Нескучная биология - Алексей Целлариус

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.

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. 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. И вот тут у растений возникают проблемы. Растение потребляет почти 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 воду из почвы.

Воду и минеральные вещества растение получает из почвы, через корневую систему, и по сосудам стебля раствор поступает к листьям. 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 растения, 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.

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

Клетки эпидермы корня активно поглощают из почвенного раствора ионы минеральных веществ. В результате в клетках корня создается концентрация ионов, в десятки раз превышающая концентрацию почвенного раствора. По закону осмоса вода из почвы устремляется в клетки корня и оттуда в сосуды. Объем раствора увеличивается, возникает так называемое корневое давление, которое заставляет раствор подниматься вверх по сосудам. По ночам на кончиках листьев многих трав и даже кустарников появляются похожие на росу капельки. Это, однако, не роса, а вода, которая буквально выжимается из листьев корневым давлением через особые отверстия на краях листа – гидатоды. А сам процесс называется гуттацией. 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, главный насос, поднимающий воду, расположен в листьях. Когда клетки листа испаряют воду, концентрация раствора в них увеличивается, возникает, как и при корневом насосе, разница концентрации и возникает осмотическое давление, которое гонит воду в испаряющую клетку от лежащих глубже соседей. «По цепочке» очередь доходит до сосудов, 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.

Растения северных мест, как правило, страдают от недостатка воды, хотя в почве ее полно, и часто имеют облик, схожий с растениями пустынь – мелколистность, плотные покровы, густую опушенность стеблей и листьев.

Первые сухопутные растения

Около четырехсот сорока миллионов лет назад, в начале силурийского периода, поверхность материков была пустыней, ее грунт местами покрывала тонкая пленка цианобактерий и одноклеточных водорослей. Но низменные берега водоемов, вероятно, уже зарастали ковром из созданий, более всего напоминавших ветвящиеся зеленые макароны со светлыми вздутиями на кончиках приподнятых ветвей. Вероятней всего именно так выглядели первые зеленые растения или, скорее, существа, стоящие на полпути от водорослей к растениям. Эти «макароны» дали начало двум ветвям растительного царства – моховидным растениям (они же бриофиты) и растениям сосудистым. Не исключено, правда, что бриофиты и сосудистые произошли от разных групп зеленых водорослей, но большинство ботаников склоняется к мысли, что у них был один предок.

Печеночник маршанция многообразная

Антоцеротовый мох

Одно из различий между моховидными и сосудистыми отражено в их названии – у моховидных иначе устроены проводящие ткани. Впрочем, не так уж велико различие. Конечно, строение проводящего пучка моховидных намного проще, но ботаники считают, что проводящие клетки мхов и сосудистых растений происходят от одних и тех же групп клеток их общего предка. Просто моховидные почему-то не стали совершенствовать проводящие ткани и удовлетворились их при-митивным состоянием. Самое главное отличие в другом – в сценарии размножения.

Листостебельный мох. Миниум волнистый