Рождение электрокультуры
Началось всё в середине XVIII века, когда естествоиспытатели пришли к мысли, что электричество может влиять на рост растений. Идея эта возникла из наблюдений поведения растений после гроз. Создавалось впечатление, что они становились зеленее и начинали бурно расти. Заметим, что подобные выводы нашли отражение и в народных приметах: «Грозы предвещают плодородие», «Чем больше молний, тем щедрее земля», «Чем сильнее первый удар грома по весне, тем лучше будет урожай». Крестьяне, жизнь которых сильно зависела от урожая, были очень наблюдательны.
Первым проверил идею на практике английский естествоиспытатель и астроном Стивен Чарльз Демейнбрей (1710—1782). В 1746 году он поразил Лондонское королевское общество новыми веточками, выросшими на мирте под действием электричества в октябре, чего ранее никогда не наблюдалось.
А на следующий год обнародовал результаты своих достаточно обстоятельных для того времени исследований французский физик Жан-Антуан Нолле (1700—1770). Он сообщил, что обработанные электричеством семена прорастали быстрее, а растения, полученные из них, были выше своих необработанных собратьев. В то же время он указал на возможное уменьшение массы плодов на растениях, находившихся под действием электричества.
Английский «Общий журнал искусств и наук» за 1755 год уже отмечал, что электричество «очень хорошо известно для развития растений», и предлагал проект искусственного сада с постоянной электрификацией растений и деревьев. В качестве накопителей электричества автор предполагал использовать два стеклянных шара.
Но наибольший вклад в популяризацию нового метода выращивания растений внёс аббат Пьер Бертолон (1741—1800), в то время известный исследователь электричества, один из авторов томов по физике в знаменитой энциклопедии «Encyclopédie méthodique», продолжившей «Энциклопедию наук, искусств и ремёсел» Даламбера и Дидро. В 1783 году он издал трактат «Электричество растений», переведённый на несколько иностранных языков. Для обработки растений Бертолон изобрёл два устройства: установку «электрического дождя», предназначенную для полива наэлектризованной водой, и электровегетометр — по сути, установленную на столбе антенну, к которой по закопанным в землю проводам подавалось высокое напряжение. Бертолон также отмечал как положительное, так и отрицательное влияние электричества на растения. Кстати, именно у него позаимствовал термин «животное электричество» для своей теории Луиджи Гальвани.
Судя по всему, Бертолон и придумал термин «электрокультура» для нового метода выращивания растений. Такое необычное название связано с латинским значением слова «культура» — «возделывание». Даже в наши дни сочетание «культура растений» используется в смысле возделывания растений, хотя более распространено слово «культивирование». Так что «электрокультура» — это просто возделывание растений с помощью электричества.
Подобными исследованиями интересовался и целый ряд других выдающихся учёных того времени, некоторые из них упомянуты в заметке 1890 года. В частности, немецкий натуралист, основоположник современной географии и исследователь «животного электричества» Александр фон Гумбольдт (1769—1859), один из крупнейших ботаников всех времён, работавший во Франции и Швейцарии Огюстeн Декандoль (1778—1841), которого его русский коллега А. Н. Бекетов назвал «ботаническим Кеплером», и, наконец, дед первооткрывателя радиоактивности Антуана Анри Беккереля, французский физик Антуан Сезар Беккерель (1788—1878) — пионер изучения не только электрических, но и люминесцентных явлений, удостоенный чести быть среди 72 самых выдающихся учёных и инженеров Франции, чьи имена были начертаны на Эйфелевой башне при её возведении.
Электрокультурный бум XIX века
Однако поначалу эти исследования не нашли практического применения. Причина кроется как в недостаточности знаний, так и в отсутствии необходимого оборудования в свободном доступе. Ситуация изменилась во второй половине XIX века, когда электричество начало становиться обыденностью и окончательно оформилась новая наука электрофизиология, изучающая электрические явления в живых организмах. Начало ей в 1791 году положил Луиджи Гальвани знаменитыми опытами с лягушками, а превратил в самостоятельную науку своими классическими исследованиями 1840-х годов немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон (1818—1896), который показал связь между электрическим током и нервным импульсом. Его по праву считают отцом электрофизиологии. В России эти исследования будут широко известными благодаря книге Ивана Михайловича Сеченова (1829—1905) «О животном электричестве», изданной в Санкт-Петербурге в 1862 году. Он за неё даже получил Демидовскую премию. А через 20 лет сам стал всемирно известен работами по электрофизиологии мозга.
В 40-е годы XIX века возобновились и эксперименты по электрокультуре, хотя электрические явления в растениях будут обнаружены несколько позже. Исследователи полагали, что раз они есть у животных, то должны быть и у растений. А в 1850 году Антуан Беккерель напечатал работу, в которой сообщил, что обнаружил в растениях электрические токи, втыкая платиновые проволочки одну в кору дерева, а другую в древесину. Аналогичные процессы он нашёл и в листьях. Это открытие привело его к неверному выводу, что растения — один из главных источников атмосферного электричества.
В 1860-е годы ботаник Николай Фёдорович Леваковский (1833—1898) наблюдал электрические токи в различных органах мимозы и других растений. В 1873 году впервые английский физиолог Джон Бурдон-Сандерсон (1828—1905) обнаружил и измерил так называемый растительный потенциал действия в листьях венериной мухоловки. Любопытно, что эксперименты были «спровоцированы» Чарльзом Дарвином, который считал это хищное растение «наиболее похожим на животное» и показал аналогию его поведения с нервным рефлексом животных.
Большая роль электрических явлений в жизни живых организмов легко приводит к выводу о том, что внешнее электрическое поле должно влиять на их развитие. Поэтому, начиная с 1880-х годов, наблюдается резкий всплеск интереса к электрокультуре во всём мире. Ею занимаются как профессиональные учёные, так и любители. Крупнейший российский специалист по физиологии растений Климент Аркадьевич Тимирязев (1843—1920) важнейшими факторами, влияющими на жизнедеятельность растений, называет свет, теплоту и электричество. К сожалению, сам он экспериментировал лишь с искусственными почвами и электрическим освещением, заложив основы их использования. А то его авторитетное мнение об электрокультуре было бы очень интересным.
О степени популярности электрокультуры в то время говорит и тот факт, что в своих книгах о ней упоминают два крупнейших фантаста XIX века. В вышедшем в 1890 году футуристическом романе «Двадцатый век. Электрическая жизнь» Альбер Робида (1848—1926) предсказывал, что для стимулирования роста всходов поля будут подвергаться электрообработке. А у Жюля Верна в романе «Плавучий остров» (1895) «под действием постоянных токов разнообразные овощи созревают необычайно быстро и достигают неправдоподобной величины».
Вообще, читая русские газеты и сельскохозяйственные (и не только, как видно из заметки в «Науке и жизни») журналы конца XIX века, можно подумать, что эксперименты с электричеством на грядках или в парниках — любимое занятие агрономов и огородников того времени. Ведь всё кажется очень несложным: надо просто воткнуть электроды в землю или развесить провода над грядками и можно ждать весомой прибавки к урожаю. Иные сообщения, вроде повышения урожайности на 200%, были откровенно фантастическими и попахивали шарлатанством. Так, некто Герасимов сообщал в 1890 году в журнале «Сад и огород», что вырастил с помощью электричества корнеплоды редиса диаметром более двух вершков (9 см), имеющие нежную оболочку и приятный вкус.
Но сейчас мы не будем рассматривать сомнительные сообщения, а остановимся только на некоторых работах исследователей той поры, которые заслуживают доверия, тем более что все последующие опыты вплоть до нашего времени, по сути, были их продолжением. В самой заметке в «Науке и жизни» 1890 года речь идёт об экспериментах русского миколога и фитопатолога (специалиста по грибам и болезням растений) Николая Николаевича Спешнева (1844—1907), которые он проводил в Киевском университете, где преподавал, и в своём имении под Псковом. Опыты Спешнева наделали много шуму, и их повторяли повсеместно, в том числе и за границей. Этому, видимо, способствовала его переписка со многими учёными Германии, Франции, Англии, Италии, Испании, Америки и Австралии. А специалистом он был авторитетным, позднее в его честь даже были названы некоторые виды изученных им грибов. Отметим, что немалое место описанию этих его опытов отведено в статье «Электричество в сельском хозяйстве», вышедшей в 1892 году в американском журнале «Scientific American Supplement».
Также в России и за рубежом широко стали известны опыты 1885—1897 годов врача и естествоиспытателя, профессора Якова Оттоновича Наркевича-Иодко (1848—1905). В своём имении Наднеман в Минской губернии он установил разработанную им систему «градоотводов», предназначенную для уменьшения числа гроз и соответственно пожаров и градобитий. О ней положительно отзывался такой выдающийся специалист по электротехнике, как Д. А. Лачинов (1842—1902). Помимо прямого назначения система градоотводов служила Наркевичу-Иодко источником электрического тока для исследования его влияния на растения, а также зарядки аккумуляторов. Последние затем использовались для различных экспериментов, получивших широкое научное признание, в том числе для лечения индукционным током парализованных и нервных больных (этот оригинальный метод электротерапии получил название «система Иодко»). В 1891 году он изобрёл электрографию — фотографирование излучения коронного разряда около живого организма, которую использовал для диагностики физиологического состояния. Это сначала подзабытое, а затем переоткрытое через 50 лет явление сейчас известно как «эффект Кирлиан».
Но вернёмся к теме этой статьи. Журнал «Сельский хозяин» сообщал, что Наркевич-Иодко на полях своего имения Наднеман создал опытные участки электрокультивирования. Используемый для этого градоотвод, по сути, был обычным «громоотводом» — металлическим штырём, установленным на высокой жерди. Он был соединён изолированными металлическими проводами с несколькими цинковыми пластинами площадью 100 см2, зарытыми горизонтально на глубине около 80 см. Разместив от 10 до 12 таких устройств на одном гектаре, Наркевич-Иодко получил, по его словам, замечательные результаты по скорости прорастания, развитию и плодоношению зёрен и растений, подвергшихся воздействию «земных» токов. Если в 1891 году под опыты было занято 10 га, то в последующие годы их площадь увеличилась в 20 раз. Таких масштабов опытных работ по электрокультуре ещё нигде не было. Он исследовал посевы ржи, овса, ячменя, кукурузы, гороха, боба, хмеля и плодово-ягодных растений. Опыты проводились также в парниках.
В 1892 году изобретатель электросварки, инженер Николай Николаевич Бенардос (1842—1905) предложил обрабатывать почву путём пропускания через неё электриче-ского тока большого напряжения в течение короткого промежутка времени. Для этого он изобрёл специальный металлический плуг «Электроудобритель». В последующем он разработал электротрактора, передвижные электродождевальные установки и даже электролопаты, в которых предполагалось применять аккумуляторные батареи.
Оригинальный метод электрокультуры на рубеже XIX и XX веков разработал полковник-инженер русской армии Евгений Вячеславович Пилсудский. К нему он, видимо, пришёл, работая над беспроволочным телеграфом с использованием электропроводимости земли. Он на противоположных концах поля зарывал в землю цинковые и железные листы так, чтобы в каждой соседней паре токи шли навстречу. Напряжение образующихся гальванических токов составляло 0,05—0,25 вольт (кстати, подобный метод часто используют и в наши дни). В опытах Пилсудского, например, повышалась урожайность и сахаристость свёклы. Метод тестировали в Полтавской губернии, в Париже и в Петербургском ботаническом саду. Результаты были удостоверены специалистами, официальными лицами и даже русским консулом в Париже. Доклад Пилсудского о проделанной работе был в центре внимания на прошедшем в 1912 году в Реймсе (Франция) Первом международном конгрессе по электрокультуре. Пилсудский рекомендовал использовать электричество при возделывании свёклы, винограда, фруктовых деревьев, хлопка и чая.
Известный селекционер Иван Владимирович Мичурин (1855—1935) пропускал ток через почву, в которой выращивал сеянцы. Он считал, что это ускоряло их рост и улучшало качество. Были сделаны и попытки понять, какие процессы происходят в почве при пропускании тока. Этому была посвящена первая статья (1898) известного агрохимика и почвоведа Сергея Павловича Кравкова (1873—1938). А в 1911 году в Киеве вышла книга агронома Густава Магнусовича Рамнека «Влияние электричества на почву».
Из иностранных исследователей стоит упомянуть финского геофизика Селима Лемстрёма (1838—1904), наиболее известного исследованиями северного сияния. В ходе многочисленных поездок в полярные районы он всегда удивлялся быстрому росту растительности в течение короткого арктического лета и пришёл к выводу, что это связано с электрическим полем, существующим на высоких широтах. В своих опытах 1885—1904 годов он попытался его имитировать, расположив над землёй металлическую сетку или антенны, на которые подавал высокое напряжение до 70 000 вольт. Такой метод получил название «разряд над головой». Лемстрём сообщал, что урожай малины при этом возрастал на 95%, а моркови аж на 125%. Он активно популяризировал свои исследования и даже выпустил книгу «Электричество в сельском хозяйстве и садоводстве» на английском языке, так что его методы нашли много последователей. Среди них выделим Вернона Блэкмана из имперского колледжа в Лондоне, который провёл в 1920-х годах серьёзные исследования на Ротамстедской опытной станции. Кстати, министерство сельского хозяйства и рыболовства Великобритании было настолько увлечено ими, что даже создало в 1918 году специальный комитет по электрокультуре.
Однако не всё было так однозначно. Многие опыты не подтверждали значимого полезного влияния электричества на выращиваемые растения. Более того, в ряде случаев наблюдалось, наоборот, вредное воздействие. Поэтому на страницах газет и журналов всё чаще появлялись публикации против электрокультуры. Так, её критиком был основоположник петербургской школы физиологии растений и автор первого отечественного учебника по этой дисциплине (1887), академик Андрей Сергеевич Фаминцын (1835—1918). То, что методы электрокультуры не всегда срабатывали, признавали и Пилсудский, и Лемстрём, и Блэкман. В масштабном исследовании в США восемь лет подряд воздействовали электричеством на разные сельскохозяйственные культуры и чётко выраженного увеличения урожайности не наблюдали ни разу. Так что потихоньку бум затих, электрокультура так и не стала распространённым методом в агрономии, а в 1936 году прекратил своё существование упомянутый выше комитет.
Что принёс XX век?
В СССР в подмосковном селе Кузьминки, где находился филиал по растениеводству Центральной научно-исследовательской лаборатории ионификации (ЦНИЛИ), с 1932 года под руководством основоположника гелиобиологии Александра Леонидовича Чижевского (1897—1964) проводились исследования влияния электрического поля на семена овощей. В качестве верхнего (отрицательного) электрода в них использовалась хорошо известная сейчас «люстра Чижевского». Нижний (плюсовой) электрод размещали под столом, на котором были рассыпаны семена. Чижевский установил, что при нахождении семян огурцов в электростатическом поле от 5 до 20 минут их всхожесть возрастает на 14—16%. С этих пор и по сей день из всех методов электрокультуры в нашей стране преобладает предпосевная обработка семян.
От семян А. Л. Чижевский перешёл к экспериментам с растениями в теплицах, но война остановила работы. Лишь через 20 лет их с успехом продолжили в Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства (ЧИМЭСХ), где разработали целую серию машин для электро-обработки семян. Достаточно успешные опыты были проведены и в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева, в частности, в лаборатории члена-корреспондента РАН Николая Николаевича Третьякова (1930—2017).
Также в Тимирязевской сельскохозяй-ственной академии в своё время был разработан метод электростимуляции почвы без внешнего источника энергии. Для этого на поле в землю закладывают поочерёдно полосы минеральных удобрений, дающих отрицательно и положительно заряженные ионы. Разность электрических потенциалов между полосами стимулирует рост и развитие растений, повышает их продуктивность. Особо эффективен этот метод в теплицах. Правда, для его применения желательно создать новые минеральные удобрения.
В другом методе, разработанном там же, предлагалось на каждом квадратном метре посадок или посевов закапывать 150—200-граммовые пластинки из медных сплавов и 400-граммовые пластинки из сплавов цинка, алюминия, магния и железа, а также гранулы с соединениями натрия и кальция. Пластинки длиной 40—50 см, толщиной 3 мм и шириной 2 см следовало размещать на 10—30 см ниже пахотного слоя.
Электрокультура нашла применение не только на Земле. В 1970-е годы с помощью воздействия электричества пытались помочь растениям преодолеть неблагоприятные воздействие невесомости во время длительных орбитальных полётов. На космической станции «Салют-6» (1976—1982) «летала» установка «Электропотенциал» для создания электрического поля, близкого к естественному на поверхности Земли. А для станции «Салют-7» (1982—1991) была создана бортовая оранжерея «Оазис-1», в которой проводились эксперименты по электростимулированию корневой зоны гороха и пшеницы. Для этого на дне сосудов и на поверхности субстрата были расположены электроды в виде перфорированных полос из углеродной ткани. После появления всходов напряжение подавали также и на верхушки растений. Результаты были получены обнадёживающие, но продолжения эксперименты не имели.
В современном мире наиболее широко электрокультуру применяет Китай. В конце 2018 года Китайская академия наук и сельского хозяйства представила результаты тридцатилетних исследований, проведённых на площади примерно 3600 гектаров теплиц, разбросанных по всей стране. В них на высоте около трёх метров над грядками были размещены медные электроды, находящиеся под напряжением 50 000 вольт. Они заряжены положительно, в то время как электроды, подключённые к земле, заряжены отрицательно. Из отчёта следует, что это увеличивает урожайность на 20—30% при энергопотреблении 15 кВт•ч в день. Китай планирует в будущем развитие подобных электрифицированных ферм, которые, впрочем, вряд ли станут основой сельскохозяйственного производства.
В настоящее время в России по-прежнему проводятся исследования по предпосевной электрообработке семян и конструируется оборудование для этого. Подобную обработку применяют хозяйства Челябинской, Новосибирской, Курганской областей, Башкирии, Чувашии, Краснодарского края. Но массового практического применения электрокультура так и не нашла, хотя исследователи приводят оптимистические результаты и даже утверждают, что обработанные растения меньше подвержены болезням. Однако получаемый эффект подобной обработки нестабилен и не слишком велик по сравнению с применением современных удобрений и других технологий современной агрономии. Системы, создающие электрические поля и токи, помимо затрат на их установку и обслуживание, затрудняют обработку земли и сбор урожая. Кроме того, высоковольтные устройства элементарно опасны для работников и требуют обеспечения мер безопасности. Всё это делает пока электрокультуру недостаточно рентабельной. Посмотрим, что будет дальше.
Почему же электрическое поле влияет на растения?
Сразу скажем, что, несмотря на достаточно хорошее развитие электрофизиологии растений, полного понимания механизмов влияния внешнего электрического поля на растения так и не достигнуто, хотя определённые обоснованные гипотезы существуют.
Уже давно установлено, что растения нуждаются во внешнем электрическом поле. Это и не удивительно, ведь у поверхности земли всегда присутствует электрическое поле, которое в обычных условиях имеет напряжённость в среднем около 130 В/м. Однако во время осадков и особенно гроз величина поля может достигать 16 000 В/м. Соответственно, растения, возникшие и эволюционировавшие в постоянном присутствии электрического поля, адаптированы к нему и «считают» его нормальным условием своего существования. Ещё в 1848 году французский учёный А. Грандо провёл опыты экранировки растений от этого электрического поля металлической сеткой (её называют «клеткой Фарадея»). Он исследовал два одинаковых растения в одинаковых условиях, но одно было накрыто сеткой, а другое нет. Выяснилось, что растение, изолированное от электрического поля, развивается хуже. Впоследствии подобные опыты ставились неоднократно, как пошутил Чижевский, «в изобилии, граничащем с эпидемическим увлечением».
Кстати, это может объяснить отрицательный результат ряда применений электрического поля. Ведь Земля заряжена отрицательно, поэтому в опытах по электрокультуре отрицательный электрод также должен находиться на земле, чтобы создавать «привычное» растениям поле. Иначе оно, наоборот, вредит растениям.
По современным представлениям, на клеточном уровне влияние электрического поля может быть связано с тем, что оно обеспечивает проникновение кальция внутрь клетки. Содержимое клетки имеет низкое электрическое сопротивление по сравнению с её оболочкой — мембраной, поэтому бо'льшая часть напряжения по законам электротехники окажется приложенной к клеточным мембранам — оболочкам клеток. При нужном направлении поля это напряжение может увеличивать проницаемость мембран для ионов кальция. А даже очень небольшое её увеличение будет иметь большое влияние на внутриклеточную концентрацию кальция. Возможно, это увеличивает скорость метаболизма, потому что ионы кальция часто составляют неотъемлемую часть ферментных каскадов, которые контролируют многие внутриклеточные сигнальные процессы. Эти каскады являются усилителями на основе ферментов, где одна молекула фермента активирует большое количество молекул другого фермента, который, в свою очередь, активирует третий фермент и т. д.
Любопытно, что несимметричное проникновение кальция в клетки из-за определённого направления электрического поля (токов) может влиять на направление роста клеток и растений в целом. Это называют полярным ростом. Связь между искусственно приложенными электрическими токами и полярным ростом впервые была обнаружена Лундом (E. J. Lund) в 1923 году для клеток водорослей фукус. Обычно направление их роста определяется падающим светом, но Лунд сумел обнаружить влияние слабого электрического тока, прикладывая его к водоросли в темноте.
Растения, похоже, используют сильные электростатические поля, связанные с дождями и грозами, в качестве сигнала для перестройки, чтобы наилучшим образом утилизировать дождь. Ведь им надо отреагировать достаточно быстро, прежде чем вода уйдёт. Первое свидетельство этого дал Лемстрём, который заметил, что сухая погода часто препятствует успешному применению электрокультуры. Связано это, видимо, с тем, что ожидаемый после электрического воздействия дождь не наступал и ресурсы растений тратились впустую.
Следующая подсказка пришла от Блэкмана, который обнаружил, что воздействие на проростки зерновых электрическим полем в течение одного часа стимулирует их рост, причём скорость роста продолжала увеличиваться в течение, по крайней мере, четырёх часов после выключения тока. Это говорит о том, что в растении активируется некий механизм, способствующий росту, который затем остаётся активным лишь некоторое время. Это явление может объяснить распространённое представление о том, что растительность часто выглядит необычно зелёной после грозы.
Невыполнение условия, чтобы в течение определённого времени после электрического воздействия осуществлялся полив (или шёл дождь), может также объяснить многие отрицательные результаты применения электрокультуры. Забавно с этой точки зрения выглядит, например, эксперимент 1926 года, сделанный американцем Л. Бриггсом и его коллегами, которые, чтобы избежать искрения в установке, заранее отключали ток всякий раз, когда ожидался дождь!
Чижевский и целый ряд других исследователей полагают, что электрическое поле влияет на поглощение листвой растений положительных аэроионов (ионов атмосферных газов), которые как раз и притягиваются к земле её отрицательным зарядом. Так, необходимый для фотосинтеза углекислый газ растения поглощают через свои устьица именно в виде положительного иона. Помогает им в этом отрицательный заряд листьев и верхушек стебля, сообщённый землёй. А на другой «полюс» растений, их корневую систему, наоборот, благотворно влияют отрицательные ионы. Источниками аэроионов в нижних слоях атмосферы служат в основном космические лучи, грозовые разряды и радиоактивное излучение. В 1 см3 воздуха у поверхности земли обычно насчитывается до 750 положительных и 650 отрицательных аэроионов.
Исследователи Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева АН СССР провели эксперимент, в котором около растения держали отрицательный электрод и постепенно увеличивали напряжение от 500 до 2500 вольт. При этом интенсивность фотосинтеза возрастала. Если же потенциалы растения и атмосферы были близки или изменялась полярность электрода, то поглощение углекислого газа растением уменьшалась и его рост тормозился, опять-таки пропорционально напряжению.
При протекании токов через почву воздействие электричества может идти по многим направлениям. Ионизация почвы ускоряет идущие в ней химические и биохимические реакции, активизируются некоторые микроорганизмы, увеличивается перемещение влаги, разлагаются вещества, которые плохо усваиваются растениями. Под действием тока идёт электрофорез и электролиз, в результате которых химические вещества в почве переходят в легкоусвояемые формы и поглощаются растениями. Быстрее превращаются в почву растительные остатки. Какие из этих процессов более существенны при электрокультивировании, ещё предстоит выяснить исследователям.
Помимо воздействия на растения электростатическим полем и постоянным током XX век принёс и другие инструменты их обработки: это и лазерное излучение (особенно оно популярно в инфракрасном диапазоне), радиоволны, переменный ток, магнетизм, радиоактивные излучения и даже звук. Воздействовать можно на семена, растения, почву, воду и питательные вещества. Но это всё отдельный разговор.
