Исходя из этой неоценимой особенности зеленых растений, К. Э. Циолковский писал, что на космических кораблях, отправляющихся в длительное межпланетное путешествие, необходимо создавать оранжереи.
В наши дни мечты К. Э. Циолковского воплощаются в действительность; в космических кораблях испытывается хлорелла и другие водоросли. Известно, что один кубический метр культуры хлореллы может обеспечить почти суточную потребность человека в кислороде. Кроме того, один литр хлореллы может поглощать до девяти литров углекислого газа в сутки. Таким образом, аквариум с водорослями в космическом корабле может обеспечить космонавтов кислородом и калорийной пищей. В настоящее время вопросами использования водорослей в длительных межпланетных путешествиях занимаются очень серьезно и всесторонне.
Свет дает жизнь растениям, а через них и всем организмам на Земле. Однако зеленые растения боятся избытка солнечной энергии. Постараемся разобраться в этом весьма загадочном и интересном явлении.
Чтобы понять, чем опасен для растения избыточный свет, сделаем небольшое отступление. В начале нашего столетия ученые Рааб и Тапейнер обнаружили, что некоторые краски, в темноте безвредные или мало ядовитые для инфузорий, на свету очень быстро их убивают. Это явление было названо фотодинамическим эффектом. Наблюдается такой эффект только при наличии кислорода в окружающей среде.
Позже было доказано, что фотодинамический эффект способны вызывать и растворы зеленого вещества хлоропластов — хлорофилла, который дает жизнь растениям. Раствор хлорофилла при сильном освещении действует смертельно на инфузорий и разрушает красные кровяные тельца крови. В темноте же этот раствор совершенно безвреден.
По современным представлениям фотодинамический эффект в принципе сходен с механизмом процесса фотосинтеза. Молекулы красителя, в том числе и хлорофилла, поглощая кванты энергии, переходят в возбужденное состояние: их электроны занимают более высокий энергетический уровень. В возбужденном состоянии молекулы хлорофилла, как явствует из сказанного выше, легко соединяются с кислородом и могут образовать так называемую фотоперекись. Она-то и является ядом, который губит живые клетки, попавшие в освещенный раствор: она окисляет все органические вещества раствора. Без кислорода, так же как и без света, фотодинамический эффект не происходит.
Но почему же тогда хлорофилл не разрушает живые клетки листьев в процессе фотосинтеза? Дело в том, что в растительной клетке световая энергия, превращенная хлорофиллом в химическую, используется в первую очередь на фотосинтез. На разрушительное окисление живой протоплазмы в клетке энергии просто не хватает.
Однако если световой энергии поступает в клетку так много, что она не успевает расходоваться на фотосинтез, то хлорофилл становится опасным. Это обстоятельство является одним из важнейших при разработке режима фотосинтеза у водорослей при космических полетах. На ярком свету зеленые клетки выцветают и гибнут. Такова, например, причина массовой гибели мелких зеленых водорослей в летние месяцы в верхних слоях воды Средиземного моря. За счет избытка световой энергии хлорофилл образует фотоперекись, которая губит клетку и разрушает хлорофилл. В данном случае мощный поток энергии как бы выходит из своих берегов и катастрофа для клетки и организма в целом неминуема.
Если приостановить процесс фотосинтеза ядами, низкой или высокой температурой, свет начинает свою разрушительную работу, так как энергия его не используется в процессе фотосинтеза и оказывается избыточной. Эти данные говорят за то, что свет при определенных условиях оказывает губительное действие на растения. В настоящее время многими опытами у нас и за границей установлено, что некоторые теплолюбивые растения (огурцы, кукуруза и др.) гораздо лучше переносят холод в темноте. Если листья огурца держать при температуре +2° в темноте, то они остаются живыми и неповрежденными; после пребывания при той же температуре на свету листья огурцов погибают.
Это открытие может оказаться весьма важным для овощеводства и растениеводства в защите теплолюбивых растений от заморозков или кратковременных понижений температуры. Может быть, достаточно будет просто затемнять растения на период заморозков и тем самым спасать их от повреждений.
В природе у растений проявляется весьма важное приспособительное свойство при избытке освещения. В клетках листьев, попавших из неяркого света на яркий, хлоропласты очень быстро становятся ребром к свету и расходятся к боковым стенкам клетки, то есть уходят от яркого освещения.