Яблони на Марсе

Занимаясь изучением стресса (руководимый им коллектив ученых быстро рос: группа, лаборатория, кафедра, потом целый институт), Тарчевский как побочный продукт исследований неожиданно получил важный для практики результат. Газообмен в зеленом листе (поглощение углекислоты, выделение кислорода) исстари привычно было определять, ориентируясь на площадь листьев (вспомним про индекс листовой поверхности!), а химизм идущих при фотосинтезе реакций естественно было, что и делали, изучая стресс, Тарчевский и его сотрудники, рассчитывать на единицу содержащегося в листе хлорофилла.

Получался «методический разнобой». И возникла необходимость как-то привести обработку экспериментальных данных к общему знаменателю. Какому? Тут-то мысль и заработала. А правильно ли поступают, когда судят об урожае, ориентируясь на площадь листвы? Ведь она может оставаться одной и той же, а количество хлорофилла в листьях, а значит, и интенсивность фотосинтеза и других процессов будут меняться!

Гипотеза Тарчевского о зависимости продуктивности растений в первую очередь от количества содержащегося в них хлорофилла была отчетливо сформулирована в 1972 году. Мнение это поначалу встретили с недоверием: уж слишком резко расходилось оно с традиционными представлениями. Однако такой прием не смутил Тарчевского, и он начал большую серию экспериментов по разработке хлорофилльного метода оценки урожайности. Были заключены договоры о совместной работе с НИИ сельского хозяйства Татарии, Саратовщины и Ставрополья. На обширных полях, на десятках культур — озимые и яровые рожь и пшеница, горох, просо, ячмень, картофель, в различных климатических зонах, всячески варьируя условия жизни растений, многие месяцы велся учет связи между содержанием в растениях хлорофилла и продуктивностью исследуемых культур. Результаты были положительны, и с 1980 года эта большая работа — «Пигменты и урожай» уже шла по заданию Государственного комитета по науке и технике.

И вновь исследователей ждал сюрприз. Обнаружилось: чтобы уверенно судить об урожае, необходимо учитывать содержание хлорофилла и других пигментов (каротиноидов, к примеру, они подпитывают хлорофилл энергией, защищают зеленый пигмент от повреждений) не только в листьях, что было бы естественно, но и в стеблях, колосьях — словом, во всех надземных органах растений. (Если в фазе кущения пшеницы весь хлорофилл находится в листьях, то при формировании зерна в листьях остается лишь одна десятая часть его, а около 80 процентов сосредоточивается в стеблях.)

— Практики, особенно в южных краях, давно должны были бы прийти к подобным заключениям, — рассказывает Тарчевский. — Представьте, что на пшеничное поле обрушился суховей. Высокие температуры, обжигающий ветер изуродовали растения: пожелтели и перестали функционировать листья, они погибли, и вести их обмер — занятие бесполезное. Но, на удивление, зерновые не только выстояли, более того, их урожайность (сухой вес зерен) все еще продолжает расти! Почему? Да потому, что фотосинтез может идти не только в листьях. На срезанном комбайном краю поля можно наблюдать любопытную картину — безжизненно повисли листья, но все еще зеленоваты содержащие хлорофилл стебли и колосья.

И не обученный агрономическим тонкостям крестьянин интуитивно чувствует разницу между растением с бледно-зелеными и темно-зелеными листьями, — продолжает Тарчевский. — Даже на глаз можно судить, как формируется урожай, однако сейчас, в век ЭВМ и аэрокосмических измерений, качественные суждения нас уже не могут удовлетворить. Точные цифры необходимы и для изучения отклика растений на те или иные агроприемы. Вносим, скажем, по инструкции в почву удобрения. Сыпать дальше или остановиться?

Ответ может дать хлорофилльный анализ. Он поможет и селекционерам. Допустим, опробываются два перспективных сорта. Они дали одинаковый урожай, но в растениях одного из них хлорофилла больше. Это значит, что потенциальные возможности сорта выше и он в более благоприятных условиях сможет проявить все свои замечательные качества. С таким сортом стоит работать дальше…

Казанские исследователи не только вооружили сельское хозяйство ценной теорией, они взялись и за разработку простейших, доступных широкому кругу полеводов средств для экспресс-анализа содержания в растениях хлорофилла. Мне показали длинный ряд флаконов, в них были разлиты жидкости всех оттенков зеленого. Только натренированный и изощренный глаз живописца смог бы различить все эти нюансы тонов — от бледно-зеленого до густого изумрудного! А агроном? Ему достаточно сорвать в поле с растения лист или колосок и затем, прикладывая исследуемый образчик к флаконам, найти среди них сходный по цвету. И тем самым — есть поясняющие надписи на флаконах — оперативно оценить концентрацию хлорофилла.

Это если обследуемый участок растительности невелик, скажем, делянка селекционера. А можно ли судить об урожайности области, края, региона? Как подступиться к столь грандиозной задаче? Методами аэрокосмической съемки! Анализ хлорофилльных спектров поможет оценить потенциал будущего урожая.

Из космоса виднее!

В той нелегкой работе, которую вели эстонские физики, принимал участие и физик-теоретик доктор биологических наук Агу Хейнович Лайск. Мне довелось дважды бывать в Тыравере. Полюбил этот небольшой городок ученых, много бродил по его живописным окрестностям. Наблюдал, как ведутся эксперименты в лабораториях ИАФА, вел частые и долгие беседы с Агу (эстонцы зовут друг друга просто по имени).

— Вначале наши исследования носили чисто статистический характер, — вспоминал он те годы, когда еще молодым человеком начинал под руководством Росса свою научную карьеру. — Данные по растениям, листьям, фотосинтезу должны были поставлять нам биологи. Однако аппаратура у них была неважная. По полчаса уходило на то, чтобы снять всего одну кривую зависимости продуктивности листа от освещенности. А подобных кривых (в игру вступали концентрация углекислого газа, влажность воздуха, температура и так далее) требовалось великое множество. Литература же по этим вопросам была отрывочна, случайна и скудна. Вот тогда и родилась мысль: эти данные — прямо в поле! — добывать самим. Сконструировали аппаратуру, стали копить факты…

Лет пятнадцать назад, — продолжал Лайск свой рассказ, — случай резко изменил направление моих научных поисков. Летом мы работали на селекционной станции: снимали характеристики листьев кукурузы. Привезли обед. Кормили строго по графику — пришлось прерваться. Мы оставили высокую интенсивность света, облучавшего лист, и ушли. Через час нас поджидал сюрприз: кривые, характерные для листьев нижнего яруса, превратились в кривые, характерные для листьев верхнего яруса! Тогда-то я и осознал отчетливо, что все те деления, классификации, которых мы придерживались, были весьма условны. Лист очень гибко приноравливается к новым условиям.

Захотелось понять, каковы пружины и возможности этой адаптации, как, в сущности, функционирует зеленый лист, как реагирует на изменение внешних условий. Я резко изменил курс: отошел от математического моделирования процессов продуктивности посевов и ринулся в совершенно новую для меня область, стал изучать отдельный лист растения. Но если бы я был тогда знаком со всем обилием литературы, с дьявольским коварством и сложностью биологических объектов, я бы за это дело, пожалуй, не взялся: духу бы не хватило!..

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.