Анабиоз и состояние покоя в мире растений

Категория: Животные

В жаркий летний день в сосновом бору-беломошнике под ногами с хрустом ломается лишайник ягель (олений мох). На стволах сосен можно увидеть лишайник темно-серого цвета — пармелию. Он также совершенно сух и крошится в пальцах. Но в дождливый день ягель упруго приминается под ногами, пар-мелия также становится эластичной и, сорванная с дерева, уже не крошится. В зоне степей, на солонцеватой почве, встречаются какие-то корочки, которые даже и не напоминают растение. Но после сильного дождя эти корочки разбухают и приобретают сине-зеленоватый оттенок. Оказывается, это слизистые колонии синезеленой водоросли носток коммуне.

Эти низшие растения способны высыхать до воздушно-сухого состояния, не теряя при этом жизнеспособности. Некоторые организмы в высохшем состоянии способны существовать долгие годы. В 1962 г. американский ученый Камерон показал, что синезеленая водоросль носток, пролежавшая 107 лет в гербарии, вполне сохранила жизнеспособность и могла в благоприятных условиях продолжать свою жизнедеятельность.

Впервые это явление обнаружил знаменитый голландский ученый А. Левенгук в 1705 г., т. е. более двух с половиной столетий назад. Он открыл, что животные коловратки способны переносить высыхание. Ученый сделал вывод, что жизнь этих организмов при высыхании не прерывается, а приобретает скрытую форму. Это было совершенно верно. Во второй половине XIX в. это явление назвали анабиозом при высыхании. Это название не точно, так как слово «анабиоз» буквально означает «оживание» или «воскрешение». Фактически никакого «оживания» не происходит, потому что жизнь при анабиозе сохраняется. Все растения, впадающие в анабиоз при высыхании, обладают одной особенностью: они не регулируют свой водный режим, т. е. живут от дождя к дождю. Пройдет дождь — они впитают в себя влагу, а затем постепенно ее теряют и высыхают до воздушно-сухого состояния. Так приспособились к жизни многие мхи, лишайники и некоторые водоросли (например, те, которые покрывают зеленым налетом нижние части стволов елей). У них высыхание — нормальный процесс. А ведь для большинства растений потеря значительного количества воды — гибель.

Что же позволяет растениям выносить сильное обезвоживание и впадать в состояние анабиоза, при котором обмен веществ идет настолько замедленно, что практически равен нулю? При обезвоживании у растений, способных впадать в анабиоз, не нарушается процесс дыхания, он сохраняет свою, как говорят, энергетическую полноценность. Иными словами, при обезвоживании у этих растений продолжают образовываться богатые энергией соединения, такие, как АТФ (аденозинтрифосфорная кислота). Энергия, которая образуется в процессе дыхания почти до полного высыхания этих растений, передается всем структурам клетки, и все содержимое клетки, обезвоживаясь, переходит в студнеобразное состояние. У большинства же растений в этих условиях протопласт свертывается и погибает. В таком студнеобразном состоянии клетки могут годами и даже десятками лет сохранять свою жизнеспособность.

Сходный процесс происходит и при созревании семян. Не удивительно поэтому, что многие семена сохраняют всхожесть в течение долгого времени (см. т. 6 ДЭ, ст. «Семена»). Некоторые семена сохраняют ее десятилетиями и даже столетиями. Так, сохранили всхожесть семена лотоса, пролежавшие в торфяном болоте свыше тысячи лет. Но это скорее исключение, чем правило.

Возникает вопрос: если некоторые растения способны выносить без вреда почти полное обезвоживание, то нельзя ли заставить растение выносить и сверхнизкие температуры, впадая в анабиоз? Известно, что там, где бывают суровые зимы, древесные растения повреждаются под воздействием кристаллов льда. Можно ли добиться того, чтобы кристаллы льда вообще не образовывались в растениях или по крайней мере не вредили растению? Оказалось, что очень быстрое воздействие низких температур (температура жидкого воздуха — 190° и ниже) растения переносят сравнительно легко. Дело в том, что при температурах —150—200° вода, очень быстро охлаждаясь, застывает не в кристаллическом, а в аморфном виде и цитоплазма в клетках растений не повреждается. Некоторые исследователи считают, что при этом все же образуется кристаллический лед, но его кристаллы очень мелки и потому не повреждают содержимого клетки. Этот процесс получил название витрификации (остекления) цитоплазмы, а обратный переход растения из витрифицированного состояния в обычное — девитрификации. В одном из опытов ветки смородины выносили понижение температуры до —195° и после быстрого оттаивания оставались живыми.

В природе нет таких низких температур и процесс витрификации цитоплазмы не наблюдается. Но как же переносят зиму растения, не впадающие в анабиоз? Эти растения готовятся к зиме. Если летом ветку ели и сосны поместить в холодную камеру, уже при температуре —3° или —4° ветка погибнет. Зимой те же растения переносят морозы —40° и ниже без всякого повреждения. В чем же заключается подготовка растений к зиме?

1530-1.jpg

Изменение состояния цитоплазмы в клетках почек смородины: слева -клетки в период покоя, справа — во время роста.

С осени, когда температура воздуха падает, растение сокращает расход веществ на процесс дыхания и начинает усиленно откладывать в запас углеводы (сахара, крахмал), белки, жиры. Одновременно оно начинает переходить в состояние покоя. При этом рост растения прекращается, резко замедляется интенсивность всех физиолого-биохимических процессов, а у листопадных пород опадают листья. Так растения проходят первую фазу закаливания (приспособления) к зиме. Однако в это время растения еще не приобретают высокую устойчивость к морозу. С первыми морозами в —4°, —5° растение теряет значительное количество воды, в нем происходят глубокие изменения внутреннего содержимого. Это вторая фаза закаливания. В процессе ее растение становится устойчивым к морозу, и эта устойчивость все возрастает в течение суровой зимы. В это же время происходит и переход растения в глубокий покой.

Летом замороженные растения гибнут потому, что быстро образовавшийся в их межклетниках лед давит на цитоплазму и повреждает ее. Зимой этого не происходит. Дело в том, что клетки растительных тканей связаны друг с другом особыми тяжами цитоплазмы — плазмодесмами, которые проходят сквозь поры из одной клетки в другую. При переходе растения в глубокий покой плазмодесмы втягиваются внутрь клетки, и цитоплазма теряет связь с оболочкой (обосабливается). На ее поверхности у древесных пород скапливаются жировые вещества.

Благодаря процессу обособления цитоплазмы кристаллы льда, возникающие в межклетниках, уже не оказывают давления на цитоплазму и не повреждают ее. Внутри клетки у закаленных растений лед образуется при значительно более низких температурах. Однако в очень суровые зимы озимые и плодовые насаждения все же частично гибнут. Можно ли бороться с повреждениями растений от морозов и в какой-то мере предупреждать вымерзание растений?

Несомненно. Наши ученые-селекционеры создавали и создают морозоустойчивые сорта плодовых и озимых культур. Большое значение имеют также агротехнические мероприятия: своевременная обрезка деревьев, обработка почвы, внесение удобрений, а также осенние поливы плодовых садов.

Порой растения гибнут от возврата холодов весной, когда они уже вышли из состояния покоя и легко повреждаются небольшими морозами. В этом случае применяются разные способы защиты растений.

Однако зимой растения гибнут не только от мороза, но и от других неблагоприятных условий. Так, озимые культуры часто повреждаются и даже гибнут от выпревания. Если снег падает на незамерзшую почву или образует слишком толстый покров, то растения не вступают в состояние покоя, интенсивно дышат, тратят запасы питательных веществ и погибают к весне от истощения.

Растения южного происхождения (огурцы, томаты, хлопчатник, дыни и др.) повреждаются не только низкими отрицательными температурами, но и низкими положительными. Растения огурца при температуре +3° погибают через 3—4 дня от нарушения обмена веществ. Под влиянием низкой температуры у них нарушаются физиолого-биохимические процессы, в частности процесс дыхания. Для повышения устойчивости южных растений к холоду прибегают к предпосевному закаливанию их семян, действуя на них переменной температурой (сначала +12°, потом +3о) в течение нескольких дней. Закаленные переменными температурами растения становятся более холодостойкими, лучше переносят низкие положительные температуры и даже небольшие заморозки, повышают урожайность.

Интересное