Большие успехи, достигнутые человечеством в освоении и изменении органического мира Земли, являются, однако, первыми шагами в этом направлении. Действительно, растительностью Земли усваивается только 0,3% падающей на поверхность Земли солнечной энергии. Из этого относительно малого количества на долю сельскохозяйственных растений приходится лишь 3%. Пятьсот тысяч видов растений покрывают поверхность нашей планеты, из них люди используют так или иначе всего лишь 3 тыс. видов, а в сельском хозяйстве только несколько сот. Из 7 тыс. видов семейства злаковых окультурены лишь пшеница, рис, рожь, ячмень, кукуруза, просо, овес, сахарный тростник, сорго и несколько видов кормовых трав. Из 25 тыс. пасленовых человечество использует лишь картофель, томаты, баклажаны и табак. Из более чем 12 гыс. видов бобовых возделываются в качестве кормовых, пищевых и лекарственных культур только единицы. Семейство сложноцветных имеет 25 тыс. видов, из которых в культуру введены три вида — подсолнечник, ромашка и топинамбур. Из 2 млн видов животных приручено всего 50, в том числе из всех видов насекомых одомашнены лишь пчела и шелкопряд.
Перед человечеством стоит грандиозная проблема подчинить своим интересам весь круговорот органического вещества на Земле при одновременном значительном увеличении масштабов этого круговорота. Пути для этого многообразны.
Вытеснение диких растений кормовыми и продовольственными сельскохозяйственными культурами — один из способов решения данной проблемы. И сейчас многие дикие растения или их плоды употребляются в пищу. Вполне разумно стремление к созданию на их основе новых высокоурожайных сортов сельскохозяйственных растений. К таким диким растениям относятся, например, таежный дикий лук и чеснок; они обладают превосходным вкусом и в больших количествах потребляются местными жителями. Алтайский дикий лук содержит витамина С больше, чем лимон, а каротина больше, чем морковь; в нем много сахара и других полезных веществ. Урожайность лука (на перо) —750 ц/га, т. е. больше, чем белокочанной капусты.
Однако диких растений, содержащих питательные вещества, но не играющих пока никакой практической роли в питании людей, гораздо больше. Например, в корневище водяного растения — белой кувшинки — имеется 49% крахмала, около 8% белка и до 20% сахара. В сухих корневищах растения сусок, растущего в Якутской АССР, содержится около 60% крахмала, 14% белка и 4% жира. В водяном орехе —до 3% жира, 24% белка и 55% крахмала. В 1 кг желудей дуба имеется 45 г белка, 40 г жиров, 610 г углеводов и 50 г клетчатки; по содержанию питательных веществ желуди превосходят пшеницу. В зернах растущего по лугам, канавам и берегам рек злакового растения манника количество крахмала составляет 75%, а белка—10%. В большой группе растений астрагалов содержание белка достигает 40% и более; например, в семенах желтой акации имеется 35—45% белка, 12—16% жира и 6—12% сахара.
Подобных примеров можно привести очень много. Достаточно сказать, что 200 видов диких растений флоры Центральной Америки пригодны для пищи.
Состоявшееся в 1956 г. совещание при Ботаническом институте Академии наук СССР рекомендовало 350 видов диких растений, которые можно культивировать. При этом часть растений можно начать выращивать сразу же, а другая часть требует предварительных испытаний.
В последние годы в ряде стран тщательно изучаются протококковые одноклеточные зеленые водоросли — хлорелла. Эти водоросли богаты белком и могут служить кормом для домашних животных. Питая эти водоросли различной по минеральному и газовому составу «пищей», можно изменять в них содержание белков (от 8,7 до 58%), углеводов (5,8—37,5%) и жиров (4,5—85,6%). В составе белка хлореллы имеются все необходимые для человека и животных аминокислоты; жиры хлореллы близки к растительным жирам, употребляемым в пищу,
В сухом веществе хлореллы обнаружено 13 витаминов. Достаточно 100 г сухой массы хлореллы, чтобы обеспечить дневную потребность человека в витаминах (за исключением витамина С). В свежих водорослях содержание витамина С такое же, как и в лимоне,— одном из богатейших носителей этого витамина. В Венесуэле трехлетние опыты кормлении хлореллой людей (80 человек в возрасте от 8 до 70 лет) дали положительные результаты. Культура хлореллы интересна и тем, что урожай ее можно снимать непрерывно. Высокое содержание хлорофилла в хлорелле дает возможность выращивать ее при искусственном освещении. За один вегетационный период урожай хлореллы доходит до 40— 100 т/га сухого вещества. При этом в нем содержится протеина в 40 раз больше, чем в урожае соевых бобов с 1 га, и в 160 раз больше, чем в мясе, получаемом с 1 га пастбища.
Имеется полная возможность планового увеличения в определенных местностях численности полезных диких животных и птиц. Для этого можно использовать громадные площади, которые еще не скоро будут вовлечены в сферу сельского хозяйства: тундру, тайгу, горы, пустыни, овраги и т. д. Например, в Сибири пашни и луга пока занимают не более 5% площади. На пустующей земле имеются дикие участки, где с большим успехом можно разводить куропаток, зайцев, косуль, благородного оленя.
В СССР в расчете на 1000 га общей площади приходится всего 6—8 штук серых куропаток; в Чехословакии на такую же площадь приходится 200—800 штук куропаток, а в Англии — до 1300. Поголовье лося в нашей стране—1 лось на 1250 га, а в Швеции—7 на 1000 га. Имеются расчеты, что в СССР численность диких кабанов может быть увеличена в 2—3 раза, горных ослов в 5—10 раз, косуль в 6—7 раз. В результате такого увеличения поголовья можно ежегодно получать не менее 200 тыс. т товарного мяса высокого качества. Исследования, проведенные в Саваннах и полупустынях Восточной и Центральной Африки, показали, что дикие копытные животные, кормясь на бедных естественных пастбищах, производят биомассу, равную биомассе домашних животных, пасущихся на богатых культурных пастбищах.
До тех пор пока многие лесные массивы не будут использоваться для сельского хозяйства, важное значение для пополнения пищевых ресурсов могут иметь плоды и ягоды диких растений, а также грибы. Если собирать все, что произрастает в сибирской тайге, то грибами, ягодами, соками, джемами, повидлом, вареньем, кедровыми орехами и кедровым маслом можно обеспечить не только все население Сибири, но и население многих других областей СССР. При организованном сборе кедровых орехов из урожая только 1/5 части массива кедровых лесов можно ежегодно получать более 2 млн ц кедрового масла и почти столько же отличной кедровой муки.
По мере целенаправленного увеличения численности полезных животных многие вредные животные могут и должны уничтожаться. Рассмотрим, например, такую цепь: растения — мышевидные грызуны (суслики, полевки) — хищные птицы, поедающие грызунов. Ясно, что органическое вещество этой цепи не приносит человеку никакой пользы. Если же мышевидные грызуны и пернатые хищники будут уничтожены, органическое вещество растений, участвующих в данной цепи, может быть использовано в цепи питания человека.
Чем длиннее цепь питания, тем меньше часть органического вещества, синтезируемого растениями, доходит до последнего звена цепи. Отсюда следует, что человек наиболее полно использует органическое вещество, полученное в процессе фотосинтеза, употребляя его в виде растительной пищи, а из различных видов мяса, которым питается человек, наиболее приемлемо мясо травоядных животных. Уже значительно меньше пользы приносит органическое вещество мяса птиц, питающихся насекомыми, которые в свою очередь питаются растениями.
Особенно важно было бы сократить длинные цепи питания в морях. По данным зарубежных гидробиологов, для создания 1 кг мяса домашних животных требуется 40 кг травы, а для создания 1 кг рыбы в море — более 1 т водорослей. Среди многочисленных видов морских обитателей имеются рыбы, питающиеся:
- почти исключительно растениями (толстолобик, белый амур, лещ);
- рачками и другими мелкими животными зоопланктона;
- мелкими донными животными;
- рыбы-хищники, питающиеся рыбами же, и, наконец;
- рыбы, питающиеся остатками жизнедеятельности животных и растений.
Понятно, что при потреблении рыб первой группы (цепь питания: растение — рыба — человек) органическое вещество и энергия используются человеком во много раз полнее, чем при потреблении рыбы других групп, особенно рыб-хищников, так как здесь имеется длинная цепь питания: растение — мелкие животные — рыбы, поедающие этих животных,— хищные рыбы — человек. Морские беспозвоночные животные, например морская звезда, поедают много моллюсков, которые являются кормом и для других более полезных обитателей моря. Подсчитано, что если полностью истребить этот вид животных (кстати их можно использовать как корм для домашней птицы), то улов рыбы увеличится вдвое.
На суше и в океане многие виды животных и насекомых следует исключить из сферы свободного развития; их целесообразно оставить только в заповедниках, в зоологических» ботанических садах для научных и учебных целей. Однако здесь нужны осторожность и глубокие знания всех взаимосвязей, существующих в природе. Например, если бы кто-нибудь задался целью увеличить в какой-то местности численность диких оленей и для этого уничтожил бы там всех хищников, то произошло бы примерно следующее. Стада оленей увеличились бы настолько, что в скором времени они начали бы гибнуть от эпизоотий. Ведь хищники в первую очередь уничтожают слабых и больных животных, чем ограничивают распространение болезней. Существует даже мнение (С. С. Шварц) (С. С. Шварц. Ступень к управлению природой. М, «Знание», 1962), что жизнь на Земле, заселенной одними травоядными, была бы столь же невозможна, как и на планете, заселенной одними хищниками. Сейчас трудно согласиться или не согласиться с этим мнением, но можно, пожалуй, утверждать, что настанет время, когда человек сможет только по своему усмотрению решать судьбу всех животных и микроорганизмов, их «жизнь или смерть». Уже и теперь человечество активнее, чем это есть на самом деле, может вмешиваться в регулирование соотношения численности полезных и вредных животных.
Важным и действенным направлением реконструкции органического мира Земли является плановое изменение биоценоза на больших территориях. К этому направлению относятся, в частности, и рассмотренные выше работы по акклиматизации и реакклиматизации растений и животных. Мы говорили о том, как изменилась флора ряда районов Грузии благодаря акклиматизации там иноземных растений.
Большие масштабы приобретает комплексное изменение биоценоза — флоры и фауны — в результате выращивания лесозащитных полос, а также при осушении болот. Растительный состав лесозащитных полос определяется уже при их закладке. Например, при создании лесо-кустарниковых полос растения высаживаются в следующем порядке. Сначала идет главная группа растений (в Европейской части СССР к ней принадлежат дуб, ясень, береза, осина, акация, вяз), предназначенная для уменьшения силы ветра; затем сопутствующая группа (груша, яблоня, липа), которая стимулирует скорость роста основной группы и, кроме того, затеняет почву. Третья группа — кустарники или ягодные растения — должна ограничивать разрастание сорняков и привлекать насекомоядных птиц. В дальнейшем в лесозащитной полосе неизбежно появляются и другие, не предусмотренные растения, но все же именно высаженная растительность определяет будущие типы флоры и фауны лесозащитной полосы.
В Белоруссии, например, после второй мировой войны на 600 тыс. га осушенных земель посажен лес, и каждый год вновь засаживается не менее 30 тыс. га. Выращивается много новых для этих мест пород деревьев: тополь, лиственница, бересклет, красный дуб, маньчжурский орех, пенсильванский ясень и др. Такое обновление флоры в сочетании с большими изменениями почвенных условий влечет за собой качественные изменения и в животном населении. Особо сильное влияние на биоценоз оказывают большие искусственные водоемы, возникающие в связи с крупным гидроэнергостроительством, а также новые оросительные системы. Фауна таких водохранилищ — рыба и нужные для нее кормовые организмы — полностью подчинена усмотрению человека.
После того как человечество освоит все полупустыни и пустыни, превратит болота в плодородные земли, биоценоз всех материков планеты станет резко отличным от современного.
Особенно широкие возможности по изменению органического мира Земли открываются с познанием механизма передачи наследственности и овладением методами целеустремленного управления наследственностью растений и животных.
Характер обмена веществ в живом организме, его видовые и индивидуальные особенности определяются составом и строением белков, что в свою очередь зависит от структуры нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Нуклеиновые кислоты состоят из множества мономеров — нуклеотидов, каждый из которых содержит азотистое основание (одно из четырех), молекулу сахара (дезоксирибоза в ДНК, рибоза в РНК) и молекулу фосфорной кислоты. Последовательность расположения трех соседних нуклеотидов, так называемый триплекс, определяет структуру и свойства каждой данной аминокислоты, а последовательность триплексов — их расположение в белке. Таким образом, в строении нуклеиновых кислот двух видов закодирован состав всех белков организма.
Сейчас уже в значительной степени раскрыт механизм синтеза белка из аминокислот, происходящий в рибосомах клетки. Управление синтезом белков в организме и создание на этой основе новых видов организмов представляются возможными с помощью целенаправленных изменений (мутаций) отдельных нуклеотидов или последовательности их расположения в ДНК. Такие мутации происходят в природе и без вмешательства человека (спонтанно, под действием космических лучей и других факторов среды). Изменения в организме растений и животных в результате таких естественных мутаций составляли до сих пор базу, на основе которой велась селекция.
Теперь наука выявила ряд факторов (температура, коротковолновые излучения, химические вещества), посредством которых можно вызывать искусственные мутации. Например, путем изменения температуры частоту появления мутаций, т. е. частоту появления новых признаков в организмах, удается повышать в несколько раз по сравнению с естественным процессом. Коротковолновая радиация увеличивает появление мутаций в сотни раз, а химические мутагены — в десятки и сотни тысяч раз. Все это необычайно расширяет базу селекции и выбор материала для нее. С помощью коротковолнового излучения (ультрафиолетовые и рентгеновские лучи, гамма-лучи, поток нейтронов) в СССР получены новые формы пшеницы, отличающиеся устойчивостью ко многим заболеваниям, неполегаемостью и другими ценными свойствами, раннеспелые и устойчивые к фитофторе сорта картофеля, скороспелые сорта томатов, новый сорт хлопчатника, отличающийся увеличенными и быстро созревающими коробочками, новые сорта гороха, сои и т. д. В зарубежных странах (Швеция, США, Австрия и др.) созданы 16 новых сортов сельскохозяйственных культур, выведенных посредством радиации и уже применяющихся в практике. В ГДР этим методом получены ценные сорта ячменя, сои, томатов.
В качестве химических мутагенов применяются этиленимин, диэтилсульфат, нитрозометилмочевина, N — нитрозоалкилмочевина и др. На их основе уже получено до 500 новых высококачественных сортов растений.
Методами искусственного мутагенеза созданы новые штаммы плесневых грибков; в частности, именно такие штаммы позволили увеличить производство пенициллина, стрептомицина, эритромицина и других антибиотиков в сотни раз. Один из искусственных штаммов бактерий синтезирует аминокислоту лизин в 300 раз быстрее, чем природный штамм.
Применение мутагенов, особенно химических, сокращает сроки выведения новых сортов с многих лет до 1 — 2 годов. Кроме того, при обычной гибридизации во вновь выводимом сорте закрепляются не только положительные признаки скрещиваемых особей, но и некоторые нежелательные; при искусственном мутагенезе в новом сорте можно закреплять только положительные изменения, возникающие в исходном материале. Сказанное, однако, не означает отказа от применения старых методов гибридизации. Наоборот, искусственный мутагенез в ряде случаев весьма эффективно сочетается с гибридизацией.
Успехи в освоении методов искусственного мутагенеза резко расширяют возможности целенаправленного изменения органического мира, и когда зависимость характера мутаций от природы мутагенов и способы применения последних будут полностью освоены, люди будут создавать новые формы растений и животных так же уверенно, как они это делают, создавая машины.
Подлинную революцию в производстве средств питания может произвести химический синтез компонентов пищи из элементов и неорганических и органических соединений с использованием энергии любого происхождения. Правда, некоторые ученые считают этот путь неприемлемым. Например, известный специалист в области фотосинтеза А. А. Ничипорович пишет: «Никакой искусственный фотосинтез не будет способен создать столь разнообразные по категориям, столь сложные по составу и такие соответствующие вкусам и потребностям человека пищевые продукты, как мука, молоко, мясо, масло, овощи, плоды и т. д. и т. п. (А. А. Ничипорович. Кладовая Солнца. «Наука и жизнь», 1958, № 1, стр. 9) Однако история науки свидетельствует против такого пессимизма.
Почти до половины XIX в. среди ученых преобладало мнение о коренном и глубоком различии между органическими и неорганическими соединениями. Сторонники этого мнения (виталисты) утверждали, что для образования органических веществ необходима особая жизненная сила, имеющаяся в живых организмах и недоступная познанию человека. Учение о жизненной силе сформулировано в первом учебнике органической химии, написанном знаменитым шведским ученым Берцелиусом. Первым органическим соединением, полученным из неорганического вещества, была мочевина; в 1824 г. ученик Берцелиуса немецкий химик Велер получил ее из циановокислого аммония. Однако виталисты продолжали упорствовать и после этого. Дело в том, что аммиак, из которого получали тогда циановокислый аммоний, не умели синтезировать из элементов (азота и водорода), и виталисты утверждали, что он не является полностью неорганическим соединением. Но после открытия Велера синтез органических веществ из неорганических начал бурно развиваться: в 1845 г. этим путем была получена уксусная кислота, в 1855 г. — этиловый спирт, в 1856 г. — метан и т. д.
В 1863 г. французский химик Бертло синтезировал ацетилен, и когда он сказал, что этим открыта принципиальная возможность искусственного получения любых химических соединений, он не преувеличил значения своего открытия. Сейчас химики умеют не только синтезировать сложнейшие соединения (витамины, гормоны, антибиотики), но и создают множество новых веществ, неизвестных в природе: синтетические каучуки и волокна, пластические массы, лекарственные препараты, элементорганические соединения и т. д. Все это подтверждает полную несостоятельность утверждений о невозможности искусственного создания любого вещества, имеющегося в природе.
Академик А. Н. Несмеянов, указав на успехи синтеза органических веществ, пишет: «Неизвестно, долго ли продлится в одежде и обуви «мирное сосуществование» естественного и искусственного волокна, натуральной и искусственной кожи, но ясно одно, что совершенствование и удешевление этих заменителей развиваются такими темпами, что сельскохозяйственные продукты обречены» (А. Н. Несмеянов. Проблемы синтеза пищи. «Природа: 1965, № 9.). Что же помешает человеку добиться таких же успехов и в области синтеза компонентов пищи?
Нельзя согласиться и с другим утверждением Ничипоровича о том, что искусственный фотосинтез не сможет выполнять «важной роли зеленых растений — обогащать атмосферу нашей планеты кислородом, очищать ее от избыточного накопления углекислоты». Химизм процесса фотосинтеза сводится к образованию из более окисленных соединений менее окисленных, при этом происходят поглощение энергии и выделение свободного кислорода из молекул воды. Что же принципиально изменится, если, например, производить электролиз больших количеств воды? Получающийся при этом свободный кислород будет выделяться в атмосферу, а водород можно использовать для получения органических соединений. В этом случае энергия солнечных лучей будет заменена электрической, ресурсы которой по мере полного овладения энергией ядерного синтеза будут практически беспредельными.
Кроме того, применение синтеза компонентов питательных веществ отнюдь не требует прекращения процесса фотосинтеза зеленых растений и никто, вероятно, не будет предлагать уничтожить растительный мир Земли.
В каком же положении находится проблема синтеза компонентов пищи в наши дни?
Одним из путей решения этой проблемы является прямое следование природе — освоение механизма происходящих в ней тончайших синтезов органических веществ, а затем осуществление их в промышленном масштабе. Теперь, когда завершается изучение структуры хлорофилла, а также химизма и механизма фотосинтеза, уже не фантастичны процессы искусственной ассимиляции С02 и получения углеводов в неживой среде с помощью энергии солнца. И этот искусственный фотосинтез, возможно, потребует меньших затрат, чем процесс фотосинтеза, осуществляющийся с помощью культурных растений в сельскохозяйственном производстве. Станет ли такой метод главным способом получения компонентов пищи из неорганических веществ или будут найдены иные методы, покажет будущее.
Жиры и углеводы — основной энергетический материал живого организма, источник тепла, возникающий в процессе жизнедеятельности организма. Жиры, кроме того, служат материалом для построения клеток и тканей. По химической природе жиры представляют собой сложные эфиры глицерина и высших одноосновных кислот. Вопрос об их искусственном получении был принципиально решен еще в 1854 г., когда Бертло синтезировал триглицерид высших жирных кислот. В настоящее время глицерин получают из пропилена, а высшие одноосновные кислоты — из углеводородов или высших спиртов. Те и другие вещества можно получать также из нефтепродуктов, водорода и угля, окиси углерода или углекислого газа.
В Германии во время второй мировой войны было организовано опытное производство синтетического сливочного масла. Его получали из глицерина, синтезируемого из пропилена, и жирных кислот. Последние получали из синтина, представляющего собой смесь гомологов метана, образующуюся при действии водорода на окись углерода в присутствии катализатора. Продукту придавались консистенция и запах натурального масла, однако по составу он отличался от природного жира.
Сейчас химики не отмечают принципиальной трудности для устранения этого различия.
Но такой продукт относится к твердым жирам типа животных, главным компонентом которых являются предельные жирные кислоты. Человеку же необходимы и жидкие жиры, типа растительных, состоящих из непредельных жирных кислот. Синтез последних тоже осуществлен, хотя еще в лабораторном масштабе.
Главным компонентом углеводной пищи является крахмал, продукт поликонденсации виноградного сахара (глюкозы). Он содержится в картофеле, рисе, кукурузе и любом зерне. Кроме того, человек питается моносахаридами (глюкоза и ее изомер фруктоза), которыми богаты плоды и мед, и дисахаридами, содержащимися в свекле и молоке. Однако все это углеводное питание может заменить одна глюкоза, так как в пищевом тракте все углеводы гидролизуются до глюкозы и только в таком виде проникают в кровь, а затем в клетку.
Полимеризация глюкозы в крахмал в искусственных условиях считается сейчас разрешимой задачей. А. М. Бутлерову еще в 1861 г. удалось получить из формальдегида (продукт каталитического окисления метилового спирта воздухом) сиропообразную смесь различных сахаров. Теперь известны методы получения из формальдегида фруктозы и глюкозы, но на пути их практического использования еще имеются неразрешенные вопросы.
Особо важную роль в жизнедеятельности любого организма играют белки. Все процессы обмена веществ— основного процесса жизни — связаны с образованием, превращениями и разрушением белков. Белки являются главной составной частью ферментов — веществ, регулирующих направление и скорость химических реакций в организме. С отдельными видами белков связана деятельность органов тела (например, сокращение мышц, работа желез внутренней секреции). Белки служат основным пластическим материалом клеток и играют определенную роль в энергетическом балансе организма. Энгельс писал: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел… Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, которое не находится в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни» (Ф. Энгельс. Анти-Дюринг, 1953, стр 77).
Главной составной частью белков являются аминокислоты— сложные химические соединения, содержащие аминогруппы NH2 и карбоксильные группы СООН. Именно этим группам аминокислоты обязаны тем, что могут проявлять и кислотные и основные свойства, а все бесконечное многообразие белков живого организма обеспечивается всего 20 аминокислотами, отличающимися друг от друга главным образом расположением аминогрупп и другими структурными деталями. Белки разных тканей одного и того же животного имеют не одинаковое строение, так же как и белки одних и тех же тканей разных видов животных.
Последовательность расположения аминокислотных остатков уже установлена для молекул некоторых белков— для гормона инсулина, фермента рибонуклеазы, вируса табачной мозаики, гемоглобина крови и миоглобина мышц. Например, выяснено, что молекула миоглобина построена из одной цепи, содержащей 151 аминокислотный остаток; удалось установить пространственную конфигурацию цепи и местонахождение в ней каждого аминокислотного остатка. Результатом исследований строения белков явились попытки синтезировать простейшие из них. И в этом направлении уже кое-что достигнуто. Искусственно получен гормон вазопрессин, содержащий 8 аминокислотных остатков; синтезирована полипептидная цепь из 23 остатков аминокислот, составляющая только часть молекулы адренокортикотропного гормона, но имеющая такую же гормональную активность, как и гормон в целом.
Исключительное разнообразие строения белков в живом организме весьма усложняет задачу получения искусственных белков, идентичных природным. Естественно, возникает вопрос, сколько же времени потребуется на то, чтобы научиться воспроизводить весь колоссальный ассортимент природных белков. Но оказывается: в отношении белковых компонентов пищи дело обстоит гораздо проще. Белки, поступающие с пищей, в процессе пищеварения распадаются на аминокислоты, из которых затем вновь образуются необходимые организму белки. Следовательно, требуется организация производства не белков, а аминокислот. Дело упрощается еще и тем, что из всех необходимых для синтеза белков аминокислот в пищевом рационе взрослого человека обязательно должны присутствовать только 8, а в детском рационе 9 аминокислот. Такие аминокислоты называют незаменимыми, так как все другие требующиеся организму аминокислоты образуются в самом организме за счет избытка незаменимых аминокислот. Синтез аминокислот микробиологическими, а также химическими методами заметно развивается. Первым путем уже получены незаменимая аминокислота лизин и натриевая соль глутаминовой аминокислоты; оба вещества нашли применение в пищевой промышленности и медицине. Разработан метод получения из нефти протеинов — основных белковых веществ всех живых организмов. Изучены микроорганизмы, продуцирующие отдельные аминокислоты; для остальных аминокислот такие микроорганизмы еще предстоит найти. По мнению академика А. Н. Несмеянова, в ближайшем будущем, вероятно, удастся создать единую или близкую технологию получения всех аминокислот.
Овладение микробиологическим синтезом аминокислот— большая победа в деле обогащения пищи человека белком. Конечно, это еще не синтез аминокислот из неорганических элементов, так как микроорганизмы — продуценты аминокислот — выращиваются на отходах сельского хозяйства, продуктах гидролиза древесины, нефтепродуктах, т. е. на продуктах фотосинтеза прошлого и текущего времени. Но и химический синтез не отстает от микробиологического. Например, уже освоен промышленный метод получения аминокислоты метионина из пропилена; полученный этим путем метионин применяется в животноводстве. Ряд аминокислот предполагается синтезировать из метана через промежуточные соединения — нитрометан и нитроуксусную кислоту.
Некоторые ученые считают, что для полного освоения производства аминокислот потребуются меньшие средства, чем те, которые были израсходованы на создание первой атомной бомбы.
Витамины также играют весьма важную роль в рационе человека и животного. Некоторые витамины входят в состав ферментов, другие самостоятельно участвуют в обмене веществ. Организм человека нуждается примерно в 20 различных витаминах, но суммарная потребность в них не превышает 0,1 г в сутки, если не считать витамина холина; его требуется потреблять в количестве 0,5—1 г/сутки. В рационах растительной и животной пищи далеко не всегда содержатся все необходимые витамины и поэтому приходится применять специально изготовляемые витаминные препараты. Установлено химическое строение почти всех витаминов, и большинство из них уже изготовляется в промышленном масштабе. Правда, эти препараты чаще получают из растительного и даже животного сырья, но перед синтезом витаминов из химического сырья не стоит никаких принципиальных трудностей.
Неорганические соли требуются человеку в количестве нескольких граммов в сутки; очевидно, что их легко можно вводить в синтетическую органическую пищу.
Учитывая все сказанное, можно сделать вывод, что синтез всех компонентов пищи — вполне осуществимое дело. Здесь отличие между отдельными компонентами заключается лишь в том, что синтез одних веществ найдет практическое решение раньше, а других позже. Печален тот факт, что против синтетической пищи часто имеется предубеждение. Некоторые забывают о том, что синтетическая пища может быть более здоровой, чем естественная. Ведь в некоторых природных продуктах питания имеются не только полезные, но и вредные для организма вещества. Кроме того, пользуясь только естественной пищей, трудно обеспечить пищевой рацион, в котором все нужные для питания компоненты находились бы в оптимальном соотношении. Предполагают, например, что избыток в пищевом рационе некоторых аминокислот ускоряет развитие атеросклероза. Излишнее потребление углеводов (при нормальной норме белков), является причиной ожирения. При составлении же рациона из синтетических продуктов легко сбалансировать все нужные для организма питательные вещества.
Опасение, что искусственные пищевые продукты не могут удовлетворять вкусам человека, также неосновательно. Во-первых, используя соответствующие вещества, можно придавать искусственным продуктам любую консистенцию, форму и цвет. Во-вторых, природные пищевые вещества — белки, жиры и углеводы (кроме сахаров) —не имеют вкуса и запаха. Ощущение вкуса, запаха создают присутствующие в очень малом количестве (а также образующиеся при приготовлении пищи) вещества и примеси к основным компонентам пищи. В самых разнообразных пищевых продуктах повторяются в разных порциях одни и те же пахучие вещества, а количество их не превышает миллиграммов на килограмм пищевого продукта. Природа многих веществ, придающих вкус и запах пище, установлена; это сравнительно простые вещества, их сравнительно легко синтезировать.
На IX Менделеевском съезде возник спор между сторонниками и противниками синтетической пищи. А. А. Ничипорович повторил свое утверждение о невозможности создать синтетическим путем достаточно разнообразный ассортимент продуктов питания и обратил особое внимание на экономическую сторону вопроса. По его мнению, расход энергии на синтетическую пищу будет настолько велик, что его нельзя счесть приемлемым.
Разнообразие ассортимента синтетической пищи мы уже рассмотрели. Остановимся на расходе энергии. Ничипорович утверждает, что на приготовление синтетической пищи при современной численности человечества потребуется количество энергии, равное выработке 3500 волжских электростанций; коэффициент использования энергии он принял равным 10% (А. А. Ничипорович Фотосинтез и вопросы интенсификации сельского хозяйства. М, «Наука», 1965). Но ведь, во-первых, совсем не обязательно применять в производстве синтетической пищи только электрическую энергию. Во-вторых, с таким низким коэффициентом использования энергии можно согласиться только в том случае, если вести расчет на первичную энергию. Тогда получится, что для создания годовой нормы синтетической пищи потребуется 10 млн ккал или 11,6 тыс. квт-ч первичной энергии, например химической энергии топлива. На первый взгляд эта цифра может показаться очень большой, но она составляет всего 17% расхода первичной энергии на душу населения в США в 1952 г. (Напомним, что годовое потребление энергии на душу населения равнялось в США в указанном году 64 тыс. квт-ч.) А к тому времени, когда все проблемы, связанные с синтетической пищей, будут решены, среднемировое потребление первичной энергии на человека несомненно будет большим, чем в США сейчас.
Академик А. Н. Несмеянов (А. Н. Несмеянов. Указ, статья) указывает, что с переходом на синтетическую пищу высвободятся десятки и сотни миллионов людей, работающих сейчас в сельском хозяйстве и в отраслях промышленности, обслуживающих сельское хозяйство. Кроме того, количество некоторых минеральных веществ, извлекаемых сейчас из недр земли, может быть сокращено в 15—20 раз, так как резко уменьшится потребление первичной энергии в сельском хозяйстве. Производство средств питания не будет зависеть ни от климата, ни от погоды и не будет осложняться стихийными бедствиями.
Из всего сказанного явствует, что разработка проблемы получения синтетической пищи заслуживает самого серьезного внимания так же, как и работы по интенсификации процесса образования органического вещества посредством фотосинтеза. Соревнование этих двух направлений в создании средств питания безусловно повысит благосостояние человечества.