заботливо термостатировали. Температуру — ее измеряли с помощью особой термоиглы — держали с точностью до градуса. В камеру подавали газовую смесь, ингредиенты которой подбирали по заранее составленным рецептам. Эту газовую «смесь» на выходе из камеры анализировали: так можно было узнать, сколько углерода поглотил лист. О диффузионном сопротивлении устьиц листа судили по транспирации — количеству влаги, которое выделял лист.

Путь углекислого газа в листе долог. Устьица, затем поры межклетника, потом узкие (диаметром до 10^–5 сантиметра) поры в мембранах отдельных клеток мезофилла, наконец диффузионное сопротивление плазмы клетки на пути к хлоропластам. Оценить количественно все звенья этой долгой и сложной цепи в поисках лимитирующей стадии было не так-то просто.

— Приступая к работе, — рассказывал мне Лайск, — мы с Вэло задались на первый взгляд простым вопросом: что определяет интенсивность фотосинтеза растений? Какая из его многочисленных стадий? Но вскоре стало понятно, что ответить на этот вопрос всеобъемлюще нам не под силу и только сужение проблемы может гарантировать успех. И тогда сложное гибкое живое создание — зеленый лист мы начали в наших исследованиях рассматривать как систему химических реакций, связанных с внешним миром посредством диффузионного процесса. От растения остался только «скелет». Но этот «химический скелет» фотосинтеза стал понятным. Достоинством простых моделей является как раз то, что они дают прочную основу для разумной фантазии и при наличии дополнительной информации позволяют реставрировать строение всего организма…

Результаты работы Лайска и Оя были значительны: теперь уже можно было модель листа усложнять, детализировать, вносить биохимические и иные тонкости. Сам же Лайск и его коллеги (коллектив исследователей начал расти), все больше проникаясь значительностью предмета своих исследований, все больше очаровываясь тайнами зеленого листа, созрели для того, чтобы взяться за одну из самых новейших и сложных проблем фотосинтеза — проблему фотодыхания.