Юный техник, 2004 № 06

Так выглядят устьица зеленого листа под микроскопом.

Автоматика травинки

Со времен К.А. Тимирязева биологи пытаются разобраться в самом сложном и таинственном процессе, присущем только растениям, — фотосинтезе. Уже полвека исследователи пытаются понять, как зеленому листу или травинке удается получать энергию из солнечного света. Однако многое в этом процессе остается тайной за семью печатями. А то, что уже известно, никак не удается смоделировать. Современные фотоэлементы уступают по эффективности молекулам хлорофилла в десятки раз.

Впрочем, что там фотосинтез!.. Совсем недавно выяснилось: каждый зеленый листок — это своего рода кибернетическое устройство.

Началось же с того, что американские исследователи Дэвид Пик и его коллеги из университета Юты обратили внимание: растения способны довольно точно регулировать поглощение и выделение газов через устьица своих листьев.

Устьицами, напомним, называются микроскопические щели на поверхности листа между двумя растительными клетками. Открывая и закрывая их, растение может как потреблять газ из атмосферы, так и «выдыхать» его.

Ночью, когда растение спит, оно, как известно, выбрасывает в атмосферу углекислый газ и потребляет кислород. Днем, когда питается, наоборот — забирает из атмосферы углекислый газ СО₂ и превращает его в кислород О₂. И при этом ему удается соблюдать оптимальный баланс: потреблять из атмосферы максимально возможное количество газа, испаряя в то же время минимальное количество запасенной корнями влаги. Это, между прочим, не такая простая задача, поскольку микроскопические устьица-щели на одном лишь листе исчисляются многими тысячами, открываются же и закрываются они в строго определенном порядке. Причем процессы идут довольно быстро — в некоторых случаях счет идет на доли секунды.

В общем, получается, что зеленый лист все время как бы решает задачки о трубах и бассейне. Даже на уроках математики в школе с подобными задачами приходится иной раз помучиться. На практике при решении аналогичных задач в автоматических системах управления специалисты вынуждены прибегать к так называемым методам «распределенных расчетов». То есть таким способам обработки информации, при которых приходится учитывать огромное количество факторов, используя мощные быстродействующие компьютеры.

Компьютера, каким мы привыкли его видеть, в зеленом листе, конечно, нет. Да и во всем растении — тоже.

Тем не менее, судя по словам известного биолога, академика Владимира Шувалова, российскими и зарубежными исследователями сегодня установлено: некоторые стадии процессов газообмена, фотосинтеза, метаболизма внутри каждой клетки зеленого листа могут протекать настолько быстро, что их приходится измерять фемтосекундами. Одна же фемтосекунда равна 10^-15 секунды! Таким скоростям действия могут позавидовать даже супер-суперкомпьютеры. Растение же успевает «обсчитать» все факторы и дать в нужное время нужную команду устьицам.

Более того, ученые заметили даже, что на поверхности листа часто наблюдаются целые области или сегменты, в которых все устьица либо открыты, либо закрыты. Таким образом, как установили, растение оптимизирует процессы управления. Контролировать сразу несколько устьиц одного сегмента, работающих синхронно, все-таки легче, чем поодиночке.

Ученые выявили также статистику, определяющую как размеры сегментов, так и время ожидания их открытия или закрытия. Оказалось, что алгоритмы работы устьиц вполне могут быть рассчитаны по законам кибернетики. Словом, лист растения действует и в самом деле словно тысячи хороших роботов — четко, без сбоев и в нужном ритме.

Зри в корень

Американские исследователи сочли даже, что результаты их исследований можно толковать в пользу «разумного поведения растений», ссылаясь на тот факт, что аналогичные процессы наблюдаются, скажем, в муравейнике. Муравьи ведь обмениваются друг с другом определенными сигналами и сообща куда быстрее находят источники пищи, определяют оптимальные трассы ее доставки в свои кладовые.

При этом каждый отдельный муравей, как выяснили новосибирские биологи (подробности см. в «ЮТ» № 7 за 1997 г.), обладает проблесками разума и умеет считать в пределах десятка. А стало быть, и растения, возможно, тоже имеют некие зачатки интеллекта…

На этом давайте пока остановимся. Метод аналогии нас может завести очень далеко. Подумаем лучше о другом. Если в зеленом листе имеются сложные устройства, по своим возможностям сравнимые с микрочипами, значит, где-то в растении, по идее, должен быть и центральный микропроцессор.

Аналог его в 70-х годах XX века обнаружил профессор кафедры физиологии растений Тимирязевской академии И.И. Гунар. Он предположил, что шейку корней растения, которая имеет свойство сжиматься и разжиматься подобно сердечной мышце, можно в какой-то мере уподобить и нервному (или вычислительному?) центру.