Фотосинтез - проще простого
встречать утверждения, будто гектар кукурузных посевов выделяет за год 15
тонн кислорода, что достаточно для дыхания 30 человек, а дерево средней
величины обеспечивает трех человек и т. д. Леса называют легкими планеты...
На первый взгляд эти утверждения представляются убедительными, ведь в
соответствии с уравнением фотосинтеза в ходе образования органических
веществ зелеными растениями и в самом деле выделяется кислород, причем чем
больше органического вещества образуется в процессе фотосинтеза, тем
интенсивнее выделяется кислород.
Авторы подобных утверждений забывают, однако, что органические вещества
кукурузы превратятся в углекислый газ в результате гниения и дыхания
животных организмов. При поедании кукурузы животными или человеком
некоторое количество органических веществ растения трансформируется в новые
органические вещества животного организма, которые в конечном счете
превращаются в углекислый газ при дыхании. Дыхание — процесс обратный
фотосинтезу:
С6Н12О6 + 6О2 ( 6СО2 + бН2О.
Если при образовании 1 тонны органического вещества в ходе фотосинтеза
выделилось п килограммов кислорода, то точно такое же его количество
потребуется для последующего окисления этого вещества.
То же самое происходит и с деревом. Разница лишь в том, что,
превратившись в какую-нибудь поделку (стол, шкаф, оконную раму и т.п.), оно
может разрушаться в течение длительного времени. Но ведь и растет дерево
сотни лет! А вот сгореть может в мгновение ока. При этом израсходуется
почти столько кислорода, сколько дерево выделило за всю свою долгую жизнь.
Так накапливают ли кислород современные растения?
В атмосфере и гидросфере Земли содержится 1,5-1015 тонн кислорода.
Считается, что он — результат деятельности древних анаэробных автотрофных
организмов, осуществлявшейся на протяжении длительного периода истории
Земли. Накопление кислорода на нашей планете стало мощным стимулом для
появления принципиально новых организмов — аэробных, способных
извлекать энергию из органических веществ в результате окислительных
процессов с участием атмосферного кислорода.
Кислород, образуемый современной растительностью в ходе фотосинтеза,
расходуется на дыхание самих растений (около 1/3), а также животных и
человека, на аэробное разложение органических веществ микроорганизмами и на
процессы горения различных веществ, то есть почти весь его объем,
выделяемый наземной растительностью, расходуется и накопления в атмосфере
фактически не происходит. К тому же суммарное количество кислорода,
выделяемого за год лесами, по подсчетам специалистов, ничтожно мало по
отношению к общему запасу его в атмосфере Земли, а именно около 1/22 000.
Таким образом, вклад наземных экосистем в баланс кислорода на нашей планете
весьма незначителен. Возмещение кислорода, расходуемого на процессы
горения, происходит главным образом за счет фитопланктона. Дело в том, что
в достаточно глубоких водоемах отмершие организмы опускаются на такую
глубину, где их разложение осуществляется анаэробным путем, то есть без
поглощения кислорода.
Гидросфера оказывает влияние на баланс газов в атмосфере еще и потому,
что в ней иное соотношение между азотом и кислородом. Если в атмосфере оно
равно четырем, то в водоемах относительная доля кислорода примерно в два
раза выше. Правда, интенсивное загрязнение морей и океанов создает угрозу
возникновения в них анаэробных условий.
Так, например, по сравнению с 1900 годом в некоторых впадинах
Балтийского моря содержание кислорода резко сократилось, а местами он
практически отсутствует.
Что касается атмосферы, то в ней, как показывают систематические
наблюдения за концентрацией кислорода, проводимые с 1910 года, содержание
этого газа практически не изменилось и равно 20,9488 % ± 0,0017. Это
отнюдь не означает, что нам не следует заботиться о сохранении
растительного покрова Земли. Темпы использования кислорода резко возросли.
По некоторым данным, за последние 50 лет было использовано его в %
отношении столько же, сколько за последний миллион лет, то есть примерно
0,02 % атмосферного запаса. Человечеству в ближайшем будущем не угрожает
кислородное голодание, тем не менее для сохранения стабильности газового
состава атмосферы предстоит шире использовать водную, ветровую, ядерную и
другие виды энергий.
Следует иметь в виду, что в последние годы много говорят и пишут об
абиогенном происхождении кислорода атмосферы, исключающем участие живых
организмов в этом процессе. Так, например, в верхних слоях атмосферы под
действием жесткого ультрафиолетового излучения молекулы воды могут
распадаться на водород и кислород. Водород, как более легкий газ,
преодолевает притяжение Земли и уходит в космос. В среднем около 10 %
появившегося в стратосфере водорода навсегда покидает нашу планету.
Следовательно, соответствующее количество кислорода, образовавшегося при
фотолизе молекул воды, остается без «напарника» и постепенно скапливается в
атмосфере.
Другой возможный путь поступления в атмосферу абиогенного кислорода —
извержение вулканов. Дело в том, что в газообразных выделениях вулканов
кислорода довольно много, иногда до 12— 15 % (после исключения паров воды и
кислотных газов).
Отметим, однако, что этот источник представляется все же не очень
существенным. По крайней мере нужны весомые доказательства и точные расчеты
вклада абиогенных источников в формирование атмосферы Земли, накопление в
ней кислорода.
Что же касается фотосинтезирующих организмов, то их участие в
накоплении кислорода очевидно. Если величину огромных запасов каменного
угля и некоторых других горючих ископаемых (например, торфа),
использованных человеком и находящихся еще в недрах Земли, подставить в
уравнение фотосинтеза, то можно рассчитать, сколько кислорода поступило в
атмосферу в результате жизнедеятельности растении, давших начало этим
полезным ископаемым.
Следует также учесть всю биомассу существующих ныне растений,
органическое вещество которых образовалось с выделением кислорода.
Но все это еще не самое главное. Первичные запасы кислорода не могли
быть созданы современными растениями или деревьями каменноугольного
периода, поскольку совершенно исключена, возможность их существования в
атмосфере, лишенной его.
Сторонники абиогенного происхождения кислорода на Земле, люди, как
правило, не искушенные в биологии, спрашивают: если сначала в атмосфере
Земли кислорода не было, то где же первые растения брали кислород для
дыхания? При этом они полагают, что своим вопросом нанесли нокаутирующий
удар ретроградам-биологам, придерживающимся традиционного взгляда на
природу атмосферного кислорода. Между тем ученые никогда не рассматривали
современную растительность в качестве источника накопления первичного
кислорода. В книге Э. Броды «Эволюция биоэнергетических механизмов»
обстоятельно проанализированы различные точки зрения по этому вопросу.
Автор пишет: «Никто не сомневается, что до появления у растений фотосинтеза
содержание свободного кислорода было незначительным... Единственным
источником свободного молекулярного кислорода был фотолиз водяных паров в
высших слоях атмосферы, который протекал под действием солнечного
коротковолнового ультрафиолета. Свободный водород, возникавший при этом,
постепенно диссипировал в пространство, оставляя в атмосфере кислород...
Количество фотолитически образованного кислорода, несомненно, было гораздо
ниже тех количеств кислорода, которые высвобождаются при фотосинтезе в наше
время за тот же промежуток времени».
Уже в очень древних геологических слоях Земли обнаружены синезеленые
водоросли (сейчас их чаще называют цианобактериями), которые и явились
накопителями первичного кислорода в атмосфере Земли. Вполне естественно,
что древние синезеленые водоросли не обладали способностью дышать и
механизм распада органических веществ в их клетках напоминал процесс
брожения.
В пользу того, что первоначально атмосфера Земли не имела кислорода,
свидетельствует факт существования в природе анаэробных организмов.
Любопытно отметить, что многочисленные реакции обмена аэробных организмов,
в том числе современных животныхи растений, включают большое количество
реакции анаэробного распада веществ. Создается впечатление, что организмы,
приспособившись изначально обходиться без кислорода, упорно сохраняют свою
привычку.
Итак, первичные синезеленые водоросли образовали органические вещества
и кислород. Разрушение органического вещества происходило в анаэробных
(бескислородных) условиях, что и привело к накоплению значительных
количеств кислорода.
Что касается современной растительности, то, как уже отмечалось, ее
вклад в пополнение кислородного запаса на Земле весьма незначителен,
поскольку подавляющее большинство живых организмов окисляет органические
вещества только с его помощью. При этом устанавливается относительное
равновесие: сколько кислорода выделяется в ходе фотосинтеза, столько же его
поглощается при окислении образованного органического вещества.
Из сказанного вовсе не следует, что нужно и дальше безжалостно вырубать
на Земле леса, все равно, дескать, от них нет проку с точки зрения
накопления кислорода. Напротив, нам следует предпринять все возможные меры
к расширению площади зеленых насаждении. Дело в том, что в современную
эпоху очень резко возросла роль растении в очистке природной среды от
токсических примесей, выделяемых транспортом, заводами, фабриками и т. д.
«Лес, точно терем расписной, лиловый, золотой, багряный...»
Изменение окраски листьев — одна из первых примет осени. Много ярких
красок в осеннем лесу! Березы, ясени и липы желтеют, розовеют листья
бересклета, пунцово-красными становятся узорные листья рябины, оранжевыми и
багряными листья осин. Чем же обусловлено это цветовое многообразие?
В листьях растений наряду с зеленым хлорофиллом содержатся другие
пигменты. Для того чтобы убедиться в этом, проделаем простой опыт. Прежде
всего приготовим вытяжку хлорофилла, как это было описано нами выше. Вместе
с хлорофиллом в спирте находятся также желтые пигменты. Чтобы разделить их,
небольшое количество спиртовой вытяжки (около двух миллилитров) нальем в
пробирку, добавим две капли воды и около 4 миллилитров бензина. Вода
вводится для того, чтобы легче происходило расслоение двух жидкостей.
Закрыв пробирку пробкой или пальцем, следует энергично встряхнуть ее.
Вскоре можно заметить, что нижний (спиртовой) слой окрасился в золотисто-
желтый цвет, а верхний (бензиновый) — в изумрудно-зеленый. Зеленая окраска
бензина объясняется тем, что хлорофилл лучше растворяется в бензине, нежели
в спирте, поэтому при встряхивании он обычно полностью переходит в
бензиновый слой.
Золотисто-желтая окраска спиртового слоя связана с присутствием
ксантофилла, вещества, нерастворимого в бензине. Его формула С40Н5бО2. По
химической природе ксантофилл близок к каротину, присутствующему в корнях
моркови, — С40Н56, поэтому их объединяют в одну группу — каротиноидов. Но
каротин также имеется в листьях зеленых растений, только он, как и
хлорофилл, лучше растворяется в бензине, поэтому мы не видим его:
интенсивно-зеленая окраска хлорофилла «забивает» желтый цвет каротина, и мы
не различаем его, как ранее ксантофилл в спиртовой вытяжке. Чтобы увидеть
каротин, нужно преобразовать зеленый пигмент в соединение, нерастворимое в
бензине. Этого можно достигнуть с помощью щелочи. В пробирку, где произошло
отделение ксантофилла, добавим кусочек щелочи (КОН или NаОН). Пробирку
закроем пробкой и тщательно взболтаем ее содержимое. После расслоения
жидкостей можно увидеть, что картина распределения пигментов изменилась:
нижний спиртовой слои окрасился в зеленый цвет, а верхний — бензиновый — в
желто-оранжевый, характерный для каротина.
Эти опыты наглядно свидетельствуют о том, что в зеленом листе
одновременно с хлорофиллом присутствуют желтые пигменты — каротиноиды.
При наступлении холодов образования новых молекул хлорофилла не
происходит, а старые быстро разрушаются. Каротиноиды же устойчивы к низким
температурам, поэтому осенью эти пигменты становятся хорошо заметными. Они
и придают листьям многих растений золотисто-желтый и оранжевый оттенок.
Каково же значение каротиноидов в жизни растений? Установлено, что эти
пигменты защищают хлорофилл от разрушения светом. Кроме того, поглощая
энергию синих лучей солнечного спектра, они передают ее на хлорофилл. Это
позволяет зеленым растениям более эффективно использовать солнечную энергию
для синтеза органического вещества.
Осенний лес окрашен, однако, не только в желтые тона. С чем связана
лиловая и багряная окраска листьев? Наряду с хлорофиллом и каротиноидами в
листьях растений имеются пигменты, которые носят название антоцианов. Они
хорошо растворимы в воде и содержатся не в цитоплазме, а в клеточном соке
вакуолей. Эти пигменты очень разнообразны по окраске, которая зависит в
основном от кислотности клеточного сока. В этом легко убедиться на опыте.
Прежде всего приготовьте вытяжку антоцианов. С этой целью листья
бересклета или какого-то другого растения, окрашенные осенью в красные или
фиолетовые тона, измельчите ножницами, поместите в колбочку, прилейте воды
и нагрейте на спиртовке Вскоре раствор станет красновато-синим от
присутствия антоцианов. Полученную вытяжку пигментов налейте в две
пробирки. В одну добавьте слабой соляной или уксусной кислоты, а в другую —
раствор аммиака.
Под действием кислоты раствор станет розовым, тогда как в присутствии
щелочи — в зависимости от количества и концентрации этой щелочи — зеленым,
синим и желтым.
Антоцианы, как и каротиноиды, более устойчивы к низким температурам,
чем хлорофилл. Поэтому они и обнаруживаются в листьях осенью. Исследователи
установили, что образованию антоцианов способствуют высокое содержание
Сахаров в растительных тканях, сравнительно низкая температура и
интенсивное освещение.
Увеличение содержания сахаров в осенних листьях происходит за счет
гидролиза крахмала. Это имеет важное значение для транспортировки ценных
питательных веществ из отмирающих листьев во внутренние части растений.
Ведь сам крахмал нетранспортабелен в растении. Однако скорость оттока
образующихся в результате его гидролиза Сахаров из листьев при низких
температурах невелика. Кроме того, при падении температуры ослабляется
дыхание растений и, следовательно, лишь незначительное количество Сахаров
подвергается окислению. Все эти факторы благоприятствуют накоплению в
растительных тканях Сахаров, которые начинают использоваться в синтезе
других веществ, в частности антоцианов.
О превращении избытка сахаров в антоцианы свидетельствуют и другие
факты. Если у виноградной лозы путем кольцевания (удаление части коры в
виде кольца) затруднить отток продуктов фотосинтеза, то листья,
расположенные выше кольца, через две-три недели приобретают красный цвет из-
за накопления антоцианов. При этом их образуется так много, что зеленая
окраска хлорофилла становится незаметной.
То же самое наблюдается не только при понижении температуры или
кольцевании, но и при недостатке фосфора. Если, например, томаты выращивать
на питательном растворе, лишенном этого элемента, то нижняя часть листьев,
а также стебли приобретают синий цвет. Дело в том, что при отсутствии
фосфора в растениях не может осуществляться процесс окисления Сахаров без
соединения с остатком фосфорной кислоты молекула сахара остается
неактивной. Поэтому в растительных тканях происходит накопление избыточных
количеств Сахаров, которые используются на синтез антоцианов. Увеличение
содержания этих веществ ведет к посинению стеблей и листьев растений,
испытывающих нехватку фосфора.
Образование антоцианов зависит также от интенсивности света. Если
осенью внимательно приглядеться к яркой окраске деревьев и кустарников, то
можно заметить, что багряный цвет имеют в основном те листья, которые лучше
всего освещены. Раздвиньте пылающий огненными красками куст бересклета, и
вы увидите внутри желтые, бледно-желтые и даже зеленые листья. Во время
дождливой и облачной осени листва дольше сохраняется на деревьях, однако
она не так ярка из-за недостатка солнца. Преобладают желтые тона,
обусловленные присутствием каротиноидов, а не антоцианов.
Низкая температура также способствует образованию антоцианов. Если
стоит теплая погода, то лес изменяет свою окраску медленно, но едва ударит
морозец, как сразу запылают осины и клены.
М. М. Пришвин в миниатюре «Светильники осени» писал: «В темных лесах
загорелись светильники осени, иной лист на темном фоне так ярко горит, что
даже больно смотреть. Липа стоит уже вся черная, но один яркий лист ее
остался, висит, как фонарь, на невидимой нити и светит».
Радуга флоры
Уж коли мы заговорили о пигментах растений, следует рассказать и о
причинах разнообразия окраски цветков.
Зачем цветкам их яркая, сочная окраска? В конечном счете для того,
чтобы привлечь к себе насекомых-опылителей. Многие растения опыляются лишь
определенными видами насекомых, поэтому окраска цветков часто зависит от
того, для каких именно насекомых предназначены цветовые сигналы. Дело в
том, что в отношении цвета насекомые бывают довольно капризны. Скажем,
пчелы, шмели, осы предпочитают розовые, фиолетовые и синие цветки, а около
. желтых обычно толкутся мухи. Красный же цвет многие насекомые, наделенные
не слишком совершенным зрением, путают с темно-серым. Поэтому в наших
широтах чисто-красные цветки довольно редки. Исключение — мак, но и его
лепестки имеют примесь желтого цвета; обычно именно этот оттенок и замечают
пчелы. Лучше других насекомых красный цвет различают бабочки — они-то, как
правило, и опыляют красные цветки наших широт, например гвоздики. А вот
среди тропических растений красный цвет более распространен, и отчасти это
связано с тем, что опыляют их цветки не насекомые, а птицы: колибри или
нектарницы, у которых зрение более развито.
Бывает, что у одного и того же растения окраска цветков с возрастом
изменяется. Это хорошо заметно у ранневесеннего растения медуницы: розовый
цвет ее молодых цветков сменяется по мере старения синим. Старые цветки
медуницы пчелы уже не посещают: они, как правило, опылены и нектара не
содержат. И в этом случае смена окраски служит сигналом для насекомых — не
теряйте времени даром!
А вот у гилии (США) — красивого растения из семейства синюховых,
родственницы флоксов, произрастающей в горах штата Аризона (США), цветки
первоначально имеют алый цвет, который, как уже отметили, привлекает
птиц. Но когда колибри покидают горы, гилия меняет окраску вновь
появляющихся цветков: они становятся бледно-красными или даже белыми.
Окраска большинства цветков определяется присутствием различных
пигментов. Самые распространенные — каротиноиды, растворимые в жирах
соединения: каротин, его изомеры и производные. В растворе все они имеют
бледно-желтую, оранжевую или светло-красную окраску. Названия каротиноидов,
содержащихся только в цветках, столь же красивы, как и придаваемая ими
окраска: эшшольксантин, пе-талоксантин, газанияксантин, ауроксантин,
хризантемаксантин, рубихром...
Наряду с каротиноидами окраску цветков определяют и антоцианы. Оттенки
этих пигментов очень разнообразны — от розового до черно-фиолетового.
Несмотря на такое цветовое многообразие, все антоцианы устроены по одному
типу — они представляют собой гликозиды, то есть соединения сахара с
неуглеводной частью, так называемым агликоном. Примером может служить
красящее вещество, содержащееся в цветках василька,— антоцианин. Его
агликон — цианидин — один из самых распространенных, образуется в
результате отщепления двух молекул глюкозы от антоциана.
Как уже говорилось, антоциановые пигменты могут изменять свою окраску в
зависимости от кислотности среды. Вспомните два вида герани,
распространенной в средней полосе: герань лесную и герань луговую. У лесной
лепестки розовые или лиловые, а у луговой — синие. Различие в цвете
обусловлено тем, что сок герани лесной более кислый. Если приготовить
водную вытяжку из лепестков герани либо лесной, либо луговой — и изменить
ее кислотность, то в кислой среде раствор станет розовым, а в щелочной —
синим.
Такую же операцию можно проделать и над целым растением. Если цветущую
фиалку поместить под стеклянный колпак рядом с блюдцем, куда налит
нашатырный спирт (он при испарении выделяет аммиак), то ее лепестки станут
зелеными; а если вместо нашатырного спирта в блюдце будет дымящаяся соляная
кислота, они окрасятся в красный цвет.
Мы уже говорили, что одно и то же растение медуницы может иметь цветки
разной окраски: розовые — молодые и синие — старые. Посинение лепестков по
мере их старения можно объяснить индикаторными свойствами антоцианов.
Клеточный сок растения, в котором растворен пигмент, имеет кислую реакцию,
а цитоплазма — щелочную. Вакуоли с клеточным соком отделены от цитоплазмы
мембраной, которая обычно непроницаема для антоцианов. Однако с возрастом в
мембране возникают дефекты, и в результате пигмент начинает проникать из
вакуолей в цитоплазму. А поскольку реакция здесь иная, меняется и окраска
цветков.
Чтобы убедиться в справедливости этой точки зрения, возьмите ярко-
красный лепесток какого-то растения, например герани, розы, и раздавите его
между пальцами. При этом также произойдет смешение содержимого цитоплазмы и
вакуоли, в результате лепесток в месте повреждения посинеет.
Впрочем, было бы неправильно связывать окраску антоцианов лишь с их
индикаторными свойствами. Исследования последних лет показали, что она
определяется и некоторыми другими факторами. Цвет антоциановых пигментов
может меняться, например, в зависимости от того, с какими ионами они
находятся в комплексе. При взаимодействии с ионами калия комплекс
приобретает пурпурную окраску, а с ионами кальция или магния — синюю. Если
срезать цветущий колокольчик и поместить его в раствор, содержащий ионы
алюминия, то лепестки посинеют. То же самое наблюдается, если соединить
растворы антоцианина и соли алюминия.
Многим читателям, возможно, знаком роман Александра Дюма «Черный
тюльпан», в котором в остросюжетной форме рассказывается о выведении сорта
тюльпана необычного черного цвета. Вот как описывает его автор романа:
«Тюльпан был прекрасен, чудесен, великолепен; стебель его восемнадцати
дюймов вышины. Он стройно вытягивался кверху между четырьмя зелеными
гладкими, ровными, как стрела, листьями. Цветок его был сплошь черным и
блестел, как янтарь».
Почти пять веков преследовали неудачи садоводов, пытавшихся вывести
черный тюльпан. И вот, Фризский институт цветоводства в Гааге сделал
официальное заявление о том, что в Голландии черный тюльпан получен в
результате последовательного скрещивания двух сортов — «Царица ночи» и
«Венский вальс». В работе принимали участие шесть голландских
исследовательских центров. Полученный цветок идеален по своим классическим
размерам.
Садоводы стремятся создать также черные розы. Выведены такие сорта,
которые при неярком освещении действительно кажутся черными (на самом деле
они темно-красного цвета). На Гавайских островах растут дикие черные розы.
В честь бессмертного произведения Гете «Фауст» садоводы создали сорт
анютиных глазок черного цвета под названием «Доктор Фауст». Анютины глазки,
как известно, были любимыми цветами- великого немецкого поэта и ботаника.
Черная или почти черная окраска цветков обусловлена присутствием в
околоцветнике антоцианов. Кроме каротиноидов и антоцианов, лепесткам могут
придавать окраску и другие вещества, в том числе флавоны и флавонолы. А
какой пигмент окрашивает в молочный цвет вишневые сады, превращает в снежно-
белые сугробы кусты черемухи? Оказывается, никаких белых пигментов в их
лепестках нет. Белый цвет придает им... воздух. Если рассмотреть под
микроскопом лепесток черемухи или любого другого белого цветка, то можно
увидеть множество прозрачных и бесцветных клеток, разделенных обширными
пустыми промежутками. Именно благодаря этим заполненным воздухом
межклетникам лепестки сильно отражают свет и потому кажутся белыми. А если
раздавить такой лепесток между пальцами, то на месте сдав-ливания появится
прозрачное пятно: здесь воздух будет вытеснен из межклетников.
И все же в природе есть белая краска, например, ею окрашена в нарядный
белый цвет кора нашей любимой березы. Это красящее вещество так и
называется — бетулин, от латинского названия березы — Betula.
Заблуждаются те, кто считает, что береза — единственное растение с
белой корой. Это не так. В Австралии произрастает эвкалипт затопляемый. Он
назван так потому, что растет в руслах пересыхающих рек и в сезон дождей
оказывается стоящим в воде. Стволы этих эвкалиптов имеют чисто-белый цвет,
эффектно выделяющийся на фоне окружающих зеленых зарослей.
У треххвойной сосны Бунге также белая кора. Это редкий вид,
встречающийся в природе в основном в горах Центрального Китая. Растение
разводится по всей стране возле дворцов и храмов. Белоствольные сосны
производят неизгладимое впечатление.
Еще много интересного можно было бы рассказать об окраске растений и о
растительных пигментах, которые давно привлекают внимание исследователей
всего мира. Более 30 лет назад известный индийский ученый Т. Р. Сешадри,
много занимавшийся изучением природных красящих веществ, писал: «Музыка
красок более сложна и изменчива по своей природе, нежели музыка звуков.
Возможно даже, что в действительности она еще более утонченна, чем мы
предполагаем...»
Зеленые животные — реальность или фантазия!
В произведениях фантастического жанра нередко можно прочитать о
человекоподобных существах зеленого цвета. Зеленая окраска этих организмов,
обусловленная хлорофиллом, позволяет им самостоятельно синтезировать
органические вещества из неорганических за счет энергии света. Возможно ли
такое в природе?
Прежде всего следует заметить, что на Земле имеются животные,
питающиеся подобным образом. Например, хорошо известная всем биологам
эвглена зеленая, часто встречающаяся в застоявшихся лужах. Ботаники считают
эвглену водорослью, а зоологи до сих пор по традиции относят ее к животным.
В чем дело?
Эвглена свободно передвигается в воде при помощи жгутика. Такой способ
передвижения характерен как для ряда простейших животных, так и для
некоторых ботанических объектов, например зооспор отдельных видов
водорослей. Эвглена содержит хлорофилл, поэтому при интенсивном ее
размножении вода в лужах приобретает изумрудно-зеленую окраску. Наличие
хлорофилла позволяет ей питаться углекислым газом подобно всем зеленым
растениям. Однако, если водоросль перенести в воду, содержащую некоторые
органические вещества, то она теряет зеленую окраску и начинает, подобно
животным, питаться готовыми органическими веществами.
Эвглену все-таки нельзя назвать типичным животным, поэтому поищем
других представителей. питающихся, подобно растениям, при помощи
хлорофилла.
Еще в середине XIX века немецкий зоолог Т. Зибольд обнаружил в телах
пресноводной гидры и некоторых червей хлорофилл. Позднее он был найден в
организмах и других животных: гидроидных полипов, медуз, кораллов, губок.
коловраток, моллюсков. Выяснено, что некоторые морские брюхоногие моллюски,
питающиеся сифоновыми водорослями, не переваривают хлоропласты этих
растений, а длительное время содержат их в организме в функционально-
активном состоянии. Хлоропласты сифоновых водорослей кодиума хрупкого и
кодиума паутинистого , попадая в организм моллюсков, не перевариваются, а
остаются в нем.
Попытки освободить моллюсков от хлоропластов, поместив их в темноту на
полтора месяца, оказались безуспешными, равно как и выведение их из яиц.
Бесхлоропластные личинки моллюсков погибали на ранней стадии развития.
Внутри животной клетки хлоропласты плотно упакованы и занимают
значительный объем. Благодаря им моллюски, не имеющие раковины, оказываются
окрашенными в интенсивно зеленый цвет.
Почему же сифоновые водоросли «полюбились» моллюскам? Дело в том. что в
отличие от других зеленых водорослей они не имеют клеточного строения. Их
крупное, часто причудливое по форме тела представляет собой одну гигантскую
«клетку». Слово «клетка» я взял в кавычки не случайно. Хотя клеточные
стенки в теле сифоновых водорослей отсутствуют, вряд ли можно назвать их
одноклеточными организмами, скорее это конгломерат не вполне разделившихся
клеток. Подтверждением тому служит наличие не одного, а множества клеточных
ядер. Такое строение назвали сифонным, а сами водоросли — сифоновыми.
Отсутствие клеточных стенок, безусловно, облегчает процесс поглощения
водоросли животными клетками.
Ну а каковы хлоропласты этого растения? В теле водоросли содержатся
один или несколько хлоропластов. Если их много, они имеют дисковидную или
веретеновидную форму. Одиночные обладают сетчатым строением. Ученые
считают, что сетчатая структура создается в результате соединения мелких
хлоропластов друг с другом.
Многие ученые наблюдали усвоение углекислого газа хлоропластами,
находящимися в животных клетках. У свежесобранных моллюсков, элизии зеленой
интенсивность фотосинтетического усвоения углекислого газа составляла
55—67 % величины, определенной для неповрежденной водоросли кодиума
хрупкого, из которого моллюсками были «приобретены» хлоропласты. Любопытно,
что и содержание хлорофилла на 1 грамм сырой массы ткани у водоросли и
животного было сходным.
Благодаря фотосинтезу моллюски фиксировали углекислый газ на протяжении
всех 93 дней опыта. Правда, скорость фотосинтеза постепенно ослабевала и к
концу эксперимента составляла 20—40 % от первоначальной.
В 1971 году ученые наблюдали выделение кислорода в ходе фотосинтеза
хлоропластов, налюдящихся в клетках тридакны. Тридакны—типичные обитатели
тропических морей. Особенно широко они распространены на коралловых рифах
Индийского и Тихого океанов. Великаном среди моллюсков выглядит тридакна
гигантская, достигающая иногда длины 1,4 метра и общей массы 200
килограммов. Тридакны интересны для нас своим симбиозом с одноклеточными
водорослями. Обычно они так располагаются на дне, чтобы их полупрозрачная
мантия, выступающая между створками раковины, была обращена вверх и сильно
освещалась солнцем. В ее межклеточном пространстве в большом количестве
поселяются зеленые водоросли. Несмотря на значительные размеры, моллюск
питается только теми веществами, которые вырабатывают водоросли-симбионты.
В Средиземном море и у берегов Франции в Атлантике встречается червь
конволюта, у которого под кожным покровом также обитают зеленые водоросли,
осуществляющие синтез органических веществ из неорганических. Благодаря
активности своих «квартирантов» червь не нуждается в дополнительных
источниках пиши, поэтому желудочно-кишечный тракт у него атрофировался.
Во время отлива множество конволют покидает свои норы для того, чтобы
принять солнечные ванны. В это время водоросли под их кожей интенсивно
фотосинтезируют. Некоторые виды этих червей находятся в полной зависимости
от своих поселенцев. Так, если молодой червь не «заразится» водорослями, то
погибнет от голода. В свою очередь водоросли, поселившиеся в теле
конволюты, теряют способность к существованию вне его организма.
«Заражение» происходит с помощью «свежих», не живших еще в симбиозе с
червями водорослей в момент, когда личинки червя выходят из яиц. Эти
водоросли, по всей вероятности, привлекаются какими-то веществами,
выделяемыми яйцами червей.
В связи с рассмотрением вопроса функционирования хлоропластов в
клетках животных чрезвычайно большой интерес представляют опыты
американского биохимика М. Насса, в которых было показано, что
хлоропласты сифоновой водоросли каулерпы, харовой водоросли нителлы,
шпината и африканской фиалки захватываются клетками соединительной ткани
(так называемыми фибробластами) мышей. Обычно в фибробластах, заглотавших
инородное тело (этот процесс ученые называют фагоцитозом), вокруг
поглощенной частицы образуется вакуоль. Постепенно чужеродное тело
переваривается и рассасывается — исчезает. Когда же в клетки ввели
хлоропласты, вакуоли не возникали, а фибробласты даже не пытались их
переварить.
Пластиды сохраняли свою структуру и способность к фотосинтезу на
протяжении трех недель. Клетки, ставшие из-за их присутствия зелеными,
нормально делились. При этом хлоропласты стихийно распределялись по
дочерним клеткам. Пластиды, находившиеся в фибропластах около двух дней, а
затем вновь выделенные, оставались неповрежденными. Они усваивали
углекислый газ с такой же скоростью, с какой фотосинтезировали свежие
хлоропласты, выделенные из растений.
Предположим, что в ходе эволюции возникнут такие существа или их
обнаружат на других планетах. Какими они должны быть? Ученые полагают, что
в таком животном хлорофилл будет сосредоточен в коже, куда свободно
проникает свет, необходимый как для синтеза зеленого пигмента, так и для
образования органических веществ. «Зеленый человек» должен делать кое-что
наоборот: днем, подобно сказочному королю, ходить в невидимой для всех
одежде, а ночью, напротив, одеваться, чтобы согреться.
Проблема заключается в том, сможет ли такой организм получать с помощью
фотосинтеза достаточно пищи. Исходя из максимально возможной интенсивности
фотосинтеза растений в самых благоприятных условиях существования, можно
подсчитать, сколько органического вещества сможет образовать зеленая кожа
этого человека. Если принять, что 1 квадратный дециметр зеленого растения
за 1 час синтезирует 20 миллиграммов Сахаров, то 170 квадратных дециметров
человеческой кожи, доступной солнечным лучам, смогут образовать за это
время 3,4 грамма. За 12-часовой день количество органического вещества
составит 40,8 грамма. В этой массе будет концентрироваться около 153
калорий энергии. Такого количества явно недостаточно для удовлетворения
энергетических потребностей человеческого организма, которые составляют
2000—4000 калорий в сутки.
Примем во внимание, что «зеленому человеку» не нужно думать о
пропитании и быть слишком деятельным, поскольку пища сама поступает в его
организм из хлоропластов кожи. Нетрудно прийти к заключению, что отсутствие
физической нагрузки и малоподвижный образ жизни сделают его похожим на
обычное растение. Иначе говоря, «зеленого человека» весьма трудно будет
отличить от опунции.
Расчеты исследователей показывают: для того, чтобы образовать
достаточное количество органического вещества, «зеленый человек» в ходе
эволюции должен в 20 раз увеличить поверхность своей кожи. Это может
произойти за счет возрастания числа складок и отростков. Для этого ему
необходимо будет обзавестись подобием листьев. Если это произойдет, то он
станет совсем малоподвижным и еще более похожим на растение.
Таким образом, существование крупных фотосинтезирующих животных и
человека на Земле и в космосе едва ли возможно. Ученые полагают, что в
любой биологической системе, хотя бы отдаленно напоминающей биосферу Земли,
обязательно должны существовать растительноподобные организмы,
обеспечивающие пищей и энергией как самих себя, так и животных.
Заключение
Во второй половине XIX столетия было установлено, что энергия
солнечного света усваивается и трансформируется при помощи зеленого
пигмента хлорофилла.
На основе проведенных опытов можно сказать что, зеленая окраска
хлорофилла определяется наличием в нем атома металла вне зависимости от
того, будет ли это магний, медь или цинк.
Современная наука подтвердила правильность взглядов К. А. Тимирязева
относительно исключительной важности для фотосинтеза именно красных лучей
солнечного спектра. Оказалось, что коэффициент использования красного света
в ходе фотосинтеза выше, чем синих лучей, которые также поглощаются
хлорофиллом. Красные лучи, по представлениям К. А. Тимирязева, играют
основополагающую роль в процессе мироздания и созидания жизни.
Как известно растения поглащают углекислый газ, который присоединяется
к пятиуглеродному веществу под названием рибулезодифосфат, где потом он в
дальнешем участвует во многих других реакциях.
Изучение особенностей фотосинтеза у разных растений, безусловно, будет
способствовать расширению возможностей человека в управлении их
фотосинтетической деятельностью, продуктивностью и урожаем. В целом
фотосинтез это один из основополагающих процессов жизни, на котором
основана большая часть современной растительной фауны на поверхности земли.
Список использованных источников
1. Б. Дижур «Зеленая лаборатория» — М.: Детгиз, 1954.
2. Артамонов В. И. «Занимательная физиология растений». – М.:
Агропромиздат, 1991
3. Сергеев И. И. «История фотосинтеза». – М.: Наука, 1989
4. Пчелов А. М. «Природа и ее жизнь». – Л.: Жизнь, 1990
-----------------------
[1] Б. Дижур. Зеленая лаборатория. — М.: Детгиз, 1954. С. 6.
Страницы: 1, 2
|