Текст книги "100 великих научных достижений России"

Фотосинтез Тимирязева

Естествоиспытатель, ботаник, химик, физиолог, историк и популяризатор науки; пропагандист дарвинизма, публицист; профессор Петровской сельхозакадемии и Московского университета; заведующий кафедрой анатомии и физиологии растений Московского университета; основоположник русской научной школы физиологов растений; член-корреспондент Петербургской АН (РАН); почетный член университетов Женевы, Глазго, Кембриджа, Лондонского Королевского общества; председатель Ботанического общества любителей естествознания, антропологии и этнографии; член Моссовета, Климент Аркадьевич Тимирязев (1843–1920) является родоначальником исследований проблемы фотосинтеза, а также биологических основ агрономии.

Тимирязев, по его собственным словам, «работал для науки и писал для народа». Начиная с магистерской и докторской диссертаций «Спектральный анализ хлорофилла» (1871) и «Об усвоении света растением» (1875), ученый на протяжении полувека занимался растениями, хлорофиллом и фотосинтезом, а его книга «Жизнь растения» (1878), переведенная на многие языки мира, и по сию пору привлекает массу читателей.

Памятник К.А. Тимирязеву в Москве. Скульптор С.Д. Меркулов

Тема жизни растения – центральная в творчестве Тимирязева, одна из главнейших и в науке вообще, поскольку именно с нею связано существование жизни на Земле. В процессе жизнедеятельности растения хлорофилловые зерна листьев «поедают» углекислый газ, содержащийся в воздухе, вернее – питаются углеродом, выделяемым из углекислоты под действием света. Это «воздушное питание» растений немецкий ботаник В. Пфеффер и назвал в 1877 г. «фотосинтезом». В цепочке «растения – животные – люди» растения оказываются основой всего живущего, с них начинаются пищевые цепи. Именно растения как передатчики энергии Солнца нашей планете (превращая энергию солнечного света в энергию, запасенную в углеводах) гарантируют сохранение жизни на Земле.

Фотосинтезом занимались в XIX в. многие естествоиспытатели – Дж. Пристли, Я. Ингенгауз, Ж. Сенебье, Н. Соссюр, Ю. Майер, Д.Г. Стокс, Ю. Сакс и др., исследовавшие зависимость фотосинтеза от освещения, содержание хлорофилла в листе, наличие СО₂ в атмосфере, преобразование в растении световой энергии в химическую, роль в этом процессе отдельных участков спектра…

С конца 1860-х гг. изучением этого процесса занялся и Тимирязев. Эпиграфом к творчеству Тимирязева можно было бы взять слова Дж. Свифта, столь любимые самим физиологом: «Тот, кто сумел бы вырастить два колоса там, где прежде рос один, две былинки травы, где росла одна, заслужил бы благодарность всего человечества». Климент Аркадьевич на славу потрудился на земельных делянках, выращивая колосья и былинки и давая людям верный рецепт умножения урожайности сельскохозяйственных культур.

Ученый создал первую опытную станцию на опытном поле в с. Реньевке Симбирской губернии, где изучал действие минеральных удобрений на урожай (1867); на территории Петровской сельхозакадемии построил первую теплицу – «вегетационный домик» (1872); организовал на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде первую показательную опытную станцию с таким домиком (1896) и т. д.

В статьях «Земледелие и физиология растений», «Происхождение азота растений» и др. ботаник на основе своих экспериментов, получивших признание в России и в Европе, пропагандировал новейшие достижения агрономической химии и физиологии растений, искусственное орошение и глубокую вспашку в борьбе с засухой, применение минеральных удобрений, севооборот клевера, лесные полезащитные полосы, борьбу с сорняками, использование для посева засухоустойчивых сортов злаковых. Ботаник настаивал на целесообразности выведения новых сортов с мощной корневой системой или пониженной транспирацией (испарением воды); повлиял на применение в сельском хозяйстве вегетативного метода; инициировал создание заводов для производства селитры; заложил основы выращивания растений при электрическом освещении. Для Тимирязева его лозунг «Наука должна сделать труд земледельца более производительным» был и главным руководством к действию.

Все свои рекомендации ученый делал на основе изучения им фотосинтеза. Отведя растениям космическую роль посредников между Солнцем и жизнью на нашей планете, Тимирязев нашел ответ на вопрос, поставленный немецкими учеными Ю.Р. Майером и Г.Л.Ф. Гельмгольцем, основоположниками закона сохранения энергии, – является ли источником жизни Солнце?

Начал ученый с проведения сложнейших и тончайших опытов (не воспроизведенных с тех пор ни одним экспериментатором!) и доказательства того, что реакция разложения углекислоты на кислород, выделяемый в атмосферу, и углерод, необходимый растениям, то есть фотосинтез, прямо зависит от хлорофилла и от энергии поглощаемых лучей. До Тимирязева эти рассуждения ходили только в качестве гипотезы. Для этих целей физиолог впервые применил особо чувствительные спектроскопы, светофильтры, разработал улавливатели и анализаторы газа, приборы, измеряющие освещенность, усовершенствовал методику газового анализа, позволившую анализировать количество газа с точностью, поражающей современных исследователей.

Показав, что фотосинтез при слабом свете зависит от количества поглощенной энергии, а при сильном освещении достигает светового насыщения, ученый «экспериментально обнаружил, что имеются два максимума поглощения света растением, которые лежат в области красных и синих лучей спектра; доказал приложимость закона сохранения энергии к процессу фотосинтеза» (В.П. Лишевский).

Наиболее благоприятные энергетические условия для разложения углекислоты, по Тимирязеву, давали красные лучи, а самым совершенным поглотителем энергии являлся сам хлорофилл. Все это было подтверждено позднее открытием квантовой теории и исследованиями фотосинтеза другими учеными.

Впервые доказав, что зеленая окраска хлорофилла специально приспособлена для поглощения солнечной энергии, необходимой для разложения углекислоты, ученый открыл, что именно этот «окрас» хлорофилла позволяет бесцветной углекислоте разлагаться в т. н. хлоропластах.

Тимирязев был первым ботаником, заговорившим о законе сохранения энергии, заменившим слово «свет» выражением «лучистая энергия» и первым высказавшим мысль о том, что «процесс разложения углекислоты должен зависеть от энергии солнечных лучей, а не от их яркости».

Итоги своих 35-летних исследований (по промежуточным этапам имевших яркие публикации) русский ученый подвел в своей блестящей крунианской лекции «Космическая роль растения», прочитанной в 1903 г. в Лондонском Королевском обществе. Мировое научное общество получило исчерпывающие ответы на вопросы, как протекает фотосинтез, какой предположительно химический состав хлорофилла, каков механизм воздействия на него солнечного света, как зависит этот процесс от лучей различной длины волны. В целом же Тимирязев впервые сформулировал представления о фотосинтезе как процессе аккумуляции солнечной энергии.

Детально разрабатывая теорию фотосинтеза, Тимирязев понимал, что наука на рубеже веков еще не в состоянии была дать полное описание этого процесса. Об этом ученый не раз писал в своих сочинениях, и при этом он был абсолютно уверен, что совсем скоро «физиологи выяснят в малейших подробностях явления, совершающиеся в хлорофилловом зерне; химики разъяснят и воспроизведут вне организма его процессы синтеза, имеющие результатом образование сложнейших органических тел, углеводов и белков, исходя из углекислоты; физики дадут теорию фотохимических явлений и выгоднейшей утилизации солнечной энергии в химических процессах; а когда все будет сделано, то есть разъяснено, тогда явится находчивый изобретатель и предложит изумленному миру аппарат, подражающий хлорофилловому зерну, – с одного конца получающий даровой воздух и солнечный свет, а с другого – подающий печеные хлебы. И тогда всякому станет понятно, что находились люди, так настойчиво ломавшие головы над разрешением такого, казалось бы, праздного вопроса: почему и зачем растение зелено?»

Прошло сто лет с тех пор, но пока такого аппарата, подающего изумленному миру печеные хлеба, не сделано, но ведь еще не конец света?

Напоследок процитируем Тимирязева – его слова сегодня обрели еще более глубокий смысл: «Наука не вправе входить в свое святилище, таиться от толпы, требуя, чтобы на слово верили ее полезности. Представители науки, если они желают, чтоб она пользовалась поддержкой и сочувствием общества, не должны забывать, что они слуги этого общества, что они должны от времени до времени выступать перед ним, как перед доверителем, которому они обязаны отчетом».

Почвоведение Докучаева

Геолог, географ, минералог, почвовед, профессор Петербургского университета, основатель русской школы почвоведения и географии почв, первой в России кафедры почвоведения и Почвенного музея при императорском Вольном экономическом обществе, организатор и руководитель экспедиций по комплексному изучению природы, разработчик плана борьбы с засухой в степных районах страны, Василий Васильевич Докучаев (1846–1903) прославил свое имя созданием современного научного почвоведения, учения о географических зонах и научной классификации почв.

Сельское хозяйство начинается с почвы. От почвы в первую очередь зависит урожайность сельскохозяйственных культур. Почва (если говорить по-простому) – это тонюсенький верхний слой земной коры, дающий жизнь растениям, животным и людям.

Почву изучает естественно-историческая наука – почвоведение. Она же занимается исследованием состава почвы, ее свойств, происхождения, развития, географического распространения, рационального использования. Эта наука обязана своим возникновением русскому геологу – Василию Васильевичу Докучаеву.

Знания о почвах накапливались веками. Научное освоение почв началось в Германии в конце XVIII в. Почти целый век ученые, не затрагивая биологических процессов в почве, изучали частные вопросы питания растений, минералогического, химического и гранулометрического состава почв, их выветривания.

Генетическим почвоведением, движимый благородной целью – поднять народное хозяйство и избавить людей от неурожаев, засух и голода, и занялся в 1870-х гг. Докучаев.

В.В. Докучаев

В связи с неурожаями 1873–1875 гг. Вольное экономическое общество (ВЭО), в которое входили виднейшие ученые России – А.В. Советов, Д.И. Менделеев, А.М. Бутлеров, А.А. Иностранцев и др., поручило геологу произвести исследования чернозема, собрать на местах образцы для химического анализа и выполнить разработанную самим Докучаевым программу геолого-географических исследований. Особое внимание Василий Васильевич уделял изучению чернозема. За два лета (1877, 1878) ученый вместе со своими учениками проехал свыше 10 000 км через всю черноземную полосу Европейской России. В этих экспедициях сложилась школа докучаевского почвоведения – почвоведы, географы, геологи, ботаники, многие из которых стали позднее родоначальниками собственных научных школ и учеными мировой величины – В.И. Вернадский, Н.М. Сибирцев, Л.С. Берг и др.

Представив ВЭО доклад «Итоги о русском черноземе», ученый подверг критике существовавшие теории происхождения чернозема – морскую, болотную, растительно-наземную, а также практикуемые тогда способы изучения почв, заключавшиеся в применении химических удобрений и в нахождении зависимостей свойств почв от характера почвообразующих горных пород. Тогда же им была опубликована «Картография русских почв».

Рассматривая почвы как самостоятельное природное тело, сформировавшееся под воздействием целого комплекса факторов окружающей природной среды, а также составляя по поручению Департамента земледелия и сельской промышленности почвенную карту России, Докучаев пришел к почвоведению как самостоятельной науке.

Итогом экспедиций явился фундаментальный труд Докучаева – «Русский чернозем» (1883), ставший докторской диссертацией ученого. В диссертации были детально рассмотрены область распространения, способ происхождения, химический состав чернозема, принципы классификации и методы исследования этой почвы. «Русский чернозем» прославил ученого на весь мир. За свой труд Докучаев получил от ВЭО особую благодарность, а от АН – полную Макарьевскую премию.

Эта работа и последующие статьи почвоведа сформулировали основные законы новой науки и выделили главные факторы почвообразования и их тесную взаимосвязь: климат, почвообразующие (материнские горные) породы, растительный и животный мир, возраст и рельеф местности. Позднее к ним была добавлена еще и хозяйственная деятельность человека. Самим ученым, а также его коллегами и учениками позднее было развито также географическое направление, изучающее почвы с точки зрения их происхождения и в тесной связи с окружающими условиями (П.А. Костычев), и агрономическое, исследующее вопросы взаимоотношения почвы и растительности и почвенное плодородие (В.Р. Вильямс).

В 1886 году Докучаев дал первую в мире научную классификацию почв и составил первую мировую почвенную карту.

Главным в классификации почв ученый считал ее происхождение (генезис). Докучаев обращал специальное внимание на способы обработки почв и севооборот, на меры по сохранению влаги, на распыление зернистой структуры черноземов и ухудшение водного и воздушного режимов, на эрозию.

Первое научное определение почвы также принадлежит Докучаеву: «Почва – это те дневные или близкие к ним горизонты горных пород (все равно каких), которые были более или менее естественно изменены взаимным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов – живых и мертвых, что и сказывается известным образом на составе, структуре и цвете таких образований».

Докучаев – поэт почвы. Вот, например, какими словами он начал свою последнюю в жизни лекцию о главном герое его сочинений – черноземе: «Я буду беседовать с вами о царе почв, о главном богатстве России, стоящем неизмеримо выше богатств Урала, Кавказа, богатств Сибири, – все это ничто в сравнении с ним; нет тех цифр, какими можно было бы оценить силу и мощь царя почв, нашего русского чернозема. Он был, есть и будет кормильцем России. Есть чернозем и в Венгрии, но там он не тот: это солонцеватый чернозем-“окост”, а наш, русский чернозем “сладок”. Есть он и в Северо-Американских Соединенных Штатах, но там он или того же типа, что и в Венгрии, или же значительно беднее органическими и другими питательными веществами, чем в России.

Он, чернозем, напоминает нам арабскую чистокровную лошадь, загнанную, забитую. Дайте ей отдохнуть, восстановите ее силы, и она опять будет никем не обогнанным скакуном. То же и с черноземом: восстановите его зернистую структуру, и он опять будет давать несравнимые урожаи».

Открытый Докучаевым закон мировой зональности почв («К учению о зонах природы») утверждал, что распространение почв на Земле подчиняется закону природной широтной зональности и каждой природной зоне соответствует свой, зональный тип почвы – преобладающий, но не единственный. Зональное распределение Европейской России ученый затем распространил и на весь земной шар, выделив семь мировых зон: бореальную, северную лесную, лесостепную, степную, сухих степей, аэральную зону пустынь и субтропическую. Это был совершенно новый взгляд на географию, как на науку о зонах-ландшафтах. Зональность в неизменном виде вошла в русскую и ряд зарубежных школ физической географии.

Теория почвоведения указывает способы борьбы с т. н. «черными» (пыльными) бурями, наносящими непоправимый ущерб сельскому хозяйству. Так, например, пыльная буря 1928 г. высотой до 750 м унесла с полей Украины (с площади 1 млн км²) более 15 млн т чернозема, осевших в Прикарпатье, Румынии и Польше. Мощность черноземного слоя тогда уменьшилась на 10–15 см и стала одной из причин голодомора 1932–1933 гг.

По Докучаеву («Наши степи прежде и теперь», 1892), эти способы чрезвычайно просты (хотя и трудоемки) и эффективны – и не только в борьбе с пыльными бурями. Чтобы сохранить черноземы, успешно бороться с засухой, защищать почвы от смыва и т. п., достаточно создавать лесополосы, регулировать образование оврагов и балок, искусственно орошать, поддерживать определенное соотношение между пашней, лугом и лесом…

Идеи Докучаева оказали влияние на развитие физической географии, лесоведения, мелиорации и др. Почвоведение включено в реестр фундаментальных наук под номером 07.

Что же сегодня являют собою российские почвы? С каждым годом они становятся все хуже. Статистика неумолима. Из 186 млн га сельхозугодий 60 млн га эродированы, 26 млн га переувлажнены и заболочены, 5 млн га загрязнены радионуклидами, 40 млн га – это солончаки и солонцы, в Калмыкии и других южных районах России идет опустынивание… Похоже, родина почвоведения скоро останется вовсе без почв, этой «благородной ржавчины Земли» (В.В. Докучаев), а основной вопрос, который всю жизнь решал главный почвовед России, – поднятие земледелия – остается открытым.

Сады Мичурина

Биолог, селекционер, естествоиспытатель, популяризатор; доктор биологии, заслуженный деятель науки и техники, почетный член АН СССР и американского ученого общества «Бридерс», академик ВАСХНИЛ; кавалер ордена Святой Анны 3-й степени, Зеленого креста «за труды по сельскому хозяйству», орденов Ленина и Трудового Красного Знамени; создатель и заведующий питомником и генетической лабораторией (Центральной генетической лабораторией им. И.В. Мичурина), Иван Владимирович Мичурин (1855–1935) является создателем свыше 300 сортов плодово-ягодных культур и автором трех прижизненных изданий собраний сочинений. Выдающимся вкладом ученого в отечественную науку стала селекция Мичуриным плодово-ягодных растений методом отдаленной гибридизации (подбор родительских пар, преодоление нескрещиваемости и др.).

И.В. Мичурин

Поистине фантастические труды и заслуги И.В. Мичурина в развитии отечественного садоводства сегодня и впрямь можно рассматривать только под углом научной фантастики. Да разве не так? О какой мичуринской селекции может идти речь, когда прилавки столиц и крупных российских городов завалены яблоками из Китая, Польши, Аргентины и США? О каких мичуринских плодах можно говорить, если их нет на тех прилавках и в помине?

Критиков и интерпретаторов трудов любого выдающегося деятеля всегда предостаточно. Вот и Мичурина попрекают его «потребительской» фразой: «Мы не можем ждать милостей от природы; взять их у нее – наша задача». Вырвав из контекста часть, выхолостили суть, состоящую в том, что под этой задачей Иван Владимирович имел в виду «две дерзкие задачи: пополнить ассортимент плодово-ягодных растений средней полосы выдающимися по своей урожайности и по своему качеству сортами и передвинуть границу произрастания южных культур далеко на север».

Эти задачи ученый-садовод с блеском решил и подарил природе и нам всем более 300 сортов плодово-ягодных растений. Гордый за свой по достоинству оцененный труд, селекционер и в горячечном сне не мог представить себе, что потомки его окажутся настолько лишенными вкуса, что ради голдена и грени откажутся от пепина шафранного и антоновки шестисотграммовой.

Когда в 1932 г. город Козлов, в котором садовод прожил почти всю жизнь, в его честь переименовали в Мичуринск, в этом решении не было ни грамма политики. Это была дань безмерного уважения и глубочайшей признательности человеку, отдавшему всю свою жизнь созданию воистину «райских яблок».

Даже в песнях одно время пели: «Один раз в год сады цветут» и «И на Марсе будут яблони цвести». Подразумевалось – сады и яблони Мичурина, поскольку они были лучшие в мире, потому что были наши, родные.

После десятилетий беспрестанных трудов и творческих поисков на склоне лет Мичурин гордился тем, как он, весьма слабый физически, столь долго и напряженно трудился в садоводстве. Ведь уже в восьмилетнем возрасте он мастерски производил окулировку (прививку одиночной почкой от черенка культурного сорта), копулировку (прививку черенком) и аблактировку растений (сращивание произрастающих рядом побегов).

Началось с того, что в 1875 г. Мичурин взял в аренду пустующую усадьбу в окрестностях Козлова площадью 5 соток и начал проводить на беспризорных растениях первые опыты по их селекции. Собрав более 600 видов плодово-ягодных растений, селекционер несколько раз менял участок на другой, больших размеров. Первыми мичуринскими сортами стали малина коммерция, вишня гриот грушевидный, плодородная, мелколистная полукарликовая и межвидовой гибридный сорт вишни «краса Севера».

Труд был каторжный. «Из-за нехватки средств растения… носили за 7 км на своих плечах. Поскольку на новом участке не было дома, ходили за 14 км пешком, и два сезона жили в шалаше».

Основные рекомендации селекционной работы Мичурина просты, хотя и зиждутся на колоссальных исследованиях – оттого и глобальны. Придя к выводу, что «успешная акклиматизация растений возможна только в том случае, если производить последовательный перенос растений на север», ученый создал северный абрикос и черешню «первая ласточка», для чего временно прививал гибрид к морозоустойчивому ментору (воспитателю) либо просто культивировал их в тех условиях, для которых выводил сорт.

Первостатейным открытием стал предложенный Мичуриным метод гибридизации географически отдаленных форм, «межвидовая и межродовая гибридизация в сочетании с планомерным воспитанием родительских форм перед скрещиванием и с последующим воспитанием отобранных лучших гибридных сеянцев».

Метод систематически и географически отдаленной гибридизации заключался в том, что ученый скрещивал культурные сорта с дикими сортами, взятыми с отдаленных местностей, с другими климатическими условиями, а также с другими видами и родами – скажем, вишню с черемухой, грушу с айвой. Этот принцип ученый называл «расшатыванием наследственности», так как открыл, что молодое гибридное растение очень пластично и поддается направленному изменению своих качеств.

Убедившись в тщетности акклиматизации путем прививки, ботаник перенес насаждения с черноземного питомника в другой, с бедными почвами, где начал закаливать гибриды и выращивать «спартанцев». Первые научные работы Мичурина, посвященные выведению новых сортов плодовых деревьев, вышли в свет после десятков тысяч опытов в 1906 г. и сделали его знаменитым во всем мире. Правительство только после этого заинтересовалось трудами селекционера, но не оказало ему никакой финансовой поддержки.

Надо сказать, что до 1917 г. Мичурин влачил нищенское существование, вкладывая последнюю копейку в свое детище, делая все своими руками и беспрестанно разыскивая хоть какие-то деньги. Ведь в питомнике одних только растений, выписанных из США, Франции, Германии, Японии и других стран, было более 900 видов! При этом мичуринские яблони, груши, вишни, сливы пользовались большим спросом в любительских хозяйствах России. За 30 лет 60 губерний приобрели свыше 50 000 деревьев, но и это не спасало ученого от бедности.

Департамент земледелия США живо заинтересовался трудами русского ботаника. Еще в 1896 г. профессор Ф.Н. Мейер восклицал: «Будь в Америке такой Мичурин, там озолотили бы его», а выведенная Мичуриным вишня плодородная не знала себе в Штатах достойных соперников и заняла в них огромные площади. В 1913 г. Департамент предлагал ученому переехать в Америку или продать свою коллекцию растений, но Мичурин отказался.

В годы Первой мировой войны стали плодоносить многие гибриды: бельфлер׫китайка»; антоновка×яблоня Недзвецкого; уссурийская груша×бере диль; актинидия коломикта и др. Тогда же Мичурин установил закон наследования у растений и методику выведения сортов. Свои материалы он публиковал в журнале «Прогрессивное садоводство и огородничество».

После Октябрьской революции Мичурин явился в уездный земельный отдел и заявил: «Я хочу работать для новой власти». Новая власть незамедлительно оказала Мичурину и его семье материальную помощь, национализировала питомник и назначила Ивана Владимировича его заведующим с приличествующим должности жалованьем.

Уже к 1920 г. Мичурин вывел свыше 150 новых гибридных сортов, среди которых были: яблонь – 45 сортов, груш – 20, вишен – 13, слив (среди них три сорта ренклодов) – 15, черешен – 6, крыжовника – 1, земляники – 1, актинидии – 5, рябины – 3, грецкого ореха – 3, абрикосов – 9, миндаля – 2, айвы – 2, винограда – 8, смородины – 6, малины – 4, ежевики – 4, шелковицы (тутовое дерево) – 2, ореха (фундук) – 1, томатов – 1, лилии – 1, белой акации – 1.

Через 10 лет на базе питомника была создана генетическая станция, занимавшаяся разработкой методов выведения новых сортов плодовых культур и селекционной работой, был организован совхоз-сад на площади 3500 га. Количество комбинаций в скрещиваниях разных сортов дошло до 800, а количество скрещиваний до 100 000. Впоследствии в Мичуринске был создан НИИ плодоводства им. Мичурина и Мичуринский государственный аграрный университет.

Что же касается испытания временем, которым принято мерить достижения в селекционной работе, стабильность полученных Мичуриным и многочисленными его учениками сортов подтверждается их существованием до сих пор в садах провинциальной России.