Растения из пробирки
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Старший научный сотрудник Института физиологии растений имени К. А. Тимирязева Раиса Георгиевна Бутенко подносит к окну обычную лабораторную пробирку, закрытую ватной пробкой и обернутую сверху целлофаном. В ней — растение с удлиненными листьями, расширяющимися у стебля. Растение еще молодое, цветов нет, но листья его уже так разрослись, что пробирка для них явно тесна. Сильные, хорошо развитые корни опущены во что-то, напоминающее застывший «клейстер» из картофельной муки.
— Узнаете? — спрашивает Бутенко. — Это обыкновенный табак. Мы вырастили его из кусочка ткани весом в 30 — 40 миллиграммов, посаженного на питательный раствор. Из маленького комочка, который трудно даже удержать пальцами,— такое сильное красивое растение. Раиса Георгиевна показывает новые и новые пробирки. В каждой из них свой собственный зеленый житель. Я вижу стебель с нежными кремовыми цветами, имеющими форму колокольчика. Другое растение венчает ярко-желтый цветок с многочисленными лепестками, как у полевой ромашки. Придирчиво осматриваю растения, выращенные человеком «искусственно»: обыкновенные цветы, такие же, как и их собратья на обычных грядках под естественным солнцем.
И это только начало ожидающих меня чудес. Вот пробирка, где на питательной среде зеленеет… один единственный листок. Рядом, в колбах с жидким питательным раствором, вытянулись, разветвились корни. Какому растению они принадлежат? Непосвященному человеку в этом невозможно разобраться: ведь корни здесь тоже существуют самостоятельно, без растения. А в колбах по соседству — что-то совсем уж неживое, похожее на темно-желтый кристаллический минерал.
— Это разросшиеся на питательной среде клетки, — объясняет Бутенко,— наш основной рабочий материал.
Еще около 100 лет назад ботаник Фегтинг, живший в небольшом немецком городке, пытался заставить расти кусочки листа размером около сантиметра на питательном растворе, содержащем сахар и минеральные соединения. Его опыты окончились неудачей. Но надо сказать, что и более совершенные опыты многих его последователей не имели успеха. Культивирование растительных тканей оказалось делом довольно сложным. И даже когда в лабораториях физиологов клетки, изъятые из организмов животных, уже прекрасно росли, клетки растений все еще никак не хотели подчиниться человеку.
Основная причина в том, что для животных тканей оказалось не трудно найти «питание». Это — кровь и лимфа. Для растительных же такой «естественной» питательной среды не нашлось. Пришлось создавать ее искусственно. Теперь известно, что для нормального роста растительной ткани нужны по крайней мере одиннадцать элементов, не считая кислорода, водорода и углерода, а также множество сложных органических веществ, в том числе сахара. Кроме того, если животные ткани все способны к росту, то ученым пришлось немало потрудиться, чтобы найти «растущие» клетки у растений.
Первыми удались опыты с выращиванием в жидкой питательной среде кончиков корней длиной 5 — 7 миллиметров. Хорошо растут в лабораториях клетки так называемого каллюса. Каллюс — это «наплывы», которые образуются на «ранах» растения — трещинах, надрезах, срезанных концах черенков, иногда на пнях спиленных деревьев. И, разумеется, быстро идут в рост почки.
…Сегодня я с особым нетерпением открываю тяжелые двери института. Мне разрешено присутствовать при закладке опыта.
С утра все готово к эксперименту. Долго моем руки горячей водой со щеткой и мылом. Одеваем белые стерильные халаты и становимся похожими на докторов. В комнате для экспериментов — как в настоящей операционной — яркое освещение, стены выложены белым кафелем. Здесь нет окон, чтобы не могла проникнуть инфекция с улицы; нет отопления, чтобы не возникали токи воздуха и случайно уцелевшие после облучения комнаты большой кварцевой лампой микробы не переносились ими с места на место. На длинном столе — ряды пробирок с питательной средой, колбы с каллюсом винограда. Начинается кропотливая операция. Ткань из колбы пинцетом переносят в плоскую стеклянную чашку с крышкой. Здесь ее (под чуть приподнятой крышкой) нарезают на кусочки по 30 — 40 миллиграммов и быстро пересаживают в заранее приготовленные пробирки. Так же поступают с тканью из других колб.
Стерильные инструменты и посуда все время меняются, колбы, пробирки, банки остаются открытыми только одно мгновение. В этом — основная сложность работы. Нужно все делать очень быстро — не то клетки, несмотря на принятые меры, все же окажутся пораженными микроорганизмами и опыт не удастся.
Ткань из той пробирки, где она лучше привилась и быстрее разрастается, пересадят на новую среду. От пересадки к пересадке она все больше «акклиматизируется» — привыкает, становится менее капризной. Если раньше она требовала всех тех условий, какие имела в организме (а жила она не самостоятельно, ее обслуживали корни, листья, другие ткани), то с течением времени она привыкает обходиться без посторонней помощи. Ткань начинает сама себя кормить: создавать все необходимые сложные органические вещества из неорганических соединений без помощи организма. Питательную среду, приготовленную из органических веществ, близких к тем, которые ткани имели «на воле» — витаминов, вытяжек из неспелых семян кукурузы, ячменя и т. п.— заменяют другой, более простой по составу — неорганической.
Наконец наступает момент, когда ткань, взятая из растения, окончательно привыкает к жизни в условиях, искусственно созданных человеком. И тут вдруг оказывается, что клетки, только что отлученные от растения, и те же клетки после нескольких месяцев жизни в лабораторных пробирках — во многом отличаются друг от друга. Вполне привыкшие к «неволе», «ручные» ткани обладают способностью очень быстро расти. Из комочка каллюса весом в 30 миллиграммов в течение двух месяцев можно получить до 300 граммов растительной массы. Прирост невиданный, нигде в природе не наблюдающийся: за два месяца клетки увеличивают свой вес почти в 10 000 раз!
В лаборатории ткани приобретают и еще одно чудесное свойство: исключительное долголетие. Среди ученых разных стран пользуется широкой известностью ткань из корня моркови, живущая на питательной среде более 20 лет и продолжающая себя превосходно чувствовать и поныне. А срок жизни самого растения — всего два года. Кто знает, может быть, впоследствии выяснится, что «ручные» ткани вообще бессмертны.
Но выращиваемые в лаборатории клетки, размножаясь, обычно дают только свое подобие. Бесчисленное количество одинаковых клеток образует бесформенную массу, которую я и приняла за минерал в первый свой приезд в институт. В 1956 году американский ученый Скуг обнаружил вещество, названное впоследствии нинетином, которое заставляет клетки давать начало росту стеблевых почек. Из стеблевой почки вырастает стебель, стебель дает боковые побеги, листья. Так кусочек ткани и превращается в лабораторной пробирке в настоящее растение — сложный, стройный организм.
Используя чрезвычайно быстрый рост «ручных» тканей, можно получить в лабораториях очень нужные для нас вещества. Конечно, было бы нелепо выращивать в искусственных условиях ткани самых обычных сельскохозяйственных продуктов, моркови, например. Но выращиваются же в лабораториях плесневые грибы, из которых получают антибиотики! Точно так же предлагается культивировать на питательных средах ткани растения раувольфии, из которого получают резерпин — препарат, снижающий кровяное давление. Раувольфия — растение тропическое, в нашем климате оно не растет.
Так же заманчиво выращивать искусственные ткани женьшеня – корня жизни, как его называют, который очень медленно растет в естественных условиях, и другие редкие лекарственные растения.
Важные функции выполняют в растительном организме корни. Это своеобразная «кухня» растения. Здесь «сырые» неорганические вещества перерабатываются в «полу фабрикаты» и передаются наверх — остальным органам растения. В институте физиологии пересадили и заставили расти в искусственной среде свыше 11 видов корней. Здесь работают и над выяснением взаимодействия корней разных растений. Знать, как реагируют друг на друга корни разных растений, очень важно для сельского хозяйства. Например, известно, что корни злаковых и корни бобовых культур, существуя рядом, оказывают благотворное влияние друг на друга. Но есть и противоположные примеры.
Из культивируемых корней, как и тканей, можно получать ценные вещества. Так никотин образуется только в корнях табака, а сосудорасширяющее средство атропин — в корнях растения белладонны. Эти вещества можно было бы получать из выращиваемых в лаборатории корней.
Особое место занимают работы с растительными тканями, растущими по тем же законам и обладающими такими же свойствами, как и злокачественные опухоли животных и человека. Например, филоксера, вредитель виноградников, вызывает у винограда опухоли, подобные раковым. Если же ей не удается вызвать образования опухоли, то филоксера покидает растение, не приживается на нем. Понятно, что вывести сорт винограда, устойчивого к поражению филоксерой, не болеющего раком — очень заманчиво. Чем глубже разрабатывается метод культивирования тканей, тем все больше возможностей открывает он перед различными областями науки и практики…
Автор: Г. Додева.