В истории науки высшие растения часто служили объектами фундаментальных исследований. Грегор Мендель (1822–1884) — основоположник учения о наследственности, работал с горохом. Первый фермент в чистой кристаллической форме был выделен из бобов, а первый вирус — из листьев табака. Это сделал русский ученый Дмитрий Иосифович Ивановский (1864–1920).
С углублением фронта научных исследований, с выходом их на молекулярно-биохимический уровень экспериментаторы стали предпочитать более простые объекты — водоросли, бактерии и даже изолированные органеллы клетки, например, хлоропласты.
Эти тенденции вполне понятны: эксперимент всегда должен быть поставлен так, чтобы исследуемые процессы выявились в наиболее чистом виде. Так и получилось, что в физиологии растений сейчас доминирует аналитическое начало. Исследователи пытаются выяснить тонкости возможных метаболических (связанных с обменом веществ) и регуляторных связей, вплоть до уровня биологических мембран и составляющих их макромолекул. Но такие работы нельзя выполнить методически чисто на целостном многоклеточном организме, его необходимо дробить.
— Уже накоплено огромное количество сведений о свойствах кирпичей, из которых построено здание фотосинтеза, — говорил мне Лайск. — Но пока положение физиолога-фотосинтетика похоже на положение археолога, который нашел иероглифы, но не может их расшифровать, увязать между собой, прочесть первые фразы. А ведь в конечном итоге открытия, сделанные на модельных микросистемах, должны естественно вписаться в сложную иерархию целостного организма. Пока же в исследованиях фотосинтеза, как мне кажется, эти два метода, которые можно назвать аналитическим и синтетическим или дифференциальным и интегральным, еще недостаточно тесно связаны друг с другом. И несомненно, ключ к полному пониманию того, как функционирует зеленый лист, спрятан в его структуре…
Экскурсия по лабиринтам зеленого листа очень поучительна. Швейцарский ботаник и инженер Симон Швенденер (1829–1919) обратил внимание на продолговатые, «остроумно устроенные вентиляционные отверстия» в листьях растений, называемые устьицами. Их основное назначение — автоматически поддерживать необходимый водный режим растений. Если приток воды из корней превышает потерю влаги на испарение, то устьица (их число на один квадратный сантиметр поверхности листа может доходить до 30 тысяч) широко раскрываются, облегчая испарение, транспирацию. При недостатке влаги процесс идет в обратном направлении: количество открытых устьиц сокращается.
Однако роль устьиц этим не ограничивается. Это также и «проходная», через которую в лист поступает углекислый газ. И если устьица закрыты, питание растения прекращается. Потому-то Тимирязев и писал, что «растению приходится пролагать свой жизненный путь между Сциллой и Харибдой», между голодом и жаждой. Так что работа устьичного аппарата листьев растений должна идти очень тонко, в оптимальном режиме, обеспечивающем наименьшие потери воды при наибольшем поступлении в лист углекислого газа.
Вообразить себе, сколь напряженные события разыгрываются в устьицах, нелегко. Вот что однажды, беседуя с журналистами, рассказал член-корреспондент АН СССР Анатолий Александрович Ничипорович:
— Тесно пешеходам и автомобилям на узких улицах больших городов. А в крошечных устьицах еще «теснее». Обычно через каждое устьице диаметром в несколько микрон (микрон равен 10–4 сантиметра) каждую секунду внутрь должны пройти 2500 миллиардов молекул углекислого газа. А навстречу им через те же устьица мчится такой же поток кислорода и в 2–3 тысячи раз большее количество молекул воды. Скользнув взглядом по зеленой листве, мы и не догадываемся порой, с какой бешеной скоростью идут процессы внутри листа.
Пришла осень. Вы сняли урожай сахарной свеклы — 250–350 центнеров с гектара. Вы не поверите сразу, сколько углекислого газа усвоили из воздуха растения — 20 тонн! Это значит, что они смогли «съесть» весь углекислый газ из слоя воздуха в 4 километра над участком в гектар!..
Принцип работы устьиц не может не заинтересовать инженеров. Есть предложение использовать его в строительной технике: заменить форточки и открывающиеся фрамуги жилых, общественных зданий «дышащими стенами» со сквозными отверстиями, регулируемыми автоматическими клапанами. Рассчитав заранее действие клапанов, можно поддерживать в помещении любой температурно-влажностный режим. Технически это вполне выполнимо, дело за конструкторами.