Файл: Бобов С.С. Физика в сельском хозяйстве.pdf

ФИЗИКА В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ

Растения и свет

К. А. Тимирязев с присущим ему талантом на ру­ беже двух последних столетий создал увлекательную картину жизни растительного мира нашей планеты, сделал смелую попытку раскрыть тайны процессов, протекающих в зеленом листе. «Едва ли какой процесс, совершающийся на поверхности Земли, заслуживает в такой степени всеобщего внимания, как тот, еще да­ леко не разгаданный процесс, который происходит в зеленом листе, когда на него падает луч солнца»1, — писал великий русский естествоиспытатель.

Трудами К- А. Тимирязева закончился первый1

1 К. А. Тимирязев. Солнце, жизнь и хлорофилл. М., Сельхозгиз, 1956.

16

период развития физиологии растений, раскрывший основные стороны их жизнедеятельности. Вслед за этим начался новый этап выяснения внутренней орга­ низации и энергетики жизненных явлений в организме растений. «Мы переживаем период, когда физиология растений уделяет все большее внимание изучению внутренней организации процессов жизнедеятельно­ сти. На этой основе возникают основные прин­ ципы практического управления деятельностью расте­ ний»1, — говорит академик А. Л. Курсанов.

Успехи физиологии на новом этапе ее развития до­ стигнуты с помощью точных наук, особенно физики, которая вооружает биологию теоретическими и экспе­ риментальными методами проникновения в тайны жи­ вых организмов.

Фотосинтез и дыхание являются важнейшими про­ цессами жизнедеятельности растений. При дыхании они выделяют углекислоту, которая ранее была свя­ зана ими при фотосинтезе. В наше время к этому про­ цессу приковано внимание ученых всего мира.

Покорение фотосинтеза воле человека диктуется быстрым ростом населения земного шара, требующим резкого увеличения производства сельскохозяйствен­ ных продуктов.

Какие выгоды получит человечество, овладев уп­ равлением фотосинтеза? Как показали исследования, в условиях обычных посевов растения используют на фотосинтез в среднем 1—1,5% энергии, приносимой солнечными лучами на поверхность листьев. Профес-

1 А. Л. Курсанов. Внутренняя организация физиологических процессов у растений. Сб. «Глазами ученого». Изд-во АН СССР, 1963.

17

... 6.і,іот£ка сест»

сор А. А. Ничипорович показал, что растения спо­ собны освоить до 28% лучистой энергии. Возникает вопрос, почему так неохотно они используют солнеч­ ный свет? Оказалось, что в усвоении солнечной энер­ гии они не получают достаточной помощи от окру­ жающей среды.

Интенсивность протекания фотосинтеза зависит от количества влаги, углекислого газа, усвояемых удоб­ рений и других факторов. Улучшая условия внешней среды и активно воздействуя на использование расте­ ниями света, тепла, влаги и воздуха, можно создавать более благоприятные условия для фотосинтеза и, в ко­ нечном счете, получать более высокие урожаи.

Свет в жизни растений является прежде всего источником энергии для фотосинтеза. Он существенно влияет на рост и формирование растений, обуславли­ вает прохождение ими световой стадии развития. Свет, использованный растениями, определяется не только его количеством и составом, но и условиями, при которых он действует.

Энергия солнечного луча имеет сложный по биоло­ гическому действию состав, отдельные ее области не­ одинаково влияют на жизнь растений. Видимый свет, к которому чувствителен наш глаз, образует сравни­ тельно небольшой диапазон световых волн с длинами от 380 до 780 ммк. Длинами волн видимого света оп­ ределяется различная окраска лучей. За фиолетовой частью спектра расположена обширная область уль­

трафиолетовых лучей.

Красная часть спектра переходит в область инфра­ красного излучения, вызывающего тепловое действие. Зеленый лист поглощает лучи с длинами волн от 295

18

до 2500 ммк. Современной физикой установлено, что свет излучается и поглощается телами квантами—све­ товыми фотонами. Их энергия растет с уменьшением длины волн излучения и с увеличением — убывает. Фотонной природой света определяются все проявле­ ния взаимодействия света и вещества, все процессы жизнедеятельности организмов.

Современная квантовая физика помогла биологам понять, как при фотосинтезе взаимодействует свет с растениями. Световые фотоны, проникая в зеленый лист растений, с помощью пигмента хлорофилла раз­ лагают молекулы воды, разрывая связи между кисло­ родом и водородом. После некоторых превращений лист выделяет в атмосферу кислород воды, обеспечи­ вая дыхание растениям, животным и человеку. В сложном процессе фотосинтеза энергия поглощенных хлорофиллом световых фотонов превращается в энер­ гию химических связей всего комплекса продуктов зеленого растения.

Прошло почти двести лет с тех пор, как начали изучать фотосинтез растений и открыли одну из ос­ новных его сторон — способность к образованию сво­ бодного кислорода.

Позднее биологи пришли к выводу, что в фотосин­ тезе участвует свет, углекислота и вода. Однако только в наше время науке удалось близко подойти к выяс­ нению, как из углекислоты и воды с участием хлоро-, филла зеленого листа растения и света образуются при фотосинтезе органические вещества и свободный кислород.

В разгадке тайн зеленых растений большая роль принадлежит меченым атомам и квантово-статистиче­

19

скому истолкованию явлений фотосинтеза. Методом меченых атомов профессор А. А. Ничипорович обнару­ жил новые, ранее неизвестные стороны фотосинтеза: образование в листьях растений не только углеводов, но и белков. Ученому удалось выяснить, как изменяет­ ся состав продуктов фотосинтеза в зависимости от ви­ дов, возраста растений и физических условий окружа­ ющей среды. Меченые атомы помогли ему установить роль отдельных областей видимого света в процессе образования продуктов фотосинтеза. Как оказалось, красно-желтые лучи синтезируют главным образом углеводы, а синие — белки.

Эти открытия имеют большое практическое значе­ ние. Они позволят управлять ходом фотосинтеза пу­ тем создания необходимого светового режима или из­ менений растительного организма. Первый путь осу­ ществляется в условиях растениеводства закрытого грунта при светокультуре, но пока невозможен при выращивании растений в поле. Второй путь измене­ ния свойств самих растений возможен и в полевых ус­ ловиях. Так, влияя на окраску листьев возделываемой культуры, можно в значительной мере изменять по­ глощение света растениями. Например, при повышен­ ном внесении азотных удобрений окраска листьев ра­ стений становится темно-зеленой и растения значи­ тельно интенсивнее поглощают лучистую энергию. По­ севы той же культуры, не получавшие азота, имеют более светлые листья и меньше поглощают энергии.

Практическое значение имеют и условия, при ко­ торых растения получают лучистую энергию. На ход фотосинтеза влияет интенсивность освещенности и продолжительность действия света. Известно, что по-

20

глощенңе растениями солнечной радиации зависит от угла, под которым луч света падает на поверхность листьев. Растения с вертикальным расположением листьев способны полнее использовать солнечную ра­ диацию утренних и вечерних часов, а с горизонталь­ ным, наоборот, лучше поглощают радиацию дневных часов. Урожай пшеницы, например, в основном опре­ деляется дневным освещением и мало зависит от ут­ реннего и вечернего.

В зависимости от влияния интенсивности освеще­ ния на фотосинтез растения разделяют на светолюби­ вые и тенелюбивые. Овощеводам хорошо известно от­ ношение разных овощных культур к интенсивности ос­ вещения при выращивании их в теплицах.

Как показала практика, учет влияния освещения на фотосинтез может создать новое направление в се­ лекционной работе. У диких предшественников сахар­ ной свеклы розетка листьев стлалась по земле. Такие растения имели очень низкую урожайность, и они ока­ зались непригодными для возделывания. Несколько десятилетий селекционеры кропотливо отбирали наи­ более сахаристые экземпляры растений, и в резуль­ тате им удалось вывести сорта свеклы с мощными корнями и более высокой воронкообразной розеткой листьев. На поле растения окультуренной свеклы не затеняют друг друга, их можно больше разместить на гектаре. Возрастает общая поверхность листьев, изме­ няются условия для фотосинтеза, в результате чего увеличивается урожайность. Селекционеры, сами того не подозревая, вели отбор растений, способных лучше поглощать лучистую энергию. Успех в повышении про­ дуктивности фотосинтеза определяется глубиной про­

21

никновения науки в тайны самого процесса. Только на основе более полных представлений о нем возмож­ но высокоэффективное воздействие на растения и фи­ зические условия внешней среды, определяющие ин­ тенсивность фотосинтеза, производительность зеленых растений.

Светокультура

Не одну тысячу лет труд земледельца зависит от погодных условий. Хотя в современном сельскохозяй­ ственном производстве высокая агротехника позво­ ляет вести успешную борьбу за урожаи в самых не­ благоприятных метеорологических условиях, однако природа не отказывается от своего влияния.

Одной из первых проблем, поставленных агрофи­ зикой, является создание таких условий для жизни растений, которые не зависели бы от случайных изме­ нений погоды. Получение высоких урожаев растений, выращиваемых в контролируемых условиях, потребо­ вало прежде всего замены естественной солнечной ра­ диации светом от искусственных источников. Так воз­ никло одно из основных направлений в агрофизике — светокультура, т.е. выращивание высоких урожаев с применением искусственных источников света.

Светокультура создает совершенно новое направ­ ление в растениеводстве защищенного грунта, которое можно назвать электрическим. Практическое значе­ ние светокультуры значительно возрастает при соче­ тании ее с другим новым методом выращивания ра­ стений — гидропоникой. Производство зеленых вита-

22