Фотосинтез очень чувствителен ко многим параметрам внешней среды, и для выявления оптимума требуются точные эксперименты. К сожалению, проводятся они не всегда тщательно, и это часто служит источником ложной информации.
      Например, однажды в прессе промелькнуло сообщение, будто достаточно было установить в теплицах одного из совхозов красные светофильтры на осветительные лампы, и урожай повысился в полтора-два (!) раза. Конечно, растение любит красный свет. Ведь именно поэтому его преобладающий цвет зеленый. Но зачем устанавливать красный фильтр?
      Если из видимого солнечного "белого" света извлечь одну компоненту, в данном случае красную часть спектра с длиной волны от 600 до 700 микрометров, то "белое" сменится на "дополнительную" окраску. Дополнительный цвет к красному - зеленый. Растение зеленое именно потому, что из солнечного излучения оно интенсивно поглощает красную компоненту и отражает "дополнительную".
      Отсюда вовсе не вытекает, что для роста растения полезно отсекать часть солнечного спектра. А кроме того, дешевых идеальных фильтров нет, а в применяемых частично поглощаются все длины волн.
      Растение действительно любит красный свет. Что это значит? Число квантов света на единицу энергии красной части спектра больше, чем в сине-фиолетовом диапазоне, поскольку энергия кванта с увеличением длины волны падает. Но ведь и более "энергичные" кванты также могут осуществлять акты фотосинтеза, хотя и с меньшей эффективностью. Так зачем же их отсекать?
      Интересные соображения я нашел в статье доктора биологических наук Б. Гуляева. Он пишет, что, если всего 20 процентов красных лучей заменить на синие, существенно увеличится скорость поглощения листьями углекислого газа. Зеленые лучи лучше проникают сквозь листву и обеспечивают энергией листья нижних ярусов.
      Очень чувствительны к световому спектру процессы, от которых зависит развитие растения. При полном отсутствии "синих" и "зеленых" фотонов можно выращивать только листовые формы типа салата.
      Можно сделать вывод, что для всех высших наземных растений идеальным источником света является солнце. В видимой части спектра его излучение у земной поверхности содержит около 30 процентов синих лучей и примерно по 35 процентов зеленых и красных. Создать лампы, которые имели бы такую спектральную характеристику, пока не удается. Наилучшими "солнцеподобными" параметрами обладают пока люминесцентньи лампы разного вида. И все же предпринимаются попытки улучшить естественный солнечный свет.
      Для покрытия теплиц предлагается использовать но стекло и не обычную полиэтиленовую пленку, а фоторедуцирующую. Механизм редуцирования света примерно такой же, как и в люминесцентных лампах. В пленку введены люминофоры, которые переводят коротковолнвую ультрафиолетовую часть спектра в видимую часть, тем самым как бы несколько увеличивая силу солнца в этой части. Сообщается, что фоторедуцирующая пленка позволяет увеличить урожайность различных культур на 10-60 процентов.
      Вряд ли имеет смысл отвергать предлагаемый способ сразу. Ведь "испытания проведены в различных климатических зонах страны". Но для понимания физики п биологии процесса следует помнить, что ультрафиолетовая часть спектра энергетически составляет не болое 20 процентов от видимой. И даже если половину ее преобразовать в видимую часть, то общая энергия видимого света увеличится не более чем на 10 процентов. А ведь для растений полезен и ультрафиолет, который отсекается фоторедуцирующей пленкой.
      Согласно детальным исследованиям в растениях имеются вещества, активно поглощающие ультрафиолетовые лучи. Обнаружено, что добавка таких лучей к световому потоку вызывает более интенсивный рост и развитие растений. Связь света, температуры и фотосинтеза очень сложная и разная для разных культур.
      Вот передо мной графики, показывающие зависимость между интенсивностью фотосинтеза и температурой. Это - кривые с горбом. Значит, существует оптимальная температура. Ниже ее и выше ее фотосинтез идет хуже.
      Для каждой освещенности - своя кривая. Скажем, для 15 градусов фотосинтез максимален при освещенности 20 тысяч люкс. Если в этих условиях освещенность увеличить в полтора раза, ничего не изменится. Вероятно, фотосинтез даже ухудшится, а количество затраченной энергии увеличится. Этот пример я привожу как раз для того, чтобы показать, насколько сложны механизмы фотосинтеза и как осторожно нужно относиться к различным экспериментам и рекомендациям.
      Основное сырье для создания биомассы - вода и углекислый газ. Интенсивность фотосинтеза возрастает при увеличении концентрации углекислого газа в атмосфере. Полезность такой подкормки зависит и от температуры, освещенности, наличия влаги. Как видим, связь очень многопараметрическая, особенно если учесть, что существует еще зависимость от вида растений, состояния почвы.
      Некоторые главные связи изучены, разработаны оптимальные технологические приемы. Когда же не учитываются те или иные факторы, неизбежен отрицательный результат.
      Например, углекислый газ подается в теплицы из специального устройства, в- котором сжигается природный газ, и если температура в теплице начинает расти выше оптимальной, то, несмотря на увеличение концентрация углекислого газа, фотосинтез уменьшается. Значит, природный газ сжигают зря.
      Иногда же углекислый газ подают прямо от котельных агрегатов, обогревающих теплицы, не проводя никакой его обработки, что приводит к еще худшим последствиям. Ведь в продуктах сгорания, кроме углекислого газа, содержатся окислы серы и азота, этилен, пропилен, формальдегид, которые задерживают рост растений.
      По оценкам английского института парниковых культур, ущерб из-за загрязнений тепличной атмосферы в Англии составляет 2 миллиона фунтов стерлингов в год. Что же делать?
      Особо действенных рекомендаций нет. Желательно использовать малосернистое топливо, тщательно регулировать горелки. По-видимому, целесообразно воспользоваться методами, которые разработаны энергетиками для очистки отходящих газов или для снижения концентрации окиси азота.
      Есть еще один путь - вывести специальные сорта растений, устойчивые к токсичным веществам.
      Но это уже вгзляд в далекое будущее, когда человек, возможно, уже и не будет производить токсичных веществ. Если говорить о будущем, то давайте лучше помечтаем вместе с биологами.
      По их мнению, не вся сельскохозяйственная продукция будет производиться в крупных агропромышленных комплексах. Специалисты из научного центра биологических исследований АН СССР в Пущине, занимающиеся программой "Экополис" (экология города и его пригородов), считают, что частично город может самообеспечиваться продуктами питания, используя свои ресурсы энергии.
      В препринте "Экополис. Введение и проблемы" говорится, что даже превращение в заповедник одной десятой части суши позволит сохранить лишь половину фондов мировой фауны. Распахиваются новые земли, а города территориально все больше "расплываются". Какой же выход?
      Авторы исходят из того, что каждый горожанин, сознается он в этом или нет, мечтает общаться с природой. Город же изолирует людей от нее. И вот немного фантазии. "Представьте небольшой город, который частично обеспечивает жителей продуктами питания. Солнечная и тепловая энергия, выделяющаяся на его территории, направлена на выращивание пищевых или технических растений. Урожаи в городской черте могут быть даже выше, чем в естественном растительном сообществе. Поможет и дополнительное тепло, и подкормка растений углекислым газом. Наружная часть стен многих домов представляет собой фотосинтетическую пластину.
      Труба ТЭЦ служит вертикальным каркасом и источником тепла для оранжереи. Снаружи она напоминает застекленную башню".
      А где же природа? Совсем близко. Через город текут ручьи, около них буйствует жизнь. На месте привычных газонов раскинулись луга с медоносными и прочими травами. В городе идет сенокос.
      Мандариновый бензин
      Общая масса "живого" вещества на земле (растительного, животного, бактериального) - 2500 миллиардов тонн. Ежегодно воспроизводится 400 миллиардов тонн, из которых несколько менее половины - растительность.
      Лишь одни леса дают прирост около 25 миллиардов тонн. Уже в 70-80-е годы человечество расходовало около одной десятой древесного прироста, а к 2000 году эта величина может вырасти вдвое. Особенно быстрыми темпами идет уничтожение влажных тропических зарослей, составляющих половину всех лесов мира. Подсчитано, что при нынешнем темпе их вырубки (30 гектаров в минуту) тропические джунгли могут исчезнуть через 100 лет.
      Леса нашей страны, составляющие четверть древесного фонда планеты, расходуются более экономно.
      Тревога о лесе связана не только с тем, что в тропиках на их месте возникают пустыни. Самое опасное - на наших глазах исчезают зеленые легкие планеты. Ведь леса в результате фотосинтеза усваивают наряду с фитопланктоном определенную часть выделяющегося в атмосферу углекислого газа и возвращают ей кислород.
      При ежегодном сжигании 12 миллиардов тонн условного топлива в атмосферу выбрасывается около 50 миллиардов тонн углекислого газа и потребляется 30 миллиардов тонн кислорода. Это одна пятая часть кислорода, поставляемого планете фотосинтезом, и уже сейчас Северное полушарие Земли подпитывается потоком кислорода из тропиков. Тем не менее пока доля кислорода в атмосфере не уменьшается. Почему?
      Во-первых, велико его общее количество в атмосфере, вес которой равен пяти триллионам тонн. А во-вторых, по-видимому, существует еще один источник кислорода, помимо фотосинтеза. Американские ученые, основываясь на спектрографических наблюдениях с космического корабля "Аполлон-16", пришли к заключению, что водяные пары в верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излучения разлагаются на кислород и водород. Так что пока кислородное голодание нам не грозит.
      Если содержание кислорода в атмосфере практически не меняется, то выброс в атмосферу углекислого газа приводит к медленному росту его содержания. По оценкам одних специалистов, увеличение его концентрации вдвое может привести к повышению средней температуры атмосферы на 2-3 градуса. Правда, другие ученые считают," что одновременное повышение запыленности атмосферы будет тормозить рост ее температуры. Однако если средняя температура повысится на 2-3 градуса, климат в ряде районов земли существенно изменится, что нанесет вред растениеводству. "Нет, - говорят оппоненты, - повышение концентрации углекислого газа вызовет бурный рост растительности, как это бывало в истории земли в прошлые геологические эпохи, и это компенсирует ущерб, связанный с изменением климатических зон".
      Иногда повышение температуры однозначно связывают и с таянием льдов Антарктиды, и с повышением уровня воды в океане. Не все разделяют и эту точку зрения. Согласно противоположному мнению при потеплении увеличится влажность воздуха над океаном и Антарктидой, а это вызовет рост осадков в виде снега. В результате снежно-ледяная шапка Антарктиды начнет расти, а не таять.
      Так или иначе, ждать манны небесной от возрастания концентрации углекислого газа не следует. Стоит задуматься о том, как ограничить его поступление в атмосферу. Предлагаются различные методы связывать углекислоту, переводить ее в твердые вещества. Пока практическая их реализация не стоит на повестке дня. Но будем помнить о грозящей опасности.
      Несколько сот миллионов лет назад начался интенсивный процесс образования угля, нефти, газа, в котором большую роль играла и зеленая масса планеты - продукты фотосинтеза. Этот процесс продолжается в сейчас. Однако, по мнению многих специалистов, максимальная скорость возобновления этого органического тоцлива в мире не превышает 10-20 миллионов тонн в год.
      Расходуем же мы миллиарды тонн. Нельзя ли сжать время "восполнительных" процессов, интенсифицировать сбор урожая солнечной энергии?
      Углеводы, производимые в тканях растений, в основном подобны сахару, но некоторые похожи на нефть.
      Млечный сок, или латекс, растений-каучуконосов как раз и насыщен "нефтеподобными" молекулами.
      В семействе молочаевых на первое место по насыщенности ими претендует молочай чиновидный (масличный молочай). До 10 процентов от его сухой массы составляют подобные углеводы, а это значит, что при благоприятных климатических условиях с гектара легко собирать до 4 тонн бионефти в год!
      Современный нефтезавод прорабатывает 5 миллионов тонн нефти в год. Чтобы обеспечить его бионефтью, нужно отдать под выращивание молочая 15-20 тысяч квадратных километров сельскохозяйственных угодий!
      Но пригодны и другие растения. В странах, где велика урожайность сахаросодержащих культур, из них можно выработать этиловый спирт и этанол, используемые как топливо в двигателях внутреннего сгорания.
      Различных растительных источников бионефти предлагается великое множество. Вот небольшой перечень из обширного потока сообщений.
      Австралия: "Создан новый вид картофеля, позволяющий получить с гектара до десяти тысяч литров спирта".
      Южная Америка: "В лесах Амазонки растет дерево копайбу из семейства бобовых. Сок этого дерева - углеводород, очень близкий по составу к дизельному топливу.
      Один надрез дает 10 литров сока в час".
      Европа: "Овощ тапинамбур-"земляная груша" - содержит близкие к крахмалу сахароподобные вещества.
      Урожайность тапинамбура - 50 тонн с гектара, что может обеспечить до 4 тонн этилового спирта".
      Япония: "Японская автомобильная компания "Судзуки мотор" провела испытания бензина, произведенного из мандариновюй кожуры. При сгорании выделяется сладковатый фруктовый запах. Все было бы хорошо, но высоки производственные затраты. Для получения одного литра такого бензина нужна кожура от 11 тысяч мандаринов".
      Трудно удержаться, чтобы не прокомментировать последнее анекдотичное сообщение: если каждый японец съест 10 килограммов мандаринов, то Япония получит всего лишь 70 кубометров бензина!
      В поле зрения ученых попали не только растения, но и бактерии. Недавно при изучении микроорганизмов, вызывающих пурпурное цветение воды в канадском озере Саскачеван, обнаружено образование "нефтеподобных" углеводородов. Главную роль играют при этом сообщества серных бактерий, живущих в озере. Цепочка превращений, осуществляемых в ходе фотосинтеза с помощью различных бактерий и приводящих к "бактериальной нефти", непроста. В ней участвуют и сероводород, и сера, и глюкоза, и даже серная кислота. В процессе преобразований возникают также различные пигменты, благодаря которым вода озера и приобретает красный цвет.
      Исследователи подсчитали, что гектар этого водоема может дать в год больше бионефти, чем гектар суши, засеянный наиболее урожайными растениями. Кроме того, для получения бактериальной нефти не нужно занимать ценные сельскохозяйственные угодья.
      По мнению французских биологов, в качестве заменителей нефти перспективны одноклеточные водорослн "ботриококк". Если их выращивать в больших баках, снабжая углекислым газом и минеральными солями, то гарантирован высокий урожай углеводородов.
      Используя дизельные фракции нефти, фосфорную кислоту, аммиак и некоторые другие вещества, можно осуществить биосинтез высококачественных кормовых дрожжей - "фермозин". Одновременно получается очищенный нефтяной дистиллят - компонент дизельного топлива. Таков технологический процесс, разработанный советскими специалистами в содружестве с ученымим из ГДР.
      Вернемся от бактерий к растениям. Наибольший опыт в промышленных масштабах по получению автомобильного топлива из растений имеет Бразилия. В 1975 году там была принята национальная программа по производству спирта из сахарного тростника. Уже тогда в стране таким способом производилось 600 тысяч кубометров спирта - этанола. Этаноловое топливо по многим характеристикам сближается с метанолом - спиртом, получаемым из природного газа или угля.
      Их положительные свойства - высокое октановое число, обеспечивающее отсутствие детонации в двигателе, и возможность эффективного сжигания даже обедненной горючей смеси.
      Недостатки - пары этанола и метанола нередко закупоривают трубопровод, у них высокая теплота парообразования, они склонны расслаиваться при малых концентрациях в сме-сях с бензином, и у них вдвое меньшая теплотворная способность, чем у бензина.
      Проведенные в нашей стране испытания бензометанольного топлива, сообщает журнал "Автомобильный транспорт", показали, что двигатели ЗИЛ-130 при добавке 14-17 процентов метанола могут работать без переделок. Подобным образом и добавки этанола к бензину до 20 процентов также не требуют переделки и специальной регулировки. Неудивительно, что бразильские специалисты связывают с "биобензином" большие надежды.
      Всего за пять лет к 1980 году производство этанола в Бразилии выросло до 4 миллионов тонн, а еще через два года достигло 6 миллионов тонн. Далее через 5-6 лет намечалось почти удвоить производство. Однако бразильская программа не была выполнена. Узким местом, как и следовало ожидать, оказалась сырьевая база - сахарный тростник.
      Чтобы вводить новые дополнительные мощности, нужно было каждый год осваивать под сахарный тростник 300-350 тысяч гектаров земли. Эта программа вошла в противоречие с необходимостью иметь площади под иные сельскохозяйственные культуры. Другим тормозом является все же высокая стоимость этилового спирта. Судя по всему, пока не пришло время растительного бзнзина - нужно повысить урожайность "бензиновых" культур, улучшить КПД фотосинтеза.
      Если час бионефти еще не пробил, то биогаз уже широко используется во многих странах. Само слово "биогаз" давно пишется без кавычек.
      В сельском хозяйстве на животноводческих фермах, птицефабриках, полях образуется большое количество органических отходов. Они могут стать хорошим удобрением, однако для этого их почти всегда следует предварительно обработать.
      Оказалось, что предварительную обработку орготходов очень удобно совместить с процессом так называемой биоконверсии или анаэробной ферментации. Существуют несколько групп бактерий, ферментирующих органические отходы в биогаз и шлам.
      Процесс ферментации протекает в специальных бакахметантанках, в которые подаются тепло, вода и органические отходы. Биогаз состоит из метана (50-70 процентов) и углекислого газа.
      Шлам - остаток процесса биоконверсии - прекрасное ооеззараженное удобрение. Одна его тонна эквивалентна 3-4 тоннам (!) азотно-фосфорных удобрений, выпускаемых промышленностью.
      Поскольку процесс идет за счет жизнедеятельности бактерий, необходимо питать их углеродом и азотом, соотношение которых должно быть равно 20:30. Это соотношение в отходах животноводства в 2-3 раза меньше, а полеводства - в 2-5 раз больше. Поэтому для соблюдения нужной пропорции в животноводческие отходы нужно добавлять растительные остатки.
      При анаэробной ферментации из килограмма сухого органического вещества можно получить от 0,3 до 0,7 кубометра биогаза. Оптимальная длительность процесса - от 10 до 20 суток.
      Производство биогаза наиболее распространено в развивающихся странах. Однако в последние годы в ФРГ, Франции, Италии, Швейцарии вступили в эксплуатацию окюло 100 биогазовых установок. В КНР же их число достигает нескольких миллионов. По мнению специалистов, в европейских странах в ближайшие годы могут получить развитие только очень простые установки, не требующие специального подогрева и потому более дешевые.
      Дальнейшее совершенствование установок призвано решить сразу три задачи: получить биогаз, превратить отходы в высокоэффективные удобрения и обеспечить чистоту полей и воздуха. При переработке уничтожаются различные возбудители заболеваний человека и животных.
      Доктором экономических наук Н. Синяком оценен возможный вклад биогаза в топливный баланс нашей страны. Если охватить такими биоустановками 50 процентов всех отходов, то энергия биогаза составит около 20 миллионов тонн условного топлива.
      Вместо заключения
      Рассказ об Энергетической программе СССР закончился, но осуществление и совершенствование ее продолжаются. Ведь она не только директивный документ, определяющий развитие энергетики страны до 2000 года.
      В одном из ее разделов даже подчеркивается, что она должна пересматриваться каждые пять лет. Энергетическая программа - это не только постоянно обновляющаяся стратегия, но и философия развития энергетики.
      В чем основной смысл и цель этой философии? Пожалуй, лучше всего ответить так: постоянный рост энерговооруженности человека, умноженный на энергичную политику энергосбережения.
      Об экономии энергии заботятся не только у нас в стране, но и во всем мире, так что здесь вопросов нет.
      А вот по поводу необходимости постоянного роста энерговооруженности человека точки зрения расходятся.
      Многие специалисты-энергетики, прогнозисты и социологи считают, что народам промышленно развитых стран достаточно увеличить энерговооруженность вдвое, и основные цели человечества в обеспечении уровня жизни будут достигнуты.
      Подобная точка зрения имеет за собой некоторые основания. Для человечества наступили трудные времена.
      Энергия стала дорогой, и ее невозможно добывать такими темпами, как ранее. Даже атомная энергетика не спасает положения. Она не так дорога, как энергетика на органическом топливе, и надолго сможет удовлетворять потребности человека. Но она недешева, требует больших трудовых и материальных затрат.
      Осуществление Энергетической программы потребует немалого напряжения и активных действий, которые под силу молодым. И Уренгой, и Ямбург, и Канско-Ачинск, и Нерюнгри, и гиганты атомной энергетики немыслимы без молодежи.
      Однако взглянем на будущее оптимистичнее. Ведь впереди - создание различных станций нового типа на возобновляемых и органических источниках энергии, более совершенных атомных энергетических установок. Затем придет очередь термоядерных "котлов", над которыми работают сейчас ученые всего мира. А дальше наверняка появятся какие-то новые источники энергии, о которых пока можно только фантазировать. Может быть, это будут мезонные станции или какие-то виды аннигиляционной или гравитационной энергии. Таковы задачи, которые будут решать молодые инженеры и конструкторы следующего века, нового тысячелетия.
      Ясно одно - человек всегда будет стремиться обладать возможно большим количеством энергии, расширяющим его власть над природой и обеспечивающим движение вперед. Не всегда наука и техника дадут ему возможность получить энергию во все возрастающих объемах. Иногда могут возникать и долго длиться периоды "энергетического застоя" - замедленного поступательного движения. Однако новые открытия и изобретения помогут человечеству сделать очередной качественный скачок и пойти к новым достижениям еще более быстрыми шагами.
      Но даже в периоды бурного прогресса человек будет остро нуждаться в энергии для претворения в жизнь грандиозных проектов, и он всегда будет относиться к ней как к драгоценности, к подлинному чуду природы, без которого не было бы ни современного мира, ни самого человечества.