Растения движутся

Главы из книги

Ещё в те времена, когда наша планета была молода и в первичном океане обитали лишь самые простые одноклеточные организмы, уже тогда эти существа выбрали для себя различные стратегии питания. Эти малютки ещё не имели даже обособленного ядра, то есть принадлежали к царству бактерий. Некоторые из них предпочитали заглатывать себе подобных, а значит, были настоящими хищниками. Другие пополняли свой энергетический запас с помощью фотосинтеза.

Процесс фотосинтеза можно записать очень простой химической формулой: вода плюс углекислый газ равно сахар плюс кислород. Читаем слева направо — фотосинтез, справа налево — дыхание. Но простота эта обманчива. Достаточно вспомнить, что человеку пока ещё не удалось воспроизвести эту реакцию в лабораторных условиях без участия живой клетки. Разные методы питания — разное поведение. Хищникам для поиска пропитания необходимо быстрое, активное перемещение. Они не могут пассивно перемещаться с течением или ветром, ожидая, что еда сама упадёт им в рот. Такое поведение очень скоро приведёт их к гибели. Тем более, хищник не может прикрепиться в каком-то одном месте и просидеть на нём всю жизнь.

Поэтому первые одноклеточные хищники обзавелись органами движения — жгутиками и ресничками. Теперь они сами, по своему разумению могли решать в каком месте им лучше «немного подкрепиться». Именно эти существа дали начало животным. Их потомки обзавелись уже гораздо более эффективными средствами передвижения, вплоть до ног и крыльев. Чтобы быстро и с максимальной пользой использовать органы движения, понадобился и такой сложный орган, как мозг, главным назначением которого стала координация движении, получение и обработка информации, поступающей от органов чувств. С растениями же всё вышло совершенно иначе. Вода, углекислый газ и солнечный свет — не были в дефиците для первых, водных растений. Всё это можно было получить сидя на одном месте и нежась в лучах солнца. Поэтому и нужды в активных перемещениях с места на место у растений не возникло.

Гораздо экономнее было направить все возможности эволюции на приспособление к неподвижному, сидячему образу жизни. Со временем растения усложнялись, начали осваивать новые среды обитания, у них появились новые органы. Но первоначальному прикреплённому образу жизни они не изменили. Зато довели приспособленность к такой жизни до совершенства. Именно это позволило растениям из тёплых мелководий тропических морей распространиться по всей Земле, проникнуть в безводные раскалённые пустыни и в земли, где царствует вечная мерзлота.

И в этих, крайне неблагоприятных условиях, растениям всё же пришлось научиться двигаться. Для того чтобы добраться до воды, питательных веществ, для того чтобы обеспечить себе наиболее комфортный режим освещённости, да и много ещё для чего растениям пришлось выработать способность к изменению своего положения в пространстве. А ведь это и есть движение. Какие же движения мы можем наблюдать у растений? Давайте вспомним наш уговор — мы говорим в этой книжке о высших растениях. А все высшие растения — организмы прикреплённые. Бродить по горам и долинам в поисках лучшей доли они не могут. А значит, движение высших растений — это движение только их органов.

Представьте себе, что вместо вас сидит за столом и читает эту книжку какой-нибудь зелёный куст, к примеру, полушник азиатский. Представьте себе, что захотелось ему попить. Мы просто идём на кухню и выпиваем стакан воды. А вот наш воображаемый растительный читатель поступит совсем по-другому. Ему придётся дотягиваться до крана, не вставая с места. Для этого он отрастит себе длинную «шею», протянет её до крана и присосётся накрепко к смесителю. Теперь, сидя в удобном кресле, он в любой момент может попить воды. И даже вставать с места ему не надо. Хочется перекусить? Отращиваем себе вторую голову на длинной шее и «врастаем» в холодильник. Замёрзли ноги? То же самое решение — отращиваем их до самой батареи отопления. Какой способ существования удобнее — решайте сами. Тут уж кому что нравится.

Некоторые люди предпочитают активное движение, а некоторые из нас не выходили бы из квартиры всю жизнь. Человек провёл в благоустроенные квартиры воду, чтобы не бегать напиться или умыться к ближайшему ручью. Писатели-фантасты давно мечтают о «пишепроводах», доставляющих еду прямо на стол. Даже развлекаться мы предпочитаем на дому. Телевизоры, радио, домашние кинотеатры доставляют «пищу духовную» прямо к дивану. А пульт дистанционного управления позволяет с этого самого дивана даже не вставать лишний раз. А если уж необходимость купить новые батарейки или чувство голода всё же погонит нас в магазин, то и тут мы пытаемся избежать движений. Подавай нам автобус или автомобиль. Да ещё крайне желательно, чтоб остановка была рядом с подъездом, а в подъезде был лифт. Вот и получается, что все удобства, которыми окружает себя человек, служат лишь одному — поменьше двигаться. Так что нашему воображаемому персонажу — растительному читателю — многие позавидовали бы.

Но вернёмся к вопросу движения у растений. Надо отметить одну важную деталь — движения растений могут быть необратимыми (это если наш читающий куст прирос к водопроводному крану навсегда) и обратимыми (это если он хочет время от времени пододвигать «ноги» к батарее или отодвигать их по своему желанию). Поэтому механизмов движения у растений два. Давайте рассмотрим их чуть подробнее.

Первый связан с набором дополнительной массы, то есть с ростом, с образованием новых клеток или с необратимым изменением размеров старых клеток. Происходит этот процесс в определённых, необходимых в данный момент времени, местах. Именно таким образом, например, открывается и закрывается цветок. Когда растут клетки верхней стороны цветоложа, цветок открывается. Нижней — закрывается. Открывание и закрывание цветка повторяется много раз за время цветения. И в результате такого попеременного роста цветоножка тюльпана, например, удлиняется почти вдвое. Не надо думать, что растут растения очень медленно и движения роста нельзя заметить невооружённым глазом. То же открывание цветка происходит буквально на глазах.

А если уж привести пример со скоростью роста корней ржи... Как вы думаете, как быстро увеличивается длина корней кустика этого полезного злака? Попробуйте угадать. Может 5 сантиметров в час? Или 10 метров в час? Нет, гораздо бы стрее. По данным, которые приводит в своей книге «В мире растений» американский ботаник голландского происхождения Фриц Be нт, общая длина корешков одной единственной особи увеличивается в сутки более чем на 4,8 километра. Это 3,5 метра в минуту!

Второй способ обусловлен не образованием новых клеток, а изменением геометрии уже существующих. Достигается это с помощью изменения внутриклеточного давления — тургора. Благодаря изменению тургора клетки могут вытягиваться или, наоборот, сжиматься, приводя в движение те или иные органы, например, упоминавшиеся уже листья мимозы. Движения органов растения, связанные с изменением тургора, обратимы, то есть могут повторяться сколь угодно раз. А движения, связанные с ростом, необратимы, в первоначальное состояние растение уже вернуться не может. Надо учитывать ещё и то, что в природе почти всегда ростовое движение сопровождается тургорным и наоборот.

Эти два вида движения растений неотделимы друг от друга. Какие же примеры ростовых движений мы знаем? Один из них приведён выше — это открывание и закрывание цветка. Ещё одно из известных проявлений таких движений — искривление стебля. Происходит оно в случае, когда одна сторона стебля растёт быстрее, чем другая. В результате растение наклоняется в ту сторону, с которой рост стебля замедлен. Именно таким образом многие растения «следят» за положением солнца на небе, поворачиваясь вслед за ним. Так ведёт себя наш всем известный подсолнух. Таким же образом обвиваются вокруг какой-нибудь опоры вьющиеся растения. В этом случае участок стебля, в котором происходит усиленный рост, равномерно перемещается по окружности и, в результате, стебель обвивает опору, принимая форму пружины.

Примером растения, растущего таким образом, может служить всем нам хорошо известный «граммофончик», а точнее — Convolvulus arvensis (вьюнок полевой). Каким образом вьюнок точно определяет, с какой стороны стебля и в какой момент времени ему надо расти, остаётся пока загадкой. Есть ещё очень интересный пример движения растений, связанного с их ростом. Поговорим о нём чуть подробнее.

Наверняка многие видели деревья, поваленные или сильно накренённые ветром. Бывает, что и ветер ни причём — река размывает крутой берег и деревья, растущие на нём, накреняются всё больше и больше в сторону воды. Если в результате такого неприятного для дерева происшествия оно остаётся в живых, то начинает происходить очень любопытная вещь. Огромный толстый ствол начинает изгибаться вверх, стремясь вернуть себе привычное вертикальное положение. Что же здесь удивительного, скажете вы, ведь все растения могут изгибать стебель, стремясь к свету.

Да, всё так. Но надо заметить, что ствол привычного для нас дерева состоит, в основном, из древесины. А клетки древесины — мёртвые. Дерево само в необходимый момент убивает их и строит из них систему тонких трубочек — сосудов или трахеид, по которым вверх по стволу поднимается от корней вода. Правда, и в древесине есть небольшое количество живых клеток, образующих тоненькие цепочки, но всё равно, ствол дерева в основном состоит из мёртвых, пустых и очень непластичных клеточных оболочек. Как же можно согнуть такую мёртвую массу? Деревья поступают очень хитро. Дело в том, что между корой и древесиной у них есть тоненький слой живых и постоянно делящихся клеток — камбий. Если говорить упрощённо, то камбий постоянно создаёт в одну сторону клетки древесины, а в другую — коры. Именно таким образом ствол дерева и растёт в толщину.

Понятно, что у дерева есть два способа согнуть свой ствол — камбий может нарастить слой древесины на верхней части накренённого ствола и, таким образом, сверху, как бы стягивая тросом, изгибать ствол. А может, наоборот, наращивать слой древесины снизу и, расширяя её, как домкратом, добиться такого же результата. Интересно то, что разные группы растений предпочитают разные способы.

Р. Вейнар в книге «Движение у растений» замечает, что по первому пути идут цветковые, и тогда по верху ствола возникает древесный тяж, который так и называют — тяговая древесина. Хвойные же растения придерживаются второго способа, наращивая снизу наплывы древесины, называемые креневой древесиной или, просто, кренью. Удивительна согласованность в действиях разных органов дерева в этом примере. Видно, что дерево прекрасно понимает, в каком месте, как и с какой скоростью ему надо надстроить новые ткани, чтобы вновь занять привычное вертикальное положение. Теперь давайте попробуем хоть чуть-чуть разобраться в том, как и благодаря чему происходит в растениях выборочный рост каких-то, определённых самим растением, участков его тела.

В 60-х годах прошлого века в США был открыт гормон роста растений. Назвали его ауксин. В ходе проведённых экспериментов выяснилось, что микроскопические дозы этого вещества вызывают активный рост тканей растения. Выяснилось также, что ауксин вырабатывается в нежной, очень маленькой области — верхушечной зоне роста. Мы уже упоминали, что растения, в отличие от животных, растут, наслаивая новый слой клеток на уже существующие. Эти новые слои клеток и берут своё начало от непрерывно делящихся клеток зоны роста, так называемых меристематических клеток. А сама зона роста поэтому называется меристемой. Так вот, ауксин вырабатывается в меристеме. Но не только вырабатывается, но и распределяется.

Оказывается, зона роста сама определяет, в какую сторону ей расти и отдаёт команды своим клеткам-дочерям с помощью ауксина. Было установлено, что количество ауксина в клетках освещённой стороны побега меньше, чем в клетках стороны, находящейся в тени. Таким образом, становится понятно, почему побег изгибается в сторону источника света. После открытия ауксина были открыты ещё десятки растительных гормонов. Одни из них ускоряют рост отдельных органов, например, корней. Другие, наоборот, замедляют. Были открыты вещества, вызывающие ускоренное цветение и созревание плодов. Но один очень важный вопрос остался. Дело в том, что не только гормоны, вырабатываемые меристемой, управляют ростом растения, но и всё растение в целом управляет меристемой. Наличие такой обратной связи очевидно. Если бы её не было, то, например, все деревья росли бы с наклоном в сторону наибольшего освещения. В наших широтах — на юг.

Но нет, такого мы не видим. Какой-то механизм не позволяет дереву расти с наклоном, рискуя упасть под собственным весом. Ещё один пример того, что зона роста реагирует на сигналы от других органов растения, дают нам лазающие растения. Чувствительный усик всем известного Cucumis sativus или, по-русски, огурца посевного, натыкаясь на подходящую опору, заставляет стебель расти в её сторону. Очевидно, что сигнал был послан усиком и «услышан» зоной роста стебля, но каков механизм всего этого процесса — пока загадка. Как не вспомнить тут сравнение растения с электронными часами — мы видим, что чёрная коробочка точно показывает время, но, как говорил доктор Ватсон в известном фильме: «чёрт возьми, как?»

Ну вот мы и подошли ко второму виду движения растений — движению, происходящему благодаря изменению внутриклеточного давления. Это давление, или тургор, меняется благодаря изменению концентраций растворённых в клеточном соке веществ. Растение само регулирует давление в своих клетках, для чего оно освоило множество способов. В том числе и с помощью ещё одного гормона — гибериллина, повышающего тургор. Точно выбирая необходимый в данный момент слой клеток, растительный организм способен резко повысить или понизить в нём тургорное давление, тем самым приводя в движение тот или иной орган. Наверняка вы не раз видели ускоренную съёмку, на которой усик вьющегося растения как будто вслепую нащупывает опору, за которую можно было бы зацепиться. Это движение вызывается изменением тургора с разных сторон усика попеременно. Правда, есть тут и ростовая составляющая, но, как уже упоминалось, оба вида движения, как правило, встречаются вместе.

Таким же образом обстоит дело и с закрыванием листа у хищной венериной мухоловки (Dionaea muscipula). Это растение, обитающее в Америке (кстати, именно на примере венериной мухоловки люди впервые поняли, что не всегда животные поедают растения, бывает и наоборот) имеет листья, напоминающие разделённый пополам круг с тонкими выростами-зубами по краю. В середине одной из половинок такого листа есть три чувствительных волоска, чутко реагирующих на прикосновение. Если замечтавшаяся муха коснётся этих волосков, лист очень быстро, примерно за 0,2 секунды, захлопнется. Зубы-выросты одной половинки листа точно войдут в пазы другой, и насекомое окажется «за решёткой». Это быстрое движение вызывается резкой потерей тургора в клетках верхней стороны листа и резким возрастанием давления в клетках нижней стороны.

После того, как лист захлопнется, он будет ещё некоторое время сжиматься ещё плотнее. Этот процесс, хотя и происходит значительно медленнее, хорошо заметен невооружённым глазом. Тут уже вступает в дело рост клеток нижней стороны листа. Очень интересна ещё одна особенность срабатывания листа-ловушки венериной мухоловки. Дело в том, что она, как и мы с вами, не очень любит лишние и бесполезные движения. Если на чувствительные к прикосновению волоски её листа случайно упадёт какой-нибудь предмет, то ловушка не захлопнется. Почему?

Можно провести про стой эксперимент. Венерина мухоловка часто продаётся в магазинах комнатных растений. Купите её (учтите, что уход за этим растением довольно сложен!) и попытайтесь, прикасаясь к чувствительным волоскам спичкой, изучить её реакцию. Вы увидите, что если тронуть лишь один волосок или все три сразу, то лист останется открытым. Ловушка захлопнется лишь в том случае, если вы дотронетесь до двух соседних волосков поочерёдно. Закрывание листа венериной мухоловкой — одно из самых быстрых измеренных движений среди растений.

Быстрее — только изгибание тычинок барбариса обыкновенного (Berberis vulgaris). При прикосновении к нижней внутренней стороне тычиночной нити, она резко згибается внутрь цветка, к пестику. Этот процесс занимает не более одной десятой секунды. Есть ещё один очень любопытный пример использования растением тургорного давления.

Некоторые растения, например, крокусы или известные нам подснежники, имеют так называемые контрактильные или, проще говоря, сокращающиеся корни. В какой-то момент они решают, что не плохо бы им закопаться поглубже в землю. Сказано — сделано. Корни, крепко закрепившиеся в земле, сокращаются, затягивая стебель поглубже в почву. Такие же корни имеют и некоторые папоротники и цикадовые, которые закапываются таким образом в грунт на глубину до полуметра. Считается, что таким образом они избегают опасности падения под собственным весом.

Ведь стволы у саговниковых устроены иначе, чем у привычных для нас деревьев. В них мало древесины. Состоят они в основном из жи вых клеток и, поэтому, очень тяжелы. Механизм сокращения корней ещё полностью не изучен, но несомненно, что тургорные процессы играют в нём важную роль. Примеров движений органов растений можно привести ещё много. Изгибание волосков-желёзок листа ещё одного растения хищника — росянки (Drosera), когда она буквально обнимает ими неосторожное насекомое или изгиб корней в стремлении уйти от солнечного света. Складывание листьев клевера или кислицы ночью или в непогоду. Удивительная реакция мимозы стыдливой на малейшее прикосновение. А ведь мы не говорили о движениях на микроуровне. Движения устьиц, перемещение хлоропластов внутри клетки к более освещённой стороне.

Вообще органеллы клетки не сидят на месте, а постоянно перемещаются, причём совершенно не случайным образом, что играет большую роль в передаче раздражения по тканям растения, а также в работе чувствительных рецепторов — органов чувств растений.