Л.В. ЯКОВЕНКО

Соль – по вкусу...

Почва – смесь минеральных веществ с растительными и животными остатками – образуется в течение длительного времени, достигающего нескольких тысяч лет.

Для роста растений необходима не только почва, но и вода – универсальный растворитель всех веществ. Однако на нашей планете много мест, в которых не хватает влаги для роста даже самых неприхотливых растений. Эти места называют пустынями. По определению пустыня – это область, в которой годовое количество осадков не превышает 254 мм и скорость испарения больше скорости их выпадения. В большинстве случаев для этих областей характерна высокая среднегодовая температура. Из-за низкой влажности почвы и атмосферы тепловое излучение Солнца проникает в почву и сильно ее нагревает. В пустыне дневные температуры в тени могут достигать 55 ^оС, однако ночью почва излучает тепло обратно в атмосферу, и температура может снижаться почти до 0 ^оС.

Большинство пустынных областей в мире обязано своим происхождением воздушным потокам. В наиболее горячей зоне планеты – на экваторе – теплый воздух поднимается в верхние слои атмосферы и перемещается на север и на юг. В верхних слоях атмосферы он охлаждается и опускается вниз в двух субтропических зонах высокого давления. К северу и к югу от этих зон находятся еще две зоны низкого давления и восходящих потоков воздуха. Еще дальше на юг и на север расположены две зоны нисходящих потоков воздуха. Во всех случаях в восходящих потоках воздух охлаждается и его влажность уменьшается. В нисходящих потоках картина обратная – воздух нагревается и его влажность увеличивается за счет уменьшения влажности почвы.

Пустынные области располагаются вблизи тропиков Рака и Козерога

Постоянные нисходящие потоки теплого воздуха привели к возникновению двух поясов пустынь на Земле: одного – вдоль тропика Рака в северном полушарии, другого – вдоль тропика Козерога в южном полушарии. Наиболее известные пустыни в северном полушарии – Гоби в Китае, Сахара в Северной Африке, иранские пустыни на среднем Востоке, пустыни на юго-западе Северной Америки. В южный пояс входят пустыни Патагонии в Аргентине, Калахари на юге Африки, а также Великая Песчаная пустыня и Большая пустыня штата Виктория в Австралии.

Земля, покрытая коркой сухой соли, в Долине Смерти

Одна из самых сухих пустынь – Долина смерти в Калифорнии, входящая в состав так называемой Большой Чаши – целого комплекса пустынь на юго-востоке Калифорнии, включающего также пустыню Мохаве, Большое Соляное озеро и низину (сухое озеро) Карсона.

Деревья Иисуса (Yucca brevifolia) в пустыне Мохаве – важное звено в экосистеме пустыни

Большая чаша образовалась около 2 млн лет назад. В плейстоцене климат здесь был влажный и большая часть местности была скрыта под водами озер Бонвиль и Лагонтан. Большая чаша уникальна тем, что все водные потоки начинаются и кончаются в ней, а не впадают в море. На лето многие из них пересыхают. Единственная река, текущая круглый год – Гумбольдт, которая также кончается в пустыне, но по пути ее боковые протоки образуют несколько озер, включая Большое соляное озеро (Great Salt Lake). Большая чаша имеет наклон от 122 м над уровнем моря на севере до 86 м ниже уровня моря в Долине смерти на юге. Температура воздуха в Долине смерти летом часто превышает 50 °С (наивысшая температура 56 °С зарегистрирована в 1913 г.), среднегодовое количество осадков составляет 51 мм. Однако, несмотря на такие суровые условия, эта пустыня не безжизненна. Для сохранения уникальных пустынных экосистем Долина смерти и части других пустынь на юго-западе США превращены в национальные парки.

Самое сухое место в Азии – пустыня Такла-Макан на северо-западе Китая (в Уйгурской автономной области). Она простирается почти на 970 км с запада на восток и на 400 км с севера на юг, ее площадь составляет около 298 тыс. км². Ранее здесь были плодородные земли, находился центр буддийской цивилизации, теперь же осталось только два крупных оазиса на юго-западе: Яркант и Хо-тъен.

Пустыня Намиб простирается на 1930 км вдоль Атлантического побережья Африки полосой до 160 км в ширину

За исключением наиболее засушливых областей все пустыни заселены растениями и животными, которые хорошо приспособились к недостатку влаги и дневной жаре. Так, например, растения обычно имеют мелкие листья или вовсе их не имеют – листья превращаются в колючки, а фотосинтез переносится в стебель. Поскольку днем для предотвращения испарения устьица закрыты, растения могут поглощать и накапливать углекислый газ в ночное время. Древесные растения либо имеют мощные длинные корни, которые достигают глубоких грунтовых вод, либо, наоборот, их корневая система расположена вблизи поверхности почвы и занимает большую площадь – в этом случае растение использует росу или случайные дожди. Растения, обитающие на засоленных почвах, способны концентрировать соль, а затем выделять ее через листья.

Карликовая сова, обитающая в Сонорской пустыне и охраняемая законом США, – самая маленькая из более чем 150 видов сов

Из-за отсутствия воды в пустынях питательные вещества не вымываются из почвы, поэтому при орошении она становится вполне плодородной. Действительно, при ирригации с помощью воды из рек или колодцев на землях пустынь получали хорошие урожаи. Казалось, достаточно лишь дать воду в пустыню и она превратится в цветущий сад. Так называемая зеленая революция, начавшаяся после Второй мировой войны, возлагала большие надежды на мелиорацию засушливых земель и пустынь именно с помощью ирригации.

Однако использование для орошения воды из подземных резервуаров приводит к необратимому опустошению последних. Выжигание растительности и перевыпас скота в полузасушливых районах на периферии пустынь необратимо разрушает растительные сообщества пустынь, приводя к гибели растений, способных накапливать воду и механически укреплять почву. В результате пустыни наступают на возделываемые земли. Это явление, называемое опустыниванием, представляет серьезную проблему во всем мире. Так, по данным доклада комиссии ООН в 1984 г., опустынивание угрожает почти 35% поверхности суши.

Сонорская пустыня занимает юго-восток Калифорнии, юго-запад Аризоны и северо-запад Мексики. В Аризоне эта пустыня занимает 20% площади, но в ней проживает около 80% населения штата, главным образом в городах Таксон и Феникс. Экономика этого района в сильной степени зависит от ирригации культивируемых земель. Интенсивное использование подземных источников с 1960 г. привело к резкому снижению уровня грунтовых вод. Уникальна флора этой пустыни, типичными представителями которой являются разнообразные кактусы, юкка, железное дерево и др. Интродукция двух растений – тамариска и буффеля – привела к серьезному нарушению экологического равновесия в этой пустыне

Главной проблемой искусственного орошения является накопление соли в верхних слоях почвы. Практически любая вода, используемая для орошения, в той или иной мере содержит соль, которая проходит сквозь почву до уровня подземных вод, делая их все более солеными. Если дренаж не достаточен и уровень подземных вод близок к уровню залегания корней растений, увеличение концентрации соли делает рост растений невозможным. В условиях пустыни положение усугубляется интенсивным испарением – вода испаряется, а растворенные в ней соли остаются. При этом на 1 га почве в год может накапливаться до 2,4 т солей.

В результате засоления ежегодно около 10 млн га плодородных почв становятся непригодными для хозяйственного использования. Поскольку засоление угрожает примерно 30% орошаемых земель, оно стало общей проблемой всех районов земледелия с искусственным орошением.

Тем не менее альтернативы ирригации нет. Это видно и по тому, как увеличивается площадь орошаемых земель во всем мире (табл. 1). Ирригацией охвачено около 15% культивируемых земель, но получаемый с них объем продукции зачастую более чем вдвое превышает объем продукции, получаемый с неорошаемых земель.

Таблица 1. Увеличение площади орошаемых земель

Ирригация земель используется в разных странах по-разному (табл. 2).

Таблица 2. Распределение орошаемых земель по странам приведено в следующей таблице

Особенно интенсивно развивается ирригация земель в Индии – за последние 30 лет площадь орошаемых земель возросла более, чем на 50%. В настоящее время в Индии реализуются почти 700 больших ирригационных проектов с использованием вод рек и, кроме того, эксплуатируются сотни тысяч насосных установок (скважин) для откачки подземных вод. В США орошается примерно 10% сельскохозяйственных угодий, причем 90% (10,9 млн га) из них находятся в 17 западных штатах.

Долина памятников в западной части США

Мелиорация засушливых земель обычно сопровождается интенсивным использованием удобрений и других химикатов. Это приводит к ускоренному накоплению солей в почве и в воде, возвращающейся в источник ирригационной воды, например, в реку. При интенсивном использовании вод какой-либо реки для ирригации содержание солей в ней увеличивается вниз по течению. Так, например, к 1970 г. содержание соли в реке Колорадо превысило допустимые нормы. Для решения проблемы была разработана специальная программа, в соответствии с которой солевая нагрузка в бассейне Колорадо должна уменьшаться на 1 млн т в год до 2010 г. Наиболее впечатляющая часть программы – построенный в 1992 г. около г. Юмы (Аризона) опреснительный комплекс, способный обрабатывать более 280 тыс. м³ воды в день.

Проблема засоления почв имеет давнюю историю. Около 2 тыс. лет до н.э. в долине Тигра и Евфрата, в Месопотамии, находились древние шумерские города, процветание которых полностью зависело от обильных урожаев, обеспеченных плодородием почвы. К 1500 г. до н.э. эти города перестали существовать, в значительной мере из-за того, что повышение солености почвы привело к резкому уменьшению урожаев.

Пустыня национального парка Намбунга в Австралии

В настоящее время считается, что наиболее эффективным решением проблемы засоления почв является хороший дренаж, который позволяет опустить уровень грунтовых вод гораздо ниже уровня залегания корней. При этом ирригационная вода вымывает соли из верхнего слоя почвы, восстанавливая ее плодородие.

Недавно группа биологов из университета в Торонто предложила еще один возможный путь решения проблемы засоления почвы. Они обнаружили ген, который позволяет растениям не только противостоять предельной засоленности, но и «высасывать» соль из почвы. По словам руководителя группы ученых Э.Блумвальда их целью была разработка методов выращивания урожаев на землях, более не используемых из-за засоления. Если удастся получить более активный вариант гена, выращивание имеющих его растений на засоленных почвах позволит восстанавливать плодородие этих земель.

Растения поглощают воду за счет осмоса. Осмотические силы заставляют воду перемещаться из разбавленных растворов в более концентрированные. Корневые клетки поддерживают внутри концентрацию растворимых веществ, как раз достаточную для обеспечения потока воды из почвы внутрь клетки. Однако если концентрация солей в почве слишком высока, направление осмотического потока воды меняется на противоположное, т.е. вода поступает из клетки в почву (клетка при этом дегидратируется).

Не все растения одинаково чувствительны к соли. Виды, встречающиеся в приливных эстуариях, переносят такие ее концентрации, при которых погибает большинство других растений. С другой стороны, чувствительность к соли таких растений, как ячмень или томаты, изменчива – она зависит от параметров семян, полученных из плодов одного урожая. Это навело исследователей на мысль, что устойчивость к соли у многих растений может быть не выражена, т.е. соответствующие гены просто «молчат». Используя в качестве образца белок, ответственный за солеустойчивость дрожжей, они стали искать подобный белок в клетках хорошо изученного родственника капусты – арабидопсиса.

Оказалось, что наибольшее сходство с белком солеустойчивости имеет натриевый насос вакуоли, т.е. белок, переносящий ионы натрия через мембрану этого крупнейшего внутриклеточного хранилища различных веществ. Если количество макромолекул натриевого насоса в мембране вакуоли велико, клетка может поглощать больше ионов натрия из окружающей среды и изолировать их в вакуоли. При этом концентрация соли в окружающей среде падает, и клетки корня могут поглощать воду даже из исходно очень соленой почвы.

После того, как механизм солеустойчивости установлен, остаются лишь технические проблемы, которые теперь относительно легко решаются методами генной инженерии. Исследователям из Торонто удалось значительно усилить экспрессию гена, отвечающего за синтез натриевого насоса вакуоли у некоторых растений. У полученных таким образом растений устойчивость к соли возросла почти в три раза.

Выращивание особо солеустойчивых растений на засоленных почвах позволит через некоторое время использовать эти почвы под менее устойчивые к соли культуры.

Много лет назад в апрельском номере журнала «Химия и жизнь» была опубликована заметка о выращивании малосольных огурцов – дескать, путем селекции удалось получить сорт огурцов, способный расти на соленых почвах, который дает готовые к употреблению малосольные огурчики. Журнал завалили письмами с просьбой указать, где можно приобрести семена таких огурцов, поэтому редакции пришлось в следующем номере извиниться за первоапрельскую шутку.

Теперь же вопрос о том, не будут ли растения с повышенной солеустойчивостью, выращенные на засоленных почвах, солеными на вкус, приобретает научный смысл. Оказывается, растения солеными не становятся. Для того чтобы скомпенсировать осмотическое давление, создаваемое высокими концентрациями соли внутри вакуоли, растениям приходится увеличивать концентрацию растворимых веществ в протоплазме. Для этой цели они используют углеводы. Поэтому вместо того, чтобы быть солеными, такие растения сладки на вкус. Может быть, таким путем можно повысить сахаристость растений, используемых в производстве сахара.