Удобрения

Люди, как это ни странно, пришли к мысли о внесении минеральных веществ в почву относительно недавно. До первой половины девятнадцатого века выращиваемые культуры удобрялись лишь органическими удобрениями, да эмпирически подобранными веществами (например, золой) – повсеместно считалось, что для роста и питания растений нужна лишь вода.

Данную точку зрения «доказал» в свое время нидерландский алхимик ван Гельмонт, проведя ряд опытов с ивой. В течение пяти лет он регулярно поливал растение, посаженное в большой горшок. За это время ива стала тяжелее почти на 70 кг, тогда как земля практически не изменила свой вес, убавив всего 100 грамм.

С развитием химии как науки, ситуация несколько изменилась. Стало очевидным, что для роста растений нужен углерод, которого в воде нет, зато в воздухе предостаточно. Теория была быстро оценена и получила подтверждение опытным путем благодаря стараниям швейцарского ботаника Жана Сенебье. «Воздушное питание» растений получило широкое распространение и вызвало возражение лишь у консервативно настроенной группы ученых, считающих, что основное питание растений происходит за счет органических веществ, содержащихся в почве.

Вероятно поэтому новая теория, предложенная немецким химиком Ю. Либихом в книге «Органическая химия в применении к земледелию и физиологии», была встречена «в штыки». В частности, в своем труде автор указывал на обеднение почвы минеральными солями и предрекал скорую необходимость их искусственного внесения в состав удобрений. Первоначально ученый определил в необходимые для внесения в почву химические элементы только калий и фосфор, так как азот, по его мнению, мог усваиваться растениями из воздуха. В результате первые опыты по внесению фосфорно-калиевых удобрений провалились – результаты сплошь отрицательные. Книга вызвала шквал критики среди знатоков сельского хозяйства и ученых, на Либиха посыпались оскорбительные карикатуры и письма.

Азотные удобрения
Тем не менее, после признания Либихом своей ошибки и добавления в список необходимых веществ азота, его работа была признана и оценена по достоинству. Со второй половины девятнадцатого века для производства удобрений (суперфосфата и сульфата аммония) стали строится заводы. Калий и фосфор промышленники добывали без труда - в почве этих элементов содержится в достаточном количестве, однако азот добыть было труднее. Помощь пришла из Чили – оказалось, что благодаря особому разложению органических веществ (вследствие почти полного отсутствия на данных территориях осадков), а так же веками копившемуся в этой местности птичьему помету, в предгорьях Кордильер образовались уникальные залежи селитры. Это соединение залегало вдоль океана в виде полосы длиной 200 км, шириной три километра и толщиной до 3 метров. Чили становится крупнейшим импортером селитры. Объемы ее выработки неуклонно росли – в конце XIX века добывалось около тысячи тонн в год, а в начале ХХ века уже порядка миллиона тонн. Не удивительно, что ученые были обеспокоены столь быстрым потреблением этого соединения и искали пути синтеза азотных соединений.

Впервые этого удалось добиться Фрицу Габеру в 1909 году, который изобрел метод связывания азота, содержащегося в воздухе, получая на выходе аммиак. Позднее метод Габера был усовершенствован другим немецким ученым – Карлом Бошем. Оба исследователя за свои труды были удостоены Нобелевской премии. В настоящее время метод Габера – Боша остается основным способом получения азотистых удобрений, коих производится около 100 миллионов тонн в год.

Пестициды

Пестици́ды (лат. pestis — зараза и лат. caedo — убивать) (сельскохозяйственные ядохимикаты) — химические средства, используемые для борьбы с вредителями и болезнями растений, а также с различными паразитами, сорняками, вредителями зерна и зернопродуктов, древесины, изделий из хлопка, шерсти, кожи, с эктопаразитами домашних животных, а также с переносчиками опасных заболеваний человека и животных. Пестициды объединяют следующие группы таких веществ: гербициды, уничтожающие сорняки, инсектициды, уничтожающие насекомых-вредителей, фунгициды, уничтожающие патогенные грибы, зооциды, уничтожающие вредных теплокровных животных и т. д. Большая часть пестицидов — это яды, отравляющие организмы-мишени, но к ним относят также стерилизаторы (вещества, вызывающие бесплодие) и ингибиторы роста.

Пестициды относятся к ингибиторам (отравителям) ферментов (биологических катализаторов). Под действием пестицидов часть биологических реакций перестаёт протекать, и это позволяет бороться с болезнями (антибиотики), дольше хранить пищу (консерванты), уничтожать насекомых (инсектициды), уничтожать сорняки (гербициды).

Пестициды, проникающие во все ткани живого организма или растения, называются системными пестицидами.

Микроволновая печь

Для начала немного истории. В 1942 году американский физик Перси Спенсер с удивлением обнаружил, что микроволны обладают тепловым воздействием. Как такое могло произойти? - история умалчивает. По одной из версий, господин Спенсер, будучи сотрудником лаборатории компании «Райтеон», работал над излучателем сверхвысокочастотных (СВЧ) волн. И в один прекрасный момент он по своей дикой рассеянности, которая присуща всем ученым, положил на прибор свой бутерброд. Через несколько минут ученый с удивлением обнаружил, что его сэндвич нагрелся! По другой версии Спенсер гамбургеров терпеть не мог, но зато очень любил шоколад. А свойство СВЧ волн Перси обнаружил потому, что в кармане пиджака растаяла шоколадная плитка, когда он стоял около прибора.

микроволновка Спустя три с половиной года после этого события, физик получил патент на использование микроволн для приготовления пищи. И уже в 1947 в военных столовых появились СВЧ печи. Новинка выглядела очень необычно, она не имела ничего общего с привычными нам микроволновками: высотой с человеческий рост, весом с корову – 340 кг. Стоило это чудо техники несколько тысяч долларов. Вот тогда то всем стало ясно, что идею неплохо бы доработать…

Следующие полтора десятилетия над разработкой печи трудились специалисты японской фирмы «Шарп». И, конечно же не зря. Первая серия микроволновок появилась в продаже осенью 1962 года. Эта же фирма в 66-ом году разработала вращающуяся тарелку в печи, в 79-ом ввела микропроцессорную систему управления, а в 99-ом изобрела первую печь с выходом во всемирную паутину. На сегодняшний день «Шарп» является производителем «номер один» в мире, разделив почетное звание с «Панасоником.

Если разобрать микроволновку то внутри увидим трансформатор, магнетон и волновод. Магнетрон – не что иное,как вакуумный прибор, генерирующий высокочастотные волны, которые и являются основным моментом в любой микроволновке. Но для выработки волн напряжения 220В недостаточно, поэтому питание магнетрона осуществляется через трансформатор.

Для охлаждения магнетрона конструкторы добавили вентилятор, непрерывно обдувающий магнетрон воздухом.

микроволновка После магнетрона волны устремляются в волновод - канал с металлическими стенками, отражающими излучение. Потом они проходят через слюдяной фильтр и попадают в полость печи. Слюда – это неотъемлемая часть любой СВЧ печки, защищающая волновод от пара разогреваемой пищи и жира. Со временем, зачастую фильтр приходит в негодность, но его можно быстро и недорого заменить в любом сервисном центре вашего города.

Полость микроволновки изготавливается из металла. В самых дешевых моделях внутренняя поверхность покрыта краской «под эмаль». Срок жизни такой имитации очень недолговечен. Не пройдет и полугода, когда вы увидите, что краска под воздействием высоких температур начнет трескаться и облезать, что, несомненно, омрачит радость от приготовления ваших любимых блюд!

микроволновка Самый практичный вариант - эмалевое или керамическое покрытие. Стенки микроволновки легко отмываются и выдерживают высокие температуры. Правда, есть и свои недостатки: эмаль и керамика чувствительны к ударам. Загружая в печь посуду, можно случайно задеть стенки и повредить покрытие. Поэтому, на всякий случай, будьте осторожны.

Самое ударопрочное решение – нержавеющая сталь. Плюс этого материала - прекрасное отражение микроволн. А минус в том, что если хозяйка уделяет мало внимания своей любимой микроволновке, брызги жира и пищи могут оставить следы на поверхности. И все же микроволновка нужна всем.

Глутамат Натрия

В 1907 году профессор Императорского Токийского университета Кикунаэ Икэда приступил к научному исследованию, целью которого являлась идентификация компонента «умами» в водорослях. В течение года профессору удалось выделить, очистить и идентифицировать основной компонент умами, и он довольно быстро получил патент на него.

Глютамат натрияВ 1909 году предприниматель Сэбуросуки Сузуки вместе с Икэдой начал промышленное производство l-глутамата мононатрия (в странах ЕС именуется как MSG, по международной классификации – пищевая добавка E621). Первый процесс промышленного производства заключался в методе извлечения MSG, при котором растительные белки смешивали с соляной кислотой, чтобы разрушить пептидные связи. Из этого исходного материала выделялся гидрохлорид L-глутаминовой кислоты, который затем очищался до уровня MSG, то есть до известных всем белых кристаллов глутамата натрия.

Первоначально производство MSG было ограничено из-за технических недостатков описанного метода, его трудоёмкости и большого количества побочных продуктов; более продуктивные способы появились лишь 1950-х годах. Один из них являлся прямым химическим синтезом, который использовался с 1962 до 1973 года. При данном способе исходным материалом являлся акрилонитрил, из которого в ходе определённых химических процессов выкристаллизовалась dl-глутаминовая кислота. Однако самым распространённым стал изобретённый в 1956 году метод прямого брожения. Преимущества метода брожения (сокращение издержек производства плюс меньшие затраты на экологичность) оказались настолько весомыми, что заставить всех поголовно производителей глутамата переключиться на брожение не составило труда. Сегодня общий объём производства MSG методом брожения оценивается 2 миллионами тонн в год (2 миллиарда килограмм в год). В то же время, будущий рост производства глутамата натрия, вероятно, потребует поиска новых технологий.

ОТКРЫТИЕ ГЛУТАМАТА И НАЧАЛО ПРОИЗВОДСТВА
В 1907 году профессор Икэда Кикунаэ приступил к научно-исследовательским работам с целью идентифицировать находящееся в водорослях (Laminariaceae) вещество, придающее блюдам уникальный «бульонный» (или «мясной») вкус, повсеместно присутствовавший в блюдах японских заведений общественного питания, где давней традицией является употребление супов на водорослях. Его исследование было основано на гипотезе, что водоросли содержат одно или более веществ, формирующих вкус, который не может быть классифицирован как горький, кислый, соленый или сладкий (известные основные вкусы в то время). Он назвал этот предполагаемый пятый основной вкус «умами». В более широком плане Икэда надеялся, что в случае успеха результатам исследования можно было найти коммерческое применение в виде приправы, которая могла бы способствовать совершенствованию блюд японской кухни. В 1908 году он идентифицировал вкус умами в одной из составляющих водорослей – l-глутамате. Затем Икэда Кикунаэ подал заявку на патент производства новой приправы, состоящей главным образом из соли l-глутаминовой-кислоты. Через некоторое время Сэбуросуки Сузуки, известный предприниматель области химической и фармацевтической промышленности, в сотрудничестве с Икэдой занялся производством и продажей изобретённой приправы. В 1909 она была названа «адзиномото» («сущность вкуса») и была зарегистрирована как торговая марка.

СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ: САМЫЙ ПЕРВЫЙ СПОСОБ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА
Производство глутамата натрияСтановление промышленного производства глутамата началось в декабре 1908 года. Это было первой попыткой произвести аминокислоты в промышленных объёмах, посему отсутствие какого-либо опыта сделало процесс весьма трудоёмким. Сам процесс состоял из 3 частей: извлечение, выделение, очистка.

Этап извлечения
Профессор Икэда предложил использовать в качестве сырья клейковину пшеницы, поскольку она имеет самое высокое содержание l-глутамина среди доступного в промышленном отношении сырья. После гидролиза белка l-глутамин превращался в l-глутаминовую кислоту; следует отметить, что полное глутаматное содержание (глутамат + глутамин) гидролизированной клейковины пшеницы составляет более 30 г на 100 г белка. Клейковина сначала отделялась от пшеничной муки посредством вымывания крахмала из теста. Полученная сырая клейковина помещалась в глиняные ёмкости (названные оригинальным термином «горшки для игры домёдзи»), смешивалась с соляной кислотой и подвергалась интенсивной тепловой обработке в течение 20 часов. К слову говоря, в процессе экспериментов было использовано великое множество емкостей, но именно старомодные «горшки домёдзи» оказались самыми стойкими к воздействию соляной кислоты в сочетании с высокой температурой. Полученный гидролизат белка затем подвергался фильтрованию, чтобы устранить чёрный осадок, позже названный перегноем, который получался вследствие реакции аминокислот с углеводами. Далее он снова помещался в глиняные горшки на 24 часа для концентрации. Ещё далее концентрат переливался в глиняный горшок, но уже на целый месяц, чтобы позволить соли гидрохлорида l-глутаминовой кислоты приобрести вид кристалла.

Кристаллизация гидрохлорида l-глутаминовой-кислоты оказалась крайне эффективной для извлечения l-глутамата из гидролизата, поскольку она является единственной солью аминокислоты в гидролизате с очень низкой растворимостью по отношению к концентрированной соляной кислоте. Кроме того, сам полученный кристалл обладает очень высокой сопротивляемостью к растворению другими аминокислотами: молекулы l-глутаминовой кислоты образуют вдоль кристалла ось, связываясь α – аминопластами N-H-Cl и γ-карбоксионными цепочкоми связей водорода O-H-Cl. Структурно говоря, для других аминокислот трудно встроить в себя в эти кристаллы роста, который заставляет кристаллизацию обработать также процесс (частичной) очистки. Необычная кристаллическая структура также ограничивает степень, до которой другие составы в гидролизате клейковины (окраска агентов, других органических кислот) объединяются в растущие кристаллы, или так или иначе противодействуют процессу кристаллизации. Этим простым процессом кристаллизации l-глутамат мог таким образом восстанавливаться из гидролизата с большим процентом выработки и с улучшенной чистотой. Однако нужно отметить, что данный процесс был весьма опасен: можете представить себе, какое воздействие оказывали пары серной кислоты на рабочих, металлические конструкции и местную атмосферу.

Этап выделения
Кристаллы гидрохлорида l-глутаминовой-кислоты отделялись от жидкости при помощи фильтров и повторно растворялись в воде. Этот раствор снова профильтровывался, чтобы устранить перегной. PH-показатель (водородный показатель) затем регулировался до значения изоэлектрической точки l-глутаминовой-кислоты (pH 3.2) при помощи натрия или гидроокиси калия, и данный раствор оставлялся на одну неделю, чтобы позволить l-глутаминовой-кислоте кристаллизоваться. Этот шаг крайне увеличил чистоту кристаллов по следующей причине. В кристаллах l-глутаминовой-кислоты есть два многоморфа: метастабильный, гранулированный α-формы и устойчивый, тонкий, пластинчатый β-формы. α-форма растет быстрее β-формы в растворах, содержащих другие аминокислоты. И, растя в определенной цепочке соединений водорода, доминантный признак α-формы специально забирает молекулы l-глутаминовой-кислоты из l-α-аминокислоты и γ-остатков карбоксила. Поскольку водный раствор соли гидрохлорида l-глутаминовой-кислоты, созданной в ранней стадии производства (описанном выше) всё ещё содержало другие аминокислоты, α-форма глутаминовой кислоты являлась доминирующим кристаллом, сформированным в pH-показателе 3.2. Таким образом, улучшение чистоты вещества получалось благодаря тому, что выращенные кристаллы с α-формой не содержали других аминокислот.

Этап очистки
Кристаллы выделенной l-глутаминовой кислоты повторно растворялись в воде и помещались в покрытый кожухом эмалированный сосуд. Туда добавлялся бикарбонат натрия, чтобы привести pH-показатель до нейтрального уровня (для этого применялась лакмусовая бумага). Раствор глутамата мононатрия затем обесцвечивался путём добавления активированного угля и фильтрования. Профильтрованный раствор посредством нагрева концентрировался и охлаждался в эмалированом сосуде, вызывая ускоренное формирование кристаллов l-глутамата мононатрия. Сгустки кристаллов глутамата натрия измельчались в порошок и отделялись от остатков раствора на центрифуге. Полученный порошок высушивался, просеивался и упаковался уже как конечный продукт.

В марте 1909 года была успешно произведена первая партия глутамата натрия (MSG), предназначенная для продажи. Это был порошок светло-коричневого цвета с чистотой примерно 85% (тогда как при росте в абсолютно чистом растворе глутамат представляет из себя ромбовидные прозрачные кристаллы, но из-за присутствия β-формы рост кристаллов чрезвычайно зависит от присутствия других аминокислот). При наличии других аминокислот (например, l-аланина), кристаллы глутамата вырастали небольшими, иногда чуть ли не в виде порошка. Но в последующие годы, благодаря развитию технологии очистки, удалось произвести глутамат в виде прозрачных кристаллов.

Консервирование

Природное действие проходит возле нас двумя главными, основными группами. Одна включает цепь процессов, где простые органические вещества и элементы, такие как, например, кислород, азот, углекислый газ и вода, возникают для того, чтобы с помощью энергии создавать органические соединения. В другой группе происходит прямо противоположные процессы. Сложные вещества стремятся разными способами освободиться от энергии и разложиться. Итак, в природе идет многообразный круговорот попеременного освобождения и связывания вещества и энергии.

Изо всех этих сложных процессов для нашего внимания можно выделить простую и относительно узкую группу тех, при которых возникают растительные продукты, которые составляют питание людей. Эти продукты, конечно, участвуют в выше указанном круговороте, подчиняясь природным процессам синтеза и распада.

Человек, поэтому всегда вносил их в течение продолжительного времени в рацион своего питания. Цивилизация и прогресс принесли принципиальное решение этой проблемы. Современный способ жизни вынудил развивать направление хранения продуктов длительное время не только в свежем состоянии, а и в такой форме, которая наиболее сохранит их естественное состояние. Консервированием считается каждое умышленное мероприятие, которое придает сырью форму, пригодную для длительного хранения, и позволяет сохранить его природные свойства.

Слово "консервирование" произошло от латинского слова conserve, которое означает "сохранение". Научные основы современных методов консервирования были даны еще в 19 веке, когда кроме видимых виновников разложения продуктов, таких, как плесень и грибки, были обнаружены и невидимые формы микроорганизмов, бактерии и дрожжевые грибки. Это открытие сделал знаменитый французский химик Луи Пастер (1822 - 1895), который подробно изучил, прежде всего, дрожжевые и патогенные микробы и одновременно заложил научную основу умерщвления их зародышей. В честь него был назван пастеризацией способ частичной стерилизации веществ повышенной температурой, прежде всего, жидких. Пастер имел предшественников в специальности практического консервирования продуктов, им был парижский повар Николас Апперт (умер в 1840). В 1804 году он попробовал консервировать продукты в жестяных банках кипячением и свой способ описал и показал в Париже в 1810 году (L`art de conserver toutes les substances animales et vegetales, Paris 1810, первое немецкое издание вышло в Праге в 1844 году). Жестяную банку наполняли продуктами, предназначенными для консервирования, нагревали водяным паром или в горячей воде. Через малое отверстие на верху банки уходил избыточный воздух, а поле его выхода это отверстие запаивали. Герметично заполненную банку затем кипятили в горячей воде, при этом, чтобы температура могла подниматься до 135 гр С, добавляли различные соли и тем самым достигали требуемой степени стерилизации.

Дальнейшая эволюция принесло не только знание причин разложения, но и дальнейших биохимических изменений, объяснила значение продуктового метаболизма (обмена веществ), как исходных веществ, так и потребности метаболизма человека, для которого вполне хватает основных питательных веществ, таких как сахариды, липиды и белки и биокатализаторов, прежде всего, витаминов, ферментов, веществ роста, пигментов и антибиотиков. Это дало возможность научной специальности консервирования продуктов, которая рациональным способом обеспечивает долговременное хранение трудно сохраняемых продуктов, прежде всего, фруктов и овощей, для круглогодичного употребления и в такой форме, которая лучше всего сохраняет их первоначальный вид.

Из этого наброска вытекает важность консервирования, его значение социальное, государственное и гигиеническое, как с точки зрения производителя, так и потребителя.

Селекция

СЕЛЕКЦИЯ, разработка научно обоснованных методов создания и совершенствования сортов культурных растений и пород домашних животных, а также применение этих методов в растениеводстве (селекция растений) и животноводстве (селекция животных). В результате селекционной работы создают сорта растений и породы животных с нужными биологическими свойствами и хозяйственными качествами. Напр., ведут селекцию на плодовитость и продуктивность скота и птицы, урожайность с.-х. культур, устойчивость к вредителям и болезням, качество продукции, приспособленность к механизированной уборке и др.

История селекции исчисляется тысячелетиями. Селекционеры древности, «бессознательно» используя искусственный отбор, создавали сорта винограда, плодовых культур, пшеницы, хорошо приспособленные к местным условиям и дающие устойчивые урожаи. Впоследствии отбор приобрёл массовый характер – появилась народная селекция растений и животных. Ею были созданы местные засухоустойчивые сорта пшеницы, зимостойкие сорта подсолнечника, яблони (Антоновка, Грушовка), местные породы скота (аборигенный скот), на основе которых позднее были выведены холмогорская, ярославская и др. известные породы крупного рогатого скота, отличающиеся лучшими, чем у местного скота, адаптационными (приспособительными) качествами и более высокой продуктивностью.

Научная селекция стала развиваться с нач. 20 в., одновременно с развитием генетики (теоретическая основа селекции). Открытие законов наследственности и изменчивости, научно обосновавших искусственный отбор, дало возможность сознательно управлять наследственностью растительных и животных организмов.

Современная селекция базируется на методическом отборе, который ведётся в двух направлениях – на сохранение сортовых и породных признаков (массовый отбор) и на их совершенствование (индивидуальный отбор). Для внесения в генофонд ценных генов и получения оптимальных комбинаций признаков (напр., сочетание высокой урожайности с засухоустойчивостью) применяют гибридизацию с последующим отбором.

В животноводстве обычно применяют индивидуальный отбор и гибридизацию, используя различные виды скрещивания – близкородственное (инбридинг), неродственное (аутбридинг) и др. Цель близкородственного скрещивания – перевод большинства генов породы в гомозиготное состояние. Задача неродственного скрещивания – комбинация нескольких полезных признаков. При скрещивании разных пород животных или сортов растений, а также при межвидовых скрещиваниях наблюдается мощное развитие гибридов первого поколения, их высокая жизнеспособность (см. Гетерозис). Удалось получить гетерозисные гибриды огурца, томата и др., урожайность которых на 10–30 % выше, чем у обычных сортов. Разработаны способы преодоления бесплодия межвидовых гибридов, благодаря чему были получены гибриды пшеницы с рожью (тритикале) и с пыреем (пшенично-пырейные гибриды), удачно сочетающие лучшие качества исходных форм (высокую урожайность зерна и зелёной массы с холодостойкостью).

В селекции широко используют метод искусственного мутагенеза (воздействуя мутагенами на исходный материал, нарушают строение молекул ДНК, что приводит к резкому росту числа мутаций, среди которых часто появляются формы с полезными признаками). Путём искусственного мутагенеза получены высокоурожайные сорта ярового и озимого ячменя, яровая пшеница Новосибирская 67, а также полиплоидные растения (см. Полиплоидия), отличающиеся более крупными размерами плодов, цветков, стеблей и др. органов и повышенным содержанием сахара (сахарная свёкла), белков (зернобобовые), масла (подсолнечник) и др. полезных веществ.

В связи с бурным развитием производств, основанных на биотехнологиях, стала актуальной селекция микроорганизмов (выведение новых их штаммов, имеющих значение для производства кормового белка, ферментативных и витаминных препаратов, антибиотиков, используемых в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности). При этом используют способность микроорганизмов непрерывно синтезировать белки при благоприятных условиях. Разработаны способы внедрения в бактериальную клетку определённых генов, в т. ч. человека. Это обеспечивает интенсивную выработку ею белка, кодируемого чужим геном. На методах генной инженерии основано производство интерферонов (белков, подавляющих размножение вирусов), инсулина (регулятор уровня глюкозы в крови), гормонов роста и др.

Скотоводство

Начало разведения крупного рогатого скота относится к неолиту, когда охота и собирательство постепенно замещаются скотоводством и земледелием (см. Неолитическая революция). Древнейшие следы скотоводства на данный момент обнаружены в регионе Плодородного полумесяца, а также в Иране (Ганджи-Даре).

Продолжительное время скотоводство заключалось в выгуле (выпасе) пастухами скота на пастбищах. В течение дня скот один раз останавливался на отдых (табор), как правило, у водоёма. В отдельных случаях в выпасе скота пастухи использовали собак.

В настоящее время в развитых странах широко используется стойловое содержание скота на животноводческих фермах.

Оррошение

Уже в древнейшие времена орошение достигло степени искусства, на котором было основано благосостояние целых стран. О проведении воды для увлажнения полей упоминается во многих местах Библии. Местность между Евфратом и Тигром славилась уже в глубочайшей древности сельскохозяйственным прогрессом, достигнутым при помощи систематического орошения. С незапамятных времён существуют образцы оросительных сооружений в странах древнейшей культуры: в Китае, Индии и Египте, а в Новом свете — в областях исчезнувшего царства ацтеков. Египтяне не довольствовались периодическими разливами Нила для оплодотворения своих полей; а провели его воды, с помощью разветвлённой системы каналов, по всей своей плодородной области до края пустыни. Впоследствии перешли здесь к водочерпательным колёсам, поднимавшим воду на высоту.

В Европе древнейшими мастерами по части орошения являются этруски. Громадные остатки каналов между Адиджем и По свидетельствуют ещё в настоящее время об исполинских сооружениях, исполненных этим народом исключительно для обводнения полей. Своё искусство они передали римлянам. Последние высоко ценили воду, и ещё в настоящее время поражают их гидротехнические сооружения: возвышенные бассейны, водопроводные каналы, искусственные пруды и озёра, великолепная отделка источников и другие совершенные устройства для доставления хорошей воды.

Самым широким образом оросительные сооружения развились в Ломбардии. Сеть оросительных каналов в этой области, развиваемая и совершенствуемая со времён римлян, охватывала к началу XX века площадь до 450 000 гектаров. Главные каналы этой сети, в состав которых вошли и древние искусственные водотоки, построены были в начале средних веков частью монахами, частью городами Миланом, Кремоной и другими под владычеством Висконти, Сфорца, Паллавичино, а в области Мантуи династией Гонзага. Древнейший канал Ветталия построен в 1057 году. Уже в 1216 году в Милане появляется собрание постановлений о пользовании водой, которые впоследствии были усовершенствованы и послужили основанием законодательства об орошении 1747 года. В XI веке монахи аббатства Кьяравалле владели более чем 8 000 гектаров орошаемых лугов и продавали излишек своей воды. Для определения её количества пользовались особыми водомерами, в которых вода пропускалась через определённое отверстие (0,029 м²), при постоянном напоре (0,10 м). В минуту через такое отверстие протекает 2,1835 м³, что называется миланской унцией. Впоследствии вместо водяной унции стали пользоваться для измерения расхода другими устройствами и приборами, называемыми со времен Солдати, первого изобретателя такого прибора в XVI веке, модулями.

Из Ломбардии немецкие солдаты в XVIII веке принесли с собой искусство орошения в область нижнего Рейна, где оросительные устройства особенно развились и укрепились в окрестностях города Зигена, благодаря стараниям бургомистра этого города Дреслера, около 1750 года. В Испании орошение введено было маврами, трудами которых безводные окрестности Валенсии превратились в область роскошнейшего плодородия. Развалины гидротехнических сооружений мавров в Испании до сих пор производят впечатление своим величием. Мавританские оросительные устройства послужили образцом не только в техническом отношении, но и в отношении законодательства и организации, так как здесь явилась самая древняя форма общественного пользования орошением. Подведомственные маврам провинции разделялись на оросительные участки, для которых необходимое количество воды обеспечивалось заграждением горных ручьёв и речек в летнее время. Для этого строились большие плотины. Из образованных таким образом водохранилищ вода проводилась магистральными каналами, а от них ответвлялись боковые каналы, из которых вода для орошения отдельных участков вычерпывалась нориями. Для каждого из орошаемых участков рассчитано было точно потребное количество воды. Пользование ею было строго регламентировано, и за выпуск излишней воды установлены были штрафы. Для контроля расхода воды пользовались стрелочными водомерами. В некоторых местностях Испании устройства эти сохранились ещё в настоящее время. Во Франции большие оросительные системы находятся в долинах Луары и Гаронны, а также в департаментах Савойя, Верхняя Савойя, Буш-дю-Рон, Эро, Гар и других. Англия, по свойствам климата, требует мало орошения, но местами и здесь встречаются обширные местности, пользующиеся искусственным обводнением, например самые древние оросительные устройства, в Уилтшире, созданные в 1690—1700 годах, занимают площадь около 15—20 000 гектаров. В 1743 году Дженингс устроил у Хоудена, близ Йорка, первые кольматажные луга.

ГМО

Стремительно увеличивающееся население нашей планеты побудило ученых и производителей не только интенсифицировать выращивание сельскохозяйственных культур и скота, но и начать поиск принципиально новых подходов к развитию сырьевой базы начавшегося столетия.

Наилучшей находкой в решении данной задачи явилось широкое применение генной инженерии, обеспечившей создание генетически модифицированных источников пищи (ГМИ). На сегодняшний день известно множество сортов растений, подвергшихся генетической модификации для увеличения стойкости к гербицидам и насекомым, повышение маслянистости, сахаристости, содержания железа и кальция, увеличения летучести и снижения темпов созревания.

ГМО — это трансгенные организмы, наследственный материал которых изменен методом генной инженерии с целью придания им желаемых свойств.

Несмотря на огромный потенциал генной инженерии и ее уже реальные достижения, использование генно-модифицированных продуктов питания воспринимается в мире не однозначно. В СМИ регулярно появляются статьи и репортажи о продуктах мутантах при этом у потребителя не складывается полного представления о проблеме, скорее начинает преобладать чувство страха незнания и непонимания.

Существуют две противоборствующие стороны. Одну из них представляют ряд ученых и транснациональные корпорации (ТНК) – производители ГМП, имеющие свои представительства во многих странах и спонсирующие дорогостоящие лаборатории, получающие коммерческие сверхприбыли, действую в наиболее важных областях человеческой жизни: продукты питания, фармакология и сельское хозяйство. ГМП – большой и перспективный бизнес. В мире более 60 млн. га занято под трансгенные культуры: из них 66% в США, 22% в Аргентине. Сегодня 63% сои, 24% кукурузы, 64% хлопка – трансгенные. Лабораторные тесты показали, что около 60−75% всех импортируемые РФ продуктов питания содержат ГМО компоненты. По прогнозам к 2005г. мировой рынок трансгенной продукции достигнет 8 млрд.$, а к 2010 – 25 млрд.$.

Но сторонники биоинженерии предпочитают ссылаться на благородные стимулы их деятельности. На сегодняшний день ГМО – наиболее дешевый и экономически безопасный (как они считают) способ для производства пищевых продуктов. Новые технологии позволят решить проблему нехватки продовольствия, иначе населению Земли не выжить. Сегодня нас уже 6 млрд., а в 2020г. по оценкам ВОЗ – будет 7 млрд. В мире 800 млн. голодающих и каждый день от голода умирает 20000 человек. За последние 20 лет мы потеряли более 15% почвенного слоя, и большая часть пригодных к возделыванию почв уже вовлечены в сельскохозяйственное производство. При этом человечеству не хватает белка, его мировой дефицит составляет 35−40 млн. тонн/год и увеличивается ежегодно на 2−3%.

Одно из решений создавшейся глобальной проблемы – генная инженерия, чьи успехи открывают принципиально новые возможности для повышения продуктивности производства и снижения экономических потерь.

С другой стороны против ГМО выступают многочисленные экологические организации, объединение «Врачи и ученые против ГМП», ряд религиозных организаций, производители сельскохозяйственных удобрений и средств борьбы с вредителями.

Биотехнология – относительно молодая область прикладной биологии, изучающая возможности применения и разрабатывающая конкретные рекомендации использования биологических объектов, средств и процессов в практической деятельности, т.е. разрабатывающая способы и схемы получения практически ценных веществ на основе культивирования целых одноклеточных организмов и свободноживущих клеток, многоклеточных организмов (растений и животных).

Исторически биотехнология возникла на основе традиционных медико–биологических производств (хлебопечение, виноделие, пивоварение, получение кисломолочных продуктов, пищевого уксуса). Особо бурное развитие биотехнологии связывают с эрой антибиотиков, которая наступила в 40−50гг. Следующая веха в развитии относится к 60гг. – производство кормовых дрожжей и аминокислот. Новый импульс биотехнология получила в начале 70−х гг. благодаря появлению такой ее отрасли как генная инженерия. Достижения в этой области не только расширили спектр микробиологической промышленности, но коренным образом изменили саму методологию поиска и селекции микроорганизмов – продуцентов. Первым генно-инженерным продуктом стал человеческий инсулин, продуцируемый бактериями Е.соli, а также изготовление лекарств, витаминов, ферментов, вакцин. В тоже время энергично развивается клеточная инженерия. Микробный продуцент пополняется новым источником получения полезных веществ – культурой изолированных клеток и тканей растений и животных. На этой основе разрабатываются принципиально новые методы селекции эукариот. Особенно больших успехов удалось достичь в области микроклонального размножения растений и получить растения с новыми свойствами.

В действительности использованием мутаций, т.е. селекцией, люди начали заниматься задолго до Дарвина и Менделя. Во второй половине XX века материал для селекции стали готовить искусственно, генерируя мутации специально, воздействуя радиацией или колхицином и отбирая случайно появившиеся положительные признаки.

В 60−70гг.. XX века были разработаны основные методы генной инженерии – отрасли молекулярной биологии, основной задачей которой является конструирование in vitro (вне живого организма) новых функционально активных генетических структур (рекомбинантных ДНК) и создание организмов с новыми свойствами.

Генная инженерия помимо теоретических задач – изучение структурно-функциональной организации генома различных организмов – решает множество практичных задач. Так получены штаммы бактериальных дрожжей, культуры клеток животных, продуцирующих биологически активные белки человека. И трансгенные животные и растения, содержащие и производящие чужеродную генетическую информацию.

В 1983г. ученые, изучая почвенную бактерию, которая образует на стволах деревьев и кустарников наросты, обнаружили, что она переносит фрагмент собственной ДНК в ядро растительной клетки, где он встраивается в хромосому и распознаваемая как свой. С момента этого открытия и началась история генной инженерии растений. Первыми в результате искусственных манипуляций с генами получился табак, неуязвимый для вредителей, потом генно-модифицированный помидор (в 1994г. фирмы Monsanto), затем кукуруза, соя, рапс, огурец, картофель, свекла, яблоки и многое другое.

Сейчас выделять и собирать гены в одну конструкцию, переносить их в нужный организм – рутинная работа. Это та же селекция, только более прогрессивная и более ювелирная. Ученые научились делать так, чтобы ген работал в нужных органах и тканях (корнях, клубнях, листьях, зернах) и в нужное время (при дневном освещении); а новый трансгенный сорт может быть получен за 4−5 лет, в то время как на выведение нового сорта растений классическим методом (изменение широкой группы генов с помощью скрещивания, радиации или химических веществ, надеясь на случайные сочетания признаков в потомстве и отбор растений с нужными свойствами) требуется более 10 лет.

В целом, проблема трансгенных продуктов во всем мире остается очень острой и дискуссии вокруг ГМО не утихнут еще долго, т.к. преимущество их использования очевидны, а отдаленные последствия их действия, как на экологию, так и на здоровье человека менее ясны.

Гидропоника

Название «гидропоника» происходит от двух греческих слов: ponos – труд и hydor – вода, и дословно означает «работающая вода». Гидропонику (беспочвенный метод культивирования растений) можно назвать технологией будущего. Хотя, как известно, все новое – это давно забытое старое.

Прародителями гидропонных садов считают висячие сады Семирамиды.

Но первым, кто пытался объяснить и описать процесс питания растений, был Аристотель. Он пришел к выводу, что пища к растениям поступает уже в органической (конечной) форме. После смерти Аристотеля изучение этого вопроса оставалось в забытьи многие столетия, пока в 17в. им не занялся Иоганн Ван Гельмонт (голландский ученый). Он проводил научные эксперименты, чтобы выяснить, откуда растения получают пищу и чем именно они питаются.

Затем на протяжении 2-х столетий свою лепту в историю развития гидропоники поочередно внесли Эдме Мариот, Марчелло Мальпиги, Стефан Хэйлс и Джон Вудворд. За это время было установлено, что растения используют для строительства своих клеток уже химически измененные вещества, и в этом процессе важную роль играет кислород. А описания выращивания растений Джона Вудворда ближе всего были к современному определению гидропоники.

В 19 веке немецкий агрохимик Юстус фон Либих, изучавший принцип питания растений, вывел следующее утверждение: «Источник питания растений – это неорганическая природа». Впоследствии труды Либиха помогли ученым продвинуться в понимании этого вопроса. В 1856 году два немецких ботаника Ю. Закс и Ф. Кноп впервые вырастили из семян растения на искусственном растворе, что позволило разгадать, из каких химических элементов составлен «рацион» растений. А раствор Кнопа до сих пор используется в гидропонной культуре.

В 1929 г американский профессор фитофизиолог Уильям Герикке, после удачно проведенных опытов, разработал теорию гидропоники и начал выращивать овощи в емкостях с питательным раствором. Примерно в одно время с Ф. Кнопом российские ученые Прянишников и Тимирязев занимались разработкой метода выращивания растений в растворах неорганических соединений. И уже в 1938-39 гг. в нашей стране впервые были выращены овощи без почвы.

В результате упорной работы многих ученых и тысяч проведенных экспериментов, удалось узнать, какие вещества должны присутствовать в растворе солей для оптимального развития растений – это кальций, калий, магний, железо, фосфор, сера и азот. При отсутствии калия останавливается рост растений. Если исключить кальций, не будет развиваться корневая система. Без железа и магния не будет хлорофилла, а сера и фосфор помогают в образовании белков.

Поначалу в гидропонике использовали исключительно метод водной культуры, но при таком методе корни растения не получали достаточной дозы кислорода и быстро отмирали. На смену метода водной культуры пришли другие: агрегатопоника, при котором корни помещают в твердые неорганические субстраты – гравий, щебень, песок, керамзит; хемопоника – здесь субстратом для корней служат верховой торф, мох, опилки и другие органические материалы; ионитопоника – в качестве субстрата выступают ионообменные материалы; аэропоника, при котором корни обходятся вообще без субстрата, т.к они висят в темной камере.

Дистилляция

Все народы изготовляют крепкий алкоголь из имеющегося сырья, используя процесс дистилляции. Когда точно была изобретена дистилляция, благодаря которой человечество может наслаждаться крепкими алкогольными напитками, известно одному Богу. Доподлинно известно, что пиво и вино человек изготовлял уже 4000 лет до н.э. Но кто и как сделал шаг от браги к дистиллированному спирту - загадка. Возможно, процесс дистилляции был открыт китайцами или египтянами, а может быть - индийцами. Не исключено, что разные народы пришли к этому открытию независимо друг от друга. Но в Европу - ведь, скорее всего именно европейцы догадались принимать продукт дистилляции слабоалкогольных напитков (различных браг, пива, вина) перорально, а не только использовать для наружного применения - это знание принесли арабы.

Большая часть лексики, применяемой для описания процесса дистилляции, имеет арабские корни. Само слово алкоголь есть не что иное как арабские определенный артикль 'аль' и корень 'кохль', который можно перевести как 'красота'. Арабы делали из алкоголя женскую косметику, а также использовали его для мумифицирования тел особо отличившихся перед обществом граждан. Перегонный куб, применяемый для производства коньяка и арманьяка во Франции, называется alambique - аламбик, и это слово тоже арабского происхождения.

Собственно дистилляции предшествует изготовление слабоалкогольного напитка брожения (вина или браги), который как раз и сепарируется на составляющие: алкоголь, углекислый газ и воду. Приготовить брагу можно из плодов, кореньев, зерна, то есть из чего угодно, что содержит природные сахара - углеводы. Например, из молока или сахароносных растений: сахарной свеклы, сахарного тростника и сахарного сорго, столовых сортов кукурузы, сахарной и винной пальм, а также цикория, арбуза, сахарного клена, дыни, верблюжьей колючки (она выделяет сладкую клееобразную жидкость). Или из сахарофильных растений, накапливающих в листьях в процессе фотосинтеза только сахара. К ним относится, например, тюльпан. Правда, из тюльпанов никто спирт не гонит, равно как из верблюжьей колючки. Хотя непонятно, почему.

Углеводы, содержащиеся в растительном сырье, при помощи дрожжей и природных ферментов - энзимов превращаются в алкоголь и углекислый газ. Далее брагу нужно перегнать, или дистиллировать (от латинского distillare - капать). И этот процесс в теории несложен. Алкоголь закипает при температуре 78,3°С, а вода, как известно, - при 100°С. Другие вещества, образующиеся при брожении: эфиры, альдегиды, сивушные масла и т.д. - имеют свою температуру кипения, отличную от спирта, меньшую или большую, чем вода. Соответственно при нагревании какой-либо слабоалкогольной жидкости можно сепарировать различные фракции, собирая их и охлаждая и таким образом вновь переводя в жидкое состояние. В разговоре профессионалов вы вполне можете услышать выражение 'разогнать по фракциям', что означает добиться довольно точной сепарации жидкости на составляющие.

Кстати, нигде, кроме России, так не любят и не воспевают 'первач' - первую фракцию дистилляции, мутного цвета, насыщенную альдегидами, метанолом, эфирами и другими не очень полезными для организма веществами. В то же время во всем мире производители рома, шотландского и ирландского виски, коньяка и других напитков, изготовляемых традиционным способом (то есть методом двойной дистилляции в перегонных кубах), отделяют 'сердце' выгонки - питьевой спирт от 'первача' и 'хвостов', то есть фракций отгона, содержащих яды. Ведь 'первач' в больших дозах вполне способен лишить не только зрения, но и жизни.

Перегонные устройства
Сегодня в промышленности используют только два типа аппаратов для производства пищевого алкоголя. Первый - это традиционные перегонные кубы. В них брага подается порциями и дистиллируется два или три раза, что само по себе представляет трудоемкий и дорогостоящий процесс. Второй - составляют аппараты непрерывного действия, или ректификационные колонны. Аппараты обоих типов могут различаться размерами, формой, объемом, элементами конструкции, но эти особенности не слишком существенны.

Традиционный перегонный куб
Внешне напоминающий огромный чайник, во Франции носит название alambique (аламбик), в англоговорящих странах - pot still (пот стил). Используя этот тип аппаратов для производства алкоголя, брагу перегоняют дважды или трижды - чтобы добиться более высокой степени очистки. Сначала она поступает в первый перегонный куб - непосредственно для браги, а затем - в спиртовой перегонный куб. Этот второй куб, как правило, меньше по размеру, поскольку и объем жидкости, который он перерабатывает, значительно меньше.

Кубы обычно делают из меди, хотя в принципе может подойти любой металл, керамика или стекло. Предпочтение, оказываемое меди, не случайно. Во-первых, она отлично проводит тепло, а во-вторых, это очень гигиеничный металл: в процессе дистилляции медь отдает свои ионы, связывая нежелательные химические элементы (сульфиды), которые в основном и 'отвечают' за неприятный запах дистиллята. Куб состоит из четырех частей: 'чайник' (pot), 'лебединая шея' (она так и называется по-английски swan neck), затем следует рукав, переходящий в конденсатор (змеевик).

Есть кубы полненькие и приземистые, есть вытянутые, некоторые имеют грушевидную форму, другие - классическую луковичную. Но это не просто дизайнерские прихоти: все параметры перегонных кубов (объем, высота, форма) влияют на вкус и аромат итогового продукта. В высоких перегонных кубах обычно получается более легкий спирт, в невысоких и полных - более тяжелый и маслянистый.

А теперь заглянем внутрь кубов во время их работы. При нагревании браги содержащийся в ней спирт и другие летучие вещества переходят в газообразное состояние, конденсируются в змеевике, охлаждаемом водой, и вновь переходят в жидкое состояние. Полученный в первом кубе дистиллят крепостью до 25% собирается и вновь возгоняется, а после второй перегонки достигает уже крепости 70-75% - большей при таком процессе добиться сложно.

При перегонке браги важен очень медленный и равномерный нагрев. Наилучший контроль за температурой обеспечивают современные паровые нагреватели, но многие производства, оставаясь верными традициям, продолжают использовать для нагрева открытый огонь. И хотя сегодня температуру можно контролировать с помощью механизмов, управляемых компьютерами, решения по-прежнему принимает мастер перегонки. Между прочим, после каждой из них куб приходится тщательно отмывать, чтобы удалить неизбежно образующиеся жесткие частицы, пригорающие к стенкам.

Из второго отгона получаются четыре фракции:

Первач, или по-английски foreshots. Он составляет примерно 5% самой первой фракции второго отгона, содержит большое количество летучих соединений - альдегидов, кислот. 'Зело пахуч' и непригоден для пищевых целей. При добавлении воды мутнеет.

'Сердце' выгонки (heart of the run), или иначе middle cut (дословно 'средний срез') - включает следующие 15% отгона. Крепость фракции доходит до 75%. Эта часть отгона бесцветна, тоже весьма пахуча, но ароматическую основу образуют в основном эфиры. По мере продолжения отгона интенсивность эфирных ароматов снижается, уступая место другим. Именно эта часть отгона является питьевой и может разливаться в бочки для выдержки.

Хвостовая часть выгонки, или 'хвосты' (feints), образуют следующие 40% отгона. Это спирт невысокой концентрации алкоголя, насыщенный нежелательными компонентами, имеющий сильный 'застойный' запах. Отгон 'хвостов' продолжается до тех пор, пока в них остается алкоголь. Обычно винокур 'отрезает хвосты' при падении крепости отгона до определенного уровня, причем каждый дистиллер сам определяет этот порог.

Пустая, не содержащая алкоголя жидкость (spent lees), или 'пустой' остаток, составляет последние 40% отгона. Фактически это неочищенная вода, которую сливают, правда, сначала, как правило, подвергая очистке.

В зависимости от того, какой спирт нужно получить - легкий или более насыщенный, тяжелый, можно увеличивать долю 'голов' или 'хвостов'. 'Первач' и 'хвосты' обычно добавляют в новую порцию браги для выгонки, а последнюю, 'пустую' часть не используют.

Огонь

Люди рано открыли полезные свойства огня — его способность освещать и согревать, изменять к лучшему растительную и животную пищу. «Дикий огонь», который вспыхивал во время лесных пожаров или извержений вулканов, был страшен и опасен для человека, но, принеся огонь в свою пещеру, человек «приручил» его и «поставил» себе на службу. С этого времени огонь стал постоянным спутником человека и основой его хозяйства. В древние времена он был незаменимым источником тепла, света, средством для приготовления пищи, орудием охоты. Однако и дальнейшие завоевания культуры (керамика, металлургия, сталеварение, паровые машины и т.п.) обязаны комплексному использованию огня.

Долгие тысячелетия люди пользовались «домашним огнем», поддерживали его из года в год в своих пещерах, прежде чем научились добывать его сами при помощи трения. Вероятно, это открытие произошло случайно, после того как наши предки научились сверлить дерево. Во время этой операции происходило нагревание древесины и при благоприятных условиях могло произойти воспламенение. Обратив на это внимание, люди стали широко пользоваться трением для добывания огня.

Простейший способ состоял в том, что брались две палочки сухого дерева, в одной из которых делали лунку. Первая палочка клалась на землю и прижималась коленом. Вторую вставляли в лунку, а затем начинали быстро-быстро вращать между ладонями. В то же время необходимо было с силой давить на палочку. Неудобство такого способа заключалось в том, что ладони постепенно сползали вниз. Приходилось то и дело поднимать их вверх и снова продолжать вращение. Хотя, при известной сноровке, это можно делать быстро, все же из-за постоянных остановок процесс сильно затягивался. Гораздо проще добыть огонь трением, работая вдвоем. При этом один человек удерживал горизонтальную палочку и давил сверху на вертикальную, а второй — быстро-быстро вращал ее между ладонями. Позже вертикальную палочку стали обхватывать ремешком, двигая который вправо и влево можно ускорить движение, а на верхний конец для удобства стали накладывать костяной колпачок. Таким образом, все устройство для добывания огня стало состоять из четырех частей: двух
палочек (неподвижной и вращающейся), ремешка и верхнего колпачка. Таким способом можно было добывать огонь и в одиночку, если прижимать нижнюю палочку коленом к земле, а колпачок — зубами

Мотыга

С древнейших времен одним из основных занятий человека было собирательство. Под этим словом современные ученые подразумевают сбор съедобных семян, орехов, фруктов, корней, личинок, яиц и т.п. Основным орудием при собирательстве была толстая палка-копалка, один конец которой был заострен и обожжен на огне для прочности. Но уже в очень древние времена наряду с ней стала употребляться палка с поперечным сучком, более удобная для копания земли. В этом орудии можно видеть прообраз мотыги. Позже рабочую часть такой палки стали делать из рога или кости. Наконец появились каменные мотыги, насаженные на деревянную ручку. Этим орудием можно было вскапывать землю, переворачивать ее и разбивать комья. Когда люди перешли к культурному возделыванию растений, мотыга на протяжении нескольких тысячелетий оставалась главным сельскохозяйственным инструментом земледельца.

Однако путь от простого сбора съедобных растений и плодов до сознательного возделывания земли и выращивания культурных растений был несказанно долгим и растянулся на сотни тысяч лет. Одна из наиболее ранних земледельческих культур на земле сложилась около 9-8 тысяч лет до Р.Х. на территории Палестины. Раскопки в горах Кармел дают основание утверждать, что местные жители не только систематически собирали дикий ячмень, но и производили посевы. Однако можно предположить, что в тропической зоне сознательное земледелие возникло еще раньше. Изучение таких культурных растений, как бананы, заставляет думать, что культурное возделывание их началось около 15 тысяч лет до Р.Х. Вместе с земледелием началась новая эра в истории человечества. С этого времени люди стали не только присваивать плоды природы, но и сознательно производить их. Их жизнь стала зависеть не столько от капризов природы, сколько от результатов собственной деятельности

Мельница

Первыми инструментами для измельчения зерна в муку были каменная ступка и пестик. Некоторым шагом вперед по сравнению с ними явился метод перетирания зерна вместо толчения. Люди очень скоро убедились, что при перетирании мука получается гораздо лучше. Однако это также была крайне утомительная работа. Большим усовершенствованием стал переход от движения терки вперед и назад к вращению. Пестик сменился плоским камнем, который двигался по плоскому каменному блюду. От камня, который перетирает зерно, было уже легко перейти к жернову, то есть заставить один камень скользить при вращении по другому. Зерно понемногу подсыпалось в отверстие в середине верхнего камня жернова, попадало в пространство между верхним и нижним камнем и растиралось в муку. Эта ручная мельница получила самое широкое распространение в Древней Греции и Риме. Конструкция ее очень проста. Основанием мельницы служил камень, выпуклый посередине. На его вершине располагался железный штифт. Второй, вращающийся камень имел два колоколообразных углубления, соединенных между собой отверстием. Внешне он напоминал песочные часы и был внутри пустой. Этот камень насаживали на основание. В отверстие вставлялась железная полоса. При вращении мельницы зерно, попадая между камнями, перетиралось. Мука собирались у основания нижнего камня. Подобные мельницы были самых разных размеров: от маленьких, вроде современных кофемолок, до больших, которые приводили во вращение два раба или осел. С изобретением ручной мельницы процесс размалывания зерна облегчился, но по-прежнему оставался трудоемким и тяжелым делом. Не случайно, именно в мукомольном деле возникла первая в истории машина, работавшая без использования мускульной силы человека или животного. Речь идет о водяной мельнице. Но сначала древние мастера должны были изобрести водяной двигатель.

Древние водяные машины-двигатели развились, по-видимому, из поливальных машин чадуфонов, при помощи которых поднимали из реки воду для орошения берегов. Чадуфон представлял собой ряд черпаков, которые насаживались на обод большого колеса с горизонтальной осью. При повороте колеса нижние черпаки погружались в воду реки, затем поднимались к верхней точке колеса и опрокидывались в желоб. Сначала такие колеса вращались вручную, но там, где воды мало, а бежит она по крутому руслу быстро, колесо стали снабжать специальными лопатками. Под напором течения колесо вращалось и само черпало воду. Получился простейший насос-автомат, не требующий для своей работы присутствия человека. Изобретение водяного колеса имело огромное значение для истории техники. Впервые человек получил в свое распоряжение надежный, универсальный и очень простой в своем изготовлении двигатель. Вскоре стало очевидным, что движение, создаваемое водяным колесом, можно использовать не только для качания воды, но и для других надобностей, например, для перемалывания зерна. В равнинных местностях скорость течения рек мала для того, чтобы вращать колесо силой удара струи. Для создания нужного напора стали запруживать реку, искусственно поднимать уровень воды и направлять струю по желобу на лопатки колеса.

Однако изобретение двигателя сразу породило другую задачу: каким образом передать движение от водяного колеса тому устройству, которое должно совершать полезную для человека работу? Для этих целей был необходим специальный передаточный механизм, который мог бы не только передавать, но и преобразовывать вращательное движение. Разрешая эту проблему, древние механики опять обратились к идее колеса. Простейшая колесная передача работает следующим образом. Представим себе два колеса с параллельными осями вращения, которые плотно соприкасаются своими ободьями. Если теперь одно из колес начинает вращаться (его называют ведущим), то благодаря трению между ободьями начнет вращаться и другое (ведомое). Причем пути, проходимые точками, лежащими на их ободьях, равны. Это справедливо при всех диаметрах колес.

Стало быть, большее колесо будет делать по сравнению со связанным с ним меньшим во столько же раз меньше оборотов, во сколько раз его диаметр превышает диаметр последнего. Если мы разделим диаметр одного колеса на диаметр другого, то получим число, которое называется передаточным отношением данной колесной передачи. Представим себе передачу из двух колес, в которой диаметр одного колеса в два раза больше, чем диаметр второго. Если ведомым будет большее колесо, мы можем с помощью этой передачи в два раза увеличить скорость движения, но при этом в два раза уменьшится крутящий момент. Такое сочетание колес будет удобно в том случае, когда важно получить на выходе большую скорость, чем на входе. Если, напротив, ведомым будет меньшее колесо, мы потеряем на выходе в скорости, но зато крутящий момент этой передачи увеличится в два раза. Эта передача удобна там, где требуется «усилить движение» (например, при подъеме тяжестей). Таким образом, применяя систему из двух колес разного диаметра, можно не только передавать, но и преобразовывать движение. В реальной практике передаточные колеса с гладким ободом почти не используются, так как сцепления между ними недостаточно жесткие, и колеса проскальзывают. Этот недостаток можно устранить, если вместо гладких колес использовать зубчатые. Первые колесные зубчатые передачи появились около двух тысяч лет назад, однако широкое распространение они получили значительно позже. Дело в том, что нарезка зубьев требует большой точности. Для того чтобы при равномерном вращении одного колеса второе вращалось тоже равномерно, без рывков и остановок, зубцам необходимо придавать особое очертание, при котором взаимное движение колес совершалось бы так, как будто они перемещаются друг по другу без скольжения, тогда зубцы одного колеса будут попадать во впадины другого. Если зазор между зубьями колес будет слишком велик, они станут ударяться друг о друга и быстро обломаются. Если же зазор слишком мал — зубья врезаются друг в друга и крошатся. Расчет и изготовление зубчатых передач представляли собой сложную задачу для древних механиков, но уже они оценили их удобство. Ведь различные комбинации зубчатых колес, а также их соединение с некоторыми другими передачами давали огромные возможности для преобразования движения. Например, после соединения зубчатого колеса с винтом, получалась червячная передача, передающая вращение из одной плоскости в другую. Применяя конические колеса, можно передать вращение под любым углом к плоскости ведущего колеса. Соединив колесо с зубчатой линейкой, можно преобразовать вращательное движение в поступательное, и наоборот, а присоединив к колесу шатун, получают возвратно-поступательное движение. Для расчета зубчатых передач обычно берут отношение не диаметров колес, а отношение числа зубьев ведущего и ведомого колес. Часто в передаче используется несколько колес. В таком случае передаточное отношение всей передачи будет равно произведению передаточных отношений отдельных пар.

Когда все затруднения, связанные с получением и преобразованием движения, были благополучно преодолены, появилась водяная мельница. Впервые ее детальное устройство описано древнеримским механиком и архитектором Витрувием. Мельница в античную эпоху имела три основные составные части, соединенные между собой в единое устройство: 1) двигательный механизм в виде вертикального колеса с лопатками, вращаемого водой; 2) передаточный механизм или трансмиссию в виде второго вертикального зубчатого колеса; второе зубчатое колесо вращало третье горизонтальное зубчатое колесо — шестерню; 3) исполнительный механизм в виде жерновов, верхнего и нижнего, причем верхний жернов был насажен на вертикальный вал шестерни, при помощи которого и приводился в движение. Зерно сыпалось из воронкообразного ковша над верхним жерновом.

Создание водяной мельницы считается важной вехой в истории техники. Она стала первой машиной, получившей применение в производстве, своего рода вершиной, которую достигла античная механика, и исходной точкой для технических поисков механики Возрождения. Ее изобретение было первым робким шагом на пути к машинному производству.