Як захищаються і лікуються рослини

Тварини можуть сховатися від засушливої спеки і від жорстокого морозу. Рослинам важче: бігати вони не вміють, і всі життєві негаразди їм доводиться зустрічати віч-на-віч. Під палючими променями сонця тканини рослин нагріваються часом дуже сильно. Так, наприклад, температура листя калини досягає часом 44°С, а багато фруктів нагріваються до 46°. Кактус опунція, що росте в пустелях Мексики і Південної Америки, нагрівається до 65°; мабуть, у цьому відношенні він займає серед вищих рослин одне з перших місць. Рекорд жаростійкості належить мікроскопічним синьо-зеленим водоростям, які живуть у гарячих джерелах. Їм доводиться переносити температуру до 85°С.

Важким випробуванням піддає рослинний організм засуха, але рослини мужньо борються з нею. Для того, щоб у соняшнику, наприклад, загинула половина листя, рослина повинна втратити 87 відсотків наявних в її тканинах води. Чорна бузина пошкоджується в такій же мірі після втрати 55 відсотків води, а бук — 80 відсотків.

Ще більш вражаючі рекорди морозостійкості рослин. У природних умовах тканини багатьох дерев промерзають до — 60° і залишаються живими. А в лабораторії, як показав професор В. І. Туманів, гілки берези при певних умовах витримують без пошкодження температуру -253°С. Японському вченому Салаї вдалося зберегти живими гілки верби і тополі після охолодження їх до -269°.

Як же, з допомогою яких пристосувань рослинний організм захищається від спеки або холоду? Які пристосування є у нього для цього захисту?

Можна назвати три бар’єри, три лінії оборони, що захищають рослину від несприятливих умов.

Перша лінія — пристосування на рівні виду. Вони мають значення для окремих конкретних рослин, а для існування і відтворення даного виду рослин у природі. До їх числа можна відвести, наприклад, приуроченість плодоношення або всього періоду життя рослини найбільш сприятливій порі року. Так, в жарких пустельних областях багато рослини за час короткої, порівняно прохолодної і вологої весни встигають пройти шлях від насіння до насіння. Полярна тундра покривається рослинністю і відцвітає протягом дуже короткого літа. Та й у наших помірних широтах рослини не цвітуть коли попало, а «вибирають» для цього найкращий час. Велике значення має пристосованість даного виду рослин до певного місця, а також розселення одного виду під захистом іншого. Наприклад, сходи ялини на відкритих місцях вимерзають, а під покривом іван-чаю і папороті-орляка виживають.

Друга лінія оборони — пристосування на рівні організму. Інтенсивне випаровування вологи листям знижує їх температуру і тим самим рятує рослину від перегріву. Довгі коріння або м’ясисті, багаті водою тканини захищають від засухи, товста кора охороняє від різких коливань температури.

Нарешті, третя лінія оборони рослин відбувається на клітинному рівні. Саме в клітинах відбуваються процеси загартовування до холоду або перегріву, саме клітини набувають здатність переносити сильне зневоднення або високу солоність грунту.

Однак посуха, спека чи мороз можуть досягти такої міри, що всі ці лінії оборони будуть подолані і рослина пошкоджена. Але і в цьому випадку вона не здається відразу. У пошкоджених клітинах починаються «відновлювальні роботи», вступає в дію чудова властивість живих клітин (звичайно, не тільки рослинних) — здатність виліковування від пошкоджень.

Клітина чинить опір до кінця

Жива і здорова рослинна клітина має низку більш або менш легко відшукуваних функцій. Під мікроскопом у ній можна спостерігати рух протоплазми, з допомогою спеціальних приладів встановити наявність процесів фотосинтезу і дихання. Оболонка живої клітини погано проникна для багатьох речовин. Якщо ж впливати на рослинну клітину тими ж речовинами, але взятими в більш високих концентраціях, ніж концентрація клітинного соку, то вода почне виходити з вакуолі назовні, а протоплазма разом з оболонкою відстане від стінок і стиснеться в кулю. Цей процес називається плазмолізом.

При пошкодженні клітини всі ці функції порушуються. Наприклад, під дією високої температури в клітині спочатку сповільнюється, а потім і зовсім зупиняється рух протоплазми, припиняється фотосинтез. При більш сильному пошкодженні зникає дихання і втрачається здатність до плазмолізу. Але як би не були великі пошкодження, спричинені в клітині тим чи іншим фактором, у ній постійно відбуваються процеси, спрямовані на відновлення втрачених функцій.

Уявіть собі, що ви спостерігаєте клітини листа дзвіночка за допомогою мікроскопа з нагрівальним столиком. Клітини нагріті до 41°. Під впливом такої високої температури рух протоплазми стає все більш повільним. Помітно, що клітинам стає все гірше і гірше. Нарешті, рух зовсім припиняється. Минає година, друга… Незважаючи на те, що нагрівання продовжується, в клітинах знову починає рухатися протоплазма. Спочатку рух ледь помітний, але потім він прискорюється — клітини в буквальному сенсі слова оживають на очах.

Ще швидше відновлюється рух протоплазми і фотосинтез після припинення дії пошкоджуючого фактора — будь то висока або низька температура, тиск або яка-небудь отрута (звичайно, якщо пошкодження клітин не дуже великі). Відновлення втрачених функцій відбувається навіть у приречених на загибель клітин. Тимчасово відновлюється і така функція, як здатність клітин до плазмолізу, втрата якої відбувається лише при дуже сильних ушкодженнях. Іншими словами, клітина чинить опір до кінця. Але чи можна допомогти клітинам в їх прагненні до життя?

«Постільний режим»

Серйозно хворим людям лікарі наказують строгий постільний режим. Ослабленому організму потрібен спокій, щоб успішніше боротися з хворобою. Виявляється, що і клітини, часом легше справляються з пошкодженнями, якщо у них штучно загальмований обмін речовин і припинено зростання. Інакше кажучи, якщо їм, за влучним висловом професора В. Я. Александрова, створений «постільний режим».

Доведено, наприклад, що дріжджові і мікробні клітини успішніше «виліковуються» від променевої хвороби, якщо у них, на певному етапі після опромінення загальмувати життєдіяльність низькою температурою, голодуванням або хімічними речовинами, що пригнічують обмін.

Не слід думати, однак, що сповільнена життєдіяльність клітин завжди сприяє їх одужанню. У дослідах на бактеріях показано, наприклад, що гальмування синтезу білка отрутою — хлорамфеніколом — рятує опромінені ультрафіолетовими променями клітини тільки в тому випадку, якщо протягом 30-40 хвилин до застосування хлорамфеніколу вони утримувалися на повному живильному середовищі і в них йшов нормальний синтез білка. Отже, «постільний режим» потрібно поєднувати зі спеціальною дієтою.

В 1925-1926 роках німецький дослідник Нвак поміщав листя різних рослин на світло і темряву і при цьому труїв їх різними газами та отруйними речовинами. Виявилася цікава закономірність. Всі листи, які труїлися на світлі, гинули. Листя ж, які труїлися в темряві, залишалися живими. Світло — джерело життєвої енергії рослин — раптом виявилося спільником отрут. Подібні досліди, продовжені потім іншими вченими, дали аналогічні результати.

Причина загибелі отруєного листя на світлі і виживання їх у темряві полягає в наступному. Хлорофіл листа поглинає світлову енергію, яка використовується для фотосинтезу. Однак фотосинтез легко пригнічується під впливом навіть слабких пошкоджень, в той час як поглинання хлорофілом світлової енергії продовжується навіть у вбитого листя. У тому випадку, коли фотосинтез зупинений (саме це відбувається при дії різних отрут), а світлова енергія продовжує надходити в клітини листа, вона, не знаходячи корисного застосування, стає руйнівною силою. За рахунок кисню повітря і енергії світла відбувається окислення компонентів живої протоплазми, руйнування їх і загибель клітин та тканин. Врятувати листя із зупиненим фотосинтезом від смерті можна, помістивши їх у темряву або в безкисневу атмосферу — наприклад, в атмосферу азоту. Коли фотосинтез відновиться, листя перестануть боятися світла.

Дуже цікаві досліди провела аспірантка лабораторії цитофізіології і цитоекології Ботанічного інституту В. М. Кислюк. Вивчаючи холодостійкість огірка і кукурудзи, вона встановила, що листя цих теплолюбних рослин набагато краще переносять холод у темряві, ніж на світлі. Якщо листя огірка тримати при температурі +2° в темряві, то вони залишаються живими і неушкодженими. Якщо вони при тій же температурі і протягом того ж часу пробудуть на світлі, то гинуть. Причина загибелі листя на світлі при охолодженні та ж, що і при дії на них отрут: низька температура зупиняє фотосинтез, і енергія світла руйнує клітини.

Можливо, це відкриття дасть городникам простий і ефективний засіб захисту теплолюбних рослин від заморозків або короткочасних знижень температури. Може бути, досить просто затемнювати рослини (наприклад, ті ж огірки) на період заморожування і тим рятувати їх від пошкоджень.

Таким чином, у всіх дослідах з клітинами, у яких був порушений процес фотосинтезу, рятівним опинявся суворий «постільний режим» — перебування у темряві.

Якщо продовжити аналогію між лікуванням хворих людей і пошкоджених рослинних клітин, то виникає думка про ліки. Дійсно, якими ліками можна врятувати або швидше вилікувати хворі клітини?

У 1957 році американські вчені Річмонд та Ланг виявили, що синтетичний препарат кінетин затримує пожовтіння зрізаного листя. Через 12 днів після зрізання обприскане кінетіном листя було таким ж зеленими і свіжими, наче щойно зрізаним з рослини. Цим препаратом зацікавилися вчені багатьох країн.

Професор Мотес з Німеччини і його співробітники показали, що кінетин затримує старіння і загибель листя на рослині. Оброблене ним листя «омолоджується»: у них починається посилений синтез білка, до їх клітин (так само, як і до молодих клітин ростучого листя) інтенсивно надходять поживні речовини з інших частин рослини. Нарешті, була виявлена ще одна цікава здатність кінетину. Виявилося, що з його допомогою можна ліквідувати невеликі теплові пошкодження рослинних клітин.

Ботанік О. Н. Кулаєва разом зі своїми співробітниками встановила, що кінетин не тільки затримує пожовтіння листя, але і викликає позеленіння вже пожовклого, здавалося б, приреченого на швидку загибель. Нещодавно академік А. Л. Курсанов, О. Н. Кулаєва і їх співробітники, продовжуючи ці досліди, отримали нові цікаві дані. Вони діяли на пожовкле листя махорки близькою до кінетину речовиною — 6-бензиламинопурином (він виявився ще більш ефективним препаратом). Виявилося, що оброблені препаратом листя не тільки зеленіють, але й значно збільшують вміст білка та інших найважливіших сполук. При дослідженні за допомогою електронного мікроскопа вчені переконалися в тому, що хлоропластикроскопічні утворення клітин вдруге позеленілого листя набувають таку ж структуру, яку вони мають у клітинах молодих листків.

Експерименти з кінетином і аналогічними йому речовинами мимоволі нагадують про «живу воду» казок.

Зараз встановлено, що цілий ряд хімічних речовин діє подібно кінетину. Зроблені перші успішні спроби повертати до життя клітини листя, жовтіючі від посухи. У США ведуться роботи по підвищенню жаростійкі рослин шляхом обприскування їх розчинами глюкози, амінокислот, вітаміну С і ряду інших речовин. А кінетин там вже знайшов практичне застосування. Їм обприскують зрізані для продажу листя салату та інших овочів. У всіх країнах йдуть інтенсивні пошуки препаратів, які могли б виліковувати клітини від променевої хвороби. Нещодавно, наприклад, австрійські вчені Бібль та Урль показали, що такі добре відомі речовини, як глюкоза, сахароза, фруктоза і хлористий кальцій, сприяють одужанню клітин цибулі від шкідливої дії а-променів.

Експерименти з речовинами, що допомагають рослинним клітинам оговтуватися від різного роду пошкоджень, поки порівняно нечисленні, і більшість їх ще не вийшло за стіни лабораторій. Але можна сподіватися, що зовсім недалекий той час, коли над пожовтілим від посухи полем зможе піднятися літак сільськогосподарської авіації і обприскати рослини якою-небудь чудовою речовиною типу кінетину. Після такого «лікування» знову піднімуться стебла і зазеленіють листя рослин.

Світло проти світла

У 1933 році німецькі вчені Хауссер і Омке, вивчаючи шкідливу дію ультрафіолетових променів на клітини шкірки банана, помітили дивну закономірність. Якщо слідом за ультрафіолетовим опроміненням банани висвітлювалися синім кольором, то шкірка плодів залишалася зовсім неушкодженою. Синє видиме світло ліквідувало смертоносну дію ультрафіолетового невидимого світла. Ці ж дослідники показали, що клітини можна лікувати тими ж ультрафіолетовими променями, але іншої довжини хвилі.

Для цього після опромінення рослини найбільш згубним короткохвильовим (дальнім) ультрафіолетом досить опромінити живу тканину довгохвильовим (ближнім) ультрафіолетом. У повоєнні роки це явище, що одержало назву фотореактивації, стало всебічно вивчатися колективами вчених багатьох країн. Ближні ультрафіолетові, сусідні з ними в спектрі видимі фіолетові і особливо сині промені виявилися майже універсальним засобом від викликаних дальнім ультрафіолетом хвороб клітин і для бактерій, і для грибів, і для комах, і для хребетних. З’ясувалося, що в клітинах більшості живих організмів є спеціальна речовина — фотоензим, який під впливом синього світла набуває цілющу силу та відновлює порушення, викликані ультрафіолетом в найважливіших структурах клітини (в першу чергу в нуклеїнових кислотах). Цікаво, що в присутності фотоензима дезоксирибонуклеїнова кислота — знаменита ДНК, що грає вирішальну роль у спадковості, — може під впливом синього світла відновлювати порушену ультрафіолетом структуру навіть поза клітини.

Деякі мікроорганізми, у яких не вдавалося виявити фото реактивації, виявилися здатними до неї у присутності фотоензиму, виділеного з інших організмів, зокрема з дріжджів.

Ряд цікавих робіт проведено по вивченню фотореактивації рослин. Іноді навіть 5-хвилинне освітлення синім або денним світлом абсолютно виліковувало клітини листків квасолі і сої, клітини шкірки цибулі та інших рослин від пошкоджень, викликаних ультрафіолетовими променями. Якщо ж після опромінення ультрафіолетом рослинні тканини більше доби перебували в темряві, то нічого не могло врятувати їх від загибелі. Отже, в спектрі сонячного світла разом з шкідливими і навіть смертельними у великих дозах ультрафіолетовими променями містяться і ліки від них — сині промені.

Дослідження за фотореактивацією рослинних та тваринних клітин мають велике значення в зв’язку з космічним майбутнім людства. Адже в космосі ультрафіолетові промені становлять смертельну небезпеку для всього живого. Наука одну за одною відвойовує у природи її таємниці. Вчені все глибше проникають у сутність процесів, що відбуваються в живій клітині. Вони вчаться лікувати клітину. Безсумнівно, що посуха, мороз та багато інших одвічних ворогів рослин будуть переможені. І тоді рослини щедро заплатять людям за допомогу у важкій боротьбі зі стихією.

Автор: А. Ломагін.