Самоорганизация и неравновесные
процессы в физике, химии и биологии
 Мысли | Доклады | Самоорганизация 
  на первую страницу НОВОСТИ | ССЫЛКИ   

К.А. Тимирязев. Лекция V. Лист
от 08.06.07
  
Доклады


Утворiсе родi тоiе о СедмъРъцъх iдъже обiтващехом за морья о Краi Зелень

В настоящей беседе мы поставим себе задачей ознакомиться в главных чертах с жизнью листа. Эта задача будет несколько труднее и сложнее предшествовавшей, потому что едва ли о каком органе растения существуют такие неполные и ложные понятия в среде людей, незнакомых с наукой. Ни один растительный организм не испытывал на себе человеческой несправедливости в такой степени, как лист. В течении веков, до конца прошлого столетия, человек упорно отказывался видеть в нем прямую пользу. Тогда как польза корня как органа питания цветка и семени как органов размножения была неоспоримо признана за ними с незапамятных времен, лист продолжал пользоваться легкомысленной славой пышного, но бесполезного наряда; много, много, если в нем соглашались видеть орган для извержения вредных испарений. А между тем, как мы вскоре увидим, лист, так же как и корень, необходим для питания растения; мало того, он-то именно и доставляет главную, в количественном и качественном отношении, пищу растения; можно сказать, что в жизни листа выражается самая сущность растительной жизни, что растение - это лист.
Неверность так долго господствовавшего воззрения на лист и его значение вполне обьясняется своеобразием процессов питания, совершающихся в этом органе и нисколько не похожих ни по природе пищи, ни по способу ее принятия на явления питания в животном организме, которое невольно представляется уму, когда мы употребляем это выражение. Но потому именно эти процессы составляют наиболее характеристическую особенность растения, как мы сказали, самую сущность растительной жизни.
Какие же вещества принимает лист? Что служит ему пищей? Ответ у нас уже отчасти готов. Очевидно, те вещества, которые, входя в состав растения, не доставляются ему корнем.
Мы видели, что из одиннадцати перечисленных элементов (двенадцатый, кремний, не оказался необходимым) семь элементов золы: фосфор, сера, хлор, калий, кальций, магний и железо, а также азот поступают через корень. Кроме того, тем же путем поступает вода, значит, - водород и кислород. Остается углерод, эта основа всякого органического вещества. О нем в наших искусственных культурах мы нисколько не заботились, воспитывая растения, содержащие в тысячи, в десятки тысяч раз более углерода, чем его было во взятом для опыта семени. Ведь углерод, составляет количественно самую важную часть растения (около 45%), и, однако, этого-то вещества мы не только не доставляли корням, но даже систематически его изгоняли из окружающей их среды. Значит, растение может жить, не получая углерода через корень. Другой вопрос: получает ли оно его этим путем в действительности, т.е. при естественных условиях существования? Понятно, что сказать: растение может не получать углерода корнями, не значит еще сказать: растение не может получать углерода корнями, хотя эту ошибку делают нередко. До настоящего времени не доказано, чтобы растение не могло заимствовать своего углерода и от органического вещества почвы. Обсуждение этого вопроса завлекло бы нас слишком далеко, да и к тому же он представляет мало интереса, так как нетрудно показать, что если бы этот углерод и принимал участие в жизни растения, то это участие должно быть ничтожно и едва ли заслуживает внимания. В самом деле, если бы растение извлекало свой углерод исключительно или даже главным образом из органического вещества почвы. То почва, покрытая растительностью, продукты которой так или иначе удаляются, должна бы со временем становиться беднее перегноем; но ежедневный опыт учит, что, наоборот, почва под полем, лугом или лесом становится богаче перегноем. При культуре в поле мы ежегодно вывозим с поля более органического вещества в виде жатвы, чем вносим в почву в виде удобрений, и, однако, почва, тщательно унавоживаемая, становится богаче перегноем. Очевидно, что растение в итоге не только не извлекает из почвы, но даже вносит в нее органическое вещество, значит, во всяком случае, главный источник углерода растения находится не в почве. А если не в почве, то, значит, в воздухе; а если в воздухе, то он, вероятно, принимается органом по преимуществу воздушным - листом. Посмотрим, какой же это источник углеродистой пищи существует в воздухе и как принимается он растением.
Атмосферный воздух, кроме азота и кислорода, содержит еще очень небольшое количество углекислоты, несколько десятитысячных. Эта углекислота состоит из углерода и кислорода. Следовательно, этот бесцветный газ, по виду не отличающийся от воздуха, содержит частицы угля. Хотя я убежден, что никто не сомневается в справедливости этого факта, но тем не менее во всяком факте следует по возможности убеждаться собственными глазами, а на этот раз это легко осуществить. Для того, чтобы обнаружить присутствие углерода в углекислоте, необходимо отнять у нее кислород. Этого можно достигнуть, заставив кислород соединиться с каким-нибудь телом, обладающим еще большим к нему сродством. Таким, например, металл магний, проволока из которого сгорает, распространяя ослепительный свет. Зажигаю проволоку и опускаю ее в стеклянную банку, заключающую обыкновенный воздух; проволока сгорает, и на дно падает совершенно белая зола: это - магнезия, соединение металла магния с кислородом.
Повторяю тот же опыт, но на этот раз погружаю горящую проволоку в сосуд с углекислотой; теперь она уже вынуждена добывать себе кислород, отнимая его у углерода, и этот последний должен обнаружиться. И действительно, на этот раз проволока горит не тихо, а с треском, как бы с целым рядом маленьких взрывов, а на стенках стеклянного сосуда осаждается черная копоть. Это - освободившийся углерод.
Итак, в атмосферном воздухе, в невидимой для глаза форме, постоянно присутствует громадный запас углерода.
Углекислота содержится и во всякой воде, находящейся в прикосновении с атмосферным воздухом. Отсюда и заимствуют ее подводные растения.
...
До сих пор мы рассматривали деятельность листа и вообще растения исключительно с химической точки зрения - с точки зрения превращения вещества. Исходя из основного закона химии, что вещество не созидается, не исчезает, мы старались разыскать источники этого вещества, пути, которыми оно проникает в растение, и те превращения, которое оно при этом испытывает.
Но растительное тело представляет нам не только вещество, но в то же время запас, как бы склад силы, например, тепла. Одним семенем березы, сжигая его, мы не согрели бы даже на минуту озябших рук; столетней березой мы протопили бы несколько дней нашу печь. Следовательно, в березе, в течении ее жизни, накопился запас тепла, которыми мы пользуемся как теплом же или источником механической силы.
Рождается вопрос: откуда взялось это тепло, эта сила? Это тот же вопрос, который мы ранее сделали относительно вещества. Как тогда он предполагал в нас убеждение, что вещество не исчезает, не созидается, так и теперь мы должны быть наперед убеждены, что и сила не созидается, не исчезает. И действительно, как химики в прошлом столетии пришли к убеждению в неуничтожаемости вещества, так физики в настоящем пришли к убеждению в сохранении силы. Силы природы могут бесконечно видоизменяться, превращаясь одна в другую или скрываясь, переходя в состояние напряжения, но никогда не уничтожаясь, не возникая вновь. Для обозначения этих двух состояний силы - явной, обнаруживающейся в явлениях движения, и скрытной, таящейся в виде напряжения, - мы употребляем более общее выражение - энергия.
Спрашивается, какое же это скрытое состояние энергии, т.е. теплоты, в наших дровах, и откуда взялась эта теплота, так как она не могла возникнуть сама собой? Для того, чтобы выяснить это, мы должны вновь заглянуть на знакомые нам химические явления, совершающиеся в листве, но с чисто физической точки зрения - с точки зрения совершающегося здесь превращения энергии.
Все химические явления могут быть разделены на две категории: на такие, при которых появляется, освобождается теплота, свет, электричество, - одним словом, энергия, и на такие, при которых, наоборот, поглощается, скрывается энергия.
Первые явления совершаются сами собой или нуждаются в ничтожном толчке для того, чтобы совершиться, вторые, наоборот, нуждаются в постороннем источнике энергии, которая при этом затрачивается, поглощается.
К числу первых принадлежит большая часть явлений химического соединения, к числу последних - большая часть явлений химического разложения.
Простейшим примером химического соединения может служить соединение с кислородом, т.е. горение; простейшим примером разложения, - явление, обратное горению, т.е. отнятие у тела кислорода, так называемое восстановление.
То, что происходит при химическом соединении и разложении, при горении и восстановлении, мы можем пояснить себе наглядным образом при следующей простой модели, состоящей из двух свинцовых шариков, подвешенных на ниточках.
Причина всякого химического соединения лежит в том, что разнородные тела одарены стремлением, своего рода тяготением друг к другу. Это стремление мы называем химическим сродством. Частицы углерода и кислорода стремятся навстречу друг другу, как вот эти шары а и b, если я их раздвину и предоставлю самим себе. Но мы знаем, что при ударе тел развивается теплота, а иногда и свет. Теплота и свет, развивающиеся от удара, от невидимых столкновений между частицами углерода и водорода с частицами кислорода, и есть та теплота и тот свет, который мы наблюдаем в горящем пламени.
Мы усматриваем, таким образом, причину, почему химическое соединение идет само собой и почему при этом развивается теплота. Соединяясь, химические элементы только повинуются своему взаимному стремлению, как наши падающие шары. И столкнувшись, от удара нагреваются, освобождая теплоту.
Совсем иное дело - явление разложения. Для того, чтобы разложить химическое соединение, - в нашем сравнении для того, чтобы раздвинуть эти шары, - я должен приложить силу, должен затратить известное количество энергии, такое же количество энергии, какое проявится потом при ударе тел, когда я их предоставляю самим себе. Это равенство энергии, затрачиваемой на разложение и проявляющейся при соединении, легко доказать на нашем механическом сравнении. В самом деле, для того, чтобы удалить один шар от другого, я должен его поднять, преодолеть при этом силу тяжести; о количестве затраченной на это энергии я сужу по произведенной мной работе, эта работа измеряется произведением из веса шара на высоту поднятия. Но и в момент удара о другой шар падающий шар обладает энергией, достаточный для поднятия шара такого же веса на такую высоту. Мы это заключаем из того, что если бы он не встретил другого шара, то сам бы, подобно маятнику, отшатнулся бы на другую сторону и на такую же высоту, т.е. поднял бы свой собственный вес на такую же высоту, с какой только что упал. Итак, для того, чтобы разьединить, разорвать связь, чтобы оказать противодействие сродству двух химических тел, нужно затратить такое же количество энергии, какое освобождается при их соединении. Если известное количество углерода, сгорая в кислороде, освобождает, скажем, 1000 единиц тепла, то для того, чтобы выделить этот углерод из образовавшейся углекислоты, порвать его связь с кислородом, необходимо затратить те же 1000 единиц тепла. И действительно, мы видим, что разложить углекислоту, выделить из нее углерод, нам удалось только подвергая ее высокой температуре горячего магния. Этот случай разложения углекислоты магнием не может, впрочем, служить примером простого разложения, так как при нем одновременно происходит и соединение магния с кислородом. Химики, действительно, долгое время полагали, что разложение таких прочных соединений, каковы углекислота или вода, и не может совершаться иначе. Как при содействии третьего тела, обладающего более сильным сродством с кислородом, но в сравнительно недавнее время они убедились, что и действия одной теплоты достаточно для того, чтобы вызвать разложение, или, как говорят, диссоциацию углекислоты и воды. Теплота, как учит современная физика, есть не что иное, как движение - быстрое, невидимое, но ощущаемое сотрясение частиц тела. Нагревая какое-нибудь сложное тело до очень высокой температуры, мы приводим его частицы в такое состояние, до того расшатываем их. Что, наконец, между ними порывается взаимная связь - вызывается разложение; так, например, при очень высокой температуре мы уже не имеем водяного пара или газа, а смесь водорода и кислорода.
При разложении поглощается, затрачивается энергия. Но куда девается эта затраченная энергия? Исчезнуть она не может, - это противоречило бы закону сохранения энергии. Она при этом переходит в скрытое состояние напряжения или запаса. Примеры запаса энергии в сфере механических явлений всякому знакомы: чугунная баба, готовая упасть на вгоняемую в землю сваю, натянутый лук, готовый метнуть стрелу, - все это вполне понятные случаи запаса энергии в виде напряжения. Но то же выражение на первый раз звучит как-то странно в применении к свету, к теплоте. Можно ли запасать такую силу, как свет или теплота? Мог ли я, например, уловить и спрятать на завтра часть теплоты и света, которые освободились при горении магниевой проволоки? Не только мог, но даже сделал. Когда я окунул горящую проволоку в сосуд с углекислотой, я затратил часть этой энергии на разложение углекислоты, на выделение углерода. Этот углерод я мог сжечь завтра или завещать его отдаленному потомству, и оно, сжигая его, воспользуется тем светом и теплотой, которые мы сберегли, запасли сегодня, затратив их на разложении углекислоты.
Значит, углерод или вообще всякое горючее тело (дрова в печи, пища в нашем теле), разьединенное, но стремящееся соединиться с кислородом, представляет запас энергии. Следовательно, во всяком химическом процессе, в котором тело, неспособное гореть. Превращается в тело. Способное гореть, делается запас энергии.
В окончательном выводе мы приходим к заключению. Что. Во-первых, разложение углекислоты. Выделение из нее углерода может происходить не иначе, как при затрате внешней силы, и, во-вторых, что сила, при этом затраченная, переходит в состояние запаса.
Вооружившись этими двумя положениями, возвратимся к нашему листу.
В нем именно происходит подобный процесс. Из неспособной к горению углекислоты образуется горючий крахмал, древесина и пр. Ясно, что этот процесс не может совершаться иначе, как при содействии внешнего источника силы.
И, действительно, я уже не раз повторял, что разложение углекислоты происходит только при свете. Что деятельность листа начинается только с той минуты. Когда на него упадет луч солнца.
Этот луч и есть та сила, которая вызывает разложение углекислоты и при этом поглощается, слагается в запас. Чтобы это не показалось странным, сравним явления световые с явлениями тепловыми. Мы видим, что теплота есть движение, которое, расшатывая частицы тела. Вызывает его разложение. Но свет есть также движение, правильное, волнообразное движение. Следующее, конечно, грубое сравнение поможет выяснить разлагающее действие света. Представим себе, что на гладкой поверхности воды плавают рядом два легких тела, два деревянных шара. Неподалеку от них мы бросим в воду камень; он него пойдут круги, и каждый раз, что новая волна будет пробегать под плавающими шарами, выбрасывая на гребень один, погружая в ложбину другой, она будет разьединять их, порывать между ними связь. Камень, дающий круги, - это солнце, от которого постоянными, расходящимися в бесконечность кругами бегут световые волны, с тем только различием, что эти волны пробегают в секунду 290000 верст, что они так часты и мелки, что на одном дюйме их помещается средним числом 50 000.
Эти-то почти немыслимо быстро чередующиеся волны. Ударяясь в листе о еще более мелкие атомы углерода и кислорода, соединенные в углекислоту, расшатывают их, порывают связь между ними, кислород освобождается, а углерод тотчас вступает в другие соединения. Первое из них, о существовании которого мы узнаем при помощи микроскопа, - крахмал.
Только что мы видели. Как можно сохранить впрок теплоту и свет горящего магния. То же оправдывается и относительно солнечного луча. Просто схватить и спрятать луч солнца мы не в состоянии, но зато с этой целью мы выращиваем растения. Которые своими листьями не только извлекают углерод из воздуха, но вместе с этим углеродом поглощают и слагают в запас схоронившийся в этом углероде луч солнца. В дровах нас греет луч летнего солнца; он же в длинный зимний вечер светит в лучине нашего крестьянина и в нашей свече.
Так как лист служит, главным образом, для улавливания света, то нам становится понятным физиологическое значение его преобладающего развития в плоскости: ему выгоднее иметь плоскую, чем какую иную форму. Величина всей этой поглощающей свет листовой поверхности у некоторых растений до восьмидесяти раз более занимаемой ими площади земли.
Только теперь мы в состоянии оценить вполне значение процессов, совершающихся в листе. С одной стороны, это - процесс усвоения одного из важнейших составных начал растения - углерода - и в то же время процесс превращения неорганического вещества в органическое. Как мы сказали, все органическое вещество, встречающееся в растениях и в животных, прямо или косвенно происходит из листа; с другой стороны, в листе совершается тот процесс, который связывает существование всего органического мира с солнцем. Лист служит как бы посредником между любым проявлением энергии в органическом мире и солнцем - этим общим источником энергии. Запасом солнечной энергии, поглощенной растением, пользуется не только само растение, но и все животное царство и человек. Мы видели, что прорастающее зерно нагревается; но откуда же взялась эта теплота? Она произошла от дыхания, от сжигания части органического вещества, завещанного семени материнским растением. Но ведь на образование этого органического вещества затрачена была энергия солнечного луча, - следовательно, прорастающее в земле семя пользуется теплотой солнечного луча, поглощенной взрослым растением. Точно так же и мы, принимая в пищу органическое вещество, вместе с тем поглащаем сохраненный в нем солнечный луч и употребляем его на то, чтобы согревать или приводить в движение свое тело.
Значит, лист, в котором мы признали уже единственную естественную лабораторию, где  заготавливается вещество на оба царства природы, тот же лист и в том же самом процессе усвоения углерода запасает на них энергию солнечного луча, становится, таким образом, источником силы, проводником тепла и света для всего органического мира.
До сих пор мы говорили в общих выражениях: в листе разлагается углекислота; в листе поглощается  солнечный свет и т.д. Но мы имеем право выразится гораздо определеннее: в отличие от усвоения других питательных веществ по отношению к усвоению углерода мы можем вполне определенно указать тот микроскопический очаг, в котором происходит этот процесс. Это - зеленое хлорофилловое зерно. Мы можем со всей желаемой точностью убедиться в том, что лучи солнца действительно поглощаются хлорофиллом и что именно эти поглощенные лучи вызывают разложение углекислоты, как первый акт усвоения углерода, и образования крахмала, как его последний акт. Таким образом, зеленый цвет, зависящий от своеобразного поглощения света зернами хлорофилла, является не случайным свойством растения, а тесно связан с самым существенным процессом его питания. Не лист как целое, а именно сообщающее ему зеленый цвет хлорофилловое зерно служит, как мы выражались ранее, посредником между всей жизнью на земле и солнцем.
Мы ознакомились с отправлением зеленого листа. Все растения, лишенные зеленых частей, неспособны к нему, неспособны сами для себя вырабатывать органическое вещество из углекислоты, а вынуждены жить на счет органического вещества, выработанными другими растениями. Таковы, например, грибы, как те, которые мы привыкли называть этим именем, так и те микроскопические грибы, которые мы называем обыкновенно плесенью. Они могут существовать только на почве, содержащей готовое органическое вещество; всякая попытка воспитать их в среде, не содержащей его, как мы это делали с зелеными растениями, оказалась бы бесплодной. Сюда же относятся и так называемые чужеядные растения, которые, присасываясь к стеблям и корням других растений, питаются на их счет; такова, например, заразиха, появляющаяся на корнях конопли; такова повилика (Cuscuta), обвивающаяся вокруг стеблей хмеля, льна, клевера, присасывающаяся к ним и под конец совсем их истощающая. Все эти растения или имеют вместо листьев невзрачные, не зеленые чешуйки или вовсе не имеют листьев. Эти растения, неспособные к самостоятельному существованию, а сосущие соки из других растений, мы называем вообще паразитами. Все они, а в особенности мелкие паразитные грибки, причиняющие различные болезни растениям, составляют истинный бич земледельца, нередко вырывая у него из рук целые жатвы.
Таково значение листа. Его деятельность снабжает необходимым веществом и необходимой силой весь органический мир, не исключая человека, и несмотря на это, как сказано выше, в течение веков человек упорно отказывался признать за ним роль не только необходимого, но даже полезного органа.
Эта вековая несправедливость, эта черная неблагодарность освещена даже поэзией. Каждый из нас, конечно, еще с детства знает басню Крылова - Листы и Корни, и, однако, эта басня основана на совершенно ошибочном понимании естественного значения листа. Крылов оклеветал в ней листья, и потому в качестве ботаника, значит, адвоката растения, я возьму на себя их защиту и попытаюсь предложить, взамен крыловской, другую басню, конечно, менее поэтичную, но зато более согласную с природой и заключающую более строгую мораль. Смысл крыловской басни всякому известен. Корни - это те,
Чьи работают грубые руки,
Предоставив почтительно нам
Погружаться в искусства, в науки,
Предаваться страстям и мечтам.
Корни - это тот - темный - люд,
Кто бредет по житейской дороге
В безрассветной глубокой ночи.
Листья - это мы, - погружающиеся в искусства, в науки -, мы, пользующиеся
воздухом и светом и на досуге - предающиеся страстям и мечтам -. Признавая
только за корнями трудовую, производительную деятельность, Крылов видит в
листьях один блестящий, но бесполезный наряд и, выставляя им на вид всю
пустоту их существования, требует от них, чтобы они хоть были благодарны
своим корням.
Но справедливо ли такое мнение? Точно ли листья, настоящие зеленые листья, существуют для того только, чтобы шептаться с зефирами, чтобы давать приют пастушкАм и пастУшкам? Точно ли листья одной благодарностью в состоянии платить корням за их услуги? Мы знаем, что это неверно. Мы знаем теперь, что лист не менее корня питает растение. В прошедшей беседе мы видели, что сталось с листьями и всем растением, которому корни отказали в том железе, которое они с таким трудом добывают из земли. В следующей мы увидим, что сталось бы и с корнем, если бы ему листья отказали в той воздушной, неосязаемой пище, которую они добывают при помощи света.
Итак, листья Крылова совсем не похожи на настоящие листья; если сравнение с его бесполезными листьями может быть только позорно и оскорбительно, то сравнение с настоящими листьями вполне лестно.
Но если изменяется содержание басни, изменяется и ее мораль. Какую же мораль выведем мы из нашей басни? Мораль эта может быть одна. Если мы желаем принять на свой счет сравнение с листом, то мы должны принять его со всеми его последствиями. Как листья, мы должны служить для наших корней источниками силы - силы знания, той силы, без которой порой беспомощно опускаются самые могучие руки. Как листья, мы должны служить для наших корней проводниками света - света науки, того света, без которого нередко погибают во мраке самые честные усилия.
Если же мы отклоним от себя это назначение, если свет наш будет тьма или если, подобно вымышленным листьям баснописца, мы не будем платить нашим корням за их услуги услугами же, если, получая, мы не будем ничего давать взамен, тогда мы будем не листья, тогда мы не вправе будем величать себя листьями, тогда в словаре природы найдутся для нас другие, менее лестные сравнения. Гриб, плесень, паразит - вот те сравнения, которые в таком случае ожидают нас в этом словаре.
Такова мораль, которую мы можем извлечь из знакомства с листьями, не теми, которые создало воображение поэта, а настоящими, живыми листьями, - мораль, быть может, более суровая, но зато согласная с законами природы

  


СТАТИСТИКА