О чем думают растения - Алессандра Виола

Коммуникация жизненно важна для любого живого существа: она помогает избежать опасности, накопить опыт, познать собственное тело и окружающий мир. По какой причине мы будем отрицать существование этого простого механизма у растений? Потому что у них нет мозга? На самом деле, организм без мозга вполне может передавать информацию внутри себя, и, как мы вскоре убедимся, растения прекрасно это делают. Конечно же, может показаться, что на этом пути существуют некоторые технические трудности. У растений нет биологических структур, которые в нашем представлении необходимы для передачи электрических сигналов. У животных такие сигналы передают информацию от периферии к центру. Другими словами, у растений нет нервов. Но при этом мы только что сказали, что передача информации жизненно важна для растения – не в меньшей степени, чем для животного.

Информация, идущая от корней или от листьев, чрезвычайно важна для организма в целом и должна быстро распространяться – это вопрос жизни и смерти.

Сосудистая система растений

Для передачи информации из одной части тела в другую растения используют электрические, гидравлические и химические сигналы. Таким образом, они имеют три независимые и взаимодополняющие системы, соединяющие разные части растения и действующие на большие и малые расстояния – от нескольких миллиметров до десятков метров. Давайте вкратце обсудим, как работают эти системы.

Первая система, основанная на проведении электрических сигналов, используется весьма активно и в практическом смысле аналогична системе передачи электрических сигналов в организме животных и человека, но имеет некоторые специфические особенности. Например, мы уже сказали, что у растений нет нервов, т. е. клеток, предназначенных для проведения электрических сигналов (нервных импульсов в организме животных). Это может показаться серьезной проблемой: как передать сигнал, не имея специфической ткани? Растения нашли очень функциональное решение. На короткие расстояния такие сигналы передаются из клетки в клетку просто через канальцы в клеточной стенке, называемые плазмодесмами (от греч. plasma — структура и desma — соединение). Для передачи сигналов на дальние расстояния, например, между корнями и листьями, используется сосудистая система.

Вы удивлены? У растений нет сердца, но есть сосуды? Да, это так: подобно животным, растения снабжены гидравлической системой, которая в основном служит для переноса веществ из одной части растения в другую и действует как истинная сосудистая система, похожая на нашу, но только не имеет центрального насоса (т. е. сердца, поскольку растения не могут иметь специализированных органов, о чем мы уже говорили). Таким образом, растения имеют систему циркуляции для транспортировки жидкостей снизу вверх и сверху вниз – своеобразную систему артерий и вен, называемую ксилемой, когда речь идет о потоке снизу вверх, и флоэмой, когда речь идет о потоке сверху вниз. Ксилема (от греч. xulon — древесина) представляет собой проводящую ткань, адаптированную для транспортировки воды и минеральных солей (но также и других веществ) от корней к кроне, а флоэма (от греч. phloios — кора) переносит синтезированные за счет фотосинтеза сахара в противоположном направлении – от листьев к плодам и корням.

Функция этой системы циркуляции становится очевидной, если учесть, что поглощаемая корнями вода активно испаряется листьями, так что ее запасы должны постоянно пополняться. А синтезируемые в процессе фотосинтеза сахара, основной источник энергии для растений, должны постоянно перемещаться от места производства (от листьев) к другим частям организма.

С помощью этой сложной системы циркуляции электрические сигналы передаются гладко и достаточно быстро, как в трубке с проводящим раствором. Если бы эти сигналы передавались между корнями и листьями с помощью химических молекул, на это уходило бы гораздо больше времени, а так срочные сообщения, например о концентрации воды в почве, доставляются за короткое время. Много или мало воды в почве? Получив соответствующее сообщение, листья быстро подстраиваются к ситуации.

Устьица

Прежде чем перейти к рассмотрению конкретного примера, давайте поговорим о функционировании устьиц – специфических структур на поверхности (обычно нижней) листьев. Эти небольшие поры осуществляют связь между организмом растения и внешней средой, как поры нашей кожи. Состояние каждого устьица контролируют две замыкающие клетки, которые заставляют его открываться или закрываться в зависимости от уровня влажности и интенсивности света.

Рис. 4–1. Структура устьица (вверху). С помощью этих небольших поверхностных пор листья захватывают углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, и выделяют пары воды. В нормальных условиях цикл открытия и закрытия устьиц (внизу) контролируется в зависимости от интенсивности света

Но роль устьица значительно сложнее, чем может показаться на первый взгляд. На самом деле поддержание равновесия в организме растения – совсем не легкая задача. С одной стороны, через устьица проникает углекислый газ (диоксид углерода CO2, необходимый для фотосинтеза), так что растению выгодно держать их открытыми, по крайней мере в дневное время. С другой стороны, при открытых устьицах растение теряет много воды.

Так что каждому растению приходится искать компромисс: держать ли устьица открытыми и синтезировать необходимые для жизни сахара, но при этом терять воду, или закрыть устьица, чтобы сохранить воду, но забыть о фотосинтезе. Это настолько сложная проблема, что для понимания того, как растения ее решают, применяются модели «коллективной динамики» или «распределенных вычислений», хотя может показаться, что они не совсем уместны для описания поведения растений.

Тем не менее растения справляются с этой задачей, умудряясь поддерживать равновесие между синтезом сахаров и сохранением воды – двумя жизненно важными функциями. Вот пример. Мощные лучи летнего солнца являются ценнейшим источником энергии для фотосинтеза (и для солнечных батарей). Однако в отличие от солнечных батарей, которые производят тем больше энергии, чем больше получают солнечного света, растениям приходится учитывать еще и фактор влажности. Вот почему в самые жаркие дневные часы устьица закрываются, лишая растение возможности активно проводить фотосинтез. Так растения предотвращают риск обезвоживания.

Представьте себе дерево (например, дуб или высоченную секвойю), корни которого внезапно обнаруживают, что в почве недостаточно воды. Возникает срочная задача сообщить об этом листьям: если устьица останутся открытыми, вода испарится и растение очень быстро засохнет. Это реальная опасность. Так что от немедленной передачи этого сообщения зависит жизнь растения.

Для передачи сообщения растение в первую очередь посылает электрический сигнал, который быстро достигает листьев и заставляетустьица закрыться. Но одновременно с электрическим сигналом происходит отправка химических или гормональных сигналов, передаваемых по сосудистой системе, которые достигают листьев несколько позже. Данные сигналы передаются точно так же, как химические или гормональные сигналы в нашей сосудистой системе, но в растениях они переносятся не кровью, а питательным раствором. Если дерево очень высокое, это путешествие может длиться несколько дней! Однако получение химических или гормональных сигналов гарантирует наличие более полной информации.