Адаптивные возможности растений и перспективы освоения культур в нетрадиционных районах

Солнечный свет – наиболее мощный и наименее освоенный человеком источник энергии. Сегодня только одним зелёным растениям природой дано искусство создавать органические вещества из воды и воздуха, используя энергию света. В процессе ассимиляции, или фотосинтеза, в листьях и стеблях растений, при участии хлорофилла, из углекислого газа и воды образуются виноградный сахар (глюкоза), а затем крахмал и другие более сложные органические соединения. Заключённая в этих веществах энергия обязана своим происхождением солнечному свету.

Фотосинтез растений

Условия освещения играют исключительную роль в жизни растений. Вряд ли стоит описывать, сколь отличаются между собой длинные, тонкие, почти безлистные побеги проросшего в тёмном подвале картофеля и здоровая, широколистная, темно-зелёная ботва растений, росших в открытом грунте. Это известно каждому. Причины неодинакового развития на свету и в темноте очевидны: растение, развивающееся на свету, потребляет для своего роста солнечную энергию- затенённое растение довольствуется запасами энергии, хранящимися в клубне, и стремится с помощью тонких и длинных побегов как можно быстрее и с наименьшими затратами пробиться навстречу Солнцу.

Солнечный свет – наиболее мощный и наименее освоенный человеком источник энергии. За исключением энергии ядра практически вся энергия, прямо или косвенно использовавшаяся когда-либо человеком, представляет собой энергию световых лучей. Гидравлические электростанции преобразуют энергию рек в электрическую. Однако возможность работы ГЭС обусловлена круговоротом воды в природе: нагревание атмосферы солнечными лучами вызывает испарение воды, которая затем выпадает в виде осадков. Тепловые электростанции вырабатывают энергию, используя каменный уголь, нефть, природный газ, то есть органические вещества, которые были созданы зелёными растениями с помощью солнечной энергии миллионы лет назад.

Органическое происхождение имеют также бензин, керосин, мазут и прочие виды минерального топлива, получаемые из нефти и каменного угля. Продукты питания, обеспечивающие человеческий организм необходимой энергией (зачастую в больших, чем это требуется, количествах), в конечном счёте поставляются растениями, поскольку животные, мясо которых мы едим, питаются либо зелёными растениями, либо травоядными животными. Что касается самих растений, то они вырабатывают органические вещества, непосредственно улавливая и связывая лучистую энергию. Без этого первичного использования света жизнь на Земле была бы невозможна.

Но если растения издавна «умеют» утилизировать энергию солнечного луча без каких-либо промежуточных, посредствующих звеньев, то человек смог это сделать с помощью техники лишь в последние десятилетия, правда, пока в очень незначительных масштабах, которые с точки зрения существующих объёмов производства энергии можно вообще не принимать во внимание. Сегодня только одним зелёным растениям природой дано искусство создавать органические вещества из воды и воздуха, используя энергию света. В процессе ассимиляции, или фотосинтеза, в листьях и стеблях растений, при участии хлорофилла, из углекислого газа и воды образуются виноградный сахар (глюкоза), а затем крахмал и другие более сложные органические соединения. Заключённая в этих веществах энергия обязана своим происхождением солнечному свету.

Эти факторы широко известны. Но то, что сегодня знает каждый школьник, оказывается пока недоступным для повторения в лабораториях без участия зеленого растения. Если частично прикрыть ассимилирующий лист небольшим кружочком из непрозрачного материала, то можно убедиться в том, что только в освещённой части листа из воды и воздуха будут синтезироваться глюкоза, а затем крахмал – dopinfo.ru. Если в конце дня обработать этот лист раствором йодистого калия, то участки листа, содержащие крахмал, потемнеют и перед вами, словно на фотоотпечатке, сделанном с негатива, окажется точное изображение прикрытой части листа.

Процесс фотосинтеза стал для нас явлением настолько само собой разумеющимся, что мы уже более не удивляемся всему совершенству подобного способа использования энергии. Мы приведем несколько цифр, которые позволят наглядно показать, что в действительности скрывается за понятием «фотосинтез».

Начнём с малого. Один квадратный сантиметр листа сахарной свеклы в течение дня образует из воздуха и воды с помощью солнечного света всего одну тысячную долю грамма глюкозы. Картофель и ячмень продуцируют еще меньше. Однако общее количество углеводов, выработанных всеми листьями растения, уже нельзя недооценивать. Сколько органического вещества может синтезировать Растение из воздуха и воды в течение года, довольно убедительно показывает урожай зерновых, снимаемый с полей. С точки зрения энергетического баланса подобное производство в высшей степени рационально и экономично. Для синтеза 1 килограмма глюкозы растению достаточно затратить около 4,4 киловатт-часа энергии.

Примерно такое количество энергии потребляет цветной телевизор, если в течение пяти дней он работает по три часа каждый вечер. Один килограмм виноградного сахара связывает 400 граммов чистого углерода, синтезированного из 0,75 кубического метра углекислого газа. Так как содержание углекислого газа в воздухе составляет всего 0,033 процента, то для того, чтобы получить такое количество углерода, растение должно «обработать» 2250 кубических метров воздуха. Одновременно с этим происходит химическое разложение 0,6 литра воды и выделение 0,75 кубического метра чистого кислорода.

Рассмотрим теперь фотосинтез в глобальном масштабе. Ежегодно наземные растения связывают 17,2 миллиарда тонн углерода, растения морей – 25 миллиардов тонн этого элемента, содержащегося в углекислом газе атмосферы и Мирового океана. В сумме эти 42,2 миллиарда тонн углерода расходуются на образование 105,5 миллиарда тонн виноградного сахара. Для перевозки такого количества сахара потребовался бы железнодорожный состав длиной более чем в 50 миллионов километров, что в 40 раз превышает общую длину всех железнодорожных линий Земли, равно одной трети расстояния от Земли до Солнца и в 130 раз больше расстояния от Земли до Луны. А содержание состава – всего-навсего годовое производство виноградного сахара всей растительностью Земли.

В процессе фотосинтеза растения за год усваивают 467 триллионов киловатт-часов солнечной энергии. Это почти в 170 раз превышает мировую выработку энергии за год. Из этого количества растения потребляют 189 500 миллиардов киловатт-часов, возвращают в атмосферу 17,1 миллиарда тонн углерода, а оставшиеся 25,1 миллиарда тонн углерода трансформируют в твёрдое вещество. Помимо того, растительный мир связывает за год 37,8 миллиарда кубических метров воды, а и самих растениях ежегодно накапливается 277 500 миллиардов киловатт-часов энергии. В процессе синтеза, происходящего в столь гигантских масштабах, растения ежегодно перерабатывают 79 триллионов кубических метров углекислого газа, 32 триллиона возвращаются вновь в атмосферу, а 47 триллионов остаются в связанном состоянии. Кроме того, растения выделяют в атмосферу 47 триллионов кубических метров чистого кислорода.

Эти цифры настолько велики, что их уже трудно воспринимать. Однако можно с уверенностью сказать, что в ближайшее время в атмосфере не будет недостатка углекислого газа, а поэтому голодная смерть не угрожает всему живому на Земле. Эта уверенность гарантируется тем, что люди, животные и микроорганизмы, вместе с пищей получающие углерод, при дыхании выделяют в атмосферу углекислый газ. Одни только люди выдыхают за год 140 миллионов тонн углерода. Почвенные микроорганизмы дают несколько больше 24 миллиардов тонн. Огромную роль в этом процессе играют микроскопические, преимущественно простейшие организмы – бактерии. Без подобного «возврата» углерода в атмосферу наземная растительность погибла бы уже через 62 года, а запасов питания для морских растений хватило бы на 2400 лет. Благодаря жизнедеятельности всех живых существ на Земле кругооборот углерода в природе оказывается сбалансированным.

В течение многих миллионов лет создавались некоторые излишки связанного углерода в форме залежей торфа, каменного угля, нефти, природного газа. Но с конца позапрошлого века человек активно разрабатывает и сжигает эти природные запасы ископаемого топлива. Всего за несколько столетий мы возвратили в атмосферу и океаны углерод, который многие миллионы лет накапливался в осадочных отложениях.

Мы стоим на пороге того, чтобы нарушить равновесие земной атмосферы. Будет ли это иметь решающее значение для развития климата и всего живого на пашей планете? Из-за постоянно растущих потребностей в энергии мы до сих пор вынуждены участвовать в этом в высшей степени сомнительном эксперименте: ведь в отличие от растений человек еще не научился прямо и в больших масштабах использовать энергию света.

Последние достижения в области химии свидетельствуют о том, что для освоения такого источника дешёвой энергии, каким является энергия Солнца, вовсе не обязательно разрабатывать столь дорогостоящие проекты, как, например, создание гигантских «солнечных печей» (над этим работают, в частности, американские ученые). Известно, что на свалках скапливаются огромные количества самых разнообразных искусственно созданных человеком материалов, при сжигании которых в специальных установках в качестве побочного продукта горения образуются высокотоксичные газы. В то же время эти материалы могут разлагаться на простейшие элементы практически «бесплатно», быстро и без какого-либо ущерба для окружающей среды непосредственно под воздействием солнечного света, если только в процессе производства в их состав будут добавлены специальные биокатализаторы – биологически активные вещества.

Условия освещения в жизни растений

Потребность в энергии обусловливает необходимость максимального поглощения солнечной радиации. Особую актуальность данная проблема приобретает при решении вопросов, связанных с запуском автоматических межпланетных станций, искусственных спутников Земли, лунных модулей, космических лабораторий и т.п. Электропитание разнообразной электронной аппаратуры искусственных орбитальных станций осуществляется о помощью так называемых солнечных батарей, которые состоят из большого числа фотоэлементов, непосредственно преобразующих энергию солнечной радиации в электрическую. Значит, космонавтам нет необходимости брать с собой в полёт большой запас разного рода «энергетических консервов», в частности, очень тяжёлые аккумуляторы, обладающие к тому же небольшим сроком службы.

Если солнечные батареи укрепить жёстко на подвижной системе, например на искусственном спутнике Земли, то Солнце будет освещать их периодически: из-за осевого вращения спутника большую часть времени они не смогут производить электроэнергию. Чтобы избежать этого, инженеры по космической технике создали исключительно сложные электронные системы слежения, которые непрерывно фиксируют направление солнечных лучей и посредством прецизионных сервомеханизмов стабилизируют спутник в положении, которое обеспечивает оптимальный режим освещения батарей Солнцем. Цепочка от чисто измерительной аппаратуры (для определения направления инсоляции) через систему расчётно-логической обработки полученных данных до системы очень точного выполнения управляющих операций – путь с технической точки зрения достаточно долгий и сложный- к тому же сама электронно-механическая конструкция, выполняющая всё это множество операций, расточительна в своем функционировании и чрезвычайно дорога в изготовлении. Пространственные же возможности для её размещения исключительно малы, даже если иметь в виду такое достоинство солнечных элементов, как их миниатюрность.

Решение этой проблемы растениями на голову выше технических решений, найденных человеком. В принципе растения также обладают системой следящего управления. Но сколь экономны используемые ими средства, сколь незначительны конструктивные издержки! Прибор для определения направления источника света, механизм обработки полученных данных, сервомеханизм и, наконец, сама управляемая часть растения образуют весьма компактную конструктивную единицу размером, если взять крайний случай – одноклеточную водоросль, около одной тысячной доли миллиметра в поперечнике. Выполняемая всеми этими живыми механизмами работа не ограничивается слежением за источником света: в том же крошечном объеме размещена комплексная «монтажная схема» живого организма, ответственная за выполнение всех его жизненных функций.

Впрочем, и у высших растений проблема слежения решена настолько рационально, что исполняющие его механизмы не требуют отдельного места – это лишь одна из многочисленных функций самого растения.

Что же даёт подобная система слежения за источником света? В космических полётах прежде всего ориентацию приборов на Солнце- в ботанике – множество видовых особенностей, о которых написаны десятки томов. Здесь будут приведены лишь немногие примеры, иллюстрирующие чисто внешнюю реакцию растений на свет.

Условия освещения играют исключительную роль в жизни растений. Вряд ли стоит описывать, сколь отличаются между собой длинные, тонкие, почти безлистные побеги проросшего в тёмном подвале картофеля и здоровая, широколистная, темно-зеленая ботва растений, росших в открытом грунте - dopinfo.ru. Это известно каждому. Причины неодинакового развития на свету и в темноте очевидны: растение, развивающееся на свету, потребляет для своего роста солнечную энергию- затенённое растение довольствуется запасами энергии, хранящимися в клубне, и стремится с помощью тонких и длинных побегов как можно быстрее и с наименьшими затратами пробиться навстречу Солнцу.

Вот ещё один пример управляющего воздействия внешней среды на формирование внешней структуры, правда, воздействия, имеющего обратную направленность. Избыток света, особенно его ультрафиолетовой составляющей в горной местности, может оказаться вредным и привести к солнечным ожогам. В условиях избыточного освещения растения вырабатывают защитные приспособления, которые позволяют им уберечься от чрезмерной инсоляции. Так, альпийское растение эдельвейс – травянистый многолетник – густо опушено белыми волосками. В условиях равнин, где инсоляция слабее, и в частности слабее ультрафиолетовое излучение, образование у растений ворсистого опушения намного меньше. Оно полностью отсутствует у растений затенённых местообитаний.

Свет управляет ростом растений: они растут в направлении большей освещённости, их чувствительность к свету столь велика, что побеги некоторых растений, в течение дня содержавшиеся в темноте, реагируют на вспышку света, длящуюся всего две тысячных доли секунды. Реакция наступает спустя 20 минут и достигает апогея примерно через час. Как сильно при этом изогнётся стебель в направлении вспышки, зависит от количества попавшего на него света.

Обычно плоскость листа располагается перпендикулярно к падающим на него лучам (исключение составляют растения, растущие под палящими лучами тропического солнца). Если лист затеняет другой, то «обделённый» лист постепенно сдвигается в сторону с таким расчётом, чтобы освещение его было оптимальным. Индивидуальные механизмы регулирования у каждого листа позволяют растению создать из листьев мозаичную картину (листовую мозаику), в которой листья расположены весьма плотно, без каких-либо больших просветов между ними, но при этом не затеняют друг друга. Особенно хорошо видна листовая мозаика на плюще, покрывающем наружные стены зданий. Эффект мозаичности усиливается специфической формой листьев. Совершенную систему слежения за источником света можно наблюдать у льнянки (Linaria cymbalaria). Её цветоножка реагирует на световое раздражение таким образом, что цветок всегда оказывается повёрнутым к свету. После того как околоцветник завянет и на месте цветка образуется плод, «поведение» цветоножки в корне меняется. Растение старается отвернуть плод от луча света и «подыскивает» в стене дома или камне темную расщелину, в которую оно могло бы высеять созревшие семена.

Экстремальные условия обитания растений

Всё, что сейчас мысленно встаёт перед вашим взором, – это всё потенциальные отходы, отбросы, мусор. Завтра или послезавтра эти вещи придут в негодность или они вам больше не будут нужны, и вы их выбросите за ненадобностью: холодильники и детские коляски, канцелярские бумаги и отработанное масло, обувь и «вышедшие из моды» бронетранспортёры или даже целые здания. Буквально всё произведённое нами вчера – сегодня отходы, а то, что мы вырабатываем сегодня, завтра пойдёт на свалку. Свалки буквально «пожирают» ландшафт, отравляют грунтовые воды, превращаются в очаги новых эпидемий. Однако гораздо опаснее тех отбросов, какие свозятся на свалки, другие, вездесущие, но трудно устранимые: пыль, отработанные газы, сточные воды. Это уже не угроза будущему, а бич настоящего. Опасные отходы производства превращают реки, озёра, моря в биологически мёртвую среду, заражают пахотные угодья и пастбища, отравляют атмосферу.

Все попытки содержать в открытом грунте в условиях Центральной Европы изнеженные растения флоры тропических лесов кончаются неудачей: довольно быстро «чужеземцы» гибнут. Успешно выращивать такие растения можно лишь в оранжерее, которая позволяет создать более благоприятные, чем на открытом воздухе, температуру, влажность и освещённость. Почвенно-климатические условия тропических лесов с их постоянно высокими температурами и влажностью резко отличаются от природных условий так называемых «умеренных» широт.

Например, среднегодовая температура воздуха на Яве равна 25° по Цельсию, средняя температура самого холодного месяца, февраля, достигает 24,5°, а самого тёплого, сентября, около 25,5° выше нуля. Для сравнения скажем, что средняя температура января в Мюнхене равна минус 1,5°, а июля – плюс 17,5°. Таким образом, перепад средних температур в экваториальном лесу между самым тёплым и самым холодным месяцами года не превышает 1°, в странах же умеренного климата он составляет почти 20°. Аналогичная картина наблюдается и в отношении влажности воздуха, осадков, числа солнечных дней в году. Остается лишь удивляться тому, что мы называем наши средние широты «умеренными».

Таким образом, тропические растения, которые не переносят резких колебаний погодно-климатических условий умеренных широт, могут нормально расти в европейском климате лишь под защитой оранжерей.

Но на Земле есть немало мест, где существуют экстремальные условия обитания. Так, в пустынях перепады между дневной и ночной температурами воздуха нередко достигают 50° и более. Относительная влажность воздуха в течение суток изменяется здесь в пределах 70-80 процентов. Картину дополняют немилосердно палящие лучи Солнца.

Но вот в южноафриканской пустыне Намакваленд обитает небольшое растеньице, сумевшее защитить себя от гибельного климата путём создания «персональной» оранжереи: это фенестрария (Mesembryanthemum rhopalophyllum). Уже само название растения (от лат. fenestra - окно) намекает на существование своего рода «тепличной конструкции», и это действительно так. Иные, чем на родине, условия освещённости и обогрева несколько изменили внешний облик растения. В естественных же условиях оно почти полностью погружено в почву. На поверхности остается лишь кончик толстого булавовидного листа. Подземное существования превратило этот вид в растение закрытого грунта. Почва, которая окружает фенестрарию практически со всех сторон, предохраняет ее от чрезмерного нагрева, высыхания и прямого воздействия солнечных лучей.

Но любое зеленое растение нуждается хотя бы в минимуме света, причём этот минимум должен быть более или менее равномерно распределён по всему растению, а не сосредоточиваться в одном месте. С первого взгляда кажется, что фенестрария избрала именно последний, неблагоприятный вариант: она почти целиком скрыта в земле, лишь кончики листьев поднимаются над поверхностью почвы и оказываются на полном солнечном свету. В действительности же все обстоит иначе, поскольку каждый булавовидный скрытый в земле лист её – это небольшая «тепличная конструкция». В кончиках листьев фенестрария отсутствует хлорофилл, они прозрачны, как стекло. Лучи света попадают внутрь растения, практически не ослабевая и не нанося ему никаких ожогов. Внутренность листа заполнена прозрачной тканью.

Солнечные лучи, проходя сквозь водянистую ткань сердцевины листа, достигают изнутри его зеленых, лежащих под землей стенок. Содержащая хлорофилл фотосинтезирующая ткань располагается внутри листа на его непрозрачных стенках. Свет, попадающий в эту ткань из сердцевины листа, равномерно рассеян и ослаблен до оптимальной интенсивности. Кончик листа, «оконце», подобно обычному стеклу, отражает значительную часть ультрафиолетовых лучей. Свет же, попадающий внутрь растения, рассеивается там и довольно равномерно распределяется изнутри по стенкам листа, причём часть световой энергии поглощается прозрачной сердцевиной.

Таким образом, фенестрария достаточно умело использует принцип «тепличной конструкции», но, хотя конечный результат один и тот же, всё же имеется и существенное различие между оранжереей и растением. Назначение оранжереи – приспособить условия окружающей среды к потребностям растения-чужеземца. Фенестрария же, используя те же средства, приспосабливает свои потребности к окружающим условиям. Иными словами, на одной стороне – конструктивное изменение окружающего мира, на другой – приспособление к нему.

Когда накапливаются отходы

Вам, бесспорно, приходилось встречать сообщения о том, что в каком-то большом городе работники коммунального хозяйства, занимающиеся вывозкой мусора и бытовых отходов, на несколько дней объявили забастовку. В такие дни мусорные баки обычно бывают переполнены, а всё, что не попало в них, валяется рядом, захламляя землю. Любое дуновение ветра поднимает в воздух и разносит по сторонам обрывки газет, клочки бумаги и грязные картонки, с грохотом гонит по дороге порожние жестяные банки. Вихрем кружится грязно-сальная пыль. Въедливый, невыносимый смрад гниющих пищевых отходов вызывает тошноту.

Таков частный аспект проблемы отходов. Большую масштабность и остроту она обретает тогда, когда отходы накапливаются в течение не двух-трёх дней, а многих месяцев, лет и десятилетий. Трудно представить себе, какое огромное количество вещей имеет самое непосредственное отношение к нашей повседневной жизни, начиная от стержня для шариковой ручки и кончая автомобилем! Какое изобилие самых разнообразных предметов сходит каждую секунду с полностью автоматизированных поточных линий гигантских промышленных предприятий!

Всё, что сейчас мысленно встаёт перед вашим взором, – это всё потенциальные отходы, отбросы, мусор. Завтра или послезавтра эти вещи придут в негодность или они вам больше не будут нужны, и вы их выбросите за ненадобностью: холодильники и детские коляски, канцелярские бумаги и отработанное масло, обувь и «вышедшие из моды» бронетранспортёры или даже целые здания. Буквально все произведённое нами вчера – сегодня отходы, а то, что мы вырабатываем сегодня, завтра пойдет на свалку. Свалки буквально «пожирают» ландшафт, отравляют грунтовые воды, превращаются в очаги новых эпидемий. Всемирная организация здравоохранения со всей серьёзностью обращает внимание на то, что «над человечеством, все более усиливаясь, нависает угроза взрывоподобного распространения чумы», особенно реальная в условиях стремительного в наши дни роста городов.

Во многих странах мира, и США не являются здесь исключением, количество крыс превышает численность людского населения. Эликсир жизни этих животных – отбросы. До тех пор пока человек не решит проблему ликвидации отходов, он не покончит с крысами, не устранит вероятность возникновения эпидемии чумы. Угроза распространения инфекционных болезней в результате роста городов реальна лишь тогда, когда города расширяют свои территории за счёт свалок и трущоб с их антисанитарными условиями. Развитие градостроительства, ведущегося современными индустриальными методами с учетом новейших достижений науки, техники, архитектуры, приводит к улучшению жилищных условий горожан, в частности санитарных условий их жизни, и исключает опасность развития эпидемий.

Гораздо опаснее тех отбросов, какие свозятся на свалки, другие, вездесущие, но трудноустранимые: пыль, отработанные газы, сточные воды. Это уже не угроза будущему, а бич настоящего. Опасные отходы производства превращают реки, озера, моря в биологически мёртвую среду, заражают пахотные угодья и пастбища, отравляют атмосферу. В центральной части Токио уже сегодня установлены специальные колонки, которые дают возможность жителю японской столицы, задыхающемуся в чудовищном смоге, получить за плату глоток свежего воздуха. Неужели подобные колонки станут обыденным явлением в жизни наших детей?

Данные последних лет ошеломляют. Например, в Германии ежегодно в атмосферу выбрасывается такое количество пыли и газообразных веществ, которое в расчете на одного жителя страны превышает вес бытовых отходов на душу населения. Чрезмерное загрязнение воздушной среды создают: 8 миллионов тонн высокотоксичной окиси углерода (угарный газ), 4 миллиона тонн не менее опасной для здоровья двуокиси серы, 4 миллиона тонн пыла и копоти, поражающих лёгкие и гортань, 2 миллиона тонн окислов азота и столько же углеводородов. Объём выброса в атмосферу дыма и копоти растёт столь же высокими темпами, как и потребление электроэнергии, поскольку они – продукты сжигания твёрдого топлива. Почему же мы, люди, изготавливая те или иные вещи, заблаговременно не задумываемся над проблемой уничтожения отходов, проблемой, с которой нам неизбежно придется столкнуться, быть может, уже на следующий день?

Железо легко ржавеет, но предметы длительного пользования не должны покрываться ржавчиной, поэтому мы предпочитаем делать их из алюминия, а не из железа. Это разумно. Повышение долговечности изделия оправдывает более высокие издержки его производства. Но почему повсюду в мире для изготовления консервных банок, на которые прежде шла жесть, все шире начинают применять алюминий? На производство алюминия затрачивается в шесть раз больше энергии, чем на производство чёрных металлов. Несомненно, что по своему весу консервная банка из алюминия легче жестяной. Но на изготовление последней расходуется вдвое меньше энергии. А как известно, увеличение энергетических затрат в два раза означает не только удвоение темпов потребления энергоресурсов, но и возрастание вдвое объёма загрязняющих веществ. Конечный же продукт по своей значимости никоим образом не оправдывает необходимость увеличения массы отходов, с одной стороны, и величины производственных издержек – с другой. Консервная банка сама по себе – предмет крайне эфемерный. На мусорных же свалках алюминиевые консервные банки «живут» едва ли не вечно. И совсем наоборот, ржавчина уничтожила бы нашу добрую старую жестяную банку за весьма непродолжительное время. Почему же, изготавливая те или иные вещи, мы заблаговременно не задумываемся над решением проблемы уничтожения отходов?

Растения – гениальный потребитель отходов

По сравнению с людьми растения ежегодно, на протяжении вот уже многих миллионов лет, создают во много раз большее количество отходов. Но их уничтожение происходит незаметно, без применения дорогостоящих вспомогательных технических средств и не загрязняет ни почву, ни воды, ни атмосферу. Отходы ликвидируются бесшумно, неприятные запахи не досаждают людям. В отличие от пластмассовых ведер, старых машин, превратившихся в металлолом, и железобетонных бункеров, которые достались нам в наследие от последней мировой войны, растительные отходы не лежат незыблемо годами, а, наоборот, разлагаются чрезвычайно быстро. И уже очень скоро растения вновь могут использовать возникшие продукты распада.

В растительном мире оба процесса – образование отходов и их уничтожение – хорошо уравновешены. Равновесная же система в состоянии функционировать безгранично долго. Человек практически никогда не отдавал себе отчёта в том, насколько рационален процесс становления и отмирания в природе. Если бы человек более прилежно учился у природы, он вряд ли создал бы столь несбалансированный механизм промышленного производства. В настоящее время процесс производства, несомненно, организован лучше, нежели процесс устранения отбросов. Даже то, что мы именуем переработкой и использованием отходов, вряд ли достойно называться так. Установки для сжигания мусора лишь превращают твёрдые отходы в газообразные, а водоочистные сооружения всего только трансформируют жидкие отбросы в твёрдые. Однако корень зла лежит намного глубже.

Если мы и впредь будем так же активно продолжать изготовлять в массовых количествах необходимые для нас вещи, не задумываясь в каждом конкретном случае над тем, каким образом мы могли бы в нужный момент и безболезненно от них избавиться (то есть устранять вещь вообще, а не отложить в сторону, хотя бы и на свалку), то в длительной перспективе уже никакая, даже самая щедрая, программа по охране окружающей среды не может стать основой радикального решения проблемы отходов в целом. Насколько односторонне наше мышление в отношении проблем производства материальных благ, насколько далеко наше сознание от понимания необходимости установления равновесия между процессами созидания и упразднения, весьма наглядно иллюстрирует тот факт, что до сих пор в нашем языке нет общепринятого термина для процесса «возвращения» созданных руками человека и отслуживших свой век вещей в исходные сырьё и материалы, то есть процесса, идущего в направлении, обратном процессу производства.

В русском (да и не только в русском) языке такой термин есть: утилизация вторичного сырья. Требуется радикальное расширение этой области хозяйства, создание индустрии вторсырья. Иная картина наблюдается в растительном мире. Здесь существует устойчивое равновесие между созиданием и разрушением, иными словами, система круговорота веществ, когда всё то, в чем растение более не нуждается, немедленно «демонтируется», превращается в первичные элементы, которые тотчас повторно используются. Отходы в том смысле, в каком они знакомы нам, природе неизвестны. В мире растений практически нет резко выраженной границы между процессами становления и отмирания: созидание и разрушение постепенно и неприметно переходят друг в друга – dopinfo.ru. Новообразование органов и распад не нужных более листьев, стеблей и цветков происходят в природе одновременно. Все синтезируемые в природе вещества легко и быстро расщепляются, а продукты распада утилизируются.

У вечнозеленых тропических деревьев и кустарником старые листья опадают после того, как появятся и достаточно окрепнут новые листья, но это не мешает последним хорошо развиваться: черешки стареющих листьев сильно прогибаются, опуская сам лист вниз, что уменьшает затенение молодой листвы. Интересно и другое. Прежде чем опасть, листья прямо на дереве желтеют и выцветают. Это явление характерно также для всех лиственных пород деревьев и кустарников умеренного климата. Выцветание листвы – внешний признак ее отмирания. Перед листопадом наблюдается отток из листьев я ткани стебля наиболее дефицитных соединений, прежде всего соединений, содержащих азот. Иными словами, растение перед тем, как сбросить ненужные листья – а это своего рода «отходы», – забирает из них наиболее пригодные для повторного использования строительные материалы.

Проследим за дальнейшей судьбой сброшенной листвы. В летне-зёленых широколиственных лесах средней полосы опавшая листва довольно равномерным слоем устилает землю в течение всей зимы и первых весенних месяцев. Но это вовсе не бесполезный мусор, а ценнейшее средство защиты растений от неблагоприятных условий среды. Как садовник укрывает на зиму молодые растения соломенными матами или мешковиной, чтобы защитить их от холодных ветров и сильного теплового излучения, так и опавшая листва служит защитой травяному покрову. Но вот наступает весна, и растения возобновляют свой рост. Пришло время убирать маты с грядок.

А что же происходит в природе? Разумеется, не в ее силах свернуть ковёр из опавшей листвы, которым были на зиму покрыта земля в лесу. Но это и нежелательно, поскольку опад позволяет почве удерживать влагу и тепло в той мере, в какой это необходимо для прорастающих семян. Однако для роста молодых растений требуется освещение, и прошлогодние листья ведут себя так, как будто знают об этом: листва становится полностью проницаемой для лучей света, особенно той части его спектра, которая необходима для фотосинтеза. Максимальной проницаемости листья достигают в марте – апреле, как раз ко времени прорастания семян. Используя современную терминологию, мы можем сказать, что опавшие листья – это полезнейшие для окружающей среды отходы. Лишь после того как эти «отходы» выполнят- свою последнюю задачу – обеспечат всходы необходимой влагой в почве, – они будут окончательно переработаны почвенными бактериями, этими мельчайшими организмами, которым растительный опад служит пищей.

В итоге образуется плодородный гумус (перегной). Трудно себе представить иной способ, который позволил бы с большой эффективностью использовать отходы.

Растения – гениальный потребитель отходов вообще, а не только тех отходов, которые тесно связаны с производством ими органического вещества. Исключительно быстро и без остатка бактерии перерабатывают животные отходы: экскременты, падаль. Так, полностью утилизируют птичий помёт и многократно его используют поселяющиеся в кронах деревьев растения-эпифиты. Эпифитов особенно много во влажных тропических лесах. Те из них, чьи семена не имеют приспособлений к распространению ветром, «упаковывают» свои семена в сладковатую мякоть плодов, охотно поедаемых птицами, и они совершают путешествие по воздуху «зайцем», в желудке у птиц. Однако птичий желудок не в состоянии переварить семена с их твердой оболочкой, и они выводятся из организма птицы вместе с её экскрементами. Не будь птичьего помёта, семена не смогли бы удержаться на гладкой коре деревьев. Помёт же надежно приклеивает семя к стволу и одновременно обеспечивает его необходимой влагой. Но и это еще не все. Молодое растение использует птичий помёт в качестве очень ценного азотного удобрения. Таким образом, природа «умеет» в высшей степени рационально распорядиться своими отходами.

Как мы видим, отходы – это ценный, а в отдельных случаях даже жизненно необходимый продукт.

Сточные воды – важное сырьё

Каждое мгновенье в живом организме протекают химические реакции. Подобно людям, растения также пользуются «услугами» целого ряда высокоактивных посредников. Но в отличие от применяемых в технике большинство растительных катализаторов узко специализировано.

Отходы – это ценный, а в отдельных случаях даже жизненно необходимый продукт. В рубрике «Практическая охрана окружающей среды» международный журнал «Горькая истина» поместил краткую статью о том, как небольшой городок Санти, расположенный на Тихоокеанском побережье США, решил проблему сточных вод. Один из разделов статьи озаглавлен: «Сточные воды – жизненно важное сырьё». Вот что писал журнал по этому поводу:

«Комплексная обработка сточных вод, будь то путём естественного разложения их содержимого в почве или путем применения промышленных способов очистки, в конечном счете даёт регенерированную воду плюс твёрдые компоненты, которые могут быть употреблены как питательные вещества, стимулирующие рост растений. Если природа перерабатывает содержащиеся в сточных водах примеси биологическим путём и возвращает их в почву, то в Санти применяются технические средства, которые позволяют выделить из воды весь плавающий мусор и любые взвеси.

На первых порах перед муниципалитетом города стоял вопрос: допустимо ли вообще в больших количествах очищать сточные воды с целью сделать их пригодными для повторного использования? В ходе тщательного изучения всей имевшейся информации выяснилось, что сточные воды не столь уж и бесполезный продукт. Содержащиеся в них твердые вещества оказались ценным средством для восстановления структуры почвы и неплохим удобрением, пользующимся спросом у фермеров. Разумеется, прежде сточные воды должны быть освобождены от тяжелых металлов и некоторых других промышленных отходов. Однако даже самая современная технология очистки пока не в состоянии удалить из воды подобного рода загрязнители. Поэтому сточные воды, содержащие примеси, которые биологически неразложимы, должны проходить специальную обработку.

Поскольку, с одной стороны, ухудшение биологического состояния окружающей среды вынуждает предпринимать определённые шаги, а с другой – существует опасение увеличения стоимости мер по обработке сточных вод, большинство современных городов проводят лишь предварительную механическую очистку, а оставшуюся воду сбрасывают затем в близлежащие ручьи, реки и крупные водоёмы, где за счёт чистой воды концентрация загрязнений в стоках уменьшается. Такой метод очистки сточных вод называют способом первичной обработки. В подавляющем числе городов применяется именно этот метод.

Весьма немногочисленны общины, учитывающие то последствия, которые для других людей может иметь их деятельность. В таких обыденных делах, как удаление сточных вод, человек очень редко следует золотому правилу, почерпнутому из кладезя народной мудрости: «Не делай ничего плохого другим, если не хочешь, чтобы тебе причинили то же самое». К большому сожалению, очень часто человек придерживается иного правила: «Если тебе причиняют зло, отвечай тем же».

В наши дни с подобным подходом приходится сталкиваться почти повсеместно. Например, Нью-Йорк, этот переполненный людьми город-гигант, насчитывающий миллионы домашних хозяйств и огромное число крупных промышленных предприятий, сбрасывает свои сточные воды через Гудзон в открытое море. Могучая Миссисипи выносит в Мексиканский залив десятки и сотни тонн гниющих, зловонных промышленных и бытовых отбросов. Впрочем, европейские реки и водоёмы ненамного чище американских, несмотря на многочисленные кампании в защиту окружающей среды. Как видим, загрязнение окружающей среды отходами производства и быта оказывается той жестокой реальностью, с которой вынуждено считаться все человечество.

Какими же достоинствами обладает проект Санти?

Во-первых, он запрещает загрязнение водной среды и делает всё для того, чтобы люди, живущие ниже по течению, не мирились более с тем, что ухудшается качество используемой ими воды и наносится ущерб их здоровью. Во-вторых, он предусматривает снабжение города регенерированной водой, что особенно важно, поскольку в мире все более остро ощущается нехватка чистой воды. Проект считается сегодня образцом для подражания при создании очистных сооружений. Каждый день здесь обрабатывается почти 8 миллионов литров сточных вод. В городе устранена всякая вероятность загрязнения природных водоемов, а регенерированная вода используется в самых разнообразных целях. И последнее, обработка сточных вод означает одновременно производство воды требуемого качества. С проектом познакомились специалисты из более чем 40 стран. Он действительно достоин подражания и может заинтересовать любой город или общину, которые поставили перед собой задачу улучшить качество водоснабжения и искоренить причины загрязнения окружающей среды.

То исключение из общих правил, которое столь высоко оценивается в данной статье, в растительном мире представляется делом само собой разумеющимся: любое естественное загрязнение водной среды ликвидируется тоже естественным путем. Водные растения и бактерии осуществляют биологическую обработку чуждых для водоёма загрязняющих веществ. Продукты разложения попадают в почву. Образцы того, как должны быть организованы подготовка воды и ее повторное использование, природа демонстрирует нам на примере тропической лианы дисхидии.

Химические реакции в живом организме

Смешав две части водорода и одну часть чистого кислорода, мы получим гремучий газ. Если теперь эту смесь поджечь, то начинается химическая реакция и произойдёт, наконец, сильный взрыв. Но та же самая реакция может идти уже при комнатной температуре и протекать гораздо спокойнее, стоит лишь ввести в сосуд мелкораздробленную платину. Реакция сопровождается выделением значительного количества тепла, химическая же природа металла остается без изменений.

Как видим, достаточно одного присутствия платины, чтобы произошло взаимодействие одних веществ с другими. Это напоминает ситуацию, когда водитель автомашины, заметив дорожного инспектора, в тот же миг начинает весьма аккуратно соблюдать правила ограничения скорости. Вещества, которые изменяют скорость химической реакции, называют катализаторами – dopinfo.ru. Специалисты используют их, чтобы ускорить химические промышленные или лабораторные процессы либо чтобы вообще сделать возможным их протекание. Платина – лишь один из многих катализаторов, без которых в настоящее время не может обойтись техническая химия.

В частности, катализирующим действием обладает и самый обыкновенный пепел от сигарет. Если, например, кусочек сахара-рафинада обвалять в пепле и поджечь, сахар будет гореть красивым голубым пламенем. Без пепла сделать это не удаётся.

Разложение перекиси водорода (Н2О2) при нагревании на кислород и водород происходит в течение определённого промежутка времени. Добавление губчатой платины тысячекратно убыстряет этот процесс. Очевидно, что благодаря применению катализаторов во много раз повышается эффективность химических превращений.

Каждое мгновенье в живом организме протекают химические реакции. Подобно людям, растения также пользуются «услугами» целого ряда высокоактивных посредников. Но в отличие от применяемых в технике большинство растительных катализаторов узко специализировано. К тому же подобная избирательность сопровождается исключительной эффективностью каталитических веществ. Если технический катализатор (платина) уменьшает время разложения перекиси водорода в 1000 раз, то каталаза, вещество, вырабатываемое растениями, ускоряет этот процесс ещё в 1000 раз. Иными словами, продолжительность реакции сокращается в 1000000 раз.

Мы уже обращали ваше внимание на то, что своим умением растения во многом превосходят специалистов-химиков (напомним лишь о способности растений, используя воздух и воду, синтезировать виноградный сахар и крахмал). Но примеры с катализаторами свидетельствуют также и о том, что даже там, где растения, казалось бы, делают решительно всё то, что делают специалисты-химики, их преимущество перед людьми остаётся бесспорным.

Почвенная влага и питание растений

Как правило, яблоки поздних сортов снимают прежде, чем они поспеют. Собранный урожай затем тщательно упаковывают. При хранении и транспортировке яблоки, дозревают. Однако было замечено, что если поздние сорта хранить вместе со скороспелыми, то процесс дозревания намного ускорится, очевидно, благодаря столь благоприятному соседству. При этом яблокам вовсе не нужно соприкасаться между собой. Как же в таком случае один сорт яблок влияет на другой?

Многие любители комнатных растений знают, что растущие вместе разные экземпляры одного вида растений открывают свои бутоны в один и тот же день и что позднее сформировавшиеся бутоны одного цветка в своем росте догоняют более развитые бутоны другого, и поэтому те и другие раскрываются обычно одновременно. Такое развитие событий полезно растениям, поскольку синхронное распускание цветков обеспечивает их одновременное опыление насекомыми. Но каким же образом находящиеся в разных горшках растения передают друг другу необходимую информацию?

В сухих степях и полупустынях борьба растений за воду – вопрос жизни и смерти. Свободного пространства в таких местообитаниях достаточно для развития большого числа растений, однако влаги в почве хватает лишь немногим. Поэтому в условиях засушливого климата растительные организмы постоянно ведут между собой настоящую войну. Своему соседу, который мог бы пользоваться водой с участка земли, расположенного рядом, они «осложняют жизнь», тормозят его рост, замедляют или вовсе прекращают прорастание его семян в непосредственной близости от себя. Какие невидимые нашему глазу средства используются в этой борьбе?

Во всех трех случаях (дозревание яблок поздних сортов, синхронное распускание бутонов, конкурентная борьба обитателей степей и полупустынь за воду) полностью исключается воздействие путем прямых контактов. Не может быть речи и о каких-либо оптических, акустических, электрических или подобных им методах «оповещения». Следовательно, его природа должна быть химической. Однако в первых двух случаях, когда отсутствует связующий субстрат (почва), нет и никаких оснований говорить о возможном содействии веществ, находящихся в почвенной влаге, в почве.

Вероятно, в роли посредников, «виновников» столь удивительных явлений тут должны выступать газы. И действительно, опытным путём удалось обнаружить, что поспевающие яблоки выделяют в атмосферу этилен, который ускоряет созревание плодов. В его присутствии, например, яблоки поздних сортов дозревают много быстрее. А вот рост бобовых в «яблочной атмосфере» замедляется, хотя сами растения становятся более крепкими. В настоящее время известен целый ряд растений-конкурентов, оказывающих влияние друг на друга. Определенную роль в этих процессах наряду с этиленом (его следы, кстати, можно обнаружить в светильном газе, который сгорает в наших газовых кухонных печах) играют и многие другие биоактивные соединения. К сожалению, пока изучена лишь малая часть их.

Растения степей и полупустынь, оспаривающие друг у друга почвенную влагу и питание, выделяют в почву через корневую систему биологически активные вещества в жидком состоянии. В данном случае жидкие выделения по сравнению с газообразными имеют то преимущество, что их не могут развеять частые в пустынной местности ветры. Более того, корни степных растений необычайно длинны, что, вне всякого сомнения, увеличивает радиус действия «химического оружия». Растения, высота которых едва достигает 50 сантиметров, нередко имеют корни длиной более 15 метров.

Человек также изобрёл химическое оружие: к сожалению, военное искусство в своем развитии нередко опережало развитие других сфер деятельности человека. Искусство же использования мизерных доз безвредных химических веществ для мирных целей взаимного обмена информацией остается для человека пока что утопией. Мизерные дозы химических веществ для информационных целей используются в газопроводах – следы меркаптанов придают топливному газу неприятный запах, позволяющий обнаружить утечку газа. Пахучие вещества используются для сигнализации в воздухопроводах шахт. Мирным целям информации служат ничтожнейшие количества радиоактивных веществ: меченые атомы применяются в разнообразных биологических экспериментах. Тем не менее, исключительно важно и в дальнейшем продолжать тщательно изучать механизмы управляемого химического воздействия растений друг на друга. Здесь прежде всего имеются в виду, помимо процессов роста, процессы опадения листвы, изменения внешнего облика растения, контакты между высшими растениями и микроорганизмами, а также другие еще не известные нам явления. Человек здесь может многому научиться.

Умение отыскивать места сосредоточения питательных веществ

Когда техническая мысль приходит к тем же результатам, какие дает биологическая эволюция, или же когда в качестве образца она использует инженерные решения, найденные природой, мы можем быть полностью уверены в том, что созданная ею конструкция окажется целесообразной.

Наиболее примитивными растительными организмами являются одноклеточные: бактерии, жгутиковые споры водорослей и грибов, половые клетки мхов и папоротников. Половые клетки мхов и папоротников, споры водорослей и грибов являются лишь одноклеточными стадиями развития этих многоклеточных растений. Понятие «примитивный», употреблённое здесь, весьма спорно, если принять во внимание исключительные способности этих крохотных созданий. По своему к.п.д. механизм их передвижения (если взять только этот показатель) оставляет далеко позади все технические средства, созданные человеком.

Но куда и зачем движутся одноклеточные? Перемещаются ли они в определённом направлении, к определённой цели? Или их движение в воде более или менее хаотично? Один английский исследователь, занимающийся изучением проблем поведения, не без иронии заметил, что любое действие в природе тем или иным образом служит одной из двух целей: питанию или размножению – dopinfo.ru. В отношении одноклеточных это высказывание особенно справедливо. Перемещаясь, они ориентируются на химическое либо световое раздражение. Так, определенные вещества помогают мужским половым клеткам найти клетки противоположного пола. Споры водорослей и водных грибов с максимальной для них скоростью спешат туда, где согласно полученной химической «информации» имеются благоприятные условия обитания. С высокой степенью надёжности бактерии находят места наивысшей концентрации питательных веществ.

О том, насколько совершенен механизм химической ориентации этих мельчайших организмов, которых в одном грамме влажной почвы насчитывается около 25 миллиардов особей, говорит сам за себя такой пример. Обладающая самостоятельным движением половая клетка одного из видов папоротников, обнаружив присутствие яблочной кислоты, тотчас начинает двигаться в нужном направлении. Для того чтобы она могла «взять след», в почве должно находиться всего лишь 0,000000028 миллиграмма искомого элемента, то есть такое количество, которое с трудом обнаруживает специалист-химик, располагающий самой современной и дорогостоящей аппаратурой. Но если прибор, сконструированный человеком, способен выявить присутствие только яблочной кислоты, то наши «примитивные» одноклеточные различают множество веществ. Они в состоянии, например, безошибочно распознавать кислород, сероводород, белковые и аммиачные соединения. Более того, они различают изомеры – вещества, одинаковые по составу, но различающиеся по строению и по химическим и физическим свойствам.

Некоторые виды аэробных бактерий по своим «аналитическим» способностям заметно превосходят промышленные анализаторы, с помощью которых фиксируется наличие кислорода. Это обстоятельство используется в тех случаях, когда необходимо обнаружить присутствие этого газа: можно быть полностью уверенным, что в местах скопления этих бактерий непременно имеется кислород.

Впрочем, не только одноклеточные сумели выработать в себе умение отыскивать места сосредоточения питательных веществ. Клетки корневого чехлика у всех высших растений обладают свойством реагировать на полезные для растения элементы. Наблюдая за развитием комнатных растений, высаженных в глиняные и синтетические горшочки, можно видеть, что их корни растут в направлении наибольшей концентрации питательных солей в почве. В посуде из синтетических материалов земля равномерно пронизана корешками растений. Напротив, в гончарном горшке корни сосредоточиваются по краям земляного кома, а мельчайшие из них проникают даже в поры стенок сосуда.

Именно по этой причине при пересадке растений, росших в глиняных горшках, многие корешки рвутся: в таких горшках часть влаги, содержащейся в почве, просачивается через стенки наружу и медленно испаряется, в порах же накапливаются растворенные в воде соли, за которыми и «устремляются» корни. Поэтому комнатные растения целесообразнее разводить в синтетической посуде, но поливать их надо менее обильно, так как потери воды здесь будут намного меньше. В противном случае корни начнут гнить.

Совершенно другой механизм химического поиска питательных веществ существует у семян некоторых паразитирующих растений. Они трогаются в рост лишь тогда, когда в непосредственной близости от себя обнаружат присутствие растения-хозяина или же когда, подобно семенам омелы, тем или другим способом окажутся на ветвях деревьев, где приклеиваются и прорастают.

По-иному оценивает питательные вещества, сообразуясь с их химическими свойствами, «плотоядная» росянка. Её округлые листья сплошь усеяны железистыми волосками с капельками клейкого вещества на концах. Коснувшись листа, насекомое прилипает к волоскам. Механическое раздражение, вызванное попаданием живого существа на лист, передаётся остальным волоскам, расположенным по периметру листа. Они наклоняются к насекомому и прижимают его. В то же время волоски, расположенные по центру листа, остаются недвижимыми. Они начнут приближаться к добыче только тогда, когда станет известно, что попавший на лист предмет может быть переварен.

Иными словами, растение в мгновенье ока определяет химический состав своей жертвы. Если будет обнаружен белок или ценные соединения азота, волоски немедленно примутся за работу. Создавая дополнительное раздражение, они побудят и остальные железистые волоски, прямо не контактировавшие с добычей, изогнуться в направлении к жертве. Выделяемая растением особая жидкость быстро переваривает пойманное насекомое.

Растительные конструкции

Когда во второй половине позапрошлого века первые исключительно смелые инженерные сооружения из стекла, стали и бетона начали постепенно вытеснять постройки традиционных архитектурных стилей, то их появление ознаменовало глубокий переворот в зодческом искусстве. Успехи в строительной технике позволили создать новые, ранее неизвестные архитектурные формы и конструкции. Провозвестниками новомодных тенденций в зодчестве явились здания вокзала в Ливерпуле (1852 год), Парижская библиотека (1861 год) и Эйфелева башня, открытие которой было приурочено к Всемирной выставке 1889 года в Париже. Однако первым по-настоящему гениальным монументальным сооружением новой архитектуры был Хрустальный дворец в Лондоне, огромное здание павильонного типа, построенное целиком из стекла и металла.

Создатель Хрустального дворца Джозеф Пакстон, в молодости страстный любитель-садовод, принял участие в конкурсе на разработку проекта ярмарочного павильона для Всемирной выставки в Лондоне (1851 год). Честолюбие Пакстона, присущее ему чувство новизны, горячее желание затмить конкурентов – все побуждало его искать эпохальные решения. Ему виделось сооружение, которое, несмотря на свои гигантские размеры, не воспринималось бы как нечто тяжёлое и неуклюжее, а напротив, казалось бы почти невесомым. Это должна была быть конструкция, которая позволила бы экономно расходовать строительные материалы и широко применять стекло, стекло и еще раз стекло. В то же время она должна была быть достаточно прочной, с тем чтобы полностью соответствовать требованиям, предъявляемым статикой сооружений.

В архитектуре не было аналогов для подобного проекта, ибо новое не имеет образцов для подражания. Правда, инженеры, строители мостов, уже в течение почти целого столетия на практике демонстрировали конструктивные преимущества и высокую несущую способность стальных конструкций. Сам Пакстон построил в 1837 году крупнейшую для того времени оранжерею из стекла и стали. Но подобные инженерные решения нельзя было безоговорочно переносить в область создания крупных сооружений павильонного типа. Если бы при возведении таких зданий стали использовать лишь тяжёлые фермы, какие применяются при строительстве мостов, то здания получились бы чересчур массивными и громоздкими. Творению же Пакстона надлежало быть изящным и лёгким.

И тут бывший садовод-любитель вспомнил о некоей растительной конструкции, которая сочетала в себе, с одной стороны, малые затраты строительных материалов, а с другой – высокую устойчивость и столь же высокую грузоподъемность. В молодости Пакстону часто приходилось любоваться гигантскими плавающими листьями Виктории регии. Её округлые листья достигают в диаметре 2 метров. Несмотря на незначительную толщину, они достаточно прочны, чтобы выдержать тяжесть взрослого человека. Своей столь высокой прочностью листья обязаны тому, что их нижняя поверхность усилена своего рода балками. Из центра листа лучами, напоминающими спицы в колёсах, расходятся во все стороны толстые, сильно выдающиеся жилки, которые по мере приближения к краю листа становятся все более и более плоскими. Из-за того, что жилки многократно, до пяти раз, ветвятся, расстояние между ними у кромки листа остаётся небольшим. В результате из одной крупной жилки в центре листа у его периферии образуется до 32 жилок, скреплённых друг с другом более плоскими поперечными связками.

Решение было найдено. Именно таким образом должен конструировать свой Хрустальный дворец и он, Джозеф Пакстон. Основу составят немногочисленные крупные силовые балки, от них отойдут менее крупные распорки, которые соединят между собой многочисленные тонкие связи. Более изящной конструкции он создать не мог. Пятнадцатого июля 1850 года королевская комиссия телеграфом подтвердила выбор его проекта. Но если быть справедливым до конца, то истинным победителем в этом конкурсе надо считать не Джозефа Пакстона, а тропическую лилию. Заслуга Пакстона лишь в его наблюдательности, в том, что он сумел воплотить в стекле и металле строительные принципы, какие существуют в растительном мире уже очень много лет.

Когда техническая мысль приходит к тем же результатам, какие даёт биологическая эволюция, или же когда в качестве образца она использует инженерные решения, найденные природой, мы можем быть полностью уверены в том, что созданная ею конструкция окажется целесообразной.

Жёсткость листьев многих тропических растений – принцип гофрирования

Существуют две возможности, позволяющие придать тонкому листу со значительной площадью поверхности, а именно таковы листья многих тропических растений, дополнительную жесткость. С одной из них мы уже познакомились. Это – образование рёбер жесткости. Для водных растений, как Виктория регия, этот метод вполне пригоден. Здесь практически не имеет никакого значения то обстоятельство, что дополнительные конструкции в форме многочисленных распорок утяжеляют лист. Вода, на поверхности которой плавают листья гигантских лилий, хорошо выдерживает их вес. Иное дело крупные и очень крупные листья наземных растений, и прежде всего тех, которые произрастают в тропических районах Земли с их частыми ураганными ветрами и сильными ливнями.

Длина листьев некоторых видов веерообразных пальм достигает 5-10 метров, в отдельных случаях – 15 метров при ширине 3-4 метра. Площадь поверхности таких листьев-гигантов колеблется от 15 до 60 квадратных метров. Само собой разумеется, что при столь огромных размерах сам лист должен быть предельно лёгким, с тем чтобы не создавать чрезмерной нагрузки на черешок. Черешок должен не только выдерживать вес листа-гиганта, но и суметь оказывать сопротивление всем воздействующим на него силам.

На островах Малайского архипелага почти ежедневно во второй половине дня разражаются тропические ливни. Они сопровождаются ураганными ветрами, подвергающими листья пальм и других растений жесточайшим испытаниям на прочность. Одновременно с неба всего за несколько часов на землю низвергается колоссальное количество воды, какого не может дать даже знаменитый зальцбургский ливень, даже если бы он длился целый месяц. Поэтому крупные листья тропических растений, чтобы противостоять всем превратностям непогоды, должны быть, с одной стороны, исключительно лёгкими, с другой – в высшей степени прочными.

Суметь конструктивно увязать такие характеристики, как лёгкость и прочность, – чрезвычайно сложная техническая проблема. Растениям удалось успешно решить её, использовав принцип гофрирования. Хорошо известно, что жёсткость на изгиб тонкого листа стала повышается, если сделать на нём ряд параллельных волнистых складок. Сколь значительным может быть при этом увеличение прочности, показывает простой пример. Возьмем лист обычной офисной бумаги и сложим его гармошкой по длине с таким расчётом, чтобы ширина каждой складки составляла один сантиметр. В итоге мы получим лист гофрированной бумаги. Если теперь лист обычной бумаги положить на две опоры, установленные по его краям, то он прогнётся под собственной тяжестью (4-5 граммов). Этого не произойдёт с гофрированным листом, даже если на него поместить значительный груз.

Метод по гениальному прост. Его с успехом использует природа, создав листья, имеющие в поперечном разрезе зигзагообразную форму. Частичное разрушение листовой пластинки ни в коей мере не отражается на его биологической функции, ибо оно «запланировано» природой. У многих видов растений лист, если только он не несёт особой нагрузки, в процессе роста самопроизвольно, без какой-либо видимой причины надрывается. Ещё в 1893 году такие листь