Как растения реагируют на окружающий мир

Жизнь дуба зависит от многих факторовВ среднем дуб живёт около 300-400 лет. Каждое лето дуб поглощает солнечный свет и углекислый газ для дальнейшего роста. Корни растения всасывают воду и минеральные вещества, которые также необходимы для нормального развития. Осенью дуб оставляет новое потомство, сбрасывая с себя тысячи желудей. Зимой дуб впадает в спячку – его рост останавливается до следующей весны.Чтобы успешно расти и размножаться каждый год, дуб собирает информацию об окружающей среде. Он должен чувствовать и реагировать на смену времен года, времени суток, притяжение, силу ветра и атаки врагов. У растений нет зрения, слуха и других органов чувств, без которых любое животное быстро погибнет. Как же тогда растения ощущают окружающий мир и противостоят различным угрозам?

ФитогормоныКак и любое другое живое существо, растение собирает, обрабатывает и реагирует на информацию из окружающей среды. Этот процесс происходит в три этапа:1.Чувствительные (сенсорные) клетки растения улавливают внешний сигнал. Сигнал может быть самый различный: от прикосновения прожорливой гусеницы, до падающих солнечных лучей на лист.2.Чувствительные клетки обрабатывают сигнал и посылают сообщение в другие части растения. Общаются клетки при помощи растительных гормонов – фитогормонов.3.Клетки-мишени получают сигнал (фитогормон) от чувствительной клетки. В результате клетка-мишень изменяет свою работу. Например, при повышении сухости почвы корни растения выделяют фитогормон, который транспортируется в листья растения и вызывает закрытие устьиц.

В растении присутствует множество различных фитогормонов. Все вместе они тонко контролируют рост растения, его «поведение» и реакции на окружающий мир.Фитогормоны – это очень маленькие молекулы, которые выделяются растениями в небольших количествах. Поэтому ученым сложно находить и изучать фитогормоны. До сих пор неизвестны многие растительные гормоны.Фитогормоны имеют колоссальное влияние на растение. Даже небольшое количество фитогормона способно изогнуть мощный ствол дерева. Некоторые фитогормоны настолько важны, что они встречаются у представителей других царств живого мира. Например, фитогормон абсцизовая кислота обнаруживается у растений, грибов и даже у животных.

Ауксин - первый открытый гормон растенийБолее века назад ученые задались вопросом – почему растения изгибаются и растут в сторону солнечного света? Если саженцы освещаются равномерно со всех сторон, то они будут расти прямо вверх. Но если источник света переместить в сторону, тогда растение будет изгибаться.Одними из первых этот эффект изучил Чарльз Дарвин со своим сыном. Они срезали верхушку побега травы.  В результате растение переставало изгибаться в сторону света. Надетый на верхушку непрозрачный колпачок также останавливал изгибание. Дарвины сделали вывод: некое вещество образовывалось в верхушке побега под действием солнечных лучей, а затем это вещество перемещалось вниз к стеблю, где и происходило сгибание.

Позднее ученым удалось выделить вещество, о котором предположил Дарвин с сыном. Открытую молекулу назвали ауксином (от греч. увеличиваться, расти). Как ауксин действует на растение?Сперва чувствительные клетки растения улавливают солнечный свет. Каким-то образом этот сигнал передаётся на ауксины, заставляя их перемещаться на затененную сторону стебля. Вместе с ауксинами в клетки перемещается вода. В клетках повышается тургорное давление, заставляющее их удлиняться. В результате клетки на затененной стороне удлиняются больше, чем клетки на противоположной стороне.

Помимо в реакциях на свет, ауксины участвуют в множестве других процессах. Подобно дирижёру в музыкальном оркестре, ауксин управляет развитием всех частей растения.1. Ауксин активирует рост плодов и побегов растений. 2. Участвует в росте клеток камбия.3. Регулирует направление и силу роста всех органов растения.Прежде чем изменить работу растительной клетки, ауксин должен в неё попасть. Различные клетки растения содержат разные «ворота», впускающие или не впускающие ауксин внутрь себя. От количества и типа «ворот» будет зависеть эффект, который произведёт ауксин на данную клетку.

Цитокины Цитокины – фитогормоны, стимулирующие деление клеток растения. У цветковых растений цитокинины влияют на развитие семян, плодов и молодых листьев. Цитокинины также замедляют старение зрелых листьев, поэтому эти фитогормоны используются в сельском хозяйстве для продления срока годности листовых овощей.Баланс цитокинов и ауксинов важен для развития растения. Так, рост растения вверх происходит благодаря верхушечной (апикальной) почке. Образующиеся в верхушечной почке ауксины спускаются вниз по стеблю и блокируют рост боковых почек. Этот эффект называется апикальным доминированием. Если срезать верхушечную почку, то ауксин поступать в боковые почки не будет. Присутствующие в боковых почках цитокины запустят активное деление клеток. В результате боковые почки разрастутся, и растение приобретёт кустистый вид. Садоводы часто используют прищипывание  (срезание верхушечной почки) для усиления развития боковых частей растений.

чФермеры в Азии давно заметили, что некоторые ростки риса на полях вырастают аномально длинными и тонкими. В результате растение падает, не успев дать урожай. В начале 20 века ученые установили причину такого роста – грибок гибберелла. Грибок вызывает чрезмерное удлинение стебля риса, выделяя химическое вещество гиббереллин. Позже исследователи обнаружили, что гиббереллин выделяют и сами растения.Главная задача гиббереллина – удлинение стеблей и листьев. Таким образом, зараженные грибком гибберелла растения риса страдают от слишком большого количества гиббереллина.Гиббереллин также контролирует прорастание семян, развитие цветка и созревание плодов. Садоводы используют этот фитогормон для получения крупных ягод винограда.

Абсцизовая кислотаРастение должно не только активно расти, но и «засыпать» при неблагоприятных условиях. Абсцизовая кислота вводит растение в «спячку».Этот фитогормон накапливается в побегах многолетних растений. В итоге к зиме вокруг почек формируются защитные чешуйки.  Чешуйки защищают молодые листья от холода.Абсцизовая кислота также отвечает за покой семян – период, когда семя перестаёт расти. Проросшее зимой или в засуху растение быстро погибнет. Поэтому абсцизовая кислота блокирует прорастание семени до «лучших времен».  С наступлением благоприятных условий (потепление или внезапный дождь), абсцизовая кислота разрушается, и фитогормоны роста (ауксин, цитокины) берут контроль над растением.

ЭтиленВ 19 веке в Англии утечка газа из уличных фонарей привела к массовому опаданию листьев. Виновник опадания листьев оказался газ этилен. Позднее ученые выяснили, что растения умеют сами вырабатывать этилен. Главная его задача – ускорение старения различных частей растения.Этилен играет важную роль в созревании плодов. При повреждении плода этилен начинает выделяться в больших количествах. А так как этилен – это газ, то он быстро достигает других плодов, ускоряя их созревание. Поэтому одно гнилое яблоко способно быстро испортить весь урожай!Этилену нашлось применение в сельском хозяйстве. Например, помидоры собирают зелеными и хранят для дозревания в специальных резервуарах с этиленом. В других случаях производители принимают меры для замедления созревания плодов. Хранящиеся яблоки часто промывают углекислым газом, который предотвращает накопление этилена. Таким образом, собранные осенью яблоки могут храниться до следующего лета.

Реакции на свет Представьте растение, которое расправляет свои листья утром и сворачивает ночью. Это пример циркадного ритма. Циркадные ритмы связаны со сменой дня и ночи. Они важны для адаптации живых существ к суточным колебаниям температуры, освещения и влажности. Самым известным циркадным ритмом является цикл «сна-бодрствования» у человека.Таким образом, внутри живых организмов имеются «биологические часы», которые контролируют  ритмичные (повторяющиеся) процессы. Изменение положения листьев в течение суток — лишь один из многих ритмических процессов у растений. В течение суток колеблются такие параметры, как скорость газообмена и фотосинтеза.Биологические часы также контролируют продолжительность дня и ночи. Так, некоторые растения начинают цвести только после сокращения светового дня. Другие цветут когда продолжительность дня увеличивается.

Ощущение гравитации Гравитация − еще один важный сигнал для растения. Когда семя прорастает, его росток направлен вверх − к свету, а корни прорастают вниз − в почву. Если перевернуть растение набок, то стебель и корни согнуться соответствии с новым направлением силы тяжести. Как растения ощущают силу притяжения? До сих пор у ботаников нет точного ответа. Предполагают, что в корневом чехлике расположены пластиды − «датчики», реагирующие на гравитацию. Каким-то образом положение пластид сообщает клеткам растения где низ и верх.

ПрикосновенияТигмотропизм − это направленный рост растения в ответ на прикосновение. Например, когда усик гороха контактирует с проволокой, он обвивается вокруг нее. Скручивание усика происходит в результате изменения скорости роста клеток. В месте контакта с проволокой клетки гороха начинают расти медленнее.Недавно ученые открыли удивительную способность цепляющейся лианы boquila trifoliolata. Лиана крепится к разным деревьям и с высокой точностью мимикрирует под них. Дорастая до нового дерева, лиана начинает копировать листья растения «хозяина».  В результате листья лианы в месте контакта приобретают новую форму и цвет. В одном эксперименте рядом с лианой поставили пластиковое растение, и лиана приобрела форму листьев этого макета. Пластиковое растение не выделяло никаких химических сигналов. Как же тогда лиане удалось распознать внешний вид листьев соседа?

Листья венериной мухоловки или мимозы стыдливой умеют довольно быстро сворачиваться. Прикосновение к этим растением вызывает электрический сигнал (импульс), который распространяется по всему листу. Эти электрические сигналы чем-то напоминают работу нервных клеток у животных. Затем импульс достигает особых клеток, изменяя их тургорное давление. В результате клетки набухают или, наоборот, теряют воду, что и приводит к сворачиванию листа.Скорость распространения электрического сигнала у венериной мухоловки равняется 10 сантиметром в секунду. Для сравнения − скорость электрического импульса у человека (скорость, с которой нервные клетки общаются между собой) достигает 120 метров в секунду.

Как растения защищаются Жизнь растения полна опасностей. Снующие туда-сюда голодные травоядные и патогенные (болезнетворные) бактерии доставляют растению немало проблем. Растение также постоянно атакуют различные грибки, вирусы и другие растения-паразиты. Ущерб только сельскохозяйственным растениям во всем мире оценивается в триллионы рублей. Растение не может убежать или спрятаться от опасности, как животное. Тем не менее, они могут чувствовать опасность и использовать мощное защитное оружие.В оружейном арсенале растений припрятано немало сюрпризов. Первая линия обороны − это толстые, несъедобные стенки и шипы. Но куда более опасной для травоядных и бактерий является химическая защита. Растения − опытные химики. Они производят самые разнообразные химические вещества. Одни отпугивают животных, другие влияют на их поведение, а третьи разрушают врага изнутри.

Прежде чем добраться до мягких, съедобных тканей растения, вредитель должен преодолеть «кожный» барьер растения. Кора, шипы и толстые клеточные стенки растений препятствуют проникновению бактерий и останавливают голодных травоядных. Однако микробы могут преодолевать этот барьер через раны или устьица. Некоторые грибы и бактерии выделяют химические вещества, препятствующие закрытию устьиц и ослабляющие клеточные стенки.Когда первая линия защиты разрушена, растение выделяет различные молекулы «стресса».  Некоторые из этих молекул заставляют растительные клетки на зараженном участке саморазрушаться, тем самым ограничивая распространение инфекции. Перед гибелью заражённые клетки растений сообщают соседним клеткам об опасности. В результате соседние клетки укрепляют свои клеточные стенки и подготавливают химический арсенал для борьбы с бактерией. Отмирание окружающих клеток также создает барьер из мертвых тканей, препятствующий распространению бактерий.Если листва поедается насекомым, растение может выделить ядовитые вещества, ослабляющие насекомое или даже разрушающие его пищеварительную систему.

У растений есть иммунитет За способность живых организмов противостоять различным инфекциям отвечает иммунитет. Главная задача иммунитета −  уничтожить бактерию или вирус, пока они не несли вред организму. Иммунитет растений поразительно похож на работу иммунной системы животных. Как и животные, растения умеют распознавать вредоносных захватчиков. На поверхности растительной клетки расположены многочисленные белки-рецепторы, которые распознают не только  бактерий, но и вредоносные грибы. В зависимости от того, кто проник внутрь, растение выработает соответствую защитуБолее того, растения способны усиливать свой иммунитет. Инфицированные клетки передают сигнал о вторжении другим клеткам, увеличивая их устойчивость к болезни. Зараженные растения также выделяют летучее химические вещества, укрепляющие иммунитет соседних растений.

Растительные токсины Для защиты от травоядных растения выделяют различные фитотоксины (растительные яды). К фитотоксинам относят кофеин, никотин, морфин, хинин и другие. Обычно фитотоксины влияют на поведение животных. Они оказывают тормозящее, угнетающее действие на нервную систему, предостерегая животных от дальнейшего поедания. Даже небольших количеств фитотоксинов достаточно, чтобы отпугнуть или даже убить травоядного. Например, выделяемый из растения клещевины рицин, в два раза ядовитее яда кобры. Однако в небольших дозах фитотоксины используются в медицине.Большинство фитотоксинов − это химические вещества, содержащие азот. Для растения азот является дефицитным элементом, и расточительное производство фитотоксидов непозволительно. Поэтому растения выделяют фитотоксиды в небольших количествах и только в момент нападения травоядного.

Небольшое кустистое растение ваточник растёт на открытых полях в Северной Америке. На вид безобидное растение, ваточник тем не менее обладает целым арсеналом защиты. Из всех травоядных, листьями ваточника питаются только гусеницы бабочки данаиды монарха.Во-первых, листья ваточника покрыты густыми волосками. Путешествие гусеницы через эти волоски настолько же сложное, как для человека пробраться через густые лесные заросли.Во-вторых, при повреждении листа, из него вытекает липкий латекс. Латекс быстро высыхает на воздухе и склеивает ротовой аппарат насекомого.  Чтобы решить эту проблему, гусеница сперва должна аккуратно перерезать жилки, из которых выделяется латекс.В-третьих, листья ваточника ядовиты. Яд вызывает остановку сердца у животных. Из всех травоядных только гусеницы монархов научились не переваривать, а накапливать в своем теле эти яды. Взрослые бабочки монархов используют накопленные яды в качестве защиты от хищных птиц.

Танины Если вы когда-то ели хурму, то вам хорошо знаком вяжущий вкус танинов. Танины содержатся в коре, древесине, листьях и плодах многих растений: дуба, ели, чая, акации. Танины не ядовиты, однако они жёсткие на вкус и обладают низкой питательной ценностью. Питание богатым на танины растением принесёт травоядному больше вреда, чем пользы. По этой причине в ходе эволюции животные «научились» избегать богатых танинами растений.  Высокое содержание танинов в неспелых фруктах, отпугивает травоядных от преждевременного поедания.Танины широко используют для дубления кожи и меха. Обработанный материал становится пластичным, прочным и износостойким. В медицине танины применяются для лечения ожогов, в качестве противоядий при отравлении солями свинца и ртути, как кровоостанавливающие средства.

Терпены Терпены − это летучие пахучие вещества, отпугивающие травоядных и подавляющие рост микроорганизмов. Терпены придают характерный запах лимонной цедре, мяте, шалфею и ментолу. Хотя мы находим эти запахи приятными, они отпугивают млекопитающих, таких как белки и лоси. В больших количествах терпены выделяются хвойными растениями. Гектар можжевелового леса в сутки выделяет 30 кг различных бактерицидных летучих веществ. Поэтому количество бактерий в хвойном лесу в десятки раз меньше, чем в городе.Растения защищаются не только от врагов, но и от конкурентов. Корни некоторых растений выделяют химические вещества, тормозящие прорастание или рост соседних растений.  Таким образом, растение выигрывает в борьбе за ресурсы: оно получает больше солнечного света и доступные в почве минералы.

Один − в поле не воин. В ходе эволюции некоторые растения научились не только сообщать об опасности соседним растениям, но и привлекать на защиту неожиданных союзников.В последние десятилетия ученые заметили, что растения умеют общаться друг с другом. Только вместо звуков, растения используют летучие молекулы-сообщения. Если растение поедается прожорливой гусеницей, то в ответ растении выделяет летучие молекулы. Получив молекулу-сигнал, соседние растения начнут быстро укреплять свою защиту.Более того, эти летучие вещества привлекают ос. Оса быстро находит притаившуюся на листе гусеницу и убивает её.

Растения призывают на помощь союзников

Около сотни видов растений установили взаимовыгодные (симбиотические) отношения с муравьями. Например, некоторые виды акаций дают муравьям дом и пищу, а взамен получают защиту.«Муравьиная» акация произрастает в Центральной Америке. У основания каждого листа расположены шипы − в них и живут муравьи. Питаются муравьи пищевыми тельцами, которые растут на кончиках листьев. Эти тельца выделяют питательный для муравьев нектар. Муравьи яростно защищают акацию не только от всех травоядных, но и срезают веточки соседних деревьев.Муравьи настолько одурманены нектаром, что не признают никакую другую пищу. Растение, в свою очередь, манипулирует поведением своих жильцов.