Ежегодно зеленые растения создают заново огромные количества органических веществ (примерно 100 млрд. т), во много раз превосходящие затраты на пищевые нужды человека, а также на корм сельскохозяйственных животных. В связи с этим проблема питания, казалось бы, должна решаться очень просто. На самом же деле обеспечение людей пищей представляет собой одну из сложнейших проблем современности, заслуживающих особого внимания. Лишь очень незначительное количество синтезируемых растениями органических веществ употребляется непосредственно для целей питания, чаще же пищевые продукты получаются из них через посредство одного или нескольких промежуточных звеньев, роль которых выполняют животные, а в некоторых случаях микроорганизмы.
Например, из всей растительности морей и океанов человеку в качестве пищи достается ничтожно малая доля, да и то в переработанном виде, преимущественно в виде продуктов рыбного промысла. Подавляющая же часть растительной биомассы морей и океанов, а также лесов и другой дикорастущей наземной флоры представляет собой непищевую продукцию. Эта биомасса претерпевает превращения в круговороте веществ, минуя те промежуточные звенья, с помощью которых в итоге создаются пищевые продукты. До 75—80% пищи человек получает от возделываемых им самим сельскохозяйственных культур, хотя продукция этих растений в среднем не превышает 6—10% общей фотосинтетической продукции всей растительности Земли. Но и от сельскохозяйственных растений далеко не весь урожай употребляется для пищевых целей, а только некоторые органы, например плоды, семена, клубни и т. д. Очень часто листья, стебли и корни совершенно не используются, полностью выбрасываются, составляя большие потери урожая.
В настоящее время нашу планету населяет примерно 3—3,5 млрд. человек, употребляющих ежегодно в пищу около 0,6 млрд. т органических веществ, что соответствует в энергетическом отношении 11,30 ∙ 1018 Дж (2,7 ∙ 1015 ккал).
Быстрый рост численности народонаселения и все возрастающие его потребности заставят принять самые решительные меры для резкого увеличения производства продуктов питания во всех странах мира. Вслед за проведением Международного геофизического года была организована совместная работа ученых многих стран по важнейшим вопросам биологии под названием «Международная биологическая программа». Один из разделов этой программы посвящен проблеме растительных ресурсов, которая по предложению Советского Союза была определена как главная и получила название «Первичная продуктивность, ее размеры, пути умножения и наилучшего использования». Само это название уже показывает, что большое внимание исследователей должно быть направлено на точное определение размеров биомассы наземной и водной растительности, а также на дальнейшее изучение резервов живой природы с целью выявления новых источников для производства пищевых и кормовых продуктов. Помимо строгого учета и наиболее рационального использования первичной и вторичной продукции живой природы, необходимо разработать конкретные пути повышения продуктивности лугов, пастбищ, лесов и т. д., не говоря уже о повышении урожайности всех сельскохозяйственных культур и расширении занимаемой ими площади.
Уже давно ученых привлекают перспективы искусственного синтеза пищевых органических веществ и в первую очередь отдельных компонентов пищи (например, аминокислот, витаминов, белковых препаратов и др.), которые должны сыграть немаловажную роль в создании полноценного питания. Но никакие успехи в этой области не смогут в недалеком будущем обеспечить столь же полноценную и разнообразную пищу, какую человек получает от растений и животных при затрате небольших усилий и с помощью сравнительно несложной техники. Процесс фотосинтеза и в дальнейшем останется, по мнению многих ученых, основным источником пищи.
Отсюда понятно, почему в «Международной биологической программе» имеется специальный раздел «Фотосинтез и использование растениями энергии солнечной радиации». Широкие исследования в этой области, которые уже начались в СССР и других странах, направлены на разработку теоретических и практических основ достижения высокой фотосинтетической продуктивности растений. А это, в свою очередь, требует глубокого изучения природы процесса фотосинтеза и расшифровки его механизма.
В своей хозяйственной деятельности человек давно встал на путь выращивания ценных растений, постоянно заботясь о повышении их продуктивности. Задача повышения урожайности до сих пор остается одной из самых важных и актуальных.
При нынешнем уровне развития земледелия культурные растения способны превращать в химическую энергию органических веществ, накопленных в урожае, около 0,5—0,6% фотосинтетически активной радиации. Но это не предел, и при создании наиболее благоприятных условий, в частности в отношении водообеспечения и минерального питания, коэффициент использования ФАР может значительно увеличиваться (до 2—8% и даже больше).
На всей же площади возделывания сельскохозяйственных растений, отличающейся большим разнообразием почвенно-климатических условий, практически возможно в недалеком будущем поднять этот коэффициент в среднем до 2%. А это значит, что общая продуктивность земледелия увеличится в 3—4 раза. Помимо этого, имеются вполне реальные возможности для расширения в 2 раза площади обрабатываемых земель. Таким образом, в перспективе можно рассчитывать на получение в 6—8 раз большего количества сельскохозяйственной продукции, чем сейчас, хотя, конечно, осуществление этого — задача не из легких и вот почему:
Исключительно большие трудности связаны с нормальным обеспечением посевов доступной влагой, так как растения расходуют огромные количества воды на транспирацию и синтез различных органических веществ. Одни только культурные растения испаряют при транспирации около 2,4 ∙ 1012 т воды в год. Между тем распределение ее на земном шаре крайне неравномерно как в пространстве, так и во времени. Значительная часть материков представляет собой пустыню либо, наоборот, сильно заболочена или покрыта ледниками и снегом. Часто периоды обильных осадков сменяются периодами длительных засух. В зонах полупустынь, степей и даже лесостепей солнечная радиация при длительной засухе превращается из источника жизни в фактор, оказывающий на растения вредное, а нередко и губительное действие. На большой территории количество влаги не соответствует фотосинтетической деятельности, ибо много осадков выпадает в неблагоприятные для вегетации растений периоды, например ранней весной или поздней осенью и зимой в умеренных зонах. Громадные потоки солнечной
энергии обесцениваются при этом из-за низких температур, приводящих к снижению или даже к полной приостановке фотосинтеза, несмотря на то, что световой режим благоприятен для этого процесса и растения полностью обеспечиваются доступной влагой. Только незначительные площади, примерно 2—5% всех материков, относительно хорошо снабжаются водой в соответствии с фотосинтетической деятельностью растений. В этих районах при прочих благоприятных условиях коэффициент использования растениями ФАР достигает 4—5%.
Для того чтобы обеспечить нормальное водоснабжение всех возделываемых растений, необходимо прежде всего расширить площади орошаемых земель, на долю которых в настоящее время приходится только 15% общей площади посевов, или 225∙106 га.
Ежегодно в процессе построения органических веществ растения расходуют огромное количество минеральных элементов, в частности около 2 млрд. т азота, 6 млрд. т фосфора и др. Обеспечение нормальных условий минерального питания для растений представляет, пожалуй, не меньшие трудности, чем создание хорошего водоснабжения. Химические анализы показывают, что в подавляющем большинстве случаев почва содержит меньше доступных форм макро — и микроэлементов, чем это требуется для обеспечения высокой продуктивности растений.
Необходимо учитывать также, что на Земле происходит интенсивный процесс рассеивания азота, фосфора и других жизненно важных элементов в результате, например, эрозии почв и вымывания из них ценных питательных веществ. Только за счет стока в моря и океаны уносится 36 ∙ 1012 т воды и огромное количество растворенных в ней минеральных солей. Кроме того, минеральные элементы в значительной степени рассеиваются по поверхности Земли и не используются повторно сельскохозяйственными растениями, так как они не всегда возвращаются в почву после уборки урожая, когда с полей вместе с растениями вывозятся и поступившие в них из почвы элементы минерального питания. Обычно вынос из почвы азота, фосфора, калия и т. д. превалирует над их возвратом. И одной лишь компенсации потерь за счет выноса совершенно недостаточно для повышения урожайности сельскохозяйственных культур, для этого необходимо также обогащать почву дополнительными количествами этих элементов. Исключительно важно поэтому применение удобрений на обрабатываемых землях.
Во всех странах повышение урожайности в первую очередь связывают с улучшением условий азотного питания, поскольку содержание доступных для растения форм азота в почве весьма невелико. Обычно недостаток азотных удобрений частично компенсируется азотсодержащими органическими удобрениями (навоз, торф, компосты и т. д.), но главным образом за счет биологической азотфиксации, т. е. благодаря процессу усвоения свободного азота атмосферы некоторыми группами организмов-азотфиксаторов, обогащающих почву доступными для растений формами азота. В настоящее время таким путем образуется около 20—30 кг связанного азота на 1 га почвы.
Помимо создания благоприятных условий водоснабжения и минерального питания, особое значение для дальнейшего повышения урожайности приобретает подбор сортовых семян, механизация и применение эффективных методов агротехники с целью создания наилучших условий произрастания растений, обеспечивающих их максимальную фотосинтетическую деятельность. Все эти мероприятия позволят значительно увеличить продуктивность полей и создать реальные предпосылки для мощного скачка в производстве продуктов питания. Очень большую роль в этом деле призвана сыграть и фитопатология — наука о болезнях растений. Широкое внедрение рациональных методов борьбы с болезнями и вредителями культурных растений позволит заметно поднять продуктивность земледелия.
Немалое значение для расширения производства продовольствия имеет изменение самой структуры посевов путем сокращения площадей под техническими культурами. Появление искусственных волокон типа капрона, нейлона, лавсана и многих других, а также синтетического каучука и пластмасс приводит к тому, что все больше и больше земель, находившихся ранее под техническими культурами, освобождается для выращивания растений, имеющих исключительно пищевую ценность. Например, в США и некоторых других странах хлопчатник все больше вытесняется продовольственными культурами, а в Японии, издавна славившейся производством натурального шелка, подобное происходит с насаждениями шелковицы, листья которой служат пищей для тутового шелкопряда. Бурное развитие химической промышленности в области синтезов должно привести к резкому сокращению производства хлопка, льна, натурального каучука и других материалов, а следовательно, к высвобождению огромных дополнительных площадей для возделывания ценных пищевых культур.
А может ли исключительно растительная пища обеспечить человеческий организм всеми веществами, необходимыми для его жизнедеятельности? Нет ли здесь риска нарушить то соотношение между животными и растительными белками, которое характерно для полноценного, хорошо сбалансированного питания? Подобного рода сомнения возникают в результате изучения рационов, состоящих главным образом из продуктов одного какого-либо вида растений (например, риса) или группы близких видов (злаки). Такая однообразная пища, если ее употреблять на протяжении длительного времени, вызывает белковую недостаточность, авитаминозы и другие серьезные заболевания, связанные с нарушениями обмена веществ. Дело в том, что организм человека не способен самостоятельно синтезировать некоторые важнейшие соединения, в том числе целый ряд так называемых незаменимых аминокислот, витаминов и т. д. Такие соединения должны поступать в организм (и поступают при обычном рационе) в готовом виде вместе с пищей как ее составная часть. Между тем отдельные незаменимые аминокислоты часто содержатся в растительных белках в недостаточных количествах либо вообще отсутствуют. В пшеничной муке, например, недостаточно лизина, а в рисе и сорго — триптофана. Растительные белки из-за очень большого несходства по аминокислотному составу имеют для человека меньшую ценность, чем белки животного происхождения.
Противники вегетарианского питания справедливо утверждают, что мясо представляет собой превосходный белковый концентрат как раз потому, что аминокислотный состав его хорошо сбалансирован и близок к составу белков человеческого тела. Однако современные исследования показывают, что в растениях, относящихся к разным видам, отсутствуют или содержатся в недостаточном количестве не одни и те же аминокислоты, а разные. Кроме того, в бобовых растениях, особенно в их семенах, аминокислотный состав нередко близок к таковому животных. В первую очередь это относится к сое, в семенах которой довольно хорошо уравновешены все незаменимые аминокислоты.
Содержание незаменимых аминокислот в пищевых продуктах растительного и животного происхождения (А). Продукция тех же аминокислот на 1 га (Б) (по П. Дювиньо, М. Тангу): 1 — бобовые; 2 — небобовые; 3 — продукты животного происхождения
На рисунке представлена диаграмма состава незаменимых аминокислот для трех больших групп продуктов питания. Сопоставляя эти группы, легко заметить, что состав бобовых растений и продуктов животного происхождения почти одинаков, а в других растительных продуктах, особенно из злаков, набор аминокислот гораздо беднее. Отсюда некоторыми исследователями делается вывод, что имеется возможность составлять полноценные смешанные растительные рационы главным образом из семян бобовых и злаков, добиваясь того, чтобы их белковый состав был столь же хорошо сбалансирован, как и в продуктах животноводства. Недостаток тех или иных незаменимых аминокислот может при этом восполняться за счет растений других видов.
В последнее время предпринимается все больше попыток составления подобных питательных смесей, которые можно рассматривать как один из источников расширения ресурсов питания. Недавно была предложена смесь, например, такого состава: пшеницы — 26%, сорго — 26 %, кукурузы — 20 %, сои — 15%, снятого молока — 10%, а остальные 3% приходятся на витамины, минеральные соли и др.
Все чаще растительные белки используются в качестве заменителей животных белков. В Индонезии и других странах Востока широкое распространение получило искусственное молоко — сухой экстракт из соевой муки, сходный по своему составу с коровьим молоком и богатый витаминами, сахарами и минеральными веществами. В Великобритании разработан метод выделения растительных белков под воздействием ультразвука. Этот метод позволяет получать искусственное молоко из кормовых трав, например из люцерны, минуя «посредство» коровы. Использование белков люцерны и других растений непосредственно как пищевых продуктов будет более рациональным и полезным, чем использование их в виде корма для скота.
Усовершенствование методов экстрагирования и очистки растительных белков позволит в будущем получать ценные пищевые препараты не только из остатков сельскохозяйственных культур, но также и из дикорастущих растений. Растительные питательные смеси представляют большой интерес в связи с тем, что продуктивность образования незаменимых аминокислот (в кг на 1 га) гораздо выше у растений, чем у животных, что хорошо видно на приведенной выше диаграмме.
Огромное количество растительной и животной продукции создается ежегодно в морях и океанах, однако к столу людей море до сих пор поставляет ничтожно малую долю пищи. Располагая громадными ресурсами малоиспользуемых белков высокого качества и многих других ценных веществ, моря и океаны должны сыграть большую роль в улучшении питания человека. Расширение морского промысла позволит намного больше изготовлять блюд из рыбы, моллюсков, ракообразных и других животных. Кроме того, весьма перспективным следует считать широкое использование морских водорослей не только для приготовления пищи, но также в качестве корма для скота и удобрения полей. В настоящее время с этой целью добывают в основном ламинарию и фукусы, да и то в гораздо меньших количествах по сравнению с тем, что может дать море. В Японии, Корее и других странах ламинария, называемая часто морской капустой, применяется для приготовления тортов, салатов, пудингов. На основе муки из водорослей и рыбьего сока уже изготовляются препараты, ценные в питательном отношении. Под влиянием термической обработки происходит карамелизация и состав углеводов водорослей изменяется таким образом, что они приобретают приятный вкус и становятся легко усваиваемыми для человеческого организма. Водоросли служат также источником агар-агара, нашедшего широкое применение в кондитерской промышленности. В некоторых приморских районах овец и других сельскохозяйственных животных выкармливают почти исключительно за счет водорослей, главным образом фукусов. Фукусы служат и хорошим удобрением, поскольку они, помимо органических веществ, богаты азотом, фосфором, калием.
Значительного увеличения ресурсов питания можно добиться за счет химической и биологической переработки органического сырья в кормовые или пищевые продукты. Таким сырьем может служить каменный уголь, горючие газы, нефть, древесина или отходы их переработки. Уже разработаны методы получения искусственных масел из угля, а также белков из дрожжей, выращиваемых на основе нефти. В настоящее время использование различных микроорганизмов для этих целей стало реальным фактом.
Весьма заманчивым представляется решение проблемы искусственного фотосинтеза. Но в ближайшем будущем нельзя рассчитывать на производство пищи с помощью только искусственного фотосинтеза, так как до сих пор еще недостаточно глубоко и полно вскрыт механизм этого процесса и осуществление его искусственным путем связано с большими техническими трудностями. Прежде всего для этого необходимы сложные промышленные установки с огромной поверхностью для улавливания энергии солнечных лучей, а создание и эксплуатация таких установок едва ли будет рациональнее, чем посевы сельскохозяйственных растений. Искусственный синтез органических веществ, в том числе пищевых продуктов, сможет заменять посевы сельскохозяйственных культур только в том случае, если он будет экономически более выгодным, чем естественный фотосинтез.
На современном уровне развития науки и техники реально возможен промышленный синтез отдельных наиболее важных компонентов пищи, прежде всего незаменимых аминокислот, витаминов, жиров и т. п. Во многих тропических странах, где достаточно растительной пищи, богатой углеводами, остро ощущается недостаток белков. Пополнение рациона населения этих стран синтетическими аминокислотами будет содействовать уменьшению белкового голода, В настоящее время искусственно изготовляются некоторые витамины (А, В1, В2, С), жиры, углеводы и ряд других соединений, причем искусственно синтезированные вещества типа углеводов все шире используются в качестве заменителей тех ценных продуктов, которые служат сырьем для промышленности. Таким образом, различные виды искусственного синтеза могут быть весьма эффективными при решении проблемы питания, но ведущая роль долгое время будет еще оставаться за фотосинтезирующими растениями.
Источник: Н.Н. Овчинников, Н.М. Шиханова. Фотосинтез. Пособие для учителей. Изд-во «Просвещение». Москва. 1972