В погоне за Солнцем (другой перевод)
Шрифт:
Может быть, он и прав. Я прекрасно помню, как нас учили, что наши топливо и пища происходят от растений, а растительная энергия в свою очередь – от солнечного света. При этом главное различие между нами и растениями состоит в том, что мы (как и другие животные) получаем энергию от Солнца опосредованно, в форме пищи, в то время как растения получают ее непосредственно из того же источника. Этот процесс получения энергии растениями называется фотосинтезом (от греческих слов со значением “соединять со светом”) и происходит в фототрофах – бактериях и растительных организмах, которые сами синтезируют себе пищу с использованием света, превращая физическую энергию в химический процесс. Большинство растений попадают именно в этот класс.
При помощи сложных комплексов, называемых хлорофиллами (греч. `o – зеленый, – лист), растения используют водород из воды для преобразования углекислого газа в более сложные углеродные образования, включая сахарные молекулы (такие как глюкоза). Кислород, остающийся от воды, высвобождается в газовом состоянии – этот отход жизнедеятельности растений, хотя и драгоценный для нас, имеет и свои отрицательные
504
Пер. В. Михайлова.
Углерод попадает в листья в результате энергетического воздействия солнечного света, а листья передают материал для формирования ствола у дерева или лепестков у цветка. Хлорофилл внутри них поглощает энергию из фиолетовой и красной частей солнечного спектра и посредством серии химических реакций преобразует ее, направляя на смещение электронов в определенных молекулярных цепочках. Солнце входит в контакт с более чем 64 млн кв. км листьев ежедневно. Но только от 1 до 3 % света, падающего на зеленое растение, перерабатывается в биоэнергию, остальное теряется при передаче, отражении или неэффективном поглощении [505] .
505
Oliver Morton, Eating the Sun: How Plants Power the Planet. London: Fourth Estate, 2007. Р. xvii, 56. См. также: Peter H. Raven, Biology, 7th edition. N. Y.: McGraw-Hill, 2007; David Williams, Lessons from Joseph Priestley: The 2004 Essex Hall Lecture. London: Lindsay Press, 2004.
Фотосинтез происходит в хлоропластах, особых конструкциях внутри клетки обычно шириной всего в несколько тысячных миллиметра. В них содержится хлорофилл и другие химические вещества, в частности энзимы (“регуляторы”: протеины, контролирующие специфические реакции). Ученые еще не до конца понимают сложную биохимию фотосинтеза, хотя это самая важная метаболическая инновация в истории эволюции нашей планеты. Каждый летний день средний акр зерна производит объем кислорода, достаточный для удовлетворения потребностей около 132 человек. Если бы не этот процесс, мы все исчезли бы в течение срока одной человеческой жизни, настолько высоки скорости вымирания живых существ.
Еще в 1640-х годах исследователи предположили, что растениям необходимы воздух и вода для роста, а уже к началу XVIII века начали идентифицировать отдельные газы, вовлеченные в процессы горения, дыхания и фотосинтеза. Затем случился большой прорыв, и все благодаря пивоварне. В 1772 году полным ходом шла подготовка ко второму путешествию Кука – отправлению на поиски Неведомой южной земли (Terra Australis Incognita). Нескольким ученым было разрешено присоединиться к экспедиции, и Королевское общество поначалу одобрило включение в ее состав астронома и ботаника Джозефа Пристли (1733–1804). Однако его известное свободомыслие в религиозных и политических вопросах привело к отзыву его кандидатуры. Пристли взамен получил оплачиваемое место литературного компаньона лорда Шелберна, крупного вига. Будучи на службе у Шелберна, Пристли взялся за эксперименты.
Перед этим Пристли работал в Лидсе, где его дом примыкал к пивоварне. Там он принялся экспериментировать с парами, выделяющимися в процессе брожения пива. Пары оставались в чанах на глубине фута или около того и не смешивались с воздухом, находящимся выше. Это был углекислый газ (или “неподвижный воздух”, как его назвал Пристли), и эксперименты Пристли показали, что зажженные свечи при помещении в этот газ тут же гаснут. Он понимал, что воздух, которым мы дышим, отличается от углекислого газа, но не понимал, какие еще формы воздуха существуют. Вскоре после своего назначения к Шелберну ученому удалось показать, что воздух является смесью газов, а не единым элементом (как предполагали греки). Пристли соглашался с принятой тогда теорией флогистона, почти невесомой субстанции, необходимой для возникновения огня. С несколько большим основанием он выделил девять отдельных газов, считая их загрязненными вариантами “нормального” воздуха. Эти газы позднее получили названия оксид азота (веселящий газ), аммиак, оксид серы, сероводород, оксид углерода (угарный газ), хлор, тетрафторид кремния, хлороводород и нечто, названное “дефлогистированный воздух” – неуклюжий термин для того, что потом будет названо кислородом (калька с греч. – кислый и – рождаю).
Пристли показал, что в этом газе свеча горит ярче и даже мыши в нем выживают (предыдущие эксперименты привели к скорому концу нескольких мышей, наглотавшихся пивных паров) [506] . Газ был “в четыре-пять раз лучше [для дыхания], чем обычный воздух”, сообщал он: эта оценка, учитывая наше нынешнее знание о составе воздуха (21 % кислорода, остальное в основном азот), была поразительно точной. Ученый обнаружил, что свеча в закрытом контейнере постепенно гаснет, но если туда поместить веточку мяты, то пламя вновь усиливается, – так стало ясно, что растения выделяют кислород.
506
В 1773 году писательница Анна Барбо сочинила поэму, которая описывала этот эксперимент с точки зрения мыши – The Mouse’s Petition to Dr. Priestley, Found in the Trap where he had been Confined all Night (“Прошение мыши к доктору Пристли…”), – вероятно, первый в истории манифест о правах животных. Комментаторы Пристли предполагали, что его интерес к асфиксии стимулировала история о Калькуттской черной яме (1756) – камере заключения, где от жары и удушья погибли сорок три из шестидесяти девяти человек. В пещерах и подобных замкнутых пространствах по всему миру оксид углерода собирается естественным образом, приводя к летальным исходам. В 12 милях от Неаполя на горном склоне вблизи озера Аньяно располагается Grotta del Cane (Собачий грот). Оксид углерода, будучи тяжелее воздуха, собирается в самом низу пещеры, поэтому высокие животные, в том числе люди, могут легко дышать, а существа невысокого роста гибнут или начинают биться в конвульсиях. В XIX веке на этой почве возникла отвратительная местная индустрия – собак вталкивали в грот, чтобы позабавить туристов зрелищем воздействия газа на животных (см.: Georg Hartwig, The Subterranean World. N. Y.: Scribner, 1871. Р. 88; Mark Twain, The Innocents Abroad, or The New Pilgrim’s Progress. London: Hotten, 1870): “Мы добрались до пещеры около трех часов и немедленно принялись за опыты. Но тут же столкнулись с непредвиденным препятствием: у нас не было собаки”).
Пристли продвинулся еще дальше – он показал, что кислород подхватывается кровью в легких, а также что вода состоит из водорода и кислорода в соотношении два к одному, если измерять по объему газа. Но на этом его достижения закончились. Хотя он и смог продемонстрировать, как растения обновляют воздух, истраченный животными, он не сделал вывода о необходимости солнечного света для процесса. Это представляется странным, поскольку Пристли был неплохо знаком с работами Стивена Гейлса (1677–1761), который предполагал, что листья являются “легкими” растений, и задавался вопросом: “Не может ли свет, свободно проникая в широкие поверхности листьев и цветов, способствовать также облагораживанию элементов растения; ведь сформулировал же Ньютон в характерной испытующей манере: “Не могут ли массивные тела и свет переходить друг в друга?” [507] ”.
507
Stephen Hales, Vegetable Staticks (1727).
К сожалению, вскоре Пристли потерял интерес к науке и посвятил себя проповедям против божественной природы Христа и кампаниям против рабства. В 1791 году толпа сторонников “церкви и короля” до основания разрушила молитвенный дом и дом Пристли, превратив в угли лабораторию и все остальное. Восемь бунтовщиков и один констебль погибли. Великий ученый отправился в Америку, а эстафетная палочка перешла к голландскому ботанику Яну Ингенхаузу (1730–1799), чьи исследования показали и то, что выдохшийся воздух может быть восстановлен только зеленой частью растения, и то, что для этого требуется участие солнечного света [508] .
508
Столетиями не угасал спор о том, в какой степени Пристли заслуживает признания. Томас Кун в работе The Structure of Scientific Revolutions приписывает открытие кислорода Антуану Лавуазье (1743–1794) или Карлу Вильгельму Шееле (1742–1786), а открытие фотосинтеза – Яну Ингенхаузу; но его главная идея заключается в том, что такие важные открытия никогда не оказываются такими простыми, как это преподносится в легенде или истории (Thomas S. Kuhn, The Structure of Scientific Revolutions. Chicago: University of Chicago Press, 1962. Р. 53–56. Сам Пристли в письме к другу по поводу работы Ингенхауза упоминает значительную разницу между дневным и ночным поведением растений и добавляет, что это то, до чего “он догадался, а я – нет”. Лавуазье же исследовал другую форму воздуха, называемую просто “газ” (теперешнее значение тогда еще не вошло в английский язык и означало “призрак, дух”), и переименовал ее в водород.
Ингенхауз также открыл, что именно энергия Солнца в световой форме, а не его тепло было важно для дыхания растений. Он продемонстрировал, что под воздействием света растения впитывают углекислый газ через крохотные поры на поверхности своих зеленых частей, выделяя микроскопические пузырьки кислорода. В темноте пузырьки постепенно прекращили выделение. “Представляется более чем вероятным, – писал ученый, – что у листьев более одного предназначения”.
Вероятно, дерево получает некоторую пользу от листьев, которые собирают влагу из воздуха, дождя и росы, потому что была найдена значительная польза для роста деревьев в поливании ствола и листьев время от времени… Возможно, окажется вполне вероятным, что одна из величайших лабораторий природы по очистке воздуха в нашей атмосфере располагается в веществе листьев и приводится в действие под влиянием света [509] .
509
Jan Ingenhousz, Experiments upon Vegetables, Discovering Their Great Power of Purifying the Common Air in the Sunshine, and of Injuring It in the Shade and at Night. London, 1779).