В погоне за Солнцем (другой перевод)
Шрифт:
Научная революция набирала скорость, распутывание загадки фотосинтеза от нее не отставало. В 1845 году Юлиус Роберт фон Майер (1814–1878) объяснил, что растения преобразовывали свет в химическую энергию. Вопрос, как именно это происходило, будет занимать умы ученых еще более ста лет. В 1920-е было подтверждено, что фотосинтез состоит из ряда последовательных этапов, куда входят два отдельных и противоположных использования света – фотоокисление воды и фоторедукция (то есть дезоксидация) углекислого газа.
В 1950–1960-е американский биохимик Мелвин Калвин установил, что световые реакции, генерирующие хлорофилл, не растянуты во времени, а преобразуют солнечную энергию мгновенно [510] . Работая с клетками зеленых водорослей, он смог идентифицировать как минимум десять промежуточных продуктов, образующихся в течение нескольких секунд. За последние десятилетия исследователи сложили по частям историю о том, как фотосинтез, необходимый для процветания биосферы, впервые появился на Земле [511] . Другие исследователи пытаются воспроизвести химические процессы фотосинтеза в поиске новых источников энергии. Общеевропейский проект Solar– H нацелен
510
Биохимик Джордж Уолд утверждал: хлорофилл настолько хорошо подходит для фотосинтеза, что это единственный пигмент, который мог бы так функционировать, а жизнь на других планетах должна будет непременно выработать хлорофилл для фотосинтеза. Но в апреле 2008 года журнал Scientific American выдвинул гипотезу того, как могла бы выглядеть растительная жизнь в другом мире, и предположил, что фотосинтез без использования хлорофилла вполне возможен на других планетах, цитируя “Войну миров” Г. Уэллса: “Растительное царство Марса, в отличие от земного, где преобладает зеленый цвет, имеет кроваво-красную окраску”. Марс, утверждал журнал, не имеет растительности на поверхности; но свет любого цвета, от фиолетового края спектра до инфракрасного, может запускать процесс фотосинтеза, который адаптируется к спектральной характеристике света, достигающего организма, которая в свою очередь является результатом спектра излучения материнской звезды (Nancy Y. Kiang, The Color of Plants on Other Planets, Scientific American. 2008. Апрель. Р. 48–55). Когда фотосинтезирующие организмы впервые появились на Земле, в ее атмосфере еще недоставало кислорода, так что они не могли использовать хлорофилл. Даже Земля не всегда была зеленой (см.: John Maddox, What Remains to Be Discovered. N. Y.: Free Press, 1998. Р. 147).
511
Morton, Eating the Sun. Р. 168–75.
Фотосинтез может быть вполне понятен на одном из уровней восприятия, но (как в итоге решили мы с Биллом Алберсом) он совсем не прост. В самом деле, исследования фотосинтеза – это растущая индустрия, голова идет кругом от некоторых вопросов, занимающих ученых последние годы: как растения реагируют на слишком большой объем света? Что делают фотосинтезирующие бактерии внутри кристалликов песка в пустыне? Если запустить процесс фотосинтеза в обратном порядке, могут ли вновь образоваться молекулы воды? Как северная и южная части виноградника различаются по уровню производства сахара? По крайней мере часть этих вопросов теперь получили ответы.
Реакции естественного мира на солнце совершенно удивительны. Некоторые виды моллюсков, которые регистрируют дневной свет, откладывают определенный слой клеток, ширина которого – сэндвич дневных отпечатков – прямо соотносится с количеством часов дневного освещения, под которым лежал моллюск, что позволяет вычислить возраст моллюска по количеству слоев. Коралловые окаменелости, найденные в Девоне на юге Англии, обнаруживают поразительную периодичность в кольцах роста – около четырехсот в каждом годовом наборе. Эта улика позволяет нам вычислить, что около 370 млн лет назад в году насчитывалось около четырехсот дней, каждый из которых длился около 22 ч [512] .
512
См.: Mikolaj Sawicki, Myths About Gravity and Tides, Physics Teacher 37. 1999. Октябрь. Р. 438–41.
Многие мифы повествуют о силе солнца в воздействии на природу. “…Такое божество, как солнце, плодит червей, лаская лучами падаль” [513] , – говорит Гамлет, отражая одно суеверие. В “Антонии и Клеопатре” находит отражение другое: солнечные лучи, которые способствуют спонтанному размножению змей, – старая байка, опровергнутая лишь в XVII веке. Столетие спустя французский изобретатель Жозеф Нисефор Ньепс (1765-1833) ввел термин “актинизм” для обозначения способности Солнца производить химический эффект в объектах неорганического происхождения. Некоторые минералы, например белый мрамор, начинают фосфоресцировать – испускать свет – после долгой выдержки в лучах солнца. Ньепс заметил, что “гранитные скалы, каменные структуры и металлические статуи – “все проявляют признаки наступающего разрушения после нескольких часов солнечного облучения” [514] . Более того, от солнца вспыхивают пожары, тонут корабли, у которых искривляется обшивка, а в самых жарких районах планеты даже “ [камни] сжариваются дотла” [515] . В 1814 году британский ученый Хэмфри Дэви подверг алмаз интенсивному нагреванию с использованием большого увеличительного стекла: в конечном счете драгоценный камень вспыхнул и сгорел дотла, оставив тонкую угольную крошку в доказательство того, что был всего лишь кусочком угля.
513
Пер. Б. Пастернака.
514
Excursions: The Writings of Henry David Thoreau. Vol. 9 (Boston: Houghton Mifflin, 1893. Р. 292.
515
David Attenborough, The Private Life of Plants. Princeton: Princeton University Press, 1995. Р. 45ff.
Юлиус фон Сакс (1832-1897), один из величайших немецких ученых XIX века, систематизировал явление, названное им фототропизмом (от греч. – свет, – поворот), – отслеживание солнца организмом. Я наблюдал это явление в действии, когда в июле 2006 года побывал на крайне современной томатной ферме в южной Испании – саженцы поворачивались дважды в день, сперва одной стороной, потом другой, их стебли всегда наклонялись в сторону солнца, чтобы вырасти быстрее и сильнее [516] .
516
В конце дня саженцы выносят на открытый воздух и причесывают маленькими щетками, вырабатывая сопротивляемость стеблей, чтобы сделать их еще крепче. Побочным эффектом поглощения большого объема солнечного излучения является значительное нагревание: листья большинства растений чувствительны к нагреванию – в случае слишком долгого воздействия ультрафиолета они вянут и умирают. Поэтому крыши теплиц сейчас делают из рассеивающего свет пластика, а не из стекла, которое приводило к ожогам растений. Во всем этом есть ирония, потому что недавние исследования показали, что употребление в пищу томатов может защитить человека от солнечных ожогов и преждевременного старения кожи. Эксперты из английских университетов Манчестера и Ньюкасла обнаружили, что томат повышает способность кожи к самозащите от ультрафиолетового излучения: предполагается, что эффект достигается за счет пигмента, который окрашивает плоды в красный цвет.
Растения меняют свое положение с необычайной точностью, чтобы уловить как можно больше солнечного освещения: достаточно посмотреть вверх на лесной покров – будет видно, что листья образуют почти полностью закрытый свод, складываясь как кусочки пазла. Растения не сотрудничают, как добрые соседи, они яростно соперничают за доступ к свету. Чем больше света они поймают, тем выше их шансы на выживание, так что некоторые растения выработали для этого чрезвычайно изобретательные механизмы. Например, гигантское съедобное растение из семейства ароидных, которое произрастает в болотах тропического леса на Борнео, не только имеет листья шириной в 10 футов, а суммарную площадь поверхности – более 30 кв. фу тов. Вдобавок к этому обратная сторона листьев у него покрыта особым пурпурным пигментом, который улавливает свет после того, как тот пройдет сквозь лист, словно давая хлорофиллу вторую порцию. Бегонии, растущие в том же лесу, на внешней поверхности листьев выработали прозрачные клетки, которые действуют как крошечные линзы, собирая свет и фокусируя его на хлорофилле, находящемся внутри.
Как правило, соперничество приводит к вытягиванию растений в высоту, но для этого нужна конструкция, не допускающая падения. Поэтому корни становятся толще и распространяются либо в ширину, либо вглубь. Деревья нашли чрезвычайно эффективное решение проблемы фотосинтеза, но при этом не следует слишком привязывать свою точку зрения к земле.
Подумайте о березе зимой. Ее листья облетели, ее конструкция выделяется темными линиями на фоне серых холодных облаков… Попробуйте избавиться от устоявшегося взгляда на деревья, повернитесь спиной, наклонитесь к земле вниз головой и посмотрите на дерево из этого положения. Оно уже не выглядит выросшим из земли, становясь больше похожим на нечто вытянувшееся с небес… Туловище дерева не сделано из почвы – напротив, скорее почва в значительной части состоит из деревьев… Деревья созданы из солнца, ветра и дождя. Земля же для них – это просто опора [517] .
517
Morton, Eating the Sun. Р. 222.
В жизни некоторых растений солнце занимает еще большее место. К таким относится огромное семейство цветущих растений, сложноцветные, особенно подсолнухи и другие, похожие по типу соцветия на маргаритки (в английском языке этот цветок называется daisy, от др.-англ. daeges eage – дневной глаз). Подсолнух, чье умение поворачиваться вслед за солнцем было впервые научно описано Леонардо да Винчи в его ботанических исследованиях, был привезен испанцами в Европу около 1510 года с американского континента. У ацтеков этот цветок был священным, а у инков считался эмблемой солнечного божества. Оказавшись в Европе, подсолнух за несколько десятилетий стал символом преданности из-за своего верного следования за солнцем [518] .
518
Некоторые растения не выносят солнечного света. Существует как минимум 3 тыс. видов нефотосинтезирующих растений, многие из которых паразитируют на других растениях, часто на грибах, а те в свою очередь черпают питательные вещества из деревьев. Эти растения – странное племя. Например, фисташки и трюфели растут под землей (как это делают мясистые корнеплоды вроде картофеля или моркови). В 1729 году французский астроном д’Орту де Майран заметил, что некоторые растения в затемненном помещении открываются днем и закрываются ночью вне зависимости от света. Орхидея-призрак, полностью лишенная хлорофилла, проводит очень много времени под землей, цветет столь нерегулярно и растет в столь редких местах, что в некоторых странах ее уже объявляли вымершей – и внезапно она появлялась вновь. Западноавстралийская орхидея Rhizanthella gardneri цветет под землей и вообще никогда не выглядывает на поверхность. В период осенних дождей она вытягивает вверх тюльпанообразный отросток, который приподнимает почву, образуя в ней трещины, через которые проникает слабый запах, привлекающий насекомых.
Дэвид Аттенборо начинает свой сериал “Невидимая жизнь растений” со слов: “Побег, находящийся в темноте, будет ползти в сторону единственной щели, откуда пробивается свет. Растения способны видеть [519] ”. Вполне простительная гипербола. Тяга к свету сохраняется даже при крайних температурах: некоторые полярные животные регулярно метят свою территорию, определяя местонахождение Солнца относительно каких-то ориентиров на земле, а антарктический лишайник Lecidea cancriformis способен к фотосинтезу при температуре до –20 °C. Полярный мак утром смотрит на восток, а днем начинает склоняться к западу (движение обеспечивают двигательные клетки гибкого сегмента у основания цветка, так называемой листовой подушечки). Высокогорный снежный лютик ориентируется на солнце сходным образом, солнечный свет помогает ему поддерживать оптимальный уровень температуры и влажности, способствует более эффективному привлечению насекомых. Природа никогда не сдается. Природа – это вечное приспособление.
519
Attenborough, Private Life of Plants. Р. 1.