Рух рослин: погляд з боку ботаніки та фізіології

У 1859 році Чарльз Дарвін опублікував підсумок своїх багаторічних роздумів над розвитком живого світу. Його «Походження видів» розійшлося з сенсаційною швидкістю – в один день. Не було, напевно, наукового зібрання, де не обговорювалася б ця виняткова робота. Нерідко траплялося, що великі відкриття цілком поглинали їх творців. Першовідкривачі або на довгі роки припиняли публікації, як це сталося з Рентгеном, або до кінця своїх днів розвивали одну ідею. А Дарвін? Ні, Дарвін не пішов на заслужений відпочинок. Не обмежився він і проблемою біологічної еволюції. Правда, статті, пов’язані з природним відбором, з’являлися безперервно, а в 1869 році вийшла його знаменита книга «Походження людини». Але разом з тим розум вченого був зайнятий новою проблемою. Що ж привернуло його увагу?

Багато годин просиджував він над маленькими рослинами, малював в блокнотах якісь дивні пересічні лінії. Година – лінія, ще година – ще лінія. І так день у день. Виявляється, Дарвін з винятковою ретельністю фіксував рухи різних органів рослини.

Здатність рослин «пересуватися» в просторі науці була відома. Люди давно підмітили, як повертається до світла соняшник або фікус. Всі знали і недотрогу мімозу – варто було ледь помітно торкнутися її розчленованого листочка, і той поспішно складався. Ось цими-то рухами рослин – рідко швидкими і помітними, а частіше невловимо повільними – і зацікавився Дарвін. Починаючи з 1860 року і до кінця свого життя він не переставав вивчати ці явища.

Як рослини впізнають час

Лист тягнеться до світла, корінь росте назустріч добривам – і всі ці рухи відбуваються не в одному ритмі. Зростання то посилюється, то призупиняється. Навесні інтенсивно йдуть всі процеси росту, влітку швидко утворюються органи плодоношення, восени ж – гальмування, зупинка, рослина готується зустріти зиму і засинає, щоб з приходом нової весни повторити цей цикл.

Є й добові ритми рухів рослини. Вранці багато квітів відкривають свої голівки променям сонця. Проходить кілька годин – ці головки закриті, але зате розгортаються інші. Можна влаштувати з квітів справжній годинник, і вони будуть досить точно показувати час.

Що ж змушує бруньки розпускатися навесні і перетворюватися на квітки? Який «механізм» відкриває і закриває пелюстки квітів? Як рослини дізнаються час? Нарешті, чому вони «відчувають» музику? І чи не можна, вивчивши ритми життєдіяльності корисних рослин, змінити ці ритми і змусити рослини рости швидше?

Відповіді до недавніх пір не було. Ніяких уявлень про «приймачі», що включають «реле» і «мотори» ростових рухів, наука не знала. Вчені виявили чималу завзятість, осягаючи закони, що керують ритмами життя, і складні «механізми», що забезпечують їх виконання в рослинах. В стеблах, коренях, листі, квітах вони шукали «годинник» і навіть «секундоміри», всілякі «приймачі» зовнішніх сигналів, «двигуни» і намагалися зрозуміти їх пристрій.

Ботаніка в безвиході

… 1862 рік. Німецький вчений Гофмейстер вирішив вивчити, як надходить вода з розчиненими в ній мінеральними речовинами з кореневої системи по стеблу до листків. «Швидкістю плачу» назвав цей процес дослідник Баранецький. Важкі були досліди. У «артерії» рослин не поставиш лічильники або водоміри, як і водопровідну трубу. Та й кількості води настільки малі, що їх важко виміряти і зважити.

Гофмейстер зрізав наземну частину рослини, на пеньок надів трубку, що стала подобою манометра, і почав стежити, скільки води виділяють коріння через рівні проміжки часу. Дуже скоро він переконався в ритмічності цього процесу. Але яке ж було здивування дослідника, коли він, виявивши явну періодичність «плачу», не зміг встановити ніякої залежності від зовнішніх умов! Замість чіткого пояснення дослідів, він вдався до туманної і нічого не значущої фразою: «Періодичність плачу, мабуть, обумовлена внутрішніми причинами». Що криється за цими словами, що це за «внутрішні причини», було невідомо.

Йшли роки. У різних лабораторіях вчені намагалися зрозуміти закони, що керують ритмами життя рослин. З часом труднощів ставало все більше. У 1929 році, наприклад, були опубліковані відомості про ритмічну зміну розмірів продихів в листках, які відкривають і закривають доступ вологи в рослину. Але що змушувало продихи рухатися настільки дивним чином? Жоден з процесів зовнішнього середовища не змінювався з такою швидкістю і в протилежні сторони. Все так само рівно світило сонце, не падала і не піднімалася температура повітря, пориви вітру налітали зовсім безладно, а продихи пульсували строго ритмічно.

Наука приносила все нові і нові факти. Пояснити їх ніхто не міг.

Відповідають фізіологи

Дозвіл протиріч прийшов з іншої області біології. У 1862 році Іван Михайлович Сєченов, вивчаючи нервову систему тварин, зробив фундаментальне відкриття у фізіології. До Сєченова вчені знали, що на будь-який подразник зовнішнього середовища організм відповідає збудженням нервової системи. Сєченов виявив іншу, не менш важливу сторону процесу – гальмування. Слідом за порушенням нервової системи обов’язково йде її гальмування.

Так стало ясно, що не тільки в рослинах, а й у всій живій природі процеси йдуть ритмічно. Будь-який, безперервно діючий подразник не приводить до безперервного збудження. Процеси життєдіяльності йдуть пульсуючи – фаза збудження змінюється фазою гальмування, які повторюються знову і знову. Більш глибоке пояснення ритмічності процесів вчені знайшли, так би мовити, на молекулярному рівні.

В протоплазмі клітин багато електрично заряджених частинок – іонів. Якщо стежити за кількостями іонів в різні моменти часу, то ми знову отримаємо пульсуючі криві. І коливання ці залежать від стану органу.

Біохіміки з’ясували: коли настає збудження, клітина викидає іони калію, фосфатів і деякі інші. А на їх місце спрямовуються іони натрію і хлору. Це нагадує гойдалку. Приходить фаза гальмування, гойдалки заповнюються новими пасажирами і знову люлька спрямовується вгору.

Так і в клітині. Коли настає короткий період спокою, цей «іонний насос» як би вимикається, щоб з настанням збудження знову взятися за роботу. Тут-то і приховані, очевидно, секрети ритмів життя. Щоб зрозуміти їх, перш за все треба розібратися в причинах включення і роботи іонного насоса. Цим питанням останнім часом займається молекулярна біологія.

«Прокляття» над рослинами

Отже, дослідники зіткнулися з однаковим явищем подразливості у тварин і рослин. «Таємничі ритми» виявилися вираженням цього явища. Загадка, над якою так довго ламали голови вчені, була нарешті розкрита.

Проте дані, отримані фізіологами, далеко не відразу отримали визнання ботаніків. П’ятдесят з гаком років треба було, щоб зломити, побороти міцно усталене в науці уявлення про принципову відмінність тваринного світу від рослинного.

Деякі вчені проводили цю грань, ґрунтуючись на прихильності рослин до одного місця. Вони заперечували здатність рослин сприймати роздратування і доцільно відповідати на них. Правда, досліди Дарвіна виразно показали, що рослина так само чутливо, як і тварина. Але за це на Дарвіна обрушився шквал нападок. У числі нападників було багато «китів» тогочасної науки. Сакс, провідний фізіолог того часу, оголосив досліди Дарвіна «невміло поставленими, а висновки з них неспроможними». Візнер через рік після виходу роботи Дарвіна опублікував спеціальну книгу, де без яких би то не було наукових підстав просто лаяв всі до одного досліди Дарвіна.

«Прокляття» над додатком теорії дратівливості до рослин утримувалося до середини XX століття. Бути може, причина була і в тому, що рослину як цілісний організм ніхто і ніде доти не вивчав. Фізики, хіміки, ботаніки, математики – фахівці самих різних областей порізно досліджували цікаві їм проблеми рослинного світу. Розрізненість досліджень стала, нарешті, вже гальмом у розвитку науки про рослини. Потрібно було узагальнити дані, накопичені окремими областями знання, докласти загальні закони живої матерії до рослинного царства.

Рослина клітина чекає дослідника

Одним з перших спробував розглянути процеси подразливості у всіх живих організмів вчений X. С. Коштоянц. Слідом за ним німець Бюннінг і фізіолог І. І. Гунар займалися цією проблемою.

Багато років поспіль йшов напружений пошук. Гунару і його співробітникам вдалося показати, що більша частина процесів в рослинах протікає ритмічно – з періодом 2-5 годин.

Правда, в самому цьому спостереженні не було нічого несподіваного. Отримані дані підтверджували старі і відрізнялися від них лише точністю. Нове ж полягало в іншому. Ритми виявилися такими стійкими, що самі різкі зміни зовнішніх умов не могли змінити їх.

У рослин квасолі і соняшника, за якими велися спостереження, існує добовий ритм в надходженні фосфору – днем кількість фосфору в рослині зростає, вночі зменшується. Крім того, було відмічено, що потік фосфору помітно пульсує. У лабораторії спробували збити ці ритми, висвітлюючи рослини штучним сонцем по 6, 12 і 16 годин поспіль, пробували міняти температуру з 5 до 40 градусів. Ритми залишалися стійкими. Це було цінне спостереження.

Тепер потрібно було довести, що ритми і пульсація, не залежні від змін у зовнішньому середовищі, можна пояснити тільки з позицій теорії подразливості.

Ми пам’ятаємо, що збудження і гальмування в тваринної клітини супроводжується виділенням одних і поглинанням інших іонів (дивіться минулу статтю). Точно такий же обмін вдалося встановити співробітникам І. І. Гунара і у рослин. Різниця полягала лише в одному – замість натрію в рослинній клітині при порушенні нагнітався кальцій. Але на цьому відмінність і закінчувалася. Відкрита закономірність не порушувалася ні одним винятком. Дослідники «хитрили». В термостатах, де вирощувалися квасоля, соняшник і гарбуз, вони різко змінювали температуру, несподівано додавали туди хлористий кадмій і інші отрути. Ні, збити іонний насос не вдалося ніяк.

Слідом за тим було з’ясовано, що в рослинних клітинах електричні явища так само поширені, як і в тварин. У відповідь на різні роздратування в рослинах (гарбуз і водорість Нітелла) виникали і поширювалися двофазні електричні хвилі. Так вчені довели, що порушення пов’язане із зміною іонного складу протоплазми рослинної клітини.

Слідують серії нових дослідів. І тут виявляється цікавий парадокс. Здавалося б, варто перенести рослини зі звичайного поживного розчину в середовище, що містить тільки калій, і кількість його іонів повинна в рослині різко зрости. Однак результати дослідів несподівані. Коріння поглинають і виділяють калій майже в однаковій кількості, і навіть збіднюються калієм.

Цей висновок має вже пряме відношення до практики. Адже нерідко бувало, що на полях в грунт вносили одні калійні добрива, а потім виявляли раптом, що рослинам завдано непоправної шкоди – їх листя згорталися і буріло, як від опіку сонцем. Вражені цим відкриттям, вчені вирішили поставити новий незвичайний експеримент. Вони повантажили рослини в … наркоз. Все менше і менше залишається в рослинних клітинах іонів калію. Все повільніше б’ється пульс рослини. Вони засинають, сплять… І, виявляється, тепер їм не страшний холод.

Так був відкритий спосіб вберегти рослини від заморозків.

Якщо трохи помріяти

Ймовірно, розмова про практичне використання теорії подразливості зараз ще передчасна. Мало знаємо ми поки про таємниці тваринної і рослинної клітини. І все-таки, давайте трохи помріємо. Ну хоча б про той час, коли на наших полях зазвучить … музика. Роботи вчених, про які ви прочитали вище, довели, що будь-яке життя, в тому числі і рослинне, буквально пронизано ритмічними процесами, явищами, які безперервно пульсують, тремтять, вібрують. Так чи не можна ззовні ще більше «розгойдати» ці коливання, налаштувавши в резонанс з ними, скажімо, будь-який звук.

Уявіть: над пшеничним полем встановлений репродуктор. Звучить життєрадісний марш, його змінює весела полька, слідом накочуються хвилі вальсу, і поступово в такт музиці починають «танцювати» різні процеси рослин. Вдих, видих, вгору, вниз – амплітуда звукових коливань зростає, інтенсивність росту рослин збільшується…

Надто фантастично? Але чому? Можемо ж ми уявити собі, що коли-небудь так розберемося в ритмах рослин, так відшліфуємо наші знання про життя рослинної клітини, що отримаємо можливість керувати ростом рослин. І, можливо, музика дійсно прийде на допомогу агроному, вона підбадьорить, підстьобне процеси росту і розвитку рослин – такі ж ритмічні, як сама музика. На тому ж полі майбутнього ви, можливо, побачите і спеціальні генератори, налаштовані на частоту електричних коливань пшениці. Генератор посилює біоелектричні потенціали рослин, дає потужний поштовх до прискореного зростання.

Ми добре знаємо, як допомогло вивчення біоелектричних явищ у людині ставити діагнози. Чому б у найближчому майбутньому не використовувати біоструми рослин, щоб визначати їх стан? Електричний сигнал розповість лікарям-рослинникам, яка недуга вразила «хворого», підкаже рятівні заходи.

Вивчення ритмів рослин, може бути, допоможе нам куди раціональніше з більшою користю використовувати добрива. Може бути…

Ні, поки зупинимося. Можливо, дослідження ритмів рослин і дасть ключ до здійснення цих задумів. А може бути, ці роботи відкриють нам такі дороги, які важко навіть передбачити сьогодні.

Автор: В. Сойфер.