Самое интересное из веществ во всем органическом мире

Ведение

 

Когда-то, где-то на Землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь об него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы. Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу.

Растение из воздуха образует органическое вещество, из солнечного луча – запас силы. Оно представляет нам именно ту машину, которую обещают в будущем Мушо и Эриксон, – машину, действующую даровою силою солнца. Этим объясняется прибыльность труда земледельца: затратив сравнительно небольшое количество вещества, удобрений, он получает большие массы органического вещества; затратив немного силы, он получает громадный запас силы в виде топлива и пищи. Сельский хозяин сжигает лес, стравливает луг, продает хлеб, и они снова возвращаются к нему в виде воздуха, который при действии солнечного луча вновь принимает форму леса, луга, хлеба. При содействии растения он превращает не имеющие цены воздух и свет в ценности. Он торгует воздухом и светом.

Ошибка Ван-Гельмонта

 

В старые времена врач обязан был знать ботанику, ведь многие лекарственные средства готовились из растений. Неудивительно, что лекари нередко выращивали растения, проводили с ними различные опыты.

Так, голландец Ян Баптист Ван-Гельмонт (1579–1644) не только занимался врачебной практикой, но и экспериментировал с растениями. Он решил узнать, благодаря чему растет растение. С животными и человеком вроде бы все ясно: поедая корм или пищу, они получают вещества, благодаря которым увеличиваются в размерах. Но за счет чего крошечное семя, лишенное рта, превращается в огромное дерево?

Чтобы ответить на этот вопрос, Ван-Гельмонт проделал следующее. Взял кадку, в которую насыпал 91 килограмм высушенной в печи почвы, смочил ее дождевой водой и посадил ивовый побег массой 2,25 килограмма. Каждый день в течение пяти лет он поливал растение чистой дождевой водой. По прошествии этого времени Ван-Гельмонт извлек деревце, тщательно очистил корни от прилипших частиц почвы и взвесил содержимое кадки и растение. Оказалось, что масса почвы уменьшилась всего на 57 граммов, а вот масса ивы возросла почти на 75 килограммов. Результат эксперимента исследователь объяснил исключительно поглощением воды. Так возникла водная теория питания растений.

Джозеф Пристли (1733–1804) – известный английский ученый-химик. Он открыл кислород, получил хлористый водород, аммиак, фтористый кремний, сернистый газ, оксид углерода. Привезенный французом Шарлем Кондамином из Южной Америки каучук Пристли в 1770 году предложил использовать для стирания написанного, назвав его гуммиэластиком. Как химика Пристли заинтересовал вопрос: почему воздух полей и лесов чище городского? Ученый предположил, что растения очищают его от веществ, выделяемых людьми при дыхании, а также дымящимися трубами заводов и фабрик. С целью проверки своего предположения он посадил под стеклянный колпак мышь. Довольно быстро животное погибло. Тогда экспериментатор поместил под такой же колпак другую мышь, но уже вместе с веткой мяты. «Это было сделано в начале августа 1771 года. Через восемь-девять дней я нашел, что мышь прекрасно могла жить в той части воздуха, в которой росла ветка мяты. Побег мяты вырос почти на три дюйма». [1].

Опыт заинтересовал ученых, многие повторили его в своих лабораториях, однако результаты получались неодинаковые: в одних случаях растения действительно очищали воздух и делали его пригодным для дыхания мыши, в других – этого не наблюдалось. Надо сказать, что сам Пристли при повторении опытов получил противоречивые результаты. Установить истину ученый уже не смог, так как консервативно настроенные англичане разгромили его прекрасно оборудованную лабораторию и богатую библиотеку за сочувствие их владельца идеям французской революции. Пристли оставил научную работу и эмигрировал в США.

В другой своей работе «Слово о слоях земных» он высказался о воздушном питании растений еще более определенно: «Откуда же новый сок сосны собирается и умножает их возраст, о том не будет спрашивать, кто знает, что многочисленные иглы нечувствительными скважинами почерпают в себя с воздуха жирную влагу, которая тончайшими жилками по всему растению расходится и разделяется, обращаясь в его пищу и тело». «Нечувствительные скважины» – это не что иное, как устьица, хорошо известные каждому из школьного учебника ботаники.

К сожалению, мысли, высказанные великим Ломоносовым, остались неизвестными научным кругам. А вот идею Пристли об очищении воздуха поддержали не только ученые, она стала популярна даже в народе. Результатом явилось массовое разведение цветов в помещениях, где находились больные. При этом двери обычно держали плотно закрытыми, дабы «вредный» наружный воздух не мог проникнуть в комнату.

Голландский врач Ингенгауз (1730–1799) усомнился в правильности такого использования растении и провел ряд экспериментов с целью проверки действенности этого приема. В результате своих опытов он сделал открытие, что только зеленые части растений могут улучшать воздух, да и то лишь в том случае, когда они находятся на свету. Все остальное – цветки, корни, а также зеленые листья, лишенные света, – воздуха не исправляет.

Проделаем такой опыт. Возьмем две банки с водой. В одну нальем воду из-под крана, а в другую – кипяченую и охлажденную. При кипячении, как известно, удаляются газы, растворенные в воде. Затем в каждую банку поместим веточки водного растения элодеи, накроем их воронками, на отростки которых наденем пробирки, наполненные водой. Обе банки выставим на свет.

Через некоторое время мы заметим, что в банке с не кипяченой водой веточки элодеи начинают выделять какой-то газ. Когда он заполнит пробирку, можно установить, что это кислород: внесенная в пробирку тлеющая лучинка ярко вспыхивает. В банке с кипяченой водой, где нет углекислого газа, веточки элодеи кислорода не выделяют.

Попробуем доказать, что все дело именно в углекислом, а не в каком-то ином газе, удаленном при кипячении. Для этого пропустим через кипяченую воду углекислый газ, и вскоре веточки элодеи станут выделять кислород.

Швейцарский естествоиспытатель Жан Сенебье (1742–1809) первым установил необходимость углекислого газа как источника углерода для зеленых растений. Он же предложил термин «физиология растений» и в 1880 году написал первый учебник по этой дисциплине.

Его соотечественник естествоиспытатель Никола Теодор Соссюр (1767–1845) работал в области физики, химии и геологии. Однако мировую известность приобрел благодаря трудам в области физиологии растений. С помощью точных методов количественного химического анализа он убедительно доказал, что растения на свету усваивают углерод из углекислого газа, выделяя при этом кислород. Ученый также установил, что растения, как и животные, дышат, поглощая кислород и выделяя углекислый газ.

Так постепенно складывались представления о фотосинтезе как о процессе, в ходе которого из углекислого газа и воды зеленые растения на свету образуют органические вещества и выделяют кислород:

6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2

Термин «фотосинтез» был предложен в 1877 году известным немецким физиологом растений Вильгельмом Пфеффером (1845–1920). В ходе этого процесса солнечная энергия преобразуется в энергию химических связей органических соединений.

Зеленая электростанция

 

Существует еще один путь использования человеком солнечной энергии, усвоенной растениями, – непосредственная трансформация световой энергии в электрическую.

Выше мы проследили путь возбужденного квантом света электрона в ходе фотосинтеза. В настоящее время он изучен довольно детально. Именно способность хлорофилла под действием света отдавать и присоединять электроны лежит в основе работы генераторов, содержащих хлорофилл.

М. Кальвин, работы которого мы уже неоднократно упоминали, в 1972 году выдвинул идею создания фотоэлемента, в котором в качестве источника электрического тока служил бы хлорофилл, способный при освещении отнимать электроны от каких-то определенных веществ и передавать их другим. Кальвин использовал в качестве проводника, контактирующего с хлорофиллом, оксид цинка. При освещении этой системы в ней возникал электрический ток плотностью 0,1 микроампера на квадратный сантиметр. Этот фотоэлемент функционировал сравнительно недолго, поскольку хлорофилл быстро терял способность отдавать электроны.

Для продления времени действия фотоэлемента был использован дополнительный источник электронов – гидрохинон. В новой системе зеленый пигмент отдавал не только свои, но и электроны гидрохинона. Расчеты показывают, что такой фотоэлемент площадью 10 квадратных метров может обладать мощностью около киловатта.

Японский профессор Фудзио Такахаси для получения электроэнергии использовал хлорофилл, извлеченный из листьев шпината. Транзисторный приемник, к которому была присоединена солнечная батарейка, успешно работал. Кроме того, в Японии проводятся исследования по преобразованию солнечной энергии в электрическую с помощью цианобактерий, выращенных в питательной среде. Тонким слоем их наносят на прозрачный электрод из оксида цинка и вместе с противоэлектродом погружают в буферный раствор. Если теперь бактерии осветить, то в цепи возникнет электрический ток.

В 1973 году американцы У. Стокениус и Д. Остерхельт описали необычный белок из мембран фиолетовых бактерий, обитающих в соленых озерах Калифорнийских пустынь. Его назвали бактериородопсином. Это вещество представляет собой белок, соединенный с каротиноидом (о каротиноидах мы поговорим ниже) ретиналем, состоящим из 20 углеродных атомов. Он похож на родопсин – пигмент сетчатки глаза позвоночных животных, что и определило его название. Белковая часть родопсина представлена полипептидной цепью умеренной длины, состоящей из 248 аминокислотных остатков, последовательность расположения которых в молекуле выяснена учеными. Большой вклад в исследование структуры бактериородопсина внесли советские ученые, работавшие под руководством академика Ю.А. Овчинникова.

В конце 1973 года в АН СССР был разработан проект сравнительного изучения животного и бактериального пигментов, получивший название «Родопсин». В 1978 году журнал «Биоорганическая химия» опубликовал статью, в которой излагалась последовательность расположения аминокислот в молекуле бактериородопсина. Лишь через год подобная работа была завершена в США под руководством известного биохимика Г. Кораны.

Любопытно отметить, что бактериородопсин появляется в мембранах галобактерий при недостатке кислорода. Дефицит же кислорода в водоемах возникает в случае интенсивного развития галобактерий. С помощью бактериородопсина бактерии усваивают энергию Солнца, компенсируя тем самым возникший в результате прекращения дыхания дефицит энергии.

Бактериородопсин можно выделить из галобактерий, поместив эти соелюбивые создания, прекрасно чувствующие себя в насыщенном растворе поваренной соли, в воду. Тотчас же они переполняются водой и лопаются, при этом их содержимое смешивается с окружающей средой. И только мембраны, содержащие бактериородопсин, не разрушаются из-за прочной «упаковки» молекул пигмента, которые образуют белковые кристаллы (еще не зная структуры, ученые назвали их фиолетовыми бляшками). В них молекулы бактериородопсина объединены в триады, а триады – в правильные шестиугольники.

Поскольку бляшки значительно крупнее всех других компонентов галобактерий, их нетрудно выделить путем центрифугирования. После промывки центрифугата получается пастообразная масса фиолетового цвета. На 75% она состоит из бактериородопсина и на 25 – из фосфолипидов, заполняющих промежутки между белковыми молекулами. Фосфолипиды – это молекулы жиров в соединении с остатками фосфорной кислоты. Другие вещества в центрифугате отсутствуют, что создает благоприятные условия для экспериментирования с бактериородопсином. К тому же это сложное соединение очень устойчиво к факторам внешней среды. Оно не утрачивает активности при нагревании до 100 °С и может храниться в холодильнике годами. Бактериородопсин устойчив к кислотам и различным окислителям. Причина его высокой устойчивости обусловлена тем, что эти гало-бактерии обитают в чрезвычайно суровых условиях – в насыщенных солевых растворах, какими, по существу, являются воды некоторых озер в зоне выжженных тропическим зноем пустынь. В такой чрезвычайно соленой, да к тому же еще и перегретой, среде организмы, обладающие обычными мембранами, существовать не могут. Это обстоятельство представляет большой интерес в связи с возможностью использования бактериородопсина в качестве трансформатора световой энергии в электрическую.

Если выпавший в осадок под воздействием ионов кальция бактериородопсин осветить, то с помощью вольтметра можно обнаружить наличие электрического потенциала на мембранах. Если выключить свет, он исчезает. Таким образом, ученые доказали, что бактериородопсин может функционировать как генератор электрического тока.

В лаборатории известного советского ученого, специалиста в области биоэнергетики В.П. Скулачева тщательно исследовались процесс встраивания бактериородопсина в плоскую мембрану и условия функционирования его в качестве светозависимого генератора электрического тока.

Позднее в этой же лаборатории были созданы электрические элементы, в которых использовались белковые генераторы электрического тока. В этих элементах имелись мембранные фильтры, пропитанные фосфолипидами с бактериородопсином и хлорофиллом. Ученые полагают, что подобные фильтры с белками-генераторами, соединенные последовательно, могут служить в качестве электрической батареи.

Исследования по прикладному использованию белков-генераторов, выполненные в лаборатории члена-корреспондента АН СССР В.П. Скулачева привлекли к себе пристальное внимание ученых. В Калифорнийском университете создали такую же батарею, которая при однократном использовании в течение полутора часов заставляла светиться электрическую лампочку. Результаты экспериментов вселяют надежду, что фотоэлементы на основе бактериородопсина и хлорофилла найдут применение в качестве генераторов электрической энергии. Проведенные опыты – первый этап в создании новых видов фотоэлектрических и топливных элементов, способных трансформировать световую энергию с большой эффективностью.

Фотосинтез и урожай

 

Жизнь современного человека немыслима без выращивания различных культурных растений. Органические вещества, образуемые ими в ходе фотосинтеза, служат основой питания человека, производства лекарств, они нужны для изготовления бумаги, мебели, строительных материалов и т.п.

Культурные растения способны быстро размножаться, покрывать зеленым экраном своей листвы громадные площади, улавливать колоссальное количество солнечной энергии и образовывать великое множество разнообразных органических веществ. В результате фотосинтеза создается 95% сухого вещества растений. Поэтому мы с полным правом можем утверждать, что управление этим процессом один из наиболее эффективных путей воздействия на продуктивность растении, на их урожай. Физиологи растений совершенно правильно считают, что основная задача работ в области фотосинтеза – сохранение и поддержание на более высоком уровне фотосинтетической деятельности естественной растительности Земли, максимальное повышение фотосинтетической продуктивности культурных растений.

Каковы же пути управления человеком фотосинтетической деятельностью растений?

Часто сдерживающим фактором фотосинтеза является недостаток углекислого газа. Обычно в воздухе присутствует около 0,03% СО2. Однако над интенсивно фотосинтезирующим полем его содержание уменьшается иногда в три-четыре раза по сравнению с приведенной цифрой. Вполне естественно, что из-за этого фотосинтез тормозится. Между тем для получения среднего урожая сахарной свеклы один гектар ее посевов должен усваивать за сутки около 300–400 килограммов углекислого газа. Такое количество содержится в колоссальном объеме воздуха.

Опыты известного отечественного физиолога растений В.Н. Любименко показали, что увеличение количества углекислого газа в атмосфере до 1,5% приводит к прямо пропорциональному возрастанию интенсивности фотосинтеза. Таким образом, один из путей повышения продуктивности фотосинтеза – увеличение концентрации углекислого газа в воздухе.

Современный уровень технологии, в целом, позволяет решить эту задачу в глобальных масштабах. Однако весьма сомнительно, чтобы человек решился на практике осуществить этот проект. Дело в том, что более высокий уровень содержания углекислого газа в воздухе приведет к изменению теплового баланса планеты, к ее перегреву вследствие так называемого «парникового эффекта». «Парниковый эффект» обусловлен тем, что при наличии большого количества углекислого газа атмосфера начинает сильнее задерживать испускаемые поверхностью Земли тепловые лучи.

Перегрев планеты может привести к таянию льдов в полярных областях и в высокогорьях, к поднятию уровня Мирового океана, к сокращению площади суши, в том числе занятой культурной растительностью. Если учесть, что население Земли увеличивается еженедельно на 1 миллион 400 тысяч человек, то понятна крайняя нежелательность таких изменений.

Человечество весьма обеспокоено естественным ростом концентрации углекислого газа в атмосфере, наблюдаемым в последние годы в результате интенсивного развития промышленности, автомобильного, железнодорожного и авиационного транспорта. Поэтому оно едва ли решится когда-либо сознательно стимулировать этот процесс в глобальных масштабах.

В теплицах и на поле увеличение содержания углекислого газа имеет важное значение для повышения урожайности культурных растений. С этой целью в теплицах сжигают опилки, раскладывают сухой лед на стеллажах, выпускают углекислый газ из баллонов. Основной способ повышения концентрации СО2 над полем – активизация жизнедеятельности почвенных микроорганизмов путем внесения в почву органических и минеральных удобрений. В процессе дыхания микробы выделяют большое количество углекислого газа. В последние годы для обогащения почвы и припочвенного воздуха СО2 поля стали поливать водой, насыщенной углекислым газом.

Другой путь преодоления отрицательного влияния низкой концентрации углекислого газа в атмосфере на урожай – распространение таких форм растений, которые очень интенсивно фотосинтезируют даже при ничтожно малом его содержании. Это – С4 – растения. У них рекордные показатели интенсивности фотосинтеза.

Распространение таких растений, дальнейшее изучение особенностей их фотосинтеза представляется весьма нужным и перспективным.

Растительность земного шара довольно неэффективно использует солнечную энергию. Коэффициент полезного действия у большинства дикорастущих растений составляет всего 0,2%, у культурных он равен в среднем одному%. При оптимальном снабжении культурных растений водой, минеральными солями коэффициент полезного использования света повышается до четырех – шести%. Теоретически же возможен КПД, равный восьми–десяти%. Сопоставление приведенных цифр говорит о больших возможностях в увеличении фотосинтетической продуктивности растений. Однако практическая их реализация встречает большие трудности.

Повысить эффективность использования солнечной энергии в ходе фотосинтеза можно, расположив растения на оптимальном расстоянии друг от друга. В изреженных посевах значительная часть света пропадет зря, а вот в загущенных растения затеняют друг друга, их стебли становятся длинными и ломкими, легко полегающими от дождя и ветра. В том и другом случае происходит снижение урожая. Вот почему очень важно выбрать для каждой культуры наиболее оптимальное расстояние. При этом следует учитывать, что оптимальная плотность посевов может быть различной в зависимости от обеспеченности растений водой, элементами минерального питания и от их особенностей. К сожалению, многие агрономы не принимают во внимание названные факторы, поэтому так медленно растет продуктивность наших полей. Наиболее часто растения неэффективно фотосинтезируют из-за недостатка воды и элементов минерального питания. Если улучшить условия водоснабжения и питания, то размеры листовой поверхности увеличатся, а между ними и величиной урожая обычно существует прямая зависимость. Однако существует некоторый предел роста эффективности фотосинтеза, когда дальнейшее улучшение водоснабжения и минерального питания не дает результатов. Дело в том, что при определенном размере листовой поверхности (обычно, когда на 1 квадратный метр посевов приходится четыре-пять квадратных метров листьев) растения поглощают практически всю энергию света. Если же на единицу площади поля приходится еще большая поверхность листьев, то в результате затенения их друг другом растения вытянутся, интенсивность фотосинтеза уменьшится. Вот почему дальнейшее улучшение снабжения растений водой и элементами минерального питания неэффективно.

В чем же выход из создавшегося положения? Ученые полагают, что в выведении новых сортов культурных растений, отличающихся выгодным строением тела. В частности, они должны иметь компактную низкорослую крону, с вертикально ориентированными листьями, обладать крупными запасающими (луковицы, клубни, корни, корневища) и репродуктивными (семена, плоды) органами.

На повышение плодородия почвы и улучшение водоснабжения эти сорта будут реагировать усилением интенсивности фотосинтеза, умеренным потреблением продуктов фотосинтеза (ассимилятов), на рост листьев и других вегетативных органов, а также активным использованием ассимилятов на формирование репродуктивных и запасающих органов.

Вот какие жесткие требования предъявляются теперь к науке, занимающейся выведением новых сортов культурных растений, – селекции. Из сказанного ясно, что без тесного сотрудничества селекционеров с физиологами растений создание перспективных сортов становится практически невозможным.

Селекционеры вывели сорта, отвечающие современным требованиям. Среди них – низкорослый рис, созданный в Международном институте риса в Маниле, хлопчатник Дуплекс, с вертикально ориентированными листьями, не затеняющими друг друга, карликовая пшеница мексиканской селекции. Эти сорта на фонах высокого плодородия дают в полтора раза более высокие урожаи, чем их предшественники. Однако это лишь один из путей увеличения фотосинтетической продуктивности растений. Дальнейшие усилия должны быть направлены на повышение активности самого фотосинтетического аппарата

Как известно, процесс фотосинтеза осуществляется в особых органоидах – хлоропластах. Здесь происходит множество реакций, прежде чем из углекислого газа и воды образуются молекулы органических веществ. Управлять этими процессами, безусловно, непросто, но возможно. Об этом свидетельствует тот факт, что интенсивность фотосинтеза у разных растений неодинакова. У одних листовая поверхность площадью в 1 квадратный дециметр усваивает за час от четырех до семи миллиграммов СО2, а у других – 60 – 80 и даже 100, то есть в 20 раз больше! Растения неодинаково реагируют на его низкую концентрацию в воздухе, интенсивность освещения и т.д.

Изучение особенностей фотосинтеза у разных растений, безусловно, будет способствовать расширению возможностей человека в управлении их фотосинтетической деятельностью, продуктивностью и урожаем.

Радуга флоры

 

Уж коли мы заговорили о пигментах растений, следует рассказать и о причинах разнообразия окраски цветков.

Зачем цветкам их яркая, сочная окраска? В конечном счете для того, чтобы привлечь к себе насекомых-опылителей. Многие растения опыляются лишь определенными видами насекомых, поэтому окраска цветков часто зависит от того, для каких именно насекомых предназначены цветовые сигналы. Дело в том, что в отношении цвета насекомые бывают довольно капризны. Скажем, пчелы, шмели, осы предпочитают розовые, фиолетовые и синие цветки, а около желтых обычно толкутся мухи. Красный же цвет многие насекомые, наделенные не слишком совершенным зрением, путают с темно-серым. Поэтому в наших широтах чисто-красные цветки довольно редки. Исключение – мак, но и его лепестки имеют примесь желтого цвета; обычно именно этот оттенок и замечают пчелы. Лучше других насекомых красный цвет различают бабочки – они-то, как правило, и опыляют красные цветки наших широт, например гвоздики. А вот среди тропических растений красный цвет более распространен, и отчасти это связано с тем, что опыляют их цветки не насекомые, а птицы: колибри или нектарницы, у которых зрение более развито.

Бывает, что у одного и того же растения окраска цветков с возрастом изменяется. Это хорошо заметно у ранневесеннего растения медуницы: розовый цвет ее молодых цветков сменяется по мере старения синим. Старые цветки медуницы пчелы уже не посещают: они, как правило, опылены и нектара не содержат. И в этом случае смена окраски служит сигналом для насекомых – не теряйте времени даром!

А вот у гилии (США) – красивого растения из семейства синюховых, родственницы флоксов, произрастающей в горах штата Аризона (США), цветки первоначально имеют алый цвет, который, как уже отметили, привлекает птиц. Но когда колибри покидают горы, гилия меняет окраску вновь появляющихся цветков: они становятся бледно-красными или даже белыми.

Окраска большинства цветков определяется присутствием различных пигментов. Самые распространенные – каротиноиды, растворимые в жирах соединения: каротин, его изомеры и производные. В растворе все они имеют бледно-желтую, оранжевую или светло-красную окраску. Названия каротиноидов, содержащихся только в цветках, столь же красивы, как и придаваемая ими окраска: эшшольксантин, пе-талоксантин, газанияксантин, ауроксантин, хризантемаксантин, рубихром.

Наряду с каротиноидами окраску цветков определяют и антоцианы. Оттенки этих пигментов очень разнообразны – от розового до черно-фиолетового. Несмотря на такое цветовое многообразие, все антоцианы устроены по одному типу – они представляют собой гликозиды, то есть соединения сахара с неуглеводной частью, так называемым агликоном. Примером может служить красящее вещество, содержащееся в цветках василька, – антоцианин. Его агликон – цианидин – один из самых распространенных, образуется в результате отщепления двух молекул глюкозы от антоциана.

Как уже говорилось, антоциановые пигменты могут изменять свою окраску в зависимости от кислотности среды. Вспомните два вида герани, распространенной в средней полосе: герань лесную и герань луговую. У лесной лепестки розовые или лиловые, а у луговой – синие. Различие в цвете обусловлено тем, что сок герани лесной более кислый. Если приготовить водную вытяжку из лепестков герани либо лесной, либо луговой – и изменить ее кислотность, то в кислой среде раствор станет розовым, а в щелочной – синим.

Такую же операцию можно проделать и над целым растением. Если цветущую фиалку поместить под стеклянный колпак рядом с блюдцем, куда налит нашатырный спирт (он при испарении выделяет аммиак), то ее лепестки станут зелеными; а если вместо нашатырного спирта в блюдце будет дымящаяся соляная кислота, они окрасятся в красный цвет.

Мы уже говорили, что одно и то же растение медуницы может иметь цветки разной окраски: розовые – молодые и синие – старые. Посинение лепестков по мере их старения можно объяснить индикаторными свойствами антоцианов. Клеточный сок растения, в котором растворен пигмент, имеет кислую реакцию, а цитоплазма – щелочную. Вакуоли с клеточным соком отделены от цитоплазмы мембраной, которая обычно непроницаема для антоцианов. Однако с возрастом в мембране возникают дефекты, и в результате пигмент начинает проникать из вакуолей в цитоплазму. А поскольку реакция здесь иная, меняется и окраска цветков.

Чтобы убедиться в справедливости этой точки зрения, возьмите ярко-красный лепесток какого-то растения, например герани, розы, и раздавите его между пальцами. При этом также произойдет смешение содержимого цитоплазмы и вакуоли, в результате лепесток в месте повреждения посинеет.

Впрочем, было бы неправильно связывать окраску антоцианов лишь с их индикаторными свойствами. Исследования последних лет показали, что она определяется и некоторыми другими факторами. Цвет антоциановых пигментов может меняться, например, в зависимости от того, с какими ионами они находятся в комплексе. При взаимодействии с ионами калия комплекс приобретает пурпурную окраску, а с ионами кальция или магния – синюю. Если срезать цветущий колокольчик и поместить его в раствор, содержащий ионы алюминия, то лепестки посинеют. То же самое наблюдается, если соединить растворы антоцианина и соли алюминия.

Многим читателям, возможно, знаком роман Александра Дюма «Черный тюльпан», в котором в остросюжетной форме рассказывается о выведении сорта тюльпана необычного черного цвета. Вот как описывает его автор романа: «Тюльпан был прекрасен, чудесен, великолепен; стебель его восемнадцати дюймов вышины. Он стройно вытягивался кверху между четырьмя зелеными гладкими, ровными, как стрела, листьями. Цветок его был сплошь черным и блестел, как янтарь».

Почти пять веков преследовали неудачи садоводов, пытавшихся вывести черный тюльпан. И вот, Фризский институт цветоводства в Гааге сделал официальное заявление о том, что в Голландии черный тюльпан получен в результате последовательного скрещивания двух сортов – «Царица ночи» и «Венский вальс». В работе принимали участие шесть голландских исследовательских центров. Полученный цветок идеален по своим классическим размерам.

Садоводы стремятся создать также черные розы. Выведены такие сорта, которые при неярком освещении действительно кажутся черными (на самом деле они темно-красного цвета). На Гавайских островах растут дикие черные розы.

В честь бессмертного произведения Гете «Фауст» садоводы создали сорт анютиных глазок черного цвета под названием «Доктор Фауст». Анютины глазки, как известно, были любимыми цветами – великого немецкого поэта и ботаника.

Черная или почти черная окраска цветков обусловлена присутствием в околоцветнике антоцианов. Кроме каротиноидов и антоцианов, лепесткам могут придавать окраску и другие вещества, в том числе флавоны и флавонолы. А какой пигмент окрашивает в молочный цвет вишневые сады, превращает в снежно-белые сугробы кусты черемухи? Оказывается, никаких белых пигментов в их лепестках нет. Белый цвет придает им. воздух. Если рассмотреть под микроскопом лепесток черемухи или любого другого белого цветка, то можно увидеть множество прозрачных и бесцветных клеток, разделенных обширными пустыми промежутками. Именно благодаря этим заполненным воздухом межклетникам лепестки сильно отражают свет и потому кажутся белыми. А если раздавить такой лепесток между пальцами, то на месте сдав-ливания появится прозрачное пятно: здесь воздух будет вытеснен из межклетников.

И все же в природе есть белая краска, например, ею окрашена в нарядный белый цвет кора нашей любимой березы. Это красящее вещество так и называется – бетулин, от латинского названия березы – Betula.

Заблуждаются те, кто считает, что береза – единственное растение с белой корой. Это не так. В Австралии произрастает эвкалипт затопляемый. Он назван так потому, что растет в руслах пересыхающих рек и в сезон дождей оказывается стоящим в воде. Стволы этих эвкалиптов имеют чисто-белый цвет, эффектно выделяющийся на фоне окружающих зеленых зарослей.

У треххвойной сосны Бунге также белая кора. Это редкий вид, встречающийся в природе в основном в горах Центрального Китая. Растение разводится по всей стране возле дворцов и храмов. Белоствольные сосны производят неизгладимое впечатление.

Еще много интересного можно было бы рассказать об окраске растений и о растительных пигментах, которые давно привлекают внимание исследователей всего мира. Более 30 лет назад известный индийский ученый Т.Р. Сешадри, много занимавшийся изучением природных красящих веществ, писал: «Музыка красок более сложна и изменчива по своей природе, нежели музыка звуков. Возможно даже, что в действительности она еще более утонченна, чем мы предполагаем».

11. Зеленые животные – реальность или фантазия!

 

В произведениях фантастического жанра нередко можно прочитать о человекоподобных существах зеленого цвета. Зеленая окраска этих организмов, обусловленная хлорофиллом, позволяет им самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических за счет энергии света. Возможно ли такое в природе?

Прежде всего следует заметить, что на Земле имеются животные, питающиеся подобным образом. Например, хорошо известная всем биологам эвглена зеленая, часто встречающаяся в застоявшихся лужах. Ботаники считают эвглену водорослью, а зоологи до сих пор по традиции относят ее к животным. В чем дело?

Эвглена свободно передвигается в воде при помощи жгутика. Такой способ передвижения характерен как для ряда простейших животных, так и для некоторых ботанических объектов, например зооспор отдельных видов водорослей. Эвглена содержит хлорофилл, поэтому при интенсивном ее размножении вода в лужах приобретает изумрудно-зеленую окраску. Наличие хлорофилла позволяет ей питаться углекислым газом подобно всем зеленым растениям. Однако, если водоросль перенести в воду, содержащую некоторые органические вещества, то она теряет зеленую окраску и начинает, подобно животным, питаться готовыми органическими веществами.

Эвглену все-таки нельзя назвать типичным животным, поэтому поищем других представителей. питающихся, подобно растениям, при помощи хлорофилла.

Еще в середине XIX века немецкий зоолог Т. Зибольд обнаружил в телах пресноводной гидры и некоторых червей хлорофилл. Позднее он был найден в организмах и других животных: гидроидных полипов, медуз, кораллов, губок. коловраток, моллюсков. Выяснено, что некоторые морские брюхоногие моллюски, питающиеся сифоновыми водорослями, не переваривают хлоропласты этих растений, а длительное время содержат их в организме в функционально-активном состоянии. Хлоропласты сифоновых водорослей кодиума хрупкого и кодиума паутинистого, попадая в организм моллюсков, не перевариваются, а остаются в нем.

Попытки освободить моллюсков от хлоропластов, поместив их в темноту на полтора месяца, оказались безуспешными, равно как и выведение их из яиц. Бесхлоропластные личинки моллюсков погибали на ранней стадии развития.

Внутри животной клетки хлоропласты плотно упакованы и занимают значительный объем. Благодаря им моллюски, не имеющие раковины, оказываются окрашенными в интенсивно зеленый цвет.

Почему же сифоновые водоросли «полюбились» моллюскам? Дело в том. что в отличие от других зеленых водорослей они не имеют клеточного строения. Их крупное, часто причудливое по форме тела представляет собой одну гигантскую «клетку». Слово «клетка» я взял в кавычки не случайно. Хотя клеточные стенки в теле сифоновых водорослей отсутствуют, вряд ли можно назвать их одноклеточными организмами, скорее это конгломерат не вполне разделившихся клеток. Подтверждением тому служит наличие не одного, а множества клеточных ядер. Такое строение назвали сифонным, а сами водоросли – сифоновыми. Отсутствие клеточных стенок, безусловно, облегчает процесс поглощения водоросли животными клетками.

Ну а каковы хлоропласты этого растения? В теле водоросли содержатся один или несколько хлоропластов. Если их много, они имеют дисковидную или веретеновидную форму. Одиночные обладают