Дитя трех стихий

В одной из ранних работ, относящихся к 1919 году, академик В. Р. Вильяме писал: "История показывает, что духовное первенство, культурное руководство, принадлежит тому народу, который сумел связать наибольшее количество солнечной энергии на единицу площади своих полей".

"Растение - Прометей, похитивший огонь с неба!". Это образное сравнение, сделанное К. А. Тимирязевым, пожалуй, больше всего подходит к кукурузе, ибо из всех существующих на планете растений эта теплолюбивая культура, хорошо выносящая высокие температуры, поглощает наибольшее количество солнечной энергии. Например, весь растительный покров континентов, растительность морей и океанов фиксируют в виде химической энергии около 1 процента ФАР (фотосинтетически активной радиации). А густые посевы кукурузы в Таджикистане могут аккумулировать за вегетационный период до 2-3 процентов ФАР. Как установила американский биолог Даяна Мандолли, работающая в Институте имени Карнеги в Станфорде, кукурузное растение способно проводить свет: лазерный луч, направленный на кусочек ткани ку-курузы, проникал вглубь на два сантиметра.

Лучше других усваивая солнечную энергию, кукуруза образует на единицу площади больше органических веществ. Фабриками этих веществ являются листья. В этом, пожалуй, и заключается разгадка главной тайны кукурузы - ее феноменальной производительности и урожайности.

Людей всегда удивляло, что в некоторых сортах в одном початке можно было насчитать до 1000 зерен. Эти рекорды удалось объяснить лишь недавно. В 1960 году ученый из Казани Ю. Карпилов, изучая пути поглощения кукурузой углекислого газа, обнаружил, что у этого растения процесс фотосинтеза, первичного запасания энергии солнечной радиации, идет вопреки утвердившемуся в науке так называемому закону цикла Калвина. В свое время группа американских ученых во главе с М. Калвином установила, что углекислота в листьях растений начинает свои удивительные химические превращения с образования трехуглеродного (С₃) соединения. А в опытах Карпилова начальными продуктами фотосинтеза оказались четырехуглеродные (С₄) соединения. Так впервые было установлено, что помимо С₃-растений (соя, пшеница, рис и другие) существуют С₄-растения (кукуруза, сахарный тростник, сорго и другие злаки тропического и субтропического происхождения - всего около 500 видов из 13 родов).

Затем последовало еще одно открытие. Австралийцы М. Хетч и К. Слэк доказали, что кукуруза и подобные ей С₄-растения способны усвоить за один час каждым квадратным дециметром листвы до 100 миллиграммов углекислого газа. А шпинат, овес, сахарная свекла и другие представители С₃-растения - вдвое меньше. В чем же здесь секрет?

Еще в 1771 первооткрыватель фотосинтеза Джозеф Кристли доказал, что днем, на свету, растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, а ночью, наоборот, вдыхают кислород и выдыхают углекислоту. Спустя два столетия, в 1955 году, канадский исследователь Дж. Деккер установил, что есть еще и третий процесс - "ночной" тип дыхания, используемый растениями в светлое время. Позже эту особую дыхательную смену назвали "фотодыханием". Но ни Деккер, ни его последователи тогда еще не знали, что это свойство более всего присуще С₃-растениям и что при недостаточной концентрации углекислоты, теряя ассимилированный углерод, именно они испытывают своеобразную "одышку". А вот у С₄-растений видимое фотодыхание практически отсутствует, и в этом одна из причин их высокой продуктивности, вдвое превышающей продуктивность С₃-растений.

Сегодня, когда фотодыхание признано "непроизводительным процессом затраты вещества" (определение американских ученых И. Зелича и В. Огрина), перед сельскохозяйственной наукой встала задача: как добиться того, чтобы С₃-растения не тратили бы бесполезно то, что было ими накоплено в основном процессе жизнедеятельности - фотосинтезе. Кроме того, исследования показали, что "кукурузный" фотосинтез очень экономичен и в отношении влаги. Стало быть, научив растения дышать "по-кукурузному", можно привить им способность синтезировать больше продукции.

Сухое вещество кукурузного растения на 90-95 процентов состоит из сложных органических соединений, создаваемых в процессе ассимиляции (фотосинтеза) из углекислого газа и воды. И если кукуруза лучше других зеленых собратьев использует солнечную энергию, то еще и потому, что ее листья отличаются большей продолжительностью работы. Посмотрите на поля после жатвы. Пшеница или овес уже убраны, и солнечные лучи падают на оголенную землю. Но кукурузные плантации зеленеют и растения продолжают активно формировать урожай еще и в пору "бабьего лета". Лучистая энергия солнца, аккумулируясь в листьях, преобразуется в крахмал, сахар, белки, жиры, витамины и другие органические вещества.

Эти удивительные превращения осуществляют крохотные волшебники - хлорофилловые зернышки. Но, как удалось установить, работают эти старательные и прилежные труженики все же не в полную силу. Впрок накапливается не более трех процентов солнечной энергии, поступающей на поля. Как повысить коэффициент полезного действия растительного организма, мощность хлорофилловых преобразователей и аккумуляторов энергии?

Наука и передовая практика выработали ряд мер, которые позволяют интенсифицировать процесс фотосинтеза. Среди них правильная система обработки почвы и ухода за посевами, внесение органических и минеральных удобрений. Вроде бы дело привычное, хорошо знакомое. Для кого-то повторение этих прописных истин покажется уже набившим оскомину. Но одно дело - просто знать, что надо делать, и другое - четко представлять, для чего это делается. А ведь именно почвообработка и подкормка активизируют деятельность полезных микроорганизмов, которая, в свою очередь, повышает содержание углекислоты, необходимой для питания растений и образования жизненно важных углеводородов. Рыхление почвы улучшает доступ воздуха и способствует сбережению влаги. Размещение кукурузы на южных и юго-западных склонах, посев широко отстоящими друг от друга рядами создают условия лучшего освещения и благоприятной температуры и тем самым способствуют активизации фотосинтеза. С этой целью подбирают сорта и гибриды с хорошей листовой поверхностью.

В лаборатории физиологии кукурузы Всесоюзного НИИ кукурузы обратили внимание на толщину листовой пластинки и количество жилок. Последние, оказывается, являются показателем емкости фотосинтезирующего аппарата, возможности быстрого оттока питательных веществ из вегетативных органов в репродуктивные.

Опытный кукурузовод знает: чем больше листьев на растении, тем больше ему потребуется времени от появления всходов до выметывания метелки и полного созревания. И, наоборот, чем скороспелее гибрид или сорт, тем меньше на его стебле листьев. Зная такую зависимость длительности вегетационного периода, можно определить сорт по одному лишь зеленому убранству растения. Обычно у скороспелых форм до десятка листьев, у позднеспелых, высокорослых - в три, а иногда и в четыре раза больше.

Но не менее важно, как используется полезная площадь листьев. В природе ведь, как и в обществе, есть экстенсивные и интенсивные методы работы, как и у людей, цели достигаются и числом, и умением. В Корнельском университете (США) провели интересный эксперимент. Искусственно удалив с растений часть листьев в посевах кукурузы, обнаружили, что наибольшее накопление сухого вещества в початках и зерне происходило в том случае, когда нетронутой оставалась одна треть листьев верхнего яруса.

Великий конструктор - природа распорядилась так, что для лучшего улавливания солнечного света листья располагаются по оптимальной схеме размещения - чтобы не затенять и не прикрывать друг друга. Обычное правило: чем длиннее и шире листья, тем они продуктивнее, - верно только для южных районов, где солнце, как говорится, стоит над головой. На севере же урожайность зависит от некоторых других факторов. Дело в том, что в высоких широтах при меньшем количестве теплых дней солнце стойт более низко. Стало быть, идеальное направлёние листьев, перпендикулярно к стеблю, здесь оказывается не самым лучшим. Для обеспечения наибольшего облучения они должны быть прикреплены к стеблю под острым углом. И если об этом не позаботилась природа, это должен сделать селекционер.

Преклоняясь перед удивительной способностью растений улавливать каждый проблеск солнечного света, не следует забывать, что этот, хотя и очень совершенный аппарат, все же оставляет еще многого желать... Вот почему ученые и практики - кукурузоводы продолжают изыскивать новые резервы увеличения суточного привеса сухого вещества.

Широкие возможности открывает использование фотопериодизма, которое И. В. Мичурин назвал могучим фактором переделки природы растений на пользу человечества. С этим явлением ученые столкнулись еще во времена Ч. Дарвина. Получив из тропического пояса Америки семена кукурузы, немецкие ученые Мецгер и Мюллер высеяли их в окрестностях Гейдельберга. Уже в шестом поколении высота растений ничем не отличалась от произраставших в этой местности карликовых форм. Но стоило отправить семена в Бразилию, как они дали там обычные для тех мест высокие растения. В чем же дело, почему американские великаны в Европе превращались в карликов, а европейские карлики в Америке вырастали в великанов? Результатами своих опытов естествоиспытатели поделились с Дарвин ом. Его поразила не только разность высоты растения и количества листьев, но и изменение свойств самой зерновки. Так была открыта закономерность влияния периодичности освещения, суточного чередования света и темноты на жизнь растений (фотопериодизм).

В зависимости от того, какое воздействие оказывает продолжительность дня на образование органов растения, на скорость наступления цветения и плодоношения, исследователи фотопериодизма, американские ученые В. Гарнер и Н. Аллард разделили растения на три группы: коротко-, длиннодневные и нейтральные. В первую группу вместе с сорго, просом, хлопчатником, коноплей, хризантемой и георгином была включена и кукуруза, унаследовавшая от своих предков свойства, признаки и привычки, сложившиеся при коротком дне. И в наше время один и тот же сорт кукурузы при коротком дне развивается быстрее, чем при длинном.

Исследованиями, проводившимися в нашей стране, установлено, что при сокращении времени освещения до 10-12 часов против обычных в это время 16-17 часов в Центральном Нечерноземье и 18-20 часов - в северных районах развитие кукурузы значительно ускоряется. Конечно, это ускорение у разных сортов и гибридов неодинаково и зависит от их родины и предков, но одно постоянно: чем южнее происхождение сорта и чем он более позднеспелый, тем значительнее действие укороченного дня на сокращение общей протяженности вегетационного периода.

Опыты показали, что для формирования початков культурному растению подходит далеко не каждый короткий день и не каждая смена дня и ночи. Замечено, что растения лучше развиваются с 8 часов утра до 17 часов дня, а утренние и вечерние часы освещения в северных районах как бы тормозят развитие. Именно тот факт, что кукуруза лучше развивается при освещении полуденным светом, убедил ученых, что это растение низкоширотного происхождения, выходец из тропического пояса.

Порой для растения основное значение имеет не только и не столько укорочение дня, сколько определенное количество света. То есть проявляется примерно та же закономерность, что и при работе листьев: высокая производительность достигается способностью наилучшим образом использовать лучистую энергию солнца. Здесь весьма важно, в какое время и в каком сочетании поступает свет. Даже незначительные изменения в соотношении синих и красных лучей могут привести к сдвигу развития, особенно при формировании органов плодоношения. В специальных опытах Московского государственного университета, проводимых под руководством Ф. М. Куперман, было замечено, что растения развивались быстрее при облучении их белым и синим светом. Почти не отставали от них посевы, получавшие красный свет, но у них значительно задерживалось формирование початков. И вовсе неважно чувствовали себя растения в условиях зеленого освещения: у них задерживался даже рост. Вот вам и "зеленый свет"...

Управление качеством света на разных этапах роста открывает заманчивые перспективы для оперативного конструирования органов растения в поле. Регулируя интенсивность и длительность облучения, выбирая наиболее оптимальное время освещения, можно влиять на образование и длину междоузлий, формирование соцветий, строение и размеры листьев. С помощью заданной светодозировки можно даже программировать определенный пол растения. Опытами, проведенными в северных районах страны, уже удалось за счет укорачивания дня вызвать в метелках образование обоеполых цветков.

Дитя трех стихий

Своеобразным индикатором светочувствительности растения может служить его окраска. Традиционный для маиса цвет - зелено-желтый. Но теперь ему предлагают менять свой наряд, точнее, по каждому случаю надевать другой. Ученые составили тест на стойкость против загущенности посевов - чрезвычайно ценного в условиях интенсификации сельскохозяйственного производства свойства, о котором можно будет судить "по одежке". Установлено, что о высоком содержании хлорофилла В, способного полнее использовать солнечную радиацию, свидетельствует темно-зеленая окраска растений. Так что, подбирая гибриды, селекционеры ориентируются и на этот признак.

Каждый знает, какую огромную роль играет флора в очистке атмосферы. Без нее мы бы просто задохнулись. Пока Земля одета в зеленый наряд, в атмосферу поступает кислород, поддерживается плодородие почвы - продолжается жизнь. Свой вклад в это доброе дело вносит и кукуруза. В период интенсивного роста гектар ее плантаций, чтобы извлечь необходимое количество углерода, пропускает через листья и фильтрует в своих "легких" около 50 тысяч кубических метров воздуха. И делает это опять-таки лучше других растений. Подсчитано, что за то время, в течение которого гектар леса усваивает из воздуха 3 тонны углерода, гектар луга - 4,5 и гектар сахарного тростника - 12,4 тонны, каждый гектар кукурузного поля усваивает более 15 тонн углерода.

Долгое время люди не знали, что растения потребляют и кислород. До начала прошлого века даже в научных кругах бытовало мнение, что процесса дыхания как такового у растений вообще нет. Это заблуждение удалось развеять только в 1804 году, когда швейцарский ученый Теодор Соссюр опытным путем доказал, что прорастающие семена кукурузы и всех других зеленых растений, как и животные, поглощают кислород, выделяя при этом углекислоту и пары воды. Стало известно, что в основе дыхания лежат процессы окисления органических веществ, главным образом углеводов, и освобождения энергии. Выделяемое при этом тепло и является наиболее заметным внешним признаком того, что растение дышит. В этом нетрудно убедиться, наполнив эфиром стеклянную трубку и погрузив ее в кучу прорастающих семян кукурузы. Эфир обязательно закипит (а кипит он при температуре 35 градусов).

Тот же Соссюр первым заметил, что у каждого растительного организма свое соотношение объема выделенного углекислого газа и объема поглощенного за это же время кислорода. Позже это отношение стали называть дыхательным коэффициентом. У кукурузы он равен 1. По этой причине она стала своеобразным эталоном дыхания растений.

Т. Соссюр установил также, что вследствие дыхания уменьшается масса растений, причем ровно настолько, сколько весит выделенный ими углекислый газ. Было также определено, что молодые части растения дышат более энергично, чем старые, а тем более прекратившие рост. Особенно жадно поглощают кислород соцветия и метелки, поэтому температура у них всегда выше, чем у других частей растения.

Новейшие эксперименты и опыты опровергли еще одно ошибочное представление. Признав сам факт дыхания у зеленых растений, многие ученые все же считали, что он имеет место только от восхода до захода солнца и, следовательно, в темноте прекращается. Сегодня мы точно знаем, что кукуруза, как "и все представители зеленого мира, дышит непрерывно. Без дыхания не может быть постоянного обмена веществ - важнейшего условия жизни организмов.

Не менее, чем воздух, нужна кукурузе вода. Как пшеница, овес и многие другие злаки, это растение - типичный мезофит, развивающийся в условиях достаточной влажности. Например, в период восковой спелости растение на 70 процентов состоит из воды, а во время выбрасывания метелок содержание влаги повышается до 85 процентов.

Когда запасы воды в почве иссякают, растение начинает использовать влагу из клеток стебля. При этом оно издает шумы в ультразвуковой области. Канадские и американские ученые смонтировали на стебле кукурузы аппаратуру, соединенную с компьютером. Когда частота сигналов достигает критического уровня, аппаратура дает команду: "Растение необходимо полить!".

Вода нужна кукурузе для охлаждения от солнечного перегрева. В течение лета вместе с испаряемой водой кукуруза отдает в атмосферу избыток тепла. А главное, жидкость нужна для подачи питательных веществ из почвы к листьям. На образование тонны урожая растения могут затратить за вегетацию от 1700 до 4000 тонн воды (в зависимости от сорта и метеорологических условий).

Процесс, с помощью которого происходит накопление сухого вещества, называется транспирацией, а показатель количества воды (в литрах), используемой для построения каждой единицы (килограмма) сухого вещества, - транспирационным коэффициентом. У кукурузы он равен 250. Поэтому она более экономична, чем пшеница, транспирационный коэффициент которой 400.

Наибольшее количество воды кукуруза расходует в период выбрасывания метелок. За это время она накапливает до 80 процентов сухого вещества. А за всю вегетацию растение использует около 200 литров воды. Значит, при густоте посева 40 тысяч всходов на гектар эта площадь потребляет около 8 миллионов литров воды. Если бы такое количество влаги поступало только в виде дождя, то потребовалось бы 800 миллиметров осадков. Однако кукуруза не ждет влаги небесной и сама заботится о собственном водоснабжении - роет своеобразные миниатюрные артезианские скважины, откуда и черпает живительную влагу. Причем "насосные установки" кукурузы обладают довольно большой сосущей силой, в три-шесть раз превышающей мощность корневых систем у ячменя, овса или пшеницы. Вот почему эту культуру называют засухоустойчивой.

Еще один секрет невысокой требовательности кукурузы к воде кроется в том, что она является... "растением-верблюдом". Известно, что двугорбый "корабль пустыни" легче других животных переносит жажду. Помогает ему в этом система саморегулирования влаговыделения, чутко реагирующая на перепады окружающей температуры. Аналогичную систему дозировки испарения накопленной воды имеют и растения кукурузы: при отсутствии дождей специальные химикаты-диспетчеры заставляют сужаться устьица на поверхности листьев.

Солнце, воздух и вода. В настоящее время этот важнейший комплекс получил математическую конкретизацию. В ходе совместных исследований, проведенных Министерством земледелия США и Корнельским университетом на десятках сортов маиса, удалось определить оптимальные пропорции доз солнечного света, воды и углекислого газа для получения максимальной урожайности.