На инженерную основу

Когда о человеке образно говорят, что он живет растительной жизнью,  сразу становится ясно, что он пассивен и бездеятелен. Но реальная жизнь растений отнюдь не пассивна и вовсе не бездеятельна...

Да, хлопотлива жизнь растений. Они извлекают из почвы, прокачивают сквозь свои тончайшие сосуды и выбрасывают в атмосферу в виде паров громадное количество воды - порядка тысячи тонн на тонну урожая. Впитывают из почвы минеральные вещества, «разбавленные» землей в миллионы раз. Буквально по крохам собирают из воздуха углекислоту и делают многое другое. Самое же главное - растения выполняют важнейшую для человечества функцию - фотосинтез. И все это требует затрат энергии. К сожалению, «энергоемкость» тех или иных функций у растения известна лишь очень приближенно и недостоверно.

Чтобы просветлить темные места в энергетике растений, ученые взялись за термодинамические расчеты. И сразу возникло много недоуменных вопросов. Так, скажем, выяснилось, что если даже в процессе дыхания растение «сожжет» все накопленные им ранее продукты фотосинтеза, то и тогда оно будет не в состоянии энергетически обеспечить комплекс идущих в нем активных процессов жизнедеятельности. Накапливая в виде зерна одну тонну органических веществ, растения прокачивают сквозь свои структуры до тысячи и более тонн воды. Количество тепла, расходуемое на испарение этой воды, примерно в 100 раз превосходит количество энергии, запасаемой в урожае. Напрашивается предположение, что большая часть полезной работы совершается растением не через цикл связывания углекислоты и последующего окисления продуктов фотосинтеза, а минуя его. Но что это за загадочные механизмы, позволяющие растению как будто непосредственно использовать солнечную энергию? Ответа пока нет.

Так же неясна судьба большей части энергии, поглощенной растительными пигментами. Обычное объяснение, что эта энергия, 50-60 процентов энергии, поглощенной растением, просто превращается в тепло, в сущности, ничего не объясняет. Оно только переводит проблему из сферы физики в сферу биологии: если высокоспециализированные светопоглощающие системы растения работают в значительной мере вхолостую и даже нагружают растение избыточным теплом, температура листьев растений в солнечный день может быть на 10, на 15-20 градусов выше температуры окружающего воздуха, то почему эти системы не были отбракованы эволюцией?

Напрашивается еще одна гипотеза: а правомерно ли рассматривать растение только как химическую машину? Не есть ли это еще одновременно и машина тепловая? Не действуют ли растения как тепловые насосы? Традиционно считается, что в процессе испарения воды листьями растение освобождается от избыточного тепла. Однако можно показать (вновь термодинамика), что при определенных условиях испарение влаги сопровождается охлаждением окружающего воздуха, а вовсе не растения!

Осознание подобных парадоксов имеет большое значение. Оно может изменить стратегию подхода к повышению продуктивности растений. Исторически получилось так, что больше всего ученые потратили сил на изучение энергетики фотосинтеза. Этот процесс создает все, что нам нужно от растений, за исключением разве тени и эстетического наслаждения! И даже сейчас все нацелено на это. А практики, следуя рекомендациям ученых, всячески стремятся облегчить растениям фотосинтез. Но, может быть, человек тут берется за дело не с того конца? Может быть, облегчив растению выполнение более трудоемких для него задач, удастся скорее добиться желаемого? И тогда мечта о КПД в 15 процентов станет реальностью?

Путь к решению проблемы широкомасштабного использования солнечной энергии лежит, по всей вероятности, через создание «энергетических плантаций», то есть через выращивание растений для энергетического использования биомассы. Растения, система самовоспроизводящаяся и размножающаяся и при том хорошо приспособленная для улавливания и фиксации потока солнечной энергии, позволяют создавать огромные светопоглощающие поверхности несопоставимо быстрее и дешевле, чем это возможно с помощью устройств технических.

Возможности нового, термодинамического подхода трудно переоценить. Ведь он позволит оценивать принципиальные пределы продуктивности различных видов растений в разных условиях, аналогично тому, как в технике рассчитывается предельный КПД тепловых машин. Дело будет поставлено на инженерную, технологическую основу. Конструкторы растений положат на стол «рабочие чертежи» нужных нам растений, выведут формулу их жизнедеятельности. Укажут оптимальную ширину капилляров, что облегчит испарение - этот, возможно, наиболее тяжелый для растений процесс. Жизнь возникла в воде! Растения «высадились» на сушу лишь недавно, и жить на ней им нелегко. Вычислят необходимую архитектонику листвы, позаботятся о надлежащей «фигуре» растений. Сейчас человек, заботясь лишь о плодах, делает ставку на «толстяков», а они, увы, страдают одышкой. И не только усовершенствуют конструкцию растительных машин, но и укажут правила их грамотной эксплуатации.

Пока все это только мечты. Но знание вечных законов природы, которые открывают ученые, прокладывает пути к тому, чтобы они стали реальностью.