Как защищаются и лечатся растения

Животные могут укрыться от иссушающего зноя и от жестокого мороза. Растениям труднее: бегать они не умеют, и все жизненные невзгоды им приходится встречать лицом к лицу. Под палящими лучами солнца ткани растений нагреваются подчас очень сильно. Так, например, температура листьев калины достигает подчас 44°С, а многие фрукты нагреваются до 46°. Кактус опунция, растущий в пустынях Мексики и Южной Америки, нагревается до 65°; по-видимому, в этом отношении он занимает среди высших растений одно из первых мест. Рекорд жароустойчивости принадлежит микроскопическим сине-зеленым водорослям, которые живут в горячих источниках. Им приходится переносить температуру до 85°С.

Тяжелым испытаниям подвергает растительный организм засуха, но растения мужественно борются с нею. Для того, чтобы у подсолнечника, например, погибла половина листьев, растение должно потерять 87 процентов нормально содержащейся в его тканях воды. Черная бузина повреждается в такой же степени после потери 55 процентов воды, а бук — 80 процентов.

Еще более поразительны рекорды морозоустойчивости растений. В природных условиях ткани многих деревьев промерзают до — 60° и остаются живыми. А в лаборатории, как показал профессор И. И. Туманов, ветки березы при определенных условиях выдерживают без повреждения температуру —253°С. Японскому ученому Салаи удалось сохранить живыми ветки ивы и тополя после охлаждения их до —269°.

Как же, с помощью каких приспособлений защищается растительный организм от жары или холода? Какие приспособления есть у него для этой защиты?

Можно назвать три барьера, три линии обороны, защищающие растение от неблагоприятных условий.

Первая линия — приспособления на уровне вида. Они имеют значение не для отдельных конкретных растений, а для существования и воспроизведения данного вида растений в природе. К их числу можно отвести, например, приуроченность плодоношения или всего периода жизни растения наиболее благоприятному времени года. Так, в жарких пустынных областях многие растения за время короткой, сравнительно прохладной и влажной весны успевают пройти путь от семени до семени. Полярная тундра покрывается растительностью и отцветает в течение очень короткого лета. Да и в наших умеренных широтах растения не цветут когда попало, а «выбирают» для этого наилучшее время. Большое значение имеет приспособленность данного вида растений к определенному местообитанию, а также расселение одного вида под защитой другого. Например, всходы ели на открытых местах вымерзают, а под покровом иван-чая и папоротника-орляка выживают.

Вторая линия обороны — приспособления на уровне организма. Интенсивное испарение влаги листьями снижает их температуру и тем самым спасает растение от перегрева. Длинные корни или мясистые, богатые водой ткани защищают от засухи, толстая кора предохраняет от резких колебаний температуры.

Наконец, третья линия обороны растений проходит на клеточном уровне. Именно в клетках происходят процессы закаливания к холоду или перегреву, именно клетки приобретают способность переносить сильное обезвоживание или высокую соленость почвы.

Однако засуха, жара или мороз могут достигнуть такой степени, что все эти линии обороны будут преодолены и растение повреждено. Но и в этом случае оно не сдается сразу. В поврежденных клетках начинаются «восстановительные работы», вступает в действие замечательное свойство живых клеток (конечно, не только растительных) — способность вылечиваться от повреждений.

Клетка сопротивляется до конца

Живая и здоровая растительная клетка обладает рядом более или менее легко обнаружимых функций. Под микроскопом в ней можно наблюдать движение протоплазмы, с помощью специальных приборов установить наличие процессов фотосинтеза и дыхания. Оболочка живой клетки плохо проницаема для многих веществ. Если же воздействовать на растительную клетку теми же веществами, но взятыми в концентрациях более высоких, чем концентрация клеточного сока, то вода начнет выходить из вакуоли наружу, а протоплазма вместе с оболочкой отстанет от стенок и сожмется в шар. Этот процесс называется плазмолизом.

При повреждении клетки все эти функции нарушаются. Например, под действием высокой температуры в клетке сначала замедляется, а затем и совсем останавливается движение протоплазмы, прекращается фотосинтез. При более сильном повреждении исчезает дыхание и теряется способность к плазмолизу. Но как бы ни были велики повреждения, вызванные в клетке тем или иным фактором, в ней постоянно идут процессы, направленные на восстановление утраченных функций.

Представьте себе, что вы наблюдаете клетки листа колокольчика при помощи микроскопа с нагревательным столиком. Клетки нагреты до 41°. Под влиянием такой высокой температуры движение протоплазмы становится все более медленным. Заметно, что клеткам становится все хуже и хуже. Наконец, движение совсем прекращается. Проходит час, другой… Несмотря на то, что нагрев продолжается, в клетках снова начинает двигаться протоплазма. Сначала движение едва различимо, но потом оно убыстряется —клетки в буквальном смысле слова оживают на глазах.

Еще быстрее восстанавливаются движение протоплазмы и фотосинтез после прекращения действия повреждающего фактора — будь то высокая или низкая температура, давление или какой-нибудь яд (конечно, если повреждения клеток не слишком велики). Восстановление утраченных функций происходит даже у обреченных на гибель клеток. Временно восстанавливается и такая функция, как способность клеток к плазмолизу, потеря которой происходит лишь при очень сильных повреждениях. Другими словами, клетка сопротивляется до конца. Но можно ли помочь клеткам в их стремлении к жизни?

«Постельный режим»

Серьезно больным людям врачи предписывают строгий постельный режим. Ослабленному организму нужен покой, чтобы успешнее бороться с болезнью. Оказывается, что и клетки, подчас легче справляются с повреждениями, если у них искусственно заторможен обмен веществ и приостановлен рост. Иначе говоря, если им, по меткому выражению профессора В. Я. Александрова, создан «постельный режим».

Доказано, например, что дрожжевые и микробные клетки успешнее «излечиваются» от лучевой болезни, если у них, на определенном этапе после облучения затормозить жизнедеятельность низкой температурой, голоданием или химическими веществами, подавляющими обмен.

Не следует думать, однако, что замедленная жизнедеятельность клеток всегда способствует их выздоровлению. В опытах на бактериях показано, например, что торможение синтеза белка ядом — хлорамфениколом — спасает облученные ультрафиолетовыми лучами клетки только в том случае, если в течение 30—40 минут до применения хлорамфеникола они содержались на полной питательной среде и в них шел нормальный синтез белка. Следовательно, «постельный режим» нужно сочетать со специальной диетой.

В 1925—1926 годах немецкий исследователь Ноак помещал листья разных растений на свет и в темноту и при этом отравлял их различными газами и ядовитыми веществами. Обнаружилась интересная закономерность. Все листья, которые отравлялись на свету, погибали. Листья же, отравлявшиеся в темноте, оставались живыми. Свет — источник жизненной энергии растений — вдруг оказался сообщником ядов. Подобные опыты, продолженные затем другими учеными, дали аналогичные результаты.

Причина гибели отравляемых листьев на свету и выживания их в темноте заключается в следующем. Хлорофилл листа поглощает световую энергию, которая используется для фотосинтеза. Однако фотосинтез легко подавляется под влиянием даже слабых повреждений, в то время как поглощение хлорофиллом световой энергии продолжается даже у убитых листьев. В том случае, когда фотосинтез остановлен (именно это происходит при действии различных ядов), а световая энергия продолжает поступать в клетки листа, она, не находя полезного применения, становится разрушительной силой. За счет кислорода воздуха и энергии света происходит окисление компонентов живой протоплазмы, разрушение их и гибель клеток и тканей. Спасти листья с остановленным фотосинтезом от смерти можно, поместив их в темноту или в бескислородную атмосферу — например, в атмосферу азота. Когда фотосинтез восстановится, листья перестанут бояться света.

Очень интересные опыты провела аспирантка лаборатории цитофизиологии и цитоэкологии Ботанического института И. М. Кислюк. Изучая холодоустойчивость огурца и кукурузы, она установила, что листья этих теплолюбивых растений гораздо лучше переносят холод в темноте, чем на свету. Если листья огурца содержать при температуре +2° в темноте, то они остаются живыми и неповрежденными. Если они при той же температуре и в течение того же времени пробудут на свету, то погибают. Причина гибели листьев на свету при охлаждении та же, что и при действии на них ядов: низкая температура останавливает фотосинтез, и энергия света разрушает клетки.

Возможно, это открытие даст овощеводам простое и эффективное средство защиты теплолюбивых растений от заморозков или кратковременных понижений температуры. Может быть, достаточно просто затемнять растения (например, те же огурцы) на период заморозка и тем спасать их от повреждений.

Таким образом, во всех опытах с клетками, у которых был нарушен процесс фотосинтеза, спасительным оказывался строгий «постельный режим» — пребывание в темноте.

Если продолжить аналогию между лечением больных людей и поврежденных растительных клеток, то возникает мысль о лекарствах. Действительно, какими лекарствами можно спасти или быстрее вылечить заболевшие клетки?

В 1957 году американские ученые Ричмонд и Ланг обнаружили, что синтетический препарат кинетин задерживает пожелтение срезанных листьев. Через 12 дней после срезки опрысканные кинетином листья были такими же зелеными и свежими, как только что срезанные с растения. Этим препаратом заинтересовались ученые многих стран.

Профессор Мотес из Германии и его сотрудники показали, что кинетин задерживает старение и гибель листьев и на растении. Обработанные им листья «омолаживаются»: в них начинается усиленный синтез белка, к их клеткам (так же, как и к клеткам молодых, растущих листьев) интенсивно поступают питательные вещества из других частей растения. Наконец, была обнаружена еще одна интересная способность кинетина. Оказалось, что с его помощью можно ликвидировать небольшие тепловые повреждения растительных клеток.

Ботаник О. Н. Кулаева вместе со своими сотрудниками установила, что кинетин не только задерживает пожелтение листьев, но и вызывает позеленение уже пожелтевших, казалось бы, обреченных на скорую гибель. Недавно академик А. Л. Курсанов, О. Н. Кулаева и их сотрудники, продолжая эти опыты, получили новые интересные данные. Они действовали на пожелтевшие листья махорки близким к кинетину веществом — 6-бензиламинопурином (он оказался еще более эффективным препаратом). Оказалось, что обработанные препаратом листья не только зеленеют, но и значительно увеличивают содержание белка и других важнейших соединений. При исследовании с помощью электронного микроскопа ученые убедились в том, что хлоропластикроскопические образования клеток вторично позеленевших листьев приобретают такую же структуру, какую они имеют в клетках молодых листьев.

Эксперименты с кинетином и аналогичными ему веществами невольно напоминают о «живой воде» сказок.

Сейчас установлено, что целый ряд химических веществ действует подобно кинетину. Сделаны первые успешные попытки возвращать к жизни клетки листьев, желтеющих от засухи. В США ведутся работы по повышению жароустойчивости растений путем опрыскивания их растворами глюкозы, аминокислот, витамина С и ряда других веществ. А кинетин там уже нашел практическое применение. Им опрыскивают срезанные для продажи листья салата и других овощей. Во всех странах идут интенсивные поиски препаратов, которые могли бы излечивать клетки от лучевой болезни. Недавно, например, австрийские ученые Библь и Урль показали, что такие хорошо известные вещества, как глюкоза, сахароза, фруктоза и хлористый кальций, способствуют выздоровлению клеток лука от повреждающего действия а-лучей.

Эксперименты с веществами, помогающими растительным клеткам оправляться от разного рода повреждений, пока сравнительно немногочисленны, и большинство их еще не вышло за стены лабораторий. Но можно надеяться, что совсем недалеко то время, когда над пожелтевшим от засухи полем сможет подняться самолет сельскохозяйственной авиации и опрыскать растения каким-нибудь чудесным веществом вроде кинетина. После такого «лечения» вновь поднимутся стебли и зазеленеют листья растений.

Свет против света

В 1933 году немецкие ученые Хауссер и Омке, изучая повреждающее действие ультрафиолетовых лучей на клетки кожицы банана, подметили удивительную закономерность. Если вслед за ультрафиолетовым облучением бананы освещались синим светом, то кожица плодов оставалась совершенно неповрежденной. Синий видимый свет ликвидировал смертоносное действие ультрафиолетового невидимого света. Эти же исследователи показали, что лечить клетки можно теми же ультрафиолетовыми лучами, но иной длины волны.

Для этого после облучения растения наиболее губительным коротковолновым (дальним) ультрафиолетом достаточно облучить живую ткань длинноволновым (ближним) ультрафиолетом. В послевоенные годы это явление, получившее название фотореактивации, стало всесторонне изучаться коллективами ученых многих стран. Ближние ультрафиолетовые, соседние с ними в спектре видимые фиолетовые и особенно синие лучи оказались почти универсальным средством от вызываемой дальним ультрафиолетом болезни клеток и для бактерий, и для грибов, и для насекомых, и для позвоночных. Выяснилось, что в клетках большинства живых организмов имеется специальное вещество — фотоэнзим, который под влиянием синего света приобретает целебную силу и восстанавливает нарушения, вызванные ультрафиолетом в важнейших структурах клетки (в первую очередь в нуклеиновых кислотах). Интересно, что в присутствии фотоэнзима дезоксирибонуклеиновая кислота — знаменитая ДНК, играющая решающую роль в наследственности, — может под влиянием синего света восстанавливать нарушенную ультрафиолетом структуру даже вне клетки.

Некоторые микроорганизмы, у которых не удавалось обнаружить фото реактивации, оказались способными к ней в присутствии фотоэнзима, выделенного из других организмов, в частности из дрожжей.

Ряд интересных работ проведен по изучению фотореактивации растений. Иногда даже 5-минутное освещение синим или дневным светом совершенно излечивало клетки листьев фасоли и сои, клетки кожицы лука и других растений от повреждений, вызванных ультрафиолетовыми лучами. Если же после облучения ультрафиолетом растительные ткани более суток находились в темноте, то ничего не могло спасти их от гибели. Следовательно, в спектре солнечного света вместе с вредными и даже смертельными в больших дозах ультрафиолетовыми лучами содержится и противоядие от них — синие лучи.

Исследования по фотореактивации растительных и животных клеток имеют большое значение в связи с космическим будущим человечества. Ведь в космосе ультрафиолетовые лучи представляют смертельную опасность для всего живого. Наука одну за другой отвоевывает у природы ее тайны. Ученые все глубже проникают в сущность процессов, происходящих в живой клетке. Они учатся лечить клетку. Несомненно, что засуха, мороз и многие другие извечные враги растений будут побеждены. И тогда растения щедро заплатят людям за помощь в тяжелой борьбе со стихией.

Автор: А. Ломагин.