Какую роль играет зеленый лист


Xлоропласты в клетке листа у мха мниума.
Xлоропласты в клетке листа у мха мниума.

Почти двести лет назад шведский ученый Шееле открыл газ кислород, а затем, независимо от него, этот газ открыл английский химик Джозеф Пристли. Французский ученый Лавуазье установил, что этого газа в атмосферном воздухе 21%. Пристли заинтересовался: откуда же поступает кислород в атмосферу, если он постоянно тратится при дыхании животных, человека и при горении? И он нашел ответ в зеленом листе.

В 1771 г. Пристли доказал с помощью простого опыта, что животные делают воздух непригодным для дыхания, а растения его «очищают». На окне, освещенном солнцем, он накрыл стеклянным колпаком живую мышь. Через несколько часов мышь сдохла от недостатка кислорода. Но когда Пристли поместил под колпак вместе с мышью веточку мяты, мышь чувствовала себя как обычно, и не испытывала недостатка в кислороде. Открытие Пристли произвело на современников громадное впечатление. Но вскоре оказалось, что этот опыт удается далеко не всегда, даже у самого Пристли.

Выделение кислорода водяным растением элодеей.
Выделение кислорода водяным растением элодеей.

В 1779 г. голландец Ян Ингенхуз уточнил опыт Пристли. Он выяснил, что зеленое растение «очищает» воздух только на солнечном свету. Еще большую ясность внес в этот загадочный опыт швейцарский ботаник Жан Сенебье. В 1782 г. он окончательно установил, что днем при солнечном свете зеленое растение выделяет кислород. И, наконец, он доказал, что зеленое растение «очищает» воздух не потому, что оно дышит, а в связи с его углеродным питанием. Растение поглощает из воздуха углекислый газ и расщепляет его на кислород и углерод. Кислород оно освобождает в атмосферу, а из углерода и воды образует в своем организме безазотистые вещества — углеводы (крахмал, сахар). Впоследствии этот процесс был назван фотосинтезом («образованием вещества на свету»).

Чтобы узнать подробнее, как это происходит, надо заглянуть в зеленую лабораторию растения — в клетку. Зеленый цвет листа зависит от особых зеленых, так называемых хлорофилловых, зернышек, или хлоропластов. Почти у всех растений хлоропласты шаровидные или слегка вытянутые. Они такие же живые образования клетки, как протоплазма и ядро, и даже могут делиться путем простой перетяжки. В каждой клетке несколько десятков, а иногда и свыше сотни хлоропластов. Они состоят из бесцветной протоплазматической основы и зеленого пигмента—хлорофилла. Кроме хлорофилла, в хлоропластах есть и желтые пигменты. Понижение температуры разрушает хлорофилл, но не действует на желтый пигмент. Поэтому осенью, когда воздух становится холоднее, листья начинают желтеть.

Выделение кислорода наземным растением. В цилиндре горела и погасла свеча. В него бросили растение, и цилиндр некоторое время был накрыт крышкой. В нем накопился кислород и свеча, опущенная в него, не гаснет.
Выделение кислорода наземным растением. В цилиндре горела и погасла свеча. В него бросили растение, и цилиндр некоторое время был накрыт крышкой. В нем накопился кислород и свеча, опущенная в него, не гаснет.

Как всякое окрашенное тело, хлорофилл поглощает световые лучи. Знаменитый русский ученый К. А. Тимирязев доказал, что зерна хлорофилла поглощают не все видимые лучи спектра, а только красные и сине-фиолетовые. Фотосинтез может совершаться только на свету и только в зеленых частях растения. Зеленые лучи хлорофиллом не поглощаются. Этим и объясняется их зеленая окраска.

Водяные растения выделяют на свету пузырьки газа. В том, что этот газ — кислород, можно убедиться на простом опыте. В банке с водой покрывают опрокинутой воронкой ветки водяного растения элодеи. На узкий конец воронки одевают пробирку, наполненную водой. Ветки элодеи начнут выделять пузырьки газа, которые пройдут в пробирку и вытеснят из нее воду. Если в этот газ внести тлеющую лучинку, она сразу же вспыхнет ярким пламенем.

Из атмосферы проникает в растение углекислый газ. Он состоит из углерода и кислорода. В зеленом хлоропласте под влиянием солнечного света, поглощенного хлорофиллом, углекислый газ соединяется с водой и из этого соединения образуются частицы крахмала или сахара. При такой химической реакции часть кислорода освобождается и выделяется в атмосферу.

Крахмальные зерна в клубне картофеля (увеличено).
Крахмальные зерна в клубне картофеля (увеличено).

Крахмал в хлоропластах легко обнаружить, так как он окрашивается йодом в синий цвет. Если на разрез картофельного клубня капнуть слабым раствором йода, белая поверхность разреза станет синей. Такой же опыт можно провести и с зеленым листом. Комнатное растение — герань или бальзамин — ставят на 2—3 дня в темноту. За это время весь крахмал в листьях растворится и перейдет в сахар. Чтобы убедиться в этом, один из листьев опускают в спирт, лист обесцвечивается, а затем его кладут в слабый раствор йода. Если лист не посинеет, значит, весь крахмал в нем уже растворился. С выдержанного в темноте растения срезают несколько листьев и ставят их черешками в стакан с водой. Часть каждого листа закрывают черной бумагой или фольгой (металлической оберткой конфет). Стакан с листьями ставят на несколько часов под непрерывный солнечный свет. Затем листья обесцвечивают спиртом и проявляют в растворе йода. На места, которые при освещении были покрыты бумагой, йод не подействует; те же части листа, которые были освещены, посинеют, так как в них образовался крахмал.

Лист хорошо приспособлен для поглощения углекислого газа. С обеих сторон он одет покровной тканью, или эпидермисом. Клетки этой ткани плотно прилегают друг к другу. Сверху эпидермис прикрыт тонким слоем жирового вещества — кутикулой, которая почти не пропускает в растение паров воды и газов. В эпидермисе есть отверстия — устьица, состоящие из двух смыкающихся клеток. Клетки эти могут отходить друг от друга, и тогда между ними образуется щель, сквозь которую и проникает в растение углекислый газ. Днем устьица под влиянием света обычно открыты, а на ночь закрываются. Смыкаясь и размыкаясь, устьица регулируют вход в растение углекислого газа и выход испарений воды.

Поперечный разрез листа свеклы: 1 — эпидермис, или кожица; 2 — столбчатые клетки, или палисадная паренхима; 3 — губчатые клетки, или губчатая паренхима; 4 — межклеточные ходы; 5 — дыхательные полости; 6 — устьица.
Поперечный разрез листа свеклы: 1 — эпидермис, или кожица; 2 — столбчатые клетки, или палисадная паренхима; 3 — губчатые клетки, или губчатая паренхима; 4 — межклеточные ходы; 5 — дыхательные полости; 6 — устьица.

Под эпидермисом в листе залегает ткань, содержащая хлорофилловые зерна. Она названа столбчатой, или палисадной, паренхимой, потому что состоит из вытянутых столбиками клеток. Под ней находится ткань с более рыхло расположенными клетками — губчатая паренхима. В хлоропластах столбчатой и губчатой паренхимы и осуществляется фотосинтез.

Кроме того, весь лист пронизывают жилки (ботаники называют их «сосудисто-волокнистыми пучками»). Каждая жилка состоит из нескольких трубчатых сосудов. По одним сосудам от корней через стебель поступает к листьям вода, по другим — ситовидным трубкам — передвигаются от листьев к стеблю и корням растворы сахара и других органических веществ, образовавшихся при фотосинтезе.

Кожица листа: 1— клетки кожицы; 2 — устьица.
Кожица листа: 1— клетки кожицы; 2 — устьица.

Для образования крахмала из углекислого газа и воды нужна энергия света, и хлоропласты получают ее в виде энергии солнечного листа. Эта энергия переходит в крахмал. При соединении крахмала с кислородом (окислении) она высвобождается. Бросьте растение в костер — оно сгорит, выделяя тепловую и световую энергию. Образовавшиеся в процессе фотосинтеза органические вещества (крахмал, сахар) способны гореть; иными словами, в них заключены запасы энергии.

Эта энергия используется растением на дыхание, рост и другие процессы его жизнедеятельности. Дыхание, т. е. окисление органического вещества, идет в зеленом листе круглые сутки, а фотосинтез — только днем на свету, но зато намного интенсивнее, чем дыхание. Окисляясь, органическое вещество выделяет ту энергию, которую оно получило в момент его образования от солнечного луча. Энергия не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую: световая — в химическую, химическая — в механическую или тепловую. Так осуществляется в жизни растения один из основных законов природы — закон сохранения энергии (см. т. 3, раздел «Физика»).

Зеленый лист — источник жизни на нашей планете. Он питает растения, а растениями питаются животные. Хлорофилловое зерно — это единственная в мире лаборатория, в которой из простых неорганических веществ создаются с помощью энергии солнечного луча сложные органические вещества — крахмал и сахар. К. А. Тимирязев установил, что фотосинтез представляет собой процесс усвоения и консервирования солнечной энергии и что растение усваивает при фотосинтезе всего лишь от одного до двух процентов энергии солнечных лучей, падающих на него. Но и этого вполне достаточно, чтобы растения могли прокормить весь животный мир.

Поперечный разрез многолетней ветки липы: 1 — корка; 2 — первичная кора; 3 — вторичная кора; 4 — камбий; 5 — вторичная древесина; 6 — сердцевина.
Поперечный разрез многолетней ветки липы: 1 — корка; 2 — первичная кора; 3 — вторичная кора; 4 — камбий; 5 — вторичная древесина; 6 — сердцевина.

Чем больше солнечных лучей усвоят растения, тем полнее энергия Солнца будет использована для жизни на Земле. Поэтому важнейшая задача сельского хозяйства — как можно полнее уловить солнечные лучи. Чем обширнее посевные площади, чем лучше распределены растения на полях, чем урожайнее сорта этих растений, тем больше уловлено солнечной энергии.

Человек использует не только тот солнечный луч, который падает на землю сейчас, но и тот, который упал на нее десятки и сотни миллионов лет назад. На Земле тогда росли на обширных болотах гигантские древовидные папоротники, хвощи и плауны. Стволы умерших древесных растений сваливались в болота. Тысячелетиями они разлагались бактериями без доступа кислорода, слои земли засыпали их, давили и прессовали своей тяжестью. Так в недрах Земли накапливались большие залежи каменного угля. Нефть тоже представляет собой, по-видимому, химически измененные остатки растений, живших на планете в отдаленные времена (см. «Как образуются нефть и газ»). В более поздние периоды жизни Земли из сфагнового мха начал образовываться торф. Образуется он и в наше время.

Изобретатель паровоза Стефенсон спросил однажды своего приятеля:

— Знаешь ли ты, что двигает этот поезд?

— Конечно. Твое изобретение — ответил его собеседник.

— Нет. Его двигает солнечный луч, поглощенный зеленым растением сотни миллионов лет назад.