В словах Климента Аркадьевича Тимирязева, вынесенных в эпиграф главы, в сущности, нет никакого преувеличения. Связь между солнечным излучением и хлебом, да и вообще любой сельскохозяйственной продукцией, самая очевидная и прямая.
Не удивительно, что люди догадывались о том еще в давние времена. «Миром правит Солнце златое» — эта строчка из «Сельских поэм» древнеримского поэта Вергилия проникнута верой в созидательную, плодотворящую мощь нашего светила.
Но солнечное излучение поступает на Землю неравномерно. При ее вращении меняется энергетический баланс атмосферы и почвы, меняется одновременно и радиационно-влажностный режим сельскохозяйственных регионов. Ведь лишь при определенной температуре кристаллы льда превращаются в жидкость или в пар. И лишь при определенной высоте солнцестояния растительные организмы способны взять максимум радиационного излучения.
Так же как лишь при определенной сумме температур за период вегетации растения могут дать высокие урожаи. А вообще все фотосинтезирующие организмы суши и океана связывают ежегодно почти 3 квадриллиона мегаджоулей (МДж) солнечной энергии, то есть раз в десять больше, чем использует сейчас человечество. Заметим, что речь идет об очень крупных величинах: мегаджоуль — это миллион джоулей, а квадриллион — единица с 15 нулями.
Растения — уникальные преобразователи световой энергии. Под ее действием в зеленом листе происходит реакция фотосинтеза, при которой разлагаются углекислый газ атмосферы и вода и образуются углерод, идущий на создание органического вещества, и свободный кислород, столь необходимый всему живому, а также выделяется некоторое количество энергии. Этот окислительно-восстановительный процесс, имеющий поистине планетарное значение.
Опытами установлено, что энергия моля квантов наиболее активной части солнечного спектра, то есть диапазона от 3 до 720 нанометров (нм), называемого фотосинтетически активной радиацией (ФАР), составляет около 0,17 МДж. Следовательно, в соответствии с приведенным уравнением для обеспечения процесса фотосинтеза достаточно поглощения энергии 3 квантов на молекулу углекислого газа (0,5 : 0,17 ≈ 3). Однако в рассматриваемом окислительно-восстановительном процессе от воды (Н2O) к углекислому газу (CO2) должны быть перенесены 4 электрона, что для каждого из них
осуществляется в ходе двух последовательных фотохимических реакций. Поэтому при оптимальных условиях в расход на образование лишь одной молекулы кислорода вовлекается не три, а 8—12 квантов. Отсюда следует, что максимально возможный коэффициент полезного действия (КПД) преобразования растением энергии света достигает 30%. А вот в сельскохозяйственной практике, в полевых условиях он составляет только 0,8—1,0%. В неблагоприятные же годы КПД фотосинтеза бывает еще ниже.
Итак, между теоретически возможным и реальным значениями этого важнейшего показателя — огромная разница. Как ее хотя бы отчасти преодолеть? Основатель школы программирования урожая академик ВАСХНИЛ И. С. Шатилов своими исследованиями доказал, что при правильной агротехнике КПД фотосинтеза можно поднять до 5%. То есть аккумулировать в сельскохозяйственных растениях в 5—6 раз больше фотосинтетически активной энергии, чем ныне. Но и 5% не предел. Для усиления использования приходящей от Солнца энергии увеличивают в посевах размер листовой поверхности, удлиняют сроки активной деятельности листьев, меняют нормы высева семян, стремятся увеличить количество СО2 в воздухе (например, в теплицах), улучшают почвенное питание, влажностный и аэрационный режимы. Вообще, используя в комплексе научные достижения, считают исследователи, удастся в будущем достичь 10—15-процентного КПД.
Но пока практические результаты, как мы знаем, куда скромнее. Так, из приходящих на гектар за период вегетации растений 8—40 миллионов МД ж энергии ФАР в биомассе урожая запасается только около 80 тысяч МДж. Остальная часть световой энергии «теряется» в атмосфере и в почве, в основном нагревая их и вызывая испарение громадных количеств воды. Потому-то ученые и ищут пути сокращения этих «потерь», ищут энергетический оптимум.