В дальнейшем наука не только полностью подтвердила все эти наблюдения, но на основе практического опыта и разносторонних научных исследований для различных климатических и природно-почвенных условий были разработаны специальные агрономические правила и приемы, соблюдение которых обеспечивает высокие и устойчивые урожаи наших полей.
Однако лишь в условиях социалистической плановой системы сельскохозяйственного производства, когда вместо лоскутных полей мелких крестьянских хозяйств царской России в годы советской власти была создана мощная сеть совхозов, колхозов и машинно-тракторных станций, обеспеченных прочной материально-технической базой и владеющих крупнейшими массивами обобществленных полей, оказалось возможным по-настоящему, по-хозяйски использовать в нашем сельском хозяйстве все лучшие достижения науки и практики для повышения урожайности и прогрессивного повышения плодородия почв.
Но всем этим не ограничиваются замечательные особенности питания растений. В 1772 году английский ученый Пристлей открыл, что растения способны очищать испорченный дыханием и, следовательно, насыщенный углекислотой воздух. Через короткое время другой ученый — француз Сенебье показал, что растения, поглощая углекислый газ, отдают обратно чистый кислород; углерод же, содержащийся в углекислом газе, остается в их организме. Это разложение углекислого газа есть также один из способов питания растений, так как при этом растения накапливают в своем организме огромные количества углерода, который содержится в составе всех органических веществ.
Чтобы убедиться в этой удивительной способности растений питаться углекислым газом, присутствующим всегда в воздухе (0,03 %) и растворенным в воде, лучше всего будет воспользоваться для нашего опыта водяными растениями, например, такими, как элодея[2], или «водяная зараза», или же тысячелистником, которые так часто покрывают густыми зарослями наши пруды.
Для этого берут под водой пучок элодеи и помещают ее под большую воронку, над которой опрокидывают сверху склянку или пробирку, наполненные водой, и выставляют на свет. Предварительно полезно надышать в воду углекислого газа или просто через трубочку из собственных легких, или при помощи обычного приспособления, каким пользуются для получения углекислого газа в лабораториях или на фабриках шипучих вод.
Уже через несколько минут после того как мы выставим наше снаряжение с элодеей на свет, можно заметить, что на ее листочках появляются и постепенно увеличиваются пузырьки какого-то газа; достигнув известной величины, они отрываются и летят под водой вверх, скользят по стенкам воронки и собираются, наконец, над водой вверху пробирки.
Постепенно газ начинает вытеснять воду из пробирки все больше и больше и может заполнить, при умелой постановке опыта, к концу солнечного летнего дня 1/4 и даже 1/2 пробирки. Полученный таким образом газ можно взять на испытание. Для этого следует закрыть пальцем отверстие пробирки под водой, потом опрокинуть ее дном вниз и тотчас же опустить в нее тлеющую лучинку; лучинка на мгновение вспыхнет ярким пламенем: это и есть признак того, что полученный нами в небольшом количестве газ является настоящим кислородом, который поддерживает горение и совершенно необходим для дыхания всем живым существам.
Рис. 22. Выделение пузырьков кислорода элодеей на свету. Опыт, доказывающий усвоение углекислого газа.
Если наладить тот же прибор с элодеей, но разными способами изгнать из воды углекислый газ, а это можно сделать, если предварительно прокипятить воду или же осадить углекислый газ из воды избыточным количеством известкового молока, то сколько бы растение элодеи мы ни держали на солнце, пузырьков кислорода не получится. Этот простой и убедительный опыт показывает, что кислород может быть выделен растением не иначе, как только из углекислого газа.
Но при отсутствии растения из углекислого газа не смог бы выделиться кислород. Оказывается, что это разложение углекислого газа способны производить только растения, да и то далеко не всякие, а только те, которые окрашены в зеленый цвет. Не окрашенные в зеленый цвет листья, стебли или корни растений и даже целиком такие незеленые растения, как грибы, также не оказывают никакого действия на углекислый газ. Зеленая окраска растений, которая получила особое название «хлорофилл», является совершенно необходимым условием, чтобы растение могло питаться углекислотой воздуха.
Наконец, и зеленые растения не могут разлагать углекислый газ при отсутствии света. Но зато на свету они разлагают углекислый газ очень быстро: в среднем примерно в 16 раз быстрее, чем они производят обратный процесс дыхания, то есть поглощение кислорода и выделение углекислого газа. Вот почему воздух за городом, и особенно в лесах, так здоров и полезен для дыхания человека.
На свету нельзя обнаружить дыхания зеленых растений, и поэтому мы в своем опыте с дыханием зеленых побегов держали их в темноте. На свету процесс дыхания был бы скрыт гораздо более энергичным обратным процессом питания растения углекислым газом. Вот почему ночью растения только поглощают из воздуха кислород, и поэтому их не рекомендуют держать помногу в тех комнатах, где обычно спят люди. Не успевшие еще позеленеть прорастающие семена растений способны только дышать, поэтому свой опыт над дыханием семян мы могли производить на свету.
Вот, наконец, в чем мы должны видеть главное и основное отличие растения от животного: большинство растений способно питаться неорганическими минеральными составными частями почвы; зеленые же растения, сверх того, способны производить процесс, обратный дыханию: на свету они питаются углекислым газом, выделяя при этом кислород и накапливая в своем теле другую часть углекислого газа — углерод.
Свет и жизнь
Но нам далеко еще не все ясно в этом последнем способе питания растений. Какова роль света в питании растений и почему питание их невозможно при отсутствии света?
Все живые существа для своей жизни нуждаются в достаточном количестве пищи. Эта пища необходима им для того, чтобы они могли жить, расти, согревать свое тело, двигаться и работать. Но ведь мы знаем из повседневного опыта и наблюдений над неживыми машинами, что всякое движение есть работа, а всякая работа требует известного источника силы. Ни одна паровая машина не придет в движение, если ее не отапливать, ни один двигатель внутреннего сгорания не будет двигаться, если в нем нечему будет сгорать, машины приводятся в движение ветром (ветряная мельница), водой (водяные мельницы, гидротурбины), электрическим током или рукой человека. Всегда и везде работа не берется из ничего, а требует какого-то источника энергии[3].
Уголь и другие виды топлива, такие, как нефть, горючие газы, служат тем источником силы, которая приводит в движение и паровую машину и многие другие. Эта сила освобождается из топлива при его сжигании в основном в виде тепловой энергии.
Наше тело должно обладать также каким-то источником энергии, иначе оно не могло бы двигаться, производить работу, то есть перестало бы жить. Вот таким нашим топливом и является пища. Она также состоит из углистых, то есть содержащих углерод веществ, и способна гореть. Дрова, уголь и нефть, сгорая в топке, потребляют кислород (без которого невозможно горение) и дают при этом углекислый газ и пары воды. При этом вырабатывается тепловая энергия, то есть та самая сила, которая и приводит в движение машины.
Точно так же и наша пища сгорает в нашем теле (переваривается), при дыхании, превращаясь в углекислый газ и пары воды, причем вырабатывается тепло, согревающее наше тело и дающее источник энергии, необходимый для работы и всей жизни нашего организма. И чем больше мы работаем, тем больше необходимо нам доставлять в наш организм энергии, тем больше мы должны съесть пищи. В обоих случаях источником тепла и энергии являются материалы, которые мы получаем в конечном счете из растений в виде ли дров или в виде общей для всех животных организмов пищи.
Но откуда же взялось это огромное количество запасов энергии в растениях?
Наукой доказано, что растения обладают удивительной способностью накапливать энергию во время процесса питания углекислым газом. В углекислом газе уносится в воздух в результате процесса горения и дыхания весь тот углерод, который содержался в топливе или пище. Растения вновь ловят его из воздуха своими зелеными листьями, чтобы построить те углистые вещества, без которых невозможны никакая жизнь и движение. На эту постройку, на это созидание теплотворных веществ должна быть опять-таки затрачена какая-то сила; и вот эту-то силу растения находят в солнечных лучах.
Все мы очень хорошо знаем, как много тепла и, следовательно, энергии содержится в солнечных лучах. Она способна поднимать на высоту нескольких километров те огромные количества паров воды, которые образуют облака и, охладившись, падают обратно на землю дождями летом или снегом зимой. Эта энергия нагревает землю до такой степени, что в жарких странах в горячем песке можно сварить яйца; она же создает ту разницу температур на земной поверхности, которая вызывает непрерывные движения воздуха, называемые ветрами или ураганами, смотря по их силе. А сила урагана такова, что он способен сносить иной раз целые дома.
В чудесной фабрике, которую представляет собой зеленый лист, солнечная энергия играет главную роль. Силой его лучей растения оказываются способными питаться углекислым газом и образовать сложные химические (органические) вещества, в которых эта солнечная энергия, закрепленная при углероде, накапливается в теле растения. При этом выделяется свободный кислород.
Здесь именно проявляется до конца разница между процессом дыхания или горения (что почти, но только «почти», одно и то же) и обсуждаемыми сейчас процессами усвоения углекислого газа. При дыхании (горении) получается углекислый газ и выделяется большое количество тепла, а кислород затрачивается. Здесь же мы видим иную картину: кислород выделяется, а затрачивается углекислый газ, но вместе с тем тепло и энергия не освобождаются, а наоборот, должны быть израсходованы извне (в данном случае из солнечных лучей).