Опыты Пристли произвели сильное впечатление на его современников. Президент Лондонского Королевского общества, вручая Пристли Большую золотую медаль, взволнованно говорил: «Отныне мы знаем, что от дуба в лесу до былинки в поле все растения вносят свою долю в поддержание необходимой для всего животного мира чистоты воздуха!»

Пристли стал знаменит. Парижская академия наук избрала его своим почетным членом, о нем заговорили в лондонских гостиных. Одна очень богатая дама решила испытать на себе действие только что открытого очистителя воздуха. Она велела дворецкому поставить к себе в спальню на ночь пять больших кадок с тропическими растениями… Наутро, проснувшись с мучительной головной болью, она послала за доктором и публично объявила, что Пристли обманщик.

Это научный фольклор. Неизбежная приправа ко всякому значительному научному открытию. Неизвестно: стал ли бы Пристли полемизировать с этой дамой, но серьезно отнестись к замечанию Карла Шееле он был просто обязан.

Шееле (1742–1786) — шведский химик, по образованию и профессии фармацевт. Родился в семье пивовара и торговца зерном, родители не могли дать ему высшее образование: он был седьмым сыном в этой большой семье. Работал учеником в аптеках различных городов Швеции, где занимался самообразованием и проводил химические исследования. Отказался от лестного предложения быть придворным химиком при прусском и английском дворах (словно чувствовал, что как профессор он был бы ординарен, но как аптекарь — величайший в мире!). Был причастен к открытию многих химических веществ (хлора, марганца, бария, молибдена, вольфрама, азота, кислорода), но остался в истории химии, несомненно, одним из самых больших неудачников: либо работы других были более глубоки и значительны, либо его (часто чуть-чуть) опережали. Так случилось, например, с открытием кислорода. В труде «Химический трактат о воздухе и огне» Шееле описал получение и свойства «огненного воздуха» и указал, что атмосферный воздух состоит из двух «видов воздуха»: «огненного» — кислорода и азота. Однако приоритет открытия кислорода достался Пристли, выполнившему свои опыты позднее, но опубликовавшему их раньше Шееле.

Этот скромный аптекарь знал одну лишь страсть — химические опыты. Им он посвящал весь свой досуг. Работа оставляла для экспериментов лишь вечера и ночи. Напряженные поиски при свечах среди колб и реторт. Наука без дневного света!..

Весть о поразительных опытах Пристли докатилась и до Швеции. Шееле решил повторить и проверить их. Сделал он это быстро и, что удивительно (для Шееле), быстро же обнародовал результаты. Писал он кратко, и его мнение об экспериментах своего английского коллеги (поразительно!) полностью совпало с мнением уже известной нам богатой дамы. Растения не улучшают воздух, писал Шееле, а наоборот, делают его непригодным для дыхания.

О, этот хронический неудачник Шееле! Он был и прав и ошибался. Он прикоснулся к великой загадке фотосинтеза, мог бы стать одним из крестных отцов этого уникального явления. Но и тут он дал промах. Обвинил Пристли и больше к этим опытам не возвращался: слишком далеки от фотосинтеза были его химические интересы.

А что Пристли? Он огорчился, прочитав сообщение Шееле, и, естественно, решил повторить свои опыты. И тут началась чертовщина. Эксперимент говорил то да, то нет! Не раз и не два повторял Пристли свои опыты, но вопрос так и остался открытым. В конце концов обескураженный Пристли вместо прежних категорических утверждений был вынужден написать: «В целом я считаю вероятным, что заросли здоровых растений, живущих в естественных для них условиях, оказывают оздоровляющее действие на воздух…»

Словно модный роман

Причина неудач Пристли была в том, что ни он, ни Шееле не выяснили, при каких внешних условиях растения очищают и портят воздух. Реабилитировал Пристли, разрешил спор между ним и Шееле Ян Ингенхауз.

Ингенхауз (1730–1799) — голландец, личный врач австрийской императрицы Марии-Терезии. Прививал оспу юным принцессам и принцам до Дженнера, который стал прививать людям коровью оспу. Это была рискованная акция, могущая дать и смертельный исход, а у Марии-Терезии было 16 детей.

Сын торговца в Северном Брабанте, Ингенхауз любил отца, но презирал коммерцию; увлекся науками (учился в Лувене, Лондоне, Париже, Эдинбурге), стал доктором медицины. Обладал веселым нравом, был человеком светским, легко сходился с людьми, словно «Летучий голландец», любил менять города и страны, внезапно появляться и столь же внезапно исчезать. Уже почти пятидесятилетним человеком наскоком, за одно лето, провел серию исследований по фотосинтезу и написал книгу, сделавшую его членом Лондонского Королевского общества и классиком науки; незадолго до смерти издал вторую, не менее знаменитую, чем первая, книгу «Дыхание растений».

Оставив Вену, Ингенхауз уединился летом 1779 года в деревне близ Лондона. «Лондонский туман сгущает не только воздух, но и мысль», — отшучивался он позднее. Снял парик, парадные башмаки, убрал дорогой камзол и с лихорадочной поспешностью принялся за работу. С рассвета до поздней ночи. Многие сотни (до 500 за лето!) опытов, без отдыха и перерывов.

Видимо, основная идея уже крепко сидела в голове Ингенхауза. Блестящую догадку — хорошо, что она пока еще не пришла на ум другому, — необходимо было подтвердить экспериментально (теорему сначала угадывают, затем доказывают). И сделать это не тяп-ляп, а методически безупречно.

…Вот Ингенхауз поместил ветку элодеи, ее часто разводят в аквариумах, под воду, прикрыв опрокинутой воронкой, а на шейку воронки надел пробирку. На солнечном свету из растения сквозь воду в пробирку устремились пузырьки газа. Ингенхауз сунул в пробирку тлеющую лучину: она ярко вспыхнула. Да, растения выделяют чистейший кислород…

Десятки раз, в разных вариантах и сочетаниях повторяет ученый свои опыты. Сомнений нет: растения очищают воздух только на свету, и лишь зелеными своими частями (незеленые части: одревеснелые побеги, свежесрезанные кусочки корней газовых пузырьков не выделяли) — вот основной вывод Ингенхауза, поставивший все на свои места.

Покончив со своими бесчисленными опытами, Ингенхауз тотчас сел за книгу «Опыты на растениях, раскрывающие их великую способность очищать обычный воздух на солнечном свету и ухудшать его в тени и ночью». Она вышла в том же году и стала, выражаясь современным языком, научным бестселлером. Ее сразу же перевели с английского на французский, немецкий, а затем и на родной язык автора — голландский. Книга была написана ясно, живо, четко, последовательно, обсуждавшиеся в ней вопросы (удивительные тайны, которые хранят деревья, кусты, травы) были так интересны, что этот ученый трактат раскупали, словно то был модный роман.

Но вернемся к спору Пристли — Шееле. Тут Ингенхауз не обманывался. Он доказал: правы оба! И оба заблуждаются! Ведь Шееле работал ночами, при свете свечного огарка: и ничтожная фотосинтетическая деятельность растений маскировалась их дыханием, поэтому они больше портили воздух, чем очищали.

А опыты Пристли в саду, при ярком свете? И здесь Ингенхауз внес ясность. Он пробовал добывать кислород из зеленых ветвей в жаркий полдень. Пузырьков в пробирке почти не было! Значит?.. Значит, слишком яркий свет (подробно об этом будет рассказано в главе 4), как и полумрак, неблагоприятно влияет на очищение воздуха растениями.

Великий цикл

Опустим важные научные подробности: как было доказано, сделал это швейцарец Жан Сенебье (1742–1809), что «хлебом насущным» для всех растений служит углекислый газ, как отчасти было восстановлено (стараниями швейцарца же Никола Соссюра, 1767–1845) мнение Гельмонта: оказалось, что часть необходимых ему веществ, водород, растение все-таки берет из воды. Остановимся еще только на вопросе о роли лучей Солнца. Каково их истинное назначение.

Ответ на этот вопрос дал Юлиус Майер.

Майер (1814–1878) — немецкий врач, физиолог и физик, сын аптекаря. Медицина (практика в парижских клиниках) его не прельщала, он нанялся врачом (здесь было мало дел и можно было всласть поразмышлять) на судно, идущее на Яву. В тропиках заметил изменение цвета крови у своих пациентов (темная венозная кровь человека, попавшего из умеренного климата в тропики, становится почти столь же красной, как и артериальная). Пришел к выводу: существует связь между потреблением пищи и образованием тепла в живом организме — идея закона сохранения энергии была им схвачена! Опередив Джоуля и Гельмгольца, стал писать статьи, но его богатые идеи не были оценены. Споры о приоритете, научная травля, многие просто отрицали открытый Майером закон, смерть двух детей привели к тому, что в 1850 году он пытался покончить с жизнью: выбросился из окна с четвертого этажа, но и тут потерпел неудачу, остался хромым на всю жизнь. При подстрекательстве родственников в здравом уме был помещен в психиатрическую лечебницу, ему приписали манию величия, где его пытались излечить (врачи врача!) от необычных взглядов на мир, применяя жестокие и примитивные меры лечения. Сломленный жил после этого так тихо и уединенно, что многие считали его давно умершим, публично говорили и писали об этом. Признание и слава пришли слишком поздно, к концу жизни, когда у него в них уже не было особой нужды.

…Майер на корабле «Ява» приближался к Индонезии. Густой, пряный океан тропической растительности, этот буйный разгул зеленой стихии поразил воображение вчерашнего студента. Что происходит с лучом света, упавшим на зеленый лист? Он же не может исчезнуть там бесследно? Вновь и вновь на ум приходит то, о чем он размышлял все последние годы.

В 1845 году в работе «Органическое движение в его связи с обменом веществ» ученый подвел итоги своим долгим раздумьям, сформулировав закон сохранения энергии. Не забыл Майер зеленый лист и солнечные лучи. Он писал: «Природа поставила себе задачей перехватить на лету притекающий на Землю свет и превратить эту подвижнейшую из сил в твердую форму, сложив ее в запас. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет… Этими организмами являются растения…»

Вот, оказывается, каково предназначение растений: превращать энергию солнечного луча в иную форму энергии — химическую, запасенную (пища зверей, человека, микробов) в листьях кустарников и трав, стеблях, стволах деревьев.

Теперь наконец мы готовы к точным формулировкам.

hν + CO₂ + H₂O  C(H₂O) + O₂

Вот оно, это внешне простенькое суммарное уравнение фотосинтеза, отражающее усилия многих поколений ученых. Стрелка, указывающая вправо — подобными символами химики обычно обозначают направление хода реакции, — показывает, как растения запасают солнечную энергию, как в зеленом листе под воздействием световых квантов (hν) углекислота (CO₂) и вода (H₂O) преобразуются в углеводы C(H₂O) и кислород (O₂). Это и есть собственно фотосинтез. Стрелка, указывающая влево, говорит о том, что может идти и обратный процесс — дыхание. Оно осуществляется в клетках животных и человека. Вместе фотосинтез и дыхание образуют замкнутый круг или Великий Цикл. А движет этот цикл, запускает его космический источник энергии — Солнце, его лучи.

Какая поразительная картина открылась глазам ученых! Как ладно подогнано все в этом мире! Оказывается, углекислый газ, кислород и лучи Солнца — вот ключи к вечной молодости всего сущего на нашей планете. Великий Цикл. Ежегодно зеленый покров Земли запасает миллиарды тонн углерода (из углекислого газа атмосферы) и освобождает миллиарды тонн живительного кислорода. Им дышит все живое, оно же перерабатывает кислород снова в углекислый газ — пищу растений. И эта карусель жизни (с настоящими — не из фанеры! — лошадьми, верблюдами, жирафами) ежегодно совершает свой круговорот.

Понятно, не все согласятся со взглядами бюргера, хотя бы потому, что не все верят в божий промысел. Однако споров атеистов с теологами мы касаться не будем. Лучше вспомним развернувшуюся лет 20 назад на страницах журнала «Природа» дискуссию все на ту же тему: зачем лист зеленый? Кое-кто полагал тогда и старался доказать, что зеленый цвет растений — чистая случайность. Что у нас не больше оснований говорить о приспособительном значении зеленой окраски хлорофилла, чем утверждать целесообразность красного цвета у гемоглобина.

Если бы кровь человека и животных была бы не красной, а синей или желтой, мы не искали бы в этом, утверждали спорщики, особого смысла. Так же не следует придавать специального значения и тому, что хлорофилл случайно оказался зеленым, ибо в земных условиях вполне удовлетворительным поглотителем энергии солнечного излучения мог бы оказаться пигмент иной окраски. И тогда леса, кустарники, травы имели бы соответствующий цвет.

Случайность? А может, вернее здесь говорить о неслучайной случайности? Дело вот в чем. Весьма вероятно, что наземные растения получили хлорофилл уже готовым «в наследство» от каких-то древнейших перворастений, обитавших некогда на нашей планете и исчезнувших в ходе дальнейшей эволюции. Возможно, эти предки растений обитали в воде, под небесами с совсем иным составом газов. Они поглощали свет солнца через другие, чем сейчас, «окна прозрачности». И может, тогда хлорофилл был очень на месте, его конструкция была очень функциональна, очень ладно приспособлена к особенностям окружающей эти перворастения среды.

С тех пор условия жизни на Земле сильно изменились. Однако природа не смогла выбросить хлорофилл и заменить его другим, более подходящим пигментом, поскольку хлорофилл оказался слишком глубоко вплетенным в ткань жизни. Появились красные, желтые пигменты, они, возможно, гораздо эффективнее улавливают солнечные лучи, однако и в растениях с красными или желтыми листьями в самом центре процесса фотосинтеза продолжает трудиться хлорофилл, пусть, возможно, и с меньшей силой, чем раньше.

Это последнее мнение об амплуа и судьбе хлорофилла, конечно, уместно лишь для растений земных. Не исключено, что в условиях других планет (допустим, что на Марсе будут обнаружены примитивные растения), при резко выраженном дефиците лучистой энергии, когда каждая «капля» света на строгом учете, окраска растений может уже приобрести прямое приспособительное значение. И между цветом пигментов и их назначением ловцов света будет прямое и однозначное соответствие.

Но это все лишь предположения, догадки… Чарлз Дарвин, очень интересовавшийся в последние годы своей жизни пигментами растений, как-то обмолвился: «Хлорофилл, — писал он, — это, быть может, самое интересное из органических веществ». С этими словами трудно не согласиться. И очень возможно, что тайны хлорофилла так никогда и не будут полностью раскрыты.

На заре истории

Лист зелен, но красящий пигмент — хлорофилл — не распределен равномерно в его клетках, а сосредоточен в крошечных зернышках — хлоропластах. Эти микроскопические тельца разнообразны по величине и форме. У зеленых водорослей спирогир они имеют форму спиральных лент; у хлореллы хлоропласт по форме напоминает чашу. Наблюдая хлоропласты, ученые давно догадывались: это, видимо, и есть те микроскопических размеров живые «машины», где происходит фотосинтез. Но как это показать?

Число хлоропластов в отдельной клетке высших растений может быть большим: до нескольких сотен. И каждое из этих живых образований имеет очень сложное строение. Внешне отдельный хлоропласт напоминает… огурец или половинку его: так обычно и изображают хлоропласт на рисунках, чтобы можно было хорошенько разглядеть его строение. Внутри хлоропласт — диаметр его сотые доли миллиметра — перегорожен (от одной его стенки — внешней мембраны-оболочки — до другой) тонкими мембранами, называемыми ламеллами. В отдельных местах ламеллы утолщаются, образуя граны.

Под электронным микроскопом удается разглядеть граны. Они представляют собой как бы стопки уже совсем мелких, едва видимых, аккуратно уложенных круглых плиток. И в каждой такой стопке от 250 до 300 молекул хлорофилла. Отдельный хлоропласт содержит миллиарды молекул хлорофилла. Нет никаких сомнений: хлоропласт — это созданный природой аппарат для фотосинтеза, а доказал это теперь очевидное положение в 1881 году Теодор Энгельман.

Энгельман (1843–1909) — немецкий физиолог, ровесник Тимирязева, автор выдающихся работ по физиологии животных. Открыл (1888), что фотосинтез присущ не только растениям и водорослям, но также и особым пурпурным (названы так, потому что содержат темно-красный пигмент) бактериям; в отличие от растений они, правда, не выделяют кислорода и поглощают синие и зеленые лучи света. Установил связь между окраской водных растений и их распределением по глубинам. Давно замечено: в глубинах морей и водоемов преобладают красные водоросли, а ближе к поверхности — бурые и зеленые. А дело, оказывается, в том, что лучи разных участков солнечного спектра поглощаются водой неодинаково. Больших глубин достигают в основном лишь синие лучи, которые хлорофилл не может эффективно использовать. Поэтому на глубинах до ста метров живут красные водоросли: их красный пигмент фикоэритрин способен поглощать желто-синюю часть спектра. Энгельман изобрел и усовершенствовал множество приборов для физиологических и иных исследований.

Энгельман сконструировал особый микроскоп: он позволял освещать небольшими пучками света различные части зеленых клеток. Так можно было начать поиск областей, где совершается процесс фотосинтеза. Для этого исследователь подобрал бактерии, жадно поглощающие кислород, продукт фотосинтеза. И вот эти бактерии начали концентрироваться только в тех участках, где находились освещенные хлоропласты…

Хлоропласты полны загадок. Есть гипотеза, что эти органеллы — потомки древних организмов, которые на заре истории жизни на Земле случайно внедрились в незеленые клетки и тем самым сделали их автотрофами, способными создавать органические вещества путем фотосинтеза. Союз этот оказался очень выгодным для обеих сторон.

Любопытно, что зеленые клетки можно «избавить» от хлоропластов, нагревая их. Поколения клеток, живущих при высоких температурах, все более и более бледнеют и в конце концов становятся бесцветными, лишенными хлоропластов. Того же удается достичь и химическими средствами, воздействуя на зеленые клетки стрептомицином и другими веществами.

Фотонный зонтик

Хлоропласты давно стали объектом пристального внимания ученых. В этот коллективный труд вносит весомую лепту и сильный отряд фотобиологов Белоруссии. Долгие годы его возглавлял академик Тихон Николаевич Годнев.

Годнев (1893–1982) — физиолог растений, академик АН БССР (1940), родился в городе Задонске Липецкой области в семье учителя, окончил Московский университет, работал в Москве, Астрахани, Иванове, с 1927 года в Белоруссии; но где бы ни жил ученый, он всегда оставался верен своей первой, возникшей еще в студенческие годы научной страсти: его волновала тайна важнейшего растительного пигмента — хлорофилла. Годнева постоянно занимала мысль, как такая большая и сложная молекула может строиться в живом организме. Труд жизни ученого был подытожен в монографии «Хлорофилл. Его строение и образование в растении», в 1967 году эта работа была удостоена премии имени Тимирязева АН СССР. Годнев по праву считается создателем советской школы исследователей биосинтеза хлорофилла, основателем и учителем школы белорусских физиологов и биохимиков растений, среди его учеников — член-корреспондент АН СССР Александр Аркадьевич Шлык и другие известные советские ученые.

Под фотонным, световым дождем многие из молекул хлорофилла, находящихся в зеленом листе, разрушаются. Отчего же тем не менее листва до осени сохраняет свой цвет и свойства? Природа снабдила растения особыми фотонными зонтиками? Нет, все гораздо проще и одновременно сложнее. Объяснение стабильности свойств зеленой материи в том, что в недрах листа идет непрерывный синтез все новых и новых молекул хлорофилла.

Здесь дело обстоит, как и во всех других живых тканях. Прошло время, когда считалось, что клетки живого и составляющие их молекулы неизменны. Теперь никого не удивляет мысль о том, что, например, у человека в течение 80 дней половина всех тканевых белков распадается и строится заново. И что с химической точки зрения сегодня мы с вами уже совсем не то, чем были вчера!

Биосинтез хлорофилла — интереснейшая тема! Ученые показали, что по утрам листья «более зеленые», чем вечерами, на закате солнца. Причина? Обновление хлорофилла в основном идет по ночам, в темноте.

Где же расположены центры биосинтеза? В каких частях зеленого листа готовится хлорофилл? Что это за цехи такие? Как они устроены? Что собой представляют? По каким принципам работают? Автора книги все это очень интересовало. Он знал, что этой темой занимаются доктор биологических наук Владилен Лазаревич Калер и его сотрудники. В Библиотеке имени В. И. Ленина в Москве были разысканы работы этого ученого. Вот так фотосинтетическая дорожка и привела автора в Минск.

Сентябрь в тот год выдался на редкость теплым и солнечным. Деревья еще сохраняли зелень крон, а кусты цветущих роз источали аромат, когда я дорожками Ботанического сада шел к увитому плющом серому четырехэтажному зданию Института экспериментальной ботаники имени Василия Феофиловича Купревича — родоначальника многих биологических учреждений Академии наук Белоруссии. Вот и комната 214. Лаборатория фотосинтеза…

Многие поколения ученых пытались разгадать структуру хлорофилла — самой, пожалуй, популярной молекулы жизни. И теперь в любом учебнике по физиологии растений можно найти «портрет» этой молекулы. Она похожа… на головастика. Имеет плоскую квадратную «головку» (хлорофиллин) и длиннющий «хвост» (фитол).

— В пруду головастик, лишаясь хвоста, превращается во взрослую лягушку, — помню, рассказывал Владилен Лазаревич. — В листве последовательность обратная: тут можно сказать, что «лягушка» — молекула протохлорофиллида, предшественника хлорофилла, обзаведясь фитольным «хвостом», становится «головастиком» — хлорофиллом. Но это лишь краткий эпизод в долгой и до сих пор во многом таинственной мистерии биосинтеза хлорофилла…

Молекулы на самообслуживании

В большую науку Калер пришел в 1957 году с… авторемонтного завода, где заведовал после окончания университета химической лабораторией. Ему было 32 года, когда тайны фотосинтеза всецело покорили и увлекли его. И ныне он автор известной и в Союзе и далеко за его пределами монографии «Авторегуляция в системе биосинтеза хлорофилла в высших растениях».

В зеленом листе возникновение новых молекул хлорофилла происходит на фоне большого количества уже имеющегося пигмента. Поэтому биосинтез «невидим», он как бы одет в маскхалат, и его нелегко исследовать.

Можно, конечно, начать разделять зеленую материю на все более мелкие части в надежде дойти до «первоисточников». Средств для этого придумано немало. Листья дробят в ступке под слоем жидкого азота или быстро пропускают зеленую ткань растений через крохотные отверстия из камер с высоким давлением: оно разрывает хлоропласты на мельчайшие фрагменты. Можно разрушать мембраны зеленых клеток с помощью детергентов или, проще говоря, ПАВов — поверхностноактивных веществ, типа моющих средств. «Резать» их ультразвуком… Однако всюду исследователь как бы оказывается перед выбором: все или ничего, ибо он, отвлекаясь от изучения живой клетки в целом, осуществляющей нормальный фотосинтез, получает в руки груду безжизненных «деталей», отдельных химических компонентов, о роли которых можно только гадать.

Эта довольно безрадостная ситуация изменилась к лучшему с приходом в науку радиоактивных изотопов… Ведь они, эти ядерные детективы, позволяют, не разрушая зеленой ткани, следить за происходящими в ней тонкими процессами. И все же трудности остались немалые. Ведь при биосинтезе хлорофилла одновременно происходят многие десятки превращений. И можно себе представить, как непросто при этом установить истину.

Что же делать? Как одолеть преграды, расставленные хитроумной природой? Долго ломал себе над этим голову Калер. И решил призвать на помощь ЭВМ. Заняться математическим моделированием явлений. Хотя в те годы многим такой подход к биологическим объектам казался несерьезным, игрой в бирюльки. (Теперь-то уже так не думают.)

Что же дало математическое моделирование? Можно ли сейчас представить себе, как устроена и действует «фабрика» биосинтеза хлорофилла? Вместо ответа на мои настойчивые расспросы Калер, помню, просто открыл ящик стола и достал оттуда диковинное устройство, внешне напоминающее восемь груш, соединенных вместе теми местами, где у плодов обычно торчат хвостики — плодоножки.

— Вот вам… — сказал он. — Можете подержать в руках модель того, что природа отлаживала многие миллионы лет. Это полиферментная система, каталитический центр. Место, откуда, словно детали с конвейера, сходят только что изготовленные молекулы хлорофилла…

Владилен Лазаревич (беседа наша была долгой) ввел меня в тонкости биосинтеза хлорофилла. Его рассказ впечатлял. В самом деле, попробуйте представить себе завод, который бы выпускал не только какую-то продукцию, но изготавливал еще и станки, и все необходимое оборудование для этого производства. И обходился бы при этом без рабочих и вообще без обслуживающего персонала!

Да, как это не удивительно, но молекулы хлорофилла сами должны еще и управлять процессами своей сборки. Ничего другого природе не оставалось, выбора у нее не было! В таком самообслуживании и заключена соль «авторегуляции хлорофилла» — явления, открытого Калером.

В мудреных терминах науки это называется кооперативным управлением. Теория подтверждена многочисленными расчетами на аналоговых и цифровых ЭВМ сложных систем десятков нелинейных дифференциальных уравнений. Однако суть дела проста и может быть пояснена двумя словами. Деятельность зеленого конвейера налажена таким образом, что пока конечный продукт — молекула хлорофилла — не выйдет из каталитического центра, работа над созданием новой молекулы не начнется…

Солнце убивает сорняки

Исследования биосинтеза хлорофилла недавно нашли неожиданный выход в практику. Физиологи растений из Иллинойсского университета (США) разрабатывают принципиально новый тип гербицида. Он разбрызгивается ночью, скажем, на кукурузном поле и до утра бездействует. Но через несколько часов после восхода солнца сорняки увядают, а кукуруза или другое какое-нибудь культурное растение остается нетронутым.

Картина та же, что и в известной легенде про графа Дракулу. Этот ужасный вампир как раз перед рассветом должен был забираться в гроб, чтобы спрятаться от лучей восходящего солнца. Иначе ему пришел бы конец. Отныне, считают ученые, та же участь ждет многие виды сорняков, вот только спрятаться от солнца им не удастся!

Фотодинамические гербициды, так называют новый препарат, изобрел Карл Рибейз, научный сотрудник отдела садоводства при одном из филиалов Иллинойсского университета. Рибейз обнаружил, что биосинтез хлорофилла вовсе не идет одинаково у всех растений, как это прежде предполагалось. Исследователь открыл шесть различных химических способов выработки хлорофилла в растениях. Каждый вид растений, полагает ученый, использует свою уникальную последовательность этапов биосинтеза зеленого пигмента. У фиалок она одна, у яблонь — другая, у клевера — третья…

Зачем природе такое множество способов образования хлорофилла? Вопрос интересен и сам по себе. Но Рибейзу эта многоликость биосинтеза подсказала сугубо практическую мысль. Ведь если два растущих рядом растения пользуются различными способами выработки хлорофилла, то следует попытаться заблокировать этот процесс у одного из растений — сорняка! — не причиняя никакого вреда его соседу по полю.

Предложенный ученым гербицид представляет собой сравнительно простое химическое вещество, известное под названием АЛА (дельта-аминолевулиновая кислота, если аббревиатуру английских слов превратить в русский термин). Это исходный материал для образования хлорофилла во всех растениях, независимо от способа выработки окончательного продукта.

Рибейз утверждает, что если растение опрыскать определенной дозой АЛА в определенное время суток, то оно заготовит избыточное количество первичных для биосинтеза хлорофилла молекул. Под воздействием света эти молекулы активируются, но растение не может их переработать. И фактически растение само себя душит или отравляет. Соседним же растениям, у которых способ образования хлорофилла иной, вреда не причиняется, даже если и на них также попал гербицид.

Подобные пояснения могут показаться не очень убедительными. Однако следует принять во внимание, что Рибейз разработал еще с десяток различных добавок к АЛА. Кроме того, открытие его было запатентовано в 1985 году, и ведутся переговоры о продаже лицензий крупным агрокомпаниям. Поэтому в сообщениях о новом средстве борьбы с сорняками нет достаточной ясности. Но вот один из выводов, с которым можно согласиться. В чистом виде АЛА должен представлять собой идеальный гербицид. Он повсюду встречается в природе и потому безвреден для животных. К тому же препарат этот быстро разрушается и полностью исчезает в течение суток.

Продавший душу Мефистофелю

Однажды известного химика-органика Дерека Бартона спросили: чего бы он пожелал, явись к нему Мефистофель. Ученый ответил: «Я думаю, этот вопрос следовало бы задать не мне, а доктору Вудворду, потому что я совершенно уверен: он продал свою душу дьяволу лет двадцать назад за право стать гением органической химии…»

Роберт Бёрнс Вудворд (1917–1979) — американский химик-органик, химией увлекся с детства: имел дома химическую лабораторию, где проводил всевозможные опыты. В 16 лет поступил в Массачусетсский технологический институт и был бы в 17 лет исключен за неуспеваемость, если бы преподаватели не успели разглядеть его недюжинные способности. Для него была составлена специальная программа занятий, по сути дела, ему предоставлялась полная свобода и самостоятельность. И эта мера оправдала себя: когда в 1936 году сокурсники 20-летнего Вудворда получали степень бакалавра, он удостоился степени доктора философии (эта ученая степень эквивалентна степени кандидата наук в СССР).

Эту романтическую версию годов учебы Вудворда изложил в своей энциклопедии биографий виднейших ученых Айзек Азимов. Другой, прозаический вариант того, как на самом деле проходила его молодость, дал сам Вудворд в беседе с корреспондентом советского журнала «Химия и жизнь» доктором химических наук Олегом Сергеевичем Чижовым: «Я поступил в Массачусетсский технологический институт и проучился там полтора года. А потом меня выгнали, потому что я не отдавал должного принятым курсам обучения; мне было интереснее заниматься тем, что я считал нужным, а не тем, что полагалось по программе. Я пошел на работу. Но, проработав немного, вернулся в институт, решив выполнить все, что от меня потребуют…»

В 21 год Вудворд был уже в числе сотрудников Гарвардского университета. Здесь им были синтезированы сложные и биологически очень важные органические соединения: хинин (1944), кортизон (1951), резерпин (1956), хлорофилл (1960), тетрациклин (1962)… В 1965 году за эти работы он был удостоен Нобелевской премии. В 1976 году к списку почетных званий американского химика прибавилось еще одно: он был избран иностранным членом АН СССР.

…«Сенсация! Ученые покорили фотосинтез!»… «Конец голоду и нищете: теперь каждый сможет готовить себе пищу на любой вкус и в любом количестве!..»

Возможно, примерно такими словами газеты США и других стран оповестили в 1960 году мир о том, что Роберт Бёрнс Вудворд добился небывалого, осуществил синтез хлорофилла.

Да, конечно, это был крупный успех. Одно дело — разгадать состав и структуру этой знаменитой молекулы, совсем иное — синтезировать ее.

Вудворд готовился к подобному подвигу буквально с детских лет. Искусство, артистичность — вот что характеризует стиль его работ. Его подходы, методы так же отличаются от традиционных, как дедуктивный метод Шерлока Холмса от приемов инспектора Лестрейда. «Если путь к цели очевиден, то к такой цели неинтересно идти», — писал Вудворд. И дальше: «…я надеюсь, что „синтез ради синтеза“ будет продолжаться наперекор утилитарному духу нашего времени. Органический синтез — штука волнующая, полная неожиданностей, требующая смелости, подчас поднимающаяся до вершин искусства».

И все же над синтезом хлорофилла Вудворду пришлось изрядно потрудиться. Он возглавил громадный коллектив ученых-химиков. Ведь полный синтез хлорофилла включал в себя до 30 стадий!

Это дело потребовало долгих четырех лет. Вудворд как-то признался: «Мы не просто играем, а напряженно и упорно трудимся. Этот труд требует от нас не только большого экспериментального мастерства, но и железных нервов…»

Да, это была научная сенсация. В популярной литературе того времени это замечательное достижение приравнивалось к решению (и окончательному!) всей проблемы фотосинтеза. И даже революции в производстве пищи! Однако революция не состоялась. Почему?

Все очень просто. Хотя природа, надо полагать, не случайно использует хлорофилл как универсальный фотосинтетический пигмент всюду, начиная от простейших одноклеточных водорослей и кончая высшими растениями, — листу необходимо и многое другое: различные ферменты, особая структура, особые комплексы из белков, пигментов. Ученые — знатоки фотосинтеза давно уже поняли всю неизмеримую сложность этой грандиозной проблемы. Двухсотлетний опыт исследований показывает: не существует одной «загадки» фотосинтеза, а есть целый ряд ключевых вопросов. И механизм действия хлорофилла — лишь один из них. Поэтому-то блестящий синтез хлорофилла, осуществленный американцем Вудвордом (справедливости ради следует отметить, что почти одновременно с Вудвордом хлорофилл был синтезирован в ФРГ Мартином Штрелем и его сотрудниками), ничего не решал окончательно.

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!

Расшифровывая биологические иероглифы

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…

Зеленая архитектура

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.

Добровольная робинзонада

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.

«Химический скелет» фотосинтеза

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.

Проблема фотодыхания остается одной из самых увлекательнейших, самых волнующих в 200-летнем учении о фотосинтезе. Ибо тут замешаны не только надежды практиков, но и глубокие вопросы теории. К примеру, эволюционный аспект.

Доктор биологических наук Игорь Александрович Шульгин считает, что Земля — настоящий музей растительного мира, музей, где экспонаты, правда, предоставлены самим себе, ибо мы еще мало знаем условия, в которых можно поддерживать вымирающие формы. К ним относятся растущие в Абхазии знаменитые пицундские сосны, исчезающие деревья гинкго (Китай), древовидные папоротники и другие реликтовые, остающиеся за кормой «корабля» эволюции формы — по ним, пока не поздно, можно было бы хоть как-то воссоздать картину далекого прошлого планеты. Может быть, надеется Шульгин, когда-нибудь будет создан специальный музей флоры, где в искусственных условиях будут поддерживаться режимы, оптимальные для сохранения исчезающих растений.

А не являются ли C₃-растения «прорехой» эволюции, отголоском прошлого, видами, сходящими со сцены?

Когда-то на нашей планете все было иным. Ее первая атмосфера состояла преимущественно из аммиака, метана и водяных паров. Фотосинтез возник в протерозое — около полумиллиарда лет назад. Это была революция, имеющая далекие последствия. Растения, усваивая богатые запасы углекислоты древней атмосферы, переводили углерод в состав органических веществ, позднее, захороненных в горючих ископаемых, и в карбонаты (различные соли угольной кислоты, ее формула H₂CO₃), составляющие значительную часть земной коры.

Количество углекислоты в атмосфере начало катастрофически падать, а кислорода — расти. Все это ухудшало условия для фотосинтеза растений, так что нынешняя концентрация углекислого газа в воздухе для растений далеко не оптимальна. Видимо (и это одна из точек зрения ученых), многие растения просто не смогли в наилучшей степени приспособиться к новому режиму: их фотосинтетический аппарат и сейчас гораздо лучше работает при значительно более высоких концентрациях углекислоты, чем обычные 0,03 процента, и при более низких, чем современная цифра — 21 процент, концентрациях кислорода. Таковы, считается, все C₃-растения, обладающие древним и универсальным типом фотосинтеза. Но затем появилась новая ветвь — C₄-растения, более совершенные формы, лучше приспособленные к жизни в обедненной углекислотой атмосфере. Они выработали в себе мощный механизм, слой клеток мезофилла, для улавливания углекислоты, связывания и запасания ее.

Вот расхожая версия, которая, естественно, относит фотодыхание к разряду недоделок природы.

Но, может быть, все не так просто? И фотодыхание — необходимое звено жизненного цикла C₃-растений? Попробуем в этом разобраться. Начнем с того, что сахарный тростник или сорго произрастают в довольно-таки тепличных условиях: высокая влажность, обилие света, тепла. Тут основная помеха — низкая концентрация CO₂ в атмосфере. И C₄-растения успешно справились с этой трудностью.

Совсем иное у растений-«северян», C₃-растения вынуждены существовать в сравнительно суровых условиях. Тут часто возникают экстремальные, стрессовые ситуации. Быть может, и это вторая точка зрения, фотодыхание и позволяет C₃-растениям уцелеть в трудных условиях. И естественная цена выживания, расплата (жизнь или кошелек?) — это уменьшение их продуктивности. Так что, возможно, C₃-растения — это вовсе не растительные «динозавры», а так же, как и С₄-растения, — результат длительного приспособления к изменившимся внешним условиям. Они тоже прошли долгий путь эволюции, изменили морфологию, жизненные циклы, чтобы достаточно гибко приспособиться к новым условиям среды.

Разочарования… надежды!

Загадка фотодыхания, таинства C₄-пути фотосинтеза привлекают все большее число ученых самых разных специальностей — физиологов растений, биохимиков, эволюционистов, морфологов, селекционеров. Оно и понятно: тут затронуты фотосинтез и дыхание — центральные физиологические процессы, а также нужды практики, ибо есть шансы поднять продуктивность растений, увеличить выход биомассы.

Вначале суждения исследователей были чересчур категоричными, а устремления практиков слишком прямолинейными. C₃- и C₄-типы растений? Это, рассуждали тогда, как «белые» и «черные» — как две различные расы. Чтобы различать их, существовало несколько тестов. C₄-растения выдавало отсутствие фотодыхания, вполне определенная структура листа и другие признаки.

Но вскоре от таких простых взглядов пришлось отказаться. Выяснилось: у ряда растений оба пути фотосинтеза представлены одновременно! Так, у портулака, этого по всем признакам C₄-растения, по мере старения листьев усиливаются признаки C₃-растений, появляется и растет фотодыхание.

Другой интересный пример. Листья бобов фотосинтезируют по C₃-пути, а проростки того же растения явно относятся к C₄-типу.

Мощные удары опрокинули и эволюционные представления о том, что-де C₄-тип растений — это недавнее приобретение флоры, приспособление к понижающемуся уровню углекислоты в атмосфере. Нет же! Неожиданно обнаружилось, что к C₄-классу растений следует причислить и сине-зеленые водоросли, этих древнейших обитателей планеты, живших на Земле и 3 миллиарда лет назад, когда количество кислорода в воздухе составляло всего лишь тысячную часть от сегодняшнего! Понятно, в таких условиях фотодыхание вряд ли угрожало растениям.

Нет, скорее всего C₄-путь фотосинтеза необходим растениям, когда они попадают в сложные экологические условия, когда C₃-способ связывания углекислоты оказывается подавленным. Например, в условиях низкого содержания углекислоты в воздухе, когда фиксацию углерода надо вести без потерь, самым экономным способом. Ну, скажем, при высокой плотности растений, что бывает в период цветения водоемов, или в жарком засушливом климате, когда углекислота становится недоступной из-за закрытых устьиц.

В пользу экологических соображений говорят и такие факты. Есть сведения, что переключение на C₄-путь фотосинтеза дает возможность растениям активно адаптироваться и к повышенной засоленности. Далее, в стрессовых условиях (водный дефицит, например) C₃-растения также начинают проявлять C₄-признаки…

Свою долю разочарований, а надежды, мы помним, были очень большими, получили и исследователи практического склада. Ведь они надеялись выключить тем или иным способом вредный, по их мнению, процесс фотодыхания. Самое простое тут — снизить концентрацию кислорода. Однако эта мера, как выяснилось, явно угнетала развитие растений. К примеру, Лайск показал, что продуктивность фотосинтеза листьев осины при 21 проценте кислорода в воздухе (обычное содержание) на 20 процентов выше той, которая наблюдается, если растение держать в газовой смеси с 0,5 процентами кислорода.

Правда, другая крайность — подкормка растений углекислотой — себя оправдала. При повышенном содержании углекислого газа в воздухе фотодыхание слабеет, а фотосинтез становится более интенсивным.

И вновь вопросы, вопросы… Их гораздо больше, чем ответов. И это свидетельство того, что должны быть сделаны еще более значительные и для теории и для практики новые открытия. Об одном из вселяющих большие надежды явлений мы сейчас расскажем.

Амарант

C₄-растения можно разбить на две большие группы: малатные (в нее входит кукуруза) и аспарагатные. Вторые менее изучены. Поговорим о культуре, о которой человек вспомнил после четырехсот лет забвения. Называется она амарантом, что — символично! — по-гречески значит «вечный».

Амарант (второе название щирица) — это преимущественно однолетние травы с мелкими цветами, собранными в густые колосовидно-метельчатые соцветия. Травы с довольно необычным видом и свойствами.

Амарант существует в нескольких формах. В природе встречается 60 видов этого растения. 15 растет на территории СССР, 12 видов можно выращивать как культурные, но в основном это широколиственное, пурпурно-зеленое растение, которое и на широте Ленинграда может достигать двухметрового роста.

Основной стебель амаранта несет метелку с красными, оранжевыми и золотистыми цветами. Семена этого растения очень малы, они как песчинки, число их огромно — до 500 тысяч у одного растения. Что является и неудобством, затрудняет работу с амарантом, и одновременно достоинством: для посева на одном гектаре земли достаточно 0,5 килограмма семян, для кукурузы — 180 килограммов.

Амарант привлек внимание людей еще 8 тысяч лет назад. Он был пищей майя и инков, выращивался тысячами тонн в Мексике и Центральной Америке, однако испанские колонизаторы истребили эту культуру: они запрещали ее возделывание, так как полагали, что аборигены получали из нее краски, которые затем использовали в ритуальных церемониях. И к XVI веку амарант исчез. Лишь в последние десять-пятнадцать лет острый интерес к этой культуре вспыхнул вновь.

В СССР горячим пропагандистом амаранта стал заведующий лабораторией фотосинтеза Биологического института Ленинградского университета, доктор биологических наук Исхан Магомедович Магомедов. Он ездит по стране, читает лекции об амаранте, организует опытные посевы — всячески пытается привлечь внимание работников сельского хозяйства к достоинствам этой незаслуженно забытой культуры.

Амарант — культура очень продуктивная. Одно растение дает до 30–40 килограммов биомассы. Метелка с зернами весит около килограмма, что дает до 20 центнеров с гектара. Очень важны также вкусовые и питательные свойства щирицы. Семена имеют вкус, напоминающий ореховый, и могут прямо использоваться для выпечки хлеба или входить в состав добавок для выпечки.

Амарант отличается от других зерновых культур (пшеницы, риса, кукурузы) тем, что его листья можно использовать как зеленую овощную массу. Нежные листочки молодых растений богаты витаминами А, С, рибофлавином и фолиевой кислотой. Из них можно делать салат, как и из шпината. До возрождения интереса к амаранту он выращивался в небольших количествах крестьянами в деревнях Мексики, Гватемалы, Перу, Индии и Непала на зерно. А овощной вариант возделывался в Китае, Юго-Восточной Азии, Южной Индии, Западной Африке, странах Карибского бассейна.

Однако самым ценным качеством семян и листьев амаранта является то, что они содержат 16–18 процентов высококачественного белка. В пшенице же и других зерновых культурах белка значительно меньше, и, главное, он не сбалансирован по незаменимым аминокислотам.

По данным экспертов, белок амаранта оценивается в 100 баллов по принятой шкале качества, все остальные белки — животные и растительные — значительно ниже. Содержание важнейшей аминокислоты (лизина) в амаранте, по данным лаборатории Магомедова, в 3–3,5 раза выше, чем в пшенице. По мнению американских специалистов, амарант более ценный диетический продукт, чем пшеница, кукуруза, рис или соя.

Таинственное зерно ацтеков

В нашей стране свойства амаранта, как кормовой культуры, изучались в 30–50-е годы, однако дальше опытных делянок дело не пошло. Более того, растение объявили злейшим сорняком, с которым, естественно, нужно беспощадно бороться.

Да, действительно, щирица может стать сорняком, если среди зерновых или овощных культурных растений появится дикий амарант. Культурные же виды щирицы, напротив, заслуживают к себе самого уважительного отношения.

За рубежом в последние годы к амаранту проявляют очень большой интерес, особенно после того как появились данные о высоком содержании лизина в белках амаранта.

Летом 1985 года 6 линий амаранта были опробованы на полях фермеров Центрального Запада США. Получены многообещающие результаты. Помощник директора Исследовательского центра, ведущего эти работы, Чарлз Кауфман сказал следующее: «Мы дали фермерам единообразные формы, которые никогда ранее не существовали. Хотя очень мало известно о генетике амаранта по сравнению с кукурузой и пшеницей, мы показали, что быстрые улучшения возможны при использовании стандартных селекционных методов — амарант можно легко окультурить».

Трудности внедрения амаранта заключаются в следующем. Во-первых, столетиями амарант выращивали на небольших площадях. Приспособить эту культуру для крупномасштабного производства зерна, механизировать выращивание и уборку непросто: у полукультурных линий амаранта растения имеют различную высоту и могут полегать; семена в метелках созревают неодновременно, часть семян осыпается, когда другая еще не созрела.

Во-вторых, хотя амарант во взрослом состоянии растет быстро, его проростки отчего-то развиваются медленно, их легко могут заглушить сорняки. Поэтому приходится тщательно ухаживать за посевами в течение нескольких первых недель, в дальнейшем же культура не требует большого внимания.

Есть и другие проблемы, препятствующие быстрому внедрению амаранта в сельское хозяйство. Тут, однако, стоит вспомнить историю окультуривания сои, которую в США лет 50 назад только начинали выращивать для пищевых и фуражных целей, а теперь она стала там одной из ведущих сельскохозяйственных культур.

В нашей стране усилиями Магомедова и его единомышленников внедрение амаранта хотя и с трудом, но продвигается. Сотрудники лаборатории Магомедова вместе с научными работникам Всесоюзного научно-исследовательского института растениеводства (ВИР) в совхозе «Скреблово» под Ленинградом в течение нескольких лет выращивают амарант в полевых условиях. В 1985 году эта культура была посеяна на полутора гектарах, в 1986-м — на четырех. Урожай биомассы доходил до 800 центнеров с гектара. Но, к сожалению, пока в стране широкомасштабных опытов выращивания амаранта нет. Хотя, возможно, и до этого вскоре дойдет, ибо в 1987 году было создано научно-техническое объединение «Амарант».

А что делается за рубежом? Там в ряде стран амарант стал коммерческим продуктом. Так, к примеру, компания «Health Valley» из Монтебилло (Калифорния) с 1981 года начала поставлять крупы с добавкой из амаранта. Затем она стала продавать печенье, пасту и замороженные хлебцы из пшеничной муки с амарантом. Эта компания привлекает покупателей тем, что рекламирует амарант как «таинственное зерно ацтеков, забытое на 400 лет». Продажей продуктов из амаранта (зерно, мука, масло, крахмал, гранулы которого у амаранта рекордно мелки, биомасса для производства фуража или этанола) занимаются и многие другие компании.

Вот так C₄-растения преподнесли человеку еще один сюрприз. И кто знает, не сбудутся ли пророческие слова, сказанные одним из наиболее активных проповедников амаранта американцем Лео Леманом, который недавно заявил: «Вопрос состоит не в том, станет ли амарант главной зерновой культурой, а когда он ею станет».

Около 15 лет никто не сомневался в результатах, полученных Варбургом. Однако в 1939 году другие исследователи, в основном американские, нашли для квантового расхода величины, близкие к восьми. Научный интерес к проблеме резко возрос.

Критикующие Варбурга исследователи, их идейным вождем стал американский ученый Роберт Эмерсон, считали его выводы артефактом, методической ошибкой. Однако в ответ на каждое критическое замечание Варбург и его сотрудники ставили новые опыты, свободные от недостатков прежних экспериментов. И — удивительно! — всякий раз получались значения квантового расхода, близкие к четырем.

Четыре или восемь? И сегодня нет однозначного ответа. Измеряемые эффекты оказались очень тонкими. Поэтому в научной литературе можно встретить величины квантового расхода самые разные, от 3 до 12.

— Насколько важна эта проблема? — спросил я у Белла.

— Ну, прежде всего, мне кажется, — отвечал он, — здесь уместно будет вспомнить слова Тимирязева, который писал о том, что каждый луч солнца, не уловленный зеленой поверхностью поля, луга или леса, — богатство, потерянное навсегда, что это «кусок хлеба, вырванный изо рта отдаленного потомка».

Растения все еще остаются для человека высоким образцом, — продолжал ученый. — И знать, что обещает самое лучшее и совершенное в природе, крайне важно. Во всем мире сейчас начинается настоящий солнечный бум. Причины тут коренятся в энергетических и экологических трудностях. Многие ученые, инженеры, конструкторы и изобретатели строят различные варианты искусственных листьев, которые должны использовать даровую энергию Солнца. Поэтому проблема квантового расхода остается актуальной: нам надо твердо знать, на что мы тут можем надеяться…

Вот теперь, познакомившись с понятием квантового расхода, уже можно оценить потенциальный КПД растений. Приведем простые соображения, они принадлежат академику Александру Абрамовичу Красновскому.

Чтобы связать между собой молекулы воды и углекислого газа и образовать молекулу глюкозы, достаточно трех квантов красного света. Растения же реально поглощают больше: от 8 до 12. Возьмем среднюю величину — 10 квантов. Таким образом, они действуют с КПД примерно 30 процентов.

Но растения способны использовать далеко не всякое излучение. Ультрафиолет, хотя здесь энергия лучей наибольшая, для них недоступен. Не по вкусу растениям и инфракрасная область спектра. Инфракрасные лучи очень бедны энергией, их утилизируют лишь некоторые виды фотосинтезирующих бактерий.

Итог: лишь половина доступной для растений энергии солнечного излучения, та, что лежит в видимой области солнечного спектра, является для растений фотосинтетически полезной радиацией. А посему и получается: максимально возможный КПД растений при фотосинтезе составляет примерно 30 : 2 = 15 процентов.

Термодинамика растении

Дальше рассказ хотелось бы вести столь же бесхитростно, как бесхитростно, незатейливо рисуют маленькие дети… Вот паровоз с трубой, из трубы валит черный дым. А рядом оранжевый цветок — головка на тонком стебле с зелеными ручками-листиками.

Если поглядеть на эту картинку глазами взрослого, можно отметить классификационное свойство, включающее в некое единство и цветок, и паровоз. Ведь и то, и другое в конце концов — энергетические машины. Паровоз преобразует в движение запасенную в угле химическую энергию. А растение превращает энергию световых квантов в химическую энергию продуктов фотосинтеза.

Максимально возможный КПД тепловой машины определил, как известно, французский физик Сади Карно (1796–1832). Еще в 1824 году. Его расчеты покоились на законах тогда только зарождавшейся науки — термодинамики. Сейчас наши познания в ней обширны. Так нельзя ли попытаться приложить те же законы к растениям? Ведь добились же ученые и инженеры того, что КПД современных тепловозов в несколько раз выше, чем у паровоза!

Подобные попытки делаются давно. О выводах, которые следуют, если приложить законы термодинамики к биологическим объектам, говорили и писали, в частности, еще Климент Аркадьевич Тимирязев, Владимир Иванович Вернадский (1863–1945) и другие наши ученые. В Днепропетровском химико-технологическом институте имени Дзержинского новое научное направление — термодинамику растений — стал развивать доктор химических наук, профессор Октавиан Станиславович Ксенжек.

— Располагаясь на границе между почвой и атмосферой (борода корней в земле, шевелюра листьев в воздухе), растения обеспечивают интенсивный обмен веществом между ними, — рассказывал Ксенжек. — Все эти процессы должна рассматривать термодинамика растений. Надо детально разобраться в структуре энергетических затрат отдельного растения.

Эти слова Ксенжека свидетельствуют: ученые сейчас хотят понять, куда теряются кванты света и нельзя ли уменьшить величину этих потерь. Ведь тогда, очевидно, максимально возможный КПД растений значительно возрастет. А вместе с ним поднимутся реальные урожаи.

Если же заглянуть еще дальше, то, учитывая тенденцию к возрастанию энергетической цены единицы урожая при интенсификации сельскохозяйственного производства, нужно будет термодинамическими методами рассмотреть и общие принципы, определяющие условия энергообмена между биологической и технической подсистемами сельского хозяйства. Таким образом можно будет оценить уровни неизбежных затрат энергии и, сравнивая их с реальными, судить о степени совершенства различных процессов сельскохозяйственного производства с точки зрения энергетики.

Добавим к этому: кто самый крупный потребитель энергии? Не металлургия, не транспорт, не химическая промышленность, а… сельское хозяйство! За несколько летних месяцев растительный покров — эта гигантская энергопреобразующая машина, распластавшаяся по поверхности земли, получает от солнца в тысячу раз больше энергии, чем ее вырабатывают за целый год все электростанции страны.

Как в пчелином улье

Оперируя первым и вторым началами термодинамики, удается дать ответ не на один «наивный» вопрос. Скажем, отчего одиночная клетка микроскопически мала? Да потому что количество световой энергии, поглощаемой клеткой, пропорционально квадрату ее радиуса, а диффузионный поток необходимых клетке веществ этому радиусу обратно пропорционален. И с увеличением размера клетки быстро нарастает диспропорция между обилием энергии и скудостью материального баланса, оттого-то клетка и обречена быть столь ничтожно малой.

Иной энергетический расклад существует для многоклеточных организмов, растений, например. Количество энергии, поступающей к растению, приближенно пропорционально квадрату его размеров, а объем зон питания — корни, листва — даже пропорционален кубу размеров. И все же растений-гигантов мы не наблюдаем. Отчего? Дело в том, что при достаточно больших размерах транспортная система растения становится лимитирующим звеном: энергозатраты на поддержание работы транспортной системы — подача в растение минеральных солей, воды, отвод продуктов — растут пропорционально третьей степени размера растения, то есть возрастают быстрее, чем увеличиваются его энергоресурсы.

Ксенжек, делая простейшие оценки, приводя несложные формулы, демонстрирует мне (все это похоже на ловкие термодинамические фокусы, трюки), как ладно, тонко сообразованы отдельные звенья и узлы растительной машины. Допустим, проблема «лист — стебель»: оказывается, между радиусом стебля и площадью листьев имеется четко прослеживаемое соответствие, эти параметры ювелирно подогнаны друг к другу.

Говорил Ксенжек и о проблемах интеграции, о том, как из малого, из крох возникает большое, величественное.

На небольшой лист растения площадью 50 квадратных сантиметров под прямыми лучами солнца за одну секунду падает около 10¹⁹ квантов света. Столько же капель дождя выпадает за целый год на весь бассейн Волги — на треть европейской территории СССР.

— Слияние мириадов капель в могучую реку, — объясняет Ксенжек, — происходит как многоуровневый иерархический процесс: отдельные капли сливаются в мелкие струйки, струйки объединяются в ручейки, ручейки — в ручьи покрупнее, ручьи — в речушки, в реки и т. д. Иерархический характер с неизбежностью приобретают любые транспортные системы, будь то естественные или технические, если масштабы потоков на входе и выходе системы сильно различаются. Возьмем систему электропередачи: на дальние расстояния электроэнергия передается напряжением в сотни киловольт, на средние расстояния — десятки киловольт, в пределах городского района порядка 6 киловольт, и, наконец, потребители в жилых домах имеют напряжение 0,22 киловольта…

В этой беседе узнал я о многом. Особенно запомнилось мне то, как изящно решает растение проблему сбора солнечного урожая и его последующей переработки. Пигментный аппарат растений прошел долгий путь эволюционных изменений. Постепенно происходило разделение труда между различными молекулами хлорофилла, которые, когда их еще было мало, в примитивных перворастениях, возможно, все выполняли одинаковые функции, совмещая непосредственное улавливание световой энергии и фотохимический катализ. Однако эти молекулы хлорофилла, действующие по принципу «и швец, и жнец, и на дуде игрец», не могли обеспечить в достаточной степени снабжения организма растений световой энергией. Пришло время специализации. И с возрастанием мощи фотосинтетического аппарата все большая часть молекул хлорофилла получала вспомогательную роль.

В пчелином улье на одну матку трудятся многие десятки тысяч рабочих пчел. Они собирают нектар, пыльцу, выкармливают личинок… Нечто подобное наблюдается и при фотосинтезе. Подавляющее большинство молекул хлорофилла выполняет лишь обслуживающие функции — сборщиков квантов света. Перебрасывая фотоны, словно мячики, хлорофиллы-сборщики практически без потерь доносят поглощенную энергию до так называемых реакционных центров. И вот в этих-то центрах несколько молекул хлорофилла (химически они ничем не отличаются от молекул-сборщиков) способствуют стоку и переработке энергетического урожая.

Каждый центр может в секунду переработать около 50 квантов света. Их надо собрать, что непросто, ибо даже при ярком освещении на каждую молекулу зеленого пигмента приходится лишь один поглощенный квант в секунду, а при слабом освещении даже за десятки секунд. Если бы фотохимическая реакция шла в той же молекуле хлорофилла, которая только что поглотила фотон, то подобная система работала бы очень неэффективно, простаивая большую часть времени. Оттого-то каждый реакционный центр и обслуживает сотни молекул-сборщиков…

На инженерную основу

— Когда о человеке образно говорят, что он живет растительной жизнью, — помню, шутил Ксенжек, — сразу становится ясно, что он пассивен и бездеятелен. Но реальная жизнь растений отнюдь не пассивна и вовсе не бездеятельна…

Да, хлопотлива жизнь растений. Они извлекают из почвы, прокачивают сквозь свои тончайшие сосуды и выбрасывают в атмосферу в виде паров громадное количество воды — порядка тысячи тонн на тонну урожая. Впитывают из почвы минеральные вещества, «разбавленные» землей в миллионы раз. Буквально по крохам собирают из воздуха углекислоту и делают многое другое. Самое же главное — растения выполняют важнейшую для человечества функцию — фотосинтез. И все это требует затрат энергии. К сожалению, «энергоемкость» тех или иных функций у растения известна лишь очень приближенно и недостоверно.

Чтобы просветлить темные места в энергетике растений, Ксенжек взялся за термодинамические расчеты. И сразу возникло много недоуменных вопросов. Так, скажем, выяснилось, что если даже в процессе дыхания растение «сожжет» все накопленные им ранее продукты фотосинтеза, то и тогда оно будет не в состоянии энергетически обеспечить комплекс идущих в нем активных процессов жизнедеятельности. Накапливая в виде зерна одну тонну органических веществ, растения прокачивают сквозь свои структуры до тысячи и более тонн воды. Количество тепла, расходуемое на испарение этой воды, примерно в 100 раз превосходит количество энергии, запасаемой в урожае. Напрашивается предположение, что большая часть полезной работы совершается растением не через цикл связывания углекислоты и последующего окисления продуктов фотосинтеза, а минуя его. Но что это за загадочные механизмы, позволяющие растению как будто непосредственно использовать солнечную энергию? Ответа пока нет.

Так же неясна судьба большей части энергии, поглощенной растительными пигментами. Обычное объяснение, что эта энергия, 50–60 процентов энергии, поглощенной растением, просто превращается в тепло, в сущности, ничего не объясняет. Оно только переводит проблему из сферы физики в сферу биологии: если высокоспециализированные светопоглощающие системы растения работают в значительной мере вхолостую и даже нагружают растение избыточным теплом, температура листьев растений в солнечный день может быть на 10, на 15–20 градусов выше температуры окружающего воздуха, то почему эти системы не были отбракованы эволюцией?

Напрашивается еще одна гипотеза: а правомерно ли рассматривать растение только как химическую машину? Не есть ли это еще одновременно и машина тепловая? Не действуют ли растения как тепловые насосы? Традиционно считается, что в процессе испарения воды листьями растение освобождается от избыточного тепла. Однако можно показать (вновь термодинамика), что при определенных условиях испарение влаги сопровождается охлаждением окружающего воздуха, а вовсе не растения!

Осознание подобных парадоксов имеет большое значение. Оно может изменить стратегию подхода к повышению продуктивности растений. Исторически получилось так, что больше всего ученые потратили сил на изучение энергетики фотосинтеза. Этот процесс создает все, что нам нужно от растений, за исключением разве тени и эстетического наслаждения! И даже сейчас все нацелено на это. А практики, следуя рекомендациям ученых, всячески стремятся облегчить растениям фотосинтез. Но, может быть, человек тут берется за дело не с того конца? Может быть, облегчив растению выполнение более трудоемких для него задач, удастся скорее добиться желаемого? И тогда мечта о КПД в 15 процентов станет реальностью?

Ксенжек полагает, что путь к решению проблемы широкомасштабного использования солнечной энергии лежит, по всей вероятности, через создание «энергетических плантаций», то есть через выращивание растений для энергетического использования биомассы. Растения, система самовоспроизводящаяся и размножающаяся и при том хорошо приспособленная для улавливания и фиксации потока солнечной энергии, позволяют создавать огромные светопоглощающие поверхности несопоставимо быстрее и дешевле, чем это возможно с помощью устройств технических.

Возможности нового, термодинамического подхода трудно переоценить. Ведь он позволит оценивать принципиальные пределы продуктивности различных видов растений в разных условиях, аналогично тому, как в технике рассчитывается предельный КПД тепловых машин. Дело будет поставлено на инженерную, технологическую основу. Конструкторы растений положат на стол «рабочие чертежи» нужных нам растений, выведут формулу их жизнедеятельности. Укажут оптимальную ширину капилляров, что облегчит испарение — этот, возможно, наиболее тяжелый для растений процесс. Жизнь возникла в воде! Растения «высадились» на сушу лишь недавно, и жить на ней им нелегко. Вычислят необходимую архитектонику листвы, позаботятся о надлежащей «фигуре» растений. Сейчас человек, заботясь лишь о плодах, делает ставку на «толстяков», а они, увы, страдают одышкой. И не только усовершенствуют конструкцию растительных машин, но и укажут правила их грамотной эксплуатации.

Пока все это только мечты. Но знание вечных законов природы, которые открывают ученые, прокладывает пути к тому, чтобы они стали реальностью.

Накормит энергия! Этот лозунг-мечта и обещает и вместе с тем обманывает. Как мы сейчас убедимся, он предлагает больше, чем реально может дать.

Прежде крестьянин торговал солнечным светом, воздухом и своим трудом. Теперь же человечество подошло к тем рубежам, когда уже уместно спрашивать: а почем солнечные лучи? Во что обходятся прежде казавшиеся неисчерпаемыми, бесплатными вода, воздух, почва?

Эти строки римского поэта Горация (65–8 годы до нашей эры) удачно характеризуют положение, сложившееся сейчас в сельском хозяйстве. Обозначились рубежи, слепое стремление к которым грозит превратиться в бессмыслицу. Вот пример. В США производство продуктов питания для одного человека требует 1,2 · 10⁶ килокалорий энергии в год. Если бы все страны мира приняли американскую энергетическую диету и технологию производства продовольствия, то разведанные ресурсы нефти были бы исчерпаны всего за 13 лет!

Выходит, ставка только на энергию себя не оправдывает. Более того, энергетические затраты в сельском хозяйстве надо уже не увеличивать, а снижать. Ведь выясняется, что идея зеленой революции не оправдывает себя даже в условиях США, хотя эта страна находится в исключительно благоприятных почвенно-климатических, энергетических и технологических условиях.

В США, да и в других передовых государствах уже зафиксированы рекордные урожаи. Для пшеницы, ячменя, кукурузы они составляют 150–250 центнеров с гектара, для сахарной свеклы, картофеля — 1000–1200. Однако — и это важный момент! — при массовом производстве урожайность тех же культур обычно оказывается в несколько раз ниже. Чтобы понять, где тут собака зарыта, пришлось бы долго на разные лады склонять словосочетания, обязательной приставкой к которым явилось бы слово «экология».

Это просто знамение времени! Человек все более переходит от коммерческого сиюминутного, чисто потребительского мышления не только к энергетическому (оно, видимо, также носит переходный характер) видению процессов, но к мышлению долговременному, даже, можно сказать, вечному — к мышлению экологическому.

Беда в том, что человек упорно навязывает свои представления природе. Товарное производство продуктов питания привело к чистым одновидовым посевам — только пшеница, только рожь, сплошные посадки подсолнечника, кукурузы, это своего рода «солдатики», бесстрашно шагающие навстречу граду снарядов и пуль, которые в них сыплет и природа (климатические невзгоды, бедность почв и так далее), и многие их недруги — сорняки и различные вредители.

Трудно приходится «солдатикам», тесно им в поле: все растения требуют одного и того же набора ресурсов, их корневая система уходит на одну и ту же глубину, они одновременно зацветают и созревают. Словом, буквально наступая друг другу на пятки, они все занимают одну и ту же экологическую нишу. И оказывается, что по сравнению со своими дикими сородичами культурные растения хуже пригнаны к окружающей среде. Что, впрочем, неудивительно: ведь тысячи лет люди развивали в культурных растениях главным образом одно качество — продуктивность. Поэтому на опытных участках при постоянной и дорогостоящей опеке культурные сорта выказывают чудеса урожайности, при массовых же посевах в известной мере предоставленные сами себе, брошенные на произвол судьбы они, попав в трудные условия, свою урожайность теряют.

Львы, верблюды и шакалы

В ГДР создают заповедники для сорняков. У сорняков есть чему поучиться. По ним можно определять состояние почвы: ее потребность в известковании, режим удобрений… А еще сорняки помогают понять природу живучести растений.

Существует такое экологическое понятие — стратегия выживания растений. Еще в конце 20-х годов нашего века советский биолог Леонтий Григорьевич Раменский (1884–1953) по этому признаку разделил растения на три типа: на «львов», «верблюдов» и «шакалов». У львов способности борца, они, захватывая львиную долю почвенных ресурсов, теснят с поля конкурентов. «Верблюды» отличаются выносливостью к неблагоприятным условиям существования, а «шакалы» — их спасает быстрота размножения.

Дикие растения успешно пользуются всеми этими тремя стратегиями. Помогают им утвердиться на земле и разные другие хитрости. К примеру, как только наступают невзгоды, многие сорняки уменьшают свои размеры с тем, чтобы хотя бы часть их могла выжить. Семена самых опасных сорняков прорастают неодновременно, одни из них успевают отцвести до начала уборки, другие же, напротив, цветут после нее…

Снабдить культурные сорта растений цепкостью сорняков, их стойкостью и выносливостью — цель, которую сейчас ставят перед собой ученые. Это крупный резерв увеличения эффективности сельского хозяйства. И уменьшения энергетических затрат!

Попытки мобилизовать естественную энергию, заключенную в самих растениях, делает экологическая генетика культурных растений. В СССР эту новую науку развивает отряд ученых, возглавляемый членом-корреспондентом АН СССР президентом АН Молдавии Александром Александровичем Жученко. Задача эта сложна, ибо на генетическом уровне надо разбудить, растормошить адаптивный, приспособительный потенциал культурных растений, не утеряв при этом важных для дела урожайности хозяйственных признаков.

Есть и другие обещающие идеи. К примеру, стоит попытаться пересмотреть проблему борьбы с сорняками, постараться превратить их из злейших врагов в союзников. Ведь при отсутствии на поле сорняков почвенная микрофлора обедняется. Кроме того, своими длинными корнями сорняки увеличивают биологический обмен между приповерхностным и более глубокими слоями, что уменьшает эрозию почвы. Так отчего же не попробовать создать смешанные посевы, в которых превращенные во «львов» культурные растения (интенсивные сорта с широкими листовыми пластинками, быстро развиваясь, они заглушают конкурентов) сами бы препятствовали буйному развитию сорняков. И они превратились бы в полезные компоненты такого агросообщества, могли бы, скажем, снижать почвоутомление, увеличивать содержание в ней азота…

Многое делается, многое еще предстоит сделать. Но человека не отпускает мысль стать менее зависимым от растений, добиться большей самостоятельности. В самом деле, разберемся: что делают растения? Они синтезируют из простейших химических веществ белки, жиры и углеводы — нашу пищу. Но ведь, казалось бы, то же в состоянии сделать и химики, и тогда люди наконец смогли бы стать независимыми. А может, сельское хозяйство действительно устарело и ему пора подать в отставку? И химия способна заменить естественные продукты искусственными.

Обед 2000 года

5 апреля 1894 года на банкете синдиката фабрикантов химических продуктов с речью (она была вскоре опубликована под названием «В 2000 году») выступил выдающийся химик-органик Пьер Эжен Марселей Бертло (1827–1907). «В 2000 году, — заявил он, — не будет более ни сельского хозяйства, ни крестьян, ибо химия сделает излишним современное земледелие».

Бертло был не только замечательным ученым: он синтезировал громадное число органических соединений — аналоги природных жиров, простейших углеводородов и т. д., чем нанес окончательное поражение представлению о витализме, «жизненной силе», доказав, что химия способна обойтись без этих лжепонятий. Не только глубоким историком науки: в 1885 году выпустил в свет труд «Происхождение алхимии», опубликовал также собрания древнегреческих, западноевропейских, сирийских и арабских алхимических рукописей, с переводами, комментариями и критикой. Не только крупным общественным деятелем: министр просвещения, министр иностранных дел Франции, во время осады Парижа немцами, 1871 год, возглавлял ученый комитет защиты столицы, провел большую работу по изысканию взрывчатых веществ, отливке дальнобойных орудий, подготовке других оборонительных средств. Бертло был еще и большим мыслителем, естественно, видящим мир прежде всего глазами химика.

Вера в могущество химии дает о себе знать и в знаменитой речи Бертло: 2000 год он представлял «чисто химическим годом». Химия окрасила и мечты ученого о светлом будущем человечества. Вот его подлинные слова: «Мы будем очень близки к осуществлению мечты социализма… под тем условием, конечно, что удастся изобрести и какую-нибудь духовную химию, способную изменить нравственную природу человека так же глубоко, как наша химия изменила природу материальную!..»

Бертло не сомневался: к кануну третьего тысячелетия люди будут обладать изобилием энергии — его даст полное использование теплоты солнца («быть может, песчаные пустыни станут излюбленным местом обитания будущего цивилизованного человечества», — говорил ученый) и внутреннего жара нашей планеты. Верил, что это энергетическое половодье позволит решить задачу производства пищи химическим путем. «В принципе, — говорил Бертло, — проблема уже решена: синтез жиров и масел осуществлен сорок лет тому назад; синтез сахаров и углеводов осуществляется на наших глазах, а синтез азотистых тел (белков. — Ю. Ч.) не замедлит последовать. Таким образом, вопрос о снабжении питательными веществами, — не забудем этого, — вопрос химический. В тот день, когда будет открыт источник экономической (дешевой. — Ю. Ч.) энергии, не замедлит и производство пищевых веществ целиком из углерода, заимствованного из угольной кислоты, из водорода, взятого из воды, и кислорода и азота — прямо из атмосферы…»

В 2000 году, считал Бертло, — все пищевые продукты будут производиться в необходимых количествах на заводах. «Но не подумайте, — говорил ученый, — что в этом мире, где будет царить химическая сила, искусство, красота, все прелести человеческой жизни окажутся обреченными на гибель. Если поверхность земли не будет более служить на пользу человеку и, — прибавим шепотком, — не будет более обезображена геометрически правильной обработкой земледельца, она покроется роскошной зеленью растительности, лесами, цветами; вся земля превратится в обширный сад, орошаемый подземными водами, где человечество заживет среди изобилия и радостей сказочного золотого века».

Стрептоцид под майонезом

Бертло не был одинок в своем прогнозе, что пища будущего примет вид пилюль и таблеток, ну, в крайнем случае, концентрированного питательного желе. Проглотил с утра таблетку — сыт до обеда. За обедом ложку желе и еще две таблетки — сыт до ужина. Быстро и просто!

Фантастика? Давайте пофантазируем еще. Представьте себе: вы отправились в аптеку, словно на базар. Полкило стрептоцида, набор микстур, немного хины, листа эвкалипта, сульфадимезин, аспирин и многое другое заполнили авоську. Дома достали поваренную книгу, придирчиво подобрали удачный вариант химического меню: салат с пирамидоном, кисель из фруктозы… И не надо этому удивляться: ведь когда-то в стародавние времена многие теперь всем известные продукты были лекарствами.

Достаточно полистать страницы Геопоники — византийской сельскохозяйственной энциклопедии X века. В ней даны характеристики лечебного действия многих овощей: редьки, тыквы, свеклы, укропа, чеснока, огурцов. Особенно восхвалялись лекарственные свойства капусты. «Если отварить капусту, растереть ее, положить опять в ту же воду, в которой она варилась, и, остудив, смазать этим раны, свежие и старые, а также опухоли, то боль проходит». «Если съесть капусту в сыром виде, то она прекращает бессонницу, и страшных снов не будет…»

А знаете ли вы, что чай — обыкновенный чай — вначале использовали только как лекарство? Его пили больные для быстрого восстановления сил. Хорошо помогал чай и при отравлениях.

Трудами многих поколений из диких растений создавались культурные. Одни питали человека, другие лечили. Но случалось и так: лекарство становилось привычной пищей, и наоборот. Тысячи людей знали морковь лишь как сладкий и сочный корнеплод. А недавно ученые обнаружили: в семенах моркови содержатся ценные лекарственные вещества. Препарат из этих семян, названный даукарином, способен расширять коронарные сосуды, лечить стенокардию.

В обыкновенной капусте работники Всесоюзного института лекарственных растений открыли вещества, условно названные пока витамином U (от латинского «улькус», что значит «язва»). Новый витамин обладает противоязвенным действием.

Из ростков картофеля выделено неизвестное ранее соединение — соланин. Так стала понятна действенность старинного народного врачевания — дышать при простуде паром только что сваренного картофеля.

Еще пример: одуванчик.

Одуванчик золотой — Цветик милый, хоть простой, Он сидит среди травы, Средь зеленой муравы, Прямо к солнышку лицом, Так и смотрит молодцом! Отцветет он — не беда: Он еще милей тогда; Превращен в пушистый шар, Он наряднее всех бар; Как его ни повернешь, Скажешь: чудо как хорош!

Прав был Николай Александрович Холодковский (1858–1921) — ученый-поэт (прославился переводом «Фауста» Гёте, за что ему Академией наук в 1917 году была присуждена премия имени Пушкина), столь горячо рекомендуя одуванчик в одной из своих многочисленных «ботанических миниатюр». Это известное лекарственное растение, его использует и научная медицина, его высушенные корни применяют как горечь для возбуждения аппетита, как желчегонное средство. Однако во многих странах (Франция, ГДР) одуванчик культивируют и как огородную культуру: из молодых листьев готовят салаты, поджаренные корни могут стать суррогатом кофе.

Вот и выходит: наше меню наполовину составлено из лекарств! И что ж тут удивительного, если когда-нибудь наступит пора, и изготовленные химией синтетические лекарства, пройдя сложный путь, будут обладать не только узким лечебным действием. Вот мы и убедились, что «изделия», созданные флорой и руками химиков, не столь уж далеки друг от друга. И химизация пищи — мысль вполне допустимая.

Кулинария по-научному

В Институте элементоорганических соединений (ИНЭОС) Академии наук СССР в Москве есть лаборатории, которые называются так: лаборатория синтеза пищевых веществ, лаборатория химического запаха и вкуса и так далее. Над подобными проблемами в институте трудится около сотни человек. Есть в академии и специализированный совет «Научные основы получения искусственной пищи».

Все это создал (дело было начато в 1961 году) академик Александр Николаевич Несмеянов (1899–1980). Тогда он поставил вопрос о неотложности практических работ по получению пищи промышленными методами, минуя сельское хозяйство. Выступая в 1965 году на IX Менделеевском съезде химиков, Несмеянов говорил: «Представим себе… время, когда экономика синтеза пищи одержала верх над старинными традиционными способами ее получения. Несколько огромных заводов, расположенных в разных местностях страны, богатых углем или нефтью, вырабатывают потребную населению пищу…»

К тому времени объем химического производства достиг громадных размеров. Выпускались многие миллионы тонн новых полимеров и других химических изделий. Создалась уверенность, что и весь белок, необходимый для питания страны, также можно будет произвести чисто химическим путем.

И химики, засучив рукава, принялись за дело. Самый известный результат этих работ — получение искусственной черной икры. Такую задачу для сотрудников ИНЭОСа поставил Несмеянов. Он считал, что начинать надо с чего-то такого, что ошеломило бы людей и дало бы ученым возможность пробить стену недоверия к искусственной пище. Вот его слова: «Икра — это… реклама, что ли. Важно было доказать, что химия вкупе с биохимией способны дать и столь экзотический продукт».

Другой инициатор этой научной затеи доктор химических наук Григорий Львович Слонимский вспоминает: «…Одним из первых лабораторных образцов искусственной икры я угощал друзей в ночь на Новый год, это был 1965-й. Все были предупреждены, что участвуют в дегустации синтетического продукта; все ели и хвалили. А потом просили сознаться, что я их разыгрываю».

О том, как эрзац натуральной икры получают на заводе, однажды было рассказано на страницах газеты «Правда». Ее корреспондент самолично видел механического «осетра» — икрометную машину, которая, получив очередную порцию «корма» (исходные вещества), довольно заурчала, чуть подрагивая своим длинным сверкающим телом. Прошло небольшое время, пишет корреспондент, и из ее хвостовой части посыпалась в подставленный бак черная, по виду совсем как настоящая, икра…

Тут надо сразу же рассеять одно довольно распространенное заблуждение. Сильно ошибается тот, кто полагает, что искусственная икра — одно из чудес синтетики, что ее готовят из нефти или из ее продуктов. Отнюдь, исходные компоненты — натуральные пищевые продукты.

На заводе сквозь особое окошечко можно подсмотреть, что происходит внутри механического осетра. Вот раствор казеина — белка, извлекаемого из молока, и желатина продавливается через отверстия вращающегося диска. Горячие капли падают в холодное растительное масло и тут же сворачиваются в шарики. Поток воды увлекает их в ажурные корзиночки. Транспортер проносит корзинки через последовательно расположенные ванны с различными растворами, в которых невзрачные поначалу шарики приобретают достаточно прочную оболочку, окрашенную чаем (!), и впитывают в себя необходимое количество солей. А на заключительном этапе происходит обработка «икринок» эмульсией рыбьего жира и молок сельдевых и осетровых рыб.

Вот вам и синтетика! Вот вам и продукты из нефти! Что же, химики не справились с проблемой? Не смогли из простейших атомов «собрать» необходимое? Нет, во многом подобное им по плечу уже сейчас, но обошлось бы это слишком дорого. А ведь именно экономические соображения заставляют в конечном счете сделать выбор между различными способами получения пищи.

Белковое печенье

Технически организовать промышленный синтез пищи нелегко. Одного только хлеба в нашей стране съедают десятки миллионов тонн в год. Подобных количеств хлебопродуктов не смогли бы выпустить все существующие сейчас заводы органического синтеза. Поэтому-то ученые и выбрали, как говорится, золотую середину. И не химические таблетки, о которых писал Бертло, и не полный отказ от них, а путь постепенной химизации пищи.

Логика такова. Ведь сколько еще натуральных продуктов, которыми человек не сумел как следует распорядиться. Скажем, ценные биологические соединения, содержащиеся в отходах сельскохозяйственной и рыбной промышленности, и пока просто идущие в отвал. Тут много веществ либо невкусных, либо не усваиваемых нашим организмом. Извлечь все ценное, обогатить, сделать доступным и направить к нам на стол — это и есть кулинария по-научному, которой занимаются уже не повара, а химики.

И они мастерски справляются с таким заданием. Из малоценных продуктов извлекаются белки — самый дефицитный в питании продукт. Это белки молочные, соевые, из криля, из неходовых мясопродуктов, из низкосортной рыбы.

Другая забота химиков — облагораживание обычной пищи, улучшение ее свойств. Муку и крупу витаминизируют, добавляя в них синтетические витамины. В некоторые продукты вводят аминокислоты, минеральные соли, микроэлементы. Возникла идея сделать регулятором сбалансированного питания хлеб, обогатив его особо дефицитными биологически ценными веществами.

Химики создают и оригинальные продукты. Придумали, как получить белковый картофель, рис из зерновых отходов, макароны из казеина, белковое печенье, молоко из растений, аналоги ягод. И не надо чураться этих новинок. Ведь и сахар, и хлеб, и сливочное масло, и сыр в природе в готовом виде не встречаются! Все это тоже, по сути, продукты искусственные. И когда-то человек был их полностью лишен.

Но самая престижная задача для химиков — добиться нужного вкуса и запаха изготовленного ими продукта. И вот тут честолюбие химиков далеко не удовлетворено. Так, искусственно создать аромат хлеба им не удается.

«Семьдесят пять лет понадобилось химикам, чтобы выяснить природу хлебного запаха и определить составляющие его компоненты, — писал в статье „Чем пахнет буханка?“ кандидат химических наук А. Шамшурин. — К сороковым годам XX столетия стали известны мальтолы, диацетил, фурфурол и его производные (кстати, с запахом хлебной корки). Их назвали „ключевыми“ соединениями, ответственными за характерный хлебный запах, но это оказалось далеко не так. Неизвестными оставались десятки иных летучих компонентов, присутствующих в хлебе в ничтожных долях процента. И только с появлением методов газовой хроматографии к семидесятым годам удалось установить по меньшей мере 174 вещества, образующих хлебный аромат. Среди них 70 карбонильных соединений, 23 спирта и фенола, 32 кислоты, 17 эфиров, 21 углеводород, 9 серосодержащих компонентов и так далее. С помощью спектральных методов обнаружили еще несколько веществ, и сейчас список соединений перевалил за две сотни…»

Победа? Все еще нет. Полностью просчитать все варианты влияния компонентов на суммарный хлебный запах не под силу и самому мощному компьютеру. В лучшем случае получается удачная имитация с подобием натурального запаха. Так лишний раз нашли подтверждение слова Тимирязева. Он писал, что «ломоть хорошо испеченного хлеба составляет одно из величайших изобретений человеческого ума».

Ученые апологеты конструирования новой пищи, создавшие множество аналогов молочных, мясных и других продуктов, подчеркивают огромную значимость этого начинания. Если, говорят они, переход от пищевой технологии первого поколения (охота и собирательство) к технологии второго поколения (выращивание и переработка пищевого сырья) позволил во много раз увеличить производство продовольствия на планете, то переход к пищевой технологии третьего поколения приведет к такому качественному скачку, какой, вероятно, можно сравнить с переходом от сжигания ископаемого топлива к использованию ядерной энергии.

Насколько оправданы такие прогнозы, покажет будущее. Однако нет сомнения в том, что новые пищевые технологии помогут выправить многие дефекты, присущие пище современного человека.

Арбузные корки и автомобильные выхлопы

Обед 2000 года — каким ему быть? Неужто мы скоро станем питаться исключительно консервами? И реклама начнет диктовать, что нам есть и от чего отказываться? «Если было бы возможно, — ядовито писала одна шведская газета, — реклама, очевидно, убедила бы американское население о том, что подсоленные мыльные хлопья — прекрасная пища для завтрака».

А может, так? Может, настала пора, как полагал Бертло, взяться наконец за создание идеальной пищи и оптимального питания? Не приспело ли время наладить химическое производство питательных пищевых порошков? А то и прямо вводить в кровь питательные вещества, минуя желудочно-кишечный тракт? Это, по мысли сторонников подобной идеи, приведет к постепенной атрофии органов пищеварения (они станут реликтом нашего животного прошлого!) и будет таким образом стимулировать формирование «идеального по конструкции» человека будущего.

Еще совсем недавно в науке, классическая теория питания, господствовала доктрина баланса. Считалось, что пища должна просто компенсировать, восполнять потери аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, витаминов и некоторых солей, которые организм несет в связи с обменом веществ и выполняемой им работой. А отсюда делался вывод: надо из пищи, оставив в ней только ценные вещества, удалить все шлаки, все ненужное.

И вот мукомолы, к примеру, на протяжении столетий всячески совершенствовали свою технологию, старались из зерна получать как можно больше муки высших сортов, в которых пищевые волокна уже практически отсутствуют. Это же привело к тому, что мы едим белый сахар, полированный рис и другие рафинированные продукты.

Житель Уганды получает в сутки с пищей в среднем около 150 граммов пищевых волокон, а современный американец — только 20–30 граммов. Хорошо ли это? Плохо! И очень. Так считает новая наука — трофология («наука о питании», если перевести с греческого), которую у нас в стране активно развивает член-корреспондент АН СССР Александр Михайлович Уголев.

Трофологи доказывают, что улучшенная, обогащенная за счет удаления балластных веществ пища стала в развитых странах причиной многих так называемых болезней цивилизации, потому что организм человека нуждается не только в жирах, белках и углеводах, витаминах и микроэлементах, но и в «бесполезных» волокнах.

Рассказывают, что Петр I, оставив дворцовый стол, месяц сидел на солдатской еде, велел готовить себе похлебку и щи да кашу, подавать ржаной хлеб, чтобы своим аппетитом — а самодержец был человеком здоровым и крепким — определить меру выдачи солдатского пайка. Рацион солдата русской армии состоял из трех фунтов черного хлеба, точнее, примерно 1300 граммов, и двухразового приема порций щей и каши. Грубая пища, но, видимо, вполне достаточная и доброкачественная. Служили же солдаты по 25 лет, исправно защищая матушку-Расею от ворогов!

Пищевые волокна? Да, они, оказывается, стимулируют работу желудка и кишечника; обстоятельство очень важное для нас, людей, ведущих преимущественно сидячий, малоподвижный образ жизни. Они поглощают (адсорбируют) многие нежелательные, а то и просто ядовитые вещества, которые либо образуются в организме, либо попадают в него извне. Волокна, особенно из отрубей и свеклы, вылавливают и желчные кислоты, снижая тем самым уровень холестерина в крови, оздоровляя сосуды и сердце. Они устанавливают правильный обмен всей внутренней среды организма (человек, учат трофологи, — это надорганизм: в нем и вместе с ним сосуществует великое множество микроорганизмов); очищают организм от промышленной грязи, например, свинца, который с выхлопными газами изрыгают потоки автомашин на улицах. Свинец лучше всего вылавливают пищевые волокна, содержащиеся в арбузных корках.

Одним словом, трофология радикально изменила представление о том, какой должна быть идеальная пища, как и чем должно питать человека. Эта наука опровергла миф о возможности питаться химическими таблетками. Она показала, что растения и разнообразные изготовленные из них блюда будут необходимы и в 2000 году, и скорее всего многие столетия после этого срока.

Химия в одиночку пока не в состоянии накормить человечество. Но, может, в деле этом существенную помощь ей окажут микробы? Рассмотрим такую возможность.

Стада будущего

Благодаря микроорганизмам люди издавна получают вино, пиво, сыр. И нужные для выпечки хлеба дрожжи. Дрожжи появились в Египте примерно в середине второго тысячелетия до нашей эры, но употребляли их редко. У древних греков и римлян хлеб, изготовленный с помощью дрожжей, считался большой роскошью.

Любопытно, что люди, умевшие выпекать хлеб, имели в те времена большой авторитет. В Древней Греции булочник мог занять очень высокий пост. В Риме раб, умевший печь хлеб, стоил в десять раз дороже самого искусного гладиатора. А по старым германским законам преступник, убивший пекаря, наказывался втрое строже, чем за убийство любого другого человека.

Услугами микробов мы пользуемся давно и все же до самых недавних пор свои продовольственные надежды связывали с растениями и животными, а не с микроорганизмами. А ведь они могут дать людям не синтетические, а натуральные продукты. Причина нашего просчета проста: тысячелетиями люди и не подозревали о существовании рядом с ними особого мира. И лишь недавно человек обратился к невидимкам за помощью.

Однажды автору этой книги довелось побывать в Риге, в Институте микробиологии имени Кирхенштейна Академии наук Латвии, побеседовать с заместителем директора Института академиком Мартином Екабовичем Бекером.

Интерьер комнаты, где мы с Бекером находились, был необычен: всюду на стенах, от пола до потолка, — фотографии. Черные, белые тона всевозможных оттенков. Но нет на них ни человеческих лиц, ни пейзажей, а все какие-то нити, палочки, запятые, хвостики — странный и неведомый мир.

— Это стада будущего, — заметив мое удивление, сказал тогда Бекер. — Фотопортреты микроорганизмов — дрожжей, бактерий, плесневых грибов, снятых с помощью самого современного электронного микроскопа со сканирующей приставкой. Вы видите микробов за работой…

Подведя меня к серии фотографий, он добавил:

— Вот, взгляните, что делают эти невидимки с соломой. Как она тает буквально на глазах. А микробы, поедая бесполезную для желудка человека и животных целлюлозу, быстро (фото через половину суток, сутки…) увеличивают свое число. Их крошечные тельца, как и все живое, на 35–50 процентов состоят из белка. Он-то и может пойти в пищу…

— Стара, как мир, цепочка: растения — животные — человек, — позднее, когда мне удалось войти в суть микробиологических проблем, пояснил академик свою главную мысль. — Казалось бы, несмотря на все убытки, которые мы терпим (разведение скота требует больших затрат труда, электроэнергии), без животных нам никак не обойтись. Но так ли это? Давайте уточним: мы ведь, строго говоря, нуждаемся не в говядине или свинине, а в содержащихся в них белках. А их-то нам могут дать и микроорганизмы. И новая более короткая цепочка: растения — микробы — человек оказывается гораздо выгоднее.

Мартин Екабович объяснил мне преимущества, которые сулит микробиологический способ производства белка. Он говорил, что, в сущности, каждая микробная клетка — это маленький химический завод, содержащий широкий набор биологических катализаторов. Завод, который способен вырабатывать ценные продукты.

Говорил академик и о том, что микробная масса растет буквально не по дням, а по часам. Некоторые бактерии дают потомство каждые 30 минут. За 5 часов из одной клетки образуется тысяча новых. Если за сутки молодой бык в полтонны нагуливает примерно полкилограмма мяса, то 500-килограммовая масса дрожжевых клеток дает привес свыше двух тонн. Микроорганизмы в десятки и сотни тысяч раз продуктивнее животных и растений. И они «плодоносят» в отличие от растений круглый год!

Увы! К великому сожалению, микробный белок пока не может стать пищей человеку. Медицинские эксперты не спешат включить его в рацион. Не так-то легко освободить его от излишних, не усвояемых желудком, а то и просто вредных веществ-примесей. Так что сейчас такой белок идет только на корм скоту.

Микробиологический способ производства пищи — лишь одна из наметок того, как, возможно, будет кормиться человек в будущем. И потому прогнозам, предсказаниям нет конца.

Мост над полями

У Максимилиана Волошина (1877–1932) есть замечательные строки:

Быть черною землей. Раскрыв покорно грудь, Ослепнуть в пламени сверкающего ока, И чувствовать, как плуг, вонзившийся глубоко В живую плоть, ведет священный путь.

Поэт почти наш современник, но созданный им образ мог бы принадлежать и древнему римлянину, и жителю Эллады. Плуг, соха, коса, серп… — это все уходящие приметы прошлого. Не они определяют лицо сельского хозяйства наших дней. В этом старинном занятии человека заботами науки появилось множество новинок.

Эксперты считают, что вскоре на поля выйдут… роботы. Нужда в них несомненная. Скажем, на тракторах человек пашет в семь раз быстрее, чем конным плугом. Но дальше увеличить скорость пахоты не удается: уровень вибрации возрастает непомерно, человеческий организм выдержать такое не в состоянии. Уже испытываются модели трактора, работающие автоматически. Необычно выглядят их пустые кабины, без водителей. Конструкторы задумываются, а зачем нужна в таком случае кабина? Разве для того, чтобы в ней сидел робот?

По этой и другим приметам видно, что сельскохозяйственное роботостроение будет быстро наращивать темпы. И тогда придумки писателей о размышляющих, наделенных сознанием агромашинах перестанут казаться чистейшей воды фантазиями. Как репортажная зарисовка будет восприниматься такой, к примеру, отрывок из рассказа Александра Проханова «Незримая пшеница»: «Я, самоходный комбайн СК-4, заводской номер 275201, с размером жатки 4,1 метра, с пропускной способностью четыре килограмма хлебной массы в секунду, на десятом году моего бытия, утомленный и старый, стою на краю хлебной нивы, быть может, последней в жизни, и испытываю, как всегда, страх от ее белизны и нетронутости, предчувствие боли, ее и своей, высших, безымянно-жестоких сил, столкнувших нас в истребительной, насмерть работе…»

Фантазии? До них рукой подать! В 1977 году в СССР был создан первый в мире агроробот — МАР-1. Две его руки длиной в 1250 миллиметров и грузоподъемностью по 75 килограммов движутся с точностью, не превышающей 1, а на ходу — 20 миллиметров. У робота есть «глаза», «уши», органы «осязания». Этот робот создали в Московском институте инженеров сельскохозяйственного производства. А в 1984 году руководитель этих работ Валерий Иванович Васянин опубликовал в издательстве «Колос» уникальную книгу — «Сельскохозяйственные роботы». В ней рассказано, какими должны быть роботы, предназначенные для теплиц, для животноводческих ферм (тут не обошлось без сюрпризов: на испытаниях свиньям пришлись по вкусу резиновые части робота, и он остался без «кистей»), для стрижки шерсти овец, для уборки чайных листьев на плантациях, для сбора плодов с деревьев (прообразом конструкции манипуляторов здесь послужил… хобот слона!), для уборки хлопчатника…

…Тракторы, комбайны, грузовики, как полагают футурологи, в скором будущем исчезнут с полей. Почему? Потому что громоздкая техника — мощный хлебоуборочный комбайн весит 10–12 тонн, — словно стадо гигантов слонов, буквально вытаптывают посевы. При чрезмерном использовании техники теряется от четверти до трети потенциального урожая, гибнет почва: пашня уплотняется, нарушаются водный и воздушный режимы, структура почвенных слоев.

Конструкторы ладят щадящие гусеницы, пытаются облегчить вес машин, заменяя металл пластмассами, внедряя ажурные конструкции в тела стальных коней, но все это полумеры. Радикальное же средство еще в 1931 году предложил советский инженер М. Правоторов. То, что позднее было названо мостовым земледелием.

Представьте себе, что все поля разделены узенькими рельсовыми путями на полосы по 100–150 метров шириной. Обработка почвы, возделывание растений, уборка урожая возложена на мостовой кран. По форме он родной брат могучих мостовых кранов, переносящих тяжелые детали в пролетах заводских корпусов. Энергию ему доставляет либо контактный рельс, как в метро, либо кабель. К крану можно подвешивать любые сельские агрегаты: плуги, культиваторы, сеялки или уборочные машины. Никаких тракторов и комбайнов, никакой бензиновой гари, прошли одну полосу посевов, переходим на другую.

В новых мостовых технологиях все операции можно будет сделать снайперски точными. Каждое сажаемое зернышко ляжет в специально отведенную для него лунку и на строго определенную глубину. Оператор портального механизма будет получать всю необходимую информацию: количество высеваемого зерна, глубину посева и состояние почвы. Записи обо всем, что распределяется на обрабатываемой площади, будут автоматически отображаться на индикаторах и фиксироваться в памяти ЭВМ…

Котлеты из хлореллы!

А теперь еще один прогноз специалистов. Они предлагают более пристально всмотреться в океан. Осознать те возможности, которые он предлагает. Пока рыбаки добывают в морях всего 10–20 «популярных» пород рыб: сельдь, тунец, сардина, морской окунь, скумбрия, камбала, треска и еще некоторые. Между тем есть виды рыб, промысел которых развит незаслуженно слабо. Это, к примеру, акулы, мясо некоторых из них не просто съедобно, но очень вкусно.

Кое-кто из ученых начинает всерьез поговаривать о возможности возделывания морей. О выращивании для пищевых целей различных водорослей на обширных, специально для этого приспособленных «морских огородах»: аквакультура, или, точнее, марикультура.

Съедобных водорослей известно около 70 видов. По содержанию питательных веществ они подчас превосходят пшеницу, мясо, картофель. Еще более привлекают они как дешевая кормовая масса. С гектара морского дна можно получать 15 тонн водорослей, тогда как гектар луга дает не более 4 тонн травы. Морское «поле» не нужно ни пахать, ни поливать, получая десять урожаев за год.

Люди начнут питаться планктоном, этой переносимой с места на место морскими течениями смесью мельчайших растительных и животных организмов? Француз Ален Бомбар, бесстрашно пересекший на резиновой лодочке океан, кормился планктоном и уверяет, что он «иногда имеет вкус омара, когда — вкус креветки, иногда — вкус овощей». Во всяком случае, есть его можно. И это богатый источник белков, жиров, углеводов и витаминов. Но, увы, он распылен по громадным водным просторам: всего десятые доли грамма в одном кубометре воды в среднем. Вылавливать его — занятие утомительное, дорогое и пока нерентабельное.

Но если планктон не дается в руки, — может, заняться возделыванием хлореллы? Считается, что котлеты вовсе не обязательно готовить из свинины или баранины, можно и из хлореллы. Потому что эта чудесная водоросль наполовину состоит из белков.

Итак, разводим хлореллу. Для роста ей нужны только влага, углекислота, соли и свет. За сутки с квадратного метра водной поверхности удается собрать от 20 до 70 граммов хлореллы. Установки и опытные заводы для выращивания этой водоросли уже спроектированы и построены. Имеются они в Голландии, в Японии, в СССР и в других странах. С гектара получают до 500 центнеров биомассы: в десятки раз больше, чем удается снять с поля, вырастив лучшие урожаи пшеницы! Беда только, что необходимо очищать хлореллу от не усваиваемых желудком человека и просто вредных примесей. Пока хлорелла идет — витаминные, белковые добавки — лишь на прикорм домашнему скоту и птице.

Как накормить человечество? Споры не утихают, список предложений, как пополнить рацион землян, все растет. Вот, скажем, такое предложение — питаться… листвой. Пока мы добываем из листьев лимонную кислоту, но ведь в них много пригодного для питания белка. Особенно у бобовых растений. Сок из листьев диких растений выжимается прессом и после обработки превращается в твердую массу зеленого цвета. Эксперты утверждают, что по питательности такой продукт близок к молочному казеину.

Ночное солнце

Предположения, научно-технические проекты. Среди них выделяется масштабами мечта ученых создать… ночное солнце.

Представим такую картину. Весна. Она всегда торопит земледельца: с утра и до самой темноты снуют в поле трактора. Как мало времени, как много надо успеть! Но вечерние сумерки не отсрочишь. Световой день иссяк. Однако машины не спешат покинуть поле. Механизаторы словно чего-то ждут. И вот над горизонтом появилась яркая звезда, за ней — вторая, третья… Спутники! Стремительно набирая высоту, они заметно прибавляют в свечении, и скоро на поля полился яркий свет, словно несколько полных лун сошлись воедино. Они и выплеснули на Землю потоки спасительного для механизаторов солнечного света, отраженного космическими спутниками-рефлекторами.

Фантастика? Скорее реальность. Впервые идея космических рефлекторов была высказана в 1929 году немецким исследователем Германом Обертом. С тех пор уже около десятка различных конструктивных схем спутников-рефлекторов предложили ученые из разных стран. Один из них в настоящее время разрабатывается в Московском авиационном институте. Здесь выполнен проект орбитального эксперимента со спутником-рефлектором массой, ее надо всячески снижать, не более 200 килограммов и площадью рабочей поверхности 110 квадратных метров. Эти размеры, отнесенные к единице массы конструкции, должны быть как можно большими.

Ночное солнце не только позволит сокращать сроки полевых работ. Чрезвычайно интересна перспектива противодействия кратковременным ночным заморозкам на почве, а также возможность осушения посевов после ливней. По оценкам специалистов, в сельском хозяйстве осветительная система, если считать, что она эксплуатируется всего 20 ночей во время уборочного сезона и используется для обслуживания 10 районов, даст дополнительно за год 13 миллионов человеко-часов. Это означает, что в те же сроки то же количество людей сможет убрать урожай дополнительно с 1 миллиона гектаров. Кроме того, надо полагать, что при соблюдении определенных правил освещения наземных районов с помощью спутников-рефлекторов можно стимулировать фотосинтетическую деятельность растений и повышать урожайность. Таким образом, за 10–15 лет существования на орбите осветительной системы можно рассчитывать на весьма существенный доход от применения космических зеркал.

Фантазии, превращающиеся в дело. А отчего бы не отправить сельскохозяйственные фермы в космос? Поближе к Солнцу. На планете становится тесно, а просторы космоса безграничны! Скажут: там нет земной тверди? Ну, это дело поправимое. Вот что на сей счет думает американский писатель и ученый Айзек Азимов: «…в первую очередь в космосе будут возведены колонии с почвой, доставленной с Луны и доведенной до идеального плодородия. Космические фермы будут размещаться в специальных цилиндрах длиной в несколько километров. В них можно будет поддерживать требуемые атмосферные условия, влажность и температуру. Важно отметить, что в этих сельскохозяйственных мирах не будет никаких вредителей…»

Как видим, многие проблемы (правда, пока лишь мысленно!) удастся решить. Вначале, предлагают фантасты, следует колонизировать все планеты нашей Солнечной системы: Марс, Венеру и так далее. Затем — не отправляться же за три моря к соседним звездам! — можно будет раздробить планеты на более мелкие и устроить вокруг Солнца искусственный зеленый биопояс жизни…

* * *

Далеко занесли нас мечты — в XXI, даже, видимо, в XXII век. А мы в основном обсуждали «меню» 2000 года. Срок недалекий, зато тут уж можно твердо сказать: основную пищу для нас и в начале третьего тысячелетия будут готовить растения.

Так вот вдруг, сразу отказаться от хлеба, молока, мяса? Забыть про чай и кофе, перец и горчицу? Перейти к хлорелле, микробному белку, химической пище? Нет, такое вряд ли случится. Да мы просто не в состоянии будем это сделать к году 2000-му. Пока кормить нас по-прежнему будут растения, возделываемые, видимо, в основном традиционными способами.

Фотосинтез, ростовые процессы — это, несомненно, ведущие факторы в борьбе за урожай. Но можно ли забывать о погоде?

…Родившийся где-то в ледовых просторах Арктики мощный циклон, прорвав заградительные кордоны прогретых июльским солнышком теплых слоев воздуха, неожиданно обрушился на европейскую часть СССР. Покрывая за сутки сотни километров пути, нес он не только обильную влагу, столь необходимую изжаждавшейся земле, но и затяжные, не ко времени, губительные для растительности холода, вплоть до заморозков на почве. И результаты долгих бдений, томительной муштровки растений, итоги предусмотрительности земледельцев, их порой каторжного труда — все разом ставилось под удар. А надежды на полновесный урожай вновь откладывались на год. По крайней мере!..

Нарисованная картина — плод чистого, хотя никаких особых фантазий здесь нет, воображения. А вот реальные факты. По американским данным, ежегодные убытки национальной экономики США от неблагоприятной погоды составляют около 13 миллиардов долларов, из них больше 60 процентов приходится на сельское хозяйство. Даже в условиях высокой культуры земледелия погода по-прежнему остается лимитирующим фактором. На территории СССР природа более сурова, чем в США или в Западной Европе. Если у нас в благоприятных условиях находится всего 28 процентов земельных площадей, то в США — 79,9 процента.

Предотвращение погодных убытков — в первую очередь забота агрометеорологов. В нашей стране агрометеорологическая служба или просто «Служба урожая» была создана декретом Совета Труда и Обороны, подписанным Владимиром Ильичем Лениным в апреле 1921 года. Сейчас агрометеонаблюдения круглогодично проводят 2,5 тысячи станций и почти 16 тысяч постов, раскиданных по необъятным территориям СССР. Для слежения за погодой, посевами и окружающей их средой используются сотни типов всевозможных приборов: ауксанографы, снего-, влаго- и осадкомеры, фотометры, пиранометры, актинометры, термометры, барографы — все не перечесть! Регистрируется сложный комплекс связанных с погодой характеристик. Запасы продуктивной влаги в почве непосредственно под сельскохозяйственными культурами, время наступления фаз развития растений. В зимний период идет слежение за температурой почвы на глубине узла кущения озимых (3–4 сантиметра), проводится выборочное отращивание озимых для определения их жизнестойкости…

Лавина информации обрушивается на земледельцев. Справиться с ней, переварить ее способны только ЭВМ. Но даже при их посредничестве как не захлебнуться в этом изобилии данных? Трудные задачи приходится решать. Потому-то ежегодно и собирается Всесоюзный рабочий проблемный семинар ученых, имеющий непривычное название ПУМ (аббревиатура слов «погода» — «урожай» — «математика»). Математики, биологи, агрофизики, агрономы, метеорологи, географы, почвоведы хотят оградить урожай от погодных неурядиц, сделать его стабильным.

Многие видные исследователи стали постоянными участниками ПУМа. К примеру, доктор технических наук Ратмир Александрович Полуэктов (Агрофизический институт, Ленинград). Он разрабатывает имитационные модели, проверяя расчеты, выполненные на ЭВМ, на экспериментальных полях института.

Доктор физико-математических наук Эраст Григорьевич Палагин (Ленинградский гидрометеорологический институт) создал модели перезимовки озимых. Причин, вызывающих повреждение и гибель озимых, превеликое множество. Вымерзание, выпревание, вымокание, наличие притертой к поверхности почвы ледяной корки, выдувание, выпирание и механические повреждения всех мастей за счет частой смены оттаивания и замерзания почвы. Палагин поставил и решил задачу о распределении тепла в системе: атмосфера — снег — мерзлая и талая почва. Кроме того, в память ЭВМ ввели подробные сведения о прошедших дождях, снеге, параметры почвы и все другие необходимые данные. И — чудеса науки! — машина с вероятностью 93 (!) процента способна определить, какие культуры перенесли тяготы зимы, кто погиб, у кого повреждены корни, что надо пересеять… Модель Палагина проверялась на полях под Новосибирском и Воронежем.

Интересны работы москвича доктора технических наук Евгения Петровича Галямина. Он разработал методы оптимизации оперативного распределения водных ресурсов при орошении. Как, куда, сколько воды необходимо дать растениям. И все это в быстро меняющихся условиях…

Творческое, очень плодотворное сотрудничество математиков с представителями других наук, пекущихся о нуждах сельского хозяйства, продолжается. На очередных совещаниях ПУМа вновь разгорятся жаркие научные споры между энтузиастами-единомышленниками.

ПУМ — неформальное содружество ученых. Официальным же главным штабом агрометеонауки страны является Всесоюзный научно-исследовательский институт сельскохозяйственной метеорологии (ВНИИСХМ) Государственного комитета по гидрометеорологии и контролю природной среды. Институт этот был создан в 1978 году и находится в небольшом городке ученых Обнинске, расположенном в Калужской области.

И вот я в Обнинске, благо езды из Москвы туда два часа на электричке, беседую с директором ВНИИСХМ кандидатом биологических наук Иосифом Генриховичем Грингофом.

— У агрометеорологов, — рассказывает Грингоф, — немало еще и просто нелегкого физического труда. К примеру, для определения влажности почв обычно используется ручной бур. Долгое это дело: образчики надо извлечь, поместить в специальные алюминиевые стаканчики, сушить 8 часов в термостате, затем, проведя новое взвешивание, приняться за расчеты. Или, допустим, оценка урожайности зерновых. Так называемая метровка, рамка размерами метр на метр, накладывается на посев, количество стеблей, которые попали в нее, надо тщательно пересчитать. Нагнувшись, на корточках многие часы — на тысячу стеблей уходит примерно 1,5 часа — проводит человек за утомительным занятием: в день удается проанализировать лишь несколько рамок. Для облегчения работы к уже имеющейся большой армии приборов мы стараемся добавить новые, более удобные и совершенные. И все же будущее агрометеонаблюдений, без сомнения, принадлежит авиационной и космической службе…

Вместе с Грингофом я перехожу в отдел аэрокосмических методов исследования агрометеобъектов, где мне показывают удивительные средства для слежения за развитием растений.

…Экран дисплея, словно бы спросонок, моргнув пару раз, вдруг вспыхнул ослепительно ярким многоцветьем. Будто бы в комнату втащили кусок радуги, щедро изливающей все цветовые тона, от красных до фиолетовых. Так демонстрировал свои возможности комплекс технических средств «Диск», созданный в ГДР фирмой «Роботрон» и предназначенный для распознавания образов. В данном случае требовалось проявить умение оперативно и толково отличать посевы озимой пшеницы от кукурузы, люцерны от сахарной свеклы, поля клевера от лесных угодий. Их запечатленный из космоса образ, записанный на магнитную ленту, с помощью монитора мог быть выведен на телеэкран.

— Недостатки информации, которую дает наземная сеть постов и станций, очевидны, — рассказывает заместитель директора ВНИИСХМ по науке кандидат географических наук Александр Дмитриевич Клещенко. — Станций просто мало, ну максимум три на область, поэтому данные получаются «точечными» и до известной степени случайными. Кроме того, эти агрометеовести поступают неоперативно: пока обследования проведут, пока составят сводки, пошлют телеграммы… Данные же со спутников разом охватывают громадные площади посевов, времени на сбор этих сведений уходит минуты, так что, получив известия по радиоканалам, уже через полчаса можно приступить к их анализу. Хуже обстоит дело с интерпретацией. Ведь надо не только различать одну культуру от другой, не только оценивать площади посадок, но «видеть» их структуру: высоту, состояние растений, фазы развития и многое другое. Ну и, понятно, у спутниковой агрослужбы есть и досадные прорехи: скажем, облачный покров может заэкранировать посевы, сделать их невидимыми. Здесь-то должны выручать авиация и средства наземных наблюдений.

Идущая со спутников, самолетов, передаваемая по телетайпам закодированная в телеграммах информация поступает к тем, кто командует ходом посевной, кампанией агротехнических мероприятий, операциями по уборке урожая. Спрашивается, в какие формы надо облечь эти сведения, чтобы они стали компактными, легко обозримыми? Чтоб командирам полей было легче принять решение? Чтоб извлечь из данных наибольшую пользу? И на эти вопросы дают ответы математики.

Погода полями правит

На письменном столе разбросаны карандаши. Доктор физико-математических наук заведующий отделом математических моделей агроэкологических систем ВНИИСХМ Олег Дмитриевич Сиротенко берет поочередно карандаши нужного цвета, и на листе бумаги передо мной возникают паутины схем. Сиротенко один из активнейших пумовцев, я давно мечтал о встрече с ним.

— Моделирование системы погода — урожай, — говорит Олег Дмитриевич, — пережило уже несколько этапов своего развития. На смену описательным концепциям (первая четверть нашего века, когда еще только формировались обобщения данных агрономии, физиологии растений, а также выкристаллизовывались методы решения задач тепло- и влагообмена в приземном слое и почве) пришел второй этап (примерно 40–50-е годы), этап «статистический», пора установления эмпирических связей между входами и выходами посева (агроценоза), а затем (наше время) и наиболее полный и адекватный действительности, позволяющий отчетливо представлять как биологический, так и физический смысл явлений, третий этап — «физико-математический».

Сиротенко подводит меня к стендам. (Видимо, это следы какой-то недавней научной конференции.) Показывает демонстрационные плакаты, что-то ищет в стопке лежащих у него на рабочем столе чужих диссертаций. Он только что вернулся из Москвы, где исполнял священную роль оппонента. Мы перемещаемся к доске, и писанные мелом символы быстро покрывают ее поверхность. Я вслушиваюсь в его слова, и постепенно меня охватывает изумление. Нет, ведь это просто чудо! Великой похвалы достойно умение ученых имитировать, воспроизводить в своих внешне сухих схемах и моделях и трепет колеблемой ветром листвы, и грозные ливневые низвержения небесной влаги, и страшные укусы солнечной радиации при засухах, и кротовью сонную жизнь сосущих соки земли корней! Все это не может не быть уделом избранных, гордящихся своим мастерством.

— В настоящее время динамические модели погода — урожай, — словно прочитав мои мысли, говорит Сиротенко, — настолько отлажены и упрощены, что их вполне можно тиражировать. Любой владелец персонального компьютера имеет возможность начать компьютерные агроигры, спрашивать и получать ответы на сотни практически важных агрометеовопросов.

Я узнаю, что исследователи из ВНИИСХМ создали агрометеорологическую имитационную систему, сокращенно АМИС. Ее главное назначение — давать точную количественную информацию в ответ на широкий спектр вопросов типа: «Что было бы, если?..» и «Что будет, если?..» Вопросов, охватывающих, как видим, и прошлое, и настоящее, и будущее. Агрометеорологи словно бы получили в свое полное распоряжение машину времени. Они, как писатели-фантасты, могут начать увлекательное и полезное путешествие в мир Возможностей, путешествие, позволяющее лучше понять ту реальность, что пока скрыта от глаз, но имеет решающее значение для судеб сельского хозяйства.

Вопросы, их можно задавать без конца. Насколько оправдана азотная подкормка именно в данный момент? Какова северная граница рентабельных посевов кукурузы в данном году? Как оптимально разместить культуры на территории совхоза, области, края, страны? Каковы лучшие сроки сева при сложившихся запасах влаги в почве? Целесообразна ли замена в отдельных районах страны посевов озимых яровыми культурами?..

Имитационные игры будут особенно полезны тем, кто руководит битвой за урожай.

На огромной территории нашей страны каждый год, — говорит Сиротенко, — в соответствии с особенностями крупномасштабных синоптических явлений разворачивается уникальный пространственно-временной сценарий агрометеорологических условий, определяющих судьбу урожая данного года. Использование АМИС позволит анализировать эти процессы на качественно новом уровне.

Погода полями правит. Эта ставшая пословицей истина (равно как и другие проявления народной мудрости: «Сей овес в грязь — будешь князь», «Снег на полях — хлеб в закромах») ныне уже требует существенных уточнений. И будем надеяться, что скоро вопреки погоде, если она зла, и в помощь ей, если добра, править полями будет также и математика. Порукой тому — новейшие исследования советских агрометеорологов.

Исследуя под микроскопом ядра клеток дрозофилы, Морган и его ученики установили фундаментальные факты. Особые ядерные тельца — хромосомы (от греческого «chroma» — «краска» и «soma» — «тело», названы так вследствие способности хромосом сильно окрашиваться определенными красками, они делают хромосомы хорошо видимыми, что облегчает их изучение) меняли свою структуру, форму вместе с изменениями облика самой дрозофилы. Значит? Следовательно, сделал Морган вывод, гены должны локализоваться именно в хромосомах.

Не сразу, не вдруг пришел Морган к такому заключению. Хромосомная теория наследственности стала результатом огромной серии (благо плодовитость дрозофилы позволяла!) экспериментов.

Понятно, поначалу моргановские представления многим казались невероятными. Николай Иванович Вавилов, в 1921 году побывавший в США у Моргана, вспоминал позднее: «В этой лаборатории скептики выслушивались с особым вниманием. Исходя из сложности явлений наследственности и развития, мы полагали в то время, что строгое расположение генов в хромосомах в виде бус в линейном порядке мало вероятно. Такое представление казалось нам механистическим. Подобно другим, мы высказали наши сомнения Моргану. Он ответил нам, что он сам, как эмбриолог, вначале был большим скептиком, но колоссальное количество фактов наиболее просто объяснялось и объясняется линейным расположением генов. Он предложил нам посвятить несколько дней конкретному просмотру опытных материалов, на которых построена линейная гипотеза, добавив при этом, что охотно согласится с любой другой гипотезой, удовлетворительно объясняющей все наблюдаемые факты».

Опыты Эвери

Состав хромосом, их строение необычайно сложны. Это смесь многих компонентов. Тут и открытые Мишером нуклеиновые кислоты. Их названия ДНК и РНК, это сокращения, которые, должно быть, из-за позднее осознанного почтения принято писать с большой буквы; полное же и труднопроизносимое их название — дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты. И различные белковой природы ферменты (а белки с давних пор считаются основным элементом жизни; здесь можно сослаться хотя бы на известную цитату из «Анти-Дюринга»: «Жизнь есть способ существования белковых тел»), и многие другие вещества. Так что же из них ведает наследственностью? Определяет ее? Служит ее материальным носителем?

Ответы на все эти вопросы, казалось бы, дали опыты Освальда Теодора Эвери (1877–1955), человека, как и Мишер, большой скромности и сдержанности. Ему было немало — 67 лет, когда он, сотрудник Рокфеллеровского института в Нью-Йорке, сделал важный вклад в учение о генах.

В 1944 году в статье Эвери и его сотрудников была раскрыта химическая природа вещества, ответственного за наследственные изменения.

Эвери экспериментировал с пневмококками, микронных размеров бактериями, вызывающими у людей воспаление легких. И показал, что наследственные черты могут передаваться от одной бактерии к другой через посредство очищенного препарата молекул ДНК.

Исследователи, вводя в культуру пневмококков ДНК, выделенные из микробов того же вида, но другой расы, вызвали у пневмококков появление нового признака, которым они прежде не обладали, но который наблюдался у бывших владельцев ДНК.

Чтобы еще больше уверить себя и мир в своей научной правоте, экспериментаторы провели и контрольный опыт: перед тем как вводить, разрушили ДНК. На этот раз эффект передачи нового признака не отмечался.

Важные наблюдения. До этого считалось общепринятым, что гены — это особый тип белковых молекул, но нуклеиновые кислоты вовсе не были белками!

Если учесть еще и тот факт, что присутствие ДНК было обнаружено в хромосомах всех клеток, опыты Эвери заставляли предположить, что все гены состоят не из белка, а из ДНК. А если это так, то в раскрытии секрета жизни вовсе не белки станут Розеттским камнем. (Эта базальтовая плита с идентичными надписями на древнеегипетском и древнегреческом языках помогла в 1822 году Жан Франсуа Шампольону начать расшифровку египетской иероглифической письменности.) Именно ДНК, казалось бы, должна дать ключ, который позволит узнать, каким образом гены определяют, в числе прочего, цвет наших волос и глаз, вероятно, и наш ум, а может быть, и нашу способность нравиться другим.

Тут историки науки вынуждены были вспомнить событие 75-летней давности — обнаружение Мишером нуклеиновых кислот. Осознать значимость этого открытия, воздать должное этому скромному подвижнику науки.

Впрочем, в 40-х годах мнение о связи генов с ДНК еще не было однозначным. Многие тогда считали бактерии (пневмококки!) совсем особой формой жизни, где все не так, как у человека или животных.

Были и другие сомнения. Прославленный генетик Г. Мёллер полагал, что ДНК — это просто вещество, способное вызывать изменения в генах (то есть производить мутации). А что-де сами-то гены все-таки имеют белковую природу…

Трубадур генетики

Так что же все-таки собой представляют гены? Как устроены? Какова их молекулярная природа? Об этом в 30-е годы нашего века в Берлине велись горячие споры в группе интересующихся биологией физиков. Заводилой тут был немец Макс Дельбрюк, в 1937 году он эмигрировал в США. Он-то и пригласил русского биолога Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского обучить физиков генетике.

Тимофеев-Ресовский (1900–1981) — один из создателей радиационной биологии, родился в Москве, в годы гражданской войны с оружием в руках в рядах Красной Армии защищал Советскую власть, окончил МГУ, был учеником известных русских генетиков Николая Константиновича Кольцова (1872–1940) и Сергея Сергеевича Четверикова (1880–1959), участник (1921–1925) известного тогда в научных кругах Москвы семинара, который в шутку называли «Дрозсоор», что означало «совместное орание дрозофилистов».

Кольцов на запрос наркома Николая Александровича Семашко послать кого-то из советских генетиков для организации генетической работы в Германии назвал Тимофеева-Ресовского. Так этот ученый оказался в Германии, где вынужден был оставаться до 1945 года. Широким кругам имя Тимофеева-Ресовского стало известно лишь после публикации повести писателя Даниила Гранина «Зубр», хотя этот ученый является автором многих капитальнейших исследований в генетике. Именно он вместе с немецкими физиками Куртом Циммерманом и Максом Дельбрюком сделали для биологии то, что когда-то Эрнест Резерфорд сделал для физики.

Резерфорд (1871–1937), обстреливая альфа-частицами металлические экраны из золотой фольги толщиной в несколько тысяч атомов, установил, что подавляющее большинство атомных снарядов пролетало сквозь преграду, как если бы она была прозрачной, лишь малая их часть, примерно одна альфа-частица из 8 тысяч отклонялась на значительные углы и даже поворачивала назад! Так у атома было обнаружено ядро, так была создана планетарная модель атома, с ядром — Солнцем и планетами — электронами.

Примерно к тому же результату пришел и Тимофеев-Ресовский. Он подвергал дрозофил действию строго определенных доз ионизирующего излучения и регистрировал число мутаций, наследственных изменений. В его опытах, как и у Резерфорда, лишь малая часть квантов излучения производила мутации. Так Тимофеевым-Ресовским и его немецкими коллегами было показано, что, подобно ядру в атоме, гены занимают в клетке лишь ее ничтожнейшую часть. Исследователи, рассматривая генетические структуры как «мишени», оценили объем одного гена — его размер составлял 3 тысячи атомов. Так были вычислены линейные размеры гена.

С этой-то работы практически и началась молекулярная генетика. Это и другие исследования Тимофеева-Ресовского свидетельствовали, что он умел в сложном увидеть его главные, наиболее существенные черты, мог так упростить ситуацию, чтобы при этом не выплеснуть с водой и ребенка. Ученый любил повторять:

— Нам деньги платят не за то, чтобы усложнять, а чтобы упрощать.

Бму принадлежит много шутливых афоризмов. Оценивая некоторых ученых, он обычно приговаривал:

— Этот звезды неба не портит (то есть звезд с неба не хватает. — Ю. Ч.).

«Что есть ген?» — наседали на Тимофеева-Ресовского, когда он оказался в Германии, въедливые немецкие физики. «Какова его структура? Каков смысл мутаций генов?..»

— А вот я вас, физики, спрошу, — отвечал находчивый в дебатах (его многочасовые — обычно он метался по аудитории из угла в угол, словно тигр в клетке, — лекции никого не оставляли равнодушными), любящий выступать перед любой аудиторией Николай Владимирович. Статьи же этот «трубадур генетики» писать не любил; если удавалось записать его выступление, то запись можно было сразу, лишь расставив знаки препинания, публиковать как научную работу — так точны и продуманны были все формулировки, так строга логика выражения.

— Я вас, физики, спрошу, а из чего состоит электрон? Вы смеетесь? Но так же смеются генетики, когда у них допытываются, из чего состоит ген.

Вопрос о том, что такое ген, выходит за рамки генетики и его бессмысленно адресовать генетикам, — продолжал Тимофеев-Ресовский. Вы, физики (ему надо было бы добавить: и химики. — Ю. Ч.), должны искать ответ на него.

Когда пыль рассеялась…

Идеи Тимофеева-Ресовского и его немецких соратников о природе вещества наследственности вдохновили одного из создателей квантовой механики, лауреата Нобелевской премии австрийца Эрвина Шрёдингера (1887–1961) написать книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики?». В ней в элегантной форме Шрёдингер высказал немало ценных соображений о генах.

Во-первых, он указал физикам, что перед ними стоит фундаментальная проблема, высочайшая цель, достойная их усилий. Во-вторых, он предположил, что особые «генные молекулы», видимо, представляют собой «апериодический кристалл» (генные бусинки Моргана?), состоящий из совокупности нескольких повторяющихся элементов, точная последовательность которых, подобно азбуке Морзе, и составляет код наследственности. В-третьих, Шрёдингер поддерживал мысль, первым ее высказал другой известнейший физик, также лауреат Нобелевской премии Нильс Бор (1885–1962), о том, что некоторые биологические явления (природа гена?) нельзя будет полностью объяснить, исходя лишь из традиционных понятий физики и химии. (Увы, это предположение позднее не подтвердилось: никаких других законов физики в живом открыто не было.)

Призывы Шрёдингера были услышаны. И вскоре после окончания второй мировой войны началась совершенно новая эпоха генетических исследований. Тон в ней задавали физики. В классической генетике ген мыслился абстрактным и неделимым, романтически же настроенные физики захотели расщепить ген, словно атом, докопаться до его генной сути, до физико-химической сердцевины.

Многие физики тогда переметнулись в биологию. Эти новички были подчас малознакомы с достижениями генетики, но они привнесли с собой в эту область свое особое физическое мышление, и это оказало сильное влияние на прогресс генных исследований.

Если, как это следовало из опытов О. Эвери, гены действительно заключены в молекуле ДНК, то необходимо детально изучить ее структуру. Подобные знания мог дать достаточно развитый к тому времени усилиями физики рентгеноструктурный анализ.

Направив узкий пучок рентгеновских лучей на кристалл, удается зарегистрировать на фотопластинке за кристаллом картину, состоящую из большого числа закономерно расположенных пятен. Такая рентгенограмма позволяет установить все особенности структуры кристалла, расположение в нем атомов и их групп, их природу.

Вот такую кристаллографическую методику и пытались физики приспособить для изучения ДНК и других молекул живого. Анализируя, расшифровывая рентгенограммы, которые давало облучение ДНК, «болтая» с биологами, выпытывая у них необходимые для работы генные знания, не страшась упреков в малограмотности, не робея ни перед какими авторитетами настоящего и прошлого, надеясь набрести на особые физические законы жизни, дерзко, весело, с задором физики неуклонно шли вперед. И когда поднятая ими пыль рассеялась, из большого здания классической генетики проклюнулась, а затем, окрепнув, расправила крылья и высоко поднялась новая ее ветвь — генетика молекулярная.

Честный Джим

24 апреля 1953 года в английском научном журнале «Nature» («Природа») была напечатана статья, начинавшаяся словами: «Мы предлагаем вашему вниманию структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эта структура имеет некоторые новые свойства, которые представляют значительный биологический интерес».

Так в генных исканиях открылась новая эра. Так наконец в центр поисков была поставлена открытая Мишером 84 годами ранее молекула ДНК. Авторами помянутой статьи были тогда мало кому известные англичанин Фрэнсис Харри Крик и американец Джеймс Дьюи Уотсон.

Уотсон родился в Чикаго в 1928 году, интерес к биологии ему привил его отец. Он дарил сыну книжки о птицах, брал с собой на прогулки за город. Из чтения в публичной библиотеке разных энциклопедий Уотсон узнал слово «эволюция», стал задумываться над тем, что же это такое — живые существа и откуда они взялись.

Окончил Чикагский университет (поступил в него 15 лет!), в 22 года стал доктором философии (по зоологии), но вовсе не зоология заставила Уотсона покинуть родной Чикаго и переехать в Англию, в тихий городок Кембридж. До этого учителями Уотсона были выдающиеся генетики — Мёллер, Сальвадор Лурия и Дельбрюк. «Сам Дельбрюк, — вспоминал впоследствии Уотсон, — увлекся биологией под влиянием Тимофеева-Ресовского. И если Лурия и Дельбрюк — мои отцы, то Тимофеев-Ресовский мой дедушка в ней».

Еще с университетской поры Уотсоном владело желание познать, что же такое ген. Эта жажда и привела его в кембриджский университет, где он стал соавтором выдающегося открытия, которое потом сделало его почетным членом многих иностранных академий, консультантом президента США по науке, дало ему широкие возможности для организации исследований по молекулярной генетике.

Уотсон прославился и своими резкими высказываниями о науке и ученых. Вот одно из них: «В науке нельзя добиться успеха, не усвоив той истины, что вопреки повсеместному убеждению, поддерживаемому газетами и любящими мамашами, изрядная часть ученых не только узколоба и скучна, но и просто глупа». Другая шокирующая его ученых собратьев возмутительная реплика такова. Уотсон утверждал, что было бы лучше, если бы ученые переставали заниматься наукой, когда им стукнет 40 лет, освобождая место молодым. Забавно: сам он именно в 40 лет, забыв о собственных словах, вместе с возглавляемым им научным коллективом занялся новой для него областью — проблемой рака!

Манера Уотсона высказываться напрямик о том, что его волнует, нажила ему не только множество врагов, но и друзей. В Кембридже он получил кличку «честный Джим». В 60-х годах Уотсон выступал с требованием прекратить все исследования, ведущиеся в США в области бактериологического оружия, и превратить военный химико-бактериологический центр Форт-Детрик в мирную лабораторию.

А еще Уотсона называли «счастливчик Джим». И не только потому что научная его судьба сложилась удивительно счастливо: лауреатом Нобелевской премии он стал в 34 года. Счастливой случайностью для этого тогда еще неоперившегося биолога стала встреча в Кембридже с физиком Фрэнсисом Криком.

Атмосфера научных исканий Уотсона и Крика и окружающих их людей нашла яркое отражение в нашумевшей некогда, быстро и неожиданно ставшей наряду с последними опусами Агаты Кристи и Сименона бестселлером, переведенной на множество языков (на русском вышла в 1969 году) книге Уотсона «Двойная спираль», где подробно описаны все перипетии открытия структуры молекулы ДНК. Эта книга, пожалуй, прославила на всех континентах Земли имена Уотсона и Крика больше, чем это сделали вместе взятые все их научные труды!

Уотсон начинает рассказ с того момента, когда осенью 1951 года, переплыв океан, он появился в знаменитой научными традициями Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и вошел в состав маленькой группы физиков и химиков (не генетиков!), изучавших пространственную структуру молекул белков.

В тот момент Уотсон был никому не известным, очень молодым задиристым иностранцем. Тогда еще никто из знавших его исследователей не подозревал, какие могучие шансы на успех дает Уотсону твердая вера в то, что гены — это вовсе не белок, как это принято было думать тогда, а молекула ДНК.

«Он говорил громче и быстрее всех»

Особенный интерес для нас представляет набросанный в «Двойной спирали» портрет соратника Уотсона по изучению ДНК — Крика.

Крик родился в 1916 году, физик по образованию, степень бакалавра (во многих странах Запада это первое ученое звание, в средневековых университетах оно присваивалось студентам по завершении ими первого этапа образования: знак прохождения четырехлетней учебы в вузе, если по советским меркам) Крик получил еще в 1937 году. Во время войны работал в Морском министерстве, создавал радарные системы, средства защиты от немецких мин, с 1947 года стал работать в Кембридже, интересовался строением биологических полимеров — к ним относятся многие белки и другие важные молекулы живого.

Были тогда люди, которые сомневались в том, что научная удача еще улыбнется Крику. Известный физик Фримен Дайсон, к примеру, говорил, что ему жаль способного ученого, который упустил время, занимаясь военной наукой. А разница между военной наукой, добавлял Дайсон, и наукой вообще такая же, как между военной музыкой и музыкой, и что вряд ли выйдет что-либо путное из нового увлечения Крика биологией.

В «Двойной спирали» Уотсон утверждает, что-де бросить физику и заняться биологией Крика побудила книга Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики?». Особенно та ее часть, где Шредингер излагал свои соображения о генах.

«В то время (в 1951 году. — Ю. Ч.). Крику было уже тридцать пять лет, — пишет Уотсон, — и тем не менее он был почти совершенно безвестен. Хотя некоторые из его ближайших коллег понижали силу его быстро схватывающего и проницательного ума и часто обращались к нему за советом, его недооценивали, и большинство считало, что он слишком говорлив…»

Обладая несомненным талантом юмориста, Уотсон дает Крику такие характеристики:

«Я никогда не видел, чтобы Фрэнсис Крик держался скромно. Может быть, где-нибудь такое с ним и бывает, но мне при этом быть не приходилось. И дело вовсе не в его нынешней славе…

Он говорил громче и быстрее всех, а уж когда он смеялся, то место его пребывания было известно всему Кавендишу…

Хотя обыкновенно он был вежлив и считался с коллегами, которые никак не могут понять подлинного смысла своих собственных последних экспериментов, но все же он никогда не скрывал от них этого факта. Почти тут же он предлагал множество новых опытов, которые подтвердили бы его интерпретацию. Более того, он никогда не мог удержаться, чтобы впоследствии не сообщать каждому встречному и поперечному, насколько далеко вперед могли бы продвинуть науку его мудрые идеи.

В результате все испытывали перед Криком тайный, но несомненный страх, особенно те, кому только еще предстояло утвердить свою репутацию. Быстрота, с которой он схватывал открытие или факты и пытался внести в них ясность, часто заставляла сжиматься сердца его приятелей, опасавшихся, что вот-вот он добьется успеха и раскроет перед всем миром скудоумие своих коллег…»

«Делом простого здравого смысла»

Принято считать, что наука требует огромного прилежания, колоссального терпения, верности одним и тем же изо дня на день, из месяца в месяц, а то и из года в год занятиям. Многие столпы науки и техники писали об этом. Знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847–1932) прямо указывал: «Гений — это на 99 процентов труд до изнеможения и на один процент игра воображения».

Практика Уотсона и Крика, их путь к открытию как бы опровергает подобные представления. После прочтения книги «Двойная спираль» остается странное впечатление. Уотсон вовсе не корпел с утра и до ночи над трудными экспериментами или же изнурительными расчетами. Он откровенно признается, что всячески увиливал от скрупулезной микробиологической работы в Европе, ради которой ему и выхлопотали стипендию его руководители в США. Он едет на конференцию в Италию, где отлынивает от заседаний и из наиболее интересного для него доклада Мориса Уилкинса выносит лишь сведения о том, что структура ДНК очень однообразна. А потом возвращается в Англию и здесь основное время тратит на прогулки по аллеям Кембриджа и нескончаемые беседы с неудачником Криком.

Как же тогда, спросит удивленный читатель, союз этих людей привел к едва ли не самому важному из открытий XX века?

А разгадка проста. Дело было в том, что в основе поисков Уотсона и Крика лежали очень простые соображения. Ученые понимали, по какой дорожке им следует идти, каких ориентиров придерживаться. Все это они узнали от их старшего собрата по науке американского физика и химика Лайнуса Полинга.

Нет, Полинг не делился с Уотсоном и Криком никакими секретами, более того, даже был их потенциальным соперником. Просто этот позднее удостоенный сразу двух Нобелевских премий: как выдающийся химик в 1954 году и как известный борец за мир в 1962-м, тогда, в 1951 году, только что разгадал структуру, устройство главного «каркаса» белков. Их основным компонентом стала α-спираль. Но главным, ободряющим, вдохновляющим обстоятельством для Уотсона и Крика стало даже не это, а то, как Полинг этого добился.

Послушаем, что по этому поводу писал в «Двойной спирали» Уотсон:

«Скоро я усвоил, что успех Полинга был делом простого здравого смысла, а не результатом каких-то сложных математических выкладок. В его рассуждениях иногда попадались уравнения, но в большинстве случаев и их можно было заменить словами. Ключом к удаче Лайнуса послужило его доверие к простым законам структурной химии. А-спираль была открыта не простым созерцанием рентгенограмм: главный фокус состоял в том, чтобы задать себе вопрос: а какие же атомы рядом с какими предпочитают сидеть? Основными рабочими инструментами были не бумага и карандаш, а набор молекулярных моделей, похожий на детский конструктор.

Мы (Уотсон и Крик. — Ю. Ч.) не видели никаких препятствий к тому, чтобы не попытаться подобным же образом решить проблему ДНК. Для этого нужно было только сконструировать набор молекулярных моделей и начать играть ими — при известном везении могла получиться и спиральная структура. Любая иная конфигурация оказалась бы куда сложнее. Раздумывать о сложностях, не убедившись в том, что не годится простейший ответ, было бы непростительной глупостью. Если бы Полинг так искал трудностей, он никогда ничего не добился бы».

Смелой до нахальства

Революционное для биологии открытие было совершено в невзрачном домике, в комнатке, где едва помещались шкаф и два стола. Все было забито книгами, кристаллографическими моделями да стопками негативов. На них можно было увидеть темные пятна и полосы — это были рентгенограммы молекул ДНК.

Со стороны (могло показаться, что Уотсон и Крик действительно занимаются какой-то детской игрой. Или… разгадыванием объемного кроссворда, в котором на «вертикалях» и «горизонталях» много, очень много незаполненных клеток. Пользуясь вращающимися сочленениями, они соединяли окрашенные в разноцветные тона элементы, изготовленные из дерева, пластика, металла, в сложные сооружения, напоминающие скульптуры абстракционистов.

Надо было только угадать. Угадать, как природа соединила в цепочки четыре основных компонента, которые химики давно уже выделили из ДНК, установив их состав, — четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Как связаны они друг с другом двумя «склеивающими» элементами — сахарной и фосфатной группами?

Уотсон и Крик стремились так расположить соединенные проволочками, которые условно означали химические связи, шарики-атомы, все слагаемые модели, чтобы возведенная конструкция соответствовала рентгенограммам ДНК. Их для Уотсона и Крика получал английский физик, он тоже работал в Кембридже, Морис Уилкинс. Уроженец Новой Зеландии, ровесник Крика, специалист по рентгеновской кристаллографии, он во время войны был участникам совместного американо-английского атомного проекта, это занятие, признавался он после, намного снизило его интерес к физике, и он в послевоенные годы переключился на биофизические исследования.

Уотсон и Крик изрядно повозились. Они неустанно вращали отдельные части своей конструкции вокруг осей-проволочек, подгоняя свою «скульптуру» под данные рентгенограмм. И если соответствия не наблюдалось, приходилось разбирать модель и начинать ее сборку заново, уже в ином порядке. И так бессчетное число раз.

И все же конец этих комбинаторных исканий наступил. Однажды Уотсон и Крик обнаружили, что всем требованиям удовлетворяет модель, представляющая собой двойную спираль. Потому так и была названа книга Уотсона. Поиски можно было прекратить. Ученым повезло — они сравнительно быстро попали в точку: трудились, возясь с моделями, всего два года.

Можно было праздновать победу? Почить на лаврах? Все еще нет! И модель в виде двойной спирали, все ее детали были описаны в статье, опубликованной в «Nature», тогда, в далеком 1953 году, представлялись не более чем изящной и смелой до нахальства гипотезой.

В ней все требовало проверки. Двойная спираль? А почему не тройная, четверная?.. Произвольно ли чередуются в спиралях основные элементы — А, Г, Ц и Т? Или, как думали прежде многие, какие-то их комбинации, скажем, АТЦГ служат основными блоками и генетические послания заключены в формулах типа (АТЦГ)n, где n — неизвестные пока целые числа?.. В самом ли деле молекула ДНК закручена в спирали? Если да, то какие они — левые или правые?..

Поистине достойно удивления (недаром всё-таки Уотсона прозвали «счастливчик Джим»!), что фактически с первой попытки, занявшись молекулярным конструированием, Уотсон и Крик (много лет спустя на радостях свой дом в Кембридже Крик назовет Golden Helix — золотая спираль) поразили цель: в яблочко, в десятку! Ибо последующие детальнейшие проверки в основном подтвердили, а не опровергли их представления. Модель выдержала самые строгие экзамены. Среди экзаменаторов был и обойденный в этой научной гонке, главный соперник Уотсона и Крика — Лайнус Полинг. А высшей наградой для Уотсона, Крика и Уилкинса стало присуждение всей троице в 1962 году Нобелевской премии.

* * *

Она очень изящна, элегантна, просто очень красива, эта созданная природой за миллионы лет эволюции молекула. С чем ее сравнить? Может, со стройной новогодней елкой, увешанной хлопушками и блестящими шарами (их роль играют повторенные в различных комбинациях основания А, Т, Г и Ц — аденин, тимин, гуанин и цитозин)?

ДНК. В популярных изданиях эти молекулы часто еще сравнивают то с немыслимо длинными товарными поездами, составленными из вагонов четырех типов, помеченных литерами А, Т, Г и Ц, то со зданиями-небоскребами, сложенными из кирпичей четырех сортов. В таких сравнениях подмечено важное обстоятельство. Молекулы ДНК имеют огромную длину. ДНК — крупнейший из известных нам полимеров. Протяженность молекул наследственности в миллиарды раз больше ее толщины.

И еще одна полезная для запоминания «силуэта» ДНК параллель. Если умозрительно раскрутить уотсон-криковскую двойную спираль и уложить ее в плоскости, то эта молекула будет иметь вид веревочной лестницы, причем сахарá и фосфатные группы, превращающие ДНК в полимер, будут связывать узлы лестницы по ее длине, а несущие смысловую, информационную нагрузку основания А, Т, Г и Ц, разбившись на пары, создадут ступени этой воображаемой лестницы.

Цепь ДНК можно разбить на отдельные с особым своим смыслом отрезки. Каждый из них (важнейший итог исследований!) и представляет собой ген, эту элементарную единицу наследственности. Да, ныне принято отождествлять ген с выполняющим определенную функцию, например, синтез одного из нужных живой клетке белков, участком молекулы ДНК. Считается, что средний по размеру ген слагается примерно из 1500 пар нуклеотидов (каждый нуклеотид — совокупность сахара, фосфата и одного из оснований А, Т, Г и Ц).

Так удалось наконец в деталях и подробностях разглядеть то, о чем твердили Мендель, Морган и их последователи. Так были нарисованы портреты прежде почти мистического, абстрактного для классической генетики понятия «ген».

Так постепенно, шаг за шагом, возводилось то, что ныне зовется генной (генетической) инженерией. Странное это все же словосочетание. «Гены», святая святых живого — и тут же чисто техническое понятие «инженерия». Смысл, соединяющий эти далекие друг от друга термины, заключен в конструировании наследственных основ живого организма, так же как в технике собирают машины по заранее разработанным чертежам.

Спорят еще и о том, какое из прилагательных — «генная» или «генетическая» больше подходит к слову «инженерия». Большинство склонно придерживаться более широкого второго термина, говорить именно о генетической инженерии, подчеркивая, что тут речь идет не только о тасовании отдельных генов, ведь операции можно проводить и над геномами, и над клетками и их частями, и даже над зародышами. Поэтому кое-кто полагает, что вообще надо говорить о биоинженерии.

На наш взгляд, не так важно название новой профессии, сколько ее суть. Так что попробуем сейчас перечислить главные этапы работы биоинженеров:

1. Из клеток выделяются молекулы ДНК, а из них — нужные гены. Их словно карты тасуют, раскладывают генные пасьянсы, которые (скрепленные лигазами) и превращаются в химерические молекулы ДНК.

2. Теперь необходимо подыскать переносчиков. Как правило, это колечки-плазмиды, но переносчиками могут быть и фаги, и другие простейшие, способные внедряться, ввинчиваться в бактериальные клетки. Забавное название для переносчиков придумали американские исследователи из Висконсинского университета — разновидности одного из фагов они назвали «харонами», по имени мифического перевозчика душ мертвых до врат Аида, царства теней, через якобы находящуюся в подземном царстве реку Ахерон. В древности для уплаты за провоз покойнику клали в рот монету.

3. Зараженные плазмидами бактерии, кишечные палочки, к примеру, размножают и отбирают тех бактериальных потомков, которые по своим свойствам соответствуют замыслу генной операции. Миллиардное тиражирование бактерий — хорошо, что они быстро размножаются! — крайне важно. Только тогда можно наработать, накопить хотя бы миллионные доли грамма нужного вещества, чтобы уверенно работать с ним — расшифровать его состав, получить полезные продукты.

Дата рождения генетической инженерии известна довольно точно: 1972 год. Тогда в Станфордском университете американцем Полем Бергом были получены первые химерические молекулы ДНК. А если точнее, то Берг пришил ДНК обезьяньего вируса 40 (SV40), имеющегося в клетках человека и обезьян (у этого вируса всего пять генов), к ДНК фага, который и доставил генетическую информацию в кишечную палочку. Позднее, в 1980 году за эти опыты Берг был удостоен Нобелевской премии.

Методики, развитые Бергом и другими исследователями, позволили современным генным инженерам действовать подобно режиссеру фильма. Они также словно бы ведут монтаж отснятого «киноматериала». Удаляют из «киноленты жизни» неинтересные кадры и вставляют с помощью молекулярных (ферментных) ножниц и клея новые «кинокуски». Кинорежиссер творит за особым монтажным столом. И у генных инженеров в лабораториях есть особые химические столы, где они могут манипулировать с «кадрами» ДНК.

Человек, попавший в лабораторию, где ведутся генноинженерные операции, может быть обманут видимостью простоты оборудования. Действительно, в сравнении, скажем, с физической лабораторией — резкий контраст: вместо, к примеру, громадных синхрофазотронов — штативы с пробирками, какие-то шкафы, полки, на которых не только приборы, но и книги по биохимии, микробиологии. Не очень все это впечатляет!

Так воспримет святилище генных инженеров непосвященный, специалисты же будут придерживаться иного мнения. Вот что на сей счет пишет уже цитировавшийся нами Медников: «Современная биологическая лаборатория высокого класса насыщена разнообразной электроникой и прочей машинерией не менее, чем физическая. Высокооборотные центрифуги (они разделяют компоненты клеток, помогают выделить из них ядра и другие составляющие. — Ю. Ч.) с вакуумом и охлаждением, аппараты для электрофореза (в них под действием электрического поля могут быть, к примеру, рассортированы по размерам отрезки молекул ДНК. — Ю. Ч.), автоматические счетчики радиоактивности с программным управлением. Список этот легко продолжить. В принципе можно обойтись без части оборудования, но ценой самого дорогого — времени. Экономия здесь оказывается худшим видом расточительства.

Но главное даже не в этом. Получение ферментов, необходимых для работы, тех же рестриктаз, немыслимо без развитой микробиологической и химической промышленности самого высокого уровня. Хорошо еще, что ферменты-реактивы чрезвычайно активны и, допустим, пятисот миллиграммов рестриктазы хватит усердно работающей группе на год. Ведь сверхчистый фермент дороже золота, если оценивать по весу. Наконец, для генной инженерии совершенно необходимы многие соединения, меченные радиоактивными изотопами — фосфором, углеродом, тритием, причем активность их должна быть весьма высока, порядка сотен тысяч импульсов в минуту. Значит, требуются и ядерные реакторы, и радиохимические лаборатории для синтеза меченых органических соединений. Так что простота методов генной инженерии только кажущаяся. Как и везде, здесь ничто не дается даром. Наука никогда еще не стоила дороже, чем сейчас, но зато и никогда не приносила раньше столь фантастических результатов…»

Генноинженерное молоко

Конкретные успехи биоинженерии еще очень скромны. Что уже сделано? Главное — удалось превратить бактерии в микроскопические фабрики, производящие некоторые фармацевтические препараты.

Первым в списке надо поставить инсулин, белок, вырабатываемый в организме человека поджелудочной железой. Он регулирует углеводный обмен, в частности уровень сахара в крови. Недостаток инсулина вызывает диабет, или сахарную болезнь. Лечить ее не умеют: каждый день больному необходимо делать уколы — вводить инъекции инсулина.

А где его взять? Инсулин животных, как правило, не воспринимается людьми. Синтезировать этот продукт искусственно? В 60-х годах ученым удалось этого добиться, но стоил такой инсулин страшно дорого. Проще поступить так: в бактериальную клетку поместить ген человека, ответственный за выработку инсулина, и заставить ее штамповать лекарства от диабета.

Трудностей на этом пути пришлось преодолеть немало, основная же — быстро выяснилось, что бактерии не умеют обращаться с расчлененными на экзоны, смысловые блоки генной информации, и интроны, кажущиеся пока бессмысленными «инфорпустоты», генами высших организмов. На многие хитрости пришлось идти, целую приключенческую повесть можно было бы написать о том, как исследователям удалось обмануть бактерии, добиться — в нашей стране эти работы были выполнены в Институте биоорганической химии имени Шемякина АН СССР — получения столь необходимого людям продукта. Сейчас бактериальный инсулин уже продается в аптеках.

Теперь об интерфероне. Это особое вещество, обнаружено оно было в 1957 году, вырабатывают клетки животных и человека, подвергшиеся нападению вируса. Интерферон может предохранить человека от многих вирусных заболеваний, гриппа, например. Но где взять большие количества этого ценного препарата? Ведь из литра крови удается выделить всего лишь микрограммы интерферона, дозу, достаточную только для одной инъекции. И тут исследователи вновь обратились за помощью к бактериям. Создали химерические молекулы ДНК с генами человека, кодирующими биосинтез интерферона, встроили ее в плазмиду… Так удалось создать бактерии, способные синтезировать сотни микрограммов полезного вещества в расчете на литр раствора, где содержатся бактериальные клетки.

С помощью подобных же приемов из кишечной палочки (исследования Института молекулярной биологии АН СССР) удается нарабатывать еще один важный белок — гормон роста соматотропин. Его недостаток приводит к карликовости, избыток — к гигантизму.

Соматотропин известен медицине давно. В 1921 году были поставлены эффектные опыты: с помощью этого гормона — его вырабатывает особая железа, расположенная у человека и животных у основания черепа, — удалось вырастить крыс-гигантов. Выделен этот белок был в 1956 году. Тогда же его стали с успехом применять для лечения некоторых форм карликовости. Люди, которым он вводился, начинали быстро расти, и их тело принимало нормальные пропорции.

Где взять большие количества соматотропина? Здесь опять же помогли методы биоинженерии. Они же в скором времени позволят получать и другие ценные человеческие белки, ферменты и гормоны: помогающие при психических расстройствах эндорфины, ингибиторы (замедлители) развития злокачественных опухолей. В принципе так можно заставить бактерии синтезировать и белки мяса или молока. В Эдинбурге ученые сейчас изучают возможность изменения с помощью биоинженерии состава молока животных. В коровьем молоке будет, как в овечьем или козьем, больше жиров и белков.

Биоинженерия меняет не только растения, но и наши представления о них. Вот какую, к примеру, картину сельского хозяйства, «исправленного» молекулярными биологами, рисует доктор физико-математических наук Франк-Каменецкий:

«Где-то в пустынях стоят солнечные электростанции, от них ток, а также необходимое минеральное сырье, поступают на громадные биотехнологические заводы, где готовят оптимально сбалансированные корма из бактерий и дрожжей и в удобной упаковке рассылают их по всей стране на птице-, свино- и коровофабрики. Там, словно в инкубаторах, где сегодня растят кур, выращивают всю остальную живность, а может быть, и совсем новых, выведенных с помощью генной инженерии животных. Кроме кормов, заводы изготавливают искусственную пищу. Разумеется, в каком-то объеме сохранилось и обычное земледелие, с возделыванием пшеницы и других культур. Но потребность в этих весьма дорогих продуктах настолько снизилась, что их возделывают в отдельных климатических зонах, с полной мелиорацией и т. д. Огромные пространства, которые были в добиологическую эру заняты под пашни, освободились, люди перестали скучиваться в городах, а живут вольготно среди лесов, озер и рек и ездят на работу, в ближайший магазин и друг к другу в гости на электромобилях…»

Как видим, это не живопись с ее яркими, сочными красками, не графика с ее резкими, отчетливыми линиями, четко фиксирующими контуры изображенных предметов, а скорее акварельный набросок, характеризуемый смазанными переходами, полутенями, с мельканием живописных пятен.

Представить завтрашний день сельского хозяйства трудно, но можно с большой определенностью говорить о целях, стратегических задачах, которых хотелось бы достичь.

Тут надо понимать, что цели природы и человека различны. Для людей, скажем, выгоднее получить пшеницу или ячмень с крупным зерном, с легкой обмолачиваемостью. Природе же важнее не размер, а количество зерен; склонность же к легкому обмолачиванию — этот признак может оказаться даже вредным.

Такой разнобой во взглядах и все растущее могущество людей не может не сказаться губительно на биосфере. Из огромного разнообразия растений, кормивших человека 10 тысяч лет назад, сегодня основу питания составляет всего каких-то 30 видов растений. Древнее природное разнообразие местных видов заменено ныне небольшим числом специально выведенных и упорно внедряемых сортов, выращиваемых на обширнейших пространствах.

96 процентов урожая гороха в США получается всего-навсего от двух его разновидностей, а 71 процент урожая кукурузы — от шести ее сортов. Спору нет, используются чудодейственные по продуктивности растения, но, увы, они становятся все более уязвимыми для различных заболеваний, таких, к примеру, как картофельная гниль. Растения приходится усиленно «лечить» пестицидами и прочими очень опасными для окружающей среды и самого человека средствами.

Итак, одна из целей биоинженерии — возврат растительного царства к многообразию, к неоглядному богатству видов флоры. Чтобы было, как в шутливом стихотворений Натальи Кончаловской «Про огород», когда рассеянный садовник смешал все семена и получились редисвекла, чеслук, репуста и спаржовник. Пусть будет, как пишет поэтесса:

Разнообразия кормящих человека растений можно добиться и таким необычным способом: превратить методами генной инженерии сорняки в культурные, съедобные растения. Рисуется фантастическая ситуация. Съедобны ландыши, незабудки. Готовят салат из листьев сирени, гарниры из ромашки, супы из хвои. Распиленная как бы на дрова плоть деревьев подается на стол вместо колбасы. Пырей, подорожник считаются деликатесами, их трудно найти на полях. Зато картофель никто не ест, пшеница идет исключительно на корм скоту!

Нашу фантазию можно продолжить. Съедены все сады, кустарники, леса, травы. Человечеству вновь приходится садиться на «черную пищу»: на картошку, овощи, хлеб. Биоинженеры срочно пытаются превратить зерновые, картофель и другие древние пищевые растения в новомодные пырей, кислицу, сныть…

Больше всего мне довелось беседовать с младшим научным сотрудником кандидатом биологических наук Михаилом Константиновичем Зубко. В каждом коллективе есть такой человек, умеющий просто и доходчиво объяснить суть своей профессии любому: и залетному корреспонденту газеты, и иностранцу-гастролеру, и лазутчику из смежной научной области. В школе Михаил биологии не признавал, собирался стать журналистом. Но в 9-м классе биологию стала преподавать новая учительница, сразу же обозвавшая Зубко ламаркистом, ее увлеченность предметом имела последствия — Михаил поехал в Киев поступать на биофак, и уже на первом курсе университета, как натура страстная, активная, стал бродить по лабораториям, искать наиболее увлекательную область науки. Вначале хотел заняться изучением рака, но, увидя, как в интересах науки режут белую мышь, очень огорчился и решил переключиться на растительную тематику. Какое-то время увлекался фотосинтезом, затем — молекулярной биологией, но однажды его познакомили с Глебой: очень молодой человек сидел на полу и неторопливо чинил дистиллятор…

Зубко высок, худ, порывист, то вдруг замолкнет — кажется, потерял всякий интерес к разговору, — то начинает частить словами… Михаил поведал мне о тайнах клеточной инженерии, познакомил со многими ее чудесами. Одно из них — в любой клетке листа, тычинки, пестика хранится полная информация о том, как растение должно развиваться, цвести, плодоносить… Все эти фазы развития — полный цикл требует примерно пяти месяцев — исследователи умеют воспроизвести, получив в итоге зрелое растение с листьями, корнями, цветами и плодами. Не какую-то там растительную недоделку или калеку!..

А вот с животной клеткой так не получается. Точнее, до двух недель все идет вроде бы нормально, клетки исправно делятся, и, лишь когда должна начаться дифференцировка тканей, все стопорится. Чего животным клеткам не хватает? Контакта с материнским организмом, общей кровеносной системы, общего газообмена, того, чтобы зародыш сделался частью, получающей от матери на каждом этапе своего развития гормональные и иные стимулы.

— Размышляя в университете над этой проблемой, — вспоминает Зубко, — я решился на такой опыт: взял куриное яйцо, систему вроде бы абсолютно автономную, лишил его скорлупы, вылил содержимое в сосуд и стал наблюдать, как события начнут развиваться дальше. И вначале все шло более или менее нормально. Пока не пришел черед образованию кровеносной системы зародыша. Тут-то и выяснилось, что скорлупа зародышу очень нужна. Она служит и опорой — так плющ карабкается по стене здания, цепляется за нее — и мембраной, обеспечивающей особый режим дыхания… Моя затея обмануть природу, выпестовать птенца из лишенного скорлупы яйца провалилась. Теперь вы должны понять, отчего в искусственных условиях из животной клетки не удается получить взрослое животное — мышь или, допустим, собаку. И огромное счастье для нас, исследователей, что с растениями тот же номер проходит. Хотя и этого добиться порой бывает очень нелегко…

Воспроизвести из отдельной клетки целое растение — такая задача во многих случаях решается, но гораздо сложнее проблема — «сплавить», «срастить» гены, создав диковинный гибрид.

— При обычном половом способе скрещивания, — рассказывал Зубко, — дает себя знать несовместимость органов размножения растений, есть еще и гены несовместимости, «сторожевые» гены. Если б этих и иных «заборов» не было, в растительном царстве возникли бы хаос и неразбериха. Если б не существовала ювелирная отделка каждой отдельной растительной структуры, что и отличает данный конкретный тип растений от всех остальных, земная флора не создала бы высших растений, эти высочайшие образцы эволюционного процесса.

Стоит ли удивляться, что пока чаще всего в результате клеточной хирургии мы получаем создания разной, так сказать, степени инвалидности. Природа безжалостно убивает свои неудачные поделки, а человек ради их необычных свойств щадит. Гениальные дети обычно отличаются хрупким здоровьем, очень ранимы и физически и нравственно… Природа никогда не подарит нам помесь слона с амебой, мы же надеемся когда-нибудь соединить, например, мох с рожью. Выйдет монстр, уродец? Не беда! Ведь мы получим богатейшую научную информацию, начнем осознавать пределы возможностей клеточной инженерии, ее диапазон на данный момент развития нашей науки. Да и вообще, уродство… красота… Все эти категории зыбки, условны: к любому новшеству мы привыкаем не сразу, и аномалия, отклонение от нормы могут постепенно превратиться в высшее изящество и совершенство!..

По подсчетам Вавилова, человечество выращивает свыше двух тысяч видов растений, но среди них лишь несколько десятков — пшеница, рис, кукуруза, ячмень, хлопчатник, картофель, подсолнечник и т. д. — обеспечивают людей пищей. И очень важно, чтобы эти основные культуры были высшего качества: и продуктивными и стойкими к болезням и капризам климата. Подобрать для каждого края, области, района такие сорта, ввести их в сельскохозяйственный обиход очень непросто, особенно для нашей страны, имеющей территорию, простирающуюся на 10 тысяч километров с запада на восток и на 4,5 тысячи километров с севера на юг.

Все эти вопросы стали особенно острыми в 20-х годах. Страна боролась с последствиями войн — голодом (в Поволжье от недорода гибли миллионы людей) и разрухой. Подъем сельского хозяйства стал неотложной задачей.

Путь к этому Вавилов видел в резком улучшении местных крестьянских сортов. В сортосмене. Под руководством Вавилова начали выписывать лучшие селекционные сорта из разных стран земного шара — в СССР завезли тысячи центнеров пшеницы, овса и других культур. Тем же целям были подчинены и многочисленные экспедиции, которые Вавилов организовал.

Где искать лучшие растения? Какими принципами, какой теорией при этом руководствоваться? Словно полемизируя с мнением немца Александра Гумбольдта (1769–1859), утверждавшего, что «первоначальная родина тех растений, которые сопровождают человечество с его раннего детства, покрыта таким же мраком, как и родина большинства домашних животных», Вавилов в 1923 году выдвинул такую идею. Почти любая нынешняя культура, исключая кукурузу и некоторые другие растения (человек изменил их настолько, что прямых предков отыскать в природе невозможно), утверждал ученый, имеет вполне определенную, строго локализованную родину. Более того, на планете есть небольшое число областей — первичных центров, где и зародилось все, что теперь выращивается на полях и лугах, в огородах и садах в любом уголке земного шара. Именно там, в этих центрах, и возникло земледелие.

И никакой гениальной сверхпрозорливостью первопроходцы сельского хозяйства не отличались. Просто волею случая попав в места наибольшего естественного скопления видов и разновидностей растений со съедобными зернами, плодами, корешками, клубнями, наши далекие предки разносили затем семена из этих мест по всему свету.

Растительные кладовые? Где они находятся? Где размещены очаги древнего земледелия? На первый взгляд они должны лежать там, где находились и первые великие цивилизации: в широких долинах крупных рек — Нила, Ганга и Инда, Тигра и Евфрата, Янцзы и Хуанхэ. Мысль о связи речных систем с цивилизацией, в частности, отстаивал в своей книге «Цивилизация и великие исторические реки» русский географ и социолог Лев Ильич Мечников (1838–1888), брат великого Ильи Ильича Мечникова.

Лучшие культурные растения выкованы великими цивилизациями древности? Нет, считал Вавилов, это заблуждение. Самые полезные растения создал вовсе не человек, а природа, он появился спустя десятки миллионов лет, после того как на земле возникли злаки.

И если, допустим, говорить об Африке, то не египетская, привязанная к руслу Нила, а предшествующая ей, скромная на памятники, не оставившая величественных пирамид земледельческая цивилизация подарила человечеству и кофейное дерево, и несколько видов сорго, и некоторые подвиды твердой пшеницы, и особый вид банана — энзете, и масличное растение нуг, и злак тэффа и некоторые другие ценнейшие растения. И все они заботами матушки-природы были взращены не в долине Нила (или Конго, Нигера, Замбези, Лимпопо), не в африканских краях с тучными почвами и обилием осадков, а в горной Эфиопии, на Абиссинском нагорье, на землях, лишенных многого из того, что потребно для получения больших урожаев. Египетская оставила для введения в культуру только несколько прибрежных растений: папирус, чуфу, злак Eragrostis pilosa, растущий по песчаным отмелям.

Пекла творения

У Вавилова-исследователя были предшественники. Примерно за полстолетия до выхода книги Вавилова «Центры происхождения культурных растений» (1926 год) были опубликованы классические труды швейцарского ботаника Альфонса Декандоля (1806–1893) «Ботаническая география» и «Местопроисхождение возделываемых растений».

Помимо ботанического метода, Декандоль в своих исследованиях опирался на новейшие завоевания археологии своего времени — находки пшеницы в саркофагах фараонов и т. д., истории — труды Плиния, Геродота, Страбона и других древних авторов, и лингвистики. Метод этот, правда, способен порождать и курьезы: кукуруза по-французски называется Ыé de Turquie — турецкая пшеница, хотя она происходит из Америки и, конечно, не от пшеницы. И все же, изучив досконально 247 культурных растений, решить поставленную задачу швейцарец так и не смог.

Иначе подошел к проблеме Вавилов. Он использовал результаты широчайших ботанико-географических изысканий — многочисленные экспедиции позволили Николаю Ивановичу собрать невиданного объема коллекцию растений — и, главное, Вавилову помог генетический метод. В шутливой форме ученый утверждал, что наиболее ценные, навеянные генетикой соображения возникли у него в Эфиопии, где живут люди с черной кожей, растут чернозерные, точнее, фиолетовозерные пшеницы (местное население называет эту пшеницу «черной»), темноцветный ячмень, черный горох, черные бобы и черная (!) морковь и распространены черноокрашенные паразиты человека. Подобное скопление в Эфиопии доминантных признаков и дало толчок к написанию Вавиловым в 1927 году в Средиземном море, на борту парохода «Криспи», возвращавшегося в СССР теоретически очень важной работы «Географические закономерности в распределении генов культурных растений».

Выводы обширнейших исследований Вавилова вкратце таковы. Именно в горных районах мира — Эфиопии, Передней и Средней Азии (в частности, на Памире), Китая, Индии, в Кордильерах Северной и Южной Америки — находятся очаги древнейшего земледелия. Всего ученый установил семь главных центров: пять — в Старом Свете и два — в Новом. Эти центры и были той кухней, где природа готовит свои самые совершенные растительные «блюда».

Да, вся совокупность данных сходилась у Вавилова в одном — центрами видообразования стали горные области аридного, сухого типа, с климатом вроде памирского. «Величайших достижений в земледельческом промысле, так же как и в искусстве, человечество в прошлом достигло не в богатейших по природным ресурсам низменных субтропических и тропических районах с их могучей растительностью, а, наоборот, в горах, преодолевая огромные препятствия, завоевывая каждый клочок земли». Там, где растениям-альпинистам, вопреки установленным Бонье запретам, удалось прорваться на высоты в несколько тысяч метров, где граница земледелия оказалась на удивление высокой, на Памире пшеница возделывается и на уровне 3500 метров, ячмень — до 4000: на Кавказе на тех же высотах лежат вечные снега! На Тибете растения забрались еще выше — до отметки 4600 метров, там и находятся «пекла творения» (название придумал Вавилов), мастерские по изготовлению наилучших растительных видов.

А как растения спустились с гор? Частично Вавилов дал и на это ответ. Он отмечал необычайно высокую плотность заселенности гор в прошлом. Задолго до появления супергородов горные районы были самыми плотнонаселенными местностями.

Горная зона занимает от силы 1/20 часть суши, а живет там, писал Вавилов, более половины человечества. И если вычесть в горных областях зоны бесплодных пустынь, скалы, каменные осыпи, льды и снега, если рассчитывать плотность населения по отношению к доступным для земледелия пажитям, то мы и получим рекордные цифры, которые еще не так давно превышали цифры плотности населения в самых культурных и обжитых районах Европы и Америки.

И прежде чем люди построили города на равнинных просторах, они были вынуждены жить под естественной защитой гор — в пещерах. В горных местностях, занимаясь собирательством, потом приручением растений, заботливо пестуя их, человек начал заниматься и селекцией растений. И только много позднее произошло «сошествие» древних земледельцев с гор. Тогда-то и возникли шумеро-вавилоно-ассирийские царства, египетская, индийская, китайская и другие цивилизации. «История происхождения человеческой культуры и земледелия, очевидно, более стара, чем об этом говорят дошедшие до нас документы в виде предметов, надписей, барельефов, могил…» — писал Вавилов.

Луковые горы

В этом пункте повествования можно бы поставить точку. Вавиловская часть темы «Растения и горы» исчерпана. Центры происхождения культурных растений — горные области планеты указаны. Конец? А почему не начало новой истории? Ведь открытие Вавилова возбуждает тьму вопросов. И право, их столько же, сколько гор на Памире!

Отчего это природе, когда она творит новые растительные формы, удобнее всего работается именно в горах?.. И чем существенным различается жизнь растений в горах и на низинных равнинах?.. Да и горы-то, похоже, годны не всякие?.. Почему вавиловские центры — это непременно горные страны, окруженные пустынями?..

А вот наиболее бросающееся в глаза обстоятельство. То, что прежде всего должно было бы заинтриговать любознательного читателя. Вспомним про памирский парадокс, с него мы начали в этой главе свой рассказ. Странно все-таки это выглядит, удивительно: ведь, если копать в глубину, получается, что наибольший успех ботаника, собирателя растений или земледельца, ищущего лучший сорт, наибольший успех всех их ждет именно в горах, скажем, на Памире, в регионе, где и людям, и животным, и растениям приходится совсем несладко?!

Итак, вернемся к разговору о Памире. Природа тут мало что обещает растениям. Есть районы, где чуть ли не каждую ночь, даже летом, замерзает вода. Если в солнечный день можно ходить в легкой рубашке, то вечером нужно надевать тулуп. Перепады температур огромны: от минус 30 градусов (ноябрь — март) до плюс 35 градусов (июль). И даже в разгар лета в тихие памирские ночи холодный воздух спускается в горные долины и создает так называемые морозобойные ямы.

Почвы? Пустынные сероземы, процент органических веществ в них ничтожен. В воздухе мало углекислоты (примерно вдвое меньше, чем на равнинах). Резкий солнечный свет, иссушающие ветры… Казалось бы, говорить о растительности в местах, где сошлись горные цепи (хребты высотою от 6 до 7,5 километра) Тянь-Шаня, Куньлуня и Гиндукуша, их вершины (здесь находится пик Коммунизма, 7495 метров — высшая точка СССР) лишь немного уступают Эвересту, где лежит крупнейший в СССР, почти 74 километра длиной, ледник Федченко, мало смысла.

Не только цитированный нами выше Марко Поло и другие очевидцы, посетившие Памир, особенно Восточный, он сильно отличается от Западного, не скупились на черные краски.

«…Здесь очень холодно, дует свирепый ветер. Снег выпадает даже весной и летом; ветер дует не стихая день и ночь. Почва пропитана солью и покрыта множеством камней. Хлеба и плоды не растут, травы же и деревья — очень редки. В диких пустынях этих нет никаких следов человеческого обитания» — так писал о Памире еще в VII веке в сочинении «Да-Тан-си-юй-цзи» («Записки о странах Запада») китайский путешественник Сюань-Цзань. Кстати, древние китайцы дали Памиру еще одно имя Цун-Лин, что значит Луковые горы, так как здесь много горного лука.

На фоне всех этих высказываний мысль о развитии на Памире сельского хозяйства может показаться праздной академической затеей ученых. Да, земледельцы здесь есть, но, смотрите, в каких тяжелейших условиях они трудятся! Им приходится бороться за каждый клочок земли. Памирские поля — это по большей части площадки, обложенные камнями, не превышающие нескольких метров в длину. Благо что только с водой нет хлопот — она сама ниспадает со снежных вершин, подвести ее нетрудно. А вот с землей морока: нередко крестьянам приходится устраивать поля, перенося землю на своих плечах!

И все же сельскохозяйственное освоение Памира началось. Велось оно под руководством соратника Вавилова члена-корреспондента АН СССР Павла Александровича Баранова (1892–1962).

САГУ

До Октября обширные земли Средней Азии и Казахстана именовались, с 1866 года официально, Туркестанским краем. Старые названия живучи, они цепляются за прошлое изо всех сил, а потому когда в апреле 1918-го здесь, в Ташкенте, этот город стал столицей, в составе РСФСР была образована автономная советская социалистическая республика, она также получила имя Туркестанской.

Одним из первых детищ новой власти явилось создание в Ташкенте в Доме Свободы, позднее тут размещался Дом Советов, первого в этом регионе советского вуза — Туркестанского народного университета.

Сохранилась фотография трехэтажного, на первом этаже располагался рабфак, массивного каменного здания с ложными колоннами на главном фасаде. На его фронтоне, если приглядеться, арабской вязью и русскими буквами была выведена торжественная надпись:

СРЕДНЕАЗИАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

САГУ, если кратко. Это название университета появилось в 1923 году, с 1960-го он стал просто Ташкентским.

История становления САГУ любопытна. Шла гражданская война. Туркестан был отрезан от Москвы и Петрограда Оренбургским и Закаспийским фронтами. И все же работа по организации нового центра культуры продолжалась. По крохам собирали оборудование, Первые микроскопы для университета удалось получить с гренажных (шелководческих) станций, кое-какие химические реактивы раздобыли на хлопкоочистительных и маслобойных заводах…

Не хватало учебников, преподавательские кадры были слабы, зато планы учредителей отличались грандиозностью. По первым наметкам под Ташкентом, на многих десятках десятин, предусматривалось возвести целый университетский городок со своими трамваями, парками, домиками для профессоров и студентов и, конечно же, с построенными по последнему слову техники институтскими лабораториями, библиотеками, клубами и т. д. Сохранились планы построек, спроектированных академиком, певцом русского архитектурного стиля модерн Федором Осиповичем Шехтелем.

Реальная помощь университету пришла из Центра. Гражданская война заканчивалась. В начале 1920 года была восстановлена железнодорожная связь с Туркестаном. И книги, приборы, квалифицированные кадры преподавателей начали переправлять в вагонах бывших санитарных поездов. Первый эшелон прибыл в Ташкент после 52-дневного исключительно трудного пути.

Всего из Москвы пришло пять таких эшелонов. Комендантом одного из них был Баранов.

Этого выпускника МГУ, коренного москвича, впереди ждала блестящая карьера столичного профессора, а он, бросив все, перебрался в сентябре 1920 года в Ташкент, на четверть века связав свою судьбу с исследованиями богатой и малоизученной флоры Средней Азии.

В САГУ Баранов стал доцентом, получил звание профессора, ученую степень доктора биологических наук, тут воспитал не одно поколение ботаников, писал прекрасные учебники; некоторые из них были изданы на узбекском языке. Одно время был даже членом правительства Таджикистана.

Павел Александрович был еще и неуемным путешественником (в возрасте 70, незадолго до кончины, несмотря на врачебные запреты, отправился во Вьетнам для знакомства с растительностью тропиков) и страстным исследователем. Как ученый, он отличался необычайной широтой интересов. Его занимали и высокая теория, скажем, вопросы онтогенеза — индивидуального развития организмов и формообразования растений, именем Баранова названы два представителя флоры Средней Азии: Astragalus Baranovii и Salsola Baranovii, и дела сугубо практические.

Много сил отдал он проблемам земледелия в Горно-Бадахшанской автономной области Таджикистана. Две трети ее территории приходится на высокогорные пространства Памира: до работ Баранова и его сотрудников считалось, что земледелие в пустынях Восточного Памира — вещь немыслимая. Для этих целей стараниями Баранова уже в 1928 году была проведена рекогносцировочная Таджикско-Памирская экспедиция. А в 1934 году Памирская экспедиция Среднеазиатского университета. В 30-х же годах была организована биологическая станция в Восточном Памире, на высоте 3860 метров. Это было первое в мире биологическое учреждение, занесенное в такие выси; в 1938–1940 годах Баранов был директором этой станции. У слияния впадающих в Пяндж рек Гунт и Шах-Дара заложен Памирский ботанический сад — на Западном Памире, вблизи города Хорога, на высоте 2320 метров.

Сахарное сено

Научная, земледельческая, культурная «колонизация» Памира постепенно открыла его несметные растительные сокровища.

Здесь можно встретить яблони, которые за короткое памирское лето успевают плодоносить дважды. Тут дуб, в возрасте 7–8 лет, давая за лето не один, а несколько являющихся продолжением друг друга побегов (ученые это свойство называют «поливалентностью»; «валент» — это один побег, или «квант» роста), вытягивается за год на… три метра. Он может впервые зацвести и принести желуди уже на четвертом году жизни, тогда как на равнинах это происходит не раньше 10–20 лет. Многие растения, например, терескен, отличаются примечательным долголетием — живут до 200–300 лет.

Растения на Памире своим обликом подчас напоминают Змея Горыныча, того, что о семи головах. Тут много уродцев с необычными свойствами. К примеру, деревья напоминают кусты. Березы, липы, клены, рябины стремятся образовать множество стволов, принять кустовидную форму.

Корнеплоды в результате сращивания имеют непомерные размеры и вес. (Это называют фасциацией; сращиваться могут соседние побеги, цветы, плоды — на Памире это обычное явление.) Урожаи тут громадны: в некоторых хозяйствах получают до тысячи центнеров картофеля и до семисот центнеров лука с гектара. Кстати, о луке: здесь у него на стрелках вместо семян образуются маленькие луковички.

Растительность на Памире отличают и многие другие странности. Вот одна из них. Когда ученые решили развивать высокогорное земледелие и стали привозить на Памир «иноплеменные» сорта, предполагалось, что в горах хорошо приживутся виды, взятые с севера. Однако их морозостойкость оказалась бесполезной, ибо они не успевали дать урожай за памирское лето. И неожиданно сорта, взятые из самых жарких стран — из Аравии, Палестины, Абиссинии — вызревали в суровых, холодных памирских условиях. Их преимуществом была скороспелость, а привычку к морозам они быстро выработали и стали столь же морозостойкими, как и растения-северяне.

О памирских морозах стоит поговорить еще. Тут короб чудес. Всяк знает, что листья у картофеля замерзают при первых же заморозках. А на Памире этот же картофель сохраняет ботву и при минус 7–8 градусах! Сочный шпинат образует поздней осенью семена, когда градусник по ночам регистрирует двенадцатиградусные морозы. Китайская капуста переносит похолодание в 15 градусов, и даже кончики листьев у нее не замерзают! Столь же выносливы ячмень, овес…

В чем причина? В том, что на Памире низкие ночные температуры каким-то образом препятствуют преобразованию накопленных за день запасов сахара в крахмал и другие вещества. Сахар остается в растительных тканях, прочно связывает воду, и тем самым (законы физики!) резко снижается точка замерзания воды. И чем больше сахара в клетках, тем более морозостойко растение.

Ученые утверждают, что сахар в таких больших количествах, как на Памире, еще никогда не встречался в клетках культурных растений. К примеру, в сухих листьях и стеблях ярового ячменя на долю сахара приходится до 40 процентов. Это в полном смысле «сахарное сено». Видимо, недаром наблюдательный и памятливый Марко Поло (свои воспоминания он продиктовал, находясь в тюрьме, многие годы спустя после возвращения на родину) рассказывал, что нигде он не встречал таких пастбищ, как на Памире: на них самый худой скот за несколько дней делается неузнаваемым.

Абдуло

Что же делает памирскую флору столь щедрой? Какие причины активизируют растительные процессы? Что это за таинственный Х-фактор (факторы?), который столь эффективно мобилизуют растительные силы? Почему в зоне, где должны прижиться лишь хилые растения-лилипуты (Бонье), такое раздолье для растений-гулливеров? (Вспомним про обнаруженную Вавиловым безлигульную рожь, легко привести и другие примеры.)

Подобные вопросы занимали ум Анатолия Валерьяновича Гурского (1906–1967) — доктора биологических наук (степень присуждена была без защиты), профессора, основателя и директора Памирского ботанического сада в Хороге, человека, проведшего на Памире более четверти века. Приехал сюда в 1940 году по приглашению Баранова.

Ученик Вавилова Гурский вполне оправдывал этот почетный титул. Как и учитель, он был непоседой, страстным путешественником, трудности горных переходов его не пугали. Удивительно, живой и веселый хозяин Ботанического сада за год успевал организовать до полудюжины экспедиций в самые дальние уголки Памира.

Де Фонтанелло писал: «Ботаника не является комнатной наукой, которая может развиваться в покое и тиши кабинетов… она требует, чтобы бродили по горам, лесам, преодолевали крутые склоны, подвергались опасностям на краю пропасти. Степень страстности, которая достаточна для того, чтобы стать ученым другой специальности, недостаточна для того, чтобы стать большим ботаником. И вместе с этой страстью необходимо еще здоровье, которое позволило бы предаваться ей, и сила тела, которая соответствовала бы ей».

Цель странствий Гурского? Не только сбор семян и другого посадочного материала, изучение деревьев Памира, установление верхних пределов растительности в горах, поиски пригодных для освоения земель. При огромной широте научных интересов внимание Гурского привлекали и вопросы, далекие от ботаники: наскальные рисунки и петроглифы, резьба местных мастеров по дереву, технология сталеварения в старинных кузнях и многое иное.

И состав экспедиций Гурского был необычен: с ним шли флористы, геоботаники, энтомологи, геоморфологи, археологи, геологи, физики, да и просто влюбленные в Памир люди.

Местное население ценило Гурского. Он был видной фигурой. Имени Анатолий, тем более отчества, да еще такого сложного — Валерьянович, у таджиков прежде не было, потому они ласкательно называли Гурского просто Абдуло. И очень доверяли ему. Он судил ссорящихся соседей, женил, давал житейские советы.

Его стараниями резко изменился сельскохозяйственный облик этого края. «Сажайте абрикосы», — посоветовал Гурский. И появилась великолепная курага, которую местные таджики везли на базар в Душанбе и быстро богатели.

Гурский ввел картофель. Он стал лучшим на Памире: урожаи по 400 центнеров с гектара, крупные, здоровые, вкусные клубни. Посоветовал разводить овощи, чего местное население совсем не знало. До этого здесь в основном питались диким тутовником, его толченые сухие плоды подмешивали в муку, и смесью ячменя и гороха: из нее пекли лепешки.

Безоглядно преданный науке Гурский всеми силами старался понять дух памирской растительности, удивляясь сонму ее причуд (у многих растений листья приобретают фиолетовую окраску), пытался их объяснить. Какие же причины так изменяют местную флору? Космические лучи? Вряд ли, их интенсивность в горах не очень велика. Особенности температурного режима? Химизм почв? Комплекс уникальных горных условий? Высокая сухость и прозрачность воздуха, обусловливающие повышенную солнечную радиацию?

А может, ультрафиолетовое излучение интенсивность которого на Памире существенно выше той, что наблюдается внизу?

Гурский все более укреплялся во мнении: ультрафиолетовые лучи мощный экологический стимул. Наблюдения (по мере уменьшения высоты действие на растения таинственного Х-фактора убывало) косвенно подтверждали эту мысль. И все же полной уверенности не было. Для победы ультрафиолетовой гипотезы нужны были прямые и неопровержимые доказательства.

Совет Курчатова

Фантастический, суровый, даже библейски мрачный и одновременно полный непередаваемого очарования ландшафт незнакомой планеты — таким предстает Памир человеку, впервые попавшему в эти края. Но особенно поражает пришельца совершенно необыкновенный памирский солнечный свет.

Когда мы в низине смотрим на какой-нибудь пейзаж, то всегда видим светлый купол неба и темную твердь. На Памире все получается наоборот: небо представляется неправдоподобно темно-синим, скорее даже лиловым, а земля оказывается залитой ярчайшим ослепительным сиянием. В памяти навсегда остаются и пронзительные жгучие лучи, отбрасывающие глубокие тени.

Горный свет Памира. Таким увидел его и показал в своих воспоминаниях еще один герой нашей истории — Юрий Лукич Соколов, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института атомной энергии имени Курчатова.

В одиночку Гурскому-ботанику пришлось бы туго. Требовалась помощь со стороны. Радиация — область физическая: вот бы поддержку физика! И, словно услышав призыв Гурского, к нему на выручку поспешил Соколов.

Он знает Памир не понаслышке. Примерно четверть века — впервые попал сюда в 1950 году, приехал изучать космические лучи — периодически наезжал Соколов в эти края. Здесь познакомился с Гурским, узнал от него про растительные диковины. Очарованный дикой красотой памирского края, заинтригованный растительными загадками, Соколов теперь уже зимой начинал готовиться к летним поездкам на Памир. Жадно читал все, что было известно про действие ультрафиолетового излучения на живые объекты.

Поверхности Земли достигает только часть ультрафиолетовой радиации Солнца. Содержащиеся в атмосфере водяные пары, частицы пыли и главным образом слой озона, он находится на высоте около 50 километров, играют экранирующую роль.

По физиологическому воздействию на живое ультрафиолетовое излучение условно подразделяют в порядке уменьшения длин волн на три области: А (от 400 до 320 нанометров), В (от 320 до 280) и С (от 280 до 200).

Ультрафиолета С, самого «злого», в горах нет, его полностью задерживает озоновый слой, однако интенсивность ультрафиолета А и В на Памире значительна.

А вот что писали авторитеты про воздействие ультрафиолета на организмы. Мнение биологов было единым и безапелляционным: получалось, что таких доз, как на Памире, растениям ни за что не перенести.

Биологи спорили лишь по частностям: какие именно из «цветочков» ультрафиолетового «букета повреждений» должны бы на Памире сильнее проявить себя. А-лучи считались практически не опасными. Но вот ожоги ультрафиолета В не должны были пройти для растений бесследно.

А к особо печальным последствиям привела бы встреча растений с ультрафиолетом С. Поставленная под прямой удар С-лучей (если, допустим, растения напрямую, без светофильтров, облучать светом ртутно-кварцевой лампы) листва вскоре должна была бы принять, все это в опытах демонстрировалось неоднократно, характерную бронзово-коричневую окраску. А затем начался бы и некроз — омертвение растительных тканей.

Но коли это так, задавал себе Соколов все тот же неотвязный вопрос, то, спрашивается, как же облучаемые вредным для них ультрафиолетом В растения там все-таки существуют? Мало того, отчего же это памирская зелень бывает столь обильна в сравнении с равнинной?..

В середине 50-х годов после одного из возвращений с Памира Соколов рассказал о своих наблюдениях и сомнениях Игорю Васильевичу Курчатову, под руководством которого в то время работал.

— Что же это ты, — сказал тогда Курчатов, — ведь каждый год ездишь на Памир, а в чем там дело, так и не разобрался. Вот возьми и разберись!..

Курчатов очень заинтересовался проблемой и дал возможность оказать большую помощь памирским биологам. «Если б не этот толчок, — вспоминал Соколов, — я вряд ли бы занялся столь запутанной проблемой». (Основного своего дела: изучения интерференции атомных состояний, экспериментальная проверка основ квантовой электродинамики — ученый бросать не собирался. — Ю. Ч.)

Овес-рекордсмен

Автор не раз встречался с Соколовым. Он работает в Москве и на Памир летает и не теряет надежды узнать окончательную разгадку памирского феномена.

— Проблема ультрафиолета оказалась столь запутанной, — объяснял мне Соколов, — потому что физиологи растений, привыкшие работать не в горах, а в долинах, где, естественно, ультрафиолета мало, имели обыкновение смотреть на этот агент примерно так, как мы воспринимаем рентгеновское излучение, полагая, что его можно создавать лишь искусственным путем, в лаборатории. Лет 30 назад ультрафиолетовых спектров Солнца, чтобы понять, какай тут связь с жизнью растений, в горах никто не измерял. Но что бы вы, например, сказали о физиологе, который в своих опытах по воздействию температуры на живые организмы, измерял бы эту температуру не термометром, а… пальцем? А ведь в «ультрафиолетовых» экспериментах было и того хуже: там даже и такого прибора, как палец, не существовало… Вообще с ультрафиолетовым излучением биологи работали очень мало. Известно вам, какая радиация обжигает на Памире наши носы? В те годы я таких работ не видел и ни разу не слышал о них…

Став из чистого физика наполовину фотобиологом, мучимый ультрафиолетовой загадкой (растения великолепно себя чувствуют под губительным ультрафиолетовым дождем?!), Соколов энергично взялся за дело.

Прежде всего надо было создать приборы, способные анализировать горный свет, особенно же его коротковолновую ультрафиолетовую часть. С благословения Игоря Васильевича Курчатова (позднее Соколова очень поддержал и бывший президент АН СССР, академик Анатолий Петрович Александров) Юрий Лукич сконструировал и изготовил в Москве специальный переносной кварцевый спектрофотометр с электрической регистрацией и другие необходимые приборы. Затем, регулярно бывая в летние сезоны на Памире, он приступил к прямым экспериментам. Совместная работа Соколова с Гурским велась с 1958 по 1965 год.

Исследователей ждали большие удачи. Однажды им пришла крамольная мысль: не ослаблять, с помощью светофильтров ультрафиолетовый гнет, а усилить его! Растения облучаются на Памире ультрафиолетом А и В, но не С, так что ж, восполним этот пробел! Начнем бомбардировать растения еще и С-радиацией. Сделать это просто: достаточно облучать растения лучами ртутно-кварцевой лампы.

Решили — сделали. И неожиданно получился эффект, перевернувший все обычные представления. Творилась какая-то чертовщина! По всем прописям биологии растениям следовало бы погибнуть, сникнуть, пропасть под ультрафиолетовыми С-ливнями.

«Вне всяких сомнений, стоит тот факт, что „короткие“ ультрафиолетовые лучи с длиной волны менее 290 нм вызывают гибель всякого растительного организма, будь то гриб или высшее растение. Речь может идти лишь о большей или меньшей устойчивости тех или иных видов растений. Несомненно, что данное явление находится в связи и с поглощением „коротких“ ультрафиолетовых лучей белками протоплазмы и денатурацией белков под влиянием квантов, превышающих 4 эВ. Мы предлагаем назвать эти лучи витацидной радиацией, несущей смерть всякому живому организму», — так писал Алексей Федорович Клешнин в 1954 году.

Так нет же! Растения не только не погибали, но как бы набирались новых сил, в ряде случаев развивались заметно лучше тех растений, которые не получали летальных доз радиации. Многие виды, лук например, просто-таки тянулись к смертоносным лучам лампы.

— Понятно, реакция растений на ультрафиолет индивидуальна, — рассказывал Соколов. — Одни виды, скажем фасоль, С- и даже В-лучи угнетают, другие же растительные формы получают мощный стимул для развития. Возьмем столовую свеклу. Ее листья под лампой приобретают синеватый оттенок, становятся волнистыми и более толстыми, покрываются сверху блестящим белесоватым налетом. Изменения есть, однако по всему заметно: растения вполне приспособились к столь необычному для них радиационному режиму и даже извлекают для себя при этом немалую пользу. А рекордсменом выносливости стал тут овес, уж он-то, кажется, ведет свое начало от черта! Выдерживает чудовищные дозы ультрафиолета С. Все выгорело вокруг, а овес вывернул лист наизнанку, белой стороной, и ему хоть бы что. Он может погибнуть от нагрева лампой, но не от ультрафиолета…

Ф-режим

Более 2 тысяч смертоносных доз витацидной радиации, случалось, получали растения и не гибли! Поразительное явление, оно просто обязано было иметь простую причину.

Раскрыть секрет помогли прямые опыты.

Прежде всего Гурский и Соколов решили убедиться в правильности обычных представлений о губительности С-лучей. Для этого часть растений облучали по ночам ртутно-кварцевой лампой, а днем ростки затеняли от солнечных лучей непрозрачным экраном. И вот на этот раз, через несколько суток после того, как их листья покрылись оранжевыми пятнами ожогов, растения погибли.

Слава создателю! Хоть здесь-то все было по правилам. И совсем не заблуждались Клешнин и другие работающие с ультрафиолетом биологи, те, кто вел эксперименты в лабораториях, оранжереях, на открытых площадках равнин. Они были правы всюду, но только не на Памире, где действовали иные закономерности.

Какие? Постепенно это стало понятным. Продолжая опыты, Гурский и Соколов решили облучать растения ртутно-кварцевыми лучами ночью, как и прежде, но днем оставлять их открытыми. Не затенять, что они делали до этого, а дать к растениям доступ памирскому свету. И на этот раз растения развивались как ни в чем не бывало.

Значит?.. Значит, памирский свет может как-то нейтрализовать вредоносное воздействие как В-, так и С-лучей!

Этот вывод-гипотеза в конце концов превратился в факт науки. Впрочем, схожие явления ученым были известны и получили особое название — «фотореактивация». Вспомним хотя бы про эффект Гершеля. Если обычную фотопластинку с зафиксированным на ней световым изображением облучать инфракрасными лучами, изображение полностью стирается.

Грубо говоря, фотореактивация у высших растений имеет, по-видимому, ту же природу. (Соколов назвал комбинированное воздействие на растения длинноволнового и коротковолнового ультрафиолета «Ф-режимом».) Внешне явление выглядит так, будто ультрафиолет А сглаживает, парализует, и часто не без пользы для растений, негативное влияние ультрафиолета В и С. Скорее всего главную роль в этих превращениях играют растительные пигменты-каротиноиды, они-то, видимо, и умеют защищать зеленые клетки от ультрафиолетовых разрушений.

— Это древнейшее свойство растений, — комментировал в беседе со мной свое понимание фотореактивации Соколов. — Она была для них крайне важна в далекие эпохи, при переселении живых организмов из океана на сушу. Кислорода тогда еще в атмосфере было маловато, оголенную Землю облучали мощнейшие потоки ультрафиолета. И растения вынуждены были выработать у себя защитную реакцию. Не оттого ли на том этапе растительной жизни планета была покрыта гигантскими папоротниками и хвощами. Позднее они исчезли: сами же растения, увеличив содержание кислорода в атмосфере, дали возможность образоваться слою озона, полностью поглощавшему опасный ультрафиолет С и большую часть ультрафиолета В. Необходимость в фотореактивации — ее рудименты все же сохранились в растениях и проявляют себя в условиях, близких к памирским, — отпала, а сами растения стали значительно меньше в размерах…

Ф-режим. Он проясняет многое. Льет свет и на понимание первой части нашего долгого рассказа. Вот теперь-то науке (и нам) становится понятным истинный смысл открытий Вавилова. Подлинная причина того, что центры происхождения культурных растений находятся не где-нибудь, а именно в горах. Только здесь ультрафиолет может продемонстрировать свою творческую силу. И необычный вид памирской флоры связан именно с этим. Ультрафиолетовые лучи могут уродовать растительность, угнетать ее, но они же способны и подстегивать жизнедеятельность растений, вызывать мутации и давать начало новым, невиданным в равнинных областях сортам.

Проект «ультрафиолет»

В свете добытых Гурским и Соколовым фактов и Бонье теперь можно было реабилитировать. Видимо, открытые им закономерности исправно работают только во влажных — гумидных горах, там, где в воздухе много водяных паров. Пары хорошо поглощают ультрафиолетовые лучи, низводя радиацию до равнинных норм, ультрафиолет может поглощаться и частицами пыли. Грубо говоря, во влажных горах коротковолновый ультрафиолет отсутствует. Здесь доминирует температурный фактор. И все идет по Бонье: с высотой растительность вырождается в карликовую и совсем исчезает.

Не та картина в сухих, аридных горах типа памирских, где с подъемом вверх интенсивность коротковолновой ультрафиолетовой радиации (В-лучи) растет. Ультрафиолетовые лучи повышают жизненный тонус растений, их стимулирующее воздействие частично гасит негативный температурный эффект, но, понятно, лишь до какого-то предела: на больших высотах уже настолько холодно, что вынести это не под силу никаким растениям. Да и ультрафиолетовое излучение начинает действовать в основном угнетающе: ведь даже на высоте 3 тысячи метров на Памире суммарная облученность ультрафиолетом А и В достигает огромной величины — 800–850 микроватт на квадратный сантиметр поверхности.

Так вот и возникает в аридных горах оптимальная для жизни растений зона. В ней идет усиленное цветение, плодо- и семяобразование, наработка крупных подземных (клубни, корнеплоды) хранилищ запасенных питательных веществ. Поэтому издревле (центры Вавилова!) люди и находили в сухих горах самые подходящие условия для собирательства, селекции и разведения съедобных растений.

Опыт ботаников показал: на Памире область наиболее активного развития растений расположена на высотах 2000–2500 метров над уровнем моря. Выше растениям становится слишком холодно, ниже слабеет воздействие ультрафиолета. Естественно, в разных горных областях мира зона оптимума может сдвигаться в ту или иную сторону. В Гималаях она выше, чем на Памире. Однако всюду: и в Андах, и в других высоких сухих горных местностях она есть.

Недаром в некоторых тропических странах сахарный тростник для оздоровления периодически перемещают в горные районы. А в Индии выращивание здорового картофеля для посадок сосредоточено теперь в высокогорном поясе, до этого семенной картофель ввозился в Индию из горных областей Италии.

Исследования роли ультрафиолета в жизни растений продолжаются. В нашей стране они, вероятно, скоро примут общегосударственный размах. Сейчас, одним из инициаторов этого стал Соколов, создается научный проект «Ультрафиолет». Участие в нем примут Институт физиологии растений, Институт биофизики, Институт общей генетики (все академические учреждения), Тимирязевская сельскохозяйственная академия, Институт атомной энергии. Работа будет вестись в теоретическом и в практическом аспектах. Самое важное понять, как удается растениям обратить вред — удары ультрафиолетовой дубинки — себе во благо.

Исследования памирского феномена много сулят науке. Собственно, это уже начало новой — третий этап! — чреватой, видимо, блестящими открытиями главы в долгой повести «Растения и горы». Эстафетная палочка поколений: Декандоль — Бонье — Вавилов — Баранов — Гурский — Соколов (надо бы тут упомянуть имена еще многих десятков ученых!) перейдет в молодые сильные руки. Придет новая когорта исследователей. Они будут вести научный розыск совсем по-иному, на другом — клетки, органеллы, ферменты, их взаимодействие с ультрафиолетовыми квантами, гены, молекулы ДНК и РНК — уровне. Их речь запестрит малопонятными для неискушенного читателя терминами, заимствованными из квантовой механики, биохимии, молекулярной биологии и других наук.

Будет все — ярость поиска, тернии ошибок, вопли творческого восторга, радость научных удач. Обо всем этом хотелось бы написать. Но сделают это уже другие авторы. Авторы, которым предстоит жить, видимо, в начале XXI века. Они совсем не так, как мы, станут смотреть на вещи, оценивать научные свершения. И, возможно, в разделе практических приложений их больше всего заинтересует план космический.

Скорее всего уже в начале XXI века человек отправится в далекие космические путешествия. Космонавты непременно возьмут с собой в дорогу зеленые растения, которые дадут космоплавателям пищу и кислород для дыхания. И поэтому нужно уже сейчас вести изучение жизнедеятельности растений в условиях, близких к космическим. Постараться получить пригодные для условий полета в межпланетном пространстве сорта.

И поднятый к звездам Памир — своеобразная природная лаборатория — может оказаться наиболее подходящим местом для таких опытов.

Размышления Цандера обрели плоть и кровь лишь в наше время. Практическая работа велась в созданном в 1964 году Институте медико-биологических проблем Минздрава СССР, где стали изучать все связанные с жизнью в космосе — здоровье космонавтов, обеспечение их кислородом, пищей и т. д. — биологические вопросы. Большой вклад в эту проблематику внес кандидат технических наук Валентин Николаевич Головин.

Год 1960-й. Успешно закончил Московский институт химического машиностроения, учился в нем в особой группе — готовили первый выпуск так называемых студентов-исследователей. В аспирантуре начал заниматься новой тогда темой: пытался с помощью полупроницаемых полимерных мембран разделять жидкостные смеси веществ на их составляющие.

И совсем неудивительно, что спустя недолгое время Головин уже занимался системами жизнеобеспечения космонавтов. А вскоре стал руководителем большого отдела, главной целью деятельности которого была попытка втиснуть в узкие рамки космической кабины весь безграничный океан земной флоры и фауны.

Вместе со своим коллегой и основным сотрудником кандидатом биологических наук Валерием Глебовичем Чучкиным в 1966–1970 годах Головин собрал по крупицам весь разбросанный по многим источникам — статьям, старинным полузабытым монографиям, только что опубликованным тогда исследованиям Цандера — материал о том, как можно было бы, выращивая растения в космосе, максимально экономить пространство, вес, лучистую энергию. Системный анализ всех этих данных привел ученых к отрицательному выводу: использовать космические оранжереи, чтобы снабжать людей кислородом и пищей, пока нецелесообразно.

— Мешки с мукой, консервные банки, — объяснял Головин, — надежнее. Это, конечно, не значит, что высшим растениям и даже животным вход в космос категорически заказан. Космические оранжереи будут созданы, но их функции станут иными: они дадут космонавтам не еду, не возможность дышать, а будут осуществлять — это наше мнение — психологическую поддержку. Огурец на космическом столе, выращенный тут же в кабине и только что сорванный, важен вовсе не своими витаминами: ундевит или какую-то другую витаминную комбинацию можно взять с собой. Легко создать и эссенцию, имеющую аромат укропа, но она вряд ли заменит реальную укропную веточку, которую держишь в руках! И животных — кролика, допустим, собаку, возможно, даже соловья — стоило бы захватить в космос. Они, как особые психовитамины, дадут оторванному от земной пуповины человеку ощущение жизненной полноты, снимут негативные эмоции, тоску по родной планете…

Головин рассказывал, как постепенно становилось все очевиднее: в космосе стоит выращивать не пшеницу или картофель, а зеленные культуры. Вспоминал, как в 1971 году в космос была отправлена установка «Оазис-1», как подбирали наиболее эффективные конструкции космических оранжерей. Химики-технологи, инженеры взялись тогда за чисто биологическую вроде бы задачу. Более того, скорее даже сельскохозяйственную. Состоялась встреча миров трудносовместимой природы: бездушного техницизма, безжизненных железок с деликатными и уязвимыми частями живого. В таких условиях новые взгляды ну просто не могли не родиться! И действительно вскоре был сделан смелый шаг: возникли соображения о настоятельной необходимости использования в космических оранжереях движущихся растений.

Нужно ли растениям бегать трусцой?

Признаюсь, что в этом пункте повествования я вынужден был сделать остановку. Одолевали сомнения. Как лучше поступить? Изложить технические подробности сразу и тем поневоле снизить пафос содеянного, или же, напротив, так сгруппировать материал, чтобы как можно более рельефно подчеркнуть принципиальную значимость предложения Головина, раскрывать карты постепенно. И все же решил: идти вторым, хотя, возможно, и несколько более длинным путем.

А теперь представьте себе, читатель, такую картинку. Вы сидите в кинозале и на экране видите… яйцо, около него курица-мать в ожидании. Яйцо сжимается, растягивается, вибрирует… Треск раскрывающейся скорлупы, верхушка яйца летит вниз. Но вместо цыпленка оттуда показывается… зеленый росток! Он бледный, пошатываясь, вылезает наружу и делает первые неуверенные шаги…

Фантасмагория? Лишь отчасти. Скорее пролог к рассказу о том, что сделали Головин и его сотрудники. Ведь исследователи, по сути, задали себе вопрос: нужно ли растениям бегать трусцой? И ответили на него положительно.

Но мы договорились вести изложение неспешным ходом. Посему позволим себе войти еще в некоторые подробности. Порассуждаем об уместности или абсурдности соединения понятий «растение» и «движение».

Искусствоведы точно знают: поймать, запечатлеть движение в камне, дереве, глине — высшая задача скульптора. Потому так охотно изображают ваятели животных. Но лепить сосну, дуб?!

Неподвижность — характернейшая примета растительности. Вообразите себя на секунду в лесу-храме, среди стволов-колонн; вы стоите в лучах света, которые, найдя прореху в зеленой «крыше», освещают камни, мох, пучки травы; пронзительная тишина, ничто не колышется… Скульптура березы, клена? Эстетическая бессмыслица!

Только японцам посчастливилось научиться создавать как бы живые статуи растений. Мы говорим об искусстве «бонсай», что в переводе означает «вековое дерево в цветочном горшке». Вырастить крошечное деревце, считают японские ботаники, все равно что гармонично воспитать ребенка, развив в нем его индивидуальные привлекательные черты. Выращенные в семье деревья-карлики становятся фамильными реликвиями и бережно передаются от родителей к детям, символизируя преемственность поколений. Сегодня самая большая в мире коллекция бонсай находится в саду японского императора Хирохито: одному из деревьев по преданию минула уже тысяча лет!

Знатоки японских обычаев утверждают, что умение это имеет свои философские и эстетические корни: главное — в малом выразить большое, сохранив все то, что характерно для данного растения. С начала нынешнего столетия увлечение карликовыми деревьями переживает настоящий бум: во многих странах возникли клубы приверженцев этого вида искусства, в нашей стране тоже появились поклонники бонсай, они уже вырастили миниатюрные деревья наших лесов — березы, осины, рябины.

Веками японские коллекционеры охотились за деревьями, растущими на скалах или в суровой тундре, где природные условия превратили нормальные деревья в карликовые. Пытаясь продлить жизнь этим дикорастущим деревьям столь необычной формы, японские садовники постепенно постигали тайны искусственного уменьшения роста деревьев и в конце концов сами научились выращивать деревья-карлики. С помощью различных ухищрений: подрезание корней и ветвей, сложная методика прививок, физическими средствами — тиски, проволочные подвязки, тормозящие развитие камбия, обеспечивающего увеличение диаметра ствола, всякими ограничениями, уменьшая количество доступной для растения земли, минеральных веществ в ней — можно катастрофически замедлить рост деревьев. Обычная высота их — 50–60 сантиметров, у самых маленьких — 7–8, иногда выращивают деревца в чашечке величиною с ореховую скорлупку.

Однако и образчики бонсай, на наш взгляд, только еще больше подчеркивают статичность растений, их некинематичность. Понятно, покой растений обманчив. Вспомним про «десант» семян одуванчиков, про взрывающиеся бобы, про то, как листья растений поворачиваются, тянутся к свету. Движение не совсем чуждо растениям. Вот только перемещаться по земле — этого растениям действительно не дано, это качество им мог бы подарить только человек.

Блуждать по свету мешает растениям борода корней, она намертво привязывает их к земле. И все же есть в Москве, и не только в ней, место, где растения должны чувствовать себя как на беговой дорожке. Шагающие растения? Вопреки природе и логике? Да, возможно и такое.

Поле-гармошка

Конечно, мысли о движении растений вызревали постепенно. Вначале Головин и его коллеги, выполняя заветы Цандера, стремились только к тому, чтобы как можно рачительнее использовать свет на «космических» грядках.

Обычно заботливо выхаживаемые огородником посадки безобразно расточительны по отношению к солнечному свету и теплу. Но поглядите, как бережливо ведет свои дела природа. Торопясь, сменяя друг друга в строгой последовательности, разноликие по внешнему виду и характеру представители земной флоры ловят чуть ли не каждый солнечный лучик.

А всходы на грядках? Росток от ростка отделены участками голой земли, и солнце лишь понапрасну сушит черную почву. Или другая крайность: в неумело задуманном посеве между растениями-соседями идет острейшая конкуренция за свет и жизненное пространство. Кто не сажал на даче, скажем, морковь. Небрежно, щедро сыплем семена, и все густо-густо зарастает морковными хвостиками. Приходится позднее прореживать посадки, удалять часть растений. «В тесноте — не в обиде» — эта пословица не для растений.

Должно быть, раздумья об этих житейских очевидностях и породили простое решение. То, что трудно осуществить природе, можно сделать легко, если сажать растения в особые механические грядки. Ведь это же так просто! Собрать грядку в гармошку, посеять возделываемые культуры тесно сжатыми рядами, а потом, по мере того, как растения все шире и шире разворачивают свою листву, раздвигать эти ряды. Вот тогда-то каждому растению можно предоставить жилплощадь ровно такую, какая ему необходима в данный период его жизни: молодым росткам — маленькую, взрослым растениям — большую.

Итак, движение растений к урожаю началось! Сперва ход мысли ученых из института медико-биологических проблем не отличался особой оригинальностью, но вот приоритет следующего шага неоспорим. Исследователи расположили растения всех возрастов в ряд по степеням развития. Растения выстроились в затылок, расположились на длинной ленте по старшинству, а стало быть, и по росту. Кажется, еще миг — и они дружно, в такт, замаршируют. Отныне растения уже просто обязаны двигаться. Они растут и требуют себе все большего жизненного пространства. Значит, мехи «гармошки» надо непрерывно раздвигать.

Свою уникальную установку Головин и его сотрудники назвали фитодром. «Фито» по-гречески означает «растение», «дромос» — «место для бега». Но, конечно, это не скачки, скорее бег трусцой. Во всяком случае, растения попадают из пункта А в пункт Б.

И происходит все вот как. В фитодроме зерна кладут вовсе не в почву, и даже не в ее заменители, а на обыкновенную полиэтиленовую пленку, которую вставляют в специальные кассеты — держатели. Их одну за другой и размещают на фитодроме. Если теперь посмотреть на эти ряды кассет сбоку, то будет видна зеленая «горка» — постепенный переход от слабых проростков в начале фитодромной дорожки до взрослых растений в конце.

Длину фитодрома определяет время, необходимое для созревания растений. Допустим, это месяц. Значит, растению придется сделать тридцать шагов, чтобы дойти до урожая. Передвигать растения можно вручную, можно и механизировать этот процесс. Итак, растения в фитодроме покончили с оседлой жизнью. Превратились в кочевников. Но какой в этом прок? Что все это дает?

Тридцать шагов делает растение. Тридцать раз гаснет и зажигается в фитодроме свет, имитируя наступление вечера и утра. И ровно через месяц начинаются сельскохозяйственные чудеса. Теперь каждое утро лаборанты на одном конце фитодрома снимают кассеты с созревшими растениями. И тут же оправляются к другому концу фитодрома, где на освободившемся месте, все кассеты сделали шаг вперед, кладутся кассеты с проростками или в них сыплются семена. Выходит: «уборочная» и «посевная» в фитодроме идут одновременно!

Непрерывность сбора урожая — вот первая из выгод, которые сулит фитодром. Никакой сезонности, перерывов. И вот что еще: считается, сохранить урожай — все равно что собрать второй. Это на обычном поле, а с фитодромом ничего запасать просто не надо. Здесь проблема хранения радикально решена. Растения могут сразу же пойти в дело: никаких потерь! Каждый день (и час, и минуту — в зависимости от длины растительной колонны) можно получать ровно столько продукции, сколько надо. Это свойство фитодрома, понятно, не могло не заинтересовать тех, кто готовился отправить космонавтов в длительные полеты.

Ревизия дел земных

Фитодром был сконструирован, построен, опробован. Он доказал свою полезность, проявил недюжинные качества и все ж в космосе, пока во всяком случае, так и не побывал!

«У фитодрома в космосе есть сильные конкуренты, — рассказывает Головин. — На космических кораблях и орбитальных станциях воду и воздух очищают специальные фильтры и сложные регенерирующие установки… На Земле при избытке освещаемых Солнцем площадей низкий КПД растений не имеет особого значения. В космосе же пашня не может быть большой…»

Пока космической прописки фитодромы не получили, и все ж польза от них и сейчас уже немалая. Долголетний опыт работы с этими установками заставил задуматься, а так ли уж хорошо идут дела на Земле? А может, пришла пора внести коррективы в методы ведения сельского хозяйства?

Много ли человеку пищи нужно? Расчеты подобного рода вели и ведут многие организации — Организация Объединенных Наций (ФАО), Академия медицинских наук СССР и другие. И вот что получается. Среднестатистический гражданин, оказывается, должен в год съедать почти 170 килограммов хлеба и круп, около 330 килограммов овощей, почти 600 килограммов молока и молочных продуктов, мяса и рыбы — более 100 килограммов, фруктов, ягод и винограда — 150, сахара — 35, яиц — более 300 штук… Если мы теперь помножим все это на число жителей нашей страны, многие сотни миллионов тонн продовольствия потребуются! Взрастить все это на полях и в теплицах, откормить на фермах и лугах — непростое дело!

Поля в нашей стране разбросаны на многих миллионах километров. Зерно дают некогда целинные земли Казахстана, сахарную свеклу растит украинский чернозем, лен — в Белоруссии и Литве, хлопок — в Среднеазиатских республиках, сою везут с Дальнего Востока. Нелегко собирать урожаи с миллионов гектаров полей. Бороться с возможными засухами, суховеями, с ранними заморозками, ливнями, градом. С чересчур снежными и вовсе бесснежными зимами. С полеганием хлебов, отсутствием дождя в начале лета и затопленными полями в период уборки. С гусеницами, жучками, полевыми мышами и другими вредителями полей, огородов, лугов.

Как было бы заманчиво — собрать все посевные площади страны в одну да добиться, чтоб она плодоносила круглый год. Как бы при этом упростились трудности в организации полевых работ и переработке продукции! А еще бы лучше сделать это поле «механическим»: автоматизировать все до одной операции — от закладки семян до возврата транспирированной влаги и сбора урожая. Чтобы как на заводе: все шло слаженно, ритмично, поточно. Не надо будет пахать поля, и громоздкие тракторы и комбайны уйдут в прошлое. Проще будет бороться с потерями урожая. Все станет централизованным, непрерывным, любой процесс нетрудно будет держать под контролем, рационализировать…

Скажут, маниловщина! Ан нет. Вспомним про фитодром. Он-то и поможет нам провести ревизию земных дел.

Зимовщики — «агрономы»

И на земле немало мест, где обстановка почти космическая. Например, затерявшаяся где-нибудь в сибирских топях компрессорная станция на линии газопровода Уренгой — Помары — Ужгород. Или забравшаяся высоко в горы метеорологическая станция. Или Арктика.

На острове Большой Медвежий, к примеру, что вблизи полуострова Таймыр, расположена одна из многих на Севере гидрографических станций. Тяжел труд гидрографов, но именно они указывают дорогу атомоходам. На станциях отрезанные от всего мира непогодой и просторами живут несколько человек. Каждый день поставлять полярникам свежую зелень? Фантастика? Нет, реальность! Ее можно добиться с помощью движущихся растений.

«Космические оранжереи» здесь, на Земле, быстро нашли признание прежде всего на полярных станциях. По заказу полярников специалисты института создали компактные устройства фитодромного типа. Эти мини-фитодромы величиной с письменный стол, с площадью «поля» в половину квадратного метра, назвали «Самород-Арктика». Вторая часть названия — по области применения. Первая же по тому, что в самом деле самород. На обслуживание устройства уходит три минуты в сутки. Операции просты: снять урожай, заложить новую кассету с семенами, впрыснуть суточную дозу раствора минеральных солей, что делается простым поворотом трех ручек — не труднее включения телевизора.

Такой простоты конструкторы добились не сразу. Сотрудники лаборатории Головина, теперь уже с улыбкой, припоминают монтаж первого варианта установки в Заполярье. А тогда, пять лет назад, было не до смеха. На вертолете в 44-градусный мороз доставили ящик высотой под 3 метра и длиной 2. Этот «мамонт» ни в одно из жилых помещений полярников не входил. Пришлось распаковку и демонтаж вести прямо на улице, посменно колдуя по 10 минут над схваченными далеко не московским морозом болтами. Теперь же «Самород-Арктика» вполне свободно, подобно книжной полке, способен разместиться и на стене жилой комнаты. На той же «грядке» к праздникам из запасенных луковиц полярники могут выгонять тюльпаны. Яркие цветы в унылом белом безмолвии Арктики, пожалуй, не менее целительны, чем витамины.

Сегодня таких установок по выращиванию зелени в Заполярье работает уже с десяток. На островах Карского моря и побережье Восточно-Сибирского они ежедневно дарят зимовщикам капусту, салат, лук, петрушку, кинзу. И растений этих можно собирать ровно столько, сколько требуется к сегодняшнему столу, и зелень эта буквально только что снята с грядки!

Такие компактные домашние «огороды» для условий Крайнего Севера незаменимы. И теперь многие гидрографы, метеорологи, гляциологи осваивают еще одну очень приятную и необременительную профессию — агрономическую. На удивление, никаких особых навыков огородничества, никаких особых биологических познаний здесь не требуется. И немудрено: создан настоящий автомат, «штампующий» зелень.

А еще нужно добавить вот что. Выращивание круглый год укропа, петрушки, всякой зелени может стать доступным любой домохозяйке — чертежи малогабаритной установки «Самород» практически готовы, нет только завода-изготовителя. Так что, чтобы стать обладателем фитодрома, вовсе не обязательно быть полярником!

Содружество идей

В фитодроме сошлись несколько прогрессивных идей растениеводства и техники. Создать шагающие растения московским ученым помогла гидропоника. Многие поколения агрохимиков и физиологов растений шаг за шагом познавали секреты плодородия почвы. Итог этих исследований парадоксален: возникла мысль вовсе отказаться от почвы!

Но в фитодроме гидропоника особая, новейшего толка. Питание корней водой, минеральными солями осуществляется периодически, каждые полчаса в кассеты подается питательный раствор, его уровень медленно поднимается, постепенно затопляя корни растений. В растворе в оптимальных концентрациях содержатся все необходимые для роста элементы. Затем, после фазы «выдоха», начинается «вдох». Уровень влаги в кассетах неторопливо опускается. Все, что не усвоилось растениями, сливается в хранилище до следующего цикла. А освобожденные от влаги корни дышат кислородом воздуха, что для развития растений совершенно необходимо.

Большие достоинства гидропоники умножило движение растений. Как лучше автоматически раздвигать развивающиеся ростки? Ученые рассчитали и перепробовали различные варианты — «треугольный», «спиральный», «затылочный» — постепенного рассредоточения растений в фитодроме. Остановились на простейшем. Особый шнек (винт) с переменным шагом заставляет шеренги растений («грядки»-кассеты) раздвигаться по мере роста растений и их движения вперед, от посадки к урожаю.

Гидропоника… Движение… Им в помощь пришла третья уже чисто техническая идея.

Тысячелетия земледелия. Приемы, передаваемые от поколения к поколению, от отцов к сыновьям безо всяких изменений. Быстрая модернизация взглядов на сельское хозяйство началась только в наше время. Человек создал для растений искусственный климат: вокруг здания оранжереи Ботанического сада АН СССР еще голые мерзнущие деревья, а внутри здания — жаркие тропики! Лампы заменили солнце. День и ночь поменялись местами. Темной ночью окрестности вокруг теплицы, где выращиваются овощи, озарены ярким светом, льющимся из-под стеклянного колпака. В лабораториях ученых в вегетационно-климатических шкафах удовлетворяются любые прихоти растений. Ростки тут увешаны многочисленными датчиками, опутаны сетью тонких проводов, залиты искусственным светом. Посмотрев на панель такого шкафа, видишь, что можно менять для растений и влажность и температуру. Казалось бы, что еще новенького можно придумать?

Было время, когда конвейер совершил переворот в индустрии. Почему же не попытаться использовать его и в сельском хозяйстве? Что? Посадить растения на конвейер? До этого и Генри Форд не додумался! Однако конвейер революционизирует и растениеводство. Теперь, как изделия в технике, двигаться будет растение, а все машины, обрабатывающие растения, станут неподвижными. И все это нацелено на то, чтобы перейти к гарантированному почти фабричному воспроизводству растений. И главное, добиться невиданных урожаев.

Площадью с Московскую область

Разгадка высокой урожайности фитодромов проста. Никому не нужен трехколесный автомобиль. ОТК забракует его. А вот «трехколесный» колос с поля берут. Тут и за недоделанное приходится говорить спасибо. Понятно, в поле уследить за всем трудно: ни погода, ни хорошие почвы, ни другие «делающие» урожай условия пока не в нашей власти. В фитодроме же растение может получить все сполна. Кроме того, гидропоника в нем экономит массу воды и удобрений, движение сокращает расход лучистой энергии и площадь посевов, конвейерность позволяет строить настоящие фабрики, непрерывно поставляющие (вспомните, как на автозаводах ежеминутно открываются и закрываются двери, выпускающие новешенькие автомобили) готовые, свежие, сразу на стол — долой амбары и погреба! — растения.

А урожайность? Полярные установки «Самород-Арктика» и им подобные ежедневно, буднично показывают результаты мирового класса. Они могут выращивать ежесуточно, как показали контрольные испытания, свыше 500 граммов зелени. Размер этих мини-фитодромов 0,5 квадратного метра: значит, больше килограмма с квадратного метра площади. Зимой в теплицах также выращивают 1 килограмм, скажем петрушки, с квадратного метра, но… за месяц!

Вот она высшая математика сельского хозяйства!

Много лет в институте велись всесторонние исследования. Для теплиц были сконструированы фитодромы с длиной конвейеров от полутора до двадцати метров. За сутки — в пересчете на гектар — собирали до трех с половиной тонн зеленой массы! На полях берут 50 тонн, но ведь это за сезон! Эти установки можно делать и многоярусными, что существенно увеличивало общую площадь посевов. Такие установки вполне можно монтировать и в заводских цехах, в коридорах промышленных предприятий, организаций, даже в свободных подвалах. Один квадратный метр такого конвейера при искусственном освещении способен обеспечить витаминной зеленью 10–20 человек ежесуточно!

Тепличные варианты фитодромов созданы, многократно опробованы в длительных экспериментах. Эти устройства можно увидеть, потрогать руками, убедиться, что их конструкции не сложны, что они недороги и просты в эксплуатации. Ученые и конструкторы считают их в своей работе вчерашним днем. Желая говорить о будущем, они перешли к фитодромам, действующим не при искусственном, а при естественном освещении. Эксперименты вели в Крыму под Симферополем.

Несколько лет под открытым небом действовали шесть экспериментальных фитодромов по 30 метров длиной. Тут выращивались корма для животноводства — люцерна, соя. Ученые убедились: можно вполне реально получать от 700 до 1400 тонн зеленой массы с гектара за вегетационный период!

Конечно, окончательные итоги подводить рано: есть еще проблемы, которые надо решать. Но ученые уже смотрят и в более отдаленное будущее. Замыслены еще более смелые проекты. В частности, есть план перевода процесса выращивания кормовых культур в стране на промышленную основу. Для этого надо развернуть сеть фитодромов с площадью 10 на 10 километров. Эти «поля» для выращивания кормовых трав, конечно же, не обязательно должны быть точными геометрическими квадратами. Напротив, под посевы могут быть заняты неудобья, неплодородные, смытые склоны балок, каменистые горные осыпи, глинистые такыры и солонцы в пустынях. Все эти пустующие земли словно бы прибавятся к пахотному клину.

Еще более ошеломляющий план, он тоже основательно проработан, — создать механическое поле, которое одно смогло бы прокормить всю страну! Все, что собирается сейчас со многих миллионов гектаров земель, может быть взято с общей площади, не превышающей размеры Московской области. Автор видел рисунки-схемы фитодрома, способного обеспечить пищей 400 миллионов человек. Размеры его: 300 на 100 километров. Поясняющие слова, цифры и символически изображенные растения — все показывало, что на этой относительно небольшой площади найдется место и для пищевых растений, и для кормов, и для технических культур.

Заманчивая идея: посадить «марсианские яблони» сначала на Земле. Пока все это лишь мечты о будущем, но несомненно: заводское, промышленное выращивание растений — наш неизбежный завтрашний день. И может быть, недолго ждать, когда, скажем, в Москве на Пушкинской площади над зданием газеты «Известия» бегущие цепочки рекламных букв начнут по вечерам выводить над головами прохожих крупную световую надпись:

МОСКОВСКОМУ ИМЕНИ К. А. ТИМИРЯЗЕВА ФИТОДРОМУ НА ПОСТОЯННУЮ РАБОТУ ТРЕБУЮТСЯ…

Говорят, все гениальное просто. Подаренная земледельцу космонавтикой идея зеленого фитодромного конвейера поистине революционна. Рождается сельское хозяйство совершенно нового типа.

Подобных опытов было проведено немало. Одно время большие надежды связывали с хлореллой. Пытались добиться того, чтобы эта знаменитая водоросль заменила испытателю всю биосферу — все поля и луга, все, что растет в океанах и морях, все сосны, березы, травы и кустарники.

В одном из экспериментов испытатель пробыл наедине с хлореллой целый месяц. Главной частью установки был тридцатилитровый цилиндрический сосуд (реактор), где выращивалась хлорелла очень высокой плотности: до 800–900 миллионов клеток в кубическом сантиметре питательного раствора. Темно-изумрудную суспензию пронизывали мощные потоки света, умно распределяемые световодами. Так, чтобы клетки водоросли могли наиболее активно заниматься фотосинтезом.

Хлорелла выдержала испытание с честью. За 30 суток опыта она 15 раз сменила кислород в гермокабине, использовав для фотосинтеза углекислоту, выдыхаемую человеком. Эта искусственная биосфера, к радости экспериментаторов, не выказывала никаких признаков старения: а ведь за месяц в реакторе сменилось множество поколений хлореллы, ее клетки делятся каждые 9 часов.

Обнадеживало и то, что эта биологическая система обладала четко выраженными свойствами саморегуляции и самонастройки. В отличие от систем физико-химической регуляции воздуха в кабинах космонавта, которые на такое не способны.

Дело вот в чем. Человек выделяет при дыхании не только углекислоту, но и окись углерода, метан. Исследователи опасались, что концентрация этих вредных примесей начнет расти и эксперимент придется прекратить. Но этого не произошло. Хлорелла быстро постигла искусство полностью очищать воздух от вредных веществ.

И все же, видимо, не хлорелла, из-за трудности приготовления пищи из этой водоросли от нее пришлось отказаться, будет сопровождать человека в межзвездных полетах, а растения с более высокой организацией.

…Стало традицией: приземлившихся космонавтов встречать хлебом-солью. А с экипажем этого земного звездолета вышло наоборот. Когда бронированная дверь открылась, из нее, радостно улыбаясь, вышел старший исследователь Николай Бугреев, в руках он держал… каравай только что испеченного духовитого, пышного, с неповторимым вкусом хлеба.

Время действия — 1984 год, место действия — красноярский академгородок, точнее, исследовательский наземный комплекс БИОС-3. Организовали этот эксперимент ученые Института биофизики Сибирского отделения АН СССР.

Пять месяцев молодые исследователи Николай Бугреев и Сергей Алексеев находились в замкнутой биологической системе, автономной и независимой от окружающей среды. Они сеяли, растили (на одного человека приходилось примерно 26 квадратных метров «пашни»), убирали пшеницу, снимая в пересчете на гектар 700 центнеров в год, а из зерна мололи муку и пекли хлеб. В зеленом конвейере, кроме пшеницы, выращивали еще и более 10 видов овощей, подобранных по желанию самих исследователей. «Огород» занял площадь 60 квадратных метров, вполне достаточную, чтобы обеспечить кислородом 4–5 человек.

Какова цель очередного добровольного самозаточения? Решить проблему замкнутого кругооборота веществ в условиях космической вахты. Пока на современных космических кораблях и орбитальных станциях воду и воздух очищают специальные фильтры и сложные регенерирующие установки. В будущем, полагают красноярские биофизики, с этим начнут справляться растения. Они же составят и основную часть ежедневного рациона космонавтов…

Растения-космонавты

Испытаниям подвергли уже множество растений. Зеленых космонавтов отбирали столь же тщательно, как и людей. Мотивировка тут была разной. Русский лен отправили в космос потому, что он, по мнению исследователей, особенно чувствителен к изменению гравитационного поля.

Прошла и кандидатура арабидопсиса, травы, прозванной в народе скирдой. Это неприхотливое растение очень удобно для генетических экспериментов: время его развития от семени до семени занимает всего 30 суток. На арабидопсисе, которую недаром называют еще и «ботанической дрозофилой», ученые пытаются проследить, как космические условия влияют на процессы деления клеток: замедляют или удлиняют?

Запланированным стал и полет в космос гороха. Он вырастает очень густым, что очень радует космонавтов. Гречко, пробывший в космосе целую зиму, 96 суток, вспоминал позднее: «Я часто подлетал к нему лишь затем, чтобы на него взглянуть, полюбоваться. Четыре стебля были для нас рощей, лесом…»

В космосе побывал и лук, что стало неожиданностью для организаторов полета. Программой это не было предусмотрено. Две крохотные луковицы доставили на борт сами космонавты. Но и ученые на Земле очень обрадовались, когда узнали, что стрелки лука поднялись на 10–15 сантиметров. С легкой руки Виталия Севастьянова и Петра Климука лук прочно прижился на космических кораблях. Его брали с собой и участники международных экипажей.

С положительной оценкой выдержали космический экзамен семена. Во время полета «Союз» — «Аполлон» советские и американские космонавты обменялись семенами канадской ели и сибирской лиственницы. Побывавшие в космосе семена были затем высажены в питомнике Главного ботанического сада АН СССР. Семена дали отличные всходы. Саженцы канадской ели развивались гораздо быстрее и лучше ветвились, чем высаженные тут же рядом для контроля не побывавшие в космосе растения. Сейчас космические саженцы перевезены на юг Западной Сибири, здесь научные наблюдения за ними будут продолжены.

При подготовке любого космического полета идет своеобразный спор между специалистами различных областей науки. Ведь общий вес аппаратуры строго ограничен. В космос в первую очередь отправляют самое важное.

И удивительно, что в космических кораблях нашлось место для цветов. Первыми на орбиту были выведены тюльпаны. Затем дождались своей очереди орхидеи. Не только красота привела их на борт «Салюта-6». Орхидеи — цветы особые. Они относятся к эпифитам, растениям, селящимся на других растениях, на ветках и стволах деревьев, иногда на листьях.

Однако это не паразиты. Получают питательные вещества вовсе не от тех, кто предоставил им жилище. Орхидеи тут проявляют самостоятельность: умеют улавливать своими длинными воздушными корнями влагу из атмосферы и минеральные вещества из пыли. Эти свойства орхидей могут оказаться в космосе полезными.

Отбор годных для космоса растений продолжается. Ученые полагают, что в длительных космических путешествиях очень полезными могут оказаться гибриды растений.

Космическое растениеводство набирает темпы, силы и опыт. Здесь, мы убедимся в этом сейчас, будет сделано не одно большое открытие.

Тяжесть, которая не в тягость

«Нет тяжести, не отекают ноги… Растениям не нужны будут толстые стволы и ветки, которые нередко ломаются от обилия плодов и составляют бесполезный балласт деревьев, кустарников и даже трав. Тяжесть не мешает и поднятию соков…» Невесомость, представлялось Циолковскому, обернется для растений благом. Но так ли это? В тягость ли растениям сила тяжести?

1974–1975 годы. Борт орбитальной станции «Салют-4». Идут эксперименты с горохом сорта «Пионер». Анализ замедленной киносъемки показал: начальные фазы роста проростков в космосе не отличались от контрольных, выращиваемых на Земле. Однако в дальнейшем, через 2–3 недели, рост в условиях невесомости замедлялся и растения гибли. Или, в редких случаях, выживали, но не давали семян.

Поразительно, но гравитационная биология зародилась еще в прошлом веке. Уже тогда ботаникам пришло на ум высевать семена в горшки, размещенные на центрифуге.

Растения в гравистате вытягивались точно по стрелке вектора, суммирующего действие сил земного тяготения и центробежной. Дальнейшие исследования привели к открытию в чехликах корешков и растущих верхушках стеблей особых клеток — статоцистов, сходных по устройству с органами равновесия беспозвоночных животных.

Направление силы тяжести растение воспринимает так. Под ее действием смещаются плавающие в «чувствующих» клетках относительно более тяжелые крахмальные зерна. Их давление раздражает цитоплазму клетки у той или иной стенки, и растение «определяет», правильно ли оно ориентирует свой рост.

Но мало «почувствовать», куда направлен вектор тяжести. Надо еще соответственно прореагировать. Что направляет изгиб стебля вверх или корешка вниз? Поиск ответа привел к ауксинам, гормонам роста, химическим регуляторам, вырабатываемым верхушками побегов. А в 20-х годах нашего столетия возникла гормональная теория направленного роста: он идет в основном в тех частях растительного организма, куда транспортируются ауксины.

Геотропизм растений, в норме их корни и стебли располагаются по прямой, направленной к центру Земли, — проявляет себя в простых опытах. Поместим пробирку с ростком в клиностат. Это устройство не создает невесомости, но результат получается тем же. Растение заставляют непрерывно делать «кульбиты». Эти воздействия настолько быстры, что гравитационное раздражение не успевает достигнуть пороговой величины, которая способна вызвать ответную реакцию растительного организма.

Любопытно смотреть на две кучки прорастающих семян: одна получена в мире тяжести, другая — «в невесомости», на клиностате. В первой бледно-зеленые стебельки стоят, как в строю, параллельно друг другу, во втором — хаотично тянутся в разные стороны: у этих ни вершки, ни корешки не знают своего направления. Каждый проросток словно бы застыл в позе недоумения.

Та же картина наблюдалась в космосе: удрученные, «дезорганизованные» ростки быстро гибли.

Итог всех и космических и наземных опытов по изучению геотропизма все ж не столь обескураживающ, как это могло бы показаться с первого взгляда. Во-первых, эти исследования позволяют проникнуть во многие еще не разгаданные тайны живого.

Во-вторых, неожиданно выяснилось, что растениям необходима не вся сила земной гравитации, а скорее намек на нее. Достаточно, чтобы пороговая величина гравитационного раздражения составляла тысячные доли от силы земного тяготения. Тогда растение уже может развиваться вполне нормально. Этот важнейший вывод проходит проверку в космосе.

Ну а в-третьих, установлено, что отсутствие гравитации в космосе можно компенсировать разными способами.

Электрические грядки

Холод Арктики, иссушающая жара пустынь, разреженный воздух высокогорья и густая стопроцентная влажность тропиков — многое одолели растения Земли на трудном и длительном пути к совершенству. Теперь перед ними новый барьер — невесомость.

Есть ли тут у растений какие-то шансы? Безусловно. Вот доказательные опыты. Две пустившие небольшие зеленые перья луковицы поместили в клиностат. Полиэтиленовые стаканчики с растениями каждые две секунды поворачиваются то вверх, то вниз корнями. А теперь главное: к одной из луковиц подвели электрический ток, другая, контрольная, продолжала расти сама по себе.

Такие попытки компенсировать отсутствие гравитации электричеством начали ученые Смоленского филиала сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева и ВНИИ электрификации сельского хозяйства. Затем эти эксперименты продолжили космонавты Леонид Кизим, Олег Макаров и Геннадий Стрекалов на корабле «Салют-6».

Испытания были успешными. Буквально в первые же сутки ростки контрольного растения стали беспорядочно изгибаться, разошлись в стороны. На шестые сутки начали появляться перетяжки на перьях, а кончики их увяли — все свидетельствовало о близкой гибели растений. И совсем иначе шли события для растения, находящегося «под напряжением» — лук оставался прямым, перья его имели более темную, больше хлорофилла, окраску.

Чтобы снять все сомнения, полнее убедиться в живительном воздействии электричества, экспериментаторы поменяли подключение тока. И все пошло наоборот: увядший лук ожил, а благополучно развивавшийся росток стал увядать.

«Признаться, — рассказывал корреспонденту „Правды“ смоленский ученый, руководитель специальной лаборатории электрофизиологии кандидат сельскохозяйственных наук Анатолий Михайлович Гордеев, — мы и сами не ожидали такого скорого эффекта. Первый успех окрылил нас. Мы стали совершенствовать методику…»

В клиностатах испытывали лук, чеснок, горох, гладиолусы и многие другие виды растений. Арабидопсис зацвел и даже дал плоды. Его ростки под током достигали почти вдвое большей высоты, чем в естественных условиях. Как электричество влияет на внутренние процессы роста и ориентирования растений, пока все же не очень ясно. Нужны более тщательные, более продолжительные исследования. Но несомненно, что электрический ток оказывает влияние на распределение в органах растения фитогормонов, веществ, управляющих процессами роста и развития.

Электрические грядки? Электрокультурой, стимулированием роста растений с помощью электрического тока занимались еще в конце прошлого века. И порой на электрических грядках урожаи получались заметно весомее, чем на грядках обычных. Кто знает, возможно, в будущем ток станет в руках земледельца рычагом повышения урожайности. Или, скажем, средством борьбы с полеганием злаков?

Это — земная сторона дела. Космическая же в том, что ток дает растениям в невесомости как бы точку опоры, словно бы гравитационный костыль, эрзац тяготения. И уж совсем любопытно, что подсказку, как вести себя в мире без тяжести, как правильно строить программу своего развития, растения могут получить не только посредством тока. Направленный свет (луч лазера), поле электрического напряжения (при нулевом токе) и другие воздействия также могут помочь растениям, оказавшимся в сотнях и тысячах километров от родной Земли.

Плантации на Венере

В сентябре 1987 года, в 30-летие первого, запущенного в СССР спутника Земли, в Брайтоне, Англия, состоялся 38-й конгресс Международной астронавтической федерации. В зале яблоку негде было упасть, когда на одном из первых семинаров были заслушаны доклады советских участников. Тема — новый космический комплекс «Мир» — «Квант», чрезвычайно расширивший возможности работы и исследований в космосе…

Космонавтика берет одну вершину за другой. Директор НАСА доктор Джон Флетчер сказал в интервью советскому журналисту: «Через сто лет о нашем времени будут говорить как о начале космической цивилизации… Возможно, в 2017 году будущий директор НАСА сообщит о рождении первого ребенка в космосе. Мечты? Но когда люди не мечтают, они гибнут…»

Мечты? Они подсказывают смелые проекты переделки ближайших к Земле планет.

Автоматические межпланетные аппараты — советские «Марсы» и американские «Маринеры» — позволили изучить рельеф Марса, заглянуть в древнюю историю Красной планеты. Видимо, когда-то на Марсе текли реки и была атмосфера, гораздо более плотная, чем сейчас. Академик Николай Николаевич Семенов в связи с этим высказал мысль о возможности сооружения на Марсе гигантских электролизных установок, с тем чтобы, разлагая воду, которой достаточно в марсианских полярных шапках (это смесь льда и твердой углекислоты), насытить кислородом и уплотнить марсианскую атмосферу. Давление у поверхности Марса в 100–200 раз ниже, чем на Земле: оно примерно такое же, как у нас на высоте 30 километров.

Так, возможно, удастся сделать Марс годным для заселения людьми и растениями. Так возникнет марсианское земледелие, которое, видимо, будет значительно отличаться от земного. Климат Марса суров: в полдень максимальная температура всего 15–25 градусов Цельсия, в полночь она падает до минус 50–65 градусов. И это на экваторе!

Другой не менее дерзкий замысел подобного же рода — засеять верхнюю атмосферу Венеры земными микроводорослями. Таково предложение советского географа Игоря Михайловича Забелина, позднее ту же мысль высказал Карл Саган. Водоросли начнут поглощать углекислоту, усваивая углерод и высвобождая кислород. Это, считается, уменьшит «парниковый эффект» и температура поверхности Венеры, около 500 градусов Цельсия, начнет снижаться. И за короткое время — столетия, даже десятилетия — Венера сможет превратиться в гостеприимную или хотя бы сносную для человека, захватившего с собой растения, планету.

Марсианские пашни, плантации-гиганты на Венере. А что, если и в самом деле удастся перенести сельскохозяйственные угодья с Земли на соседние планеты, сделав их перевалочными пунктами на магистральном пути в дальний космос? Заманчивые проекты!

Где взять энергию, эту в конечном итоге плату за все? В космосе энергии предостаточно. Не только обилие солнечного света. Как известно, Юпитер и другие большие планеты состоят преимущественно из водорода — лучшего экологически чистого горючего. Да к тому же еще запасы ядерного топлива у одного только Юпитера таковы, что их расселяющимся в Солнечной системе землянам, по оценкам, хватит на сотни миллионов лет!..

Мечты о яблонях на Марсе не столь уж и беспочвенны. «На пыльных тропинках далеких планет…» — так пелось в популярной песенке эпохи первых космических полетов — человек оставит не только свои следы, там непременно возникнут поселки и города, целые страны с интернациональным, как сейчас в Антарктиде, населением, с высокоразвитым космическим земледелием, со всем тем, что позволило бы землянам чувствовать там себя как дома, на Земле.

И тогда начнут сбываться пророческие слова Циолковского: «Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство».