Эти слова часто и совершенно не случайно оказываются рядом. Вода – единственное вещество на Земле, которое одновременно и в больших количествах встречается в жидком, твердом и газообразном состоянии. Это подчеркивал еще Фалес. Наука о воде в природе начинается с Фалеса – первого из семи великих мудрецов древности, знаменитого греческого мыслителя и философа (625-547 гг. до н. э.). До нас не дошли его сочинения.
Однако ученые античного мира Аристотель, Эпифаний, Плутарх, Гермий, Аэйци и другие считают, что Фалес первым предположил, что вода есть основа всего, начало всех вещей. «Все элементы мира, сам мир и то, что в нем рождается,– указывал он,– возникают из воды. И в нее же все возвращается». Долго и упорно искали ученые ответ на вопрос, что является пищей растений, придавая исключительную роль воде.
Блестящие достижения английского ученого Стивена Гейльса в начале XVIII века приблизили разгадку. Гейльс предположил, что пищей растениям служат не одна лишь почва и вода, а в значительной степени и воздух, проникающий через устьица в листья. Важную роль в этом процессе играет свет, также попадающий в листья и «облагораживающий» эту пищу.
В отчетливой форме мысли о роли воздуха в питании растений высказывал в 1753 и 1761 годах основоположник отечественной науки М. В. Ломоносов. Но истину суждено было установить позже. Она родилась как результат коллективных усилий исследователей разных стран. Дорогу к ней проложили два крупнейших открытия. В 1779 году соотечественник Гельмонта Ян Ингенгауз и в 1782 году швейцарский ботаник Жан Сенебье экспериментально установили важную роль углекислоты воздуха в питании растений.
А в 1840 году немецкий химик Юстус Либих окончательно доказал абсолютную необходимость для них минеральных солей. Все это теснейшим образом переплеталось с представлением о снабжении растений водой. Воде в конце концов пришлось уступить незаслуженно приписываемую ей долю чужой славы, но без ущерба для своего «авторитета». У нее хватало и своих заслуг перед растительным миром. Вода – необходимое условие жизни. Она образует в растении ту внутреннюю среду, на фоне которой совершаются все физиологические процессы.
Вода является непосредственным участником этих процессов, оказывает активное влияние на их ход. Вода связывает растение с почвой и атмосферой, обуславливая их единство. Как осуществляется эта взаимосвязь на практике, каковы ее особенности, механизм, возможности регулирования водного режима растений в тех или иных условиях – вот те вопросы, которые волновали исследователей во все времена. Многие из них уже решены или близки к разрешению, и, пожалуй, уместно вспомнить некоторые вехи на пути к этим открытиям.
В 1805 году русский академик Г. ф. Паррот, разделив воду и солевой раствор полупроницаемой перегородкой, обнаружил интересное явление – односторонний ток молекул растворителя через перегородку к растворенному веществу. Это явление, получившее название осмоса, наблюдалось и при наличии мембраны между растворами разной концентрации, причем вода передвигалась от менее к более концентрированному раствору. Ударяясь о мембрану, задержанные ею молекулы оказывали на нее одностороннее осмотическое давление.
Открытие осмоса сразу продвинуло вперед теорию водного питания растений. Оказалось, что растительную клетку, имеющую полупроницаемые стенки, можно приравнять к миниатюрной осмотической системе. Уже в 1826-1828 годах французский ученый Дютроше с помощью осмотических явлений пытался объяснить поглощение воды и питательных веществ корнем и передвижение их по растению. Он установил, что движения органов растений обусловлены объемными (тургорными) изменениями, которые зависят от осмотических явлений. Через 50 лет немецкий ботаник В. Пфеффер измерил величины осмотического давления у различных видов растений при разных внешних условиях.
Он получил интересные данные о клеточной проницаемости и установил, что свойствами полупроницаемости обладают внешние слои основного содержимого клеток – протоплазмы, а не оболочки, как считалось раньше. В литературе накапливались данные и о других свойствах протоплазмы, в частности эластичности и вязкости.
Наконец, для характеристики испытывающих «жажду» клеток было введено понятие сосущей силы и предложено уравнение для ее вычисления. В дальнейшем этот вопрос получил развитие в трудах советских ученых Д. А. Сабинина, Н. А. Максимова, В. С. Шардакова, Н. С. Петинова, A. M. Алексеева, Н. А. Гусева, В. М. Арциховского. Они усовершенствовали методику определения сосущей силы и подробно изучили различные варианты ее изменения в живых клетках.
Установить природу засухоустойчивости во многом помогли работы К. А. Тимирязева, который изложил новую точку зрения на испарение воды листьями растений. Он показал, что этот процесс неизбежен. Растения должны периодически открывать микроскопические отверстия в листьях, чтобы давать возможность углекислому газу воздуха проникать в клетки.
Чтобы водный баланс (приход и расход воды) сильно не нарушался, растения обзавелись специальными приспособлениями для защиты от чрезмерного испарения и перегрева. Теоретические положения Тимирязева легли в основу физиологии водного режима растений, который в настоящее время рассматривают как неотъемлемую составную часть обмена веществ. Установлено, что общий запас воды на планете – 1 454,3 миллиона кубических километров, из них менее 2 процентов относится к пресным водам. А доступной для использования воды всего лишь 0,3 процента мирового запаса.
Поэтому перед учеными и практиками стоит задача найти пути наиболее разумного, бережливого и экономически оправданного использования воды на орошение, а также повышения эффективности оросительных систем. Ведутся интенсивные разработки новых, более совершенных способов орошения. К наиболее перспективным относятся, в частности, подпочвенное и капельное орошение, мелкодисперсное и импульсное дождевание.
В практическом земледелии широко применяются агротехнические способы регулирования водного режима почвы. Для улучшения водопроницаемости и пористости почвы агрономы заботятся об улучшении структуры почвы, используют приемы, способствующие увеличению влагоемкости почвы. Накоплению и сбережению влаги в почве для растений способствует углубление пахотного слоя, особенно в засушливых условиях. Поверхностное испарение весной и летом уменьшается рыхлением, выравниванием и мульчированием поверхности пашни. Уничтожение сорных растений, которые потребляют много воды, также способствует сбережению влаги для культурных растений.
В условиях избыточного увлажнения для улучшения водо и воздухопроницаемости проводят дренирование почвы, создают осушительную сеть. Чтобы усилить сток излишней воды, расширяют и выпрямляют русла рек, чистят и углубляют озера и пруды. Для предупреждения застоя воды и вымокания озимых культур и клевера на тяжелых глинистых почвах под небольшим углом к склону плугом нарезают борозды. По ним вода медленно стекает, не размывая пахотный слой. Все эти меры направлены на регулирование водного режима почвы, повышение урожайности сельскохозяйственных культур.