Яблони на Марсе

Чирков Юрий Георгиевич

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»: