Движение растений: взгляд со стороны ботаники и физиологии

В 1859 году Чарльз Дарвин опубликовал итог своих многолетних раздумий над развитием живого мира. Его «Происхождение видов» разошлось с сенсационной скоростью — в один день. Не было, наверное, научного собрания, где не обсуждалась бы эта исключительная работа. Нередко случалось, что крупные открытия целиком поглощали их творцов. Первооткрыватели либо на долгие годы прекращали публикации, как это произошло с Рентгеном, либо до конца своих дней развивали одну идею. А Дарвин? Нет, Дарвин не ушел на заслуженный отдых. Не ограничился он и проблемой биологической эволюции. Правда, статьи, связанные с естественным отбором, появлялись непрерывно, а в 1869 году вышла его знаменитая книга «Происхождение человека». Но вместе с тем ум ученого был занят новой проблемой. Что же привлекло его внимание?

Многие часы просиживал он над маленькими растениями, рисовал в блокнотах какие-то странные пересекающиеся линии. Час — линия, еще час — еще линия. И так изо дня в день. Оказывается, Дарвин с исключительной тщательностью фиксировал движения разных органов растения.

Способность растений «передвигаться» в пространстве науке была известна. Люди давно подметили, как поворачивается к свету подсолнечник или фикус. Все знали и недотрогу мимозу — стоило едва заметно коснуться ее расчлененного листика, и тот поспешно складывался. Вот этими-то движениями растений — редко быстрыми и заметными, а чаще неуловимо медленными — и заинтересовался Дарвин. Начиная с 1860 года и до конца своей жизни он не переставал изучать эти явления.

Как растения узнают время

Лист тянется к свету, корень растет навстречу удобрениям — и все эти движения происходят не в одном ритме. Рост то усиливается, то приостанавливается. Весной интенсивно идут все процессы роста, летом быстро образуются органы плодоношения, осенью же — торможение, остановка, растение готовится встретить зиму и засыпает, чтобы с приходом новой весны повторить этот цикл.

Есть и суточные ритмы движений растения. Утром многие цветы открывают свои головки лучам солнца. Проходит несколько часов — эти головки закрыты, но зато разворачиваются другие. Можно устроить из цветов настоящие часы, и они будут довольно точно показывать время.

Что же заставляет почки распускаться весной и превращаться в цветки? Какой «механизм» открывает и закрывает лепестки цветов? Как растения узнают время? Наконец, почему они «чувствуют» музыку? И нельзя ли, изучив ритмы жизнедеятельности полезных растений, изменить эти ритмы и заставить растения расти скорее?

Ответа до недавних пор не было. Никаких представлений о «приемниках», включающих «реле» и «моторы» ростовых движений, наука не знала. Ученые проявили немалое упорство, постигая законы, управляющие ритмами жизни, и сложные «механизмы», обеспечивающие их выполнение в растениях. В стеблях, корнях, листьях, цветах они искали «часы» и даже «секундомеры», всевозможные «приемники» внешних сигналов, «двигатели» и старались понять их устройство.

Ботаника в тупике

…1862 год. Немецкий ученый Гофмейстер решил изучить, как поступает вода с растворенными в ней минеральными веществами из корневой системы по стеблю к листьям. «Скоростью плача» назвал этот процесс исследователь Баранецкий. Трудные были опыты. В «артерии» растений не поставишь счетчики или водомеры, как и водопроводную трубу. Да и количества воды столь малы, что их трудно измерить и взвесить.

Гофмейстер срезал наземную часть растения, на пенек надел трубку, ставшую подобием манометра, и начал следить, сколько воды выделяют корни через равные промежутки времени. Очень скоро он убедился в ритмичности этого процесса. Но каково же было удивление исследователя, когда он, обнаружив явную периодичность «плача», не смог установить никакой зависимости от внешних условий! Вместо четкого объяснения опытов, он прибег к туманной и ничего не значащей фразе: «Периодичность плача, по-видимому, обусловлена внутренними причинами». Что кроется за этими словами, что это за «внутренние причины», было неизвестно.

Шли годы. В разных лабораториях ученые пытались понять законы, управляющие ритмами жизни растений. Со временем трудностей становилось все больше. В 1929 году, к примеру, были опубликованы сведения о ритмическом изменении размеров устьиц в листьях, открывающих и закрывающих доступ влаги в растение. Но что заставляло устьица двигаться столь странным образом? Ни один из процессов внешней среды не менялся с такой скоростью и в противоположные стороны. Все так же ровно светило солнце, не падала и не поднималась температура воздуха, порывы ветра налетали совершенно беспорядочно, а устьица пульсировали строго ритмично.

Наука приносила все новые и новые факты. Объяснить их никто не мог.

Отвечают физиологи

Разрешение противоречий пришло из другой области биологии. В 1862 году Иван Михайлович Сеченов, изучая нервную систему животных, сделал фундаментальное открытие в физиологии. До Сеченова ученые знали, что на любой раздражитель внешней среды организм отвечает возбуждением нервной системы. Сеченов обнаружил другую, не менее важную сторону процесса — торможение. Вслед за возбуждением нервной системы обязательно идет ее торможение, заявил ученый.

Так стало ясно, что не только в растениях, но и во всей живой природе процессы идут ритмически. Любой, непрерывно действующий раздражитель не приводит к непрерывному возбуждению. Процессы жизнедеятельности идут пульсируя — фаза возбуждения сменяется фазой торможения, которые повторяются снова и снова. Более глубокое объяснение ритмичности процессов ученые нашли, так сказать, на молекулярном уровне.

В протоплазме клеток много электрически заряженных частичек — ионов. Если следить за количествами ионов в разные моменты времени, то мы опять получим пульсирующие кривые. И колебания эти зависят от состояния органа.

Биохимики выяснили: когда наступает возбуждение, клетка выбрасывает ионы калия, фосфатов и некоторые другие. А на их место устремляются ионы натрия и хлора. Это напоминает качели. Приходит фаза торможения, качели заполняются новыми пассажирами и снова люлька устремляется вверх.

Так и в клетке. Когда наступает короткий период покоя, этот «ионный насос» как бы выключается, чтобы с наступлением возбуждения снова приняться за работу. Тут-то и скрыты, по-видимому, секреты ритмов жизни. Чтобы понять их, прежде всего надо разобраться в причинах включения и работы ионного насоса. Этим вопросом в последнее время занимается молекулярная биология.

«Проклятие» над растениями

Итак, исследователи столкнулись с одинаковым явлением раздражимости у животных и растений. «Таинственные ритмы» оказались выражением этого явления. Загадка, над которой так долго ломали головы ученые, была наконец раскрыта.

Однако данные, полученные физиологами, далеко не сразу получили признание ботаников. Пятьдесят с лишним лет потребовалось, чтобы сломить, побороть прочно устоявшееся в науке представление о принципиальном отличии животного мира от растительного.

Некоторые ученые проводили эту грань, основываясь на привязанности растений к одному месту. Они отрицали способность растений воспринимать раздражения и целесообразно отвечать на них. Правда, опыты Дарвина отчетливо показали, что растение так же чувствительно, как и животное. Но за это на Дарвина обрушился шквал нападок. В числе нападавших были многие «киты» тогдашней науки. Сакс, ведущий физиолог того времени, объявил опыты Дарвина «неумело поставленными, а выводы из них несостоятельными». Визнер через год после выхода работы Дарвина опубликовал специальную книгу, где без каких бы то ни было научных оснований просто ругал все до одного опыты Дарвина.

«Проклятие» над приложением теории раздражимости к растениям удерживалось до середины XX века. Быть может, причина была и в том, что растение как целостный организм никто и нигде до тех пор не изучал. Физики, химики, ботаники, математики — специалисты самых различных областей порознь исследовали интересующие их проблемы растительного мира. Разрозненность исследований стала, наконец, уже тормозом в развитии науки о растениях. Нужно было обобщить данные, накопленные отдельными областями знания, приложить общие законы живой материи к растительному царству.

Растительная клетка ждет исследователя

Одним из первых попытался рассмотреть процессы раздражимости у всех живых организмов ученый X. С. Коштоянц. Вслед за ним немец Бюннинг и физиолог И. И. Гунар занимались этой проблемой.

Много лет подряд шел напряженный поиск. Гунару и его сотрудникам удалось показать, что большая часть процессов в растениях протекает ритмично — с периодом 2—5 часов.

Правда, в самом этом наблюдении не было ничего неожиданного. Полученные данные подтверждали старые и отличались от них лишь точностью. Новое же заключалось в другом. Ритмы оказались такими устойчивыми, что самые резкие изменения внешних условий не могли изменить их.

У растений фасоли и подсолнуха, за которыми велись наблюдения, существует суточный ритм в поступлении фосфора — днем количество фосфора в растении возрастает, ночью уменьшается. Кроме того, было замечено, что поток фосфора заметно пульсирует. В лаборатории попытались сбить эти ритмы, освещая растения искусственным солнцем по 6,12 и 16 часов подряд, пробовали менять температуру с 5 до 40 градусов. Ритмы оставались устойчивыми. Это было ценное наблюдение.

Теперь нужно было доказать, что ритмы и пульсацию, не зависящие от перемен во внешней среде, можно объяснить только с позиций теории раздражимости.

Мы помним, что возбуждение и торможение в животной клетке сопровождается выделением одних и поглощением других ионов (смотрите прошлую статью). Точно такой же обмен удалось установить сотрудникам И. И. Гунара и у растений. Разница состояла лишь в одном — вместо натрия в растительную клетку при возбуждении нагнетался кальций. Но на этом отличие и кончалось. Открытая закономерность не нарушалась ни одним исключением. Исследователи «хитрили». В термостатах, где выращивались фасоль, подсолнечник и тыква, они резко меняли температуру, неожиданно добавляли туда хлористый кадмий и другие яды. Нет, сбить ионный насос не удалось никак.

Вслед за тем было выяснено, что в растительных клетках электрические явления так же распространены, как и в животных. В ответ на различные раздражения в растениях (тыква и водоросль нителла) возникали и распространялись двухфазные электрические волны. Так ученые доказали, что возбуждение связано с изменением ионного состава протоплазмы растительной клетки.

Следуют серии новых опытов. И тут обнаруживается интересный парадокс. Казалось бы, стоит перенести растения из обычного питательного раствора в среду, содержащую только калий, и количество его ионов должно в растении резко возрасти. Однако результат опытов неожиданным. Корни поглощают и выделяют калий почти в одинаковом количестве, и даже обедняются калием.

Этот вывод имеет уже прямое отношение к практике. Ведь нередко бывало, что на полях в почву вносили одни калийные удобрения, а затем обнаруживали вдруг, что растениям нанесен непоправимый вред — их солнцем. Пораженные этим открытием, ученые решили поставить новый необычный эксперимент. Они погрузили растение в… наркоз. Все меньше и меньше остается в растительных клетках ионов калия. Все медленней бьется пульс растения. Оно засыпает, спит… И, оказывается, теперь ему не страшен холод.

Если немного помечтать

Вероятно, разговор о практическом использовании теории раздражимости сейчас еще преждевременен. Мало знаем мы пока о тайнах животной и растительной клетки. И все-таки, давайте немного помечтаем. Ну хотя бы о том времени, когда на наших полях зазвучит… музыка. Работы ученых, о которых вы прочитали выше, доказали, что любая жизнь, в том числе и растительная, буквально пронизана ритмическими процессами, явлениями, которые непрерывно пульсируют, дрожат, вибрируют. Так нельзя ли извне еще больше «раскачать» эти колебания, настроив в резонанс с ними, скажем, какой-либо звук.

Представьте: над пшеничным полем установлен репродуктор. Звучит жизнерадостный марш, его сменяет веселая полька, следом накатываются волны вальса, и постепенно в такт музыке начинают «танцевать» различные процессы растений. Вдох, выдох, вверх, вниз — амплитуда звуковых колебаний растет, интенсивность роста растений увеличивается…

Чересчур фантастично? Но почему? Можем же мы представить себе, что когда-нибудь так разберемся в ритмах растений, так отшлифуем наши знания о жизни растительной клетки, что получим возможность управлять ростом растений. И, быть может, музыка действительно придет на помощь агроному, она взбодрит, подстегнет процессы роста и развития растений — такие же ритмичные, как сама музыка. На том же поле будущего вы, возможно, увидите и специальные генераторы, настроенные на частоту электрических колебаний пшеницы. Генератор усиливает биоэлектрические потенциалы растений, дает мощный толчок к ускоренному росту.

Мы хорошо знаем, как помогло изучение биоэлектрических явлений у человека ставить диагнозы. Почему бы в ближайшем будущем не использовать биотоки растений, чтобы определять их состояние? Электрический сигнал расскажет врачу-растениеводу, какой недуг поразил «больного», подскажет спасительные меры.

Изучение ритмов растений, может быть, поможет нам куда рациональней и с большей пользой использовать удобрения. Может быть…

Нет, пока остановимся. Возможно, исследование ритмов растений и даст ключ к осуществлению этих замыслов. А может быть, эти работы откроют нам такие дороги, которые трудно даже предугадать сегодня.

Автор: В. Сойфер.