Текст книги "Я познаю мир. Живой мир"

Автор книги: А. Целлариус

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 13 страниц)

image l:href="#image114.png"

Жизненные формы лишайников:А – накипной; Б – листоватый; В – кустистый

Растения

Их ещё недавно, когда к царству растений относились и водоросли, называли высшими растениями. Ныне водоросли ушли в царство протист, и теперь титул «высшие» потерял смысл. Других в растительном царстве просто нет. Растения в целом – сухопутные существа. Обратно в воду вернулись немногие. То, что мы называем водными растениями, это в большинстве своем вполне сухопутные создания, просто стоящие «по колено», «по пояс» или «по горло» в воде. Некоторые водные растения, их гораздо меньше, не стоят, а плавают, что дела не меняет. Но практически все они черпают углекислый газ и кислород из воздуха, а прочие минеральные вещества – из грунта, со дна водоема, а не из воды, в отличие от водорослей. И даже те очень немногие, которые полностью погружены под воду, вроде элодеи, органы размножения обычно выносят на поверхность. Среди «высших» растений по–настоящему водных на свете – раз–два и обчелся. Собственно, все главные признаки и свойства растений – это приспособления, приобретенные их предками водорослями при выходе на сушу.

image l:href="#image115.png"

Посидония – водное цветковое растение

Море – колыбель жизни. Жизнь вышла на сушу из воды. Большинство из нас усвоило это ещё в школе. Вообще говоря, первый тезис сейчас считается сомнительным, очень вероятно, что первые формы жизни возникли не в море, а на суше, в почвенных растворах, и только потом жизнь проникла в море. Соответственно, на сушу из воды вышла не жизнь вообще, а жизнь многоклеточная. Так или иначе, но эти два утверждения переплетаются в сознании многих людей таким образом, что порождают третье, уже совершенно неверное – жизнь вышла на сушу из моря. На самом деле, практически все сухопутные группы многоклеточных организмов вышли на берег не из моря, а из пресной лужи. Многоклеточные формы жизни возникли действительно в море; затем были освоены пресные воды, и только потом, с этого плацдарма, началось завоевание суши. Растения не исключение – их предками были пресноводные зеленые водоросли, по–видимому, очень похожие на современные харовые водоросли. Обитали эти предки, вероятно, не в озерах и реках, а именно в мелководных лужах. Лужам свойственно периодически высыхать, и это служит очень мощным стимулом к выработке приспособлений для сухопутной жизни.

Завоевание суши зелеными водорослями началось очень давно, около полумиллиарда лет назад, в начале ордовикского периода. Уже из середины ордовика известны споры, очень напоминающие споры растений. А совершенно несомненные остатки растений появляются в силуре, в отложениях, имеющих возраст около 430 миллионов лет. В девонском периоде, около 400 миллионов лет назад, когда сушу начали осваивать наши предки амфибии, растения были уже многочисленны и разнообразны. Очень вероятно, что за покорение безжизненных берегов водоросли взялись не в одиночку, а в союзе с грибами. Тесный союз гриба и корня – микориза – ныне известен для огромного большинства (более 80%) «высших» растений. Гриб снабжает растение минеральными веществами, а растение расплачивается за это углеводами. Похоже, что этот союз возник на заре времен и был одним из условий успеха завоевания суши.

Без чего не обойтись на суше

Жизнь водоросли, надо сказать, довольно проста, избыток проблем водоросль не обременяет. Особые органы питания не нужны, питательная среда – вода с растворенными в ней разнообразными веществами – окружает водоросль со всех сторон, и она «впитывает» необходимое, так сказать, всем телом. Вода её, кроме того, и поддерживает. В подводной «невесомости» водоросли не нужны жесткие структуры, поддерживающие тело. Хотя у некоторых, в основном крупных, водорослей и в воде возникают трудности. У многометровой ламинарии, например, верхняя часть освещена лучше, чем прикрепленная ко дну, и появляется необходимость транспортировки продуктов фотосинтеза из одной части слоевища в другую. При жизни на суше все эти проблемы встают в полный рост.

Из весьма приличного набора веществ, потребных живому организму, в воздухе в доступной для растения форме содержатся только углерод (в составе углекислого газа) и кислород. Правда, весь комплект нужных веществ есть в почвенных растворах, но в почве нет света, и, следовательно, с фотосинтезом там делать нечего. Многоклеточному фотоавтотрофу на суше необходимо часть тела погрузить под землю, к источнику минерального питания, а часть оставить на поверхности, под лучами солнца. Значит, хочешь не хочешь, нужно наладить транспортировку минеральных веществ из подземной части наверх и продуктов фотосинтеза вниз.

Проблема номер два – жесткость тела. Под водой, какой бы ни свирепствовал на поверхности шторм, он ощущается лишь как мягкие движения воды. На суше ветра и ливни быстро растреплют мягкое слоевище многоклеточного в лохмотья. Вдобавок свое тело фотосинтетику вообще лучше поддерживать в более или менее вертикальном положении, так можно расположить фотосинтезирующие части в несколько ярусов и более эффективно использовать солнечный свет. Требуются особые структуры, придающие телу жесткость. Ну и, наконец, на суше необходимы особые покровы, предохраняющие тело от высыхания. Все это ведет к возникновению групп специализированных клеток, которые отвечают за транспорт, за жесткость и прочность, за защиту. Возникают ткани. А именно ткани – это то самое, что отличает растения от водорослей и других протист.

Вид растения изнутри

Мы уже не раз повторяли, что ткань – это группа специализированных клеток, выполняющих в организме определенную функцию. Причем имеются в виду клетки соматические, «телесные». Появление в организме особых клеток, ответственных за размножение, – тоже специализация, но такие клетки тканью не считаются. Ткани появляются на определенном этапе развития органического мира, при этом уровень специализации клеток увеличивается, вообще говоря, постепенно. Четкую границу между тканью и «нетканью» провести невозможно. Соответственно, размыта и граница между протистами и «высшими» царствами многоклеточных. И ничего с этим не поделаешь, такая биология наука. Точнее, с таким объектом биология имеет дело.

Развитая ткань может состоять из одного типа клеток (простая ткань) или из нескольких (ткань сложная). Надо сказать, что и у растений, и у животных число видов тканей весьма ограниченно. Возникнув на начальных этапах эволюционного пути, ткани в дальнейшем изменялись мало, и число их не увеличивалось. Соединительная или нервная ткань ланцетника мало отличается от аналогичных тканей млекопитающих, а проводящая ткань хвощей и папоротников уже почти не отличается от тканей продвинутых покрытосеменных.

image l:href="#image116.png"

Паренхима

Паренхима – простая ткань, её клетки, в общем, почти не приобрели ярко выраженных черт специализации, по форме и строению они наиболее близки к клеткам нормальных одноклеточных протист. Из паренхимы в основном состоит кора корня и стебля (не путать с пробковым слоем на стволах деревьев), сердцевина стебля, мякоть плодов. Клетки паренхимы могут заниматься фотосинтезом, в них могут откладываться запасные вещества, они участвуют в секреции – выделении тех или иных веществ, необходимых растению для внутреннего пользования или поставляемых «на экспорт», например, для защиты от одних животных или для привлечения других.

Колленхима – ещё одна простая ткань, состоящая из сильно вытянутых клеток с утолщенными целлюлозными оболочками. Она обычно располагается под эпидермой (кожицей) молодых растений или молодых побегов и служит для придания им жесткости, то есть, по сути, является опорной тканью. Третий тип простой ткани – склеренхима. Она может встречаться в любых частях растения и также служит для опоры и защиты. Но, в отличие от живой колленхимы, клетки склеренхимы, сформировав толстые оболочки, пропитанные не только целлюлозой, но и лигнином, отмирают, и функцию защиты и опоры выполняют их трупы. Эти трупы могут быть вытянутыми – волокна (именно из этих волокон человечество уже много тысячелетий изготавливает ткани, бумагу, вьет веревки и плетет лапти), а могут иметь вытянутую разветвленную, многоугольную или звездчатую форму – из таких мертвых клеток состоит семенная кожура, скорлупа орехов и вишневых косточек.

image l:href="#image117.png"

Колленхима:А – пластинчатая; Б – уголковая; В – рыхлая, 1 – утолщенные клеточные стенки

image l:href="#image118.png"

Склеренхима:А – общий вид; Б – при увеличении; 1 – утолщенные (пропитанные лигнином) клеточные стенки; 2 – каналы, соединявшие внутреннее содержимое клеток, пока они были жквыми; 3 – первичная (целлюлозная) оболочка

Эпидерма – покровная ткань, обычно состоящая из одного слоя клеток. Часто этот слой снаружи покрыт восковой кутикулой, предохраняющей растение от потерь воды. Основная масса клеток эпидермы плоская, клетки плотно примыкают друг к другу и лишены хлорофилла. Но среди них рассеяны клетки, выполняющие в составе эпидермы особые функции. Прежде всего это замыкающие клетки устьиц. Кутикула эпидермы не только препятствует потерям воды, но и надежно преграждает доступ воздуха к тканям растения. А воздух – это углекислый газ, без которого нет фотосинтеза, и кислород, необходимый для дыхания.

Вообще, растение, выбравшись на сушу, оказывается в пиковом положении. С одной стороны, первое правило любого сухопутного существа – береги воду. С другой – без углекислого газа растению никуда. Это противоречие и пытаются разрешить устьица – щели между парами особых клеток, которые, разбухая или уменьшаясь в объеме, регулируют просвет щели и, соответственно, доступ воздуха внутрь и водяного пара наружу. Работа замыкающих клеток требует приличных затрат энергии, и потому эти клетки содержат хлорофилл и сами обеспечивают себя «топливом» для дыхания.

Кроме замыкающих, в состав эпидермы входят особые клетки, образующие микроскопические выросты – трихомы. Это или простые выпячивания клеточной стенки наружу (в частности, корневые волоски), или довольно сложные образования, иногда весьма замысловатой формы, состоящие из нескольких клеток. Трихомы бывают разные и выполняют разную роль. Одни трихомы обеспечивают всасывание воды и минеральных веществ. На это способны не только корневые волоски, но у некоторых растений и трихомы листьев и стеблей. У некоторых видов трихомы образуют густой пушок, предохраняющий растение от перегрева, от потерь воды (не позволяют ветру проникать непосредственно к поверхности листа или стебля), от повреждений насекомыми. И не только от насекомых, жгучие волоски крапивы – тоже трихомы. Трихомы могут вырабатывать защитные вещества, а могут служить органами выделения – удаляя из ткани листа ненужные соли.

image l:href="#image119.png"

Трихомы эпидермы листьев: 1 – одноклеточный яблони; 2 – многоклеточный табака; 3 – ветвистый коровяка; 4 – звёздчатый лоха (вид сверху и сбоку на срезе)

Перидерма – тоже покровная ткань, но ткань вторичная, замещающая эпидерму. Что это за штука – вторичная ткань, мы расскажем в следующей главе. То что мы привыкли называть корой, это и есть перидерма. Состоит перидерма из пробкового камбия, который откладывает наружу пробковые клетки, а внутрь – несколько слоев паренхимы, именуемой в этом случае феллодермой. Все вместе – пробковый слой, пробковый камбий и феллодерма – и называется перидермой. Пробка, собственно говоря, это паренхима, клеточные стенки которой состоят из целлюлозы и пропитаны жироподобным веществом, непроницаемым для воды и газов. Клетки эти быстро отмирают, и полости мертвых оболочек заполняются или воздухом (собственно то, что мы называем пробкой), или смолами, или таннинами – дубильными веществами. Именно из–за таннинов кора многих растений имеет вяжущий вкус.

image l:href="#image120.png"

Перидерма: 1 – пробка; 2 – пробковый камбий; 3 – феллодерма;4 – первичная кора

Слово «кора» ботаники употребляют несколько в другом смысле, чем все прочие люди, что иногда сбивает этих прочих с толку. В обиходе корой называют пробковый слой перидермы. А ботаники называют корой все, что лежит снаружи от сосудистого камбия.

В рассказах о голодных временах почти обязательно встречаются упоминания о том, что голодающие едят древесную кору. Воображение рисует ужасную картину – изможденный голодом человек гложет кусок сухой коры. На самом деле в пищу употребляли не толстый пробковый слой, в котором нет вообще ничего, что может усвоить человеческий организм, а лежащий под ним тонкий слой пробкового камбия, феллодермы и прилежащий к ним слой вторичной флоэмы – сосудов, наполненных летом сахаристым соком. Это, конечно, нельзя назвать изысканной и очень питательной пищей, но это все же не пробка. В Карелии, где зерновые всегда родили плохо, ещё лет шестьдесят назад в некоторых местностях аборигены собирали летом сосновую кору (пробковый слой выбрасывали), сушили её, мололи и добавляли в ржаную муку. Старики рассказывают, что хлеб получался неплохой, и привыкшие к нему карелы из глухих лесных деревушек предпочитали его чисто ржаному или пшеничному.

И два последних типа ткани – ксилема и флоэма. Это проводящие ткани, и ткани сложные. По ксилеме идет транспорт воды и растворенных в ней минеральных веществ. В состав ксилемы входят клетки паренхимы и склеренхимы (в основном волокна), но основные её элементы – трахеиды и сосуды, или трахеи.

image l:href="#image121.png"

Трахеиды:А – трахеиды различной формы; Б – проводящая ткань из трахеид с окаймлёнными порами; I – тонкая целлюлозная оболочка; 2 – утолщения с лигнином; 3 – поры

Разница между теми и другими, в сущности, невелика. Трахеиды – длинные тонкие клетки, соединённые в последние цепочки, а сосуды состоят из цепочки коротких клеток, которые какой–то начисто лишенный фантазии ботаник назвал в свое время «члениками сосудов». Оболочка трахеид и члеников сосудов пронизана порами. Собственно, главным образом строением и расположением пор они и отличаются друг от друга.

Клетки трахеид и сосудов быстро отмирают, и их оболочки превращаются в секции единой «водопроводной трубы», разделенной перфорированными перегородками на отсеки. Стенки этих клеток очень прочны, они состоят из целлюлозы, пропитанной лигнином, часто стенки имеют ещё кольчатые или спиральные утолщения, повышающие прочность. Проникающие во все части растения пучки «водопроводных труб» служат одновременно, главным опорным элементом, «скелетом» любого растения. То, что мы с вами называем древесиной, это и есть ксилема. Трахеиды – более примитивный тип проводящих клеток, чем членики сосудов. У большинства папоротников, хвощей и голосеменных «водопровод» построен только из трахеид, а у большинства цветковых преобладают сосуды. Но множество видов и групп имеет смешанную водопроводящую систему.

Если ксилема – это водопровод, то флоэма предназначена для транспортировки органических веществ, прежде всего углеводов, от места их производства к месту потребления или к месту, где откладываются запасы. Принцип устройства флоэмы абсолютно такой же, как ксилемы: её основные элементы – это цепочки вытянутых клеток с пористыми оболочками, из которых слагаются разделенные на секции сосуды. Точно так же существует два типа этих клеток – более примитивные ситовидные клетки и продвинутые «членики ситовидной трубки», из которых складываются, соответственно, два типа сосудов.

image l:href="#image122.png"

Сосуды: 1 – тонкая целлюлозная оболочка; 2 – утолщения с лигнином; 3 – поры

Принципиальная разница между флоэмой и ксилемой, помимо деталей строения самих клеток и их оболочек, в том, что клетки флоэмных сосудов остаются живыми и в зрелом состоянии. Правда, они теряют ядра, рибосомы и многие другие органеллы. От клетки остаются цитоплазматическая мембрана и тонкий слой цитоплазмы, покрывающие изнутри стенки «секции» сосуда. Цитоплазма содержит немного митохондрий и лишенных хлорофилла пластид. Клетка без ядра и рибосом мало на что способна самостоятельно, поэтому в каждой «секции» есть ещё одна плоская клетка, прилегающая к «членику ситовидной трубки» (называется клетка–спутник) или к ситовидной клетке (альбуминовая клетка). Клетка–спутник – двойник членика, они обе возникают в результате деления одной материнской клетки при формировании ситовидной трубки. Альбуминовые клетки своим ситовидным напарницам не родственники. Но и те и другие обеспечивают жизнедеятельность ущербной проводящей клетки и, когда проводящая клетка отмирает, гибнут вместе с ней.

image l:href="#image123.png"

Флоэма:А – поперечный срез стебля льна; Б – ситовидная трубка, продольный срез; В – то же, поперечный срез; 1 – эпидермис; 2 – первичная кора; 3 – флоэмные волокна; 4 – флоэма; 5 – камбий; 6 – ксилема; 7 – клетка–спутник; 8 – поры между двумя клетками ситовидной трубки

Клетка, которая приобрела узкую специальность и стала клеткой какой–либо ткани, часто, хотя и не обязательно, теряет способность к делению. И уж во всяком случае она теряет способность менять специальность. Есть, однако, в растительном организме группы клеток, которые сохраняют не только способность делиться, но их отпрыски способны к тому же приобретать различные специальности. Эти группы клеток называются меристемами. По месту расположения их разделяют на две главные категории: апикальные (верхушечные) меристемы, расположенные на кончиках корней и побегов, и латеральные (боковые) меристемы, залегающие сплошными продольными полосами или единым цилиндром по всей длине корней и стеблей. Латеральные меристемы называют ещё камбием, и бывает камбий двух типов: сосудистый, образующий элементы проводящей системы, и пробковый, о котором мы уже говорили. За счет меристем и происходит рост: верхушечные меристемы обеспечивают рост в длину (высоту), а боковые – в толщину.

Вид растения снаружи

Ткань – это система из специализированных клеток, выполняющая определенную работу. Орган – часть тела, выполняющая определенную работу и состоящая из взаимодействующих тканей. То есть орган – это система из тканей. Поэтому даже если тело разделяется на разные рабочие части, но настоящие ткани у организма не сформированы, то и эти части органами называть не принято. Например, ножку с отростками на конце, которая удерживает на дне слоевище бурой водоросли, ботаники обычно называют не органом прикрепления, а прикрепительной структурой.

Основные органы растения – это корень, стебель и лист. Корень удерживает растение в почве и обеспечивает минеральное питание. Первый корешок, который закладывается у зародыша, у голосеменных растений и у двудольных становится главным корнем, от которого отходят боковые. У однодольных, в частности у злаков, первичный корень живет недолго и корневая система у них состоит из придаточных корней, которые отходят от нижней части стебля. В любом случае кончик корня прикрыт особым «наконечником» из довольно крупных клеток – корневым чехликом. Этот чехлик защищает апикальную меристему, когда кончик корня протискивается в толще почвы. Внешние клетки чехлика слущиваются, давая слизь, которая «намыливает» кончик корня, облегчая ему передвижение. За корневым чехликом идет молодая часть корня, длиной в несколько сантиметров, покрытая первичной корой – эпидермой. Как вы, наверное, помните, эпидерма, и только она, образует длинные тонкие выросты – корневые волоски. На более старой части корня эпидерма замещается вторичной корой, и здесь уже всасывания не происходит. Обычно корни растут непрерывно, делая перерыв только в случае сильной засухи или понижения температуры.

Кончик корня, покрытый корневыми волосками, довольно быстро высасывает из окружающей почвы воду, и движение корня вперед – это, по сути, поиск воды и пищи. Нормальная скорость роста корней у деревьев может достигать пары сантиметров за сутки, а у некоторых трав – пяти–шести сантиметров. У растения ржи к моменту созревания семян общая площадь корневых волосков достигает десяти тысяч километров, а общая площадь поглощающей воду и минеральные вещества поверхности составляет около четырех соток! Часть корня, состоящая из вторичных тканей, во–первых, удерживает растение в земле, а во–вторых, в паренхиме корней многие растения откладывают основную массу запасных веществ.

image l:href="#image124.png"

Строение корня: 1 – корневой чехлик; 2 – эпидерма корня; 3 – конус нарастания; 4 – корневые волоски; 5 – проводящий пучок

Стебель, как и корень, выполняет несколько функций. У большинства современных растений основная задача стебля – поднять к солнцу листья, основные органы фотосинтеза.

Соответственно, стебель обязан выполнять также роль связующего звена между двумя системами питания, и его проводящая система обеспечивает транспорт органических веществ от листа ко всем другим частям растения и воды и минеральных веществ от корня к листьям. Паренхима стебля часто служит местом, где концентрируются запасы питательных веществ и воды. Кактусы, стебель которых служит настоящей водяной цистерной, известны каждому. В тропиках широко распространены саговники (растения, напоминающие пальму, но относящиеся к голосеменным – родственники сосны и елки) и саговые пальмы (настоящие пальмы из покрытосеменных однодольных – родственники овса и пшеницы). В сердцевине ствола этих растений содержится крахмал, причем в таком количестве, что зерна этого крахмала (саго) в некоторых местах служат основной пищей аборигенов. Впрочем, за примерами не обязательно ехать в тропики. Клубни картофеля – это тоже утолщенные стебли (побеги), служащие для хранения запасов.

У многих растений, в основном травянистых, стебель занимается ещё и фотосинтезом – его паренхима содержит хлорофилл. И если у большинства наших трав это вовсе не главная его работа, то у многих растений засушливых мест от листьев остаются только чешуйки или они превращаются в колючки, а весь фотосинтез берет на себя стебель. Фотосинтезировать могут многолетние части стебля (у тех же кактусов), а могут отращиваться специальные побеги, которые осенью опадают, подобно листьям (например, у саксаула). Четыреста миллионов лет назад, когда растения только начали осваивать сушу, фотосинтез целиком лежал на стебле, до листьев дело ещё не доходило. Собственно, стебель выполнял тогда две функции. Первой и главной был фотосинтез. Кроме того, стебель поднимал над субстратом спорангии, что увеличивало дальность разброса спор – тоже немаловажное дело. Строго говоря, и стеблем это образование назвать ещё нельзя, у самых древних растений не было не только листьев, но и осевая часть тела ещё не подразделялась на корень и стебель. Тело растения стелилось по земле или лежало неглубоко под землей, как корневища некоторых современных растений, поднимая вертикально вверх прямые или ветвящиеся отростки. К субстрату растение прикреплялось нитевидными выростами первичной коры – ризоидами. Проводящая система этих растений, кстати, больше напоминала центральный проводящий пучок современного первичного корня, а не стебля. Так что, вообще говоря, вначале был скорее корень, чем стебель. Говоря о древних растениях, ботаники стараются не употреблять слов «стебель» или «побег», тело растения называют осью.

image l:href="#image125.png"

Клубни картофеля

Листья растения приобрели, вероятно, раньше, чем настоящий корень и настоящий стебель. Лист – это не что иное, как сплющенный боковой отросток «стебля», который сплющился для того, чтобы увеличить поверхность, подставленную солнцу, «захватить» больше солнечного света.

Вариантов строения листа, так же как и стебля, великое множество. Но, так же как и в случае со стеблем, это именно варианты одной базовой схемы. Листовая пластинка покрыта плотной эпидермой, которая выделяет на поверхности листа тонкую пленку восковидного вещества – кутина. Точнее, это смесь веществ, но дела это не меняет. Пленка называется кутикулой и предохраняет лист от потерь воды. Как и положено эпидерме, она несет разнообразные трихомы и в ней расположены устьица, о чем мы уже говорили в главе «Вид растения изнутри». Устьиц больше на нижней поверхности листа, а иногда они вообще только на нижней поверхности и имеются. Жилки – это нормальные проводящие пучки, состоящие из ксилемы и флоэмы. Поскольку лист развился из боковой оси, то флоэма оказывается внизу жилки, а ксилема вверху. Проводящие ткани в большинстве случаев первичны, но у некоторых растений жилки листьев способны и к вторичному росту. Проводящий пучок окружен плотным слоем паренхимных клеток (обкладка пучка) и часто сопровождается колленхимой или волокнами. Все это вместе и составляет жилку. Жилки и плотная эпидерма служат, кроме всего прочего, жестким каркасом листа. Мякоть листа состоит из паренхимных клеток, содержащих хлорофилл. Называется эта «мякоть» мезофиллом, и именно мезофилл отвечает за фотосинтез. Между клетками мезофилла имеются полости, которые связаны с атмосферным воздухом через устьица, то есть он напоминает губку. Мезофилл может быть однородным по всей толще листа, но чаще слой на верхней стороне состоит из столбчатых клеток, ориентированных длинной осью под прямым углом к эпидерме (палисадная паренхима), а слой нижней стороны состоит из обычных паренхимных клеток неправильной формы (губчатая паренхима).

image l:href="#image126.png"

Строение листа на срезе: 1 – кутикула; 2 – эпидерма; 3 – устьица; 4 – мезофилл;5 – хлоропласты; 6 – проводящий пучок («жилка»)

Вечная жажда

Вода – штука, любому организму совершенно необходимая. Живая клетка состоит более чем наполовину из воды, все биохимические реакции, как, впрочем, и большинство химических реакций вообще, не идут «посуху», взаимодействия молекул происходят в водном растворе. Кроме того, вода сама участвует во многих реакциях напрямую, в частности, при фотосинтезе водород, входящий в состав синтезируемой глюкозы, растение отбирает у воды. У растений и животных вода вдобавок ко всему – главное транспортное средство. Различные вещества переносятся от одной части тела к другой при помощи воды. В одной части тела вещество поступает в раствор, в другой – извлекается из раствора соответствующими тканями. В ходе жизнедеятельности значительная часть воды теряется, причем большая часть потерь – это элементарное испарение в ходе газообмена. Ни один организм не способен полностью изолировать свои ткани от атмосферного воздуха. То есть в принципе это возможно, но как тогда получать кислород и углекислый газ? Волей–неволей организм вынужден разрешить части своих тканей контактировать напрямую с воздухом. Мало того, контактирующая поверхность должна быть влажной, ведь газы должны поступить в раствор, иначе как их использовать. А коль скоро состоящие на 80–90 процентов из воды клетки контактируют с воздухом – испарение неизбежно. Животные, кстати, и отработанные продукты выводят из организма с водой, это тоже очень существенные потери. Так что воды организму нужно много.

На первый взгляд растение, по сравнению с животным, находится в выигрышном положении. И процесс метаболизма идет у него, как ни крути, не столь интенсивно, и, главное, ему не требуется вода для вывода «отходов». В отличие от животных, большинство растений выделяет отходы своей биохимической кухни в сухом виде. Или просто блокирует их в собственном теле, в частности, в мертвых клетках пробки и вторичной ксилемы. Поскольку бегать растению не надо, то его эти склады мусора не тяготят. Даже наоборот. Большинство отходов токсично, и откладывая их в своей ткани, растение снижает свою съедобность, что идет ему только в плюс. Однако ещё триста лет назад натуралисты установили, что растение потребляет в двадцать раз больше воды, чем животное аналогичного веса. В чем дело? Дело в том, что у растения нет мышц, которые, тем или иным способом «гоняют» воду в теле животного. Движение соков у растения устроено совершенно иначе, и именно перенос веществ от корневой системы к листьям требует от растения ненасытно сосать, сосать и сосать воду из почвы.

Воду и минеральные вещества растение получает из почвы через корневую систему, и по каналам ксилемы раствор поступает к листьям. Это известно давно, и существует масса простых и остроумных опытов, которые это доказывают. Но каким образом вода, несущая раствор минеральных веществ, поднимается вверх? Причем это «вверх» у самой обычной сосны, березы или осины составляет 30–40 метров, а у секвойи и эвкалипта известны деревья высотой в полторы сотни метров. Насос растению нужен очень мощный – представьте, что вы пытаетесь напиться через трубочку из колодца стометровой глубины. Как же этот насос устроен и где он расположен? По ходу движения, в сосудах ксилемы, таких насосов нет, ведь ксилема состоит из мертвых клеток – это, по сути, обычная водопроводная труба. Значит, воду необходимо или «толкать» снизу (тогда насос надо искать в корневой системе), или «тянуть» сверху (тогда его надо искать в листьях). Насос этот должен быть весьма мощным – чтобы поднять воду в крону березы, нужно давление около 3–4 атмосфер, а в крону старой секвойи – около 15 атмосфер.

image l:href="#image127.png"

Транспорт воды в растениях (.схема): 1 – подъём воды с минеральными солями вверх по ксилеме;2 – транспорт сахаров от листьев к корням и др. органам

Клетки эпидермы корня активно поглощают из почвенного раствора ионы минеральных веществ. Это именно активный перенос через мембрану, с участием особых переносчиков и затратами энергии. В результате в клетках корня (в том числе и в растворе, заполняющем ксилему) создается концентрация ионов, в десятки раз превышающая концентрацию почвенного раствора. По закону осмоса вода из почвы устремляется в клетки корня и в ксилему. Объем раствора увеличивается, возникает так называемое корневое давление, которое заставляет раствор подниматься вверх по ксилеме. Однако корневое давление у всех растений, у которых оно есть, оказалось невелико, оно совершенно недостаточно, чтобы поднять воду в крону высокого дерева. А у многих растений, в частности у хвойных, корневое давление вообще не развивается.

Как оказалось, насос, поднимающий воду, расположен в листьях. Когда вода испаряется с оболочек клеток мезофилла, окружающих полости внутри листа, концентрация раствора в клетке увеличивается. Клетка «оттягивает» воду от соседей, лежащих глубже, и так далее, «по цепочке», пока очередь не доходит до сосудов ксилемы, расположенных в жилке. В результате устанавливается натяжение воды в сосудах ксилемы. Вода практически не сжимается (и, следовательно, не растягивается), а столб воды очень прочен на разрыв – около двух тонн на квадратный сантиметр сечения. В результате натяжение достигает корней и вытягивает из них раствор, а корни, в свою очередь, вытягивают воду из почвы. В результате вода движется вверх, неся с собой минеральные вещества и непрерывно поддерживая влажность клеточных оболочек мезофилла. А это, как мы уже говорили, необходимо для поддержания газообмена с атмосферным воздухом.