История гидропоники

История гидропоники

Гидропоника — это метод выращивания растений без почвы. Название происходит от слов «hydro» (вода) и греческих ponein (трудиться, усердно трудиться) и ponos (труд). Хотя гидропоника обрела популярность и значение примерно за последние 80 лет, её истоки и некоторые современные методы, известные нам сегодня, уходят корнями в глубь веков.

Во многих письменных источниках, посвященных методам гидропонного выращивания растений, упоминаются древние Висячие сады Семирамиды, первое письменное упоминание о которых датируется примерно 290 годом до нашей эры. Эти труды, написанные Беросом, вавилонским писателем, жрецом и астрономом, известны нам только по цитатам более поздних авторов. Пять основных авторов, включая Бероса, создали то, что нам известно о Висячих садах сегодня. Все их описания были составлены позднее, на основе утраченных ранее записанных записей других авторов.

Современные исследования ставят под сомнение существование садов в Вавилоне, однако предположение о том, что сады каким-либо образом можно было бы назвать «гидропонными», сомнительно, основываясь на наблюдениях этих ранних авторов. Диодор Сицилийский, писавший между 60 и 30 годами до н. э., ссылался на текст IV века до н. э., «Ктесий Книдский», для своего описания садов. После подробного описания их строительства он приводит следующий отрывок:

«… поверх всего этого снова была насыпана земля на глубину, достаточную для корней самых больших деревьев; и земля, когда ее выровняли, оказалась густо засаженной деревьями всех видов…»

Квинт Курций Руф, писавший в I веке н. э., ссылается на труды Клитарха, историка IV века до н. э., жившего при Александре Македонском, который также описывал «…насыпанный на него толстый слой земли и воду, используемую для орошения». Филон Византийский, автор того, что мы сегодня считаем семью чудесами Древнего мира, писавший примерно в IV или V веке н. э., упоминает, что «…насыпается много толстой почвы, а затем высаживаются широколиственные, особенно садовые, деревья многих видов».

Судя по этим свидетельствам, вряд ли Висячие сады Семирамиды можно было считать безземельными. Справедливости ради, следует отметить, что ирригационные системы, необходимые для подачи воды к посадкам такого масштаба, описанные в виде акведуков и водоподъёмников, по своей концепции аналогичны методам орошения, используемым сегодня в современных гидропонных системах.

Ссылки на Старый Свет

Другим часто упоминаемым сравнением с современной гидропоникой в Старом Свете являются «плавающие сады», построенные ацтеками в XIV веке н. э. Прибыв в долину Мехико, ацтеки обнаружили замкнутое болото с пятью большими озерами, окружёнными вулканическими горами. По какой-то причине они решили поселиться на болотах вокруг озера Тескоко и построить свою столицу на небольшом острове посреди озера. Не имея свободной земли для развития, люди начали строить то, что по сути представляло собой прямоугольные острова из почвы, компоста и ила со дна озера.

Вопреки распространённому мнению, эти острова, или «чинампы», вовсе не плавали, а были прикреплены к дну озера с помощью черенков ивы и различных материалов, включая камни, шесты, тростник, лианы и верёвки. Чинампы были невероятно плодородными, и орошение не требовалось, поскольку вода поднималась из озера. Благодаря уникальным методам компостирования и мульчирования, разработанным ацтекскими земледельцами того времени, можно было собирать до 7 урожаев в год. Однако, судя по способу их строительства, очевидно, что ацтекские чинампы, как и Висячие сады Семирамиды, также нельзя отнести к гидропонным.

Ранние исследования гидропоники

Одно из самых ранних исследований, посмертно опубликованных в 1648 году, посвященных истинным причинам роста растений, было написано фламандским химиком Яном Баптистом ван Гельмонтом (1579–1644). В 1634 году во время испанской инквизиции власти арестовали ван Гельмонта за «преступление» – изучение растений и других наук – и приговорили его к двум годам тюрьмы. И хотя ван Гельмонт был известен прежде всего тем, что первым сформулировал существование газообразных веществ, отличных от обычного воздуха, а также тем, что ввёл в научный оборот слово «газ», он также известен одним экспериментом, который он провёл с ивой, чтобы определить, откуда растения берут свою массу. Это исследование широко известно как «пятилетний эксперимент с деревом»…

« Но благодаря этому ремесленному делу я узнал, что все растения непосредственно и материально происходят только из элемента воды. Ибо я взял глиняный сосуд, в который положил 200 фунтов земли, высушенной в печи, которую смочил дождевой водой, и посадил в него ствол или стебель ивы весом в пять фунтов; и наконец, по прошествии пяти лет, оттуда выросло дерево, весившее 169 фунтов и около трёх унций. Но я смочил глиняный сосуд дождевой водой или дистиллированной водой (всегда, когда в этом была необходимость), и он был большим, и посажен в землю, и, чтобы пыль, которая летала вокруг, не смешивалась с землёй, я закрыл край или горлышко сосуда железной пластиной, покрытой оловом, с множеством легко проходимых отверстий. Я не рассчитал вес листьев, которые опали за четыре осени. Наконец, я снова высушил Земля Судна, и там были найдены те же двести фунтов, не хватая около двух унций. Следовательно, из одной только воды вышло 164 фунта древесины, коры и корней .

Историки пришли к выводу, что эксперимент, вероятно, не был оригинальной идеей, а скорее был вдохновлён описанием Николая Кузанского в его труде «De Staticus Experimentis» ( 1450 ), где он описывает аналогичный эксперимент, который, по-видимому, так и не был проведён. Дальнейшие исследования относят концепцию эксперимента к греческому труду, датируемому 200–400 годами н. э. И хотя его метод исследования совершенно не имеет научной обоснованности, именно исследования и эксперименты ван Гельмонта в конечном итоге привели к пониманию фотосинтеза.

В 1699 году Джон Вудворд (1665–1728), английский натуралист, антиквар и геолог, оспорил теоретические выводы Гельмонта, опубликовав результаты экспериментов по «водной культуре», которые он провёл с мятой колосистой, выращенной в различных источниках воды. Его эксперименты показали, что мята колосистая лучше растёт в воде, в которую он добавлял очень небольшое количество почвы, по сравнению с «чистой» водой и дистиллированной водой. Его исследования также привели его к другому выводу: для роста растений необходимо больше воды, чем просто вода, и что почва, по крайней мере отчасти, отвечает за увеличение массы и веса растений, что свидетельствует о том, что он также не смог ясно понять фундаментальные принципы питания растений.

К сожалению, прогресс в этих областях исследований оставался на прежнем уровне до первых полноценных экспериментов по водной культуре, предпринятых около 1840 года французским учёным-агрономом и химиком Жаном-Батистом Буссенго (1801–1887). Четырьмя годами ранее Буссенго основал первую в мире сельскохозяйственную экспериментальную станцию недалеко от Эльзаса (Франция) и сделал множество открытий, связанных с химией почв и питанием растений. Многие из его экспериментов включали выращивание растений в различных почвозаменителях, включая песок, кварцевую муку и древесный уголь, которые он орошал растворами минеральных удобрений.

Также в 1840 году поклонник и современник Буссенго, немецкий химик Юстус Фрайхерр фон Либих (1803-1873), опубликовал работу «Органическая химия в ее применении к сельскому хозяйству и физиологии» , в которой выдвинул нелепое на тот момент предположение, что химия может радикально повысить урожайность и сократить затраты, связанные с выращиванием продуктов питания. В детстве Либих пережил «год без лета» — вулканическую зиму, произошедшую в Северном полушарии после мощного извержения вулкана Тамбора в 1815 году на территории современной Индонезии. Почти полная потеря урожая в тот сезон привела к повсеместной нехватке продовольствия, вызвав всемирный голод, и, как сообщается, большая часть последующей работы Либиха по увеличению производства продовольствия в мире была сформирована этим тревожным опытом.

Либих внёс значительный научный вклад в агрохимию и первым сформулировал теорию минеральных питательных веществ, определив в качестве необходимых для роста растений такие ныне известные элементы, как азот (N), фосфор (P) и калий (K). Примечательно, что главным недостатком Либиха было отсутствие у него опыта практического применения результатов своих исследований. Одним из его наиболее известных достижений стала разработка азотных удобрений. В 1840-х годах он утверждал, что они необходимы для выращивания максимально высоких урожаев. Однако позднее он убедился, что растения получают достаточно азота благодаря аммиаку, содержащемуся в осадках, и в последние годы жизни решительно выступал против использования азота в удобрениях.

Несмотря на свои колебания, его широко называют «отцом индустрии удобрений» — не только за то, что он определил азот и другие элементы как необходимые для роста растений, но и за разработку им закона минимума, который прослеживает, как отдельные питательные компоненты влияют на рост сельскохозяйственных культур.

В 1860 году Фердинанд Густав Юлиус фон Сакс (1832–1897), немецкий ботаник и автор книги «Geschichte der Botanik» ( «История ботаники ») (1875), высоко ценимой исторической хроники различных направлений ботанической науки с середины XVI века до 1860 года, опубликовал свою формулу питательного раствора для «водной культуры» и возродил использование этого метода в качестве стандартного инструмента при исследовании потребностей растений в питании. Его формула питательных веществ для растений, с небольшими изменениями, использовалась практически повсеместно в течение следующих восьми десятилетий.

Эксперименты Сакса проложили путь, и вскоре другие учёные продолжили его работу, наиболее заметным из которых был Иоганн Август Людвиг Вильгельм Кноп (1817–1891), немецкий агрохимик. Хотя интересы Сакса были сосредоточены главным образом на изучении процессов, происходящих в растениях, и одновременно на формировании ботанических знаний, Кнопа по праву можно назвать истинным отцом водного культивирования, поскольку его эксперименты заложили основу того, что мы сегодня называем гидропоникой.

В своих ранних экспериментах Кноп проращивал семена в песке и фибровой сетке, а затем пересаживал их в пробковые пробки с просверленными отверстиями, закреплял ватой, а затем подвешивал в стеклянных ёмкостях с раствором. Тем самым Кноп непреднамеренно создал метод, который впоследствии стал наиболее широко использоваться в лабораторных экспериментах.

Используя этот метод, Кноп первым установил, что растения набирают большую массу исключительно за счёт питательных веществ, запасённых в семенах, и что семена обеспечивают питанием те части растения, которые формируются первыми. К этому времени также было установлено, что питательные вещества в почве должны быть в растворимой форме для растений, и что количество растворимых питательных веществ в почве ничтожно мало по сравнению с нерастворимыми. Эти два открытия легли в основу будущих научных экспериментов Кнопа.

В то время не существовало конкретных способов измерения этих свойств, таких как осмотическое давление, и исследователи того времени не имели ни малейшего представления о том, какими могут быть эти свойства. И хотя Кноп пришел к выводу, что слишком концентрированные питательные растворы могут принести больше вреда, чем пользы, он не понимал, почему.

Несмотря на это непонимание, в 1860 году Кноп успешно вырастил растения без почвы, вес которых во много раз превышал вес их семян, и которые содержали больше питательных веществ. В 1868 году другие учёные, используя методы Кнопа, вырастили гречиху, вес которой был в 4786 раз больше исходного семени, и овёс, вес которого был в 2359 раз больше. Эти эксперименты окончательно доказали, что растения действительно можно успешно и продуктивно выращивать без почвы.

600 г. до н.э.: Висячие сады Семирамиды

Висячие сады Семирамиды вызывают несколько споров. Во-первых, эти сады, одно из семи чудес света Древнего мира, возможно, никогда не существовали. Некоторые тексты упоминают их, но никаких археологических подтверждений этому не обнаружено. Во-вторых, при изучении текстов обнаруживается множество упоминаний об использовании почвы. Однако методы орошения, применявшиеся для подачи воды в «сады», действительно имеют сходство с методами, используемыми в современных гидропонных системах.

1100: Плавающие сады ацтеков

Плавающие сады ацтеков также вызывают споры. Во-первых, вопреки распространённому мнению, эти острова, или чинампы, были прикреплены к суше, а не плавали свободно. Но, что ещё важнее, хотя корни растений действительно прорастали сквозь плот в воду, ацтеки использовали на плотах почву, так что это не было настоящей гидропоникой/беспочвенным выращиванием.

1627: Сильва Сильварум

Первой «современной» книгой, в которой обсуждается выращивание растений без почвы, является «Sylva Sylvarum», написанная сэром Фрэнсисом Бэконом и опубликованная посмертно через год после его смерти.

1648: Пятилетний эксперимент с ивой

Эксперимент, проведённый фламандским химиком Жаном Батистом ван Гельмонтом  , направленный на определение источника массы растений. Ван Гельмонт посадил пятифунтовую иву в горшок с 200 фунтами земли. В течение следующих пяти лет он не добавлял в горшок ничего, кроме дистиллированной и дождевой воды. Через пять лет дерево весило 169 фунтов, а вес почвы уменьшился всего на 2 грамма по сравнению с пятью годами ранее. Ван Гельмонт пришёл к выводу, что «164 фунта древесины, коры и корней возникли исключительно из воды».

В начале Нового времени самые ранние упоминания о беспочвенной культуре относятся к сэру Фрэнсису Бэкону, который в 1627 году опубликовал книгу, описывающую метод выращивания растений без почвы (10). В 1666 году ирландский учёный Роберт Бойль также доказал, что одна только дождевая вода не питает растения. Для питания растений необходимо добавлять в воду соки, например, содержащиеся в навозе (11). Позже, в 1699 году, английский натуралист Джон Вудворд экспериментировал с выращиванием мяты в различных водных растворах (12), продемонстрировав, что растения могут расти без почвы при наличии необходимых питательных веществ.

Примерно два столетия спустя, в 1842 году, немецкий ботаник Вильгельм Кноп разработал первую стандартную формулу питательного раствора, позже известного как раствор Кнопа (13). В 1851–1855 годах французский химик Жан Буссенго установил, что растения могут расти в инертной среде, например, в кварцевом песке, увлажненном раствором, содержащим химические вещества или питательные вещества, поэтому питательные вещества не обязательно должны поступать из почвы (14). В 1860-х годах другой немецкий ботаник, Юлиус фон Сакс, усовершенствовал питательные растворы и провел обширные исследования в области питания растений (15).

1699: Джон Вудворд

Вудворд был английским натуралистом, который в 1699 году опубликовал результаты своих экспериментов по «водной культуре» с использованием мяты перечной, выращенной в разных видах воды (неочищенной и дистиллированной). Он обнаружил, что растения, выращенные в менее чистой воде, росли лучше, чем те, что выращивались в дистиллированной.

В середине 1800-х годов немецкие ботаники Юлиус фон Сакс и Вильгельм Кноп разработали то, что считается первым по-настоящему гидропонным подходом к выращиванию растений, метод, известный тогда как «культура в растворе», но в настоящее время обычно называемый глубоководной культурой.

1860: Юлиус фон Сакс

Профессор Сакс публикует первую формулу питательного раствора, который можно растворять в воде для выращивания растений. Эта стандартная формула, с небольшими изменениями, используется в течение следующих 80 лет.