10. Фотосинтез САМ и цикл Хэтча – Слэка
Растения принято считать неодушевлёнными предметами, но это не значит, что в них не кипит жизнь. Каждую секунду внутри листьев и стеблей происходят удивительные процессы, самый известный из которых – фотосинтез (преобразование энергии света в энергию химических связей).
Фотосинтез бывает разный. Например, существуют растения с САМ фотосинтезом и C4-фотосинтезом. Они характерны в основном для суккулентов, кактусов и других растений, выживающих в суровых условиях пустынь.
САМ – это метаболизм крассулацеиновой кислоты, а C4 (или цикл Хэтча – Слэка) подразумевает путь связывания углерода, первым продуктом которого является четырёхуглеродная щавелевоуксусная кислота. Эти растения живут в очень жарких и засушливых местах, и им необходимо бороться за сохранение водных ресурсов намного упорнее, чем привычным нам травам и деревьям.
В процессе обмена веществ большинство растений используют свои поры (устьица), через которые и происходит основной газообмен и взаимодействие с окружающей средой. Через эти микроотверстия углекислый газ попадает в тело растений, и запускается реакция фотосинтеза, выработки сахаров для дальнейшего их использования в качестве энергии.
Растения с фотосинтезом по типу САМ и цикла Хэтча – Слэка не могут себе позволить подобные процессы круглосуточно. Они держат устьица весь день закрытыми, чтобы не терять через испарения жизненно важную жидкость. Из-за этого поглощенный углекислый газ связывается с неправильным видом белка, который потребляет глюкозу, а не производит ее. Но природа умна, и эти стойкие к испытаниям растения научились бороться с проблемой в темное время суток, временно открывая свои поры для запуска реакций с нужными протеинами, фосфоэнолпируватами. Это и позволяет CO2 вступать в наиболее эффективные связи и формировать четырёхуглеродную щавелевоуксусную кислоту. Используя систему Хэтча – Слэка кактусы, суккуленты и прочие растения, живущие в условиях засушливого климата, набирают за ночь достаточное количество углекислого газа, чтобы использовать его для метаболизма в течение следующего дня.
9. Флоэма и ксилема
Фото: Dr. Josef Reischig, CSc
Флоэма и ксилема – это не заболевания и не математические термины, это названия клеток, отвечающих за распространение питательных веществ по всем частям тела сосудистых растений (растений с развитой системой сосудисто-волокнистых пучков). Эти клетки также являются причиной, по которой сосудистые растения вырастают намного более крупными, чем несосудистые (мхи, грибы, плесень, водоросли).
Ксилема отвечает за доставку жидкости по всему телу растения (стебли, листья, цветки) из корней, добывающих воду глубоко из-под земли. Эти клетки жесткие и прочные, чаще всего они входят в состав коры и способствуют тому, чтобы растения росли высокими и не гнулись от собственного веса.
Флоэма отвечает за распространение других необходимых питательных веществ, и этот вид клеток не отличается такой же плотностью, как ксилемы. Чтобы осуществлять свои транспортные функции флоэмы и ксилемы формируют трубкообразные системы вдоль всей длины стеблей. Ксилема находится в центре «трубы», а флоэмы окружают ее сердцевину, как покровный слой. Сопутствующие им клетки позволяют воде и глюкозе переходить выше по стеблю через небольшие отверстия.
8. Тропический непентес или кувшиночник
Перед вами хищное тропическое растение, чуть менее известное, чем его родственник – Венерина мухоловка. Цветы непентеса по своей форме очень напоминают кувшин и внутри покрыты крайне липкой смолой. На дне бутона покоится сладчайший нектар, а его верхушка оснащена смыкающейся крышкой. Существует 2 вида непентовых цветов: растущие в низинах, и растущие на склонах возвышенностей. Оба эти вида встречаются в тропических широтах в лесах с повышенной влажностью. Растения с нагорья встречаются намного чаще и по форме цветка больше напоминают трубу или конус, в то время как кувшиночники из низин обладают более широкой и более типичной для простых цветов формой.
Непентес больше всего известен своей любовью к маленьким насекомым и всевозможным жукам, которые, почуяв сладкий запах нектара, очарованно заползают внутрь цветка в поисках желанного угощения и попадают в смертельную ловушку. Манящая на дно бутона субстанция содержит пищеварительные протеины, которые сразу же приступают за работу, как только жертва добирается до приманки. Попавшееся насекомое вязнет в нектаре и не может выбраться по липким стенкам на свободу. Чаще всего в тропических кувшиночниках находят насекомых, но это не предел возможностей и аппетитов кувшиночника. Непентес – единственное растение, которое способно поглотить целую крысу! Звучит невероятно, но эти цветы вырастают такими большими, что способны погубить даже таких крупных и умных животных.
7. Геотропизм
Геотропизм – это особенная суперсила растений и способность преодолевать силу притяжения. Растения стремятся к солнцу, вырастая по возможности как можно выше над поверхностью земли, чтобы фотосинтез проходил максимально эффективно. Если растение находится в положении, в котором ему очень сложно добраться до света, оно начинает расти и тянуться в любом направлении, даже вниз головой, лишь бы добраться до источника энергии. Растения могут изменить направление своего роста всего за несколько часов, что часто происходит с цветами, склоняющими свои головки в сторону заходящего солнца. Как им удается так быстро менять свою пространственную ориентацию? Все дело в развитом чувстве направления и гравитации.
Образовательные ткани растений, меристемы, содержат в себе клетки-статоциты, чувствительные к силе притяжения и позволяющие растению адаптироваться к направлению, которое ему необходимо избрать для доступа к свету. Именно благодаря им растение знает, в какую сторону расти или наклониться, чтобы следовать за солнцем. Было проведено немало исследований, доказывающих, что растения практически полностью зависят от меристем. К примеру, если срезать с растения участок тканей со статоцитами, они перестают менять свое направление в зависимости от положения источника света и в итоге увядают. Эту удивительную особенность растений иногда сравнивают со зрением.
6. Вспомогательные пигменты
Всем нам известно, что зеленый пигмент в листьях и стеблях растений называется хлорофиллом, и именно он играет ключевую роль в процессе фотосинтеза. Тем не менее растения бывают не только зелеными, но и синими, красными, желтыми, коричневыми, и за все эти цветы отвечают уже другие растительные пигменты, которые называются вспомогательными. Эти пигменты играют незаменимую роль в поглощении световой энергии благодаря тому, что они оптимизированы под разную длину волны света. Чем шире спектр длин волн растение способно поглотить, тем в результате больше будет произведено глюкозы для дальнейшей жизнедеятельности биоорганизма. В природе существуют пигменты, способные поглотить волну практически любой длины.
Рассмотрим разные типы водорослей. Существует 3 основных типа: цианобактерии (синие и зеленые водоросли), родофиты (багрянки или красные водоросли) и страменопилы (коричневые водоросли). В океане свет рассеивается очень быстро, что делает фотосинтез крайне непростым процессом. Именно поэтому вспомогательные пигменты для растений жизненно необходимы. Водоросли развили способность использовать определенные пигменты в зависимости от того, на какой глубине они растут. Красная область спектра (длинные волны) проникает на очень небольшую глубину, поэтому на поверхности воды и в мелководье растут в основном красные водоросли. Синий свет проникает в самые глубины морей и океанов, и поэтому там чаще всего встречаются именно цианобактерии. Такое разделение позволяет биологическим разновидностями мирно сосуществовать в пределах одного водоема, но на разных глубинах, не нуждаясь в конкурировании и борьбе за место под солнцем.
5. Самый распространенный белок в мире
Фото: ARP
Растения могут похвастаться тем, что в них содержится самый распространенный в мире протеин - рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназа, играющий очень важную роль в фотосинтезе. Поверить в то, что этот фермент – один из самых многочисленных в мире, очень легко, просто оглянувшись по сторонам. Вокруг нас полно растительности, планета полна лесов, полей и степей, в которых растут многочисленные кустарники, травы и деревья. В процессе фотосинтеза рибулозобисфосфаткарбоксилаза вступает во взаимодействие с поглощенным углекислым газом и преобразует его из неорганического материала в активного участника биологического круговорота. На сегодняшний день ученые считают, что эта белковая молекула – единственный энзим на Земле, способный на подобные преобразования.
Когда во время фотосинтеза CO2 вступает в реакцию с рибулозобисфосфаткарбоксилаза/оксигеназой, он распадается на нестабильный шестиуглеродный фосфорилированный сахар, а затем сразу же на две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты. Фосфоглицерат используется для синтеза глюкозы.
Столь активный фермент может представлять немалую опасность для растений, осуществляющих фотосинтез за счет САМ и с помощью цикл Хэтча – Слэка, которые мы уже рассматривали в первом пункте. Этот энзим попросту слишком продуктивен, что может привести к слишком высоким для засушливых регионов потерям воды.
Однако для большинства растений белковая молекула с такими качествами – очень «выгодное» вещество, производящее в течение дня достаточное количество энергии. Этот фермент настолько эффективный, что он может преобразовывать 4 молекулы углекислого газа на каждую молекулу кислорода. Это особенно впечатляет, если вспомнить, что в нашей атмосфере молекул O2 в 5 раз больше, чем молекул CO2.
4. Зооксантеллы
Это замысловатое слово – название одноклеточной водоросли, растущей внутри коралловых рифов. У кораллов и зооксантелл взаимовыгодные, симбиотические отношения. Рифы обеспечивают эту водоросль комфортными условиями проживания, а зооксантелла в свою очередь снабжает кораллы питательными веществами, которые она вырабатывает в процессе фотосинтеза. Микроскопические водоросли снабжают кораллы глюкозой, кислородом и аминокислотами, используя для их производства отработанные продукты обмена веществ своего хозяина. Это позволяет кораллам генерировать жиры и белки, необходимые для выживания рифов.
Самые красивые в мире океаны и моря, где можно хорошо рассмотреть дно и всеми любимые кораллы, - заодно и наименее «продуктивные» воды. Существует даже такое правило – чем чище вода, тем беднее в ней жизнь, потому что прозрачность означает, что там мало водорослей и различных бактерий, которые чаще всего и являются причиной непрозрачности и мутности воды.
Зооксантеллы и кораллы помогают друг другу выживать в кристально чистых и скудных на питательные вещества водах благодаря четко отработанному симбиотическому циклу. Чистая и прозрачная вода для таких водорослей становится большим плюсом, поскольку таким образом растению проще поглощать солнечный свет, необходимый для фотосинтеза.
Высокоорганизованный процесс сожительства водорослей и рифов испытывает и некоторые трудности - например, «обесцвечивание» кораллов. Когда из-за загрязнения или окисления качество воды снижается до нежелательного уровня, кораллы начинают изгонять своих маленьких жильцов. В результате риф теряет свой окрас и выглядит словно обесцвеченным или отбеленным. В этом случае шансы на выживание, как кораллового рифа, так и зооксантелл, сводятся практически к нулю. Обесцвеченные кораллы выглядят больными, и крупные морские обитатели (например, рыбы) предпочитают сменить привычную зону обитания в поисках более процветающей рифовой экосистемы.
3. Истинные растения
В современной ботанике классификация растений претерпевает некоторые изменения, и водоросли уже не принято считать рядовыми растениями, поскольку они не обладают дифференциацией тканей. Царство растений разделили на подцарства низших и высших именно по этому признаку. Конечно, водоросли ближе к привычному нам понятию растительного мира, чем к животным. Однако у них все же есть слишком специфичные особенности, чтобы считать их растениями в узком смысле этого слова.
Различие по большей части кроется в морфологическом аспекте. Способность водорослей к фотосинтезу – практически единственная причина, по которой их все еще причисляют к царству растений.
Но что же так сильно отличает низшие растения от высших – водоросли от простых зеленых растений? Все дело в том, что у водорослей нет корней, стеблей или листьев в научном понятии этих слов. Может показаться, что у гигантских водорослей из рода макроцистисов некоторые из этих составных частей уж точно есть, но по структуре они на самом деле принципиально отличаются от стеблей, корней и листьев наземной зелени.
Например, корень этих крупных водорослей (келпов) – это скорее ризоидный фиксатор, помогающий многоклеточному организму держаться за каменистую почву и противостоять подводным течениям. «Листья» макроцистисов в научных кругах называют пластинами, которые отличаются от листвы высших растений тем, что они самодостаточны и не зависят от своей водоросли. Каждая клетка в лиственной пластине обеспечивает себя питательными веществами самостоятельно и выживает без какой-либо общей сосудистой системы с остальными частями гигантской водоросли. Ствол гигантского келпа также не оснащен сосудистой системой, и потому не может быть причислен к классическим стеблевым системам. Вдобавок, у него нет ни флоэм, ни ксилем, и он не способен обеспечивать макроцистис водой и питательными веществами. «Стебельки», на которых крепятся листовые пластины – это просто поддержка, позволяющая «листьям» дотягиваться до поверхности воды и впитывать солнечный свет.
2. Снижение потерь воды
Фото: Ali Zifan
Ранее мы уже упоминали, что существуют растения, которые адаптировались под условия засушливого климата, и выработали способность к САМ и C4-фотосинтезу, чтобы как можно дольше сохранять живительную влагу и энергию внутри своего тела. Но кактусы и суккуленты – не единственные организмы, столкнувшиеся с проблемой сохранности ресурсов.
Среди прочих способов адаптации к неблагоприятным условиям также стоит отметить и появление листьев с гладкой восковой поверхностью, которая с помощью специализированных клеток предохраняет устьица (поры) от излишнего сообщения с окружающей средой. Защитные клетки окружают поры и регулируют их открытие и смыкание по мере необходимости. Когда они в пассивном и вялом состоянии, устьица закрыты, когда же они просыпаются и становятся тверже, поры раскрываются.
Защитные клетки работают благодаря процессу, сравнимому с диффузией. Их активность стимулируется повышением концентрации ионов калия в теле клетки. Когда это происходит, защитная клетка начинает испытывать нужду в воде. Чем больше она увлажняется, тем больше разбавляется концентрация ионов калия, и тем более мягкой и пассивной клетка становится, что вызывает закрытие устьица. Когда поры открыты, внутрь растения попадает углекислый газ, и это запускает процесс фотосинтеза. Процесс работает поэтапно – поры на ночь закрываются, и растение переходит в режим переработки воды и энергии, собранной за весь день.
1. Этилен
Этилен – это газ, выделяемый фруктами, и участвующий во многих процессах, включая созревание плода. Человек не способен увидеть или унюхать этот незаметный газ, но он играет важнейшую роль в нашей жизни – этилен напрямую связан с дозреванием плодов, которые потом попадают на наш стол. Как только фрукт начинает выделять это вещество, он практически становится «заразным» и провоцирует все остальные окружающие его фрукты также производить этилен и созревать быстрее. Именно по этой же причине, если у вас дома оказалось много недоспевших фруктов, лучше всего хранить их всех вместе, чтобы они быстрее поспели.
Сегодня этилен вошел в промышленный обиход и активно используется фермерами для производства более богатого урожая. Особенно этот трюк успешен в случае с помидорами. Однако можно перестараться, и перегнув палку с воздействием этилена на сельскохозяйственные растения, можно вызвать их преждевременную порчу. Листья начнут желтеть, а цветки опадать, вовсе не успев дать плоду сформироваться. Все хорошо в меру, хотя со временем растения адаптируются к повышенной концентрации этого газа, и в итоге мы все же получаем вкусные и спелые фрукты.
