В. ОБ ИСТОЧНИКЕ ЭНЕРГИИ, ЗАИМСТВУЕМО!! РАСТЕНИЯМИ ИЗВНЕ, ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИИ И ДЛЯ ДРУГИХ ЖИЗНЕННЫХ ОТПРАВЛЕНИЙ

Процессы синтеза органических соединений в растениях, кроме химической стороны, представляют еще другую, в высокой степени интересную сторону — динамическую.

Примечание. Считан полезным изложить вкратце главнейшие положении учении о сохранении энергии, насколько они необходимы для понимания содержания статьи, я воспользовался сочинением Кребса, озаглавленным: «Сохранение энергии как основное положение новейшей физики». Нижеследующие строки представляют выдержки из этого источника.

«Когда поднимают тяжелый камень, несут в амбар мешок с зерном, распиливают пилою дрова, передвигают но земле телегу, то во всех случаях совершается работа. Общее в приведенных примерах заключается в том, что во всех преодолевается некоторое сопротивление на известном расстоянии. При поднятии камня на известную высоту или перемещении мешка в амбар преодолевается на известном протяжении вес камня и мешка; при распиливании дерева преодолевается его твердость на всем ^{[1] [2] [3] [4] [5]}

пространстве, которое прошла ппла; при передвижении телеги на новерхности земли преодолевается трение на всем пути, по которому перетащена телега.

Величина работы обусловливается при этом величиною преодоленного сопротивления и длиною пройденного пути или, другими словами, работа равняется произведению из сопротвлепния на пройденный путь.

В большинстве случае сила, потребляемая для производства работы, равна сопротивлению или немного только больше его, так что в данном случае можно сказать, что работа равняется произведению из силы на пройденный путь.

За мерило работы условились считать килограммометр (М. К.), т. с. работу, потребную для поднятия килограмма на один метр» ^{[6] [7] [8]}.

«За единицу силы принимают обыкновенно лошадиную силу, т. е. силу, способную произвесть в секунду работу, равную 75 М. К.» 22

«Понятие о работе было введено в науку Понселе и Кориолисом и с редкой быстротой приобрело право гражданства. По-видимому, потребуется не больше врсмспи для упрочения понятия об энергии, которое впервые ввел и строго определил Ранкин* 22в.

«Под „энергией" подразумевают способность производить работу, придавая слову „работа" вышеозначенный смысл. Состояние тел, обладающих энергией, могут быть весьма различны. Шар, катящийся по земле, замедляется в движении; он совершает при этом работу, преодолевая трение земли. Выпущенная из ружья пуля в состоянии вследствие сообщаемого ей быстрого движения пробить стену до известной глубины, т. с. она в состоянии произвести работу и преодолеть крепость стены на известном расстоянии.

Тела, находящиеся в движении, в состоянии, следовательно, произвести работу; опи обладают энергией движения, или кинетической энергией. Прежде приписывали телам, находящимся в движении и могущим произвести работу, живую силу; это выражение, впрочем, находится в большом употреблении и в настоящее время.

Когда тело, находящееся в движении, совершает работу, то скорость движепия его постепенно убывает, пока пе превратится в нуль; к этому времепи произведенная телом работа оказывается равною работе, потребленною для сообщения телу скорости, которою оно обладало в начале работы».

«Тело, пребывающее в покос, может также обладать известного рода энергией. Вода возвышенного пруда может, падая на водяное колесо, привести его в движение; она в состоянии, следовательпо, стекая в более низменное место, произвести работу, и притом равною той, которая необходима для поднятия воды обратно на высоту пруда. При заводе часов поднимают кверху гири, которые при опускании обусловливают ход часов, совершая при этом работу, равною той, которая потребовалась для их подпития.

Итак, вода помещенного на возвышении пруда и поднятые гпри стенных часов в состоянии произвести работу при падении сверху вниз; поэтому говорят, что онп обладают потенциальной энергией, или энергией положения.

Натянутая и удерживаемая в этом положении пружина обладает потенциальной энергией; если соединить ее, например, с часами и отпустить, то она будет производить работу, пока пс примет прежпего вида: потребовалась известная работа, чтобы изменить взаимное положение частиц пружины; соответствующее количество работы производится пружиною, если представлена будет ее частицам возможность запять прежнее положение.

Потенциальпой энергией обладают также порох, сжатый в воздушном ружье воздух, связаппые электричества заряженной лейденской банки, также и рабочий, способный к работе вследствие принятой пищи, и проч. Выпущенная из ружья вертикально вверх пуля обладает вначале значительной кинетической энергией; во время поднятия скорость движепия (полета) пули уменьшается и вместе с нею убывает кинетическая эпергия; при этом по мере достижения большей высоты над поверхностью земли пуля приобретает способность совершать при падении тем большую работу; при движении вверх пули кинетическая энергия превращается в потенциальную. Достигнув высшей точки полета, пуля на мгновение остается непод- г.ижною, в этот момент кинетическая энергия ее равняется пулю, а потенциальная, напротив того, достигает наибольшей возможной величины в данном случае. При последующем падении пули ее потенциальная энергия убывает по мере приближения пули к поверхности земли; скорость движения возрастает и с нею вместе кинетическая энергия; при этом, следовательно, происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую.

При качании маятника происходит беспрерывное превращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно; при поднятии маятника уменьшается скорость движения и увеличивается расстояние его от поверхности земли, т. е. кинетическая энергия превращается в потенциальную; обратное оказывается при опускании маятника» ^{[9] [10]}. «При этом движение маятника постепенно ослабевает и наконец прекращается; остановка движения обусловливается трением, испытываемым маятником от воздуха п в точке привеса; все энергия маятника превращается наконец в теплоту» 22$.

«Всякий раз, когда задерживается движение тела, проявляется вместо него теплота; внешнее видимое движение превращается в колебательное движение частичек тела или, другими словами, кинетическая энергия превращается в калорическую.

От трения о колеса осей экипажа уменьшается скорость его движения и оси часто разогреваются до накаливания. При ударе о стену выпущенной из ружья пули мгновенно прекращается ее движение; при этом свинцовая пуля нагревается часто до плавления».

«Все приведенные примеры свидетельствуют о том, что внешнее движение (механическая работа) может превращаться в теплоту; столь же возможен переход теплоты в работу. Самый простой пример представляют машины, двигаемые паром или нагретым воздухом. Молекулы пара или нагретого воздуха с силою ударяют о поршень; подвигая его вперед, они совершают работу и при этом теряют часть скорости, т. е. охлаждаются... Топливо под котлом машины, остающемся в покоо, выделяет при горении больше тепла в окружающую среду, чем во время работы машины; часть тепла в действующей машине превращается в механическую работу» ^{[11] [12]}.

«Многие химические реакции (соединения) сопровождаются выделением тепла (и электричества); это заставляет предполагать в продуктах соединения запас потенциальной энергии, меньший, чем в телах первоначальных. При других химических реакциях (разложения) требуется затрата теплоты извне или содействие гальванического тока; получаемые продукты разложения должны поэтому обладать большей потенциальной энергией, чем тела первоначальные. В одном случае происходит превращение потенциальной энергии в теплоту (или электричество), другом - превращение теплоты (или электричества) в потенциальную энергию»23в.

«Таинственное звено связывает две необыкновенно важные для жизни мирозда- пия силы - свет и теплоту».

«Свет и теплота представляют движение; нагретые и светящиеся тела переносят энергию молекулярных движений их частиц па другие тела»^[13].

«...Насколько до настоящего времени расследованы явления в природе, нигде пе обнаружилось потери энергии, но только превращение одпого рода энергии в другой. В этом заключается важный принцип сохранения энергии» ^[14].

«Закон сохранения энергии вполне применяется и к лучам света; колебаппя эфира определенной скорости могут превращаться в другие, обладающие скоростью более или менее значительною; пикогда, одпако, пе могут опи пропасть бесследно; кажущаяся потеря, проявляющаяся при поглощении света, есть печто иное, как превращение света в темные тепловые лучи или, другими словами, превращение колебания эфира в колебания молекул» ^[15].

В настоящей главе мы увидим пример превращения световой энергии в потенциальную, именно в запас химической энергии.

Из раствора пяти минеральных солей и углекислоты хлорофиллонос- иые растения строят разнообразные органические соединения, отличающиеся от составных частей сырой пищи не только составом, но и запасом потенциальной энергии. Выработанные хлорофиллоноспыми растениями органические соединения служат не только материалом для построения тела самих растений и животных, но в то же время и доставляют всем живым существам на земной поверхности запас энергии, необходимый для проявления жизненных отправлений; по мере сожига- ния (окисления) принятой пищи внутри организма потенциальная энергия превращается частью в энергию калорическую, частью в другие и приводит в действие сложные механизмы организма.

Образование соединений с большим запасом потенциальной энергии сравнительно с телами, из которых они происходят, немыслимо без заимствования энергии из внешнего источника. Вышеизложенные опыты с достаточною очевидностью указывают на солнце как на источник тепловой и световой энергии, при посредстве которого происходит синтез органических соединений в хлорофиллоносных растениях.

При посредстве солнца производится внутри зерен хлорофилла с затратой части энергии химическая работа, состоящая в отщеплении кислорода из соединения его с углеродом и водородом. Следствием этого, с одной стороны, является выделение кислорода в газообразном состоянии, а с другой — образование органических соединений с запасом потенциальной энергии, именно химической, которая есть не что иное, как видоизмененная энергия солнечных лучей.

Растение (зеленые его части) уподобляется в данноме случае машине, а свет и теплота солнца — силе, приводящей машину в движение для производства работы.

Всякая машина утилизирует только часть силы, затрачиваемой на приведение ее в действие, и притом в большинстве случаев только незначительную ее долю.

В последнее время были неоднократно произведены попытки разрешить этот вопрос по отношению к усвоению растением солнечной энергии.

Первая попытка принадлежит Бекерелю^23t. По указанию Пулъе, количество солнечной энергии, получаемой в год квадратным сантиметром земного шара, равняется 231,684 кал; по мнению Бекереля, приблизительно половина всей энергии задерживается атмосферой, так что на квадратпый сантиметр поверхности почвы приходится в год 115 837 кал.

Для вычисления, какая часть этой энергии потребляется растением при построении органических соединений, Бекерель делает следующие сопоставления: ^[16]

Гектар леса в средней полосе Европы усваивает (Шевандье^{[17] [18]}) 1800 кг углерода

в год

Гектар хорошо удобренного луга усваивает (Шевандье) в год 3500 кг »

Гектар, засеянный земляной грушей, усваивает (Бусенго) в год 6000 кг »

Принимая во внимание, что грамм углерода выделяет при сожигании 8000 единиц тепла, Векерель вычисляет, что 1500—6000 кг углерода должны выделить в 12 000 000—48 000 000 раз большее количество тепла сравнительно с тем, которое потребно для нагревания килограмма воды от 0 до 1° С. Гектар почвы ( = 10 000 м²), по Бекерелю, получает от солнца в год количество тепла, превосходящее в 11 583 790 000 раз тепло, потребное для нагревания килограмма воды с 0 до 1° С.

Частные из 12 000 000 ц 48 000 000 на последнее число, именно *7шм и ⁴⁸/пз8з, приблизительно равные ‘/юоо и Viooo, выражают собою долю солпечной энергии, потребленной вышеприведенными растениями при построении органических соединений.

Векерель обращает внимание на то, что в произведенном вычислении не обращено внимания на тепло, потребленное для усвоения водорода и азота; по его мнению, поправка в этом направлении не увеличила бы полученных цифр даже наполовину. На основании своих наблюдений Векерель заключает, что во Франции растениями усваивается менее Vloo солнечной энергии.

К подобным попыткам относится вычисление Мюллера ²³⁶ касательно солнечной энергии, усваиваемой гектаром букового леса в продолжение 100 лет.

Он воспользовался, с одной стороны, точными определениями Гарти- га относительно веса сухого вещества гектара букового леса (стволов, корней и листьев), с другой — вышеприведенными данными Пулье касательно числа единиц тепла, получаемых квадратным сантиметром земпой поверхности в продолжение года. Основой для вычисления Мюллера послужило число калорий, выделяемых при сожигании граммом клетчатки. Ввиду преобладания этого соединения в дереве Мюллер принял при вычислении все количество сухого вещества, найденное Гарти- гом в гектаре столетнего букового леса, состоящим исключительно из клетчатки. Сопоставив число калорий, которые должны были бы получиться при сожигании всего сухого вещества леса, если бы он состоял из клетчатки, с количеством солнечной энергии, полученной гектаром земли за 100 лет, Мюллер нашел, что буковый лес усваивает 7т солнечной энергии; при этом он, однако, прибавляет, что произведенное вычисление дает число, большее искомого, так как не было принято во внимание значительное поглощение солнечной энергии атмосферой.

Мюллер указывает на две весьма существенные ошибки, присущие употребленному им способу вычисления, вследствие которых полученпое число не может служить точным выражением искомой величины. Первая ошибка состоит в том, что при вычислении не было принято во внимание значительное поглощение солнечной энергии облаками и усвоенная растением энергия выражена в долях всей энергии, доставляемой солнцем земной поверхности. Вторая ошибка, по указанию Мюллера, влияет на результат вычисления в смысле, диаметрально противоположном первой. Он справедливо замечает, что твердое вещество, находимое в растении, не представляет всего количества усвоенного органического вещества и, следовательно, не может служить точным мерилом солнечной энергии, потребленной на синтез органических соединений; оно значительно меньше искомого.

Основываясь на этих соображениях, мне казалось бы проще всего выразить искомую величину энергии, усвоенной растением, суммою из следующих немногих слагаемых: 1) из количества калорий, выделенных при сожигапии твердого вещества исследуемого растения, включая сюда и отпавшие во время его развития части; 2) из количества энергии, потраченной при построении органов растения (сохранившихся и отпавших) на счет приготовленных растением органических соединений, и 3) избытка энергии, обнаруживаемого иногда самонагреванием растений.

Материалом для дальнейшей разработки вопроса о поглощении солнечной энергии растением могут служить нижеследующие определения поглощения и выделения солнечной энергии отдельными зелеными листьями.

Тимирязев ^[19] воспользовался для этого частью данными Бусенго и собственными касательно количества углекислоты, разлагаемой известною площадью листа в определенный промежуток времени, частью же указаниями на количество единиц тепла, получаемого за это время листом.

Тимирязев пришел к заключению, что зеленым листом утилизируется средним числом 1% солнечной энергии и только при самых благоприятных условиях около 2%. Опыты и вычисления Мюллера ^[20] дали цифру несколько большую; листья бука, поставленные в наиболее благоприятные условия, усваивали до '/г* всей солнечной энергии.

Па основании имеющихся данных с достоверностью можно утверждать, что различные лучи солнечной энергии поглощаются растениями в разной степени. Вышеприведенные разыскания Сакса над прониканием света в ткани растений показали, что сильнее всего поглощаются растениями ультрафиолетовые лучи; из лучей световой части спектра вслед за ультрафиолетовыми исчезали фиолетовые, глубже проникали синие лучи; дальше всех проходили в растение лучи зеленые и в особенности красные. Исследованиями Эмери ^[21] и Манена ^{[22] [23]} было обнаружено весьма значительное поглощение темных тепловых лучей листьями и стеблями различных растений. Произведенные опыты, однако, неприложимы еще, по сознанию Манена, непосредственно к физиологии растений и могут только послужить исходной точкой для дальнейших разысканий.

К этой категории относятся исследования Мюллера над поглощением зеленым листом; 1) лучей, действующих на фотографическую бумагу;

2) лучей, ощущаемых зрением, и 3) лучей, открываемых термомультипликатором. В связи с этим определением Мюллер исследовал диффузию газов при освещении листа солнцем и определял силу ассимиляции солнечных лучей газометрическим способом.

Из полученных Мюллером результатов я отмечу только следующий *⁴¹: подвергая освещению в смеси определенного состава несколько наложенных один па другой листьев, он заметил, что они разлагали больше углекислоты, чем один лист. Например, три листа Castanea vesca разложили больше углекислоты, чем один лист; подобное получилось и с листьями Fagus sylvalica; четыре сложенных листа бука разлагали больше одного листа. Мюллер объясняет полученный результат тем, что сквозь верхний лист проникало еще достаточное количество солнечного света, чтобы вызвать разложение углекислоты затененными листьями.

Остальные результаты частью неприменимы непосредственно к ассимиляции листьями, частью не доказаны достаточно строго и возбуждают сомнение.

В теснейшей связи с поглощением солнечной энергии находится вопрос о потреблении ее растением. Она потребляется, как ниже будет изложено: 1) па образование соединений с большим запасом химической энергии, чем вещества исходные; 2) па передвижение частей содержимого клеток, целых частей растений или даже всего организма (зооспор и подвижных форм простейших организмов); 3) на всасывание, передвижение по растению и выделение газообразных жидких и твердых тел. В первом случае происходит превращение световой солнечной энергии в потенциальную химическую энергию; во втором и третьем — превращение световой и тепловой солнечной энергии в механическую или, другими словами, превращение движения частиц эфира и молекул в движение массы.

Из этих трех случаев в настоящей главе будут рассмотрены только первые два; исследования же над потреблением солнечной энергии на испарение и всасывание воды и передвижение газообразных, жидких и твердых тел по растению будут изложены в главе IV.

• [1] 2,9 Schleiden и. Naegeli. Zeitschr. f. wiss. Bot. 3, 220 (1846).
• [2] Van Thiegem. Ann. d. Sc. nat. S. 5, t. 4, 316 (1858).
• [3] Розанов. L. c., c. 33 и 34.
• [4] Kiitzing. Die Kieselschaligen Bacillarien, 1844, p. 20.
• [5] Daubeny. Philosophical transactions of the royal. Soc. of. London, 1836, p. 155.
• [6] Krebs. Die Erhaltung der Energie, als Grundlage d. neueren Physik. 1877, p. 30.
• [7] L. c., p. 37.
• [8] L. c., p. 37, 38.
• [9] L. с., р. 3, 38, 39, 40, 74.
• [10] 223 L. с., р. 73 и 74.
• [11] L. с., р. 76 и 77.
• [12] L. с., р. 112.
• [13] L. с., р. 41.
• [14] L. с., р. 147.
• [15] L с., р. 166 и 167.
• [16] Becquerel. La lumiere, ses causes et s. effets. T. 2, p. 290 (1868).
• [17] Chfivandier. Ann. Chim. Phys. S. 3, t. 10, 129 (1844).
• [18] m Muller. Handbuch des Botanik, p. 481 (1880).
• [19] Тимирязев. Речь о физиологическом значении хролофилла. См.: Речи и протоколысъезда русских естествоиспытателей и врачей в Петербурге. 1880. Ботаника,с. 70. Его же: Жизнь растения. См. лекцию 10-ю: Растение как источник силы.
• [20] Muller. Bot. Unters. 5: Ucb. d. Einwirkung d. Lichl.es u. d. slrahlenden Warme a. d.Griinc unserer Waldbaume, p. 382. Его же: Handbuch d. Botanik. В. 1, p. 523 (1880).
• [21] Emery. Ann. d. Sc. Nat. S. 5, t. 17, 195 (1873).
• [22] Maquenne. Ann. d. Sc. Nat. S. 6, t. 10, 333 (1881); более подробное изложение см.:Annales agronomiques (October, 1880).
• [23] Muller. L. c., p. 355.