Жизнь представляет собой особую форму развития материи, подчиняющуюся своим особым законам. Непременным условием жизни является обмен веществ, присущий всем живым организмам. В процессе обмена веществ в организме создаются различные соединения, из которых строится живое вещество: клетки, ткани, органы тела. Обмен веществ составляет основу всех жизненных процессов организма — роста, развития, размножения, работы, мышления.
Любое превращение вещества сопровождается превращением одного вида энергии в другой. В процессе своей жизнедеятельности организм расходует химическую энергию, заключенную в органических соединениях, на синтез необходимых ему веществ, на передвижение их в организме, на совершение работы, на поддержание температуры организма и т. д. При этом энергия, претерпевая многие изменения, в конце концов превращается в тепло и рассеивается во внешней среде. Одновременно с этим органические вещества с высоким запасом химической энергии постепенно превращаются в соединения с меньшим запасом энергии и далее—-в продукты конечного окисления органических веществ, главным образом углекислоту и воду.
Постоянное возобновление, а тем более дальнейшее развитие жизни были бы невозможны, если бы на Земле не протекал непрерывный процесс воссоздания органических веществ из неорганических с одновременной аккумуляцией внешней энергии.
Таким процессом является фотосинтез, происходящий в зеленой части растений. В этом процессе при помощи сложного органического соединения хлорофилла и ряда ферментов из поступающих в растения углекислого газа и воды создается органическое вещество, дающее начало всем дальнейшим превращениям в живых организмах. В процессе фотосинтеза растения усваивают и поступающую извне энергию солнечных лучей. Последняя при этом превращается в химическую энергию образующихся органических соединений.
Масса сухого вещества растения на 90% состоит из углерода, кислорода и водорода. Эти элементы, а также азот, фосфор, сера, магний, усваиваемые растениями из почвы, являются основным материалом, из которого растение строит свой организм. Другие элементы необходимы растению для обеспечения нормального процесса обмена веществ; к ним относятся прежде всего кальций, калий, железо. Такие элементы, как азот, калий, магний, сера, содержатся в растениях в единицах, десятых и сотых долях процента. Содержание бора, меди, марганца, Цинка, йода брома, мышьяка выражается в тысячных и десятитысячных долях процента. Наконец, радий, уран и торий содержатся в растениях в миллионных и миллиардных долях процента. Однако, несмотря на столь низкое содержание, многие из этих элементов совершенно необходимы растениям, главным образом для обеспечения нормального обмена веществ.
В организме человека и животных образуются новые органические вещества, отличные от веществ тела растений. Но получаются они из тех же органических соединений, которые содержатся в растениях. Таким образом, источником органического вещества и энергии для животных и человека служит растительная пища, и, следовательно, основой жизни на Земле являются зеленые растения.
Необходимое количество энергии, которое человек -должен получать с пищей для своего нормального существования, зависит от возраста человека и характера его деятельности. Норма калорийности пищи взрослого человека (старше 16 лет) колеблется в пределах 3000— 5000 ккал в сутки; дети и подростки (до 16 лет) должны ежесуточно получать от 1000 до 2400 ккал. В среднем за нормальную суточную калорийность пищи можно принять 3000 ккал, или 1,0—1,1 млн ккал в год. Но от пищи, помимо калорийности, требуется и определенный состав. Пищевой рацион должен содержать белки, жиры, углеводы, минеральные соли (фосфора, кальция, натрия, калия, магния, железа и др.), а также витамины — особые органические вещества, присутствие которых в организме обеспечивает нормальный обмен веществ.
В общем количестве энергии, получаемой человеком с пищей, энергия белков должна составлять примерно 14%, жиров—30%, углеводов—56%. Энергию, падающую на долю углеводов, человек получает с растительной пищей. Из энергии жиров к растительным жирам относится 15% (4,5% всей потребляемой энергии), а из энергии белков—40% (5,6% всей энергии). Таким образом, суточная потребность одного человека в энергии может быть удовлетворена на 66,1% (1983 ккал) за счет растительных продуктов и на 33,9% (1017 ккал) за счет продуктов животноводства. Но энергия растительных кормов, потребляемых животными, в большей части расходуется на их жизнедеятельность. Поэтому для создания пищевого рациона человека растениями в процессе фотосинтеза должно усваиваться значительно больше энергии, чем ее содержится в рационе. Можно считать, что при должной подготовке кормов человек использует из продуктов животноводства не более одной седьмой части энергии кормов животных. Из этого следует, что для создания суточной нормы животной пищи одного человека (1017 ккал) растениями в процессе фотосинтеза должно быть усвоено 7119 ккал, для создания суточной нормы всей пищи—9102 ккал, а годовой пищевой нормы — 3,32 млн. ккал. Из всей энергии Солнца, усваиваемой пищевыми и продовольственными культурами, примерно 60% может быть усвоено животными с кормами и человеком с растительной пищей. Отсюда получается, что для создания годовой пищевой нормы человека растениями должно усваиваться 5,5 млн ккал энергии.
По современным данным до поверхности Земли ежегодно доходит 5,5- 1020 ккал солнечной энергии. Из этого количества 1,7-1018 ккал усваивается растительностью земного шара, в том числе растительностью суши — 2,5-1017 ккал. Значит, если бы вся энергия Солнца, усваиваемая сейчас растительностью суши, потреблялась только пищевыми и кормовыми культурами, то пищевых ресурсов мира хватило бы для обеспечения жизни 45 млрд человек. Сделав таксе же предположение в отношении растительности Мирового океана, можно прийти к выводу, что при условии овладения человечеством морским растениеводством в той же степени, как и растениеводством суши, пищевых ресурсов хватило бы для полноценного питания 340 млрд человек.
Сейчас вся растительность земного шара в процессе фотосинтеза использует 0,3% энергии солнечных лучей, падающих на всю поверхность Земли. Степень использования солнечной энергии культурными растениями составляет в среднем около 1%. Отсюда следует, что при замене всей растительности суши и океанов кормовыми и продовольственными культурами можно иметь пищевые ресурсы для 1160 млрд человек.
Как показывают научные данные и сельскохозяйственная практика А.А Ничипорович. Фотосинтез и вопросы интенсификации сельского хозяйства. М,, «Наука», 1965, степень использования солнечной энергии культурными растениями может быть значительно повышена. Установлено, что на 1 км2 поверхности Земли приходится в среднем 1,08. 1012 ккал/год солнечной энергии. Прямое участие в фотосинтезе могут принимать только поглощаемые растениями видимые солнечные лучи (длина волн 380—710 миллимикрон). Эти лучи составляют около 50% энергии всей солнечной радиации. При самых благоприятных условиях зеленой частью растения поглощается 80—90%, а при менее благоприятных условиях 50—60% энергии фотосинтетически активной радиации. Из этого количества энергии в процессе фотосинтеза 22,4—28% превращается в химическую энергию; остальная часть энергии переходит в тепловую. Около 25% образующегося в результате фотосинтеза органического вещества расходуется в процессе дыхания растений. Таким образом, можно принять, что из всей энергии солнечных лучей, падающих на посев, в химическую энергию органической массы урожая переходит не более 5—7,5%.
При средней продолжительности вегетационного периода, равной шести месяцам, на 1 км2 посева в результате фотосинтеза может быть запасено 2,7—4,(МО10 ккал энергии. Это значит, что даже без глубокого изменения природы растений с 1 км2 посева можно получить средства питания для 5—8 тыс. человек, а с 1 га — для 50— 80 человек. Если принять потенциальную посевную площадь мира равной 9,33 млрд га (см. стр. 42), то легко
подсчитать, что ресурсы солнечной энергии, используемой растениями суши и Мирового океана при современном масштабе фотосинтеза, обеспечивают возможность получения средств питания для 2,5—4,0 триллионов человек.
Мы, однако, не считаем, что на Земле обязательно будет жить триллион или даже несколько триллионов человек. Численность народонаселения Земли определяется не только общей массой средств питания, но и рядом других факторов. Приведенные нами цифры говорят только о том, что ресурсы солнечной энергии при условии ее умелого использования практически никогда не будут лимитировать создание средств питания.