Революция растений - Стефано Манкузо

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.