В настоящее время подсчитано, что ежегодно все зеленые растения земного шара синтезируют до 100–150 миллиардов тонн органических веществ. При этом большую часть (около 2/3) органических веществ синтезируют водные, а не наземные растения.

Среди водных растений наиболее активным фотосинтезом обладают водоросли. Некоторые одноклеточные водоросли, например хлорелла, при благоприятных условиях фотосинтеза благодаря быстрому росту и размножению могут увеличивать общий вес и число клеток в семь и более раз в сутки. Цикл жизни у нее определяется восемью часами. Таким образом, за сутки могут завершить жизнь три поколения, дав начало четвертому. Одноклеточные водоросли ценны в том отношении, что они, легко культивируясь на искусственных питательных растворах, синтезируют в большом количестве различные органические вещества и многие витамины. Хлорелла, например, содержит в сухом веществе до 50 процентов белка, 25 процентов жира, 15 процентов углеводов и 10 процентов минеральных солей; кроме того, в ее состав входят важнейшие витамины «А», «В» и «С». В настоящее время в Советском Союзе, США, Японии и других странах хлорелла и некоторые другие планктонные водоросли культивируются в больших масштабах в экспериментальных установках полупроизводственного характера. В благоприятных условиях, то есть при оптимальном температурном режиме, достаточном освещении и высокой концентрации углекислого газа, хлорелла может создавать большое количество органических веществ: за сутки до одного центнера в пересчете на один гектар.

В процессе фотосинтеза органических веществ зеленые растения очищают воздух от углекислого газа и одновременно обогащают его кислородом. Поэтому зеленые растения создают условия для жизни всех живых организмов, в том числе и для себя, так как они тоже дышат кислородом. Чем интенсивнее осуществляется фотосинтез, тем быстрее атмосфера очищается от СО₂ и обогащается О₂. Поэтому в промышленных городах рекомендуется как можно больше разводить зеленых насаждений.

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.

Итак, мы рассказали о значении света для питания растений. Но не все растения питаются одинаково. Они ведь обитают почти всюду на нашей планете, даже в очень суровых и мало пригодных для них условиях — на Крайнем Севере, в пустыне, на засоленных почвах и т. п. Некоторые растения приспособились жить в таких местах, где разложение органических веществ не происходит, например на болотистых почвах. Здесь растения не получают из почвы крайне необходимого для них азота, но так как без азота они жить не могут, то в процессе эволюции и приспособились добывать его с помощью «охоты» за насекомыми и другими мелкими животными. Такие растения вполне заслуженно называют хищниками, или насекомоядными растениями. В настоящее время науке известно около 500 видов таких растений.

Листья у насекомоядных растений выполняют одновременно две функции: они являются органом фотосинтеза и своеобразными орудиями лова жертвы. У большей части насекомоядных растений листья потеряли обычный вид и превратились в ловчие органы. Кроме того, у некоторых насекомоядных растений образуются своеобразные органы на корнях (у водных) или стеблях, с помощью которых они тоже ловят жертву.

Таким образом, способ питания насекомоядных растений можно назвать миксотрофным (от лат. слова микстус — смешанный), то есть смешанным.

На болотах Северной Америки живет растение саррацения. Листья этого растения напоминают мешок, у отверстия которого расположена зеленая пластинка с жилками кроваво-красного цвета. Эта пластинка собирает дождевую воду. Попав внутрь листа, насекомые тонут, а затем и разлагаются, сгнившие же их остатки всасываются стенками листа.