История биологии с начала XX века до наших дней - [68]

Проблема фотосинтетической продуктивности наиболее активно стала разрабатываться с конца 40-х годов в Советском Союзе под руководством А.А. Ничипоровича, а также в Японии, Англии, США, Нидерландах и других странах. На основе этих исследований значительно расширилось и приобрело полную самостоятельность учение о сложных фотосинтезирующих системах (включая условия и факторы высокой продуктивности). Новая проблема включает в себя определения фотосинтетически активной радиации в различных географических зонах и степени полноценности этой радиации для фотосинтеза в зависимости от температуры, влажности, почвенного плодородия, физиологических и экологических особенностей растений. Предметом изучения стали также закономерности структурной и пространственной организации таких фотосинтетических систем, как естественные растительные сообщества и различные посевы. Исследуются их оптические свойства и создаваемые в них световые режимы, определяются несоответствия между теоретически возможными и реальными показателями фотосинтетической деятельности, выясняются причины этих несоответствий и пути их преодоления. Все это подчинено одной цели — найти условия для повышения фотосинтетической активности растений в посевах на единицу площади с 1–3 до 5–6 % от падающей солнечной энергии, что привело бы к увеличению накопления органической массы и повышению урожайности.
Разработка теории фотосинтетической продуктивности растений основывается также на культивировании растений в закрытом грунте при искусственном свете. Широкое развитие светокультура получила в СССР, в США и Франции. Использование ксеноновых ламп позволило в два раза повысить урожай и вдвое ускорить сроки созревания в сравнении с лучшими условиями открытого грунта. Коэффициент использования света этих ламп растениями достигает 8 %. Качественный состав света при выращивании в современных теплицах базируется на результатах исследования зависимости фотосинтеза от спектрального состава света.
Широкое развитие в 60-х годах получили работы по массовой культуре одноклеточной зеленой водоросли — хлореллы. В специальных, автоматически действующих аппаратах, куда помещали культуры хлореллы, исследователям разных стран удалось получить значительно более высокий коэффициент использования световой энергии, чем это пока достигнуто в полевых или тепличных условиях для высших растений, и различное содержание белков, жиров и углеводов в биомассе разных штаммов.

Одновременно развернулась успешная работа по использованию фотосинтеза растений в точно контролируемых и автоматически управляемых замкнутых системах. Так, В.Е. Семененко с сотрудниками в сконструированной ими установке по непрерывному выращиванию хлореллы получили фотосинтетической продукции в 25–30 г. сухого вещества на 1 л. суспензии в сутки при КПД лучистой энергии 6–8 %. Подобные фотосинтезирующие системы, способные поглощать из воздуха большие объемы углекислого газа и выделять столь же много кислорода, в будущем, возможно, окажутся спутниками человека в длительных космических полетах (см. главу 28).

Природа дыхания.

К началу XX в. о дыхании сложилось представление как о процессе, противоположном фотосинтезу, однако о его внутреннем механизме почти ничего не знали. Существенный вклад в разрешение этой проблемы внесли русские ученые, начиная с А.Н. Баха и С.П. Костычева.

Благодаря усилиям исследователей разных стран (В.И. Палладин, О. Варбург, Д. Кейлин, Г. Виланд, А. Сцент-Дьёрдьи, Г.А. Кребс и др.) в 50-х годах сложились современные представления о биохимической природе процесса дыхания. Было доказано, что в основе дыхания как растительных, так и животных тканей лежат по существу одни и те же окислительные реакции и энергетические процессы (см. об этом в главе 6).

Согласно современным представлениям, дыхание — это сложная система сопряженных окислительно-восстановительных процессов, в ходе которых происходит химическое преобразование углеводов, белков и жиров и использование высвобождающейся при этом энергии.

В 1957 г. Г.Л. Корнберг и Г.А. Кребс открыли новый дыхательный цикл глиоксалевой кислоты. Он представляет модификацию цикла лимонной кислоты и лежит преимущественно в основе дыхания бактерий и грибов, осуществляясь за счет превращения жировых веществ в углеводы.

В 50-х годах было начато изучение у растений еще одного цикла окисления углеводов, апотомического, или гексозомонофосфатного, открытого в 30-х годах у дрожжей и в тканях животных. Сравнение апотомического дыхательного цикла с фотосинтетическим циклом восстановления СО₂, предложенным М. Кальвином (1957), показало, что первый представляет собой полное зеркальное повторение второго, т. е. протекает в обратную сторону. Открытие этого факта дает основание предполагать о существовании тесной связи этих двух процессов в организме растений[49].

Большая серия исследований была посвящена изучению зависимости дыхания от особенностей растительных организмов, от других протекающих в них процессов жизнедеятельности и различных факторов внешней среды. В. Стайльз и В. Лич в 50-х годах установили, что растениям различных систематических групп свойственна определенная интенсивность дыхания, а А. Сцент-Дьёрдьи еще в 30-х годах обратил внимание На то, что различным растениям присущ даже определенный характер окислительной системы. Так, однодольные, а из двудольных крестоцветные и тыквенные, полностью или частично лишены полифенолоксидазной активности. Теперь считается вполне достоверным, что особенности дыхательной системы различных растений отражают их положение в филогенетической системе. Накапливаются также данные о различиях в дыхательной активности у различных органов растений, о зависимости дыхания от возраста. Имеются основания предполагать, что в ходе онтогенеза процесс дыхания может изменяться не только количественно, но и качественно.