На что способны обычные и не очень обычные деревья
Правда ли, что деревья умеют ходить и разговаривать только в фэнтезийном эпосе Толкиена «Властелин колец»? И что только владыка Изенгарда Саруман способен заставить их объединиться в союз и отправиться на войну? Мы привычно считаем, что в природе деревья не умеют ни двигаться, ни общаться друг с другом, но на самом деле это не так. О том, на что способны эти удивительные представители растительного царства, читайте в нашем материале.
В феврале 2020 года израильские ученые сообщили, что вырастили из косточек возрастом около двух тысяч лет шесть финиковых пальм. Пальмам дали имена в честь персонажей Ветхого Завета. Это не первые «воскрешенные» финики: в 2006 году те же исследователи прорастили финиковую косточку, найденную в крепости царя Ирода. Пальму назвали Мафусаилом.
Мафусаил (это мужское растение) уже цветет, так что сейчас израильтяне ожидают момента, когда можно будет перенести его пыльцу на пестики одной из новых «древних» финиковых пальм. Скорее всего, первым достигнет зрелости растение по имени Анна.
Если все сложится, человечество в некотором смысле возродит древний иудейский сорт фиников. «В некотором», потому что точный его генетический облик неизвестен.
Может показаться, что все интересное с деревьями произошло в далеком прошлом. Тысячи лет назад они были свидетелями библейских событий и участниками языческих ритуалов, десятки миллионов лет назад формировали залежи каменного угля, которыми мы пользуемся до сих пор.
Сейчас деревья будто бы выступают лишь в роли декораций, дорогого отделочного материала, защитных лесополос и подзащитных экоактивистов с их излюбленным упреком в агрессивной вырубке «легких планеты». Но на деле амплуа деревьев гораздо разнообразнее, а жизнь — намного интереснее, чем многие себе представляют.
Что такое дерево
Понятие «дерево» может употребляться в широком и узком смысле. В широком — это жизненная форма растений, многолетний организм с одним главным стволом, который сохраняется всю жизнь.
Ствол этот может ветвиться (а может и не ветвиться), корни могут вырастать прямо из его ветвей (впрочем, тут мы забегаем вперед), у дерева может иметься кора, а под ней особый слой — древесина.
Чтобы дать более узкое определение дереву, придется углубиться в ботанику и вспомнить, что образовательные ткани могут быть в любых частях растения, некоторые из них были еще у зародыша (и они называются первичными), а другие появились уже гораздо позже (эти будут вторичными).
Так вот, настоящее дерево в узком смысле должно иметь вторичные образовательные ткани в стволе и расти вширь именно за счет них. Если судить так, то пальмы, древовидные папоротники и бамбук деревьями считаться не будут, хотя под первое определение они прекрасно подходят.
В этом тексте деревьями называются все растения одноименной жизненной формы независимо от строения стебля.
При перечислений отличий растений от животных никогда не обходится без напоминания: животные умеют перемещаться целиком, а растения в лучшем случае двигают отдельные свои части.
Все потому, что корни прочно удерживают растительный организм в земле, а жесткие клеточные стенки не позволяют сильно изменять форму ветвей и прочих частей тела (так что перекати-поле не в счет, тем более что они образуются из растений нескольких видов уже после их отмирания).
Деревья бросают вызов этому утверждению — но увы, не добрасывают. Пальма с говорящим названием сократея обнаженнокоренная (Socratea exorrhiza), что растет в Южной и Центральной Америке, якобы перемещается на 20 метров в год благодаря досковидным корням, вырастающим в нижней части стебля. То же, как считалось, делает ириатея вздутая (Iriartea ventricosa).
Исследователи фотографировали стволы и корни молодых растений этих видов в разных положениях, в том числе после того, как на ствол что-то упало и нарушило рост дерева на прежнем месте. Получалось, будто корни необычной формы позволяют пальмам обходить препятствия и даже возвращать стебель в вертикальное состояние, если он по какой-то причине упадет.
Однако никто до сих пор не снимал на видео движения сократеи или ириатеи, так что пока все схемы перестановки стебля и корней этих растений умозрительны. Кроме того, более поздние исследования показали, что число корней-досок, по крайней мере, у сократеи не зависит от условий, в которых она растет (болотистости местности, крутости склона, наличия препятствий и так далее), что ставит под сомнение их спасительную функцию обхода препятствий.
Более вероятно, что выросты внизу стебля поддерживают его, позволяя отказаться от чрезмерного утолщения в этом месте. Чем крупнее растение, тем больше у него таких подпорок, выяснили биологи из Коста-Рики.
Однако все это не значит, что корни-доски и другие неподземные корни — неинтересные выросты. Они действительно дают возможность перемещаться по меньшей мере нескольким видам тропических растений Старого света — фикусам.
В их число входит бенгальский фикус (Ficus bengalensis), часто именуемый, вместе с подобными ему по образу жизни видами, баньяном. Но баньян — это скорее жизненная форма, а не систематическая категория.
Бенгальский фикус, как и многие его родственники, начинает жизнь на другом дереве из семени, занесенном с пометом какого-нибудь животного-«фикусоеда». У растения появляются корни, часть их по стволу хозяина спускаются к земле (а до тех пор все они называются воздушными корнями) и врастает в нее.
Бывший воздушный корень становится для фикуса подпоркой, источником воды и минеральных веществ — словом, выполняет функции стебля. Настоящие ветви от него тоже отрастают.
С течением времени корней-подпорок становится все больше, и за несколько десятков лет из одной особи может получиться целая баньяновая роща площадью десятки и сотни квадратных метров. Растение «шагнуло» во все стороны и вегетативно размножилось — но при этом осталось на месте.
Баньян — мирная жизненная форма. Он дает приют множеству животных, на его ветвях могут селиться другие растения. Но фикусы далеко не всегда так добры к окружающим.
Тот же бенгальский фикус может превратиться в душителя. В таком случае его воздушные корни заметно растут не только в длину (к земле), но и в толщину, обвивая ствол растения-хозяина.
Близко расположенные корни фикуса срастаются и в буквальном смысле душат дерево, на котором расположились. Когда его ствол отмирает, остается прочный витой футляр из корней фикуса. Эта жестокая операция позволяет последнему в кратчайшие сроки, без построения высокого ствола, очутиться в вершинах чужих крон, там, где больше всего света.
Инженерное решение в духе Шухова: зачем строить громоздкую башню-ствол, когда можно быстро собрать ее легкий и не менее прочный аналог. После удушения конкурента, кстати, тот же фикус может принять вид баньяна или самого обычного вечнозеленого дерева.
Деревья способны не только соперничать с другими организмами, но и сотрудничать с ними. Правда, чтобы заметить это сотрудничество, нередко необходимо покопаться в земле.
Если в ловле солнечного света (он упадет на любого, кто под него подставится) каждый лист сам за себя и конкуренция тут вполне обоснованна, то при поглощении воды и всего растворенного в ней из почвы такая стратегия не работает. Одни элементы оказываются более доступными для одних существ, другие — для других.
Мощная система внутреннего транспорта, присущая большинству деревьев, — сосуды и ситовидные трубки — способна обеспечить всем необходимым даже самые отдаленные от источника питания части организма. Главное, чтобы такой источник был. Порой его приходится искать за пределами собственного организма.
Самый очевидный кандидат на роль добытчика воды — корень. Он всасывает воду не по всей своей длине, а лишь в ограниченной зоне, которая так и называется — зона всасывания. На ее протяжении он покрыт выростами клеток покровной ткани — корневыми волосками, необходимыми для увеличения площади поверхности.
Однако деревья часто избавляются от таких волосков, потому что находят себе «насосы» поэффективнее — гифы грибов, длинные нити толщиной в одну клетку.
Суммарная площадь гиф заметно превышает площадь корневых волосков, поэтому и воду из земли они высасывают эффективнее. Гифы тоньше и подвижнее (их рост не ограничен, в отличие от роста корневых волосков) и за счет особых производимых ими кислот могут извлечь из почвы минералы (в частности, соединения фосфора), не доступные корням.
Поэтому деревья (а также кустарники и травы, но деревья — особенно) позволяют гифам грибов оплетать свои корни и врастать в них — иногда прямо в клетки, а порой только в пространство между ними. Часто это происходит в зоне всасывания, так что от корневых волосков приходится избавляться. Образуется микориза — «грибокорень» с древнегреческого.
Как мы уже сказали, гифы извлекают для растения из почвы то, что само оно достать не в состоянии. Взамен грибы берут у деревьев органические вещества, так как сами не способны их производить.
Казалось бы, деревьям не очень выгодно «кормить» их, но на деле родные корни в этом плане ничем не лучше. Они тоже потребляют то, что создали зеленые части растения, и сами органику из неорганики не делают.
У тополя, ивы и ольхи одно дерево может формировать микоризу сразу двух типов (то есть гифы проникают и внутрь клеток, и между ними), однако причины появления таких сложных союзов с грибами пока не слишком хорошо изучены. Понятно лишь то, что облик «грибокорня» у отдельно взятой особи очень сильно зависит от ее окружения и потребностей.
Корни объединяются не только с гифами, но и со своими «братьями» (от того же растения), и с ближайшими корнями рядом стоящих деревьев. Порой их не останавливает даже то, что соседи относятся к другому виду.
Особенно часто корни объединяются у хвойных вроде обыкновенной ели. Обычно срастаются молодые корни, у старых для такого уже слишком толстая кора.
Такие союзы превращают несколько деревьев в единую систему транспорта воды и того, что в ней растворено. Но у них есть и другие цели: лучше закрепить деревья в грунте (хотя это можно сделать и ветвлением корней) и, главное, произвести обмен сигналами между несколькими организмами либо разными частями одного растения.
Немецкий лесник Петер Вольлебен в своей книге «Тайная жизнь деревьев» пишет, что деревья разговаривают друг с другом, и ссылается на работы австралийки Моники Гальяно. Та обнаружила, что корни гороха и кукурузы издают сигналы частотой около 220 герц, когда находят воду, и сами изгибаются в сторону схожих звуков — а значит, каким-то образом слышат их.
Также Вольлебен предполагает, что через сросшиеся корни деревья обмениваются электрическими сигналами. Однако его книга не научный и даже не научно-популярный труд, поэтому ко многим сведениям в ней стоит относиться с осторожностью.
Тем не менее, совсем отбрасывать идею общения деревьев с самими собой и друг с другом не стоит: оно, несомненно, происходит, просто мы еще не вполне понимаем, с помощью каких механизмов.
Известно, что при ранении клетки авокадо (Persea americana) подают электрические сигналы, и это, видимо, помогает другим частям дерева подготовиться к атаке со стороны насекомых (в природе чаще всего именно они наносят повреждения).
Если на время согнуть ствол дерева, его рост замедлится — вероятно, из-за гидравлических сигналов, которые передались по проводящей ткани. У деревьев, как и у других растений, есть свои гормоны и свой набор летучих веществ, выделяемых в воздух при различных ситуациях.
Да и тем же грибам при формировании микоризы, очевидно, надо «договариваться» с деревьями, чтобы обеспечить проникновение в корень и не вызвать при этом реакции отторжения. Гриб провоцирует у растения экспрессию определенных генов (например, MtEnod11), а те в ответ меняют в корнях концентрацию ионов кальция, выделяют гормоны стриголактоны, усиливают ветвление корней в месте контакта с гифами, и так далее.
Деревья как модельные организмы
Большинство деревьев слишком велики, чтобы их можно было комфортно выращивать в лаборатории и ставить на них физиологические эксперименты. Впрочем, то же касается и многих травянистых растений.
Чаще всего в роли подопытного выступает небольшое (а потому практичное) и невзрачное крестоцветное — резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana).
Поэтому многое из того, что мы «знаем» о деревьях, на самом деле представляет собой перенос данных с опытов на травянистых растениях, а конкретно арабидопсиса. То же, кстати, верно и для человека: часто физиологи делают допущения, что результаты экспериментов на мышах применимы и для нас.
Впрочем, в последние годы появился мощный кандидат на роль модельного организма-дерева — тополь волосистоплодный (Populus trichocarpa) и некоторые другие представители того же рода. Его геном расшифрован, он быстро растет и так же быстро (порой всего за пять лет) достигает половой зрелости.
Но поскольку это все же дерево, ряд физиологических экспериментов на нем проводить трудно, и в основном волосистоплодный тополь интересует генетиков и молекулярных биологов.
О листопаде и годичных кольцах роста знают все, но не каждый задумывается, что это далеко не полный список периодических явлений в жизни дерева.
Как, вероятно, и всем остальным организмам, деревьям присущи циркадные ритмы — циклические перемены в процессах жизнедеятельности с периодом примерно сутки. Это касается как организма в целом, так и отдельных его частей.
Шишки сосны увеличиваются вечером и ночью, а днем их диаметр не меняется или даже снижается. Объем костянок вишни зависит от времени суток: плод содержит много воды, ее доля изменяется при колебаниях влажности, и это заметно. Даже диаметр древесного ствола может меняться при разном содержании водяных паров в воздухе.
Дело тут не только во внешних факторах. Есть и гены циркадных ритмов. Они определяют, когда активнее синтезировать различные вещества (например изопрен), когда открывать и закрывать устьица на листьях или цветки. Сами они экспрессируются с разной интенсивностью днем и ночью.
Эксперименты на мутантах показали, что поломка (в том числе избыточная экспрессия) таких генов меняют длительность периода ряда явлений — в частности, сокращают «внутренние сутки» растения с 24,5 до 21 часа при неизменном режиме освещения. Это позволяет предположить, что именно циркадные гены, а не влажность воздуха и освещенность напрямую действуют на процессы в растительном организме.
Основные циркадные гены у растений — это Circadian Clock Associated 1 (CCA1), Late Elongated Hypocotyl (LHY) и Timing of CAB expression 1 (TOC1). LHY встречается в нескольких вариантах, и у тополей второй, LHY2, по-видимому, важнее, чем LHY1.
И CCA1, и LHY наиболее активны утром. Белки, кодируемые LHY и CCA, сливаются попарно в большие молекулы — «утренние комплексы», которые тормозят работу «вечерних комплексов» из белков ELF4, ELF3 и LUX.
Дискриминация по царству
Если мы как следует разберемся в жизни отдельного дерева, то оно, несомненно, покажется нам весьма внушительным и сложно устроенным организмом.
Парадокс в том, что в повседневной жизни мы замечаем деревья и другие растения гораздо реже, чем более близких нам по духу животных. Для этого явления есть даже отдельное название — plant blindness, «слепота на растения».
Все они являются факторам транскрипции, то есть определяют, сколько копий РНК снимется с того или иного гена. Ген TOC1 главенствует над всеми ними, определяя доступность их самих для считывания.
Циркадные ритмы деревьев (и растений в принципе) не обязаны совпадать со сменой темного и светлого времени суток. Более того, их можно насильно сдвигать.
Конечно, проще всего это сделать изменением времени «заката» и «рассвета» (иначе как растение в природных условиях «понимает», что что-то изменилось). Но есть и другие пути: регулировка температуры и воздействие на циркадные гены (но тут еще много непонятного).
Формирование цветочных бутонов, рост новых побегов в длину и всех — в ширину, начало и окончание периода покоя у деревьев зависят от долготы дня. Короткий день провоцирует уход на покой, а преобладание светлого времени суток — выход из него, например распускание почек.
Однако разные виды неодинаково реагируют на изменение режима освещенности: кому-то, например сосне смолистой (Pinus resinosa), вдобавок к длинному световому дню для пробуждения почек после зимнего сна нужно еще пройти через период пониженной температуры, а кому-то, например тополю Populus robusta, это не требуется.
Светлана Ястребова