Юрий Георгиевич Чирков

Яблони на Марсе

Рецензент доктор технических наук, профессор Е. П. Галямин

Глава 1

Карусель жизни

Я всегда говорил и не устаю повторять, что мир не мог бы существовать, не будь он так просто устроен. Эту злополучную землю обрабатывают уже тысячелетиями, а силы ее все еще не иссякли. Небольшой дождь, немножко солнца — и каждую весну она вновь зеленеет и будет зеленеть вечно.

Гёте

На стенах храма богини Дианы в Эфесе, разрушенном ветрами истории древнегреческом городе на восточном побережье Средиземного моря, была начертана надпись:

Солнце своим лучистым светом дает жизнь.

Давно догадывались люди об истинной роли Солнца, о том, что без него жизнь на Земле была бы невозможна. Об этом сказано было еще в Ветхом завете (в его философской части — Екклесиасте):

Сладок свет и приятно для глаз видеть солнце.

О том же не раз твердили поэты. Вот строки Артюра Рембо:

Источник нежности и жизни, Солнце властно

Льет жаркую любовь на грудь Земли прекрасной;

И, лежа на лугу, вы чувствуете вновь,

Что расцвела Земля и что бурлит в ней кровь…

Поэтам вторили ученые. Климент Аркадьевич Тимирязев писал: «Человек вправе, наравне с самим китайским императором, величать себя сыном Солнца».

Постепенно зрела в человечестве и другая глубокая мысль — о месте растений в жизненной круговерти. До нас дошли древние сказания об умирающих осенью и воскресающих весной божествах. Вот одно из них.

Богиня Афродита, гласит легенда, полюбила смертного — красавца Адониса. Недолго длилось их счастье. Однажды во время охоты собаки Адониса напали на след громадного кабана. Уже готовился юноша пронзить разъяренного зверя копьем, как вдруг кинулся на него кабан и смертельно ранил клыками.

Горько плакала Афродита. И Зевс-громовержец сжалился над ней: повелел каждый год отпускать Адониса из царства теней. С той поры все расцветает и ликует в ярких лучах солнца, когда Адонис возвращается…

Жизнь на Земле создают, оберегают, хранят растения. Но как все это происходит? Какие таинственные процессы совершаются в зеленых листьях? Ответы на эти вопросы получены сравнительно недавно.

Животное, поставленное на голову

Даже сейчас многие продолжают верить: органические питательные вещества дает растениям «хорошая, черная земля». Хотя на самом деле они черпают из почвы лишь неорганические соли.

Стойкость теории гумусового питания растений легко объяснима. Эти взгляды освящены многовековой (с доисторических времен) практикой земледелия. Бросили в почву крошечное семечко, а вырастает дерево-гигант, в десятки метров ростом. Создать этакую махину из ничего нельзя, это ясно каждому.

Наблюдение второе: в почве растение развивает очень сложную и мощную корневую систему. Если росток выдернуть с корнями из земли или повредить корни, он вскоре погибнет. Казалось бы, очевидно: пищу растения находят именно в земле и добывают ее с помощью корней. И почвы ведь не всякие пригодны: есть плодородные — здесь буйная растительность, и есть тощие, покрытые чахлой растительностью. Значит, в почве должно присутствовать «нечто», какие-то питательные ингредиенты.

И последнее обстоятельство: древний землепашец не мог не очеловечивать растения. Не мог не ставить знака равенства между животными и растениями. Не мог не искать в растениях органа, соответствующего рту животных.

Все эти вроде бы неопровержимые истины подытожил в своих трудах древнегреческий философ и ученый Аристотель.

Аристотель (384–322 годы до нашей эры) — сын придворного врача, ученик Платона, наставник Александра Македонского. Разум Аристотеля охватил почти все доступные для его времени знания. Лекции, которые он читал своим ученикам (Ликейская школа в Афинах), были затем собраны им в 150 томах. Это была созданная одним человеком грандиозная энциклопедия не только наук, но и этики, политики, поэтики, риторики. В 323 году Аристотель был обвинен в безбожии, бежал и скончался в изгнании.

Чем и как питаются растения? Ответ Аристотеля был прост и доступен пониманию даже простых афинян. Философ учил: растение — это животное, поставленное на голову: органы размножения у него наверху, а голова — внизу. С помощью корней, играющих роль рта, растение извлекает из земли совершенно готовую пищу. Поэтому оно и не выделяет нечистот. Сколько вкусов в плодах, продолжал свою мысль ученый, столько же их и в земле, которою питаются растения.

Взгляды Аристотеля оказались очень живучи. Даже в прошлом веке один ученый француз в руководстве по анатомии растений писал, что у растений, как и у животных, есть легкие — листья, желудок — корень, стебель же высасывает из земли питательные вещества. А хлорофилл не что иное, как зеленая кровь…

Всего две унции

Древние, конечно, понимали: растениям также необходима вода; первые цивилизации возникли в долинах великих рек (Нила, Евфрата, Инда…), там, где было развито поливное земледелие. Но вода, полагали наши предки, играет лишь пассивную роль переносчика питательных элементов из почвы в растение.

Несомненно же, почва важнее воды! Вода — жидкость, а, скажем, древесина тверда, плотна: «нечто», взятое растением из почвы, гораздо легче превратить в растительную ткань, нежели собирать ее из текучей воды.

Здравый смысл — хорошо, наглядный опыт — лучше! Собственно, наука и начинается там, где от рассуждений переходят к экспериментам. Начало научному подходу к физиологии растений положил Ян Баптист ван Гельмонт, ученый, которому за полезные для науки заблуждения в 1889 году, через 245 лет после смерти, на родине в Брюсселе воздвигли памятник.

Гельмонт (1579–1644) — голландский естествоиспытатель и алхимик. Дворянин, ятрохимик (врач-химик, приготовление лекарств — главная цель химии!). С 32 лет посвятил себя всецело науке и лечению, бесплатному, больных. Признавал самопроизвольное зарождение, верил, например, что из смеси пшеничной муки, старых тряпок и пыли могут рождаться мыши, занимался поисками философского камня, превращающего ртуть и свинец в золото. И в то же время первый осознал, что воздух — это смесь газов; ввел в химию термин «газ».

Гельмонт, подобно древним грекам, верил, что вода — первооснова всего сущего на Земле, первоэлемент, в той или иной модификации слагающий во Вселенной и живой лист растений, и мертвый камень. Но Гельмонт отличался от греческих философов тем, что жил во времена, когда количественные методы начали изменять лик науки. Вода или почва? Отчего не попытаться проверить это экспериментально? Ему было под пятьдесят, когда он завершил свой знаменитый опыт, длившийся целых пять лет!

Гельмонт посадил ветку ивы в горшок, наполненный землей. Ее сухой вес (ученый не поленился тщательно просушить землю в печи и взвесить ее с точностью до унции) оказался равным 200 фунтам. Горшок был покрыт крышкой, чтобы в него не попадали пыль и сор. Иву поливали дождевой водой, и никому не дозволялось прикасаться к растению. Ивовый прутик прекрасно развивался и превратился в деревце.

Ровно через пять лет Гельмонт с помощью садовника осторожно извлек иву из горшка, очистил ее от земли, взвесил и записал результат. Растение за пять лет увеличилось в весе на 164 фунта и 3 унции (один фунт, как известно, равен 16 унциям).

Вновь высушили землю, где развивалась ива. Удивительно, но она потеряла в весе всего лишь 2 унции. Следовательно… следовательно, Аристотель был не прав: вода! — только вода служит растению пищей…

Это был первый количественный эксперимент с живым организмом в истории науки. Биологический эксперимент, сказали бы мы. И в этом одна из величайших заслуг Гельмонта. Что же до трактовки результатов опыта, то здесь Гельмонт честно заблуждался, обманывая себя и других. Но это недоразумение стало классикой. Возникла водная теория питания растений. Эта теория, несмотря на очевидную (о, как легко судить нам сейчас!) ошибочность, продержалась в науке до XIX века. Десятки и даже сотни людей повторяли опыт Гельмонта и ссылались на него (с фактами спорить трудно) как на неопровержимый авторитет. И тех, кто опытами же доказывал, что Гельмонт был явно не прав, долгие годы (такова сила официальной, освященной учебниками доктрины) не хотели даже выслушивать…

«Жирный тук»

Одним из первых сделал попытку направить исследования о питании растений по правильному руслу корифей русской науки — Михаил Васильевич Ломоносов.

Ломоносов (1711–1765) — первый русский ученый-естествоиспытатель мирового значения; физик, химик, историк, в 1760 году им опубликована первая история российская, просветитель. Он организатор первого университета в России. Пушкин писал о Ломоносове: «Он… сам был первым нашим университетом». Металлург, технолог и художник. Сын крестьянина-помора, ставший академиком. В 17 лет бежал из родного дома и, выдав себя за сына дворянина, поступил в Москве в Славяно-греко-латинскую академию.

Заслуги Ломоносова, основателя русской науки, были оценены ученым миром с большим опозданием. Лишь в самом начале нашего века благодаря самоотверженным патриотическим трудам химика и историка науки Бориса Николаевича Меншуткина имя Михайла Васильевича стало выходить из небытия. Из современников только математик Леонард Эйлер сознавал истинную цену Ломоносова. Для остальных же он оставался, по словам академика Бориса Алексеевича Введенского, «оригинальным мужиком с похвальной склонностью к просвещению, который писал стихи, по случаю чего и был ради примера сделан генералом». Но великий гений Ломоносова проложил себе дорогу. Сам-то он сознавал свое значение, писал: «Я знак бессмертия себе воздвигнул. Превыше пирамид и крепче меди…»

Его чтят сейчас во всем мире. В 1960 году, когда крутящийся вокруг Луны советский спутник сфотографировал невидимую нам сторону, один из обнаруженных там кратеров был назван именем Ломоносова.

Девять наук — физика, химия, геология, минералогия, география, астрономия, философия, история, филология — спорят, какая из них больше обязана талантам Ломоносова. А ботаника? Отчего-то обычно забывают, что и ей Ломоносов посвятил немало времени, что и тут его мысль далеко опередила современную ему науку. По соседству с домом, где долго жил Ломоносов, на Первой линии Васильевского острова, находился в Петербурге «Аптекарский огород». Пятнадцать лет служил он для ученого местом отдыха и научных наблюдений. У Михаила Васильевича был даже свой ключ от садовой калитки…

Родившийся на Севере, на берегах Двины, где почва бедна, Ломоносов не раз задумывался: как, скажем, ель — такое крупное дерево! — могла так вымахать, питаясь лишь скудной пищей, которую предоставляет ей здешняя тощая земля? Где в ней тот «жирный тук», столь необходимый всякому растению? И вот во времена, когда все поголовно считали, что лист — всего лишь помпа, выкачивающая из растения лишнюю влагу, когда ученые твердили: лучшее питание для растений — чистая вода, Ломоносов дерзко утверждал иное: «Преизобильное ращение тучных дерев, которые на бесплодном песку корень свой утвердили, ясно изъявляет, что жирными листьями жирный тук в себя из воздуха впитывают: ибо из бессочного песку столько смоляной материи в себя получить им невозможно…»

Провозвестники. Они были в науке всегда. Их мало ценят, редко упоминают. Должно быть, потому, что их истинное значение отчетливо осознавали лишь первооткрыватели, идущие по их следам. Мысль о воздушном питании растений еще нельзя было подтвердить экспериментально: ученым во времена Ломоносова не была известна природа различных газов, входящих в состав воздуха. Однако идея фотосинтеза, словно нераскрывшийся бутон диковинного цветка, ждала своего часа. И этот час приближался.

Открытие Пристли

Удивительная все же закономерность: великие открытия, как правило, обычно делались (и, видно, всегда будут делаться) совершенно случайно. Рвение, настойчивость, целеустремленность — все эти похвальные качества, несомненно, способствуют получению выдающихся научных результатов, но никак их не гарантируют. Нужно еще, как говорится, «родиться в рубашке», под счастливой звездой.

Грустный факт, но научные изыскания подобны охоте: опытный стрелок, прекрасно знающий лес и повадки зверей, часто после томительного блуждания возвращается с пустыми руками. А случайный прохожий — неожиданно приносит крупную дичь. Нечто подобное произошло и с английским химиком Джозефом Пристли.

Пристли (1733–1804) — сын ткача, в 7 лет лишился матери, воспитывался у богомольной тетки. Слабый, болезненный, заикающийся, он обнаружил неодолимую склонность к наукам: еще в школе изучал философию, логику, математику, языки (знал греческий, латинский, французский, итальянский, немецкий, древнееврейский, арабский, ассирийский, халдейский). Написал научно-популярную книгу «История электричества», изобрел содовую, сельтерскую, воду — тогда ею безуспешно пытались лечить цингу, открыл в 1774 году кислород, упрямо защищал отживавшую свой век теорию флогистона, этого гипотетического начала горючести. Став после окончания духовной академии священником, Пристли одобрял борьбу североамериканских колоний за независимость, приветствовал Великую французскую революцию, выступал против работорговли и религиозного фанатизма всех мастей. Когда пятидесятивосьмилетний Пристли вступил в общество «Друзей французской революции», толпа разъяренных обывателей устроила в его доме погром, ученому пришлось бежать сначала во Францию, затем перебраться в США.

Пристли искал способ очистки воздуха, испорченного горением и дыханием людей или животных. Его мучил такой вопрос: каким образом могло случиться, что атмосфера в течение несметных веков не утратила своей животворной силы? И Пристли пришел к заключению, что на поверхности нашей планеты должен существовать какой-то регулятор, процесс, улучшающий воздух.

Долго искал Пристли, многое перепробовал, пока не сделал удивительное открытие. «Мне посчастливилось, — писал он об этом в 1772 году, — случайно напасть на метод исправления воздуха… открыть по крайней мере один из исправителей, которым Природа пользуется для этой цели. Это растительность. Можно было бы себе представить, что поскольку обычный воздух необходим для жизни как растений, так и животных, то растения и животные действуют на него одинаково. Признаюсь, что и я так же предполагал, когда поместил пучок мяты в стеклянный кувшин, опрокинутый в сосуд с водой, но когда она продолжала расти там несколько месяцев, я убедился, что этот воздух не тушит свечи и не вредит мыши, которую я туда поместил…»

Официально считается, что так был открыт фотосинтез. Но фактически Пристли лишь доказал, что растения выделяют кислород. Да, по существу, Пристли открыл кислород, с тем, чтобы три года спустя уже сознательно (и официально) совсем в иных опытах открыть его вторично. Но так или иначе в хаосе не оформленных еще представлений о газах начало открытию фотосинтеза было положено.

Сомнения Шееле

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 + CO_2 + H_2O  C(H_2O) + O_2

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 (CO_2) и вода (H_2O) преобразуются в углеводы C(H_2O) и кислород (O_2). 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.

Глава 2

Сказ о зеленом головастике

На далекой звезде Венере

Солнце пламенней и золотистей,

На Венере, ах, на Венере

У деревьев синие листья…

Николай Гумилев

«Почему и зачем растение зелено?» — так называлась одна из работ Климента Аркадьевича Тимирязева (1843–1920), посвятившего всю свою жизнь изучению фотосинтеза. Немало лет прошло с тех пор, одержаны замечательные научные победы, разработана невиданная для тех времен, облегчающая исследования научная аппаратура. А дать исчерпывающий ответ на этот, казалось бы, простой вопрос наука все еще не может…

Листозелень

Голландец Антони ван Левенгук (1632–1723) не был ученым в строгом, нынешнем смысле этого слова. Занимался торговлей (мануфактура и галантерея), а свой досуг использовал для шлифовки оптических стекол. В деле этом достиг он такого совершенства, что изготовленные им линзы, которые он вставлял в металлические держатели с прикрепленной к ним иглой для насаживания объекта наблюдения, давали 150–300-кратные увеличения.

Так, в 1674 году Левенгук смастерил первые образцы микроскопа. И тут страсть разглядывать скрытую дотоле от глаз человека часть Вселенной всецело овладела голландским купцом. А человек это был пытливый и неугомонный. Все, что попадалось ему под руку, Левенгук тут же тащил к микроскопу. И волос, и крылышко мухи, и кусочек ткани, и бумагу, и капельку дождевой воды… Свои наблюдения-открытия Левенгук описывал в научных статьях-письмах, посылая их в Лондонское Королевское общество, членом которого стал с 1680 года.

Естественно, Левенгук не прошел мимо зеленого листа. В растительной ткани, ее клеточках, он разглядел крохотные зеленые скопления частиц. В 1698 году, говорят, когда Левенгука посетил Петр Первый, голландец и русскому царю дал поглядеть через линзу на таинственные зеленые шарики…

Левенгук одним из первых наблюдал хлорофилл. Но получили его и, главное, дали ему имя французские химики Пьер Пельтье (1788–1842) и Жозеф Каванту (1795–1877). Именно они нарекли «листозелень» (словечко, придуманное Тимирязевым) хлорофиллом (от греческих «хлорос» — зеленый и «филлон» — лист).

Пельтье и Каванту были профессиональными фармацевтами, а значит, и химиками. Из листьев растений, из трав, коры деревьев, из корней они извлекали исцеляющие начала. Особенно прославило их открытие хинина: верного средства против малярии. Так, возясь с листьями, видимо, попутно, не придавая этому слишком большого значения, Пельтье и Каванту (в 1817 году они опубликовали «Заметку о зеленой материи листьев») и открыли хлорофилл.

Опыт с выделением хлорофилла прост и доступен каждому. Стоит залить свежие зеленые листья спиртом, и вы заметите, что спирт окрасится в зеленый цвет, а листья станут бесцветными. Эту нехитрую операцию и проделали Пельтье и Каванту. Но, кроме того, они промыли полученную полужидкую зеленую массу водой (удалив при этом водорастворимые примеси), а затем просушили ее и получили зеленый порошок.

Радуга под лезвием ножа

Разделить пигменты, получить хлорофилл в чистом виде удалось русскому ученому Михаилу Семеновичу Цвету.

Цвет (1872–1919) — ботаник, физиолог и биохимик, сын итальянки и русского интеллигента, не поладившего с царским режимом. Родился в Италии, учился в Швейцарии, долгое время жил в Польше (она была тогда частью Российской империи), умер в России (в Воронеже). Он был поэтом (магистерская диссертация его начиналась словами: «Своеобразный таинственный процесс, происходящий в хлорофилловом зерне под прибоем световых волн…»), а дал толчок изобретению приборов, которые сейчас можно найти на любом заводе, связанном с химической промышленностью.

В 1906 году, защитив в Женеве диссертацию «Этюды по физиологии клетки», ее центральная глава посвящена хлорофиллу, Цвет неожиданно для окружающих решает вернуться в Россию. Вернуться туда, где никогда не жил! Здесь он вначале работал у Андрея Сергеевича Фаминцина, в его фитофизиологической лаборатории, изучал все тот же хлорофилл. Но на птичьих правах: ни дипломов, ни ученых степеней, полученных за границей, в России не признавали, а без них получить штатное место ни в одном учреждении Цвет не мог. Образовался заколдованный круг: чтобы получить степень доктора, надо было иметь университетский диплом, а его не давали без гимназического аттестата (гимназия в 30 с лишком лет?!)… В 1910 году Цвет защитил вторично докторскую диссертацию «Хромофиллы в растительном и животном мире».

1915 год, дивизии кайзера Вильгельма вторглись в Польшу, Цвет вместе с Варшавским политехническим институтом оказался в Нижнем Новгороде. Его избрали профессором Юрьевского, ныне Тартуского университета, который в те годы из Эстонии был эвакуирован в Воронеж; здесь (голод, неустроенность, врожденная болезнь сердца) на 47-м году его настигла смерть.

В 1943 году известный женевский ботаник Чарлз Дэре писал, что Цвет за свое открытие, несомненно, достоин Нобелевской премии, ибо без его хроматографии значительная часть нынешних нобелевских лауреатов по химии не получила бы столь значительных результатов.

В 1903 году Михаил Семенович Цвет прочел доклад со сложным для ботаников и отпугивающим названием: «О новой категории адсорбционных явлений и о применении их к биохимическому анализу». Но суть была проста. Цвет показал, что при пропускании растворенных в жидкости растительных пигментов через слой бесцветного пористого сорбента отдельные пигменты располагаются в виде окрашенных (каждый пигмент имеет собственный цвет или хотя бы оттенок) зон.

Порошок сорбента, это может быть мел, сахарная пудра… адсорбирует, поглощает (латинское «sorbere» значит «глотать») разные пигменты с неодинаковой силой: одни могут «проскочить» с током раствора дальше, другие будут задержанными ближе. Полученный таким образом послойно окрашенный столбик сорбента Цвет назвал хроматограммой, а метод — хроматографией.

(Странным образом собственная фамилия — Цвет — ученого совпала с существом его наивысшего научного достижения: по-гречески «хрома» значит «цвет»!)

На фоне тех усилий, которые уходили на эту процедуру прежде, манипуляции, проделываемые исследователем при хроматографии, похожи на фокус, волшебство. Вот исследователь в стеклянную трубку, плотно набитую хорошо измельченным мелом, через воронку льет темно-зеленый хлорофилловый экстракт. И происходит обыкновенное (научное) чудо: медленно спускаясь вниз, жидкость окрашивает порошок в разные тона. Пояски — желтый, зеленый, сине-зеленый, оранжевый…

Столбик мела извлекается из стеклянной рубашки и кладется на стол. И ножом (!) разрезается на отдельные цветные части. В каждой — чистейший пигмент. Осталось лишь с помощью растворителя вымыть, извлечь нужный исследователю пигмент из соответствующего кольца сорбента…

Хроматографический метод Цвета позволил ученым открыть для себя красочную и загадочную страну пигментов.

Пигменты желтые, красные, зеленые

Листва зелена — эту аксиому разрушает осень с ее желтой, красной и оранжевой листвой.

Хлорофилл хрупок и недолговечен: лучи солнца убивают его, но на смену погибшим молекулам лист синтезирует новые. Однако осенью образование хлорофилла прекращается: лист теряет зеленую окраску, обнажая до того скрытые под зеленью другие пигменты.

Так гибель и распад рождает красоту, столь восхищавшую поэтов!

Семья растительных пигментов, уже и сейчас довольно многочисленная, растет с каждым годом. Число одних только хлорофиллов подошло к десяти: есть хлорофиллы (словно витамины) a, b, c, d, e — у высших растений, у водорослей, у бактерий.

(Цвет первым показал, что кроме хлорофилла a — он главный! — в зелени растений присутствует еще и хлорофилл b. Ученый, правда, называл их иначе: хлорофилл альфа и хлорофилл бета. Увы! Латынь вытеснила греческий.)

Но особенно «плодовиты» каротиноиды.

Всем хорошо известна эта группа пигментов, окрашивающих морковь, апельсины, лимоны и другие плоды и овощи. И желтый цвет оперения канареек и желтка яйца также обусловлен каротиноидами. Они же образуют пигментный слой кожи у обитателей Юго-Восточной Азии.

Животные и человек сами не могут синтезировать каротиноиды, которые используют в качестве предшественника витамина А. Желтки яиц, снесенных курами, получавшими мало зеленого корма, еле окрашены, в то время как оперение канареек, в пище которых было много красных каротиноидов, приобретает яркую красноватую окраску.

Число различных каротиноидов — каротинов (они желты), ксантофиллов (красны) — быстро растет. Если в 1947 году каротиноидов насчитывалось около 70, то к 1970 году — более 200! Здесь все обстоит так же, как в ядерной физике.

Когда-то были только атомы (Демокрит), затем ученые стали говорить об электронах, протонах и нейтронах. Но вскоре, орудуя мощными ускорителями, физики-экспериментаторы начали обнаруживать все новые и новые ядерные частицы. Их стали обозначать просто буквами. Так появились Λ-частицы, Σ-частицы и многие другие.

Сейчас их уже набралось несколько сотен, эпитет «элементарные» был окончательно скомпрометирован. Чтобы наконец разобраться в этом хаосе, физики-теоретики ввели кварки — сверхэлементарные частицы, различными комбинациями которых вроде бы являются все остальные. Однако физики-экспериментаторы ну никак не могут их обнаружить!

И пигменты тоже: множатся и множатся, подобно элементарным частицам… И специалисты по фотосинтезу, как и ядерщики, недоуменно разводят руками, силясь объяснить подобную многоликость щедрой на выдумки природы.

К чему такое изобилие? Когда-нибудь это станет ясным. Пока же известно немного. Так, ученые установили, что каротин охраняет молекулы хлорофилла от окисления особым синглетным кислородом: он образуется как побочный продукт в процессе фотосинтеза и крайне агрессивен.

Другая функция желто-красных пигментов — видимо, расширить интервал эффективных для фотосинтеза длин волн света. Те лучи, которые хлорофилл не в состоянии ассимилировать, поглощают каротиноиды и «передают» на переработку молекулам хлорофилла.

Растительные пигменты преподнесут ученым еще немало сюрпризов. Но, как и прежде, наиболее интригующим среди них остается зеленый пигмент — хлорофилл. Вот уже полтора столетия ученые многих стран мира упорно исследуют это загадочное вещество. Если перебрать все химические соединения, то среди них хлорофилл по числу посвященных ему публикаций, вероятно, занимает первое место. И длинный список этих работ непрерывно пополняется.

Гейне спорит с Бюргером

Зеленый цвет вовсе не обязателен для каждого фотосинтезирующего организма. Водоросли, к примеру, в большинстве случаев бывают желтые, бурые, оливковые, красные или синие, но не зеленые. И на суше некоторые растения имеют желтые или красные, а не зеленые листья. Но в какие бы одежды они ни рядились, ключевую роль в них играет хлорофилл. Всякий раз, когда пигментная система «цветного» фотосинтетика подвергалась анализу, в ней обязательно находили и зеленые «кровяные тельца».

Тимирязев спрашивал: почему и зачем растение зелено? Уместно спросить: а почему растение не черно? Ведь если белые поверхности отражают почти все лучи, то черные, наоборот, поглощают весь солнечный спектр. Казалось бы, растения с черными листьями были бы в более выгодном положении!

Увы, черная листва быстро бы перегрелась. И, если бы температура листа поднялась выше 50 градусов, это означало бы смерть для растения. Белки — основная составляющая часть клетки — гибнут при температуре, лишь несколько превышающей 40 градусов.

Итак, ни белые, ни черные листья растениям не подходят. Но отчего природа выбрала из промежуточных зеленый цвет? Ведь мыслима еще и желтая или, скажем, синяя листва?

Зеленый цвет листьев настолько характерен для большинства растений, что невольно напрашивается мысль о его особом физиологическом значении, о том, что он чем-то полезен для флоры, имеет перед другими цветами какие-то явные преимущества.

Из всего огромного диапазона падающего на земную атмосферу излучения: γ-лучи, рентгеновские, ультрафиолет… — нижних слоев атмосферы и растений достигает лишь та радиация, которой удается проникнуть в так называемые «окна прозрачности»: сравнительно широкое «радиоокно» — волны от нескольких миллиметров до десятков метров — и узкое «оптическое окно» — излучения с длинами волн от 0,3 до десятков микрон; именно в этом «окне» находятся и все видимые человеческим глазом лучи.

Хлорофилл приспособлен к поглощению красной и синей полос спектра в «оптическом окне». Но удивительно, что этот пигмент не поглощает желтые и зеленые лучи, а ведь это самая насыщенная часть солнечного спектра! Оптикам известно, что максимум спектра прямого солнечного излучения лежит в желтой (художники недаром рисуют рыжее солнце) спектральной области.

Конечно, можно предположить, что приспособление растений к солнечной радиации как раз и проявляет себя в этом: хлорофилл и «создан» для того, чтобы поглощать в основном рассеянное солнечное излучение, имеющее максимум в сине-фиолетовой части при безоблачном небе и в красной области — при небе пасмурном.

Сторонники целесообразности природных конструкций выдвигают и другие более сложные варианты, объясняющие, отчего зеленый хлорофилл столь популярен в царстве растений. Не будем вдаваться в эти тонкости, но отметим, что идеология всех подобных рассуждений одна — в природе, дескать, все тщательно отлажено, пригнано, сработано с особым смыслом и не без пользы.

Однажды, путешествуя по Гарцу (горный массив, лежащий на территории нынешних ФРГ и ГДР), поэт Генрих Гейне повстречал простоватого бюргера, наивно и чрезмерно восхищавшегося премудростью творца, столь дивно устроившего этот лучший из миров. Иронизируя над простодушием своего собеседника, поэт в разговоре с ним, подтрунивая, утверждал, что-де «в природе все целесообразно. Вот она создала быка, чтобы из него можно было делать вкусный бульон; она создала осла, чтобы человек имел перед собой вечный пример для сравнения; она создала, наконец, человека, чтобы он ел бульон и не походил на осла…».

Любопытно, что Тимирязев, который привел этот эпизод в одной из своих пропагандирующих дарвинизм работ, приходит к выводу, что остроумие было, несомненно, на стороне поэта, однако ближе к истине оказался его собеседник. Таким образом, и Тимирязев полагал, что зеленая окраска растений имеет глубокий смысл.

Неслучайная случайность

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.

Глава 3

Физики в заповеднике

Что-то физики в почете.

Что-то лирики в загоне.

Дело не в сухом расчете,

Дело в мировом законе.

Борис Слуцкий

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

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

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

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

Глазами инопланетян

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Параллели и меридианы листа

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ряд Фибоначчи

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Хлорофилловый индекс

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Из космоса виднее!

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.

Глава 4

Растения-динозавры?

Изучай все не из тщеславия,

А ради практической пользы.

Георг Лихтенберг

В 1492 году Христофор Колумб открыл Америку.

Путь был долгим и трудным. Бунтовали матросы, грозили расправой: их страшило это путешествие к краю Земли. Колумб терпеливо объяснял: Земля — шар, не имеет конца. Ему возражали: тогда вода океанов должна была бы стечь… и антиподы ходили бы вверх ногами…

Но вот 12 октября показалась суша… Колумб (он был уверен, что достиг Индии) первым ступил на берег, опустился на колени и поцеловал незнакомую землю…

Пять столетий прошло: сколько географических и иных открытий было сделано за это время! Слова «открывать Америку», как и «изобретать велосипед», стали нарицательными. Бытует негласное мнение: крупные находки в науке — заслуги ученых прошлого, мы, дескать, лишь довершатели славных дел. Однако и в наши дни есть еще что открывать. Начинаем рассказ про фотодыхание растений — большое, без преувеличений, достижение ученых, занимающихся изучением фотосинтеза.

Бронзовый призер — кукуруза

Колумб открыл для Европы не только Америку, но и кукурузу (впервые он увидал ее у жителей острова Куба). И это открытие, как мы скоро убедимся, имело большие научные последствия.

Кукуруза — древнейшее культурное растение Америки. В могильниках инков сохранились початки и семена кукурузы так же, как дошли до нас зерна пшеницы, ячменя и проса, укрытые в египетских пирамидах.

В Мексике богине Цинтли (ее имя происходит от названия кукурузы) приносили в жертву первый урожай этой культуры. Девы Солнца в Куско (столица древнего государства инков, расположена на территории Перу) изготовляли из кукурузы жертвенный хлеб. Тлалок — бог кукурузы у ацтеков — был также богом плодородия, дождя и урожая. Изображениями кукурузы были покрыты стены храмов, а метелки, початки и пыльца этого растения использовались при отправлении религиозных обрядов.

Но даже в Америке — а ее территория давно уже детально обследована ботаниками — происхождение кукурузы окутано тайной. Дикие формы кукурузы неизвестны. Зерна культурных сортов кукурузы прочно прикреплены к початку, закрытому плотной оберткой. Это, естественно, препятствует рассеиванию семян и размножению растения. Ветер, птицы или другие природные сеятели не могут помочь кукурузе. Предоставленная самой себе, кукуруза погибла бы на полях. Так что будущее кукурузы связано с будущим человечества. Если люди на планете вымрут, в течение трех вегетационных периодов исчезнет и кукуруза.

Таинственна и феноменальна продуктивность этой культуры. Ведь есть ее сорта, в початках которых насчитывается до 1000 зерен. Сам-тысяча!

«Зеленый богатырь», «королева полей», «чемпион кормовых» — все эти пышные титулы относятся к кукурузе. И заслуженно! Пройдите в конце лета между рядками кукурузного поля, покажется, что вы попали в джунгли. Со всех сторон вас будут окружать высокие (до 5 метров) стебли с мощными листьями, которые достигают метровой длины и заполняют все свободное пространство между растениями. Кукуруза — лучшая фуражная культура, ее можно собирать по 100 центнеров с гектара. Ячмень, овес дают в три раза меньше.

За время, прошедшее со дня открытия Америки, кукуруза распространилась по всему белому свету. Во времена Колумба она покорила Европу, но долгое время этот злак оставался не более чем курьезом: европейцам просто не нравился его вкус; в XVI веке проникла в Африку, Китай, Индию, в XVII столетии добралась и до России. Правда, в нашей холодной стране долгое время дальше Тулы не поднималась.

Однако наибольшее распространение кукуруза получила среди фермеров США. Там она стала сельскохозяйственной культурой номер один. В кукурузном поясе Соединенных Штатов собирается половина всей производящейся в мире кукурузы, что приносит американской казне (экспорт в другие страны) 5 миллиардов долларов дохода.

Ныне по площади, как утверждают специалисты, кукуруза занимает третье место среди всех возделываемых культур земного шара, пропустив вперед только пшеницу и рис. Дело, говорят, попахивает уже и вторым. Валовой сбор кукурузы приближается к валовому сбору пшеницы, а по посевным площадям кукуруза близка к рису.

Растения C_3 и C_4

Отношение к кукурузе у нас в стране менялось много раз: ее то превозносили до небес, то предавали незаслуженному забвению. Это растение то входило в моду, и не было более восторженных эпитетов, чем те, которыми награждалась кукуруза (в наше время из кукурузы можно изготовить до 150 технических и продовольственных продуктов), то оно теряло всех своих поклонников. И причины тут, конечно, не в самой кукурузе. Недостаточное знание ее биологических особенностей, слабая техническая оснащенность кукурузоводческих хозяйств не позволяли использовать богатый потенциал этой культуры.

Но в последнее десятилетие ею вновь очень заинтересовались ученые: появилась вроде бы реальная возможность объяснить высокую продуктивность фотосинтеза у кукурузы.

Сочетание использования радиоактивных изотопов углерода с хроматографией и другими методами химического анализа дало возможность группе американских ученых из Калифорнийского университета — ее в послевоенные годы возглавил Мелвин Калвин — проследить «путь углерода в фотосинтезе»: установить, как в листьях растений углекислый газ в конечном итоге преобразуется в углеводы. Теперь все это уже стало историей науки. И известно как углеродный цикл, или цикл регенерации рибулозодифосфата, или же совсем просто: как цикл Калвина. Этот ученый в 1961 году стал первым, и пока последним, нобелевским лауреатом среди изучающих фотосинтез.

Характерная особенность цикла Калвина в том, что здесь углекислота, меченная радиоактивным углеродом, прежде всего присоединяется к молекулам, содержащим три атома углерода: фосфоглицериновой кислоте и фосфоглицериновому альдегиду. Продолжая эти исследования, в 1960 году молодой и тогда еще мало кому известный советский ученый Юрий Соломонович Карпилов сделал важное открытие. Изучая пути поглощения углекислого газа кукурузой, Карпилов показал, что у этого древнего растения процесс фотосинтеза идет своеобычно, вопреки правилам.

Кукуруза отказывалась подчиняться законам цикла Калвина. Радиоуглеродная метка «застревала» не в трех-, а в четырехуглеродных молекулах — щавелевоуксусной, яблочной и аспарагиновой кислотах. Так открытие казанского ученого разделило растения на два клана: C_3-растения, так сказать, трехуглеродные (C, как известно, — химический символ углерода) и C_4-растения четырехуглеродные.

Карпилов опубликовал свои результаты в ученых трудах Казанского сельскохозяйственного института. Научного издания, понятно, не из самых читаемых. Эти публикации не привлекли к себе тогда большого внимания, хотя в науке о фотосинтезе то был крупный шаг вперед. Однако вскоре ученые (1965–1967 годы) прибавили к семейству C_4-растений и лебеду, и росичку, и сахарный тростник, и сорго, и другие злаковые растения, в основном тропического и субтропического происхождения, около 500 видов из 13 родов. И наконец австралийцы Маршалл Хетч и Конрад Слэк, подытожив подобные исследования, отчетливо показали, что кукуруза и подобные ей растения C_4-группы владеют секретом высокоэффективного усвоения углерода. В отличие от C_3-растений, «исповедующих» цикл Калвина.

Вот конкретные цифры. Кукуруза, сахарный тростник и другие представители C_4-растений способны усвоить в час каждым квадратным дециметром своей листвы 80–100 миллиграммов углекислого газа. А C_3-растения — шпинат, овес, сахарная свекла и другие — лишь 30–50 миллиграммов. Примерно в два раза меньше!

«Ошибка» Джозефа Пристли

В 1955 году канадский исследователь Джон Деккер обнаружил еще один, особенный процесс дыхания растений на свету, который получил позднее название фотодыхания. Так досье «фотосинтез» пополнилось новыми данными, которые поначалу только запутывали и сбивали с толку исследователей. В самом деле, каков смысл фотодыхания, если на свету растение в основном все же больше поглощает углекислоту, чем выделяет ее?

Эта почти детективная история имеет еще и привкус курьеза: Деккера опередили. Ведь, по существу, открыл фотодыхание почти за два столетия до исследований Деккера все тот же Джозеф Пристли! Он первым наблюдал этот феномен, долго ломал себе голову над ним, но осмыслить так и не смог.

Вспомним: первые опыты (1771 год, город Лидс в Англии), приведшие к открытию фотосинтеза, Пристли вел в лаборатории при умеренном свете. Но в 1778 году ученый стал экспериментировать уже в саду, на ярчайшем солнце. Здравый смысл подсказывает: чем ярче свет, тем, казалось бы, сильнее должно быть очищающее действие зелени. Истина вроде бы очевидная, однако растения «голосовали против»: они не улучшали, как на то надеялся Пристли, а ухудшали воздух! Было отчего прийти в отчаяние.

Теперь-то, с высоты науки наших дней, которой известен феномен фотодыхания, нам ясна подоплека неудач Пристли. Мы уже свыклись с тем неоспоримым фактом, что при сильном освещении скорость потребления кислорода и, как следствие, выделение углекислоты заметно возрастают. И поэтому у многих растений в фотодыхании вроде бы бесполезно тратится до 50 процентов того, что накапливается в фотосинтезе. И растения вынуждены на 50 процентов работать вхолостую!

Если учесть еще, что в солнечные дни концентрация углекислоты в нижних слоях атмосферы заметно падает, то станет совсем понятным, отчего у Пристли на свету опыты никак не ладились: фотодыхание съедало то, что приносил фотосинтез, растения практически не фотосинтезировали.

Вот она, истинная причина неудач Пристли: он, искусный и изощренный экспериментатор, наблюдал то, что наука его времени объяснить не могла! Да, бывают преждевременные открытия, способные замутить правильное понимание природы вещей, бросить тень на сложившиеся постепенно, добытые с таким трудом и, в общем-то, верные концепции.

Однако вернемся к фотодыханию. В чем все-таки его смысл — вот вопрос! Чтобы ответить на него, надо было попытаться отделить процесс фотосинтеза от обратного ему процесса фотодыхания. Сделать это непросто, ибо часть выделяющегося при фотодыхании углекислого газа, а дело происходит в глубине зеленого листа, в его порах, может тут же поглощаться в фотосинтетическом процессе и таким образом вообще не выходить из пор межклетника. Поглощение углекислого газа идет в темновых, свет здесь не нужен, реакциях цикла Калвина, на так называемых центрах карбоксилирования. Измерить концентрацию CO_2 в этих центрах, а значит, и проконтролировать скорость темновых стадий фотосинтеза (здесь-то и появляется надежда отделить фотодыхание от фотосинтеза) никому прежде не удавалось.

Первыми успеха добились эстонские исследователи. В 1970 году Лайск высказал гипотезу (теперь это кажется всем почти очевидным) о том, что фотодыхание является результатом конкуренции между молекулами углекислого газа и кислорода за один и тот же общий акцептор, так сказать «посадочную площадку» для молекул — рибулозодифосфат (РДФ). Обычно РДФ должен соединяться с углекислотой (процесс фотосинтеза), но порой растение как бы ошибается: захватывает кислород вместо углекислоты. Это и есть фотодыхание.

Этот вывод поставил все на свои места: объяснил, отчего фотосинтез слабеет при увеличении содержания кислорода в воздухе, почему подавлено фотодыхание при высоких концентрациях углекислоты, то обстоятельство, что растение с хорошими показателями фотосинтеза обладает и высоким уровнем фотодыхания и многие другие научные факты…

Морковка против сахарного тростника

До сих пор сознательно скрывалось главное: фотодыхание — это болезнь исключительно C_3-растений. У C_4-группы (кукуруза и прочие) фотодыхание практически отсутствует. Значит, там, где C_3-растения испытывают углеродную «одышку», C_4-растения чувствуют себя превосходно. Тут, в известной мере, и разгадка их высокой продуктивности.

Но тогда сразу же возникает важнейшая сельскохозяйственная проблема: как добиться того, чтобы C_3-растения (а их большинство!) не тратили в фотодыхании бесполезно до 50 процентов того, что было ими накоплено в фотосинтезе. Не «худели» бы, так сказать, прямо на наших глазах.

Если бы можно было разгадать загадку фотодыхания и воспрепятствовать этим напрасным тратам, продуктивность многих сельхозкультур можно было бы удвоить. Это ли не мечта селекционеров, генетиков, агрохимиков и других специалистов, которые подчас годами в тяжких трудах борются за каждый процент?

Легко понять, как заинтриговало фотодыхание практиков, мечтающих о повышенных урожаях.

В начале 70-х годов все казалось простым и ясным. Многие ученые были преисполнены оптимизма. Достаточно взглянуть, к примеру, на групповой портрет участников конференции «Фотодыхание и фотосинтез» в Канберре (Австралия, 1970 год). Веселые, полные энтузиазма и надежд лица. В трудах конференции среди серьезных докладов была даже напечатана песенка про C_3- и C_4-растения. Ее сочинили сами ученые и пели хором в перерывах между выступлениями и дискуссиями. В куплетах были зарифмованы и шпинат, который-де фотосинтезирует нобелевским путем (намек на работы Калвина, удостоенные высшей награды), и цикл Хетча — Слэка, козни фотодыхания и многое иное…

Вскоре от шуток перешли к делу. Раз фотодыхание — вредное для продуктивности растений явление, с ним надо активно бороться. Американец Израэл Зелитч, например, увлекся селекцией. Он искал мутанты табака (это C_3-растение) Гавана Сид, которые бы обладали низкой интенсивностью фотодыхания и, стало быть, повышенной способностью к фотосинтезу. Такие мутанты были найдены, отобраны, но здесь исследователя ждал пренеприятный сюрприз: количество зеленой табачной массы возросло, но… исчез фирменный аромат!

И это был не единственный «звоночек». Так связь между фотодыханием и продуктивностью растений становилась все более запутанной.

Исследования советских ученых, работы лаборатории члена-корреспондента АН СССР Ничипоровича в Институте физиологии растений АН СССР показали, что не существует прямой связи между наличием или отсутствием фотодыхания и фотосинтетической продуктивностью растения.

Мне показывали результаты этих любопытных экспериментов. Выращивали сахарную свеклу в обычных условиях — вариант № 1 — и при пониженной концентрации кислорода — 3 процента, вариант № 2. Об итогах исследований лучше всяких слов рассказали микрофотографии. На электронно-микроскопических снимках было видно, что в варианте № 1 в хлоропластах идет обычное накопление углеводов: отчетливо заметны крупные белые, на темном фоне, вкрапления крахмала. А в варианте № 2 (попытка подавить фотодыхание) картина была совсем иной. Крахмала было очень мало, его заменили темные, похожие на бобы, новообразования. Микроснимки показывали также, что биологические мембраны в хлоропластах при насильственном угнетении фотодыхания меняют свою структуру: они как бы набухают, корежатся.

Мне довелось поговорить с участниками этой важной научной работы кандидатами биологических наук Светланой Николаевной Чморой и Генриеттой Абрамовной Слободской. Они сомневались, что можно много выгадать, насильственно подавляя фотодыхание. Да, проблема оказалась очень непростой. Ее нельзя было сводить лишь к тому, усваивается ли в основном углерод зеленым листом или, наоборот, тратится. Выиграли в зеленой массе, но проиграли в количестве семян (а они-то и нужны!), весе корнеплодов. И тут какую-нибудь морковку бесполезно сравнивать с рекордным ростом сахарного тростника или кукурузы. Поэтому попытки переделывать C_3-растения в C_4 пока и не дали плодотворных результатов.

Из пустынь или из тропиков?

Если заглянуть внутрь C_4-листа с помощью микроскопа, то можно отчетливо различить две группы фотосинтетических клеток. Вокруг сосудисто-проводящих пучков концентрически расположены внешний слой клеток мезофилла и внутренний, ближе к пучку, слой клеток обкладки. В клетках обкладки действует известный цикл Калвина, все тут так же, как и у C_3-растений, а вот слой клеток мезофилла как бы является «приставкой», дополнительным органом-устройством: здесь происходит накапливание, концентрирование углекислоты. Эта пища растений вначале фиксируется, войдя в состав яблочной и аспарагиновой кислот (четырехуглеродные соединения! — тут-то и разгадка тех необычных явлений, которые первым наблюдал Карпилов), и уже затем расходуется по обычному механизму цикла Калвина в клетках обкладки.

И вновь загадки! Зачем C_4-растениям эти сложности? Ведь поток углекислого газа при этом вроде бы тормозится… Конечно же, это приспособление растений к неким условиям, но каким? К жаре, холоду, яркому свету, отсутствию или избытку влаги?

К недостатку воды в пустынях растения умеют приноравливаться. К примеру, кактусы, эти «растения-верблюды», способны накапливать воду в больших количествах — крупные кактусы могут запасать до 3 тонн воды — и экономно тратить ее в течение продолжительных периодов засухи.

Как им это удается? Прежде всего многие кактусы как бы сложены из шаров, а эта геометрическая фигура имеет минимальное отношение поверхности к объему, а значит, сводятся к минимуму и потери влаги. Ограничивает расходы воды и малое количество устьиц, да и расположены они в углублениях, что также затрудняет испарение.

Но это еще не все. Природа в кактусах явила прямо-таки чудеса экономности. Эти растения открывают устьица только по ночам, когда температура воздуха в пустыне понижается, а его влажность повышается. Поэтому даже при открытых устьицах убыль паров воды в листе становится минимальной. И еще хитрость: запасенную ночью углекислоту кактусы фиксируют в химических соединениях, а уже днем при закрытых устьицах тратят ее на фотосинтез.

С кактусами ученые разобрались, а вот C_4-растения для них все еще загадка. Первые их исследователи (среди них и Карпилов, к сожалению, этот талантливый ученый трагически погиб в 1978 году) полагали, что эти растения тропического, низкоширотного происхождения. Многие виды C_4-группы обитают в тропиках. Их яркий представитель — сахарный тростник.

Итак, первая версия о происхождении C_4-растений, что они родом из тропиков. Но есть и другое предположение. Исследования австралийца Хетча и других ученых показали, что «кукурузный» фотосинтез очень экономен в отношении влаги. C_4-растения фиксируют, по крайней мере, в два раза больше углерода на единицу транспирированной воды, чем C_3-растения. Причем при повышенных температурах эта разница еще более увеличивается. Таким образом, возникает и другой вывод: C_4-растения — пришельцы из аридных зон, они адаптированы к жарким и засушливым условиям пустынь и полупустынь.

Это утвердившееся в последние годы среди ученых мнение решили проверить советские исследователи из Ботанического института Академии наук СССР. Много лет в заповеднике Репетек (Юго-Восточные Каракумы, Туркменская ССР) они изучали особенности фотосинтеза у растений пустынь. Установлено: в условиях пустыни C_4-растения вовсе не доминируют. И здесь C_3-формы оказались в большинстве, и они в среднем ни в чем не уступали своим соперникам. Так что прародина C_4-растений до сих пор не установлена.

Жизнь или кошелек!

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 C_3-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 H_2CO_3), 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 C_3-растения, обладающие древним и универсальным типом фотосинтеза. Но затем появилась новая ветвь — C_4-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 C_3-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 CO_2 в атмосфере. И C_4-растения успешно справились с этой трудностью.

Совсем иное у растений-«северян», C_3-растения вынуждены существовать в сравнительно суровых условиях. Тут часто возникают экстремальные, стрессовые ситуации. Быть может, и это вторая точка зрения, фотодыхание и позволяет C_3-растениям уцелеть в трудных условиях. И естественная цена выживания, расплата (жизнь или кошелек?) — это уменьшение их продуктивности. Так что, возможно, C_3-растения — это вовсе не растительные «динозавры», а так же, как и С_4-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 C_4-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. C_3- и C_4-типы растений? Это, рассуждали тогда, как «белые» и «черные» — как две различные расы. Чтобы различать их, существовало несколько тестов. C_4-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 C_4-растения, по мере старения листьев усиливаются признаки C_3-растений, появляется и растет фотодыхание.

Другой интересный пример. Листья бобов фотосинтезируют по C_3-пути, а проростки того же растения явно относятся к C_4-типу.

Мощные удары опрокинули и эволюционные представления о том, что-де C_4-тип растений — это недавнее приобретение флоры, приспособление к понижающемуся уровню углекислоты в атмосфере. Нет же! Неожиданно обнаружилось, что к C_4-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 C_4-путь фотосинтеза необходим растениям, когда они попадают в сложные экологические условия, когда C_3-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 C_4-путь фотосинтеза дает возможность растениям активно адаптироваться и к повышенной засоленности. Далее, в стрессовых условиях (водный дефицит, например) C_3-растения также начинают проявлять C_4-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

C_4-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 C_4-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».

Глава 5

Завет Тимирязева

…Одно из главнейших богатств России заключается в тех потоках лучистой энергии, которые изливаются на хлорофилловую поверхность ее необозримых полей и лесов. Я полагаю, что по меньшей мере любопытно узнать, как же велико это богатство, как велика та доля его, которой мы пользуемся в настоящее время, как велика и та доля, которой мы еще можем воспользоваться, пока не достигнем предела, зависящего от свойств солнечного луча и хлорофилла.

К. А. Тимирязев

В начале XIX века английский священник Томас Мальтус (1766–1834) выдвинул теорию, согласно которой население Земли растет в геометрической прогрессии 1: 2 : 4 : 8 : 16 : 32 и так далее, удваиваясь каждый раз, а производство продуктов питания — в арифметической — 1 : 2 : 3 : 4 : 5 : 6. Следовательно, утверждал он, прогрессирующее обнищание, одичание человечества неизбежно, и посему голод, болезни, войны, сокращающие численность людей, — не что иное, как благо, ниспосланное господом.

Мальтус высчитал, что население Англии, удваиваясь каждые 25 лет, к 1950 году составит 704 миллиона человек, тогда как прокормить удастся всего 77 миллионов. На деле же число англичан к этому времени увеличилось лишь до 51 миллиона, причем питались они в среднем гораздо лучше, чем 11 миллионов их предков 150 лет назад.

Мальтус ошибся. И все ж какая-то доля истины в его рассуждениях есть. Она в том, что размеры суммы жизни на нашей планете, ее верхние пределы устанавливают растения. И максимальная численность человечества в конечном итоге определяется тем, насколько эффективно действует зеленая энергопреобразующая «машина».

Растения — машины? Сразу же возникает множество вопросов. Насколько совершенны эти механизмы? До какой степени их можно сравнивать с техническими созданиями рук человека? Можно ли попытаться усовершенствовать конструкцию растений?.. Вопросов тьма, но прежде хотелось бы выяснить вот что. Растение — это энергетический автомат, действующий всегда однообразно, стереотипно, запрограммированно? Или это тонкая, гибкая, податливая, эластичная система?

От Таймыра до Монголии

Однажды к ученым Ботанического института Академии наук СССР (сокращенно его называют БИН), что в Ленинграде, обратились… пограничники. Они просили помочь им разрешить одну научную загадку. Пограничники рассказали, что розыскные собаки, взяв след, ночью уверенно преследуют нарушителей. Но утром, после восхода солнца, овчарки словно бы утрачивают чутье, чувствуют себя неуверенно, сбиваются со следа.

Проблемы ботаники и тонкости работы пограничных собак — казалось бы, какая между ними связь? Какие могут быть точки соприкосновения? Тут нам вновь придется говорить про фотосинтез. Вспомним, ночью лишенные света растения могут только дышать. И лишь при свете дня, когда включается фотосинтез, усвоение листьями углекислоты начинает преобладать. Так вот, гипотеза пограничников — ее они и принесли на суд ученых — состояла в том, что утром, когда дыхание растений, грубо говоря, «подавлялось» фотосинтезом, бурно выделяющийся кислород окислял сохранявшиеся на листьях, цветках, стеблях и прочих частях растений пахучие вещества. Следы нарушителей границы как бы растворялись в воздухе, исчезали. Это и сбивало с толку овчарок, ведущих преследование.

Но пограничники хотели не просто утвердиться в своей правоте. Они ожидали большего: просили у ученых практических рекомендаций, какие растения следует сажать в пограничной зоне? Ведь процесс фотосинтеза у различных видов растений идет, конечно, не одинаково. Следовательно, казалось бы, можно подобрать породы деревьев, кустарников, трав, слабо фотосинтезирующих, выделяющих малые количества кислорода…

Эта погранично-фотосинтетическая история — лишь один из многих примеров того, какие интересные проблемы решают научные сотрудники лаборатории экологии и физиологии фотосинтеза в БИНе. Руководитель лаборатории профессор Олег Вячеславович Заленский начал подобные исследования еще в довоенные годы на Памирской биологической станции Таджикского филиала АН СССР. В 1940 году с помощью группы одесских альпинистов он поднял научные приборы в горы Восточного Памира, на высоту 6 тысяч метров. Туда же были доставлены проростки ячменя и пшеницы. Позже, перебравшись с Памирской биологической станции в Ленинград, Заленский стал организатором и руководителем многочисленных экспедиций, изучавших фотосинтез в тундрах Центрального Таймыра и острова Врангеля, в степях и пустынях Казахстана и Средней Азии, в сухих и пустынных степях далекой Монголии.

А зачинателем экологической физиологии растений в нашей стране стал академик Сергей Павлович Костычев (1877–1931). Это был инициативный, энергичный исследователь. Работа по физиологии фотосинтеза была начата им в 1920 году в Петроградском университете. В трудное время гражданской войны, когда даже для получения двух пудов керосина, пары примусов и нескольких электрических лампочек приходилось обращаться непосредственно в правительство, к Ленину.

Масштабное изучение фотосинтеза растений в условиях их естественного произрастания, не «искусственных» сельскохозяйственных посевов, а, так сказать, растений-аборигенов началось в 1928 году. Костычев направил многочисленные экспедиции в Закавказье (растения влажных субтропиков), в Среднюю Азию (растения глинистых и песчаных пустынь), на мурманское побережье Кольского полуострова (тундра), на Южный берег Крыма (сухие субтропики).

Изучались и культурные растения — хлопчатник, люцерна, виноград. Данные, полученные Костычевым и его сотрудниками, позднее вошли во все учебники и монографии по фотосинтезу растений. Было доказано, что суточный ход фотосинтеза крайне неравномерен. То он весьма ослаблен, то идет с большой скоростью и силой. Оказалось, что львиную часть времени растения почти совсем не запасают углерод. Но затем, в течение какого-нибудь часа, быстро наверстывают упущенное, обеспечивая свою потребность в углеводах.

Открытий было сделано немало. Естественно, скажем, ожидать, что в тропиках интенсивность фотосинтеза велика. Однако это не так: пышность и буйство тропических растений добыты за счет огромного увеличения сезонной продолжительности фотосинтеза и за счет развития обширной и длительно живущей листовой поверхности. А вот там, где жизнь растений нелегка (пустыни, север, высокогорье), машина фотосинтеза, вынужденная функционировать малое время, творит чудеса: развивает рекордную производительность.

Саксаул в Антарктиде

В первое мое посещение БИНа я не застал Заленского, познакомились мы позже. В тот раз я беседовал с его сотрудницей, доктором биологических наук Ольгой Александровной Семихатовой.

— Нас интересуют в первую очередь крайности, экстремальные условия существования растений, — говорила она. — Тут легче всего познать, как растение приспосабливает фотосинтез к тем или иным особенностям данной ботанико-географической зоны. Высокогорный як, если спустить его с гор, погибнет от разрыва сердца. В тепличных условиях тропиков кактус просто-напросто сгниет. Поэтому морошка в Африке или саксаул в Антарктиде — это, конечно, бессмыслица. И все же растения удивительно гибко и цепко приноравливаются к самым суровым и трудным условиям…

Ольга Александровна говорила далее о том, как нелегко исследовать фотосинтез в полевых условиях. Надо защищаться от морозов, слепящего солнца, сильных ветров, несущих тучи песка. А доставка к растениям необходимого измерительного оборудования, часто довольно громоздкого? А сам зеленый лист — до чего же прихотливый и капризный объект!

— Наша работа, — продолжала свой рассказ Семихатова, — важна для геоботаники, палеоботаники, для систематиков растений, морфологов и растительных анатомов. Но не думайте, что мы занимаемся лишь чистой наукой, чуждой практических нужд. Приведу примеры. Сейчас в невиданных прежде масштабах осваивается Север нашей страны. Но его природа очень хрупка: вездеход процарапал следы в тундре — нужны десятки лет, чтобы эти нанесенные цивилизацией шрамы исчезли. Природа нуждается в помощи, но какой? Этот вопрос обращен и к нам, ученым.

Познакомила меня Ольга Александровна и с проблемой светолюбивых (к ним относятся пшеница, рис, свекла, береза, дуб…) и тенелюбивых (бук, самшит, папоротники, кислица, женьшень) растений. Первые не выносят затемнения: оно действует на них угнетающе. Тенелюбы, наоборот, страшатся яркого света, прячутся в тень: они приспособлены для жизни в нижних затененных ярусах таежных ельников, лесостепных дубрав, тропических гилей.

И вот, говорила Семихатова, представьте, что лес вырублен, молодняк, жизнь которого складывалась в тени, неожиданно оказывается на свету и может погибнуть. Спрашивается, как с учетом данных о фотосинтезе у светолюбов и тенелюбов научно вырубать леса: через дерево или узкими полосами?..

Еще я узнал тогда о том, как несладко приходится растениям в городах, особенно больших, таких, как Москва или Ленинград. По-видимому, отчетливо стресс у растений впервые наблюдали в Берлине в начале этого века, когда там ввели газовое освещение. При этом погибли столетние липы на знаменитой Унтер-ден-Линден — одной из центральных улиц немецкой столицы.

— Фотосинтез может служить хорошим индикатором стойкости растений, — говорила Ольга Александровна, — он помогает очертить область температур, влажности, освещенности, — тех контуров, где растение находится в комфортных условиях и где для них начинается зона стресса. У нас, в Ленинградской области, да вот хотя бы в нашем Ботаническом саду (Ольга Александровна указала на пышную зелень за окном) многие деревья живут на крайних границах своего ареала, живут там, где, строго говоря, не должны жить. Это естественно, южане — каштаны, грецкий орех, белая акация (ленинградский день для нее слишком долог) и другие виды…

Наша беседа с Семихатовой подходит к концу. Я смотрю на виднеющиеся за окном огромные, высотой в десятки метров, деревья Ботанического сада (БИН расположен на его территории). Возле каждого из них дощечки с латинскими надписями… Эти пришельцы из самых разных краев земли таят многие не раскрытые еще учеными тайны фотосинтеза.

КПД — одна миллионная

Мы убедились: фотосинтетический аппарат растений — совершеннейшее устройство, способное подстраиваться под меняющиеся условия. И значит, у человека-исследователя появляется шанс найти среди растений лучшие образцы. Но по какому критерию их следует отбирать?

Конкретно поставим вопрос так: насколько умело растения используют солнечный свет? За миллион лет шлифовки все случайное и несовершенное, казалось, должно было быть отброшено. Ясно: коэффициент полезного действия (КПД) зеленой машины должен быть велик.

Увы! Практика показывает иное: в среднем по планете на фотосинтез идет лишь 0,1 процента от всей солнечной энергии, падающей на поверхность листвы.

КПД растений мал. Это научно установленный факт. Малоприятный для людей, ибо тут обнаруживается страшная расточительность природных процессов.

Чтобы прокормить 12-летнего мальчика телятиной в течение года, нужны 4 теленка. Телят кормит люцерна, и поля в 4 гектара для них достаточно. Но этой траве тоже нужна «еда» — солнечные лучи, их энергия. А теперь — простая арифметика. Из всей солнечной энергии, падающей на поле, люцерна использует для своего роста лишь 0,24 процента. Из энергии, накопленной люцерной, телята усваивают (на тот же рост) 8 процентов. Из энергии, запасенной, так сказать, телятами, мальчик берет, чтоб вырасти за год и увеличить свой вес на 3 килограмма, 0,7 процента.

Результат оглушительный — мальчику достается только миллионная доля энергии излучения! Остальные 999 999 растрачиваются впустую. Страшные цифры, если вдуматься. Выходит, что в природной кормовой цепочке человеку достаются какие-то жалкие крохи!

КПД — одна миллионная! В промышленности и говорить не захотят о такой машине. Подобную конструкцию инженеры не станут и рассматривать.

Тут необходимо, правда, отметить, что претензии наши к природе безосновательны. Она и не ставила перед собой цель прокормить человека. Она кормилец поневоле. Солнце заливает светом поле вовсе не для того, чтобы растить на нем люцерну. Люцерна растет не для того, чтобы ее жевали телята. А те бродят по полю совсем не ради того, чтобы стать отбивными. И у животных, и у растений свои задачи: им надо сохранить себя и дать потомство. А для этого необходимы и несъедобные рога, копыта, шкура, и не перевариваемые желудком человека стебли, листья, корни растений.

Что мы имеем от растений сейчас, нам известно, но есть ли надежда получить больше? Да. На рубеже прошлого и настоящего веков Тимирязев (уж сколько раз мы цитировали слова этого выдающегося исследователя!) писал: «Недалеко то время, когда… мы будем в состоянии разрешить вопрос, касающийся не только физиолога, но и практика, и экономиста, и, вообще, человека, интересующегося судьбами человечества… вопрос о предельном количестве органического вещества, которое человек в состоянии получить с известной площади земли при помощи растения…» И далее Тимирязев четко сформулировал научную стратегию — добиться увеличения коэффициента использования солнечной радиации растениями до 10–15 процентов.

Задумаемся над этими красноречивыми цифрами: 0,1 процента и 15 процентов, реальность и идеал — какие мощные резервы! Какие потенциальные возможности для прогресса уже существующего земледелия! Эти цифры никого не могут оставить равнодушными.

Опыты Варбурга

Ближайшая наша задача теперь — получить теоретически указанные Тимирязевым 15 процентов. Пусть это будет, так сказать, нашим «домашним заданием».

Тут нам придется еще раз вспомнить, что делает растение. Оно ловит световые кванты, порции лучистой энергии. Это — на входе, а на выходе растение выдает синтезированные им углеводы. Самопроизвольно химическая реакция образования углеводов не идет. Чтобы запустить этот процесс, и нужна энергия световых квантов. Сколько же их необходимо?

Расчеты показывают: для получения грамм-молекулы глюкозы или, что эквивалентно, грамм-молекулы кислорода (после отщепления от молекулы воды атома водорода остается кислород, который растение выделяет в атмосферу) нужно затратить примерно 120 килокалорий энергии. Поэтому трех квантов красных лучей, каждый красный квант несет 40 килокалорий энергии, было бы достаточно, чтобы процесс фотосинтеза шел с эффективностью 100 процентов.

Вот так, чисто теоретическим путем можно установить, что минимальное количество световых квантов — три. Но, конечно, потери неизбежны и действительное число квантов, эта величина в науке носит название «величины квантового расхода», должно быть большим. Каким?

За ответом я отправился к доктору биологических наук, сотруднику Института физиологии растений Академии наук СССР Леону Натановичу Беллу. Не один десяток лет этот ученый, физик по образованию, занят изучением термодинамики превращений солнечных лучей в растениях. Написанная им монография «Энергетика фотосинтезирующей растительной клетки» была удостоена высокой награды — премии имени К. А. Тимирязева. В книге этой подробно обсуждалась и одна из старых интригующих загадок фотосинтеза, вопрос о величине квантового расхода.

Первое измерение этой величины было выполнено еще в 1922 году знаменитым немецким биохимиком и физиологом, позднее лауреатом Нобелевской премии, открывшим природу и функции дыхательных ферментов, Отто Варбургом (1883–1970). Он дал метод исследований — респирометр, или просто аппарат Варбурга, прибор для определения небольших количеств выделяющихся газов.

Варбург предложил и очень удобный объект для исследований, одноклеточную водоросль — хлореллу (она придает изумрудный цвет тихим заводям и лужам), которая столь прославилась в более поздние годы. Замечательна хлорелла тем, что при размножении может делиться не на две, а сразу на 4, 8, 16, 32 и даже 64 части! Ее биомасса нарастает столь же быстро, как снежная лавина в горах…

Опыты, которые вели сотрудники Варбурга, были по замыслу очень просты. Зная интенсивность падающего на хлореллу света и определяя количество выделяющегося при фотосинтезе кислорода, можно оценить квантовый расход. Он оказался равным четырем: четыре кванта света на каждую выделяющуюся молекулу кислорода.

Эффективность фотосинтеза оказалась очень высокой: 75 процентов! Аналогов этому в технике в начале нашего века не существовало. Тепловые электростанции той поры преобразовывали химическую энергию угля с КПД не более 10 процентов. Да и ныне КПД лучших тепловых электростанций не превышает 40 процентов.

4 кванта или 81

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 10^19 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.

Глава 6

И на поля выйдут роботы

Придет тот день, когда каждый будет брать на обед таблетку азота, чуть-чуть жиров, немного крахмала или сахара, бутылочку ароматического флейворинга и, смешав все это, получать кушанье по собственному вкусу. Производство всех необходимых ингредиентов на фабриках будет дешевым и неограниченным. Тем самым получение пищевых продуктов не будет зависеть от хороших или плохих сезонов, от дождей и засухи, от зноя, иссушающего растения, или мороза, губящего надежды тех, кто выращивает фрукты. И когда придет этот день, химия вызовет революционное изменение мира, результаты которого никто не может предсказать.

Пьер Бертло

Мы живем в необычное время. Население Земли умножается невиданными темпами. В 1850 году на земном шаре жил 1 миллиард человек, к 1930 году землян стало 2 миллиарда, в 1960 году — 3, а к 1990-му, полагали статистики, — нас будет 5 миллиардов.

Эксперты просчитались. «Днем рождения пятимиллиардного человека» Организация Объединенных Наций объявила 11 июля 1987 года.

Где родилось пятимиллиардное дитя? На какой широте, какой долготе? В огромном городе, крохотной деревушке? В русской, китайской, американской, индийской семье? Стало представителем большого или маленького народа? Этих подробностей никто никогда не узнает. Зато демографы уверены в том, что если рост населения пойдет с прежней скоростью, то к 2000 году (нас привораживает этот срок: стык тысячелетий!) Землю будут населять уже более 6 миллиардов человек — огромное количество!

Грозный смысл этой цифры хорошо иллюстрирует то, что ежегодно, данные 1987 года, на планете появляется 80 миллионов новых жителей, ежедневно — 220 тысяч, ежесекундно примерно 2 человека, которых нужно кормить! Прежде Земля худо-бедно, но справлялась с этой задачей, а что будет в будущем? Что станет тогда привычной для обитателей Земли пищей? Какое меню предложат человеку наука и техника?

Много ли человеку земли нужно

«…Люди занимают на земле не так уж много места. Если бы два миллиарда ее жителей сошлись и стали сплошной толпой, как на митинге, все они без труда уместились бы на пространстве размером двадцать миль в длину и двадцать в ширину. Все человечество можно было бы свалить в кучу на самом маленьком островке в Тихом океане» (Антуан Сент-Экзюпери. Маленький принц).

Много ли человеку земли нужно? Еще Лев Николаевич Толстой в известном рассказе-притче размышлял об этом. В философском плане. Нас будет интересовать статистика.

Первобытный человек был охотником и собирателем дикорастущих растений. Он употреблял в пищу их плоды, семена, нежные листья, побеги и корни — все, что было съедобным. При таком образе жизни требовались большие пространства, территория, равная примерно 25 квадратным километрам на одного человека. Неудивительно, что население Земли росло тогда крайне медленно.

Ну а сколько земли человеку нужно сейчас? Ответить на это попытался голландский физиолог растений Корнелиус де Вит. Он полагает, что максимум того, что могут дать растения в идеале, это 500 центнеров в год с гектара земли. Далее этот ученый перевел центнеры в калории и пришел к выводу: в Нидерландах на площади в один гектар могут, питаясь довольно умеренно, прокормиться 50 человек.

Еще немного арифметики — и, оказывается, что суша планеты способна прокормить 1000 миллиардов человек!

Оглушительный вывод, но не очень привлекательный. Вспоминается научно-популярный фильм: показательная птицеферма, громадные постройки, где буквально крыло к крылу теснится несметное количество кур, продирающихся к медленно ползущей ленте конвейера с зерном…

А что, если наш среднестатистический гражданин захочет растительную диету сменить на мясную (не одной картошкой жив человек!), потребует фруктов… Да и одеть его не мешает — даешь площади под хлопок, лен! — вот и выходит, что среднеплодородной землицы потребуется уже гораздо больше. Накинем сюда еще гектары, занятые под дороги, города, аэродромы. Проявив человеколюбие, допустим также, что у среднестатистического гражданина есть душа, требующая отдыха на лоне природы: рыбалка там, грибы всякие, прогулки на велосипедах… Если теперь вновь вернуться к цифрам, то окажется, что величина максимально возможного населения Земли только в малой степени будет определяться площадями, отведенными для производства продуктов питания.

А конечный итог расчетов ученого таков: в некоем идеальном случае на Земле могут жить 60–80 миллиардов человек. Это не так мало, но и не так много — народонаселение Земли удваивается примерно каждые 30 лет: человечество вскоре может подойти к лимитной черте.

Кроме того, сейчас трудно представить себе потребности и запросы человека завтрашнего дня. Да и что такое природное равновесие, мы пока плохо понимаем: возможно, непроходимые заросли джунглей, тундра и бесплодные пустыни — все это очень необходимо планете. И уж во всяком случае никак нельзя представлять ее себе каким-то одним сплошным огородом!

Итак, чтобы прокормить человечество, земли пока хватает. Однако размеры планеты оказались не столь уж и велики. В СССР на душу населения в 1955 году приходилось 1,2 гектара пашни, что-то около футбольного поля по площади, в 1970-м — 0,92, в 1981-м — только 0,82, а ведь страна наша имеет самую обширную территорию: шестая часть суши! Поэтому лучше уповать не на освоение новых земель, а на увеличение урожаев.

Убивающие заразу

«Земля-тарелка: что положишь, то и возьмешь» (Владимир Даль. Пословицы русского народа). Эта простая истина стала очевидной не сразу. Вряд ли индейцы Америки, которые клали несколько рыбьих голов на каждый холмик, засеянный несколькими зернами кукурузы, имели хоть какое-то представление об агрохимии. Но уже в средние века в Европе для поднятия плодородия почвы использовали навоз животных. Он тогда был главным продуктом животноводства! А производство мяса — делом побочным. Об этом свидетельствовало, в частности, незначительное отличие цен на мясо и зерно.

Подлинный переворот в сельском хозяйстве произошел в 1840 году. Тогда немецкий химик Юстус Либих (1803–1873), опубликовав книгу «Химия в приложении к земледелию», создал теорию минерального питания растений. Тем самым ученый опроверг господствовавшую до него гумусовую теорию, утверждавшую, что растения питаются непосредственно перегноем — гумусом.

Растениям необходимы лишь вода и минеральные соли, учил Либих. Используя вместо навоза химикалии, возвратив пашне потерянные ею, вынесенные с урожаем минеральные вещества («закон возврата»), можно резко увеличить урожаи.

Но по-настоящему химическая революция совершилась в сельском хозяйстве примерно в середине нашего века, когда началось массовое применение химических удобрений и химических же средств для борьбы с сорняками, с вредителями и болезнями растений.

И замелькали дотоле непривычные слова: пестициды (точный перевод этого слова с латыни — «убивающий заразу»), гербициды (убивающие траву), инсектициды (убивающие насекомых), зооциды, фунгициды, репелленты (отпугивающие насекомых), аттрактанты (привлекающие их), всевозможные протравы для семян, хемостерилизаторы, дефолианты, регуляторы роста. Отметим: все это — новейшее завоевание химии. Так, первый гербицид — 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота, сокращенно 2,4-Д, был получен в 1941 году. В наши дни с его помощью уничтожают сорняки в посевах пшеницы, овса, ячменя.

Химики вложили в руки земледельца грозное оружие. Скажем, гербициды сплошного действия способны извести всю растительность, без разбора. Такие средства необходимы, когда нужно уничтожить траву, она может стать причиной аварий на аэродромах, вокруг промышленных объектов, под линиями электропередачи, на насыпях железных дорог.

Конечно, гербициды избирательного действия отличают «своих» (культурные растения) от «чужих» (сорняки), но как непросто тут выбрать правильную дозировку, учесть все последствия. Сколько надо проявить осторожности, мудрости! Ведь нарушить природное экологическое равновесие очень легко. И тогда некоторые насекомые или клещи, прежде малозаметные, могут превратиться в опасных вредителей.

А побочные действия пестицидов? Какие, казалось, надежды сулило первое успешное применение печально известного препарата ДДТ. Какой был бум! Однако изумление перед мощью этого средства вскоре сменило радужную окраску на трагическую. Уносимый талой и дождевой водой с полей, ДДТ скапливался в водоемах, отравляя там все живое, а оттуда проникал вместе с рыбой и птицей в пищу жителей окрестных мест. Оборотистые дельцы на Западе давно уже смекнули, что к чему, и пустили в продажу биологически чистую пищу. Ее получают на фермах без использования минеральных удобрений и пестицидов. Стоит она гораздо дороже.

Химики были вынуждены снова взяться за дело. Теперь они пытаются создать пестициды, четвертое их поколение, безвредные для животных и человека. Тут есть и большие успехи и немалые, понятно, трудности.

Массированное использование в сельском хозяйстве химических средств себя оправдало: урожаи возросли. А еще выше они поднялись, когда химики заключили союз с селекционерами.

Зеленая революция

Американцы считают, что сельское хозяйство США ныне подошло к рубежу третьей в XX веке революции. Первая (1920–1950) стала результатом широкой механизации, когда фермеры перешли от использования мускульной силы животных к использованию энергии машин. Производительность труда возросла еще больше в период второй революции (1950–1980), когда была проведена химизация сельского хозяйства. Сейчас же, считается, настала очередь для третьей — генетической — революции (этой теме будут посвящены главы 8–11).

Но в развивающихся странах чаще произносят другие слова: там говорят про зеленую революцию. Началась она в Мексике, в 40-х годах. В стране ощущались трудности с пшеницей. Урожаи — в среднем 7 центнеров с гектара — были низки: более половины потребного зерна приходилось ввозить из-за границы. И возникла мысль поправить положение за счет выведения новых, более урожайных сортов.

Пшеничный переворот, зеленая революция — эти названия неразрывно связаны с именем теперь всемирно известного американского селекционера Нормана Борлауга, удостоенного в 1970 году Нобелевской премии за создание высокопродуктивных карликовых, неполегающих пшениц, занимающих в настоящее время огромные площади во многих странах мира.

Успех увенчал работу, которая шла в течение последних 25 лет в Международном центре по улучшению пшениц, риса, кукурузы и ячменя в Мексике. Ученые были поставлены в довольно жесткие условия. Исследования, не относящиеся к делу, не поощрялись. Как только появлялись хорошие результаты, их тут же передавали практикам. «Мы никогда не дожидались совершенства сортов или методов, — писал впоследствии Борлауг, — а каждый год брали лучшее из того, что есть…»

И вот во многих густонаселенных странах Америки, Африки и Азии, странах, казалось, обреченных на массовый голод, урожаи зерновых резко пошли вверх. А Мексика начиная с 1956 года стала обеспечивать себя пшеницей. Урожаи тут поднялись до 30–40 центнеров с гектара. 45–50 центнеров стали давать поля Индии и Пакистана.

Оптимизму не было предела. Многие считали, что проблема питания на земном шаре решена полностью. И основания для таких прогнозов вроде бы были, так как полученные селекционерами сорта зерновых обладали завидными свойствами: урожайностью, неполегаемостью, благодаря удачной архитектонике в расположении листьев они обладали высокой интенсивностью фотосинтеза. Идеальные растения! При должном уровне агротехники и механизации эти интенсивные сорта действительно были способны увеличить производство зерновых в несколько раз.

И все же зеленая революция не решила продовольственной проблемы. Надежды наконец накормить человечество, к сожалению, не оправдались. В итоге некоторые страны, включившиеся в свое время в зеленую революцию, сейчас импортируют зерна даже больше, чем до ее начала. И дело тут не только в том, что население этих стран заметно возросло.

Зеленая революция в том виде, как она была задумана — сверхвысокоурожайные сорта, изобилие воды, ядохимикаты и достижения передовой агротехники, — все же в целом, потерпела неудачу. Почему? Сейчас расскажем.

Накормит энергия

В химическом блеске, в шуме и грохоте аграрных машин и механизмов старое доброе сельское хозяйство может показаться анахронизмом, такой же приметой давно ушедшего, как лапоть или лучина. Но так ли уж плохо то, что ушло и уходит у нас на глазах?

Первобытный человек ничегошеньки не тратил, нечего было, а лишь приобретал. Бродил себе полуголый по лесам и искал орехи, корешки разные…

С переходом к земледелию все усложнилось — леса надо было рубить, корчевать, землю пахать. Но и тогда энергозатраты были еще незначительны. В сравнении с запасанием солнечной энергии культурными растениями. Однако это выгодное соотношение постепенно изменилось. Агротехника прошлого требовала преимущественно затрат мускульной силы человека и животных, но ввиду недостаточной продуктивности она не могла удовлетворить потребности в пище быстро растущего населения Земли. Оттого-то в развитых богатых странах, в бедных и сейчас хозяйство недалеко ушло от натурального, неизбежен был переход к высокопродуктивному земледелию, которое, к сожалению, крайне энергоемко.

По данным журнала «Ambio», чтобы получить бутылку молока, в США расходуется энергия, содержащаяся в половине бутылки нефти!

Отношение запасенной в растениях солнечной энергии к энергетическим затратам имеет вид: земледелие экстенсивное (соха, лошадь) 20 : 1, интенсивное земледелие (удобрения, трактора и прочее) 2 : 1, животноводство 2 : 10, тепличное хозяйство (ранние огурцы, помидоры) 2 : 100.

Так и получается, что каждый выращенный джоуль требует сотен джоулей безвозвратно потраченной энергии. И сытно накормить человека сможет лишь изобилие, а его пока еще на Земле нет, энергии. Настоящая революция в сельском хозяйстве без этого условия немыслима.

Собственно, мысль о том, что энергия насыщает, не столь уж и нова. Слова «кормящее солнце» — почти трюизм. Труднее осознать следующий парадокс. Выходит: можно спорить о том, кто ближе к сельскому хозяйству — ученый-ядерщик, изучающий на синхрофазотроне элементарные частицы с тайной надеждой найти невиданный по мощности источник энергии, или же селекционер-практик, на опытной делянке в поле опекающий новый высокоурожайный сорт пшеницы.

Зеленая революция потерпела неудачу в основном из-за разразившегося в 70-х годах энергетического кризиса. И голод по-прежнему еще бродит по Земле, потому что земледельцы в развивающихся странах не в состоянии выращивать капризные высокоурожайные сорта, требующие громадных, в первую очередь энергетических затрат. И ныне, по данным ФАО (продовольственная и сельскохозяйственная организация при ООН), половина населения планеты систематически недоедает.

Этим обстоятельством умело пользуются богатые страны Запада. Они не только делают бизнес на голоде, но и давно превратили голод в политическую проблему. Бывший министр сельского хозяйства США Эдвард Батц сказал: «Я думаю, что продовольственное оружие — самое мощное оружие, которым мы располагаем сегодня».

Американцы уже не раз пускали это средство в ход. Палата представителей конгресса США запретила поставки продуктов в Египет после того, как правительство Гамаль Абдель Насера выступило с критикой американской агрессии в Конго. Таким же образом была наказана Шри Ланка за национализацию американских компаний. Продовольственную блокаду Вашингтон применил и против Чили, когда там пришло к власти правительство Сальвадора Альенде…

Солдатики, посылаемые на убой

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?

Мера должна быть во всем, и всему, наконец, есть пределы,

Дальше и ближе которых не может добра быть на свете.

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 · 10^6 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.

Глава 7

Сценарии урожая

Но перед тем, как взрезáть начнем незнакомое поле,

Надобно ветры узнать и различные смены погоды,

Также отеческих мест постигнуть обычай и способ:

Что тут земля принесет и в чем земледельцу откажет:

Здесь счастливее хлеб, а здесь виноград уродится,

Здесь плодам хорошо, а там зеленеет не сеян

Луг…

Марон Публиций Вергилий

Возделывание земли — важнейшее с древних времен занятие человека. Постепенно сформировалась и наука об основных законах этого дела — агрономия. Но знаем ли мы сейчас, как наилучшим образом выращивать сельскохозяйственные культуры? Как получать высокие и устойчивые урожаи? Разумеется, нет. До этого еще далеко. Слишком сложными оказались связи посева с климатом, погодой, характером почвы и с другими влияющими на урожай факторами.

А между тем требования к сельскому хозяйству все растут. В нашей стране основные направления этих задач связаны с реализацией биологических аспектов Продовольственной программы. В первую очередь программы зерновой независимости. Перед хлеборобами поставлена новая цель — выход на гарантированное производство зерна не менее одной тонны на человека, жителя нашей страны, в год. Что составляет около 300 миллионов тонн зерна. В этом трудном деле хлеборобам и работникам других отрядов сельского хозяйства все более весомую помощь начинает оказывать царица наук — математика.

Бухгалтерия посева

Земледелец древности брал то, что давала природа; в лучшие годы довольствовался урожаем в 3 центнера зерна с гектара. Переход к трехпольной системе земледелия и сохе, появление железного плуга, введение бобовых в севооборот удвоили урожаи, даже в 1913 году средний урожай зерновых по России составлял 8,2 центнера. Минеральные удобрения увеличили «природную дань» растений до 16 центнеров с гектара — это тот стопудовый урожай, о котором поется в народных песнях. Такие урожаи зерновых у нас в стране стали получать устойчиво лишь 10–15 лет назад.

Следующий рубеж связан с зеленой революцией. Создание сильных сортов, селекция на экстенсивный продукционный процесс довела цифры урожаев пшеницы до 50–55 центнеров с гектара. Конечно, всюду мы приводим средние цифры, отдельные достижения могут быть и выше. В Англии существует особый клуб фермеров. Его членом может быть только тот, кто регулярно собирает по 100 центнеров зерна с гектара. Так членство в этом клубе превращается в своеобразную рекламу.

100 центнеров с гектара — это реальность. Сейчас практики подбираются (во всяком случае, мечтают об этом!) к цифре 400 центнеров. Ну а можно ли поднять планку урожая выше? Кто ответит? Расчеты. И вести их без математики невозможно.

Первым попытался вывести уравнение урожая, померить числом труд земледельца, оценить, сколько человек в состоянии ожидать от поля, русский ученый член-корреспондент АН СССР Леонид Александрович Иванов (1871–1962). В 1941 году в сборнике работ по физиологии растений, посвященном памяти Тимирязева, появилась статья «Фотосинтез и урожай». В ней ученый дал первое, ставшее классическим, уравнение урожая.

Иванов отдал науке почти 70 лет своей долгой жизни, опубликовал около 200 научных трудов. А начался для московского гимназиста 6-го класса путь в науку тогда, когда во время летних каникул ему случайно попалась научно-популярная книга Тимирязева «Жизнь растения». Позднее Иванову посчастливилось слушать лекции Тимирязева в Московском университете на естественном факультете. Тогда-то и жизнь свою стал он планировать «по Тимирязеву» — начал изучать (биолог!) главным образом физику и химию и уж затем ботанику и другие биологические предметы.

Много раз Иванов круто менял свои научные пристрастия. Начинал с изучения водорослей, позже увлекался фосфором, его ролью в обмене веществ у растений, потом обратился к исследованию экологии и физиологии древесных растений — самых сложных растительных организмов. Большой опыт в изучении фотосинтеза (с 1940 года он возглавил лабораторию фотосинтеза в Институте физиологии растений АН СССР), желание сделать свою научную деятельность полезной для общества помогли Иванову, когда он писал статью «Фотосинтез и урожай».

Под урожаем, стремясь всемерно упростить очень сложную задачу, Иванов понимал вес всей вновь образующейся массы растений за учетный (летний сезон) период. А главным двигателем, который способствует накоплению зеленой массы растений, ученый считал фотосинтез.

В сущности, Иванов рассмотрел самый простейший баланс запасания (фотосинтез) и расхода (процесс дыхания) углерода в растениях. Этот баланс имел такой вид:

M + m = fPT – aP_1 · T_1

где буквами обозначены: M — сухой вес растений за учитываемый период, m — вес отпавших за то же время частей (желтеющие листья, погибшие стебли и так далее), P — величина общей листовой поверхности (тогда еще считали, что интенсивность процесса фотосинтеза пропорциональна площади листвы), T — рабочее время фотосинтеза, f — интенсивность этого процесса, P_1 — «дышащая масса», T_1 — время дыхания, а — его интенсивность.

Итак, простой баланс. Урожай (сумма M + m) тем больше, чем мощнее идет процесс фотосинтеза (fPT) и чем меньше потери (aP_1T_1). Приход-расход, бухгалтерия, грозящая стать, мы в этом позднее убедимся, тонкой и изощренной математикой.

Черное становится серым

К чему сводится работа земледельца? К тому, чтобы создать растениям по возможности комфортные условия. Прежде в сельском хозяйстве многое решалось на глазок, экспертным, так сказать, путем. Но время шло: копились знания, понимание совершающихся в недрах посева процессов становилось все более полным. Посев начали рассматривать как зеленую машину, которая потребляет из окружающей среды энергию и необходимые ей вещества и продуцирует нужную для человека органику. Собственно, это был уже чисто кибернетический подход. С позиций кибернетики идущие в посеве процессы можно изучать как функционирование некоторой очень сложной саморегулирующейся системы со множеством обратных связей.

Вначале посев мыслился просто как черный ящик: на входе — факторы внешней среды, на выходе — урожай; детали идущих в посеве процессов можно было и вообще считать полностью неизвестными. Но, конечно, постепенно черное становилось серым: в кибернетические модели стали вводить и различные характеристики растений. И чем дальше, тем их становилось больше. Так на бумаге в различных вариантах стали вырисовываться основные блоки системы почва — растения — атмосфера. Эти квадратики, кружочки (ради красоты и легкости обозрения их раскрашивают в яркие цвета), получившие собственные имена: Фотосинтез, Дыхание, Надземная фитомасса, Рост, Листья и так далее. Их стали соединять линиями со стрелками, отмечающими связи и взаимовлияния частей модели-схемы. Стрелки были помечены словами «радиация», «осадки», «ветер»… И вот уже в ход пошли математические символы, буквы, индексы, значки. Так можно было точно судить, куда переносятся потоки лучистой энергии, тепла, влаги, где фиксируется приход углекислого газа.

По существу, здесь действовал, торжествовал тот же, что и в уравнении Иванова, балансный подход. Только он очень усложнился. Так трудом многих исследователей разных стран создавались и совершенствовались модели урожая.

Теперь о роли математики. Без нее труд ученых, занятых исследованием отдельных биологических блоков, оказался бы для теории урожая потерянным. Мозаику отдельных частностей надо было соединить в стройную картину. Это положение, как остроумно заметил один математик, аналогично тому, как если бы, взглянув на разобранные детали часов, мы попытались узнать по ним, который теперь час. И как бы хорошо детали эти ни были изготовлены, они никогда не покажут время, пока мы их правильно не соединим и не приведем в движение.

В теории урожая (говорят еще о теории продуктивности посева, значительный вклад в это дело внесли советские ученые — член-корреспондент АН СССР Ничипорович, Росс и другие) «узнать время» удалось только лишь благодаря математике. Дело в том, что за линиями, связывающими главные узлы «зеленой машины», скрываются формулы и уравнения, часто очень сложные, дифференциальные и интегральные — высшая математика (!), которые количественно описывают обмен энергией и веществами. Весь спектр данных о погоде, о состоянии почвы и атмосферы, сведения о «самочувствии» посевов — ученые стараются учесть все, что может оказать влияние на формирование урожая — кодируется в интегралах и дифференциалах, в буквенных обозначениях. Так сконструированная с помощью биологов и агрономов кибернетическая модель стала еще и математической, содержащей обычно многие десятки коэффициентов и параметров.

Конечно, математическая трактовка реально идущих в природе процессов и явлений еще довольно груба. И неудивительно: научный поиск в этой области начат не так давно, лет 20 назад, и возникающие тут проблемы необычайно сложны. К примеру, влияние погоды нельзя правильно оценить, не зная предшествовавших условий. Солнечная сухая погода может быть чрезвычайно полезной растениям, если до этого было влажно. Однако те же условия снизят урожай, если запасы влаги в почве невелики.

Да, предыстория играет первостатейную роль. Растения снесут и засуху, если успели развить мощную корневую систему, а так это или нет, определяется условиями предшествующего периода вегетации. Так и получается, что растения как бы суммируют прошлые условия погоды, и их реакция на текущее во многом определяется этой «памятью».

Математизация идущих в растениях процессов начата. Дело это не может не принести богатых плодов. Об этом еще будет разговор. Сейчас же отметим одну новую возможность, которую математика подарила сельскому хозяйству.

Госпожа удача

Поговорим о программировании урожая. Суть этих слов в том, что человек хочет не просто ставить рекорды, получать урожаи по 400–500 центнеров зерновых с гектара; биофизики считают, такое вполне возможно. Он еще желает научиться управлять урожаями, проектировать их и, главное, делать их гарантированными.

Большой урожай — это всегда совпадение труда земледельца, его усилий с благоприятными внешними условиями, прежде всего, погодой. Но такая лотерейная, так сказать, удача — редкость. Уповать только на подарки судьбы не стоит. Жизнь требует иного. Необходимо так ставить задачу, чтобы на каждом поле брать столько зерна, картофеля или хлопчатника, сколько данная нива способна дать. Вот тут мы и подходим к программированию урожаев. К направлению, его у нас в стране возглавил академик ВАСХНИЛ Иван Семенович Шатилов, которое начало развиваться в науке совсем недавно.

Конечно, есть обстоятельства, которые не подвластны пока воле человека. Особенно погодные: внезапные морозы, губящие озимые, незапланированная жара, не ко времени затяжные дожди. Как же в этих условиях программировать урожай? Как добиваться стабильности? Какие принимать меры? И можно ли? Математика отвечает: да. Точный количественный учет всех факторов — особенности данного региона, режим влагообеспечения, минеральная подкормка растений и так далее — позволяет сформулировать условия, необходимые для получения гарантированных, скажем, 30 центнеров зерновых с каждого гектара в среднем.

Но, допустим, мы хотим получить не 30, а 40. Что ж! Следует, отвечает математика, принять дополнительно такие-то меры. Хотите получить 50? Необходимо сделать сверх этого еще то-то и то-то. Совершенно понятный ход событий — сколько вложишь труда и средств, столько и получишь! Как говорят в народе: без труда не вытащишь и рыбку из пруда!

И все-таки как быть со случайностью? Ведь обстоятельства каждый год складываются по-иному. Раз на раз не приходится! Накладки, сбои, непредвиденные трудности неизбежны. «Рулетка» природы вертится безостановочно. И, как поется в песенке Булата Окуджавы, госпожа Удача то смотрит земледельцу прямо в лицо, то откровенно поворачивается к нему спиной. Годы неудач неизбежны, тут уж ничего не поделаешь. Но программирование урожаев и не ставит себе целью раздавать страховки, начисто устранять урожайные аварии. Нет, задача здесь другая. Когда толкуют об определенной величине урожая, одновременно обязательно указывают и вероятность (снова математика! — теперь уже теория вероятностей) его получения. Если, например, вероятность получения урожая равна 0,6 — это значит, что в шести из каждых десяти лет будет получен урожай, равный или несколько больший программированного. В то же время в остальные годы урожаи могут быть и меньше программируемого.

Нас не устраивают 6 шансов из 10? Что ж, можно и уменьшить степень риска, заложив в расчеты новую вероятность получения урожая, скажем, 0,9: девять благоприятных сезонов на один неблагоприятный. Понятно, величина запрограммированного урожая при этом будет меньше, чем в случае с шансами 0,6. Если, конечно, об этом уже упоминалось, земледельцы не пойдут на новые траты, на дополнительные усилия: ассигнование денежных и материальных средств, профилактические меры и т. д.

До сих пор в рассуждениях об урожае мы слово это трактовали по Иванову: определяющим процессом тут молчаливо считался фотосинтез. Казалось бы, мысль эта очевидная, не стоило ее и оговаривать. Однако не все согласны с этим. Академик Сергей Павлович Костычев, например, по этому поводу писал так: «Не фотосинтез создает урожай, а само растение с помощью фотосинтеза, в зависимости от внешних условий». Гораздо более важными, чем фотосинтез, Костычев считал процессы роста и развития.

Рост растения. Интереснейшая тема! В романе Герберта Уэллса «Пища богов» от чудесной пищи цыплята становились величиной с лошадь, крапива могла тягаться ростом с пальмой, крысы были страшнее тигра, и по земле разгуливали люди-гиганты величиной с колокольню.

Развитие растений. Конечно же, это процесс, как и фотосинтез, для урожая ключевой. Не будем обсуждать детали и тонкости спора, возникшего между научными школами Костычева и Иванова. Однако совсем обойти проблему «Рост растений и урожай» нам не следует.

«Ауксано» значит «расту»

Кто-то сравнил удивительную координацию развития растения (так, все листья на дереве могут развернуться в один и тот же день) с координацией движений органиста, использующего все пальцы рук и обе ноги, чтобы играть четырехголосную фугу Баха. Этот образ вспомнился мне, когда я входил в здание Белорусского научно-исследовательского института земледелия, что находится в городе Жодино под Минском. Здесь, как я слышал, изучению роста растений придают особое значение и даже сконструировали для этого специальные приборы — ростомеры.

Правда, сознаюсь, эти устройства представлялись мне совсем по-иному. Вообразите, что рост измеряют таким необычным способом. Нить с грузом перекидывается через подвижное колесико и… прикрепляется к вихрам ребенка. Постепенно — с годами! — груз будет опускаться, и связанная с ним стрелка на особой шкале будет отмечать увеличение роста.

— То, что не годится для людей, — говорил мне кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории физиологии растений БелНИИ земледелия Константин Георгиевич Шашко, он помог мне познакомиться с наиболее интересными работами института, — может быть полезным, когда имеешь дело с растениями. Ведь в их жизни есть периоды, когда они растут буквально не по дням, а по часам. К примеру, побеги бамбука за минуту вытягиваются на доли миллиметра, что в пересчете на сутки дает десятки сантиметров прироста…

Измерение роста растений и их органов дело деликатное. Честно признаемся, о том, что понимать под ростом, ученые спорят до сих пор. Казалось бы, тут достаточно простой линейки. Так и поступают обычно на практике. Однако точность таких промеров невелика, потому их проводят не чаще чем раз в 5–10 дней.

Часы, минуты и даже секунды? Они также подвластны исследователям. К их услугам микроскопы с окулярными микрометрами, разнообразные средства фотографии и кинематографа. Но здесь ученый уже вынужден вести наблюдения за ростом в узких стенах лаборатории, а не в открытом поле.

Можно ли обручить точность с простотой? Можно ли создать дешевые механические ростомеры, производство которых легко было бы наладить в любом месте и в количествах, обеспечивающих довольно обширную программу исследований? Приборы, одинаково пригодные и в лаборатории, и в полевых условиях? Да, можно. Такие устройства — ауксанографы («ауксано» по-гречески значит «расту»), автоматически, без повреждений регистрирующие линейные изменения величины надземных органов растений — стеблей, листьев, побегов, ветвей, соцветий — и находящихся в почве, скрытых от глаз корнеплодов, клубней картофеля, создал коллектив ученых, которым руководит академик-секретарь ВАСХНИЛ Виктор Степанович Шевелуха.

— «Растение» и «рост» — слова одного корня. Должно быть, поэтому столь необходимы сельскому хозяйству простые и удобные ростомеры? — спрашиваю я у Шашко.

— Безусловно. Каждый вид растений имеет специфическую ауксанограмму. В ней зашифровано многое: способность переносить холод, засуху, циклы его роста, простои в развитии, когда рост временно прекращался. Ну а кроме того, рост растений — это один из важных количественных показателей урожайности посевов…

Рост — самая действенная реакция растений на изменение внешней среды. Растение может увеличить площадь своей листвы, пустить дополнительные побеги, отказаться от какой-то части своих органов. Вот так — для умеющих читать книгу природы — рост растений, понимаемый в широком смысле, становится индикатором их состояния. Сигналом для принятия экстренных мер. Так возникает дополнительная возможность для прогнозирования видов на будущий урожай.

ПУМ

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.

Глава 8

По примеру Полинга

Я хочу воздать должное одному из незаметных ученых, Фридриху Мишеру, который немногим более ста лет назад, в 1869 году, где-то между Тюбингеном и Базелем открыл нуклеиновые кислоты. Как и следовало ожидать, никто не обратил ни малейшего внимания на это открытие. Тогда еще не заработала гигантская машина прессы, которая сегодня громкими фанфарами извещает мир даже о самом незначительном ходе науки на шахматной доске природы.

Эрвин Чаргафф

В известной русской сказке смерть Кощея была запрятана в яйце, яйцо — в утке, утка — в зайце… Примерно так же хитро и дальновидно «захоронена» генетическая информация, определяющая развитие любого организма.

Гены — таинственные частички материи, вещество, заставляющее всякое творение природы быть похожим на своих родичей и в то же время быть глубоко индивидуальным, не похожим ни на какое иное живущее создание.

Где они расположены? Как устроены? Как им удается отдавать приказы на особом биохимическом языке?

В головокружительные, темные, бездонные глубины живой клетки пришлось погрузиться ученым, чтобы докопаться, разыскать наконец то место, где зашифрована программа жизни слона или бактерии, человека или лягушки, яблони или микроскопической водоросли хлореллы, живших когда-то на Земле мамонтов или динозавров.

Хранилище, вместилище генов? Их потаенный склад? Теперь его адрес установлен. И то, что потребовало усилий стольких поколений исследователей разных стран, то, что являлось предметом жарких споров, ученейших препирательств и распрей, что поначалу казалось подозрительным, наивным, незрелым, требовало проверки, строжайших доказательств — теперь все это стало азбучными истинами, далекой историей науки, буднично и просто составляет пару страничек школьного учебника биологии.

Застенчивый швейцарец

Да и сто лет спустя, в 1969 году, почти в наше с вами, читатель, время, никто особо не праздновал дату важного открытия — момента обнаружения молекул наследственности. И сегодня разыскать материалы для биографии Фридриха Иоганна Мишера все еще совсем непросто.

Мишер (1844–1895) — швейцарский биохимик, сын врача, прожил, по нынешним меркам, недолгую жизнь. Был чем-то вроде аспиранта в университете южногерманского города Тюбингена, на кафедре Гоппе-Зейлера (1825–1895), одного из основоположников современной биохимии, наставника многих известных ученых (в том числе и русских: Сеченова, Захарьина, Боткина, Дьяконова, Манасеина и других).

Лаборатория Эрнста Феликса Иммануила Гоппе-Зейлера была тогда Меккой приверженцев физиологической химии, здесь-то 25-летний Мишер и совершил свое выдающееся открытие. Впрочем, необходимо отметить, что строго-то говоря, не Мишер поднял, возвеличил, прославил имя ДНК, а сама эта замечательная молекула, задним числом, всем своим авторитетом в науке увековечила имя Мишера!

Обстоятельства открытия были таковы: исследователь обрабатывал элементы крови — лейкоциты ферментом желудочного сока пепсином, разрушающим белки. Клетки разваливались, что можно было наблюдать в микроскоп, но их ядра оставались невредимыми. Мишер выделил содержащееся в ядрах неизвестное вещество небелковой природы с необычайно большим содержанием в нем фосфора и азота и, не мудрствуя лукаво, назвал его нуклеином, то есть ядерным (от латинского «nucleus» — «ядро»).

Детальному изучению нуклеиновых кислот Мишер посвятил, покинув лабораторию учителя и вернувшись в родной Базель, оставшуюся часть жизни. Он скупо сообщал о результатах своего труда, и лишь после смерти Мишера его друзья и близкие, разобравшись в кипах лабораторных тетрадей, черновиков, записей, сделанных в спешке, в перерывах между опытами и лекциями, которые он читал в Базельском университете, выпустили в 1897 году в свет книгу, озаглавленную «Работы Ф. Мишера по гистохимии и физиологии». На первой странице сборника был помещен портрет автора: хорошее, слегка смущенное (или печальное?) лицо одного из тех людей, которые, кажется, с рождения не снимали со своей головы шапку-невидимку.

Видимо, так и не удастся установить, сознавал ли застенчивый швейцарец всю значимость своего открытия. Или же его тщательнейший научный розыск — просто следствие прилежания и педантичности. Несомненно только то, что предчувствия важности содеянного, интуиция разведчика новых земель тревожили его. В одном из многих писем к своему родственнику профессору Вильгельму Гису Мишер высказывал предположение, что ключ к решению проблемы передачи наследственных свойств будет найден стереохимиками.

Вот его подлинные слова о стереозомерах: «…с их помощью мы можем выразить все бесконечное многообразие наследственных признаков, подобно тому как при помощи двадцати четырех или тридцати букв алфавита мы можем составлять слова и выражать мысли на любом языке…» (выделено мною. — Ю. Ч.).

Удачный выбор

В начале XX века открытие Мишера было прочно забыто. В те времена у всех биологов на устах вертелось совсем другое имя — Грегор Мендель.

Мендель (1822–1884), сын бедного силезского крестьянина, вынужден был поступить послушником в августинский монастырь святого Фомы города Брюнна, ныне Брно, в Чехословакии. Был посвящен в священники, мирское имя Иоганн он поменял на церковное Грегор, но никаких церковных обязанностей не исполнял, а занимался преподаванием. Был в разное время учителем математики и греческого языка, позже физики и естественной истории, ставил опыты по скрещиванию растений. (В прошлом веке в школах и гимназиях Австро-Венгрии часто можно было видеть монахов, они преподавали не только слово божие, но и светские науки — химию, ботанику, зоологию. Мендель вначале учился в Ольмюцком философическом институте, а в 1851 году администрация монастыря посылает его в Венский университет для изучения естественных наук.)

Менделя интересовали две далекие друг от друга дисциплины — математика и ботаника. Ему нравилось возиться с растениями в монастырском саду — крохотном, 7 на 35 метров, под окнами своей кельи, ибо с детства приобрел практические навыки в садоводстве. Восемь лет неторопливо и тщательно этот странный монах проводил загадочные опыты — скрещивал различные сорта гороха и терпеливо фиксировал результаты, подвергая их математической обработке. В 1865 году итоги работы были доложены в Брюннском обществе естествоиспытателей и в 1866-м опубликованы (труд назывался «Опыты над растительными гибридами») в «Записках» того же общества.

Злые языки утверждают, что издатели поместили работу Менделя в сборник только потому, что более интересных материалов тогда не нашлось, но не будь этой публикации, Мендель не стал бы всемирно известным исследователем, отцом учения о наследственности. Однако тогда печатное детище Менделя не вызвало никакого отклика в научном мире. Известно, что труды общества естествоиспытателей в Брно со статьей Менделя были разосланы в 120 научных библиотек мира, сам Мендель дополнительно распространил 40 оттисков. Не было ни дискуссий, ни просто вопросов к творцу новой науки.

Чувствуя всю шаткость своего положения никому не известного любителя, Мендель решил обратиться к светилам тогдашней ботаники. Его выбор пал на Карла Вильгельма Негели (1817–1891), ибо Негели был одним из первых, кто пытался применять математические методы в ботанике. Но ответ Негели на послание Менделя был кратким и сухим.

При жизни Менделя его выдающиеся, теперь классические, исследования не были по достоинству оценены, хотя не только Негели, но и другие крупные биологи знали о них. Ученый скончался, не подозревая о произведенном им революционном перевороте в научных взглядах. Лишь в 1900 году непонятная и забытая работа Менделя привлекла вдруг всеобщее внимание. Сразу несколько исследователей — Хуго Де Фриз в Голландии, Карл Корренс в Германии и Эрик Чермак в Австрии — на собственных опытах убедились в справедливости выводов Менделя.

Своими научными успехами Мендель обязан также и необычайно удачному выбору объекта исследований. Всего в четырех поколениях гороха он обследовал 20 тысяч потомков. А представьте себе, что Мендель ставил бы эксперименты не на горохе, а на… слонах! Или каких-то других крупных сельскохозяйственных животных — до гороха Мендель возился, безуспешно, с мышами — тут бы ни средств, ни времени, ни терпения ему бы не хватило.

Горох был удобен еще и по иным соображениям. Потомство этого растения обладает рядом четко различимых признаков: зеленый или желтый цвет семядолей, гладкие или, напротив, морщинистые семена, вздутые или четкообразно перетянутые бобы, длинная или же короткая стеблевая ось соцветия и так далее. Переходных, половинчатых, смазанных признаков не было. Всякий раз можно было уверенно говорить да или нет, или — или, иметь дело с альтернативой. А потому и оспаривать выводы Менделя, сомневаться в них не приходилось. И все положения теории Менделя уже никем не были опровергнуты и по заслугам стали частью золотого фонда науки.

«Просто короткое и удобное слово»

Считается, что только тот владеет основами генетики, для кого один из выводов Менделя — 3 : 1 — ясен, как простая гамма. Расщепление признаков во втором поколении гибридов — три к одному. Скажем, при скрещивании сильного желтозерного гороха с зеленозерным первое поколение гибридов будет обязательно иметь желтые горошины. Однако в следующем поколении появляются и слабые зеленые горошины, причем в строгом численном соотношении — 1 : 3: в среднем один зеленозерный на три желтозерных ростка. Зеленый цвет может дать только одно сочетание зеленый + зеленый, все остальные три комбинации: зеленый + желтый, желтый + зеленый и желтый + желтый — ведут к желтой окраске. Отсюда и возникают цифры 1 и 3.

На этот счет у студентов-генетиков Ленинградского университета есть даже особая песенка. Начало у нее:

Три к одному — какой закон!

Как много дум наводит он…

Гармония чисел, согласие явлений природы, стройность и порядок, проглядывающие сквозь путаницу и кавардак явлений. Многие историки науки полагают, что Мендель будто бы знал, что ищет. Что-де он сначала интуитивно проник в душу природных событий, а уже затем так спланировал свои опыты, чтобы озарившая мозг идея выявилась наилучшим образом и в кратчайшие сроки. Потому-то он останавливается на больше всего пригодном для опытов виде растения-самоопылителя — горохе. Оттого два года отбирает наиболее пригодные признаки. И затем проводит эксперименты на таком количестве растений, сколько нужно, чтобы установить численные отношения для генетических законов.

Все это и породило красоту и стройность найденных Менделем пропорций. Так, к примеру, при свободном комбинировании двух пар признаков: окраски (желтые, сильные или, как говорят ученые, доминантные семена и семена зеленые, слабые, или рецессивные) и формы семян (гладкая — доминантная и морщинистая — рецессивная форма) растения в первом поколении дают желтые и гладкие горошины. Но затем происходит расщепление признаков в строгой пропорции: 9 : 3 : 3 : 1. В среднем из 16 растений 9 желтых и гладких гибридов, 3 желтых и морщинистых, 3 зеленых и гладких и только 1 зеленый и морщинистый.

О, тут нет никаких сомнений, именно гармония, словно свет, озарила первые шаги зарождающейся науки. Мендель руководствовался принципом красоты.

После работ Менделя и его переоткрывателей трудно было сомневаться в том, что передачу наследственных признаков осуществляют какие-то имеющиеся в клетках частицы. Именно Мендель фактически ввел в науку понятие «гены», хотя называл их иначе — факторами.

Коротенькое, но емкое слово «ген» (от греческого «genos» — «род, происхождение», отсюда пошли и родственные слова «генезис», «генофонд», «геном», «генетика» и им подобные) предложил в 1909 году в книге «Elemente die exakten Erblichkeitslehre» — «Элементы точного учения об изменчивости и наследственности» датский биолог Вильгельм Иогансен (1857–1927).

Следует отметить, что Иогансен, как и Мендель, не был ученым-профессионалом, свою научную карьеру начинал учеником аптекаря, склонялся к пониманию гена как чистой абстракции, только как подходящего термина для истолкования явлений наследственности. «Ген — это просто короткое и удобное слово, которое легко сочетается с другими…» — писал он. До конца жизни этот ученый не принимал попыток материального воплощения предложенного им понятия. «Слово „ген“, — настаивал он, — свободно от всякой гипотезы; но выражает лишь тот твердо установленный факт, что многие особенности организма обусловлены… „состояниями“, „основами“, „зачатками“ — короче, тем, что мы именно будем называть генами».

Помогли трудности

А увидеть гены, превратить это поначалу полумифическое, зыбкое, ускользающее понятие в реальность, в нечто материально видимое и различимое удалось американцу Томасу Ханту Моргану.

Морган (1866–1945) — биолог, как и Мендель, один из основоположников генетики. Коллеги из Колумбийского университета в 1908 году были удивлены, когда он, профессор экспериментальной зоологии, получивший уже широкую известность как эмбриолог (эмбриология — наука о зародышах человека, животных, растений), решил заняться модной, но неустоявшейся наукой — генетикой. Но Морган стоял на своем, он хотел проверить, действительно ли, как утверждал Мендель, в клетках существуют гены?

Морган обладал редким уменьем собирать вокруг себя талантливую молодежь. Один из его будущих ближайших сотрудников Кальвин Бриджес (1889–1938) зашел к Моргану, чтобы узнать, нельзя ли немного подработать, и получил задание мыть пробирки. Через неделю ему полюбился не только шеф, но и наука генетика. Девятнадцатилетний студент-второкурсник Алфред Стёртевант (1891–1970) был страстным лошадником, рылся в книгах, пытаясь установить, как наследуется масть. Отчаявшись, он пошел за разъяснениями к Моргану — и остался в его лаборатории. Через год Стёртевант сделал большое открытие — обнаружил явление сцепления генов. Позже он был удостоен многих званий, в частности, стал членом Национальной академии наук США.

Еще пример. Будущий классик генетики Герман Мёллер (1890–1967) жил и учился в другом городе. Ему было всего 17, он только что поступил на первый курс, но уже регулярно отправлял Моргану толстенные письма, где излагал… теоретические наметки экспериментов, которые должны были пролить свет на проблему наследственности… В 1946 году Мёллер стал нобелевским лауреатом.

Любопытно, что в 1933–1937 годах он работал в Москве в Институте генетики АН СССР, куда его пригласил академик Вавилов. Вернувшись в Америку, Мёллер долго не мог найти подходящей работы, его считали коммунистом! Обозленный, он, ненавидящий антисемитизм, немец по национальности, чтобы подразнить власти, стал выдавать себя… за еврея.

Морган делал ставку на молодых и не ошибся: в его лаборатории родилось множество замечательных открытий.

Президент Национальной академии наук США с 1921 по 1931 год, почетный член АН СССР, 1931 год, что, однако, не помешало в послевоенные годы Лысенко и его приспешникам объявить Моргана метафизиком и идеалистом, был в 1933 году удостоен Нобелевской премии.

А еще Моргану помогли трудности. Ученый обычно работал с кроликами, мышами и крысами, но в то время бюджет университетской лаборатории был весьма скромен, денег на сооружение большого вивария ему не дали. Пришлось искать новый экспериментальный объект, и Морган выбрал крошечную плодовую мушку дрозофилу. Редкий случай, когда скупость снабженцев оказала науке неоценимую услугу!

Дрозофила, Drosophila melanogaster, что означает «любительница росы с черным брюшком», все мы не раз видели эту мушку, вьющуюся вокруг перезрелых фруктов, стала для Моргана величайшей удачей. И сегодня число исследователей, занимающихся во всем мире этой мухой, насчитывает не одну тысячу. Почему? Что сделало мушку такой популярной? Об этом стоит поговорить особо.

Как бусины на нитке

Стеллажи, стеллажи… От пола до потолка. В неярком свете люминесцентных ламп (шестнадцать часов — день, с 12 до 8 утра — ночь) поблескивают на стеллажах тысячи пробирок-стаканчиков. В них ползают, вьются, копошатся крохотные существа с прозрачно-серыми крылышками…

Дрозофила, это маленькое, длиной около 3,5 миллиметра, со вздутым телом и обычно красными глазками насекомое легко разводить в пробирках на засеянных дрожжевыми клетками растертых бананах или просто манной каше с изюмом.

Главное достоинство дрозофилы — ее плодовитость. При температуре 25 градусов по Цельсию новое поколение мух появляется на свет через 10–12 дней. Одна самка может дать более тысячи потомков. Потому только за год удается получить 30–35 поколений и изучить сотни тысяч особей. Богатейшие возможности для тех, кто прослеживает длинные наследственные линии!

А еще дрозофила привлекательна вот чем. Наследственные проявления у нее бесчисленны и вместе с тем просты и легко различимы. Как окраска, форма семян и другие признаки у выбранного когда-то Г. Менделем гороха!

Мушки различаются укороченными крыльями (они могут быть и совсем маленькими, и загнутыми кверху и т. д.), цветом глаз (белые вместо нормальных — красных) и различными иными особенностями.

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».

Глава 9

Подобно режиссеру фильма

Для бизнесмена или правительственного чиновника в промышленно развитых странах Запада слово «ДНК» становится столь же привычным, как «нефть» или «сталь».

М. Д. Франк-Каменецкий

Возраст жизни на Земле — сотни миллионов лет. К нам, в сегодняшние дни, жизнь пробивалась сквозь многие потрясения и катастрофы. Они стерли с лица планеты динозавров, мамонтов и других диковинных зверей. Но все-таки кое-какие следы древнейшей истории жизни сохранились. В куске каменного угля, извлеченного из недр, можно обнаружить отпечатки доисторического папоротника. В размолотом строителями валуне найти окаменевшие раковины моллюска. В выброшенных штормовыми волнами на песчаное побережье Балтики золотистых кусках янтаре, этой застывшей смоле реликтовых деревьев, порой удается разглядеть мумии насекомых.

Какой-нибудь запечатанный в янтаре комар являет собой удивительное зрелище! Подумать только: неисчислимое множество поколений отделяет его от современных сородичей, казалось бы, он обязан разительно отличаться от своих собратьев, родившихся в атомном веке. Так нет! Комар все тот же: природа пронесла облик насекомого из глубин тысячелетий в наше время почти неизменным. Различие, если оно и есть, кажется совершенно несущественным.

Как же природе удается из века в век репродуцировать, раз за разом повторять свои изделия? И не приближенно, не кое-как, спустя рукава, оставляя лишь главное, не заботясь о деталях, — а творить словно бы под копирку, добиваясь воспроизведения даже самых мельчайших особенностей и нюансов. Загадка? Величайшая! И слава науке, которая сумела эту тайну разгадать.

Эстафета поколений

Суть секрета — в устройстве молекулы ДНК. В том, что у нее не одна, а именно две спирали.

А в самом деле, к чему излишества? Ведь и на одной спирали-ленте можно было бы записать всю наследственную информацию. Записать-то можно, трудно сохранить!

Уникальность ДНК в том и состоит, что в природе это единственная молекула, способная размножаться делением, воспроизводя себя, давая живым клеткам шанс непрерывно удваивать их число. А научной истиной это положение стало во многом благодаря исследованиям Эрвина Чаргаффа.

Чаргафф, австриец по национальности, родился в 1905 году в Австро-Венгрии в городе Черновцы, теперь это территория Западной Украины, окончил Венский университет, биохимик, работал в Берлине, с приходом нацистов перебрался в Париж, затем оказался в США, многие годы отдал изучению нуклеиновых кислот.

Чаргафф рос и воспитывался в атмосфере классической науки, материальные основы генетики тогда еще не были известны. Возможно, поэтому, отдав делу изучения ДНК и РНК так много времени, имея в этой области огромные заслуги, он с недоверием и даже с неприязнью встречал последние новшества молекулярной генетики.

Впрочем, предоставим ему высказаться самому: «…я разделяю ученых на два основных типа: одни — это более редкий тип — стремятся понять окружающий мир, познать природу; другие, которых куда больше, непременно хотят объяснить мир. Первые ищут истину, иногда вполне четко сознавая безнадежность своих попыток; вторые стремятся к законченной стройной и целостной картине мира. Первым мир открывается в его лирической напряженности, вторым — в логической ясности, и это они, вторые, — его владыки…» И дальше, более резко: «А теперь придется ввести еще одну подгруппу, может быть, самую влиятельную в биологии, — это те, которые хотят перекроить природу. Этих я не буду касаться, потому что убежден, что именно попытка преобразовать или перехитрить природу почти привела к ее гибели…»

А вот более грустное признание Чаргаффа: «…человек не может быть без тайны. Можно сказать, что великие биологи прошлого творили в свете самой тьмы. Нам уже не досталось ничего от этой благотворной ночи. Луна, на которую я в детстве любил смотреть по ночам, — такой луны уже нет на небе. А что последует за этим? Боюсь, что меня поймут неправильно, если я скажу, что в каждом из наших великих научно-технических подвигов человечество необратимо теряет еще одну точку соприкосновения с жизнью».

Пессимизм, возможно, природный, не мешал, однако, Чаргаффу быть великолепным исследователем. Он вспоминает, как в 1944 году поразило его сообщение Эвери, доказывающее вроде бы, что таинственные гены спрятаны в нуклеиновых кислотах. «Я был просто потрясен. Мне вдруг показалось, что я вижу неясные контуры грамматики биологии…»

Чаргафф тогда резко повернул руль своих научных поисков и занялся химией ДНК. И удача сопутствовала ему. Ученый доказал, что генетические буквы располагаются в спиралях ДНК строго попарно. Против аденина (А), расположенного на одной из спиралей, всегда находился тимин (Т), размещенный на другой спирали. Так же, словно взявшись за руки, вели себя и две другие буквы: гуанин (Г) обязательно располагался против цитозина (Ц).

Согласно Чаргаффу выходило, что в молекуле ДНК буквы алфавита подчиняются следующему математическому закону:

А + Г = Т + Ц.

Большое открытие! Оно сразу многое прояснило. Прежде всего, то, почему в генетическом алфавите четное число (четверка: А, Г, Т и Ц) букв. Понятно, нечетное число букв — три, пять и так далее — нельзя разбить на пары.

Стало ясным и то, каким образом удваивается молекула ДНК, плодя точные свои копии. Существование двух взаимосвязанных через дополнительные буквенные пары А — Т и Г — Ц спиралей, внешнее надстраивание на них дополняющих букв, позволяет природе легко размножать ДНК и клетки.

Процесс идет таким образом. Одна спираль, назовем ее нить А, воспроизводит дополнительную нить-спираль В, а нить В (вторая начальная спираль) — повторяет нить А. Вот так вместо одной возникают две молекулы ДНК, затем, если считать общее их число, — 4, 8, 16 и так далее — эстафета поколений! — в геометрической последовательности, до бесконечности. То есть до наших дней.

ДНК на ремонте

Репликация, удвоение ДНК идет с большой, прямо-таки пулеметной скоростью: до 500 букв за секунду у бактерий, до 50 букв у млекопитающих. Вот с какой сказочной быстротой совершается перепечатка громадного генетического архива. И это идет ежедневно, ежечасно, ежеминутно.

Тонкий процесс! Он поражает наблюдателя еще и своей точностью. Тем, повторимся, что какого-нибудь рачка, обитавшего в теплых морях палеозоя, очень трудно, не специалисту вообще невозможно, отличить от его нынешнего потомка.

Опечатки? Они, конечно, случаются. Без этого нельзя. Точно установлено учеными: при копировании ДНК человека, например, когда в каждой спирали содержится несколько миллиардов букв, число ошибок достигает десятков тысяч (!) на каждое клеточное деление.

И это не самые страшные для живой материи факты. Живая клетка, а вместе с ней и ДНК, часто оказываются под грозным воздействием ультрафиолетовых, рентгеновских и прочих вредных излучений. Спирали ДНК корежат, «выбивая» буквы, и различные попадающие в клетку химические агенты. Но даже если внешняя среда чиста, то и тут искажения в ДНК имеют место, на этот раз уже самопроизвольные, вследствие тепловые ударов. Подсчитано, что при 37 градусах Цельсия в среднем ДНК клетки теряют до 20 букв-оснований (в промежутках между двумя делениями).

Но как же тогда понимать, спросит удивленный читатель, примеры с комаром в янтаре, с прапрарачком, о которых упоминал автор? Что же гарантирует почти вечную повторяемость живого? Где истоки столь полезной для жизни консервативности ее форм?

Вначале генетики думали, что постоянство — это-де особое свойство генов, которые не подвержены никакому влиянию внешних воздействий. Но тогда, спрашивается, как же можно совместить с этим огромную гибкость, подвижность, удивительную приспособляемость, явную тягу живой материи к обновлению?

Страстные дискуссии продолжались и после открытия Уотсона и Крика, когда структура ДНК обнажила свои очертания. Не сразу ученые догадались о существовании в клетке специальной ремонтной службы. О наличии микроспецов, денно и нощно пекущихся о сохранении чистоты смысла первоначальных записей.

Кстати, тут еще раз проявило себя значение двунитчатости ДНК. Она необходима не только для создания идентичных копий генетического материала, но и для пущей — с запасом! — сохранности записанной в ДНК информации, ибо повреждения редко затрагивают сразу две спирали. И целостность второй, неповрежденной, позволяет начать ремонтные работы!

Кто же взял на себя в клетке роль мастеров-ремонтников? Особые белки-ферменты, названные рестриктазами и лигазами.

Рестриктазы рвут, разрезают, последовательность букв в ДНК, но делают это не как попало, а лишь в тех местах, где имеется сочетание строго определенных букв, узнаваемых только данной рестриктазой. Арсенал рестриктаз постоянно пополняется и включает уже более 400 наименований. Любопытно, что рестриктазы открыли в известной мере случайно, ища ответ на совсем другой вопрос: пытаясь понять, как клетке удается расправляться с проникшими в нее вместе с бактериями или вирусами чужеродными ДНК.

Вот так стала ясна кухня «рубки» молекул ДНК на части. И тут же появились сомнения: а не разбегутся разрезанные куски в разные стороны, не затеряются ли? Как-то их потом соберешь? Как удается клетке собрать из обрезков ДНК нечто для нее полезное?

Получалось, что, кроме топоров, ножниц, вырезающих, удаляющих ненужные, лишние (повреждения, описки и т. д.) фрагменты, необходимы и средства для «склейки» кусочков ДНК. И здесь ученым повезло: они вскоре обнаружили ферменты лигазы. Белки, специализирующиеся на сшивании частей ДНК, на восстановлении ее целостности. Так было установлено, что в клетке в случае нужды есть кому не только кроить и пороть молекулы ДНК, но и сметывать их!

Стая жизнерадостных обезьян

Ощупав гены, свыкшись с их материальностью, человек тут же захотел заняться генной хирургией. Как подступиться к этому делу? Вначале — до открытия рестриктаз и лигаз — затея казалась безнадежной. Конечно, порвать молекулу ничего не стоит. Однако нужны не случайные разрывы: требовалось удалять одни гены и вставлять в освободившиеся «пустоты» другие.

Обсуждались разные проекты. Свои инструменты предлагали и физики, и химики. Что, если ударить по ДНК лазером? А может, лучше плавить молекулу наследственности в определенных местах? Или пилить ее химическими пилами? Идей и попыток было немало, но результаты не вдохновляли, ибо требовались такие хирургические ножи, которые позволяли бы разрезать молекулу ДНК с точностью до миллиардных долей метра. С атомными допусками. (Если бы с такой аккуратностью разделать батон колбасы, то каждому жителю земного шара досталось бы по кусочку!)

Барьер казался неодолимым. Наступление века генной инженерии отодвигалось на неопределенный срок. И вот в момент уныния на помощь ученым поспешила сама природа. Она предложила и «скальпели» (ферменты рестриктазы) и «иглы с суровой ниткой» (лигазы). Ведь мало было кромсать молекулу ДНК, хотя бы и с точностью часового мастера, нужно было еще научиться скреплять генные фрагменты, чтобы получать любые варианты генных гирлянд.

Геиноинженерная операция начинается с выделения из клеток, точнее из их ядер, молекул ДНК. Такую работу наблюдать очень поучительно.

Сначала к суспензии клеток добавляют ПАВы — поверхностно-активные вещества. Они разрушают, ломают мембраны — стенки клеток и ядер. Картина при этом получается любопытная. На ваших глазах мутноватая жидкость, налитая в стакан или колбу, превращается в прозрачный вязкий клей, почти студень. Это длиннейшие нитевидные молекулы ДНК выходят в раствор из лопнувших ядер. Осажденные затем спиртом ДНК выпадают рыхлыми беловатыми волокнами, которые можно вынуть из стакана, наматывая их на стеклянную палочку.

Достаточное для работы количество ДНК получено. Но в каком они виде! Это каша обломков, обрубков. Как же выловить из этого хаоса, из случайно перемешанных обрезков нужный нам ген? Вполне определенную осмысленную последовательность букв ДНК?

Вот как описывает трудность подобной задачи доктор биологических наук Борис Михайлович Медников: «Представьте, — пишет он, — полное академическое собрание сочинений Пушкина, изданное тиражом в сотни миллионов экземпляров. (С таким количеством исходных клеток в колбе обычно имеют дело молекулярные биологи.) Весь тираж при этом напечатан в одну строчку на телеграфной ленте и перемешан в огромный ворох, который непрерывно перелопачивают (имитация теплового движения молекул в растворе), а стая жизнерадостных обезьян (это аналог ферментов нуклеаз, полностью избавиться от них при выделении молекул ДНК из клеток невозможно) рвет ленту, где им это понравится. Теперь представьте, что, не прикасаясь руками и не видя текста, с расстояния пятидесяти метров надо из этой кучи выбрать все ленты, на которых отпечатан, например, „Анчар“ или первая глава „Евгения Онегина“».

Примерно такого рода задача стояла перед учеными. И удивления достойно, что они с ней справились. Все тонкости этого дела мы пересказать, понятно, не в состоянии. Важен итог, то, что теперь исследователи умеют выделить любой нужный им ген.

Escherichia coli — «рабочая лошадка»

С помощью рестриктаз и лигаз первые химерические молекулы ДНК, их еще называют рекомбинантными, были получены. Но что с ними делать? Ведь проявить свои необычные свойства такие молекулы наследственности могут, только находясь в каком-то живом организме. Начался поиск существ, способных приютить, приголубить рекомбинантные ДНК и дающих им возможность нормально удваивать свое число. Конечно, кров для химерических молекул следовало выбирать попроще. А что может быть проще бактерий, одноклеточных созданий, управлять которыми наиболее легко?

Бактерии. Один из наиболее древних эшелонов жизни. Миллиарды лет были единственными обитателями биосферы. Ни человека, ни животных, ни высших растений не было на Земле, а бактерии уже праздновали не одну весну. Да они и сейчас настоящие хозяева планеты. И мы живем среди них, как экзотические цветы жизни, как редкостные образования в тьмамиллиардной массе трудяг-невидимок. Бактерии истинные космополиты: они населяют толщи почв и все водные бассейны, они поселились и в нас самих, эти малютки буквально вездесущи. Это бактерии создавали и создают месторождения полезных ископаемых, они же превращают останки живых существ в материал для новой жизни, помогают нам переваривать пищу и готовить ее, увы, еще они способны и убить нас, вызвав болезни.

Для молекулярных биологов бактерии — заманчивый объект исследований. Подкупает простота их устройства. Это всего одна клетка (обычно палочковидной формы, по-гречески bakterion и значит «палочка»).

У них нет ядра, всего одна хромосома (у человека их 23), с одной ниточкой ДНК.

Однако мир бактерий очень велик — кого выбрать, предпочесть? Кто тут наиболее пригоден для манипуляций с генами?

Так получилось, что выбор молекулярных биологов пал на кишечную палочку, научное название Escherichia coli, микроорганизм, обнаруженный австрийским врачом Теодором Эшерихом (отсюда и название «ешерихиа коли») еще в 1885 году. Бактерия, обитающая в кишечнике человека как один из основных компонентов нормальной кишечной флоры.

В тех исследованиях, о которых идет сейчас речь, кишечная палочка стала основной «рабочей лошадкой». Ее достоинства? Простота культивирования: неприхотлива, питается сахаром, особенно любит глюкозу. Кроме того, эта бактерия очень хорошо изучена, имеется ее полная генетическая карта, известны основные пути обмена веществ, быстро размножается. Ее жизненный цикл — до деления — длится всего 40 минут.

Итак, приют, удобная гавань, пристанище для химерических молекул наследственности было найдено. За чем же дело стало? Осталось перенести рекомбинантную молекулу в приготовленное для нее логово. И тут снова случилась закавыка. Что значит перенести? Ведь не возьмешь же ДНК пальцами и не посадишь в бактерию, хотя бы потому, что она, словно крепость, окружена стенками-мембранами. Вновь препятствие, оно казалось неодолимым. И тут — в который раз! — благосклонная природа указала прямые и простейшие средства.

Плазмиды

Один из побочных продуктов развития наук — создание всемирного языка. Все больше становится слов, что одинаково звучат во всех языках и имеют один и тот же смысл. «Спутник», «стресс», «композиты», «гены» — эти и многие другие слова равнопонятны ученому любой национальности.

А еще существует масса научных терминов, которые как бы ждут своего часа. Пока они употребляются лишь узким кругом людей, прячутся в тиши кабинетов и лабораторий, таятся до поры, но настает момент — и слово начинает блистать, как звезда первой величины. Такая судьба, безусловно, ожидает и слово «плазмиды».

Открыл плазмиды в начале 50-х годов американец Джошуа Ледерберг. Он обнаружил в кишечной палочке, кроме основной спиралевидной вытянутой во весь свой гигантский рост ДНК, еще и маленькие, свернутые в колечки ДНК.

О плазмидах дружно заговорили медики, когда в 1959 году было показано, что неэффективность многих антибиотиков обусловлена этими созданиями природы; они имеют особые гены устойчивости к антибиотикам. К примеру, вырабатываемый плазмидами фермент пенициллаза разрушает пенициллин, спасая бактерии от гибели. Что, конечно же, осложняет лечение больных. Парадокс, но лучший способ добиться того, чтобы антибиотик сохранил эффективность, — это вовсе не применять его!

Но нет худа без добра! То, что затрудняло работу медиков, пригодилось генным инженерам. Им как раз нужны были переносчики реконструированных молекул ДНК в живые объекты.

Правда, вначале на эту роль прочили вирусы-бактериофаги. Они действительно способны осуществлять генную буксировку, но они губят клетку, рубят сук, на котором сидят. Проникнув в клетку, вирус ведет себя как опасный хищник. Он переключает ресурсы клетки да удовлетворение своих нужд и примерно через полчаса губит ее. Клетка разрушается, и из нее вместо одного фага выпархивает сотня ему подобных, готовых творить новую агрессию.

Иначе поступает плазмида. Это микросоздание ограничивает свой аппетит, она в отличие от вируса не убивает клетку-хозяина. Если фаг подобен алчному хищнику, то плазмида напоминает домашнее животное, особенно собаку. Плазмида и приютившая ее клетка осуществляют симбиоз, их добровольный союз взаимовыгоден. Подобно верному псу, плазмида защищает бактерию от врагов, скажем, от пенициллина. Клетка же предоставляет плазмиде кров, ресурсы для питания, размножения.

Все эти доставившие медикам так много хлопот особенности сожительства бактерий и плазмид, а именно способность плазмид переходить «из рук в руки», легко проникать в клетки и жить в них, оказались благом для генной инженерии.

За монтажным столом

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.

Глава 10

Бифштексы на грядке

Показал садовод

Нам такой огород,

Где на грядках, засеянных густо,

Огурбузы росли,

Помидыни росли,

Редисвекла, чеслук и репуста,

Сельдерошек поспел

И моркофель дозрел,

Стал уже осыпаться спаржовник…

Наталья Кончаловская

Лет пять назад, в начале 80-х годов министр сельского хозяйства США Джон Р. Блок сделал громогласное и широковещательное заявление. Он объявил о том, что ученые Висконсинского университета в ходе исследований совершили настоящий переворот в науке. Что в «генетике растений начинается новая эра», которая скоро приведет к «зеленой революции».

Что же произошло? Отчего поднялся такой сыр-бор? Шум и гам возник из-за того, что удалось передать подсолнечнику ген фасоли, который теперь контролирует в нем синтез одного из белков.

Полученная учеными растительная химера получила название «санбин» («sunbean» буквально «солнечная фасоль»), ибо ее родителями стали подсолнечник («sunflower») и фасоль («bean»), растения, состоящие в далеком родстве.

Санбин — действительно свидетельство больших возможностей генетической инженерии. Но означает ли это, что сбылись заветные чаяния ученых? Что биоинженерия подошла к совершенно новому, очень важному для нее этапу? Что скоро с голодом на земном шаре будет покончено? Конечно, нет. До этого еще очень далеко. Санбин — лишь заявка на будущее. Развившееся, способное дать потомство зеленое растение получено не было, пока это всего лишь шарообразный сгусток клеток, лишь один из шансов пробиться в будущее, лишь зацепка, пренебрегать которой, однако, понятно, не стоит.

Стопроцентный плод

Генная инженерия полна крайностей. В ней черные краски мирно уживаются с мажорными тонами — зелеными, оранжевыми, с цветом зелени и солнечных лучей. Мрачные прогнозы, разговоры о киборгах (киборг — это технически усовершенствованный человек, способный жить в любой среде), послушных чужой воле, о неразмышляющих вояках-суперменах… И здесь же светлые грезы о невиданных прежде растениях.

Хотя человеку стороннему, наблюдателю чудес наук многие затеи молекулярной биологии могут показаться чистой воды прожектерством или делом весьма далекого будущего, сами генные инженеры не сомневаются, что их исследования позволят:

получать плодоносящие деревья, вырабатывающие естественные яды против вредных насекомых. От пестицидов, загрязняющих окружающую среду, тогда можно было бы отказаться;

научить растения поглощать азот непосредственно из атмосферы (долой азотные удобрения, вместе с производящими их громадными фабриками!);

получить растения, стойкие к засухам, способные усваивать соленую воду, не полегающие под дождем и градом, не страшащиеся заморозков, устойчивые к гербицидам и вирусным болезням;

вывести кукурузу, в початках которой содержалось бы столько же белка, сколько, скажем, в курином яйце, что позволило бы в тех странах, где выращивается много кукурузы, вовсе исключить мясо из рациона.

Пока мы по необходимости все еще убиваем животных, чтобы питаться их мясом, но куда более гуманным и гораздо более выгодным путем было бы получать все необходимые нам белки от растений. И генная инженерия обещает создать «суперовощи» с высоким содержанием белка — этакие «растительные бифштексы», «бифштексы на грядках». По питательности они превзойдут мясо…

Трудами ученых должны сбыться и другие фантастические проекты. Вот один из них. У растения съедобны плоды и семена, реже — листья или корнеплоды. Но, кроме съедобных частей, есть и несъедобные: стволы, цветы, кора… Растениям они необходимы, нам — нет, во всяком случае, в качестве пищи. Так стоит ли мириться с тем, что участки земли, получающие солнечную энергию, достаточную для тысяч человек, кормят только десятки? Отчего бы не создать растение без корней, листьев, веток и стволов — этакий стопроцентный плод?

Академик Николай Николаевич Семенов считал, что со временем при посредстве физики и химии создадут особые чаны с генетической закваской. В них будут выращивать яблочную, вишневую, пшеничную, морковную, ананасную и иную растительную ткань. Она пойдет на стол целиком: никаких отходов не будет!

В мечтах можно зайти и еще дальше. Возжелать растения, в которых имелось бы все необходимое человеку. Растение со съедобными листьями, как у шпината, семенами с высоким, как у фасоли, содержанием белка, с высокопитательными, похожими на картофель, клубнями, со стеблем, дающим полезное волокно… Тогда не надо будет «метаться» от одного блюда, к другому — от одного растения организм с пищей сразу получит все, что ему необходимо.

А еще — раз уж все пожелания сбываются! — хорошо бы получить растения, которые можно есть сразу в сыром виде. Чтоб не надо было возиться на кухне с поваренной книгой, затем жарить, варить, разогревать, охлаждать…

46 ступеней к идеалу

А собственно, во всем том, о чем только что говорилось, и нет особых чудес. Растениеводы издавна занимаются выведением новых необычных сортов, но добивались они этого при помощи скрещивания и отбора, то есть путями естественными, главный недостаток которых слишком большие затраты времени.

Делом этим занималась и сама матушка-природа. Естественный отбор за тысячелетия добился немалого. Так, в частности, полагают, что вследствие генных мутаций живые существа, первоначально обитавшие в водной среде, в первоокеане, обрели способность дышать и выбрались на сушу. И существование человека является отголоском тех давних событий.

Как спрессовать миллионы лет в годы и даже месяцы? Как максимально сократить сроки? Способна ли справиться со всем этим селекция? Да, успехи ее велики: вклад селекции в достигнутое за последнюю четверть века удвоение урожайности составляет более 50 процентов. Однако даже такие цифры нас уже не удовлетворяют. Селекционное конструирование нового сорта — многотрудный научный марафон. Это дело, требующее чудовищного упорства. Десятки лет труда, успех чаще всего приходит только на склоне лет. А сколько селекционеров так и не дожили до времени, когда их усилия стали приносить плоды!

Трудности селекции, в чем они? Возьмем пшеницу. Ведь необходимо среди примерно 48 тысяч образцов этой культуры разыскать те несколько, которые и станут стартовой точкой для планируемого поиска. А сколько забот возникает при скрещивании. При десяти сводимых воедино признаков, каждый из них контролируется только одним геном, во втором поколении, когда отбор только начинается, надо проанализировать ровно 1 048 576 растений. Вот какие груды материала необходимо перерыть!

И кабы перечень требований к новому сорту укладывался бы в десятку! На деле, по классическому подсчету Вавилова, в число признаков, которым должен соответствовать новый сорт (конкретно мы говорим о пшенице), должны входить 46 пунктов. Перечислим некоторые: форма зерна; высокий вес тысячи семян; крупный, при созревании не осыпающийся колос; не прорастающее на корню и в снопах зерно; прочная неполегающая соломина; оптимальное соотношение массы зерна и соломины; иммунитет к вредителям, болезням; устойчивость к засухам; пригодность к механизированной уборке…

46 ступеней к идеалу! И это по меркам прошедших десятилетий, ныне же количество требований выросло еще больше.

Наши далекие предки руководствовались простыми критериями: съедобно растение — несъедобно, вкусно — нет. Это только много позднее, при еще полуосознанной селекции человек начал обращать внимание и на величину урожая, и на размеры используемых в пищу органов растений. Но затем земледелец открыл в растениях крахмал, белок, аминокислоты, жиры, витамины… Тут уж он осознал разницу между «количеством» и «качеством». Уразумел и факты неприятные: что у зерновых отчего-то чем выше урожайность, тем ниже в зерне содержание белка и незаменимых аминокислот. Что чем больше удается собрать сахарной свеклы с гектара, тем меньше в ней сахара и т. д. И для селекции важными оказались теперь уже не только валовые сборы с гектара, но и «урожаи» белка, сахара, витаминов и других веществ.

Требования к селекции быстро растут, а арсенал ее средств до недавних пор был довольно скромен: воздействие на растения атомной радиации, ультрафиолетовых лучей, некоторых химических веществ. Подобные меры могут изменить структуру молекул ДНК, внести «поправки», наподобие опечаток в результате недосмотра типографа. К сожалению, мутации плохо предсказуемы. Трудно предвидеть, какие гены будут поражены, в каком отношении они будут модифицированы. Тут остается уповать на удачу, на то, что удастся найти и отобрать нужных «уродов»: очень редкие, интересующие селекционера изменения.

Груши на вербе

Селекция имеет существенное ограничение. Ее приемы позволяют получать гибриды только родственных растений. Скрещивать картофель разных сортов можно, но никак нельзя получить, скажем, гибрид сливы и яблони.

Ветви древа жизни, пройдя долгий эволюционный путь, разошлись друг от друга очень далеко. Их развитие долго шло независимо. Потому-то разные виды не скрещиваются. И нельзя скрестить кошку с собакой. И хотя есть мул, помесь осла и лошади, он бесплоден, так же как и помесь льва с тигром.

Природа воздвигла между далекими видами непреодолимый барьер, который мешает селекционной работе. Фактически селекционеры тасуют одни и те же гены. У них в руках словно бы колода, в которой все карты одинаковы: в одной — только семерки бубей, в другой — лишь трефовые короли и т. п. Кое-какие различия, конечно, есть: одни карты пропечатаны чуть-чуть лучше, на других видны следы брака — опечатки, смещения рамок…

Получить гибрид капусты и редьки, например, селекционерам никак не удается. Сотворить такую помесь они смогли, но, к их глубочайшему разочарованию, она имела корни капусты, а ботву — редьки! И надолго стала мишенью для острот злопамятных юмористов. А вот генные инженеры почти с первой попытки, так сказать, с первого захода смогли сотворить гибрид свеклы со шпинатом и, если потребуется, смогут вырастить и груши на вербе.

Пересадка генов от неродственных видов — это наиболее престижная работа для молекулярных биологов. Так, у дуба нет ржавчинного гриба — возбудителя ржавчины, от которой так страдает пшеница. Почему бы не выделить нужный ген из дуба, не пересадить его пшенице и таким образом не остановить ржавчину?

Как все это делается? В чем секрет? Мы помним: успехи генной инженерии связаны с плазмидами, этими ДНК-колечками, способными «перекатываться» из одной бактерии в другую. К огорчению ученых, тех же экспериментальных удобств растения и другие высокоорганизованные клетки не предоставляют. Природа отделила прокариотов — бактерий, синезеленых водорослей и других наделенных плазмидами простейших — от эукариотов (растительные и животные организмы) непроницаемой стеной. Поэтому, казалось, плазмидные способы изменения наследственности тут не помогут.

Так считалось. И вдруг обнаружилось, что есть все-таки лазейка. Выяснилось: то, что молекулярные биологи безуспешно пытались сделать, уже миллионы лет проделывает обычная почвенная бактерия Agrobacterium tumefaciens. Она умеет вводить чужеродные гены в растения и заставляет их повиноваться своей воле — вынуждает синтезировать нужные ей белки. В результате такой генетической колонизации растительные клетки начинают безудержно размножаться, и образуется нарост, галл — растительная опухоль.

Исследователи выделили и виновницу этих превращений — плазмиду (ее назвали Ті-плазмидой, от английских слов «tumor-inducing», «вызывающая опухоль»). Было установлено, что после заражения растения определенная часть плазмидной ДНК способна встраиваться в хромосомную ДНК растительной клетки, становиться частью ее наследственного материала. Это генное вторжение заставляет растение синтезировать особые соединения — опины, которые служат бактерии пищей.

Итак, открывается уникальная возможность для включения в геном растений любого желательного гена, функционирование которого может придать растению нужные свойства. Ti-плазмиды, у них можно подавить гены, способствующие возникновению растительных опухолей, окрылили исследователей: в окружающей растительную клетку высоченной, кажущейся совершенно неодолимой ограде обнаружились «выломанные доски». Впрочем, это необходимо отметить, биологические бреши найдены не для всех растений. Только для класса двудольных. Для однодольных же — а к ним относятся важнейшие для сельского хозяйства зерновые, кукуруза, многие травы: они обладают природной устойчивостью к заражению агробактериями — проблема не решена. Здесь придется поискать другие обходные пути.

Биологический «антифриз»

Ученые настроены чрезвычайно оптимистично. Строятся вдохновляющие планы применения генной инженерии для активизаций фотосинтеза растений, что должно, к примеру, способствовать быстрому росту деревьев; для обогащения сельскохозяйственных растений некоторыми основными аминокислотами, необходимыми для человеческого организма, что избавило бы миллионы людей от алиментарной дистрофии; для создания засухоустойчивых культур, незаменимых в засушливых районах Азии и Африки; хотят «приспособить» тропическую маниоку для производства этанола, его можно будет использовать вместо бензина, и фруктозы…

Правда, далеко не все разделяют оптимизм исследователей. В США намерение биологов перейти в ближайшее время от лабораторных опытов к испытаниям в природных условиях вызывает активный протест защитников окружающей среды. Противники генной инженерии требуют запретить генетические манипуляции над растениями в природных условиях. Их пугает возможность создания такого вида растений, который сможет сопротивляться любым ядам и, выйдя из-под контроля, устойчивый к засухам, гербицидам и холоду, начнет бурно размножаться и вытеснит всю дикорастущую флору.

О возможной опасности генноинженерных работ говорят и такие факты. В последние годы в США ведутся активные попытки получения биологических средств для борьбы с заморозками. Ученые намерены создать биологический «антифриз».

Убытки, связанные с заморозками, составляют в США более миллиарда долларов в год. И, как выяснилось, во многом тут виноваты бактерии. Именно они способствуют образованию губительных кристалликов льда.

При отсутствии на поверхности листьев бактерий видов Pseudomonas syringae и Erwinia herbicola вода в растениях с падением температуры до нескольких градусов ниже нуля по Цельсию не замерзает, а становится переохлажденной. Растения при этом могут выдерживать температуры до минус 8 градусов Цельсия.

Заморозки вредят растениям, только если на них образуется лед. А для начала кристаллизации сверхохлажденной воды нужны ядра, или центры кристаллизации. Этими ядрами и служат бактерии упомянутых видов. На них-то и нанизываются образующиеся кристаллики льда.

Сначала ученые Висконсинского университета в США пытались бороться с бактериями, опрыскивая поле стрептомицином. Но ясно, что широкое использование этого средства неблагоприятно скажется на окружающей среде. Поэтому тактику борьбы пришлось поменять.

Было решено натравить на бактерии убивающие их вирусы, бактериофаги. Лабораторные эксперименты обнадежили. В течение нескольких часов удавалось уничтожить более 90 процентов льдообразующих бактерий.

Еще более иезуитский прием — генноинженерными методами так преобразовать бактерии, чтобы они более не вызывали кристаллизации льда. Так сказать, перевоспитать их.

Парадокс тут в том, что исследователи толком не знают, что делает бактерии ядрами кристаллизации. И однако им удалось уничтожить в бактерии Pseudomonas syringae гены, определяющие это их неприятное для людей качество.

Ученые вели поиск методом проб и ошибок. Они приготовили из ДНК этой бактерии набор фрагментов самой разной длины. Каждый из фрагментов был затем «вшит» в кишечную палочку, которая обычно не вызывает образование кристалликов льда.

Затем — следующий этап этой работы — биоинженеры «вырезали» из ДНК бактерии кусок, ответственный за кристаллизацию. И такой ДНК (ее назвали «минус лед») заменили «нормальную» ДНК бактерии Pseudomonas syringae.

Уже собираются распылять культуры полученных бактерий на опытных участках, засаженных картофелем, с целью повышения морозостойкости растений. Говорят, это первый значительный эксперимент генетических инженеров, затрагивающий окружающую среду. Все было бы хорошо, но бактерии, вокруг которых образуются кристаллики льда, скорее всего играют в природе заметную роль. При занесении их воздушными потоками в верхние слои атмосферы они способствуют образованию дождя и снега. Что произойдет, если эти бактерии «аборигены» не выдержат «конкуренции» с модифицированными человеком микробами? Чем все это кончится? Пока этого никто не знает.

Съедобные сорняки

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:

Но когда садовод

Нас позвал в огород,

Мы взглянули, и все закричали:

«Никогда и нигде,

Ни в земле, ни в воде

Мы таких овощей не встречали!..»

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…

Бесплатных завтраков не обещают

Селекционеры, наблюдая за работой биоинженеров, испытывают подчас вовсе не чувство зависти. Они полны иронии, им хочется подтрунивать, язвить. Многие из них считают, что генетическая инженерия — это своего рода увлечение, мода, что она пройдет, и никакой особой пользы практики от нее не получат.

Медлительные, терпеливые, упорные, свято соблюдающие правила, издавна декретированные природой, селекционеры подозрительно относятся к поспешным, явно урбанистическим методам биоинженерии. Их раздражает рвение, спешка, рекламный шум, чрезмерные обещания, явное желание нарушить ритуалы, поскорее опрокинуть поставленные природой барьеры, обойти их, пролезть с черного хода, пройти вне очереди.

Этот старый спор между деревенской неторопливостью и основательностью и городской суетой и необязательностью, видимо, разрешится не скоро, потому что биоинженер в конечном итоге передает свои находки селекционерам, именно они должны судить, удался или нет очередной генный «фокус».

«Каких бы чудес ни напридумали молекулярные биологи, — рассуждают селекционеры, — нам решать, что у них получилось. Потому-то скоростные методы переделки сельского хозяйства — это миф. Для решения какой-то конкретной проблемы требуется от двух до пяти лет для получения у данного растения различных признаков, а потом еще по крайней мере от трех до восьми лет работы традиционными методами, чтобы закрепить эти признаки у растения».

Еще одна трудность для генетической инженерии, занятой растениями, в том, что селекция новых сортов затрагивает свойства растения, контролируемые уже не одним, а сразу многими генами.

Поясним эту важную мысль таким примером. Уже давно ученые хотят сконструировать растения, способные сами себя удобрять. Взять хотя бы азот. Земная атмосфера — настоящий азотный океан, растения купаются в его волнах, но усвоить могут лишь крохи, да и то если на растительных корнях обитают особые азотфиксирующие бактерии. И давно настойчиво пропагандируется мысль передать зерновым культурам — основной пище человечества — группы генов nif из бактерий, умеющих улавливать атмосферный азот, и тем самым избавиться от необходимости вносить под эти культуры в почву азотные удобрения.

К сожалению, эта идея фикс генных инженеров пока остается всего лишь мечтой. Причина та, что переносить придется сразу 17 (!) генов. И даже если предположить, что удастся заставить работать все эти гены, например в геноме пшеницы, то, по оценкам специалистов, такие растения снизят урожайность на 20–30 процентов сухого веса из-за необходимости нести дополнительные энергозатраты на… фиксацию азота!

Да, в геноме растений есть дальние связи между генами, и вмешиваться в работу генной машины следует с большой оглядкой. Неосторожно нажимая на «кнопки», «педали», «рычажки», можно ненароком перевести генные механизмы растения из одного режима в другой, вовсе нежелательный для человека.

В этой связи злопамятные селекционеры вспоминают обычно историю с геном opaque 2. В 1964 году этот ген захотели использовать в США, в университете Пардью, для обогащения зерен кукурузы аминокислотой лизином, что резко бы повысило питательную ценность кукурузного зерна.

Перенос гена удался, радость была великая, но… урожайность у трансформированных сортов упала на 15 процентов, а сами зерна стали хрупкими и чувствительными к возбудителям болезней!

Все эти замечания несколько неожиданны для читателя, ждущего описаний сногсшибательных перспектив. Их нам вовсю расписывают при случае средства массовой информации, которые просто обуревает жажда сенсаций. Порой это делают и некоторые ученые, излишне падкие на новые кредиты, сулящие несведущим золотые горы, молочные реки и кисельные берега.

Конечно же, очень жаль, что вооруженная генноинженерными методиками селекция не может обуть сапоги-скороходы и двинуться вперед семимильными шагами. Верно, бесплатных завтраков в ближайшем будущем она не обещает, но зато оказывается путем, гарантирующим хотя и скромные, но прочные, непрерывные и эффективные успехи в сельском хозяйстве.

Морковь из лаборатории

Хотя самоудобряющаяся пшеница и коровы величиной со слона еще не стали реальностью сельского хозяйства, биоинженерия, имеющая дело с растениями, уже отпраздновала не одну победу. Так недавно молекулярные биологи сумели обеспечить табак и томаты иммунитетом к их вредителям.

Исходной точкой для исследователей послужила бактерия Bacillus thuringiensis. Этот микроорганизм давно известен как биологический инсектицид, искусственно выращиваемый и используемый для опыления культурных растений. С листвы растений бактерии попадают в организм вредителей, нарушая пищеварительную функцию гусениц. Причиной тому служит особый белок, вырабатываемый микроорганизмами. В течение 40 часов насекомые погибают. Преимущество подобных пестицидов в том, что они совершенно безвредны для людей и животных.

Но зачем с трудом выращивать бактерии, а потом их распылять? Такой вопрос задали себе бельгийские ученые. Они выделили генетический код белка-убийцы и, используя в качестве переносчика генов Ті-плазмиды, включили его строительные элементы в ДНК табачного и томатного растений. Их листва сама стала производить смертельный для вредителей белок.

Биотехнологи добились и других успехов. Так, к примеру, им удалось получить особые «прыгающие помидоры». У них плоды краснее, круглее, тяжелее обычных, они имеют характерный запах и структуру и так плотны, что прыгают как мячики.

Точнее говоря, выведены два новых сорта «прыгающих помидоров». Один предназначен для приготовления первых блюд. Для него характерна повышенная плотность, мясистость, плоды не содержат много жидкости. У второго сорта плоды темно-красные, круглые, как апельсины, их мякоть почти так же плотна, как у дыни. Плоды хорошо хранятся и переносят транспортировку.

Скорость, с которой биотехнология осваивает в сельском хозяйстве новые рубежи, потрясает. В 1986 году в потоке прессы промелькнула характерная газетная заметка. Называлась она «Морковь из лаборатории»:

«…уже в этом году на прилавки магазинов в США поступят продукты, полученные методом генной инженерии, — необыкновенно сладкая морковь, которая будет к тому же аппетитно хрустеть на зубах; сельдерей без волокон и другие овощи. Растения эти, структура ДНК которых подверглась необходимому изменению, выращивались из одной клетки в питательной среде в лаборатории, а затем высаживались на поля. Ученые планируют создать тем же путем новый сорт кукурузы с такими вкусовыми качествами, которые позволят употреблять ее в пищу без добавления масла и соли…»

Это было напечатано в середине 1986 года. А в 1987 году на прилавках американских универсамов уже можно было увидеть и купить пакеты «Веджи снэк» (овощная закуска), небольших упаковок сырых овощей, улучшенных методами клеточной инженерии.

Глава 11

Свидание с клеткой

Кто вздумал отдохнуть, пройдя лишь полдороги, —

Ему ли одолеть подъем?

Жить — значит жечь себя огнем

Борьбы, исканий и тревоги.

Что виделось вчера как цель глазам твоим, —

Для завтрашнего дня — оковы;

Мысль — только пища мыслей новых,

Но голод их неутолим.

Эмиль Верхарн

…Толчок. Я открываю дверь и попадаю в тропики — оказываюсь в комнате, залитой ярким светом множества ламп. Воздух словно вибрирует, гудит от массированных ударов желтых и оранжевых лучей. Они бьют наотмашь, расстреливают в упор ряды тесно прижатых друг к другу металлических стеллажей, заставленных плотными шеренгами, толпами чашек, пробирок, колб и просто банок всех фасонов — от тех, что сдают в пункты приема стеклотары, до затейливых, специально изготовленных руками искусного стеклодува.

Остановившись среди этого нагромождения света, железа и стекла, замечаю: в комнате я не один, со всех сторон меня окружают тысячи заключенных в стеклянные оболочки живых существ. Эти зеленые сантиметровых размеров карлики в упор разглядывают меня, пытливо изучают. И это любопытство к пришельцу, шагнувшему из январской стужи в теплоту, так понятно! Ведь все эти создания выросли не в поле, они не знают почвы, капель росы на листьях, иссушающей жары и жестоких ударов холода, им незнакомы туманы, многоцветье радуги, восходы и закаты солнца, нега его животворных лучей. Эти ростки никогда не поливали не только июньские дожди, но даже лейка садовника, их не обдували ветры… Эти растения — каприз фантазии генных инженеров. Они скомбинированы из одной или двух-трех родительских растительных клеток, росли в тепличной лабораторной обстановке и, верно, здесь же, так и не вырвавшись на свежий воздух, не укоренившись на грядке, не добравшись до рук селекционера, здесь же завершат свой краткий «экспериментальный» жизненный путь.

Радости конструирования

Институт ботаники имени Холодного Академии наук Украины разбросан по нескольким районам Киева, однако каждое утро, дело было в начале 1988 года, покинув гостиницу, я выбирал все тот же маршрут. Транспорт мчал меня по заснеженным улицам туда, где за юго-западной окраиной города, за ВДНХ Украины, расположено местечко Феофания. (Когда-то тут действовал храм святого Феофания.) Автобусом № 61 я добирался до отдела цитофизиологии и клеточной инженерии — двухэтажного, окруженного теплицами и садом здания, места, где клеточные инженеры ведут свой научный поиск. До Крещатика час езды, вместо обеда приходится гонять чаи с бутербродами, рабочих, точнее, исследовательских мест явно не хватает — на такие условия могли согласиться только очень преданные науке люди!

Отдел, он утвержден в 1982 году, — молодой, быстрорастущий научный организм. Как-то принялись определять средний возраст сотрудников — вышла цифра 32 года. И защиты тут идут в основном по монографиям: клеточная инженерия только-только зародилась, обобщающие труды можно перечесть по пальцам, многие термины, такие, к примеру, как «трансмиссионная генетика», люди начали произносить совсем недавно, и нет твердой уверенности, что они приживутся в лексиконе ученых.

Душа отдела, его мозговой центр, средоточие всех надежд и планов, несомненно, Юрий Юрьевич Глеба. Стремителен научный взлет этого человека — путь от аспиранта до академика АН УССР (избран в начале 1988 года, в возрасте 38 лет) он прошел всего за полтора десятка лет. К сожалению, поговорить с Глебой не удалось, он был в командировке, но рассказов о нем наслышался я немало. Этот ученый первым в нашей стране получил фертильные, способные дать потомство клеточные гибриды растений. Пробовал он и диковинные сочетания, соединял — из любопытства? — скажем, клетки табака с клетками… слизистой собственной гортани! Глебой — в соавторстве с его бывшим научным руководителем академиком Константином Меркурьевичем Сытником — написаны уникальные и по тематике и по изяществу, особой гармонии изложения материала книги. Утверждают, что ученый создавал их с помощью привезенного из ФРГ персонального компьютера. Эти работы стали основным руководством для клеточных инженеров нашей страны, они цитируются во всех выходящих за рубежом изданиях.

Глеба не только крупный ученый, он еще и удивительная личность, с тонким художественным вкусом. Эпиграфом к книге «Слияние протопластов и генетическое конструирование высших растений» он выбирает слова французского эстета, поэта-академика Поля Валери: «Мы подошли здесь к радостям конструирования» (цитата из «Введения в систему Леонардо да Винчи»); рассуждая о генной инженерии, вспоминает о полотнах жившего в средние века великого нидерландского живописца Иеронима Босха, создавшего причудливые, фантастические, демонические образы химер — человекозверей и человекорастений… Мне говорили, что Глеба еще и гений коммуникации, Протей, способный подобрать ключ к любой личности, любой индивидуальности, найти для каждого из своих сотрудников наилучшие условия для творчества и самоотдачи. Он только начинает, слышал я, приоткрывать грани своего Я, и, видно, только какой-нибудь Сартр или Камю, или кто-то еще из прославленных экзистенциалистов был бы способен до конца понять и оценить иррациональную суть его истинной натуры… Что ж, удивляться тут нечему, необычность дела, которым заняты руководимые Глебой исследователи, требует и людей незаурядных.

Я беседовал со многими сотрудниками отдела, внимательно приглядывался к ним, вслушивался в их голоса — мне хотелось лучше понять всех этих одержимых наукой людей. Ведь это были не просто дети очень юной науки, которые научились конструировать живые игрушки и, еще не очень заботясь о пользе, играют с ними. Нет, то истинные энтузиасты своего дела, которые и во сне должны видеть процессы слияния клеток, их последовательное превращение в цветущие чудо-растения невиданных форм. Люди, способные субботним или воскресным утром (лучшее время для работы: народу меньше, нет обычной толкотни, можно собраться с мыслями) ехать в такую даль только для того, чтобы лишний раз включить противомикробную воздуходувку, чтобы под микроскопом следить за изменениями мозаики чужеродных хромосом.

Такую страсть можно понять: подобное занятие гораздо интереснее, чем даже сидение перед компьютерным дисплеем. Там — игра ума, а тут — биение пульса созданной тобой жизни. Похоже, что ты как бы берешь интервью у господа бога, вопрошаешь его, что он чувствовал, когда шел первый день творения, второй, третий?.. Самодовольство? Удивление? А может, тревогу или страх от того, что созданное тобой уходит из-под контроля, начинает бунтовать? А условия работы? Творец, говорят, действовал во тьме, лепил из хаоса, беспорядка, абсурда. А клеточный инженер? Светлая, чистая, с кондиционером, с развешанными по стенам репродукциями картин Ван Гога комната. Тишина. Без грязи, прилипающей к сапогам, без хлещущих дождей, без всех этих рабочих атрибутов для тех, кто возится с растениями в поле; ты, словно раскинувший — в аквариуме? — сети рыбак, уверен: добыча не ускользнет от тебя, радость открытия, этот улов исследователя, обязательно попадет в твои руки…

Как кошка Киплинга

Человек только начал чтение генетических карт. Он еще слабо ориентируется в этом новом для него фантастическом мире. Синтезированы лишь простейшие гены. Но так ли обязательно для ученых знать все тонкости генных механизмов? Уметь, как опытный часовщик, перебирать все до одного генные колесики, шестеренки, винтики? Может же неразумная природа обходиться без всего этого. И каких при этом успехов достигла!

А почему бы просто в качестве родителей не взять две клетки-донора разных видов растений и, не прибегая к посредничеству плазмид, слить их воедино? Такой способ гибридизации уже несколько десятков лет бытует в генетике животных клеток. А вот с растительными прежде не получалось: препятствием служила жесткая целлюлозно-пектиновая клеточная оболочка растений. Она полностью исключала возможность слияния.

Жаль! Какая замечательная идея: использовать не половые клетки (гаметы), а клетки тела (сомы), извлеченные из любой растительной ткани — листьев, стеблей, корней. И не создавать в клеточных оболочках проломов, а полностью уничтожить ограждения!

И эта цель в известной мере достигнута. С помощью обработки растительной ткани смесью пектолитических и целлюлитических ферментов можно полностью разрушить полисахаридные оболочки растительных клеток, оголить их. И они становятся податливыми для гибридизации: теперь удается сплавить воедино две, три и больше разнородных клеток.

Слипнуться две оголенные клетки заставляют, например, добавлением в раствор, где находятся клетки, различных химических веществ. Скажем, полиэтилен-гликоля… Это соединение усиливает взаимную адгезию — прилипание внешних клеточных оболочек-мембран.

Итак, две клетки соприкоснулись. Теперь необходимо, чтобы они слились в одно целое, стали единой клеткой. Для этого раствор отмывают от полиэтиленгликоля и добавляют в него ионы кальция Ca2+. Их высокая концентрация увеличивает текучесть клеточных мембран, они рвутся в местах соприкосновения клеток. И через эти прорехи навстречу друг другу устремляется содержимое двух прежде раздельных клеток. Клетки агрегируют, сливаются воедино.

Слияния клеток можно добиться и физическим путем, используя импульсы электрического тока. Слабые электрические разряды разрушают соприкасающиеся мембраны слипшихся клеток, и их прежде разделенный генетический материал становится общим достоянием.

Клеточная инженерия, соматическая (парасексуальная) гибридизация. Новый прием имеет разные названия. Можно говорить еще и о гибридах в пробирке, ибо мало оголить клетки, надо создать для слитых в одно клеток разных видов сносные условия развития.

И это сделано. Получены специальные питательные среды, где отдельная изолированная от растения клетка, или группа клеток, утратив признаки, характерные для ткани, из которой они взяты, начинают жить и размножаться как независимый одноклеточный организм. Как клетка, живущая, по примеру кошки из сказки Киплинга, сама по себе.

В ходе обычного развития растений из зародыша клетки дифференцируются: превращаются в клетки корня, стебля, листа. Выделенные же из организма они словно бы становятся безликими. Тут важна степень активности различных генов этой клетки. И можно сделать так, чтобы дремавшие до поры гены начали работать, другие же, наоборот, застопорились, перестали действовать. Вот тут-то и начинаются чудеса. Свободная клетка в отличие от заключенной в организме может овладеть и новой «специальностью». Взятая из корня, например, способна стать клеткой листа или стебля, цветка, а то и превратиться в зародыш и дать начало целому нормальному растению.

С помощью особых воздействий — важную роль здесь играют фитогормоны ауксины и цитокинины, влияющие на скорость деления клеток, их дифференциацию, и органогенез — удается активизировать в клетке гены, ответственные за выполнение всей программы развития. (Если концентрация ауксинов больше, чем цитокининов, то формируются только корни, в противоположном случае — образуются только побеги.) Так в пробирке из одной только клетки можно развить любой орган. Вероятно, в будущем так будут получать необходимые для пересадки больным искусственные «запасные части».

Пробирочная гибридизация. Комбинирование in vitro уже не кусков молекулы ДНК, а голых, каждая со своим наследственным материалом, клеток. Так можно решать задачи, которые не по силам для селекции обычной.

Священные письмена жизни

Как и во многих других отрядах науки, в отделе, вернемся в Институт ботаники АН УССР, торжествует примат узкой специализации, действует мануфактурное разделение труда. Бок о бок трудятся биохимики, культуральщики, электронные микроскописты, цитологи и другие специалисты. Они анализируют белки, растят ткани, делают микроснимки. Большая часть отдела так или иначе работает на анализ. И лишь крошечная группка из четырех человек, ею руководит сам Глеба, она не имеет четкого названия, занята собственно «синтезом», находится на передовой, на самом ответственном и решающем участке сражения за новое знание. Эти разведчики клеточной инженерии, истинные конструкторы клеток бросают вызов природе, хотят превзойти ее в умении и сноровке.

Беседую с Александром Николаевичем Околотом, одним из членов поисковой группы, инженером. По полученным им методикам (он в отделе с самого основания, с 1975 года, тогда была организована для Глебы лаборатория цитофизиологии и конструирования растительной клетки), по созданным им клеточным моделям уже защищена не одна кандидатская диссертация, а он до сих пор без степени. Поиск засасывает, не дает времени заняться бумажным копошением, да и достигнутая цель каждый раз представляется чем-то незначительным, второстепенным, малоинтересным, а вот — чисто альпинистский азарт! — белеющая снежная вершина впереди волнует и манит…

Сущность занятия Околота и его товарищей в том, что для гибридизации растений используются оголенные клетки, они называются протопластами, каждая имеет свою мембранную оболочку. Их заставляют слиться в единый организм — клетку особыми приемами. Все экспериментальные манипуляции обычно ведут в прозрачной размером и формой с баночку от ваксы чашке Петри. Ее дно заполнено агар-агаром, веществом типа желатина. Эта как бы «почва» имеет все необходимое для жизни клеток — минеральные соли, витамины, питательные вещества, регуляторы роста.

Околот показывает мне микрофотографии исходных клеток и результаты их гибридизации:

— Это атропа или, если без латыни, белладонна, что по-итальянски значит «прекрасная дама», «красавица», по-русски же мы зовем это растение красавкой. Обратите внимание, какие у этой клетки мелкие хромосомы. Эти единицы наследственности гораздо более крупны у партнера красавки по парасексуальной гибридизации — у клетки табака… А теперь взгляните на гибридную клетку атропы и табака…

Я вижу прихотливое смешение мелких и крупных хромосом, эти семена жизни, ее священные письмена. Картина чем-то напоминает китайские иероглифы, с той разницей, что тут зашифровано не одно какое-то слово или понятие, а вся жизнь гибридного растения.

Почти спортивная цель, заветная мечта каждого клеточного конструктора — получить гибриды растений, как можно дальше отстоящих друг от друга, имеющих как можно меньшее родство. Добиться того, что ни природе, ни селекционерам вообще недоступно. Растительное племя ученые делят на виды, роды, трибы, семейства, порядки (соответствует отряду у животных), классы… царства…

Уже получены межродовые гибриды картофеля с томатом, межтрибные — атропы с табаком, арабидопсиса с турнепсом, дурмана с беленой, сныти с морковью (отметим, что межтрибные и выше гибриды классической селекции совершенно неподвластны), межсемейственные — сои с сизым табаком. Биохимический и цитологический анализы подтвердили: сконструированные клетки оказались истинным гибридами, у них есть хромосомы обоих родителей, они синтезировали характерные белки. Однако, как правило, довести эти «зародыши» до образования корней, до цветения, до полноценных плодоносящих растительных форм пока не удается. Пока это всего лишь наработка методик, накопление конструкторского опыта.

— Мы хотели сразу перепрыгнуть через несколько ступеней, — говорит Околот. — Взялись за межклассовую гибридизацию, попытались соединить лук с табаком. К сожалению, органические связи между чужеродными хромосомами не установились, хромосомы не удваивались, а рвались при делении клетки… Успехи за рубежом? Примерно те же. Венгерские исследователи, к примеру, получили гибрид моркови с табаком. Нобелевская премия? Ее, думаю, дадут только за наиболее важный для человечества объект — за улучшенные, доведенные до самовоспроизводящихся растений клеточные гибриды пшеницы…

Клонирование

Клеточная инженерия открывает сказочные перспективы. Исследователи теперь могут перейти с организменного уровня на клеточный. И работать с миллионом и более клеток в пробирке вместо того чтобы иметь дело с миллионом растений, занимающих значительно большие площади, требующих больших затрат времени и для роста, и для постановки с ними опытов. А от клеток, добившись цели, можно опять вернуться к целому растению.

Появилась возможность и тиражирования живого, что в науке носит название клонирования: бесполое, вегетативное размножение от одного общего предка, создание идентичных копий любого биологического объекта.

Все эти мысли не новы. В 1924 году английский физиолог, член Лондонского Королевского общества Джон Холдейн (1860–1936) опубликовал небольшую книжку «Дедал, или Наука и Будущее», а несколько лет спустя его соотечественник писатель Олдос Хаксли (1894–1963) создал антиутопию «Прекрасный новый мир». И вот что удивительно — рисуя общество будущего, Холдейн предсказал создание детей в пробирке, а Хаксли пророчествовал о массовом, «под копирку», производстве совершенно одинаковых человеческих существ, полученных методом клонирования.

О поточном производстве Ван Гогов и Достоевских не раз рассуждали фантасты и популяризаторы науки. Они отмечали, что было бы ужасно скучно встречать на улицах одних лишь, если думать об улучшении человеческой породы, Мэрилин Монро и Альбертов Эйнштейнов. Дойдет ли наша цивилизация до таких попыток, остается гадать. Но с растениями подобные пробы уже предприняты. Такие исследования ведутся у нас в стране в Институте физиологии растений под руководством члена-корреспондента АН СССР и ВАСХНИЛ Раисы Георгиевны Бутенко в Москве и в других центрах.

Не без пользы для практики. Вспомним о селекции. Медлителен не только сам этот процесс. Растягивается на годы и внедрение полученных с таким трудом результатов. Чтобы получить семена нового сорта в большом количестве, нужно вырастить не один урожай. Еще сложнее, когда растение размножается черенками или отводками — за сезон удается получить лишь 20–50 потомков. А вот при клонировании счет может идти уже на миллионы!

Процесс ведут так. От верхушки побега материнского растения, эта активно растущая ткань носит название меристемы, берут несколько клеток. Их помещают в особую питательную среду, где они начинают быстро размножаться, образуя каллусную массу. Каллус (от латинского «callus» — «мозоль») — особый тип растительной ткани. Она образуется на месте повреждений. Такая ткань закрывает ранку, копит вещества, необходимые для заживления.

Накопление каллусной массы может идти сколь угодно долго. Надо лишь периодически пересаживать часть клеток в свежую питательную среду. Но можно ли получить из колоний таких клеток цельное растение? Этого удалось добиться, когда были найдены, частично они уже синтезированы, особые растительные гормоны, управляющие ростовыми процессами.

И если к питательным веществам добавляют такие гормоны, каллусная ткань перестает беспорядочно разрастаться. В прежде бесформенной массе развиваются зачатки корневой системы, ростков, листьев. И наконец в пробирке возникает, поднимается самое настоящее растение. Его уже можно пересадить на грядку.

Деля разрастающуюся ткань на небольшие порции, так можно получать тысячи и даже миллионы ростков в год. Надо ли говорить, насколько это экономически эффективно?

«Сторожевые» гены

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!..

Велосипед с крыльями

Зубко ставит на стол несколько растений. Вижу удивительное, совершенно белое растение-альбинос, рядом — нормальный зеленый росток, чуть поодаль — странная помесь: на стебле белые листья прихотливо чередуются с зелеными, есть и окрашенные частично в белые, частично в зеленые тона. Михаил объясняет, что можно было бы скроить и зелено-бело-красную мозаику листьев. К чему такой маскарад? Так легче визуально, без хитрых анализов, отбирать нужные экспериментатору формы.

Если взять клетку и повредить в ней один из генов, ответственных за синтез хлорофилла, образование этого зеленого пигмента прекратится — так можно вырастить в пробирке белое бесхлорофилльное растение. В природных условиях оно обречено, ибо в нем не образуется главный продукт фотосинтеза — углеводы. Однако в пробирке, на питательной среде, щедро удобренной сахарозой или фруктозой, белое растение чувствует себя как ни в чем не бывало. А теперь берем клетки белого и зеленого растения, соединяем их. Как убедиться, что получен истинный гибрид? По цвету. Очевидно, чисто белые и чисто зеленые экземпляры пошли либо «в папу», либо «в маму», полноценный же гибрид выдает смешанная окраска листьев, ее бело-зеленая пестрота…

К той же серии маркировочных опытов относится и такой. Генные инженеры взяли светлячка и выделили из него гены, обусловливающие свечение. Затем их встроили в клетку табака. И — поразительно — табак стал вырабатывать люцеферин, растение светилось в темноте!

Когда начинаешь размышлять о клеточной инженерии, ее успехах — в сознании в первую очередь тотчас же всплывает факт получения учеными гибрида картофеля и томата. Его можно звать по-разному: «помитофелем», «картомидором», «потомейтосом» (эту кличку придумали в ФРГ). Диво-дивное! Неужто создано растение, способное одаривать нас летом помидорами, а осенью — картошкой? Увы! Хотя такое растение и сконструировано, пока оно бесплодно и остается не более чем лабораторным курьезом: никаких полезных признаков — ни клубней картофеля, ни помидоров — растение не выказывает. И все же это большой успех — ведь в природе такой гибрид невозможен!

— Этот пример характерен. Иллюстрирует непонимание реальных возможностей клеточной инженерии, — говорит Зубко. — Логика природы и логика человека различны. Когда художник смешивает желтую краску с синей и получает на палитре зеленый цвет, это никого не удивляет. Но, слив воедино клетки капусты и редьки, мы отчего-то уверены, что обязательно будем иметь и капустные листья и съедобный корнеплод… Желаем, но вынуждены довольствоваться гибридом, который, к нашему огорчению, отчего-то утерял сразу и капустные и редечные свойства. А стоит ли этому удивляться? В известной басне Крылова лебедь, рак да щука тянут в разные стороны, и воз топчется на месте. И в экспериментах с капусторедькой и картомидором происходит, кажется, то же самое.

Помитофель? Возможно, в конце концов он будет получен, но должны пройти годы исследований, должно возникнуть настоящее понимание законов, по которым хромосомы различных видов соединяются при клеточном слиянии. А сразу, с первой попытки многого не добьешься.

Выходит, надо постепенно убедить Природу, что ей не чужды не только томаты и картофель, но и их экзотическое сочетание — помитофель?

— Что-то в этом роде. А сейчас мы словно бы пытаемся скрестить мотоцикл с трактором и ждем, что результирующий механизм будет и стремителен, как мотоцикл, и мощен, как трактор. По-видимому, в организм растения необходимо ввести какие-то небывалые свойства, зарядить его колоссальным биологическим потенциалом. Ныне возможности биоконструкторов еще очень ограничены. Как бы это понятней пояснить?.. Мы можем, к примеру, взять велосипед и его педаль заменить чем-то, что выполняло бы ту же роль, роль рычага. Или руль велосипеда: его можно причудливо изогнуть, или, скажем, сделать круглым, как у автомашины. И там и тут перемены малосущественны, фактически всякий раз мы получаем после дизайнерско-конструкторских манипуляций все тот же велосипед.

— Значит, велосипед с крыльями — пустая мечта, научная небылица?

— Кто знает! Абсолютного запрета на создание крылатого велосипеда нет. Вопрос только в том, как должен выглядеть тот приводимый ногами в движение мотор, который поднимет велосипед к облакам. И, видимо, подобные задачи станут нам под силу, когда мы поймем, как функционируют уже не отдельные гены, а их большие комплексы, генные ансамбли. Возьмем проблему азотфиксирующих растений. Эту идею фикс генных инженеров: растений, способных черпать азот не из почвы, а непосредственно из воздуха, как то умеют делать некоторые микробы. Выяснилось, что в свойстве этом повинен целый «оркестр» генов, насчитывающий порядка полутора десятков генных единиц. И еще стало понятно: любая произвольная перестановка генов нарушает слаженную работу всего ансамбля, и потому нежелательна.

Кроме того, необходимо сделать так, чтобы вся генная структура была встроена в подходящее генное окружение, в особую генную среду. Показательна здесь такая аналогия. В сое удалось найти и выделить гены, обеспечивающие образование аминокислот, эти гены встроили в клетку табака. И табак начал продуцировать белок, но… в мизерных количествах, в сотни-тысячи раз меньших, чем это делает соя…

Голубая пшеница

В 1984 году за успешную разработку фундаментальных основ клеточной генетической инженерии растений ряд сотрудников Института ботаники во главе с Сытником и Глебой были удостоены Государственной премии СССР. Константин Меркурьевич Сытник, директор Института ботаники, рассказывает, какую пользу делу селекции культурных растений приносят разработки клеточных инженеров:

— Трудности традиционной селекции известны. Скрещивание возможно только между филогенетически близкими растениями. Это ограничение настолько въелось в сознание селекционера, что ему и в голову не приходит мысль об использовании донора нужных генов из другого рода, а тем более трибы или семейства. Клеточная инженерия многое изменит в этом стереотипе. Кроме того, теперь, экономя массу времени, поиск нужных мутантов можно вести уже не в поле, а в стенах лаборатории, дав селекционеру практически готовый продукт, полуфабрикат, требующий только полевой обкатки. Приемы клеточной селекции настолько эффективны, что, по нашим подсчетам, одна лаборатория со штатом из нескольких сотрудников в состоянии обеспечить нужды крупного селекционного центра…

— Одна из важных задач, — рассказывает Константин Меркурьевич, — гибридизация культурных и диких видов. Дикарь малопривлекателен по своим пищевым качествам. Природа не стремится создавать очень вкусные яблоки, они будут быстро съедены зверьем, шанс на выживание у таких яблонь невелик. Зато генетически устойчив к различным возбудителям болезней, вирусам, грибкам, более вынослив к воздействию погодных зигзагов и т. д. Но беда в том, что при скрещивании дикий сорт, этот варвар, как тип более сильный, забивает культурное растение. И только методами клеточной селекции удается пересадить нужные гены дикаря в ядро культурного растения, не утеряв всех его ценных качеств.

Профессия клеточного инженера сродни искусству, — продолжает Сытник. — Вот рядом два исследователя, они используют одни и те же методики, те же приемы работы, приборы. И объект наблюдения у них один — и все же у одного дело ладится, другой же терпит неудачу за неудачей: клетка словно бы чурается исследователя, не доверяет ему, не идет навстречу… Другой момент, который необходимо также подчеркнуть, то, что клеточная инженерия прокладывает пути к качественно новому способу производства пищи — биотехнологии. Агротехнологии очень зависят от погоды, организованности людской, умелости руководства. Многое надо «подстегивать», и в ход идут лозунги: «Сейте в срок!», «Соберем урожай без потерь!» и так далее. Но вряд ли когда-нибудь мы увидим надписи вроде: «Биотехнологи, увеличивайте количество гормонов!», ибо заранее предполагается: то, что наука на данный момент способна сделать, реализовано в биотехнологическом реакторе и никак не зависит от людского произвола…

Сытник говорит мне и о последних успехах клеточной инженерии. Соматическая гибридизация завоевала прочные позиции в семействе пасленовых, важном для человека отряде растений, куда входят картофель, томат, табак, перец, баклажаны. Усилиями ученых всего мира искусство выращивания растений из одной клетки распространено на такие важнейшие зерновые культуры, как рис, кукуруза. Есть надежда, что в ближайшие годы сюда добавятся и бобовые. И лишь пшеница, рожь, овес, ячмень и многие другие представители семейства злаковых — растений для планеты номер один — никак не уступают атакам науки. Трудности? Они в чисто эмпирическом характере поиска условий культивирования клеток. Очень непросто найти то единственное сочетание воздуха, воды, минеральных солей, углеводов и стимуляторов, способных заменить для клетки утерянный родительский организм — тут необходимо перепробовать миллионы вариантов.

В фантастическом романе братьев Стругацких «Второе нашествие марсиан» поминается голубая пшеница. Вот такую необычную пшеницу мечтают создать клеточные конструкторы. Прежде все их опыты давали результат отрицательный, клетки пшеницы отказывались делиться наотрез. И сотрудница отдела Надя Матвиенко несколько лет билась над той же задачей. Сплошные огорчения. Извелась, стал портиться характер, но сейчас… Я много раз в коридорах, комнатах отдела встречал веселую, полную жизни, смешливую молодую женщину. Мне говорили, работает она с утроенной энергией.

Объяснение этих метаморфоз? В ее руках протопласты пшеницы слились и начали наконец делиться. Ни у кого это не получалось, а у нее выходит! Пусть это лишь один из великого множества сортов пшениц, может быть, не самый лучший. Пускай это лишь начало цепи дальнейших мучительных поисков. Лед тронулся! Первый шаг сделан…

* * *

И снова утро. И вновь, выйдя из гостиницы, я, подобно нескольким десяткам клеточных инженеров, стекающихся в отдел из разных районов Киева, спешу в одетую снегами и льдом, с застывшими в садах деревьями, Феофанию. Зажигается свет в комнатах, включаются воздуходувки, микроскопы, центрифуги, готовятся питательные смеси, идет разгонка хромосом электрофорезом, листаются биохимические и цитологические справочники… Начинается работа одновременно и будничная и праздничная. Ведь здесь в причудливых, созданных волей и фантазией экспериментатора стеклянных карликовых садах происходит очередное свидание исследователя с клеткой, хранительницей всех тайн жизни, свидание, которое может принести и ощущение досады, и радость большого открытия. Свидание, долгая череда которых вершит судьбу не только отдельного человека-исследователя или даже одной из биологических наук, но которое, возможно, скажется и на судьбе всего человечества, всей цивилизации в целом.

Глава 12

Памирский феномен

Памир — древнейшая лаборатория — мастерская земледельца, подобная мастерской гончара, медеплавильщика, чеканщика, каменотеса… Лаборатории этой тысячи лет…

Георгий Бальдыш

«Двенадцать дней едешь по той равнине, называется она Памиром: и во все время нет ни жилья, ни травы, едý нужно нести с собою. Птиц тут нет, оттого что высоко и холодно. От великого холода огонь не так светел и не того цвета, как в других местах, и пища не так хорошо варится…»

Впечатление венецианского купца-путешественника XIII века Марко Поло о Памире (точнее, о Восточном Памире: его природа резко контрастирует с Западным Памиром), как о мрачной и пустынной горной стране, господствовало столетия. И правда, условия тут суровы. А потому жизнь растений, высоко в азиатских горах, казалось бы, должна быть просто невыносимой. И все же… это не совсем так.

В высокогорных долинах Западного Памира встречаются сказочные растения. Плодоносящая вишня тут может иметь диаметр ствола до полутора метров, тополь — до четырех. Клубни картофеля достигают и четырехкилограммового веса! Урожай помидоров доходит до 11,5 килограмма с куста. На подсолнухе удается насчитать — это на одном-то стебле! — несколько десятков крупных желтых шляпок…

Растения на Памире как бы сошли с ума, обнаруживая то, что можно назвать повышенной энергией роста. Они хотят только одного — расти как только можно, изо всех точек роста, из каждой почки!

Сущий парадокс! Удивительным образом тяжкие условия обитания для растений как-то уживаются на Памире с растительными чудесами. С демонстрацией бьющей через край жизнестойкости.

Растения и горы — так очень приближенно можно обозначить то, о чем пойдет речь в этой главе. Тема эта — и в науке, и при популярном изложении — весьма непроста. Автор остановился в смущении: как повести рассказ? С чего начать?.. Пожалуй, прежде всего уместно вспомнить о человеке, который, отдав этому делу так много сил, доказал важную роль гор в формировании земной флоры.

Путешествие к «Подножию смерти»

1916 год. Николай Иванович Вавилов (1887–1943), молодой, недавно окончивший «Петровку», ныне Московская сельскохозяйственная академия имени Тимирязева, и оставленный для подготовки к профессорскому званию исследователь по собственной инициативе и на собственные средства организует экспедицию на Памир. Он ищет родину пшениц и попутно хочет установить высотные границы земледелия.

Время выбрано крайне неудачно. Идет мировая война. Царское правительство гонит не желающих сражаться за чуждые им интересы на передовую. Поэтому спасающееся в горах, подвергающееся жестоким репрессиям местное население враждебно настроено к иноверцам.

Да и сезон путешествий близится к концу. Август: многие горные перевалы покрыты снегом. Проводники-киргизы в один голос молят Вавилова отступить, не искушать аллаха. И все же, сверившись по малодостоверным, дающим только самые общие ориентиры военным картам, Николай Иванович приказывает готовить лошадей и отправляться в путь.

Дорога была трудной. Часть пути пришлось идти вдоль реки Пяндж, по склонам гор, обрывавшихся пропастью глубиной в 1000 метров. Путь часто прерывался оврингами — висячими тропами: вбитые в отвесную скалу колья, устланные жердями и ветками, предательски трещавшими и проваливающимися под ногами; подвешенные на веревках бревна, покрытые настилом.

В одном месте проводники были вынуждены устроить над трещиной, шириной более метра, живой мост. По перекинутым над бездной телам прошли Вавилов и толстенный, семи пудов весом, переводчик хан Кильды. А лошадей пришлось обводить низом, через горные реки.

Не обошлось без потерь. При переправе через бешеную горную речку одна из вьючных лошадей с книгами, записями, дневниками Вавилова, с коллекционными материалами, поскользнувшись на гремящих камнях, была сбита водным потоком. Животное погибло подо льдами, унеся с собой ценный для исследователей Памира груз…

Не раз и не два спрашивал себя Вавилов: правильно ли он поступил? Стоило ли растениеводу, ботанику, искателю новых растительных культур столь настойчиво стремиться в страну, которую не без оснований называли не только «Крышей мира», но и Паймуром, что на санскрите означает «Подножие смерти». Надо ли было так рисковать?

Ведь известно же, что эти покрытые вечными снегами и ледниками места совершенно бесплодны и только в отдельных каньонах, на уступах встречаются кишлаки, где на крохотных площадках мотыжат землю дехкане и растут растения. Так стоила ли овчинка выделки?

Не мог тогда знать ученый, что этот поход кладет начало его долголетним странствиям по пяти континентам. (Вавилов не побывал лишь в Австралии.) Что в будущем, блуждая по Поволжью, Кавказу, Афганистану, Средиземноморью, Эфиопии, Монголии, Западному Китаю, Корее, Японии, по просторам Северной, Центральной и Южной Америки (он собирался еще обследовать Индию, весь Китай, Южную Африку и другие страны), столкнется он с трудностями гораздо большими: поломка самолета над Сахарой, фаланги и скорпионы в палатке, встреча с разбойниками на берегах Голубого Нила… (Всего Николай Иванович организовал в общей сложности 180 экспедиций: из 65 стран было привезено 250 000 образцов растений, составивших уникальную коллекцию.) Что в этих исканиях, вплоть до 6 августа 1940 года, когда Вавилов по ложному обвинению был арестован в Черновцах, окрепнут и найдут строгое подтверждение те теоретические концепции, которые впервые зародились здесь, на Памире.

Растения туземцы и космополиты

Нет, не напрасен был поход Вавилова. Позднее он писал: «Находки культурных растений на Памире превзошли все наши ожидания».

Неподалеку от Шунгана, в селении Кала-и-Вамар, на высоте двух с половиной тысяч метров (запомним эту отметку: смысл этих цифр станет нам понятным позднее), Вавилову предстало истинное сельскохозяйственное чудо. Он увидел сказочное поле гигантской ржи: высотой она была чуть ли не в рост человека, с толстым, не полегающим стеблем. Ее колосья и зерна были необыкновенно крупны.

Ради одной подобной находки стоило претерпеть все трудности и напасти долгого пути!

Ясно было: гигантская рожь могла быть уроженкой только здешних мест. То был, говоря языком высокой науки, явный эндемик.

Виды растений и животных разделяют на космополитические и эндемические (от греческого «endemos» — «местный», «туземный») формы.

Космополиты должны бы в принципе обитать повсюду, встречаться в любой точке планеты. Однако на деле абсолютных космополитов в природе не существует. И это естественно: ведь, скажем, обитатели моря не способны жить на суше, и наоборот.

К космополитизму наиболее склонны существа, обитающие в водной стихии. Ибо вода занимает две трети поверхности Земли, и это среда обитания, более однородная, чем суша, потому более легки и способы расселения в ней. К космополитам, живущим в воде, относятся, например, тростник обыкновенный, частуха подорожниковая и некоторые другие растения. А вот обитающих на суше космополитов гораздо меньше. Среди них наиболее распространены некоторые виды папоротников.

Космополитами многие живые формы делает сам человек. Осваивая все новые и новые земли, он ведет за собой не только домашний скот, собаку и кошку, но и менее привлекательных попутчиков — серых крыс, блох, тараканов. Увязываются за ним и подорожник, крапива, одуванчик и многие другие растения.

Противоположность космополитам — эндемики. Они словно бы привязаны к определенному месту обитания. Туземную жизнь ведет байкальский тюлень (само название говорит: в других местах его не найдешь), растущие на Черноморском побережье Кавказа пицундские реликтовые сосны, встречающиеся только на склонах гор Сьерра-Невада в штате Калифорния США гигантские секвойи.

Ареалы эндемиков подчас очерчены чрезвычайно узко. Улитка прудовик Limnaea convoluta обитает лишь в одном из небольших озер Ирландии. Эльдарская сосна — Pinus eldarica занимает площадь всего 25–30 квадратных километров на склонах горы Эйляр-буги в Грузии. Крохотную птичку колибри Oreotrochilus chimboraso можно повстречать только в Южной Америке, в Эквадоре, а в нем только на горе Чимборасо, и лишь на высоте 4–5 тысяч метров над уровнем моря.

Особенно богаты эндемиками участки планеты, изолированные от остального мира географически или экологически. Это глубокие озера — Танганьика, Байкал, уединенные острова, примером могут служить затерявшиеся в просторах Тихого океана Гавайи, и горы. Потому-то и не удивился Вавилов, встретив эндемиков на Памире. Удивить исследователя должно было бы не то, что он приметил в этой изолированной горными хребтами стране особую, без лигул — пленчатых язычков у основания листьев разновидность ржи, а то, что она оказалась столь крупной.

Растения-гиганты в горах? Это, пожалуй, и было истинным сюрпризом. Во всяком случае, это было против правил, вопреки известным ботаническим доктринам. То была небыль, обернувшаяся явью, одна из многих требующих объяснения тайн Памира.

Эксперименты Гастона Бонье

Систематическое изучение растений, обитающих в горах, по существу началось лишь в конце прошлого столетия. Тогда известный французский ботаник профессор Сорбонны, академик Гастон Бонье обратил внимание ученого мира на любопытные особенности жизни альпийских растений.

Поднимаясь по горным склонам, Бонье наблюдал, как за линией еловых лесов открывалась сначала область лугов и затем начиналась зона последних границ растительности, где растения отличались своим особым видом: это был все малорослый карликовый народец.

Бонье открыл большое внешнее сходство альпийских растений с арктическими: стелющиеся по земле стебли, маленькие толстые листья, ярко окрашенные цветы. Он писал в своих трудах о том, что во время пребывания в полярных странах, на Шпицбергене, например, часто встречал такие же растительные формы, как и высоко в горах. Отсюда ученый делал вывод: основным фактором, управляющим жизнедеятельностью и формообразованием растений в горах, является температура. С высотой она падает, так что температура определяет и верхнюю границу распространения флоры в горах. Это представление Бонье прочно вошло во все ботанические учебники.

Французский ученый не ограничился наблюдениями и констатацией фактов. Провел и ряд оригинальных, ставших классическими экспериментов, еще более, казалось бы, укрепивших правоту его научных выводов.

В окрестностях Парижа Бонье выбрал несколько многолетних растений и разделил их на две части. Одна была высажена на полях под Парижем, другая перенесена на отроги горной цепи Монблана и в ущелье Палума, близ пика д’Арбизона в Пиренеях.

И произошло то, что следовало ожидать. Оказавшись в горах, равнинные растения преобразились, — приняв вскоре все основные признаки растений альпийских.

Разницу между растениями равнинными и горными легко мог бы заметить и неспециалист. Первые были тонки и стройны, вторые похожи на распластанные на земле лепешки. Различие было столь поразительно, что только с помощью специальных микроскопических исследований удавалось доказать принадлежность этих внешне столь разных растений к одному и тому же виду.

Закономерность была уловлена. Она казалась непреложной. И вот, вопреки добытым Бонье ботаническим истинам, Вавилов на Памире повстречал не карликовую, а гигантскую рожь. И это не было единичным явлением. В окрестностях города Хорога Вавилов наверняка видел и другое чудо: задрав голову, тут можно любоваться неправдоподобно высокими пирамидальными тополями. До тридцати трех метров высотой!

Бросающиеся в глаза загадки. Будущий академик должен был обратить на них внимание. Обязан был задуматься: отчего на Памире не срабатывают законы, открытые Бонье?

Впрочем, в памирской экспедиции ум Вавилова был занят иным. Исследователя тогда интересовал не внешний вид растений, а то, как они сюда попали, откуда пришли. Он вел упорный поиск истоков земледелия.

Менделеев биологии

Академик ВАСХНИЛ Петр Михайлович Жуковский писал о своем учителе: «Николай Иванович Вавилов напоминал мне вулкан Стромболи в Средиземье, который, вечно пылая, служит морякам естественным маяком».

«Если ты встал на путь ученого, то помни, что обрек себя на вечное искание нового, на беспокойную жизнь до гробовой доски. У каждого ученого должен быть мощный ген беспокойства. Он должен быть одержим». Эти слова Вавилова стали нормой поведения и для него самого. Он был неутомим в исследованиях и, объездив весь мир (при встречах его спрашивали не «как вы поживаете?», а «куда вы теперь едете?»), отовсюду привозил экземпляры заморских растений. Ленинград был для него пристанью, мир — лабораторией. В письмах он шутил: «Подытоживаю в настоящее время земной шар…»

Работоспособность у Николая Ивановича была потрясающая. «Жизнь коротка, а так много нужно сделать!» — говорил он. По свидетельству тех, кто его близко знал, Николай Иванович обычно спал не более трех-четырех часов (случалось, приглашал сотрудников для работы к себе домой в 11–12 часов ночи), не признавал ни выходных, ни праздников, ни отпусков. Не выносил людей, которые мечтают, как бы «поскорее добраться до дома и поставить пластинку».

Гонка! С утра и до поздней ночи, с первого дня месяца до последнего — и так многие десятилетия. Мало кто выдерживал темпы его жизни. Директор Института хлопководства во Флориде (США) профессор Харланд, приехав в СССР, рассказывал, что после посещения их института Вавиловым всем сотрудникам пришлось дать трехдневный отдых.

В отпускное время Вавилов обычно ездил на опытные станции руководимого им Всесоюзного института растениеводства. И тогда, рассказывали очевидцы, для сотрудников наступал «великий пост». В 4 часа утра стук в окно: «Пора работать». И Николай Иванович, окруженный свитой, идет на поля.

Вавилов и его сотрудники подолгу ползали на корточках от растения к растению. Как часовой мастер со своим моноклем, Вавилов изучал с лупой строение цветов, пустулы ржавчины и многое другое. Так проходила неделя; сотрудники ходили небритыми, с отеками под глазами… И все же обожали своего шефа за темперамент, эрудицию, за поразительные прогнозы.

Но особенно неистовым становился Вавилов, когда, попав в иноземные края, пытался понять «земледельческую душу» той или иной страны. Ученый был страстным охотником за растениями. Мысли о будущих маршрутах Николай Иванович записывал на абажуре лампы, по вечерам эти записи таинственно светились, и мчался туда, где многовековая история земледелия накопила изобилие «растительной дичи».

Казалось, природа наделила организм Вавилова какими-то особыми физическими качествами, специально приспособленными для выполнения гигантской работы. Как рассказывали сопровождавшие Вавилова в экспедиции по Тянь-Шаню проводники, он поразил их тем, что большую часть пути шел пешком, забегал на каждый попутный откос, карабкался по крутым склонам, дотошно осматривал каждое ущелье, каждую скалу и везде находил, что собрать в свою гербарную сетку и в мешочки для семян. Затем писал, укладывал собранное, сушил, расправлял. Из каждой экспедиции Вавилов привозил огромный материал: колосья, початки, плоды, пакетики семян, черенки, гербарии, тетради с описью растений, путевые дневники и местные раритеты.

«Николай Иванович — гений, и мы не сознаем этого только потому, что он наш современник», — говорил о Вавилове его старший коллега, сам великий исследователь академик Дмитрий Николаевич Прянишников (1865–1948). Впоследствии, в 40-х годах, Прянишников мучительно страдал из-за того, что он, учитель Николая Ивановича, пережил его. Преодолевая унизительные барьеры, он добрался-таки до Берии, тогдашнего вершителя судеб многих советских ученых, но получил лишь грубый нагоняй. Вавилов был посмертно реабилитирован только в 1955 году.

Итоги циклопического труда Вавилова впечатляющи. Овация грянула в зале заседаний Третьего Всероссийского съезда селекционеров, случилось это в 1920 году в Саратове, когда тридцатитрехлетний профессор местного университета Вавилов изложил свой закон гомологических (от греческого «homólogos» — «подобный») рядов. Прерывая гром аплодисментов, председатель совещания, выдающийся русский ботаник Вячеслав Рафаилович Заленский (1875–1923) воскликнул; «Биологи приветствуют своего Менделеева!»

Открытый Вавиловым имеющий генетическую природу закон параллелизма в наследственной изменчивости у близких видов растений и животных недаром сравнивают с химической периодической системой. Ученый показал тогда, что если все известные у наиболее изученного в данной группе вида растения вариации расположить в определенном порядке в таблицу, то можно обнаружить и у других близких видов почти все те же вариации изменчивости признаков. Так, к примеру, у мягкой пшеницы есть растения с остистыми, безостыми, полуостистыми колосьями; белоколосые, красноколосые, черноколосые, сероколосые формы и так далее. Родственные мягкой пшенице виды имеют те же формы.

Обнаруженные Вавиловым закономерности находят все большее подтверждение. По мере развития исследований «пустые» места в таблице заполняются, и параллелизм в изменчивости видов становится все более полным. Выясняется также, что такую схожесть имеют виды не только одного рода, но и близких по своему происхождению родов, скажем, пшеницы, ячменя, ржи и других злаков. Поэтому закон гомологических рядов помогает исследователям лучше ориентироваться среди огромного разнообразия живых существ. Он облегчает и поиски нужных для селекции хозяйственных признаков растений и животных.

А в 1926 году Вавилов добился нового успеха: одним из первых в стране он был удостоен премии имени В. И. Ленина — высшей награды ученого, в том же году Вавилов вошел в состав ЦИК СССР, став членом правительства. Премия была присуждена Николаю Ивановичу за учение об иммунитете растений и труд фундаментального значения «Центры происхождения культурных растений».

Растительные кладовые

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.

Глава 13

Фитодром

…тогда явится находчивый изобретатель и предложит миру аппарат, подражающий хлорофилловому зерну, — с одного конца получающий даровой воздух и солнечный свет, а с другого подающий печеные хлебы…

К. А. Тимирязев

В 1926 году в Калуге отдельной брошюрой вышла работа Константина Эдуардовича Циолковского «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Труд этот вызвал горячие споры: шутка ли, ученый всерьез говорил о возможности жизни вне Земли. Более того, приводил расчеты и выкладки своих проектов! И уж что было фантастичнее всего, так это содержание последней главы брошюры: «План работ, начиная с ближайшего времени». Под пунктом 10 этого плана значилось: «Вокруг Земли устраиваются обширные поселения».

В этой брошюре, а также в книге «Жизнь в межзвездной среде» Циолковский подробно описал принцип, структуру и конструкцию космических поселений. Распространить жизнь за пределы земной атмосферы, считал он, человеку помогут растения. Люди не смогут захватить в межпланетные экспедиции горы продуктов. На борту корабля и во внеземных поселках придется соорудить особые оранжереи, где космонавты будут выращивать не только овощные культуры, но и фруктовые деревья.

Эфирные города

Циолковский обращал внимание читателей на несуразность такого положения, когда Земля перехватывает из обильного потока солнечной энергии лишь жалкие крохи: 2 · 10–9 — миллиардные (!) доли от общего излучения Солнца. Земляне должны, считал ученый, овладеть «всем солнечным теплом и светом». Но для этого человечеству необходимо расселиться в космосе, где оно найдет не только энергию, но также неограниченные материальные ресурсы и жизненное пространство.

По Циолковскому, овладение космосом будет проходить в несколько этапов. «Решим сначала простейшую задачу: устроим эфирное поселение поблизости Земли в качестве ее спутника на расстоянии 1–2 тысячи километров от поверхности…» Затем наступит этап освоения астероидов — так называют малые планеты, скопление которых образует целый пояс, расположенный между орбитами Марса и Юпитера. Люди будут управлять движением астероидов, как наездники лошадьми. Энергией людей снабдят «солнечные моторы» (полупроводниковые преобразователи солнечного света?)…

Постепенно преобразованный людьми пояс астероидов превращается в «цепь эфирных городов». Вещество некоторых малых планет, «разобранных до дна», служит сырьем для производства строительных материалов. Из него лепятся искусственные космические тела такой формы, которая наиболее выгодна их «скульпторам». Когда эти ресурсы вещества исчерпаются, в дело пойдет Луна, на ее перестройку Циолковский кладет несколько столетий, дойдет очередь и до Земли, а затем и до больших планет.

По оценкам Циолковского, преобразование околосолнечного пространства займет сотни тысяч и даже миллионы лет. И обжитый космос обеспечит всем необходимым такое количество людей, которое в миллионы миллионов раз больше, чем сейчас.

Излагая столь грандиозные замыслы, Циолковский не забыл про растения. Он отводил им громадную роль. Вот выдержки из уникального издания, книжки «Цели звездоплавания». Эта тоненькая в зеленовато-сером тетрадочном переплете книжка увидела свет в Калуге в 1929 году.

«Жилища растений выгодно делать отдельно, так как они не требуют густой атмосферы и крепких стенок. Таким образом, помимо экономии материала, специальная, хотя и разреженная атмосфера дает наибольший урожай…

Во вращающихся конусах (форма оранжереи, предлагаемая Циолковским. — Ю. Ч.) солнечные лучи делают не только вечный день, но и вечную весну с определенной желаемой температурой, наиболее благоприятной для воспитываемых растений. Вращение их и рождаемая от того искусственная тяжесть держит влажную почву и растительные отбросы в порядке. Созревшие и отделившиеся плоды мы найдем упавшими на почву, а не блуждающими в свободном пространстве конуса.

Стекла в оранжерее тонкие, прозрачные, проницаемые по возможности для всех родов лучей — кварцевые или еще какие. Лучи ослабляются ими и густой стеной растительности. Поэтому они безопасны для человека.

Растения подобраны плодовитые, травянистые, мелкие, без толстых стволов и не работающих на солнце частей. Чем они более утилизируют солнечный свет, чем больше дают плодов, тем больше поглощают солнечной энергии и тепла… В связи с подбором их, подходящей температурой, атмосферой и питанием какие мы можем получить чудесные урожаи и прекрасные плоды! И это без малейших забот: ведь полоть, уничтожать насекомых, бороться с засухами и ливнями нет никакой надобности…»

Как рыбка в аквариуме

Трудно со всей категоричностью и определенностью говорить, когда для землян началась космическая эра, однако полет Юрия Гагарина был вехой весьма знаменательной. И — обгоняя реальность, мечты о космических свершениях понеслись тогда уже не с космическими, а со световыми скоростями.

«…и на Марсе будут яблони цвести» — это слова популярной песенки 60-х годов. Заря пилотируемых полетов только занималась, а уже вовсю обсуждались подробности экспедиций не только к Юпитеру или Сатурну, но и к ближайшим звездам. И рассуждали об этом вовсе не писатели-фантасты, а — со ссылками на Циолковского и других видных теоретиков космоплавания — люди вполне трезвые и деловые.

Тогда все казалось возможным и простым. Вот что в одном из журналов в 1967 году писал сам космонавт-1, Юрий Гагарин: «Снабжение экипажа космолета продовольствием я представляю себе так. На околоземные орбиты выведены космические оранжереи, которые круглый год дают урожай фруктов и овощей. Такую оранжерею, словно вагон-ресторан к поезду, можно прицепить к космическому кораблю, отправляющемуся в дальний полет…»

Да, все казалось простым и ясным. Время охлаждающих оценок, осаживающих неудач, этих неизбежных предвестников истинного успеха, еще не наступило. Полет на Марс? Он казался делом самого ближайшего будущего. И в космических оранжереях предполагалось разводить не только яблони.

Работа по воссозданию в миниатюре упрощенной модели круговорота веществ в земной биосфере: растения очищают воздух от углекислоты, накопившейся в процессе дыхания, дарят космонавтам кислород и зеленую продукцию (часть ее можно скармливать взятым с собой с Земли животным) — такая работа была спешно начата.

Ученые и конструкторы понимали: чрезвычайно жесткие ограничения по весу, габаритам, энергетическим затратам любых установок, предназначенных для работы на борту космических кораблей, и в будущем останутся решающим фактором. Просто захватить с собой в запас пищу и кислород трудно: для полета на Марс скромному экипажу потребуются десятки тонн жизненно необходимых веществ. Предстояло выполнить трудную задачу — создать абсолютно надежную, высокопроизводительную космическую плантацию растений.

Как приступить к делу? Может, просто «вырезать» космонавту положенную ему долю земной биосферы? Накрыл ее защитной оболочкой — и лети себе хоть на Марс, хоть до ближайшей звезды, хоть неделю, хоть миллионы лет? Увы, этот персональный рай получался чересчур тяжелым, в буквальном смысле.

Считайте сами: для человека семидесятикилограммового веса нужна, в условиях биосферы, тонна чистого кислорода, или пять тонн воздуха. Он необходим и для всех захваченных в полет живых тварей, как чистых, так и нечистых. Растениям подавай землю, достаточно воды… Словом, вырезанный ломоть планеты вышел непомерно большим и грузным. Стартовый вес таких полных (и человек, и растения, и животные) систем оценивался в десятки тонн на одного лишь человека. Быстро стало очевидным, что операцию «ковчег» надо проводить не по земным образчикам.

Требовалось создать особый мир, совсем не тот, что подарила Земле эволюция. Мир более рациональный, более скупой, чем земной. Получалось, что при создании СЖО, так в космической технике сокращенно именуются системы жизнеобеспечения, лучше было равняться… ну, скажем, на аквариум, этот хороший пример закрытой экологической системы, где удается в небольшом изолированном объеме поддерживать жизнь в течение достаточно длительного времени.

Небольшую рыбку и сравнительно большое растение, обычно элодею, запаиваем в стеклянный сосуд с водой. Аквариум освещается, он защищен от охлаждения и перегрева. Растение поставляет рыбке пищу и кислород и поглощает углекислый газ. Рыбка же восполняет углекислоту, а ее выделения перерабатывают, они также есть в аквариуме, аэробные бактерии, которые, кормясь всем этим, поставляют все: углекислоту, аммиак, минеральные вещества, что необходимо растениям. Остается заменить рыбку космонавтом, элодею и воду с микробами — космической оранжереей, и все проблемы можно считать решенными? Как бы не так!

Вершки и корешки

Не одними растениями жив человек. Космонавтам предлагали взять с собой козу (ее молоко столь питательно!), кроликов (они быстро размножаются), перепелку (совместный с чехословацкими специалистами эксперимент на одном из советских биоспутников: считается, что мясо перепелки очень калорийно, к тому же эта маленькая птичка славится высокой яйценоскостью!)…

Какие только кандидатуры не обсуждались! И мыши, и черви, и даже саранча (и белок-де у нее полноценен, и быстрорастуща, и компактна). Одно время, когда выяснилось, что с млекопитающими все же будет слишком много возни, решили остановиться на птице. В одном из павильонов ВДНХ долгие годы экспонировался космический курятник. Муляж петуха и курицы. Рядом с ними, конечно же, многообещающе светилось и яичко «золотое».

От всего этого в конце концов пришлось отказаться. По многим соображениям. Стоит ли отрывать исследователя-космонавта от тонких экспериментов для того, чтобы подоить козу?! Да и сооружать в космосе нечто вроде живодерни как-то не с руки… И все ж главным контрдоводом стала проблема отходов. Кости и перья! Рога и копыта! Куда их деть?

Быстро переработать, вернуть в крутящийся вокруг космонавта цикл нелегко. И с растениями та же морока. Вот если бы они были съедобны на все сто процентов! Растить в космосе пшеницу? Но, кроме зерна, получишь еще и солому и другие несъедобные элементы. Их масса потянет этак процентов на 50. Картофель? Куда девать ботву, корни?..

Вершки и корешки. Проектировщики СЖО помучились изрядно. Предлагалось, к примеру, сжигать растительные остатки, золу растворять в азотной кислоте, ее намеревались синтезировать из азота, извлеченного из мочевины, и так далее. Этот и многие-многие другие проекты зарубили несложные расчеты: многое прояснилось, когда научились все изучаемые процессы переводить на язык энергетики.

Человек «горит» как стоваттная лампочка: как банальная печка выделяют теплоту животные и растения. И в замкнутой системе это обстоятельство немаловажно. Трудно ввести энергию в корабль, но и вывести ее также непросто.

Ну бог с ними, с животными: они энергетически обходятся всего дороже. Но ведь беда и с растениями. В фотосинтезе потребляется лишь малая часть поглощенной растениями солнечной энергии, остальное, превращаясь в тепло, начнет чрезмерно нагревать внутреннее пространство корабля. Избавиться от этого тепла можно лишь с помощью довольно громоздких систем. А каждый грамм веса, выведенный на орбиту… Эти соображения и захлопнули тогда перед растениями космическую дверь.

Так возникают и поводы для раздумий. Отчего биологический способ регенерации все же годится для Земли, которая также является космическим кораблем? Здесь малость КПД растений не помеха. Чего недостает звездному жилью? Размеров? Многообразия живых форм, которым столь богата планета? Научная загадка! Чувствуется, есть какие-то критические значения КПД растений, размеров кабины, сложности идущих в «ковчеге» биопревращений, всех этих цепочек типа: человек — животные — растения — микробы. Словом, существуют некие параметры, начиная с которых космические оранжереи окажутся для космоса вполне рентабельными.

Оранжереи авиационной легкости

Первые соображения о космических урожаях высказал Циолковский. Однако он, видимо, не считал, что его мысли будут претворены в жизнь в ближайшие десятилетия, а потому ограничился тем, что мы сегодня назвали бы массообменными расчетами. Он дал рисунки общей схемы оранжерей, отвел каждому космическому путешественнику 50 квадратных метров освещенной солнцем поверхности, и определил, что общий вес конструкций (на одного человека) должен равняться примерно тонне.

Совсем по-иному, как инженер-практик, подошел к тем же вопросам другой замечательный пионер космонавтики, один из конструкторов первых советских ракет Фридрих Артурович Цандер (1887–1933), автор проекта космического аппарата, сочетающего самолет и ракету. Романтик по натуре (сына он назвал Меркурий, по имени одной из планет, дочь Астрой, Звездой), Цандер не хотел ждать, но прожектером он не был, мыслил очень реально. Заниматься космическим огородничеством начал в 1915 году, в разгар войны, когда завод, где он служил инженером, выполнял срочные оборонные заказы.

Цандер задался целью создать «оранжерею авиационной легкости». Более общая проблема была им сформулирована так: «О возможности жить неограниченное время герметически закрыто, получая извне лишь энергию». Цандер хорошо понимал значимость веса в космосе. Созданные его талантом межпланетные аппараты в проекте должны были быть раз в 10 легче того реального гагаринского «Востока», который построили полвека спустя, а ведь «Восток» вобрал в себя все достижения науки и техники и вовсе не предназначался для межпланетных перелетов!

На протяжении своей короткой жизни (умер от тифа в Кисловодске, куда приехал отдыхать) Цандер неоднократно возвращался к проблеме жизнеобеспечения. Оставил множество тетрадей, испещренных стенографическими крючками. Он владел этой скорописью с молодых лет, большинство его рукописей так до сих пор и не расшифровано.

Ставил Цандер и прямые эксперименты по выращиванию растений в условиях, приближающихся к космическим. Еще юношей, вспоминала его сестра Маргарета, Фридель — так его ласково звали в семье — размышлял вслух, какие растения лучше смогут очистить атмосферу космического аппарата, и выбрал овощи с большой поверхностью зеленых листьев и стеблей: капусту, салат, лук. На веранде отцовского дома в Риге соорудил он маленький огородик, где растил на толченом древесном угле, который в 3–4 раза легче почвы, редис, горох, морковь и даже арбуз.

Цандер предложил два принципа космического огородничества, они обещали существенно снизить вес космических оранжерей, придать им авиационную легкость — метод воздушной культуры и метод раздвижки растений.

Аэропонику, периодическое опрыскивание корней питательными растворами, мы помним, придумал в 1910 году русский ботаник Владимир Мартынович Арциховский. Не установлено, был ли знаком со статьей Арциховского Цандер, во всяком случае мысль о беспочвенном выращивании, значительно уменьшающем вес установок в космосе, бесспорно, принадлежит ему.

Метод воздушной культуры позволял реализовать и второе замечательное предложение Цандера, минимизирующее объем, а значит, и вес оранжереи. Цандер считал, что «растения по мере их роста должны беспрепятственно раздвигаться (освобожденные от почвы ростки обретают свободу, могут перемещаться. — Ю. Ч.), что даст экономию в месте, необходимом для оранжереи». Последние записи были сделаны в 1931-м; исследования с перерывами продолжались 16 лет.

«Кто не устремлял в ясную звездную ночь своих взоров к небу, на котором сверкают миллионы звезд, и не подумал о том, что около них на планетах должны жить другие человечества, отчасти в культуре на многие тысячелетия опередившие нас! Какие несметные культурные ценности могли бы быть доставлены на Землю, если бы удалось туда перелететь человеку, и какую минимальную затрату надо произвести на такое великое дело в сравнении с тем, что бесполезно тратится человеком», — писал Фридрих Артурович.

Заглазно Цандера, высокого тонкого, светловолосого, зеленоглазого, называли марсианином. Всю жизнь рвался он в иные миры, но так и не дожил до начала космической эры.

Психовитамины

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.

Глава 14

На пыльных тропинках далеких планет

Придет время, и люди будут летать в космос по профсоюзным путевкам.

Академик С. П. Королев

«Когда Колумб отправлялся в плавание по Атлантике, он знал, что ему предстоит совершить нечто великое, но не знал, что же именно. Такая же ситуация сейчас с космонавтикой. Все, что говорят в оправдание космических полетов и что я сам собираюсь сказать в этой статье, вполне может оказаться не меньшим заблуждением, чем доводы Колумба в пользу своего плавания на запад. Важно, что он поплыл на запад и что в наше время человек проник в космос. Истинные исторические последствия подобных событий становятся известными лишь много позднее. Мне лично космонавтика представляется самой светлой надеждой на неприглядно темном фоне будущей судьбы человечества…» (из статьи Фримена Дайсона «Назад… в космос!»).

Зачем человек отправляется в космос? Есть ли тут какие-то не сиюминутные, а дальние, высшие, конечные цели?

Сила без разума

Бывший нацистский, затем американский ракетостроитель Вернер фон Браун утверждал, что человека толкает в космос некий биологический инстинкт, направленный на максимальную экспансию жизни за пределы Земли.

Вот другое мнение. Аргентинский философ Эстебан Лиза считает выход человека в космос реализацией мистической предустановленной гармонии между Человеком и Вселенной.

Биологизм, мистицизм. Иной, материалистической позиции придерживались замечательные представители русского космизма. Одним из них был мыслитель-утопист Николай Федорович Федоров (1828–1903).

Удивительная жизнь этого человека малоизвестна. Внебрачный сын князя П. И. Гагарина и пленной черкешенки, он учился в Одессе в Ришельевском лицее, учительствовал в уездных городах, преподавал географию в Липецке, Богородске, Угличе, Боровске, Подольске, затем был библиотекарем Румянцевского музея, ныне Государственная библиотека имени В. И. Ленина.

Федоров был аскетом, странным и тяжелым в быту человеком. Свое небольшое жалованье раздавал бедствующим студентам, питался хлебом и водой, спал на досках, положив под голову книги и завернувшись в свое единственное одеяло… Не имел семьи, почитал грехом всякую собственность, даже на идеи, считая их достоянием всего человечества. Потому ничего не опубликовал, кроме нескольких статей, изданных без подписи. Его мысли, записи на бесчисленных клочках бумаги, под названием «Философия общего дела» были обнародованы в двух томах учениками Федорова уже после его смерти. Погиб Федоров из-за того, что однажды «благодетели» убедили его, в любой мороз ходившего в похожем на рогожку пальтишке, набросить на плечи шубу… Набросил, с непривычки вспотел, простудился…

Усматривая основное зло для человека в смерти, порабощенности его слепыми силами природы, Федоров выдвинул идею регуляции природы средствами науки и техники. Атомы, прошедшие через живое, утверждал Федоров, сохраняют свою индивидуальность и могут быть собраны снова в человека как индивидуальность. Высшая цель регуляции: воскрешение предков — отцов и достижение всеобщего бессмертия.

Путь к этому лежит через овладение природой («человечество должно быть не праздным пассажиром, а прислугою, экипажем нашего земного корабля…» — считал философ), через переустройство человеческого организма, через освоение космоса (Федоров писал про эфиронавтические аппараты) и управление космическими процессами.

«…Космос, — учил Федоров, — нуждается в разуме для того, чтобы быть космосом, а не хаосом, каким он (пока) есть: разумные же существа нуждаются в силе. Космос (каков он есть, но не каковым он должен быть) есть сила без разума, а человек есть (пока) разум без силы».

Философские взгляды Федорова вызывали большой интерес у Федора Михайловича Достоевского, Льва Толстого, Владимира Сергеевича Соловьева. Федоров оказал влияние на литературное творчество Андрея Платонова и Николая Заболоцкого.

Лучистое человечество

Во времена, когда жил Федоров, его мысли могли казаться фантазиями чистейшей воды. Однако ныне многие из его пророчеств созрели для реального осуществления. И гомо сапиенс — человек разумный начинает превращаться в гомо космикус — человека космического. Космонавт Георгий Михайлович Гречко писал: «Два-три года, необходимые для полета на Марс, можно выдержать и остаться в живых. Но после этого мы, видимо, не смогли бы вернуться на Землю. Получилось бы как с Ихтиандром, который навсегда остался в море».

Да, человек в космосе, пытаясь создать для себя «миниатюрную Землю», все же оказывается как бы и не в космосе, и не на Земле. Для него становится не обязательным строгий земной суточный цикл, он не знает времен года, отказывается от преимущественного «двухмерного» восприятия, характерного для жизни на поверхности Земли. Ему приходится развивать хватательные движения, он привыкает спать в необычной позе и местах. Космонавт Валерий Рюмин спал в «Салюте» на потолке станции: отдыхать в другом месте ему не позволял высокий рост. Так космонавт оказывается как бы в «третьей среде».

В дальнейшем человек, очевидно, начнет варьировать эту «третью среду». Станет создавать зоны искусственной гравитации, расширять пространство обитания, конструируя самые разнообразные экосферы, точнее экопространства, ибо сферическое построение перестает быть обязательным в открытом космосе.

Человек будет менять Вселенную, но при этом неизбежно начнет изменяться и сам. Откроются новые направления эволюции человеческого организма. Быть может, видоизменятся функции некоторых органов его тела, скажем, функция ходьбы, способ расположения и ориентировки тела в пространстве. Переменятся некоторые ритмы жизни, способы приема пищи, сама пища.

Вот так исподволь и возникнет гомо космикус.

Мысли Федорова о необходимости «цефализации» космоса и его реконструкции подхватил и развил Циолковский. По свидетельству его ученика и друга основоположника гелиобиологии Александра Леонидовича Чижевского (1897–1964), Циолковского постоянно мучил вопрос вопросов: «Зачем все это?» Зачем существует материя, растения, животные, человек и его мозг? Зачем существует Вселенная?

Циолковский в беседе с Чижевским сказал: «Этот вопрос не требует ни лабораторий, ни трибун, ни афинских академий. Его не разрешил никто: ни наука, ни религия, ни философия. Он стоит перед человечеством — огромный, бескрайний, как весь этот мир, и вопиет: зачем? зачем?..»

Циолковский обращал внимание на то, что в мире неизмеримо больше камня, чем мысли, больше огня, чем мозговой материи. Да и сама материя, занимая в космосе исчезающе малый объем по сравнению с объемом «пустого» пространства, выглядит во Вселенной «случайной»: средняя плотность вещества ничтожно мала — в среднем 10–30 грамма в кубическом сантиметре. Примерно 1 атом водорода в одном кубическом метре космического пространства.

Во Вселенной, в основном заполненной различными видами лучистой энергии, мысль, сознание кажутся уж и совсем лишними. И все же Циолковский полагал, что раз мысль существует, значит, она нужна природе. Значит, вовсе не случайно природа потратила миллиарды лет на создание мыслительного аппарата человека. И он необходим не только Земле, но и всей Вселенной!

Вот почему, говорил Циолковский, «вступление в космическую эру человечества — это поважнее, чем восшествие на престол Наполеона Бонапарта. Это грандиозное событие…».

Ученый делил космическое бытие человечества на несколько эр. Удивителен конец этого космического «восхождения» — «терминальная эра». «Когда разум (или материя) узнает все (ответит наконец на вопрос „зачем?“. — Ю. Ч.), тогда само существование отдельных индивидов и материального или корпускулярного мира он сочтет ненужным и перейдет в лучевое состояние высокого порядка, которое будет все знать и ничего не желать, то есть в то состояние сознания (лучистое человечество!), которое разум человека всегда считал прерогативой богов. Космос превратится в великое совершенство».

До Марса за 14 дней

Лучистого состояния, по оценкам Циолковского, человечество достигнет через тысячу миллиардов лет. Ну а что ждет нас в ближайшие десятилетия? В первом веке третьего тысячелетия? Большинство экспертов склоняется к тому, что главным должен стать полет человека на Марс.

Благодаря космической технике люди познакомились с экзотическими пейзажами других миров. Удалось разглядеть пыльную поверхность Луны, залитую светом, застилающим звезды, но сохраняющим черноту неба. Представить сумеречные дни вечно облачной Венеры с камнями и скалами, разогретыми до температуры красного каления. Понаблюдать полдюжины одновременно огнедышащих вулканов Ио — спутника Юпитера, еще более фантастические в реальности, чем в описаниях фантастов, кольца Сатурна. Но, пожалуй, наиболее взволновало человека темно-фиолетовое небо Марса с его пылевыми ураганами.

Представления о соседних планетах меняются поразительно быстро. В 1969 году, наблюдая в сильный телескоп на Марсе большие темные пятна, астроботаники Казахстана высказали предположение, что эти области покрыты растениями, похожими на кактусы. Эта версия была основана на спектрофотометрическом анализе кактусов, растущих в наиболее суровых пустынях Земли, и изучении спектрограмм участков поверхности Марса. Так полагали. Но теперь мы знаем, что там, где еще полвека назад мыслилось существование высокоразвитой цивилизации, не обнаружено ни единой бактерии.

Уже составлены подробные космические карты Марса. Космические картографы, появилась и такая специальность, использовали снимки, полученные межпланетными автоматическими станциями «Марс-4» и «Марс-5». Площадь закартографированной поверхности составила 5 миллионов квадратных километров. На картах на фоне оранжевых красок пустыни четко вырисовываются хаотично разбросанные кольца кратеров, долины, извилистые русла «рек».

Инициатором предложения о проведении совместной долгосрочной американо-советской программы изучения Марса стал видный американский ученый, биолог по образованию, возглавляющий лабораторию изучения планет Корнелльского университета, Карл Саган. Он считает, что эту работу следовало бы начать с совместного конструирования и отправки на Марс роботов, а завершить полетом американо-советского экипажа.

«Из всех планет Солнечной системы Марс больше всего схож с Землей. На нем есть, хотя и в замерзшем состоянии, вода. Если разложить воду на составляющие ее элементы, можно получить кислород для того, чтобы дышать, и водород для изготовления топлива. Словом, в случае с Марсом уже сейчас можно представить себе нахождение человека на другой планете», — пишет Саган.

Путь на Марс не близок. На ракете, работающей на химическом топливе, лететь придется около полутора лет. Долго! Нельзя ли сократить сроки? Недавно кандидат физико-математических наук Урал Нуриевич Закиров предложил проект межзвездного космического корабля с термоядерным двигателем. Ученый верит, что полет к другим планетным системам будет возможен уже в нашем веке.

В самом деле, летя на «термояде» со скоростью сотни километров в секунду, можно покрыть расстояние до Марса за 14 дней! Если же удастся достичь предельных для кораблей такого типа скоростей (лишь на 10 процентов отличающихся от скорости света, равной 300 тысяч километров в секунду), станет возможным конструирование и межзвездных аппаратов. «Для первого полета я выбрал бы звезду Барнарда. Она расположена не так далеко — до нее можно добраться лет за 40–50. А главное, есть предположение, что у нее могут быть планеты…» — пишет Закиров.

Экспедиция длиною в год

Чтобы добраться до ближайших звезд, считает директор Института медико-биологических проблем академик Олег Георгиевич Газенко, хватит и одной человеческой жизни. К сожалению, из подобного путешествия аппарат вряд ли вернется на Землю. Так что посылать придется не автоматы, а корабли, оснащенные всем необходимым для колонизации космических просторов.

Подготовка к длительным полетам, их имитация начаты у нас в стране давно. К примеру, еще в ноябре 1968 года в институте был проведен первый в мире эксперимент годичного пребывания человека в условиях, близких к космическим. Трое испытателей — командир экипажа врач Герман Мановцев обеспечивал «на борту» медицинские тесты и текущий контроль здоровья своих товарищей. Борис Улыбышев отвечал за контроль и профилактику инженерных систем жизнеобеспечения и Андрей Божко проводил биологические эксперименты и вел дневник, который был позднее опубликован, — год провели в «земном звездолете».

5 ноября, в 17.15 под аплодисменты провожающих они вошли в «космический корабль», дверь за ними закрылась, пошли первые минуты «космического плавания».

«Рассказывая о космических полетах, которые продлятся не один год, писатели-фантасты рисовали мрачные картины вражды между членами экипажа, конфликтов, приводящих к краху экспедиции. Их предположения базировались не на пустом месте. Еще в 50-е годы исследователи установили, что отсутствие привычных звуков, освещения, недостаток общения между людьми негативно влияют на человека. Требовалось найти против этого эффектное противоядие…» — говорил позднее куратор этого эксперимента доктор медицинских наук Борис Сергеевич Алякринский.

Руководитель работ, доктор технических наук, профессор Борис Андреевич Адамович писал: «Эксперимент ответил на очень важный вопрос: да, действительно можно дышать одним и тем же воздухом, очищая его; многократно использовать одну и ту же воду, регенерируя ее; употреблять сублимированные продукты, занимающие малый объем и мало весящие. Даже если бы перед испытателями не стояло других задач — они сделали большое дело…»

Через три месяца состоялась «стыковка» жилого отсека с оранжерейным. «Впечатления были незабываемы, — писал в своем дневнике Божко, — ослепительно яркие светильники — имитаторы солнечного света, новые запахи… и металлический заводной соловей, который может издавать трели, а самое главное — свежая сочная зелень, которую мы не видели несколько месяцев… Трудно описать нашу радость при виде растений…»

Из дневника: «Выхожу в оранжерейный отсек… Здесь в течение 14 суток — день, в течение последующих 14 суток — ночь. Смена дня и ночи в лунном цикле. Такой режим определил выбор культур: в оранжерее мы выращивали скороспелые салатные растения, которые быстро накапливают биомассу: капусту китайскую, кресс-салат, огуречную траву, укроп. Посевная площадь составляет всего 7,5 квадратного метра. За счет оранжереи мы имеем в среднем до 200 граммов свежей зелени в сутки на троих…»

Так была сделана одна из первых попыток поставить растения на «космическую вахту».

БИОС-3

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».

Оглавление

Глава 1. Карусель жизни … 3

Глава 2. Сказ о зеленом головастике … 18

Глава 3. Физики в заповеднике … 38

Глава 4. Растения-динозавры? … 58

Глава 5. Завет Тимирязева … 77

Глава 6. И на поля выйдут роботы … 95

Глава 7. Сценарии урожая … 126

Глава 8. По примеру Полинга … 143

Глава 9. Подобно режиссеру фильма … 168

Глава 10. Бифштексы на грядке … 183

Глава 11. Свидание с клеткой … 198

Глава 12. Памирский феномен … 216

Глава 13. Фитодром … 247

Глава 14. На пыльных тропинках далеких планет … 270

Юрий Георгиевич Чирков

Ю. Чирков окончил Московский инженерно-физический институт по специальности «теоретическая ядерная физика». Сейчас он старший научный сотрудник Института электрохимии АН СССР, доктор химических наук, автор около 150 научных работ. В течение многих лет занимается популяризацией научных знаний — печатался в «Правде», «Известиях», журналах «Наука и жизнь», «Знание — сила». Им написаны книги: «Фотосинтез: два века спустя», «Любимое дитя электрохимии», «Стеклянные листья». В серии «Эврика» вышли его книги «Занимательно об энергетике», отмеченная на Всесоюзном конкурсе на лучшую научно-популярную книгу дипломом, и «Охота за кварками».

Content

Юрий Георгиевич Чирков
Яблони на Марсе

Глава 1 Карусель жизни

Глава 2 Сказ о зеленом головастике

Глава 3 Физики в заповеднике

Глава 4 Растения-динозавры?

Глава 5 Завет Тимирязева

Глава 6 И на поля выйдут роботы

Глава 7 Сценарии урожая

Глава 8 По примеру Полинга

Глава 9 Подобно режиссеру фильма

Глава 10 Бифштексы на грядке

Глава 11 Свидание с клеткой

Глава 12 Памирский феномен

Глава 13 Фитодром

Глава 14 На пыльных тропинках далеких планет