ПРИЛОЖЕНИЕ. "РАСТЕНИЕ КАК ИСТОЧНИК СИЛЫ" ПУБЛИЧНАЯ ЛЕКЦИЯ, ЧИТАННАЯ В ТЕХНИЧЕСКОМ ОБЩЕСТВЕ В С.-ПЕТЕРБУРГЕ В 1875 г.
ДВОЯКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПИЩИ ДЛЯ ЖИВОТНОГО ОРГАНИЗМА - КАК СТРОИТЕЛЬНОГО МАТЕРИАЛА И КАК ИСТОЧНИКА СИЛЫ.— ПОНЯТИЕ О РАБОТЕ И ЭНЕРГИИ, АКТУАЛЬНОЙ И ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ.-ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ.—МЕХАНИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ТЕПЛОТЫ. —ХИМИЧЕСКОЕ СРОДСТВО.-ЖИВОТНЫЙ ОРГАНИЗМ, РАССМАТРИВАЕМЫЙ КАК МЕХАНИЗМ.- ГОРЕНИЕ И ДЫХАНИЕ. - НЕОБХОДИМОСТЬ СУЩЕСТВОВАНИЯ В ПРИРОДЕ ПРОЦЕССА, ОБРАТНОГО ГОРЕНИЮ И ДЫХАНИЮ. ОТКРЫТИЕ ПРИСТЛИ.- РАЗЛОЖЕНИЕ УГЛЕКИСЛОТЫ РАСТЕНИЕМ.—ЗНАЧЕНИЕ ЭТОГО ПРОЦЕССА С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ УЧЕНИЯ О СОХРАНЕНИИ ЭНЕРГИИ. — РОБЕРТ МАЙЕР. - ПРОИЗВОДСТВО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА РАСТЕНИЕМ.— ХЛОРОФИЛЛ, ЕГО ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ОБЪЯСНЯЮЩИЕ ЕГО ЗНАЧЕНИЕ В ПРИРОДЕ.- ОБРАЗОВАНИЕ КРАХМАЛА И БЕЛКОВЫХ ВЕЩЕСТВ.- ЭКОНОМИЧКСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПРОЦЕССА, СОВЕРШАЮЩЕГОСЯ В ЗЕЛЕНЫХ ОРГАНАХ РАСТЕНИЯ.— ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ПРЕДЕЛ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ЗЕМЛИ.— ОБЩИЙ
ВЫВОД.
Разве заронился
Втуне хоть единый
Солнца луч на землю?
Или не возник он,
В ней преображенный,
В изумрудных листьях.
(Щербина)
Всякому известно и не только известно, но, и вполне понятно, что если человек будет голодать, то он похудеет. Этот факт не только общеизвестен, но и общепонятен, потому что путем простейшего рассуждения легко логически связать эти два явления— исхудание с отсутствием пищи. Тело человека, как все на свете, изнашивается, расходуется; этот расход покрывается пищей. Нетрудно себе представить, что вещество пищи превращается в вещество нашего тела, хотя, быть может, пройдет еще много времени, прежде чем наука объяснит все подробности этого превращения.
Не менее известна, но уже далеко не так понятна другая сторона действия пищи, другое ее влияние на организм. Отсутствие или недостаток пищи вызывает упадок сил. Голодное животное, голодный человек бессилен. С пищей возвращается и сила. Пища подкрепляет. Чем значительнее работа, которую производит организм, тем более он нуждается в пище. Всякий знает, что если лошади предстоит усиленная работа, то этому можно помочь, увеличив дачу овса. Факт общеизвестен, но для его объяснения уже недостаточно одной сообразительности.
Итак, мы видим, что пища не только служит для построения живого механизма нашего тела, но она же приводит в движение этот, механизм. Питаясь, человек или животное не только поддерживает свое тело, что само собой понятно, но и свои силы, что уже требует пояснения. Спрашивается: какая сила может быть скрыта в куле овса, в куске хлеба или мяса? Ответ на этот вопрос далеко не так прост, да и самый вопрос, быть может, не всякому приходил в голову.
Чтобы получить удовлетворительный ответ на этот вопрос, необходимо познакомиться со свойствами растительного вещества и с условиями его происхождения. Мы говорим—растительного вещества, так как понятно, что животная пища косвенно происходит из растительной. Мясо не что иное, как переработанная животным организмом трава или зерно.
Но прежде чем приступить к нашей задаче, необходимо условиться относительно точного значения некоторых употребленных нами выражений. Во-первых, что мы разумеем под словом сила? Постараемся выяснить это на нескольких примерах. Такой способ изложения научных истин, конечно, нельзя считать точным, но зато это самый легкий и скорый и потому в настоящем случае самый желательный.
Понятие о силе человек выносит из собственного опыта, из личных своих ощущений. Силой он называет сознаваемую в себе способность вызывать или останавливать движение или вообще преодолевать препятствия. Распространяя это понятие на внешнюю природу, он называет силой или силами неизвестные ему причины явлений, т. е. вообще движения. Познакомимся с несколькими примерами проявления силы, начиная с наиболее нам знакомой, с силы наших мышц.. Представим себе два шара (фиг. 82), удерживаемые в положении С и О2 посредством двух стальных пружин, на которые они насажены.
Для того, чтобы раздвинуть эти шары, привести их в положение С', О'2, я должен сделать усилие, затратить силу. Преодолевая сопротивление пружин, отрывая один шар от другого, я, как выражаются в механике, произвожу работу. Подобную же работу я произвожу, когда, подымая тяжесть, преодолеваю ее стремление упасть на землю, так сказать, отрываю ее от поверхности земли. Поднятие тяжести представляет нам простейший пример работы; такова, например, работа крючника. Известно, что в подобной работе истрачивается тем более сил, чем более поднимаемая тяжесть и чем более высота, на которую ее нужно внести. Поднятие единицы веса (или, точнее, массы), т. е. фунта, пуда, килограмма, на единицу высоты, т. е. фут, метр и пр., служит единицей работы: пудофут или килограммометр будут, следовательно, единицами механической работы, с которыми мы стараемся сравнить, к которым мы приводим всякую другую работу.
Итак, раздвинув эти шары, я произвел работу и при этом затратил известное количество силы, которое измеряется производимой работой. Эти шары на пружинах представляют нечто вроде простейшего динамометра, т. е. прибора, служащего для измерения силы. Но посмотрим, что произошло с нашими шарами. Изменилось их взаимное положение, а вместе с тем в них появилась возможность притти в движение без всякой посторонней силы. Я только отнимаю руки, следовательно, не делаю никакого усилия, и шары приходят в движение и, возвращаясь в прежнее свое положение, с силой ударяются друг о друга. Очевидно, в том положении, в которое я привел их своими руками, в них заключается сила, которой в первоначальном положении в них не было; она находится в скрытом состоянии и в каждый момент готова обнаружиться в виде движения.
Этот простой пример наглядно показывает нам два различные состояния, два, так сказать, типа силы: силу явную, открытую, активную, проявляющуюся в движении (моей руки, шаров), и силу скрытую, покоящуюся в виде запаса,—одним словом, силу натянутой пружины. Озираясь вокруг, мы на каждом шагу замечаем подобные же явления; сила падающей тяжести и сила тяжести, могущей упасть, сила спущенной и сила натянутой тетивы,—вот примеры явной и покоящейся силы; наконец, упавшая тяжесть, свободно висящая тетива не заключает вовсе силы ни в действии, ни в виде запаса.
Но очевидно, что эти два типа силы существенно между собой отличны; во втором случае собственно нет силы, а только возможность ее проявления. Для избежания неясности вследствие обозначения одним словом двух различных понятий лучше употреблять более общее выражение — э н е р г и я. Под энергией мы будем вообще разуметь способность тела произвести работу. Но этой способностью, как мы только что видели, тела обладают или вследствие своего движения, или вследствие своего положения (тяжесть на высоте, наши раздвинутые шары). Первого рода энергия, т. е. энергия движения, получила название явной, действительной энергии; энергия же, зависящая от положения тел, получила название потенциальной, т. е. энергии в состоянии возможности или напряжения. Таким образом, энергия проявляется в виде движения, таится в виде напряжения. Оба вида ее взаимно превращаются; наши шары представляют наглядный тому пример. Явная энергия, которую я затратил на разъединение шаров, не исчезла, а превратилась в потенциальную энергию, в напряжение пружин. В таком виде я могу ее запасать, сохранять и затем, когда понадобится, истрачивать, превращая обратно в явную энергию, в движение, и притом вдруг или исподволь. Подобный запас энергии мы делаем каждый день, заводя свои часы; явная энергия заводящей руки превращается в потенциальную энергию часовой пружины, которая затем исподволь в течение суток принимает форму явной, в движении стрелок. Нечто подобное же производит человек, делающий запас на старость или на черный день; он превращает избыток явной энергии, механической или умственной, в потенциальную, с тем, чтобы воспользоваться ею, расходовать ее, когда истощится его явная энергия. Куда бы мы ни взглянули, везде в природе мы встречаем те же явления превращения движения в напряжение, и наоборот. Имея постоянно в виду это превращение, мы вскоре убеждаемся, что энергия вообще не возникает, не исчезает, что она вечна. Другими словами, мы убеждаемся, что все количество работы, которое в каждый момент совершается и может быть совершено во вселенной силами природы, не прибывает и не убывает, а пребывает одно и то же. Это самое широкое физическое обобщение, получившее название закона «сохранения силы» или, правильнее, «сохранения энергии», представляет едва ли не величайшее научное приобретение XIX века. Нередко представляется случай, где, повидимому, этот закон не оправдывается; кажется, что энергия уничтожается, движение не превращается в напряжение, а исчезает бесследно. Именно такой случай мы имеем в наших шарах. Я их разъединяю и затем отпускаю руку; они ударяются, и в этом ударе, повидимому, расходуется вся энергия, сообщенная им моей рукой; нет в них более движения, нет и возможности движения, т. е. напряжения; очевидно, энергия исчезла. Но это только так кажется. В тот момент, когда шары ударились, когда исчезло движение; возникла, проявилась другая сила—теплота. Ударившись, шары нагрелись. Доказать это в настоящем частном случае было бы несколько хлопотливо, потому что повышение температуры незначительно, но в том, что тела от удара нагреваются, не может сомневаться никто, когда-либо высекавший огонь. Примеры этого перехода попадаются на каждом шагу; при сверлении металла стружки сильно нагреваются; трением куска дерева о кусок дерева можно их воспламенить; из-под тормоза быстро остановленного поезда сыплются искры; пуля, ударяясь о твердую преграду, отчасти сплавляется.
Эти явления превращения механической силы в теплоту давно обращали на себя внимание; они побудили, например, знаменитого Бойля более чем два века тому назад высказать мысль, получившую полное научное развитие только в настоящее время. «Когда мы вгоняем большой гвоздь в деревянную доску,—пишет Бойль,—то замечаем, что ему нужно сообщить значительное число ударов, чтобы заметно нагреть его; но когда мы его вогнали в дерево до головки, так что он не может более подаваться вперед, нескольких ударов достаточно, чтобы сделать его горячим; пока с каждым ударом молотка гвоздь уходит глубже и глубже в дерево, мы вызываем общее поступательное движение всей его массы, но когда это движение будет задержано, тогда толчок, сообщаемый ударом, не будучи в состоянии вгонять гвоздь далее или раздробить его, должен расходоваться на сильное внутреннее сотрясение частиц, а из подобного движения, как мы видим, состоит теплота». Современная физика, действительно, учит, что теплота—не что иное, как весьма быстрое, не видимое, но ощущаемое нами сотрясение частиц тела. Таким образом, движение моей руки чрез посредство видимого движения шаров превратилось в невидимое движение частиц шаров. Это движение, т. е. теплота, сообщилось сначала ближайшим телам и затем, распространяясь далее и далее, рассеялось в пространстве. Рассеялось, но не уничтожилось. Сила, затраченная мной на разъединение шаров, не исчезла бесследно. В конечном результате, произведя эту работу, я согрел вселенную на неуловимую, неизмеримо малую величину, но все же согрел. Целый ряд исследований показал, что при этом превращении механической работы в теплоту или, наоборот, теплоты в механическую работу наблюдается постоянное строго количественное отношение. Известное количество механической работы, превращаясь, дает начало одному и тому же количеству теплоты и наоборот. Величину, выражающую это постоянное отношение, называют механическим эквивалентом теплоты. Его определяют различными способами: вот простейший и самый понятный, хотя и не самый точный. Он принадлежит известному французскому ученому Гирну.
В общих чертах он состоит в следующем: тяжелый железный молот заставляют падать с известной высоты на наковальню, на которой лежит кусок свинца; этот кусок свинца от удара нагревается. За единицу работы, как мы видели, мы принимаем килограммометр; за единицу тепла принимают нагревание одного килограмма воды на один градус стоградусного термометра. Зная вес молота и высоту его падения, зная вес свинца и определив, насколько он нагрелся, обладая, далее, еще некоторыми данными, о которых здесь излишне упоминать, можно вычислить, сколько единиц работы затрачено и во сколько единиц тепла они превратились. Точные определения дают для механического эквивалента теплоты цифру 426. Эта цифра показывает то постоянное отношение, в каком теплота превращается в механическую работу, или наоборот. Она означает, что единица тепла, превращаясь в работу, дает 426 единиц механической работы, т. е. может произвести работу, равную поднятию 426 килограммов на один метр или одного килограмма на 426 метров. Наоборот, затратив 426 единиц механической работы на нагревание воды, мы можем повысить один килограмм ее на один градус.
Мы видим много примеров превращения механической силы в теплоту; примеры обратного также часто встречаются. Паровая машина служит самым разительным тому примером. Теплота, развиваемая сгорающим топливом, превращается чрез посредство пара в механическую работу машины. Солнечная теплота испаряет воду с поверхности земли, заставляет ее подняться на значительную высоту и затем, падая на землю, сбегать с высот в равнины и океан, производя на пути механическую работу, например, приводя в движение наши мельницы. Та же солнечная теплота, вызывая местное нагревание атмосферы, производит те ужасающие проявления механической силы, которые мы называем вихрем, ураганом и пр.
Итак, теплота превращается в механическую работу и, наоборот, и при этом превращении сохраняется строго количественное отношение. Но то же справедливо и относительно других сил природы: света, электричества, химического сродства. Все они способны ко взаимному превращению непосредственно или принимая скрытую форму напряжения и затем проявляясь в ином виде. Только постоянно имея в виду эту возможность взаимного превращения сил, мы убеждаемся в общей справедливости закона сохранения энергии.
Остановимся некоторое время над соотношением между теплотой и химическим сродством, так как это нечувствительно вернет нас к поставленному нами вопросу. Современная химия учит, что атомы разнородных тел одарены притяжением друг к другу и притом в весьма различной степени. Атомы разнородных тел стремятся друг к другу, как падающие тела стремятся к земле, как эти шары действием пружин стремятся друг к другу. Наша модель собственно и должна наглядно изобразить нам этот химический факт. Шар, означенный буквой С, представляет нам углерод, шар О—кислород. Атомы углерода и кислорода стремятся ко взаимному соединению и при этом образуют углекислоту, в которой на один атом углерода приходится два атома, кислорода (С02). Также атомы водорода (Н) стремятся соединиться
с атомами кислорода и образуют воду (Н2О), где на два атома водорода один кислорода. Напротив, атомы углерода и водорода одарены сравнительно слабым притяжением друг к другу и потому, будучи соединены, при первой возможности стремятся каждый в свою сторону соединиться с кислородом, образуя углекислоту и воду.
При этом соединении атомы, так же, как и эти шары, должны ударяться друг о друга. Но когда тела ударяются друг о друга, развивается теплота. То же должно оправдываться и относительно ударов атомов. Этот удар, это столкновение частиц углерода и водорода с частицами кислорода и есть то, что мы называем горением. Как при ударе стали о кремень проявляются теплота и свет, так и при ударе частиц кислорода воздуха о частицы углерода и водорода, из которых состоит наш светильный газ или наш керосин, развиваются теплота и свет, наблюдаемые в их пламени. Все различие состоит в том, что в первом случае мы видим движение, удар и сопровождающие его явления—свет и теплоту; во втором же только видим эти явления, о существовании же столкновения заключаем из его последствий. В самом деле, до горения мы имеем углеводород (т. е. соединение углерода с водородом), светильный газ или керосин и кислород, после горения имеем углекислоту и воду.
Следовательно, каждый атом углерода, водорода пли их соединений находится по отношению к кислороду в положении шара С1 относительно шара О2. Как эти шары, они находятся в напряженном состоянии, представляют запас скрытой потенциальной энергии, которую мы и называем химическим сродством или химическим напряжением. В разрозненных атомах углерода и кислорода мы видим новый пример скрытой энергии положения, которая при столкновении их, в явлениях горения, переходит в энергию движения—в теплоту и свет.
Это напряженное состояние атомов или частиц углерода, это стремление их навстречу частицам кислорода не поражает нас, не бросается нам в глаза в повседневной жизни, потому что обыкновенно для того, чтобы вызвать это соединение, необходимо сообщить им толчок. Для того, чтобы сжечь кусок угля, его нужно поджечь, т. е. процесс горения должен ему сообщиться извне. Но это присущее углероду стремление соединиться с кислородом нагляднее проявляется в явлениях самовозгорания. Давно было, например, известно, что сопревшее в стогах сено способно само собой загореться, но только в недавнее время один подобный случай был ближе исследован в Германии. При раскопке больших куч сена, начало самовозгорания которого обнаружилось выходившим из него дымом, оказалось, что внутри кучи оно уже совершенно обуглилось, и что этот рыхлый, блестящий, наподобие графита, уголь вспыхивал при первом прикосновении с воздухом. Затем оказалось, что подобный самовозгорающийся уголь может быть приготовлен искусственно, если обугливать сено в отсутствии воздуха, например, в запаянной стеклянной трубке. Приготовленный таким образом уголь воспламеняется, как только придет в соприкосновение с воздухом. Эти и подобные примеры наглядно показывают, что горение, т. е. соединение с кислородом, может происходить само собой, т. е. без предварительного поджигания.
Углерод и водород способны каждый порознь соединяться с кислородом, развивая при этом теплоту и свет; следовательно, они представляют нам запас энергии в виде химического напряжения. Но то же справедливо и относительно соединения углерода и водорода, относительно всякого вообще тела, способного соединяться с кислородом, т. е. способного гореть. Тела, из которых состоят растения и животные,—все органические тела,—способны гореть, следовательно, представляют запас скрытой энергии.
Этим запасом мы пользуемся, сжигая дрова или уголь в наших машинах. При этом скрытая энергия химического напряжения превращается в явную энергию, в движение частиц, т. е. теплоту, которая в свою очередь переходит во внешнюю механическую работу, в видимое движение масс, например, в движение локомотива.
Но это столкновение атомов углерода и водорода с атомами кислорода может и не сопровождаться таким очевидным освобождением силы, как в процессе горения, они могут соединяться, не обнаруживая света, не развивая очень высокой температуры. Это происходит, когда соединение совершается не вдруг, а медленно, исподволь. Как в том, так и в другом случае количество тепла, освобождаемого сгоранием известного количества углерода, будет одно и то же; но так как в последнем: случае оно распределяется на более продолжительное время, то оно будет менее заметно; примером такого тихого горения может служить дыхание. Все, что дышит, человек или животное, медленно сгорает. В этом нетрудно убедиться; стоит только поставить под стеклянный колокол горящую свечу или посадить живую мышь или птицу, и вскоре увидим, что последствия будут одни и те же: свеча погаснет, животное умрет, а в воздухе, содержавшем прежде кислород и не содержавшем углекислоты, появится углекислота, количество кислорода соответственно уменьшится. Следовательно, углерод всякого животного организма постоянно соединяется с кислородом воздуха, сгорая в углекислоту. Мы вдыхаем кислород, выдыхаем углекислоту.
Для покрытия этого постоянного расхода своего тела человеку необходимо принимать новые количества вещества в виде пищи. Часть пищи играет в организме такую же роль, как топливо в машине, т. е. сгорает, конечно, не прямо, а сначала превратившись в вещество нашего тела. То, что теряется для организма как вещество, выигрывается как сила. Мы можем,—говорит знаменитый физиолог Клод Бернар,— считать физиологической аксиомой следующее положение: всякое проявление деятельности в живом организме необходимо связано с уничтожением части вещества организма. В организме, как в очаге машины, часть вещества сгорает; при этом обнаруживается теплота или эта теплота превращается в механическую работу, например, в работу мышц. В одном фунте пшеничного хлеба, по определению Франкланда, заключается запас скрытой энергии, равняющийся приблизительно 75000 пудо-футов. Конечно, организм, так же как и машина, не в состоянии превратить в полезную работу
весь запас энергии, предоставляемой его топливом, т. е. окисляющимися частями организма; физиологические опыты показывают, однако, что в этом отношении он далеко превосходит все паровые машины.
Мы подвинулись в разрешении поставленного нами вопроса настолько, что уже знаем, какого рода сила заключается в пище: это—скрытая энергия ее углерода и водорода, всегда готовых соединиться с кислородом воздуха. Здесь на пути нашего исследования сам собой возникает новый вопрос. Дрова горят, животные горят, человек горит, все горит, а между тем не сгорает. Сжигают леса, а растительность не уничтожается; исчезают поколения, а человечество живо. Если бы все только горело, то на поверхности земли давно не было бы ни растений, ни животных, были бы только углекислота да вода.
Очевидно, в природе должно существовать явление, обратное горению, т. е. превращение веществ вполне сгоревших в вещества, вновь способные к горению. Рядом с образованием углекислоты должен существовать и обратный процесс разложения этой углекислоты, образованной повсеместным горением.
Первый, кого поразила логическая необходимость существования в природе подобного рода процесса, был знаменитый Пристли; но само собой понятно, что эта мысль не могла представиться ему в такой форме, с такой определенностью, с такой очевидностью, как она представляется нам, и тем более возбуждает удивление та блестящая дедукция, тот гениальный скачок мысли, которому мир обязан одним из величайших открытий, касающихся жизни органического мира. Пристли целым рядом опытов убедился, что продолжительное горение или продолжительное дыхание в ограниченном объеме воздуха делают этот воздух негодным для дальнейшего горения, для дальнейшего дыхания; свеча в нем тухнет, животное умирает. Таким образом,—рассуждал Пристли,—вся атмосфера должна была бы вскоре сделаться непригодной для горения, для жизни, а между тем. сколько уже веков существует мир, а этого незаметно. Очевидно, в природе должен существовать процесс, который этот испорченный воздух вновь превращает в хороший. Не принадлежит ли эта роль растению? В 1772 г. 18 августа Пристли сделал следующий опыт: под стеклянный колпак, помещенный над водой, под которым потухла свеча или задохлась мышь, он ввел растение (мяту) и оставил его несколько времени; растение не только не погибло, но даже продолжало развиваться, и когда по прошествии нескольких дней под колпак была помещена мышь или горящая свеча, то оказалось, что воздух действительно изменился, получил вновь способность поддерживать горение и дыхание. Едва ли когда-либо в какой-либо области знания более простой опыт сопровождался более колоссальным результатом. Одним разом определялись самые характеристические стороны жизни растений и животных и взаимное отношение двух царств природы. Современники оценили всю важность открытия Пристли. Королевское общество присудило ему большую Коплейскую медаль, и президент общества, Прингль, в следующих красноречивых, хотя несколько витиеватых выражениях пояснил всю громадность заслуги Пристли. «Это открытие,—сказал он,—убеждает нас, что не существует бесполезных растений. Начиная с величественного дуба и кончая последней мелкой былинкой,—все полезно для человека. Если не всегда бывает возможно усмотреть частную пользу отдельного растения, то, во всяком случае, как часть общего целого оно участвует в очищении атмосферы; в этом отношении и благоухающая роза, и ядовитая волчья ягода имеют одинаковое значение; в самых отдаленных, необитаемых краях света нет ни одного луга, ни одного леса, которые не находились бы в постоянном с нами обмене; ветер постоянно уносит к ним испорченный у нас воздух, поддерживая их рост и обеспечивая нашу жизнь». Растение делает испорченный дыханием воздух вновь пригодным для дыхания,— вот был вывод из опыта Пристли. Последовавшее затем открытие кислорода и разъяснение состава углекислоты дозволили выяснить природу этой связи между двумя органическими царствами. Животное поглощает кислород и выдыхает углекислоту; растение поглощает углекислоту и выдыхает кислород, удерживая углерод при себе. Растение и животное представляют химическую антитезу. Вслед за тем целый ряд исследований показал, что этот процесс разложения углекислоты, очищающий воздух, имеет еще другое, даже более важное значение. Его следует рассматривать как процесс питания растения. Углерод, остающийся в растении, образует его органическое вещество, т. е. служит для построения его тела. Следовательно, в атмосферной углекислоте мы должны видеть главнейшую пищу растения, хотя еще долгое время эту роль продолжали приписывать черным перегнойным веществам почвы, но несостоятельность этих воззрений доказана несомненными опытами. Пристли, однако, пришлось испытать одно из самых горьких разочарований, какое только может выпасть на долю ученого. Желая впоследствии повторить опыт, доставивший ему такую громкую и заслуженную славу, он потерпел неудачу; он не мог получить прежних результатов; растения упорно не хотели разлагать углекислоты, не выделяли из нее кислорода. Хотя эти неудачи не пошатнули его собственного доверия к прежним опытам, но тем не менее стало очевидно, что от его внимания ускользнуло какое-то существенное условие опыта и потому он не мог его воспроизвести. Это условие, опущенное Пристли, было вскоре открыто Ингенгузом*, но для того, чтобы оценить это открытие по достоинству, остановимся сначала несколько подробнее на природе самого явления.
Обратимся снова и в последний раз к нашим шарам. Мы сравнивали химическое соединение или горение с ударом двух шаров; теплота и свет, при этом освобождающиеся, и служат мерой сродства или напряжения, т. е. взаимного стремления этих тел (что у нас представляется натяжением пружин). Для того, чтобы их вновь
* Таково ходячее мнение, но более тщательное изучение истории вопроса показывает, что и эту сторону вопроса Пристли выяснил ранее Ингенгуза.
разъединить, разорвать связь между ними, для того, чтобы привести шары в прежнее свободное положение, нужно, напротив, затратить энергию, столько же энергии, сколько освободилось при столкновении. Таким образом, становится очевидным, что явление, обратное горению, должно сопровождаться не освобождением, не развитием энергии, а, напротив, поглощением, затратой энергии. Между тем, как соединение, горение совершается само собой, разложение, восстановление требует участия посторонней энергии. Для того, чтобы сжечь кусок угля, его нужно только поджечь, и затем он горит уже без постороннего действия. В некоторых случаях мы видели, что уголь может даже загореться сам собой, как только придет в соприкосновение с кислородом воздуха. Напротив того, для разложения углекислоты или воды нужно подвергать их действию очень высокой температуры. Прежде даже полагали, что разложение таких прочных соединений невозможно иначе, как при содействии третьего тела, которое было бы одарено большим сродством к кислороду и отнимало бы его у водорода и углерода. Но в сравнительно недавнее время химики обратили внимание на явления разложения без участия третьего тела, на явления распадения, или, как их называют, диссоциации. Для того, чтобы подвергнуть диссоциации углекислоту или воду, их нужно пропускать через раскаленные трубки. Под влиянием сообщаемого их частицам движения, т. е. теплоты, соединения как бы расшатываются и распадаются на свои составные начала, которые должны быть удаляемы по мере появления, иначе они могут вновь соединиться, и мы не получим полного разложения. Отношение между теплом, выделяемым при соединении,и теплом,поглощаемым при разложении, строго определенное. Сколько единиц теплоты выделяется при сгорании фунта углерода в углекислоту, ровно столько же единиц должно поглотиться при восстановлении этого фунта углерода из углекислоты.
Этим путем мы прямо приходим к заключению, что разложение углекислоты, совершающееся в растении, должно сопровождаться поглощением теплоты или вообще энергии и что мерой этого поглощения должно служить количество углерода, отлагающееся таким образом в растении. Но откуда же возьмет растение эту необходимую для него энергию? Само создать ее оно не может,—энергия не созидается. Очевидно, оно должно получить ее извне. Разложение углекислоты в растении может происходить только под условием постоянного притока энергии из внешнего источника. Вот это-то условие и ускользнуло от внимания Пристли; открытие этого условия составляет заслугу Ингенгуза*. Ингенгуз показал, что разложение углекислоты в растении происходит не иначе, как под влиянием солнечного света. Растения в первоначально не удававшихся опытах Пристли, вероятно, не получали достаточно света, потому они и не разлагали углекислоты.
Солнце, солнечный луч, и есть та сила, которая расшатывает и разъединяет частицы углерода и кислорода, когда в растения происходит разложение углекислоты. Для непривычного слуха мо-
* Как замечено выше, первые опыты в этом направлении сделаны также Пристли.
жет показаться странным выражение: солнечный луч—сила. Из ежедневного опыта мы знаем только, что очень приятно погреться на солнце, что порой эта теплота становится, пожалуй, более чем приятной, но нужно длинное сцепление умозаключений и вычислений, чтоб убедить нас, что это не только сила, но и громадная сила,—мало того, что это почти единственная сила, которой человек пользуется для своих целей. В самом деле, кроме силы морского прилива, которым пользуются в нескольких портах Европы и который зависит от силы притяжения луны (и солнца), все остальные двигатели, все остальные источники силы прямо или косвенно зависят от силы солнечных лучей. Падение воды в реках, движение воздуха в атмосфере, приводящее в движение мельницы и ветрянки, обязаны своим происхождением солнцу. Скрытая энергия, представляемая топливом, как мы только что успели увидеть и увидим еще подробнее, происходит от солнца. Даже столь отдаленные, повидимому, явления, как явления электричества, которым мы пользуемся для своих практических целей, могут быть связаны с деятельностью солнца. В вольтовой дуге, получаемой при помощи гальванической батареи, нам светит солнце, и это нетрудно доказать. Электрический ток, накаливающий угли, зависит от того, что в батареях окисляется, сгорает известное количество металлического цинка. Но этот цинк не находится в природе в металлическом состоянии, он встречается в соединении с кислородом, т. е. вполне сгоревшим; для того, чтобы его раскислить, сделать вновь способным к горению, нужно отнять у него кислород; этого достигают при помощи угля, который отнимает у цинковой руды кислород, а сам сгорает в углекислоту. Но этот уголь, древесный или каменный, произошел в растении из углекислоты, разложенной солнечным лучом. Вот длинный путь, соединяющий луч солнца с лучом электрического света. Явная энергия солнечного луча, потраченная на разложение углекислоты в растениях, приняла форму скрытой, потенциальной энергии, какой обладает освобожденный из углекислоты углерод: эта потенциальная энергия углерода, в процессе восстановления цинковой руды, перешла на цинк; углерод сгорел, но получился металлический цинк, способный гореть. В гальванической батарее цинк окислился, сгорел, и его потенциальная энергия приняла форму явной в виде электрического тока, который, накалив угли, проявился в виде света. Такова сложная цепь превращений энергии, связывающая явления, совершающиеся на земле, с деятельностью солнца. Но мы можем составить себе более определенное понятие о значении солнечного лучеиспускания, сделав примерную оценку того количества энергии, которое доставляется нам солнцем. Мы можем определить, какое количество единиц тепла солнце посылает на известную квадратную площадь земли, а зная механический эквивалент теплоты, в состоянии выразить энергию солнечного луча в единицах механической работы. По вычислениям Мушо, солнечный свет, выпадающий в Париже в ясный день на поверхность одного квадратного метра, может в течение восьми или десяти часов производить работу, равняющуюся примерно работе одной лошадиной силы. Эриксон вычислил, что если бы можно было утилизировать всю солнечную теплоту, выпадающую на крыши филадельфийских домов,
то ее было бы достаточно для 5 000 паровых машин в 20 сил каждая. Вычисляя далее, какие колоссальные цифры представляет количество тепла, выпадающего на квадратную милю, он восклицает: «Архимед при помощи рычага брался поднять мир. Я же утверждаю, что, концентрируя солнечную теплоту, можно получить силу, способную остановить землю на ходу». Мушо и Эриксон не ограничились, впрочем, только цифрами: они представили опыты, наглядно показывающие, какой запас энергии представляют солнечные лучи. Мушо сделал несколько очень простых приборов, в которых при помощи одной солнечной теплоты можно кипятить воду, варить суп и овощи, печь хлеб; наконец, они сделали несколько паровых и воздушных машин, приводимых в движение солнцем. Из всех применений солнечного света, предлагаемых Мушо, едва ли не всего интереснее солнечные насосы для орошения полей. Эти насосы не только действуют даровой силой, но и действуют вполне целесообразно, т. е. регулируются самой потребностью в воде, так как дают тем более воды, чем сильнее освещение, а следовательно, чем сильнее засуха*.
Всего сказанного достаточно, чтоб убедить нас, что солнечный свет представляет могучий источник силы и что эта сила разлагает в растении углекислоту. Само растение не в состоянии дать необходимую для того силу; оно служит, если можно так выразиться, только механизмом, приводом для приложения силы солнца.
Следовательно, и в физическом, как и в химическом отношении, растение представляет совершенную противоположность животному. Жизнь растения представляет постоянное превращение энергии солнечного луча в химическое напряжение; жизнь животного, наоборот, представляет превращение химического напряжения в теплоту и движение. В одном заводится пружина, которая спускается в другом.
Не следует, однако, думать, чтобы значение солнечного света стало понятно, как только Пристли и Ингенгуз открыли факт его участия в процессе разложения углекислоты. Прошло более полустолетия, прежде чем выработалось настоящее научное, механическое представление об этом процессе. Этим успехом наука, главным образом, обязана Майеру и Гельмгольцу. Между тем как прежде могла быть речь только о каком-то непонятном благотворном влиянии света, Майер первый ясно высказал мысль, что солнечный свет при этом не только влияет, но и в буквальном смысле затрачивается, расходуется, поглощается растением, что живая сила луча при этом превращается в химическое напряжение, что этим запасом солнечной энергии мы пользуемся в нашем топливе, в жизненных процессах нашего организма и т. д. Но предоставим лучше ему самому говорить своим несколько витиеватым, но красноречивым, образным языком. «Природа,— говорит он,— невидимому, поставила себе целью уловить налету
* См. мою статью «Борьба растений с засухой» в сборнике «3 е м л е д е л и е и физиология растений». Москва, 3-е изд., 1923.
изливающийся на землю свет и, обратив эту подвижнейшую из всех сил в неподвижную форму, в таком виде сохранить ее. Для достижения этой цели она облекла земную кору организмами, которые в течение жизни поглощают солнечный свет и на счет этой силы образуют непрерывно накопляющийся запас химического напряжения. Эти организмы—растения. Растительный мир представляет склад, в котором лучи солнца задерживаются и запасаются для дальнейшего полезного употребления. От этой экономической заботливости природы зависит физическое существование человечества, и уже один взгляд на роскошную растительность вызывает инстинктивное чувство благосостояния».
Таким образом, в разложении углекислоты и образовании органической массы растения мы имеем все условия какого-нибудь технического производства. Мы имеем двигатель — солнечный луч, машину, к которой прилагается этот двигатель,—растение, сырой материал—углекислоту, обработанный продукт — органическое вещество растения. Рассмотрим поближе самый механизм этого процесса.
Познакомимся прежде всего с источником силы, с солнечным лучом. Известно, что луч солнечного света или какого другого белого источника неоднороден; он состоит из множества разнородных лучей, отличающихся, между прочим, своим цветом. Обыкновенно различают лучи семи цветов. Цвета эти—цвета радуги: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Это разложение белого цвета на его составные семь цветов производят всего проще при помощи стеклянной призмы. Если в оконной ставне на солнечной стороне сделать небольшое отверстие, то проникающие через него солнечные лучи дадут на полу изображение солнца в виде светлого круглого пятна; но если перед отверстием поставить призму ребром вниз, то изображение переместится на стену, и вместо круглого пятна получится полоса, окрашенная в только что перечисленные семь радужных цветов: с одного края будет красный, с другого — фиолетовый. Эта радужная полоса называется спектром. Когда луч белого света падает на поверхность какого-нибудь тела, он отчасти или вполне поглощается. Если все лучи будут поглощены телом, то поверхность будет черной; если все лучи будут отражены в одинаковой степени, то поверхность будет белой. Если же часть лучей будет поглощена, часть отражена, то тело будет окрашено в цвет тех лучей, которые, отражаясь от тела, попадут нам в глаза. То же справедливо и относительно прозрачных тел: если тело поглощает все лучи, оно не прозрачно, черно; если оно пропускает все лучи, оно вполне прозрачно, бесцветно, как вода или стекло. Если же тело задерживает одни лучи и пропускает другие, то оно будет окрашено в цвет тех лучей, которые оно пропускает. Если луч, отраженный от цветного тела или прошедшийчерез цветное тело,будем разлагать призмой,то, очевидно, получим уже не полный семицветный спектр, а такой, в котором поглощенные лучи будут отсутствовать.
Подобное явление представляет нам растительность. При ярком белом солнечном свете лес или луг представляется нам зеленым: ясно, что, получая белый свет, отражая зеленый, лист должен был поглотить, удержать часть полученного света. Прежде чем делать из этого факта какой-нибудь вывод, посмотрим ближе, от чего зависит зеленый цвет листьев. Какую бы зеленую часть растения мы ни стали исследовать под микроскопом, мы вскоре убеждаемся, что она сама по себе бесцветна; она состоит из пузырьков, называемых клеточками, стенки которых прозрачны, как стекло, а наполняющая их жидкость бесцветна, как вода. Но в этой жидкости заключены тельца или крупинки ярко-изумрудного цвета. Эти тельца носят название хлорофилла, или листозелени. Этим крупинкам хлорофилла растение обязано своим зеленым цветом, подобно тому, как кровь обязана своим цветом плавающим в бесцветной пасоке кровяным тельцам. Теперь посмотрим, что станет с лучом солнца, когда он упадет на поверхность зеленого листа; какие лучи пройдут чрез лист, какие задержатся в нем? Для этого стоит только пропустить луч света чрез лист и затем разложить этот луч призмой, и тотчас увидим, какое изменение произойдет в спектре. Те лучи, которые будут отсутствовать в спектре, т. е. те, вместо которых в спектре будут черные промежутки, очевидно, остались в листе, поглотились его веществом. Мы можем сделать этот опыт еще точнее: так как цвет растения зависит от хлорофилла, мы постараемся изучить поглощение света хлорофиллом. Хлорофилл можно извлечь из листьев спиртом. Всякому известно, что настойка из зверобойных, полынных и других листьев окрашивается в превосходный зеленый цвет: это— цвет хлорофилла. Следовательно, вместо почти непрозрачных листьев мы можем взять для опыта совершенно прозрачный настой хлорофилла. Этот раствор в стеклянном сосуде мы поместим на пути светового луча и затем разложим этот луч призмой. Вот какой спектр представит нам луч света, прошедший чрез яркий зеленый раствор хлорофилла. Крайние красные лучи (фиг. 83, от А до В) пройдут, не поглощаясь; на месте же самых ярких красных, оранжевых и части желтых в спектре будет черная полоса (фиг. 83, от В до Д))*; зеленые
* Фигура 83 представляет изображение солнечного спектра и спектра поглощения хлорофилла. Самая черная часть последнего лежит в красной части спектра. Фотографирование этих спектров до последнего времени представляло значительные трудности. Летом 1893 г. мне удалось получить вполне удовлетворительные фотографии, которые и были мной показаны на съезде естествоиспытателей и врачей в Москве в январе 1894 г. Буквы обозначают так называемые Фрауэнгоферовы линии солнечного спектра.
лучи (от D и немного правее b] не будут поглощены, в спектре будет яркая зеленая полоса; синие и фиолетовые лучи будут также поглощены. Следовательно, вместо всех семи цветов в спектре хлорофилла мы увидим только полосу тёмнокрасного цвета и другую яркозеленого цвета; обе полосы будут разделены черным промежутком. Из этого мы можем заключить, что получаемый нами от растения зеленый цвет не чисто зеленый, а смесь зеленого и красного. В справедливости этого можно убедиться весьма простым и любопытным опытом. Самое обыкновенное, встречающееся в продаже синее стекло, поглощая зеленые лучи, пропускает часть красных. Понятно, что если смотреть чрез такое стекло на зеленую растительность, то оно, поглощая посылаемые в наш глаз зеленые лучи, будет допускать до него только красные. Немецкие оптики воспользовались этим фактом для того, чтобы предложить публике под несколько замысловатым названием эритро-фитоскопа довольно забавный инструмент. Это просто—синие очки, по стоит их только надеть, и весь мир представляется «в розовом свете». Под ясным синим небом развертывается фантастический ландшафт с кораллово-красными лугами и лесами. На этот факт не мешало бы обратить внимание иным живописцам, нередко угощающим в своих ландшафтах невозможной, никогда не виданной малахитовой зеленью. По всей вероятности, в этих неудачных попытках художники стремятся изобразить возможно чистый зеленый цвет, между тем как цвет растительности именно смешанный, зелено-красный*.
Но вернемся к нашей цели. Мы желали узнать, какие лучи света поглощаются растением, и узнали, что хлорофилл поглощает известные красные, оранжевые и желтые лучи, вследствие чего в его спектре на этом месте появляется черная полоса. Тот же факт можно проверить над отдельным хлорофилловым зерном под микроскопом. Вместо того, чтобы прокладывать спектр на стене, можно при помощи собирательного стекла получить его под микроскопом и в этом спектре, величиной с булавочную головку, рассматривать крупинку хлорофилла. Мы тогда увидим, что эта крупинка представляется прозрачно зеленой в зеленой части спектра, прозрачно красной — в крайней красной и совершенно непрозрачной, черной, как уголь, в тех красных лучах {обозначенных на фигуре 83 буквами ВС), которые поглощаются раствором. Значит, и живые крупинки хлорофилла поглощают эти лучи.
Итак, известные солнечные лучи, упав на растение или, точнее, на заключающиеся в его клеточках крупинки хлорофилла, поглощаются, скрываются, перестают быть светом. Но ведь энергия не исчезает, она может только превращаться, производить работу, переходя при этом в состояние напряжения. Какую же работу будут производить эти лучи в растении? Вспомним, что мы пришли только что к за-
* Не обладая необходимыми техническими сведениями, конечно, трудно дать в этом отношении какой-нибудь определенный совет. Из всех минеральных зеленых красок хромовая зелень всего ближе подходит по спектру к хлорофиллу, так как ее зеленый цвет состоит из смеси красных и зеленых лучей. Очевидно толькo то, что из смеси желтой и синей (спектрально синей) краски нельзя получить зеленый цвет, сходный с зеленью листвы. ключению, что солнечные лучи должны производить в растении работу разложения углекислоты. Естественно рождается вопрос, не будет ли эта работа происходить именно на счет лучей, поглощаемых хлорофилловыми зернами. Это предположение приобретает еще более вероятия, когда узнаем, что хлорофилловое зерно и есть тот орган, тот прибор, в котором происходит разложение углекислоты. Уже Пристли заметил, что разложение углекислоты, выделение кислорода, происходит только в зеленых частях растения, т. е. в листьях или зеленых стеблях. Он мог даже прямо указать, что это действие принадлежит зеленому веществу.
Если оставить в светлом месте сосуд с водой или каким-нибудь настоем, то на стенках этого сосуда вскоре появляется зеленый налет. Теперь мы знаем, что этот налет состоит из микроскопических растений, водорослей; во время Пристли это не было известно, и налет этот так и называли «материей Пристли». Пристли мог показать, что эта материя выделяет кислород. Этот опыт уже показывал, что и вне листа или стебля зеленое вещество разлагает углекислоту, что именно ему следует приписать эти отправления. Но потом возникли новые сомнения: существуют растения не зеленые и тем не менее разлагающие углекислоту; таковы многочисленные красные, черные и другие пестролистные растения, в последнее время более и более завоевывающие наши цветники и оранжереи; таковы также бурые и красные водоросли, населяющие морское дно. Но и здесь дело объяснилось очень просто. В пестролистных растениях цвет зависит от присутствия в соке клеточек ярких растворов, которые маскируют, скрывают зеленые зерна хлорофилла, но под микроскопом эти зерна нетрудно обнаружить. Еще легче обнаружить их следующим образом: стоит обмакнуть красный или почти черный лист какого-нибудь Goleus или другого пестролистного растения в слабый раствор сернистой кислоты, и он тотчас позеленеет. Это зависит от того, что сернистая кислота, обесцвечивая красный раствор, не действует на хлорофилл. Несколько труднее было доказать присутствие хлорофилла в морских водорослях. В них и под микроскопом нельзя было найти зеленых крупинок, все они окрашены в бурый или красный цвет, но химическим путем можно было доказать, что эти крупинки содержат зеленый хлорофилл, только скрытый другим веществом. Впрочем, гуляя по берегу моря, нетрудно в этом убедиться простейшим наблюдением.
Выброшенные на берег и разлагающиеся водоросли нередко представляют все переходы от свойственных им цветов к зеленому; это зависит и от того, что в мертвых растениях яркие цветные вещества вымываются водой, между тем как хлорофилл не растворяется. Итак, разложение углекислоты происходит только в частях, заключающих хлорофилловые зерна. Это правило не представляет исключения. В хлорофилловом зерне мы должны видеть, как сказано выше, тот аппарат, тот механизм, к которому прилагается сила солнечного луча. Весьма любопытно было проверить на опыте справедливость высказанного предположения, не будет ли разложение углекислоты происходить именно на счет лучей, поглощаемых хлорофиллом. Для этого стоило только повторить опыт Пристли одновременно в различных частях спектра. Опыт произведен был следующим образом: взят ряд стеклянных трубочек (фиг. 84—II. 1, 2,3, 4,5), наполненных смесью воздуха с несколькими процентами углекислоты и заключавших по одному зеленому листу одинаковой величины и с одного и того же растения; этот ряд трубочек выставлен в солнечный спектр, полученный в совершенно темной комнате, и по прошествии нескольких часов посредством анализа газов определено, в каких трубках разложилась углекислота, в каких нет, в каких разложилось ее много, в каких — мало.
Опыт вполне подтвердил предположение. Оказалось, что разложение углекислоты происходило только в тех лучах, которые соответствуют черной полоске в спектре хлорофилла (фиг. 84—I, кр. и фиг. 83, между В та D), так что те лучи, которые не поглощаются хлорофиллом, не разлагают углекислоты, те же, которые поглощаются, разлагают тем сильнее, чем сильнее поглощаются. На фигуре 84—III это показано в так называемой графической форме. На линии аb восставлены (точками) перпендикуляры, высота которых выражает количество углекислоты, разложенной в соответствующих частях спектра (1) в трубках 1, 2, 3, 4, 5 (II). Ломаная линия 1, 2, 3, 4, 5 (III) наглядно показывает, в какой части спектра всего энергичнее разлагается углекислота.
Таким образом, с одной стороны, спектральное исследование показывает, что известные солнечные лучи, пролетевшие без изменения необозримое мировое пространство, встретив на своем пути зерно хлорофилла, перестают быть светом, скрываются, производя при этом, конечно, какую-нибудь работу. С другой стороны, только что описанный опыт в спектре прямо указывает, что именно эти лучи вызывают разложение углекислоты на углерод и кислород, затрачиваются на эту химическую работу. Очевидно, мы вправе заключить, что между приходом и расходом энергии в растении усматривается полная соответственность.
Мы познакомились, таким образом, с источником силы и с аппаратом, к которому эта сила прилагается, т. е. с хлорофилловым зерном. Мы видели, как при этом производится работа; остается посмотреть, какой получается продукт; остается проследить дальнейшую участь освобожденного из углекислоты углерода, узнать, что образуется из него в растении. Нашему любопытству в этом отношении может удовлетворить микроскоп.
Мы берем какой-нибудь зеленый орган, например, лист, и отрезываем от него пробу для исследования под микроскопом или, еще лучше, берем такое растительное тело, которое можно прямо наблюдать под микроскопом; таковы, например, зеленые водоросли, так называемая тина. Убедившись, что в зернах хлорофилла не заключается никаких посторонних тел*, мы выставляем исследуемый зеленый орган на солнце, в воздухе или искусственной атмосфере, содержащей углекислоту, т. е. помещаем его в такие условия, при которых он может разлагать углекислоту. После более или менее продолжительного действия солнца мы вновь подвергаем хлорофилловые зерна микроскопическому исследованию и находим в них какие-то бесцветные крупинки, которых в них прежде не было. Эти крупинки состоят из крахмала, как в этом не трудно убедиться. К числу особенностей крахмала принадлежит его способность окрашиваться при действии раствора иода в темносиний цвет. По этому-то признаку мы и узнаем его в зернах хлорофилла. В отсутствии света или углекислоты описанного появления крахмала не замечается, откуда мы вправе заключить, что появление его есть следствие разложения углекислоты. В подтверждение этого взгляда говорит еще и та быстрота, с которой одно явление сопровождает другое. Чрез несколько секунд после того, как луч солнца упал на поверхность листа, можно обнаружить разложение углекислоты, и через пять минут уже можно заметить появление крахмала в хлорофилловых зернах. Но эта связь двух процессов становится еще очевиднее, когда обратим внимание на химический состав крахмала. Крахмал может служить представителем, типом группы растительных веществ, получивших название углеводов. Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода; свое название они получили потому, что в них водород и кислород находятся в таком же отношении, как в воде, так что они как бы состоят из угля и воды. Для того, чтобы из углекислоты и воды образовать углевод, очевидно, нужно только отнять весь кислород углекислоты, т. е. произвести именно то, что происходит в растении, когда разлагается углекислота. Углеводы, следовательно, имеют именно такой состав, какой можно ожидать от веществ, образующихся в растении из углекислоты и воды.
Таким образом, микроскоп вполне подтверждает результаты, полученные путем анализа. Когда в хлорофилловом зерне разложилась углекислота, в нем образуется углевод. Самым убедительным доказательством этой связи служит следующий опыт. На лист живого растения, предварительно лишенный крахмала, отбрасывают в темной комнате яркий солнечный спектр. Чрез несколько часов лист срывают, обесцвечивают спиртом и обрабатывают раствором иода; оказывается, что крахмал образовался только в тех ча-
*Что достигается обыкновенно предварительным, более или менее продолжительным, выдерживанием растения в темноте.
стях спектра, которые поглощаются хлорофиллом, и тем обильнее, чем сильнее поглощение; другими словами, на листе получается отпечаток спектра хлорофилла, состоящий из крахмала, окрашенного иодом почти в черный цвет (фиг. 84—IV сравни с фиг. 83 и 84—I).
Группа углеводов представляет преобладающую составную часть растительной пищи: так, крахмал составляет 3/4 веса пшеничного зерна и 4/5 сухого вещества картофеля. Кроме крахмала, к этой группе относится много других веществ, как, например, сахар и клетчатка, т. е. то вещество, из которого состоит весь твердый остов растений, начиная с тонких былинок и кончая стволами деревьев. Все эти тела имеют сходный состав и различаются только большей или меньшей степенью уплотнения и другими физическими свойствами. Сахар, например, растворим в воде, крахмал не растворим, но сильно разбухает, образуя клейстер; клетчатка мало разбухает. В известном смысле можно сказать, что крахмал-уплотненный сахар, клетчатка—уплотненный крахмал. Из крахмала легко могут произойти другие углеводы. Сахар мы получаем из него даже искусственным путем, приготовляя картофельную патоку. Клетчатка еще не получена из него искусственно, но, несомненно, происходит из него в растении: так, например, при прорастании хлебных зерен их крахмал превращается в клетчатку, из которой построен росток.
Вторую, после углеводов, преобладающую группу растительных веществ представляют белковые вещества, так названные по их сходству с яичным белком. Пшеничная мука, которую мы опять возьмем за образец растительной пищи, содержит около 17% белкового вещества, так называемой клейковины. Значит, за вычетом крахмала и белковых веществ все остальные вещества в хлебных зернах составляют всего несколько процентов. В состав белковых веществ, кроме углерода, водорода и кислорода, входит еще азот.
Если, как мы видели, крахмал не может образоваться иначе, как при содействии света, то образование белковых веществ в растении не нуждается в свете или вообще в постороннем источнике силы. Зато оно находится в зависимости от присутствия углеводов. Стоит доставить некоторым растениям какой-нибудь углевод, например, сахар, и какой-нибудь источник азота, например, аммиак, и они вырабатывают из них, хотя бы в совершенной темноте, белковое вещество. Не касаясь неразрешенного еще химиками вопроса об отношении углеводов к белковым веществам, стоя на почве строгого опыта, мы вправе сказать, что растения в состоянии произвести белковое вещество из углевода и аммиака. Физиолог может сказать химику: дайте мне сахару и аммиаку и одну клеточку,— и я вам дам сколько угодно белкового вещества. Конечно, такое производство, может быть, не было бы особенно выгодно, но для нас в настоящую минуту важен только факт, что оно теоретически возможно.
Не вдаваясь в подробности относительно происхождения других растительных веществ, менее существенных для человека, чем белковые, мы можем распространить на них то, что сказали о белковых, и, таким образом, приходим к заключению, что участие солнечного света необходимо только для образования крахмала или вообще углеводов из углекислоты и воды; все же остальные тела могут произойти в отсутствии света.
Теперь только мы в состоянии вполне оценить значение процессов, совершающихся в хлорофилловом зерне под влиянием света.
Во-первых, с химической точки зрения, это — тот момент, когда неорганическое вещество, углекислота и вода, превращается в органическое,—здесь лежит источник и начало всех разнородных веществ, из которых слагается весь органический мир. С другой, с физической точки зрения, хлорофилловое зерно представляет тот прибор, в котором улавливаются солнечные лучи, превращающиеся в запас для дальнейшего употребления.
Растение из воздуха образует органическое вещество, из солнечного луча—запас силы. Оно представляет нам именно ту машину, которую обещают в будущем Мушо и Эриксон,— машину, действующую даровой силой солнца. Этим объясняется прибыльность труда земледельца: затратив сравнительно небольшое количество вещества—удобрения, он получает большие массы органического вещества; затратив немного силы, он получает громадный запас силы в виде топлива или пищи. Сельский хозяин сжигает лес, стравливает луг, продает хлеб, и они снова возвращаются к нему в виде воздуха, который при содействии солнечного луча вновь принимает форму леса, луга, хлеба. При содействии растения он превращает не имеющие цены воздух и свет в ценности. Он торгует воздухом и светом.
Изложенными соображениями сами собой разрушаются высказываемые иногда учения о том благосостоянии, которое ожидает человечество, когда химики откроют тайну синтеза сложных органических веществ, когда они откроют способ искусственного приготовления питательных веществ. Судя по тому, что уже осуществила синтетическая химия, едва ли можно сомневаться, что будущее, может быть, отдаленное будущее, осуществит эти ожидания. По крайней мере между тем, что уже сделано, и тем, что предстоит сделать, нет такого коренного различия, которое делало бы эту надежду невероятной. Но если пища будет получаться искусственно, то не падет ли земледелие? Не утратит ли земля всякую цену? Не изменится ли весь экономический строй? Посмотрим, справедлива ли такая догадка. Мы видели, что образование органического вещества требует затраты силы. Фунт хлеба, сгорая, освобождает около 890 единиц тепла; следовательно, на его образование, все равно естественным или искусственным путем, нужно затратить по крайней мере такое же количество тепла или вообще энергии. Откуда же взять ее? Единственным даровым источником энергии остается все то же солнце. Следовательно, нашим отдаленным потомкам для получения их искусственных питательных веществ придется все же подражать растению, покрыв поверхность земли искусственными поглотителями солнечных лучей. И нельзя сказать, чтобы это подражание было очень легко, потому что растение, с этой точки зрения, представляет весьма совершенный прибор. Простой взгляд на густую луговую траву уже убеждает, что почти всякий клочок почвы идет в дело, но вычисление доставляет еще более красноречивые данные. Так, например, вся листовая поверхность клевера в 26 раз превосходит площадь земли, занимаемую этим растением, так что десятина, засеянная клевером, представляет для поглощения лучей солнца зеленую поверхность в 26 десятин. Другие растения дают более высокие цифры. Эспарцет имеет листовую поверхность в 38, а люцерна в 85 раз более занимаемой ими площади. Смешанные травы, по всей вероятности, дали бы еще более высокие цифры.
Здесь сам собой возникает другой любопытный теоретический вопрос: можем ли мы при посредстве растения беспредельно увеличивать количество органического вещества, собираемого с известной площади? Можем ли мы надеяться, что при помощи новых улучшений будем беспредельно увеличивать производительность нашей почвы, или для нее существует предел? Это—вопрос о будущих судьбах человечества. Имеющиеся у нас данные дозволяют разрешить этот вопрос утвердительно: предел есть, и мы в состоянии даже приблизительно определить, насколько мы к нему близки. Вот каким путем достигаем мы этого вывода. Мы уже неоднократно повторяли, что при образовании органического вещества в растении необходимо поглощается столько же тепла, сколько выделяется при сжигании этого вещества. Так, например, если какое-нибудь растение выделяет при сгорании 1000 единиц тепла, то мы можем заключить, что при его образовании затратилось по крайней мере это же количество солнечной теплоты, и как бы мы ни удобряли и ни возделывали землю, если солнце не доставит этих 1 000 единиц тепла, мы не получим нашего растения.
Таким образом, зная, с одной стороны, сколько горючего вещества заключает урожай, полученный с известной площади (а это мы узнаем из анализа), зная, с другой стороны, какое количество тепла посылает солнце на эту площадь, мы имеем все необходимые данные для суждения о приходе и расходе солнечной энергии на нашем поле и, следовательно, можем заключить, какой ее частью мы пользуемся, какой еще предстоит воспользоваться. Производя такие вычисления для культур, дающих наибольшее количество органического вещества, наиболее богатую жатву, приходим к тому заключению, что наибольший ежегодный прирост вещества леса заключает в себе около 1/700 всего количества тепла, посылаемого на соответствующую площадь земли за шестимесячный период растительности. При этом не принят во внимание прирост корней. Одна из наиболее интенсивных полевых культур—культура земляной груши—утилизирует, таким образом, 1/180 всей получаемой от солнца энергии. Органическое вещество сена (райграс) и корневых остатков при самом большом сборе представляет в виде запаса 1/135 получаемой солнечной энергии. Наконец, самые большие урожаи овса и ржи (зерно, солома и корневые остатки) представляют 1/80 всей получаемой энергии. Таким образом, при помощи растения мы в состоянии воспользоваться примерно от 1/1000 до1/100 всего этого количества солнечных лучей, которые выпадают на поверхность наших лесов и полей за период деятельной растительности*. Вправе ли мы заключить из этого, что, усовершенствовав культуру, мы будем в состоянии увеличить свои сборы в 100, в 1000 раз, прежде чем достигнем предела производительности? В состоянии ли растение превращать в запас всю получаемую энергию? Конечно, нет. Мы знаем, что никакие машины и организмы не составляют исключения из этого правила, не превращают всей получаемой силы в полезную работу, и одного этого соображения достаточно, чтобы убедить нас, что физиологический предел производительности растения не может совпадать с физическим. Против приведенных цифр, основанных на результатах различных культур, можно сделать то возражение, что хотя полевая растительность, как мы видели, и представляет очень развитую поверхность поглощения, но тем не менее нельзя считать, чтобы она улавливала весь падающий свет. Более надежные цифры может дать в этом отношении следующий опыт. Выставляя на солнце зеленые листья с точно измеренной поверхностью, определив посредством анализа, какое количество углекислоты будет разложено этим листом при самом выгодном освещении, положим— в один час, определив, наконец, какое количество тепла выпадает в этот час на взятую поверхность листа, мы получим все данные для вычисления соотношения между приходом силы и расходом ее на разложение углекислоты. Оказывается, что на разложение тратится средним числом 1/100 всей получаемой энергии, а в более благоприятном случае—1/55. По некоторым новейшим исследованиям, эти цифры могут доходить до 1/30. Эту последнюю цифру мы, вероятно, должны считать близкой к пределу физиологической производительности, так как растения поставлены в наиболее благоприятные условия. Итак, мы видим, как близки самые интенсивные наши культуры к тому, что мы назвали физиологическим пределом, т. е. к тому наибольшему количеству органического вещества, которое можно получить с данной площади земли при посредстве растения.
Но даже при этом пределе утилизируется всего 1/100 и в самом выгодном случае 1/30 получаемой энергии, и мы этому не будем удивляться, если обратим внимание, что, кроме этой единственной производительной, с точки зрения человека, работы, в растении совершаются и другие работы, для человека совершенно непроизводительные**. Во-первых, в течение всей своей жизни растение испаряет воду, такие громадные количества воды, что, услыхав прямо итог, почти отказываешься верить. Для испарения этого количества воды требуется, невидимому, значительно более тепла, чем сколько затрачивается на разложение углекислоты. Следовательно, рядом с производительной работой образования органического вещества растение затрачивает еще более энергии на бесполезную для человека работу — испарение. Но это не единственная, хотя и самая зна-
* Само собой понятно, что приведенные цифры не могут считаться строго точными. В особенности цифра, показывающая количество тепла, выпадающего на известную площадь, и вычисленная из данных Пулье, только приблизительно верна.
** Еще важнее принять во внимание, что лист и не может поглощать всего солнечного света: иначе он был бы не зеленым, а черным. Новейшие исследования показывают, что лист поглощает средним числом 25% всей солнечной энергии, это— (физический предел; в физиологических опытах утилизируется 3,3%, а в поле—1%.
чительная затрата энергии в растении. Эту воду растение берет из почвы и, следовательно, должно поднять ее на известную высоту; эту работу можно выразить в пудофутах. В наших полевых растениях она, конечно, не велика, но в древесной растительности она составляет значительную величину*. Можно себе представить, какую громадную работу представляет поднятие масс воды, испаряющейся в лесах каких-нибудь исполинов, вроде новоголландских евкалиптусов, макушки которых, по словам одного ботаника, могли бы бросать тень на вершину Хеопсовой пирамиды. Конечно, не вся энергия, потребная на испарение и поднятие, происходит на счет непосредственного нагревания солнечными лучами, но все же значительная ее часть доставляется ими. К этим источникам бесполезной траты солнечной энергии должно присоединить еще следующий. Мы не в состоянии воспользоваться всем запасом органического вещества, выработанного растением в течение его жизни, потому что оно само расходует, сжигает часть этого вещества. Можно считать, что таким путем тратится до 1/20 всего вещества, так что растение в отношении накопления органического вещества делает постоянно двадцать шагов вперед и один назад. Все перечисленные источники траты солнечной энергии представляют нам, так сказать, издержки производства органического вещества посредством растения. Мы видим, следовательно, что растение—хотя и очень совершенный аппарат для утилизирования солнечной силы, но все же оставляет многого желать, так как при самых благоприятных условиях оно превращает в полезную для человека работу всего 1/100 или 1/200 всей получаемой от солнца энергии. Человеку предстоит или усовершенствовать в этом отношении растение, или изобрести взамен его искусственный прибор, который утилизировал бы больший процент получаемой энергии и притом работал бы круглый год. Насколько успеет он на этом пути,—вопрос будущего; одно только достоверно, что когда при помощи своих искусственных приборов он получит со всей свободной площади земли раз в 100 более органического вещества, чем сколько заключается в самой обильной жатве в настоящее время, тогда он может себе сказать, что дошел до предела; далее уже некуда итти. Тогда напрасно стал бы он просить у земли, у своего искусства, еще топлива, еще пищи,—он не получит их, потому что солнце не в состоянии ему более дать. Тогда-то закон Мальтуса обнаружится во всей зловещей очевидности: человечеству придется вести строгий бюджет жизни и смерти; производя себе подобных, человечество будет справляться с таблицами о смертности, как это уже так обязательно и предупредительно советуют заботливые экономисты. Тогда, в буквальном смысле, ни один лишний рот не найдет себе места за трапезой природы. Достигнет ли когда-нибудь человечество такого предела? Какими новыми процессами синтеза облагодетельствуют его будущие Бертло? Какими солнечными машинами снабдят его будущие Мушо и Эриксоны? Кто знает? Несомненно только одно, что земля представит тогда очень
* Поднятие соков на значительную высоту можно считать непроизводительным только с точки зрения количества получаемого вещества, зато оно важно с точки врения качества,—оно дает нам, например, строевой и мачтовый лес.
грустное зрелище. Когда человек будет утилизировать не часть, как теперь, а всю солнечную энергию, тогда вместо изумрудной зелени лугов; и лесов наша планета покроется однообразной погребально-черной поверхностью искусственных поглотителей света. Томсон (лорд Кельвин) предвещает, что нашей вселенной грозит неминуемая холодная смерть, что наш мир окоченеет в ее ледяных объятиях, и это предсказание, я полагаю, мало кого встревожило. Ведь это сбудется, когда нас уже не будет, а известно— apres moi le deluge*. Но каково будет жить, когда вся земля превратится в одну всеохватывающую фабрику, из которой никогда, даже в праздник, на часок, нельзя будет вырваться in's Grune!**
Отвернемся от этой мрачно-фантастической картины по счастию еще очень отдаленного будущего и вернемся к поставленному нами в начале этой статьи вопросу, на который можно теперь дать полный, категорический ответ. Мы можем всего лучше это сделать в виде следующего примера. Когда-то, где-то на землю упал луч солнца, но он упал не на бесплодную почву, он упал на зеленую былинку пшеничного ростка, или, лучше сказать, на хлорофилловое зерно. Ударяясь о него, он потух, перестал быть светом, но не исчез. Он только затратился на внутреннюю работу, он рассек, разорвал связь между частицами углерода и кислорода, соединенными в углекислоте. Освобожденный углерод, соединяясь с водой, образовал крахмал. Этот крахмал, превратясь в растворимый сахар, после долгих странствований по растению отложился, наконец, в зерне в виде крахмала же или в виде клейковины. В той или другой форме он вошел в состав хлеба, который послужил нам пищей. Он преобразился в наши мускулы, в наши нервы. И вот теперь атомы углерода стремятся в наших организмах вновь соединиться с кислородом, который кровь разносит во все концы нашего тела. При этом луч солнца, таившийся в них в виде химического напряжения, вновь принимает форму явной силы. Этот луч солнца согревает нас. Он приводит нас в движение. Быть может, в эту минуту он играет в нашем мозгу.
Приведенный пример—самый подробный, самый обстоятельный ответ, который в состоянии дать наука на поставленный нами вопрос. Мы можем выразить его и короче тремя словами. Пища служит источником силы в нашем организме потому только, что она— не что иное, как консерв солнечных лучей.
Глубокое научное значение этого результата говорит само за себя, но его, конечно, оценят и люди наиболее равнодушные к научным истинам. Поэт-мечтатель, с грустью взирающий на прозаический труд ученого, с удовольствием услышит от него, что он, сам поэт,— такое же эфирное существо, сотканное из воздуха и света, как и бесплотные создания его фантазии. Человек спесивый, гордящийся знатностью своего рода и не без презрения относящийся к скромной доле деятелей науки, получит, конечно, некоторое уважение к этой науке, услыхав, что благодаря ей «он вправе, наравне с самим китайским императором, величать себя сыном солнца»)***.
*После меня пусть хоть потоп.
** На лоно природы.
*** Н е l m h о l t z. Ueber die Wechselwirkung Naturkrafte, S. 127.
