Революция растений - Стефано Манкузо

Доступность этих новых граней реальности не осталась без последствий. Растения, составляющие большую часть живой массы на Земле, перестали рассматриваться в качестве предметов, а стали живыми существами, начали приоткрывать свои тайны и позволили взглянуть на удивительное многообразие доступного им движения. Это была настоящая революция в науке, изменившая общее восприятие живого. Те, кто раньше смотрел на розовый куст или липовое дерево как на что-то, доставляющее эстетическое удовольствие, но бездушное, вдруг почувствовали интерес и нечто вроде уважения к растениям.

В период между последними годами XIX века и Первой мировой войной были весьма распространены исследования, посвященные феномену тропизма (движения под воздействием внешних сил). Но после открытия Пфеффера биологи посвятили себя изучению собственных (независимых от внешних стимулов) движений растений, их поведению и в конечном итоге их когнитивным способностям. Кульминационным моментом исследований стала речь, прочитанная сэром Френсисом Дарвином на открытии ежегодного конгресса Британской ассоциации содействия развитию науки 2 сентября 1908 года. В своей речи первый преподаватель новой науки, получившей название «физиология растений» и сын великого ученого Чарлза Дарвина без обиняков заявил, что растения представляют собой организмы, наделенные интеллектом, и не отличаются от остальных представителей живого мира.

Так, благодаря изобретению Пфеффера, сегодня мы уже различаем различные типы двигательной активности растений, отличаем активное движение от пассивного и понимаем, как возможно движение существа, не обладающего мышцами. Эти знания имеют ключевое значение для будущего современных технологий, особенно в области создания новых материалов.

Собственные движения растений требуют дополнительных энергетических затрат, в то время как на пассивное движение под воздействием внешних факторов тратится энергия окружающей среды. Например, многие растения используют разницу в дневном и ночном уровнях влажности для того, чтобы выполнить сложные перемещения. Весьма важной общей характеристикой всех двигательных активностей растений является, как уже неоднократно было отмечено выше, отсутствие у них специальных белковых структур, предназначенных для движения – мускулов. Их движения имеют гидравлическую природу, то есть в их основе лежит перемещение воды – парообразной либо жидкой, сквозь растительную ткань.

Активное движение является прямым следствием изменения тургора клетки[9], вызванное осмотическим давлением воды на клеточную мембрану. Вода притекает в клетку при изменении концентраций клеточных растворов и вызывает рост давления на мембрану и стенки клетки, клетка раздувается и двигает части растения. Регулируя концентрацию клеточных растворов, растения могут совершать такие движения, как открытие-закрытие устьиц и цветов: мимоза может сложить листочки, а венерина мухоловка – схватить жертву. Пассивные же движения связаны с изменением гигроскопичности[10] некоторых составляющих клеточной стенки. Эти составляющие типичны именно для растительной клетки; я бы даже сказал, что вместе с хлоропластом (клеточная органелла, ответственная за процесс фотосинтеза) они представляют собой фирменный бренд растений. На свете не существует более ничего подобного, такой устойчивой структуры у животных просто нет. Клеточные стенки служат растению чем-то вроде скелета, они обеспечивают устойчивость структуры и способность придерживаться определенной формы. Они состоят из волокон целлюлозы, встроенных в мягкую матрицу из структурных полисахаридов, гемицеллюлозы, растворимых белков и других веществ. Именно эта мягкая матрица, распухая в нужном месте при взаимодействии с молекулами воды, и обеспечивает открывание шишек, стручков акации, выбрасывание хвостиков с семенами журавельника или дикого овса.

Устьице томатного растения, сфотографированное под микроскопом. Через устьице в растение поступает необходимый для фотосинтеза углекислый газ CO2.

Чтобы у вас не осталось сомнений или вопросов, я рассмотрю в подробностях, как происходят эти пассивные движения на конкретном и весьма распространенном в природе примере.

Венерина мухоловка (Dionaea muscipula названа по одному из имен богини Афродиты) – хищное растение, произрастающее на болотах в штатах Флорида, Северная и Южная Каролина (США).

Шишка – плод хвойного дерева, в котором созревают семена, репродуктивные органы растения, в научной терминологии она называется стробилом. Шишка может служить примером хитроумного устройства из тканей, которые язык не повернется назвать мертвыми, хоть они и совершенно сухие на первый взгляд. Чешуйки шишки открываются, когда влажность воздуха падает, и закрываются, когда она повышается. Приходилось ли вам наблюдать, что происходит с шишкой в дождливый день? Если да, то вы наверняка заметили, что под дождем шишки плотно закрываются, чтобы перекрыть утечку семян, и напротив, в солнечный день они открываются, чтобы позволить семенам разлетаться. Видимо, эта стратегия связана с тем, что при высокой влажности семена лягут рядом с материнским растением, и это помешает эффективному их распространению на большое расстояние.

Шишка (или стробил) сформирована из древесных прицветников, между которыми вызревают семена голосеменных растений. У сосновой шишки чешуйки расположены по спирали, в соответствии с последовательностью Фибоначчи.

Как же работает этот, на первый взгляд, совсем простой, но на самом деле чрезвычайно сложный механизм (особенно если принять к сведению, что растения умудряются не затратить на него ни капли собственной энергии)? Секрет спрятан в строении чешуек. Они все состоят из двух видов растительной ткани, совершенно неразличимых невооруженным взглядом: только под микроскопом можно разглядеть в чем состоит разница. Внутренняя поверхность чешуйки состоит из особых склеренхимных волокон, как бы скрученных в микроскопические канатики, а на наружной поверхности расположены волокна-склереиды, более короткие и широкие. Эти волокна по-разному взаимодействуют с водой, они имеют разную гигроскопичность. Колин Доусон, Джулиан Ф. В. Винсент и Анна-Мария Рокка в 1997 году выяснили, что изменение влажности на 1 % при температуре 23 °С увеличивает длину склереид на 33 % по сравнению со склерехимными волокнами. Так была раскрыта тайна шишки: когда вода впитывается волокнами, или, наоборот, испаряется, ткани удлиняются или, соответственно, укорачиваются, и закрывают или открывают чешуйки.