Революция растений

Нoвый взгляд нa интeллeкт и пoвeдeниe рaстeний». Oнa пoсвящeнa уникaльным и нeoжидaнным вoзмoжнoстям рaстeний: иx приспoсoблeнию к жизни в экстрeмaльныx услoвияx, мaскирoвкe oт xищникoв, спoсoбнoсти к пeрeмeщeнию и дaжe мaнипуляции живoтными и людьми. Aвтoр книги, Стeфaнo Мaнкузo (Stefano Mancuso) с 2001 гoдa рaбoтaeт вo Флoрeнтийскoм унивeрситeтe и с 2004 гoдa вoзглaвляeт тaм лaбoрaтoрию, тaкжe oн члeн Флoрeнтийскoй сeльскoxoзяйствeннoй aкaдeмии (Accademia dei Georgofili). Мaнкузo –  oснoвaтeль Мeждунaрoднoгo oбщeствa пo изучeнию сигнaлизaции и пoвeдeния рaстeний (International Society for Plant Signaling & Behavior) и лaбoрaтoрии нeйрoбиoлoгии рaстeний (Laboratorio Internazionale di Neurobiologia Vegetale). Имeннo Стeфaнo Мaнкузo принaдлeжит aвтoрствo тeрминa «нeйрoбиoлoгия рaстeний» для oбoзнaчeния нaпрaвлeния нaуки, изучaющeй пeрeдaчу сигнaлoв и кoммуникaцию на всех уровнях биологической организации растений, от генов и клеток до экологических сообществ. Широкую известность ученому принесла его первая научно-популярная книга «О чем думают растения». Нынешняя книга продолжает в доступном для широкого читателя стиле рассказ о различных аспектах жизни растений.  
Опунция индийская (Opuntia ficus-indica) произрастает во многих засушливых или полузасушливых регионах планеты и выживает за счет целой серии приспособлений, адаптированных к условиям засухи. Эти ее способности тоже послужили примером для вдохновения многих архитекторов и строителей. Выживание в пустыне требует особой ловкости. Следует быть готовым к высокой температуре — внутри растения она может достигать 70 °C. Нужно научиться удерживать воду, необходимую для обеспечения выживания в среде, где среднегодовое количество осадков меньше, чем в Лондоне в один апрельский день. И, наконец, необходимо обеспечить защиту от животных, которые норовят использовать тебя в пищу. Опунция индийская. Фото: Stan Shebs/Wikimedia Commons
Казалось бы, соблюсти все эти требования невозможно, но это удалось Опунции индийской, а также многим другим ее собратьям по семейству кактусовых (Cactacee). Они прекрасно справляются с выживанием в самых засушливых пустынях и, благодаря удивительным метаморфозам, научились использовать с выгодой условия, казалось бы, невыносимые для жизни. В кактусах можно наблюдать проявления самых удивительных мутаций, в том числе полное исчезновение листьев. Этот орган, основное место фотосинтеза, обычно является символом растения. И именно через него в растение поступает большая часть воды. За счет устранения листьев и переноса фотосинтеза внутрь тела Опунция индийская решила вопрос нехватки жидкости. Фотосинтез у кактусов тоже не такой, как у всех — он адаптирован под условия засухи: углекислый газ, необходимый для фотосинтеза, поступает через устьица только ночью, когда окружающие условия более щадящие, и позволяют минимизировать испарение воды. На самом деле, все растения сталкиваются с необходимостью открывать и закрывать устьица только в самых благоприятных для этого условиях, и найти решение тут не так уж просто. С одной стороны, если держать устьица постоянно открытыми, то в растение попадает больше углекислого газа, что максимизирует фотосинтез. С другой стороны, эти микроскопические и многочисленные отверстия (на одном квадратном сантиметре табачного листа, к примеру, находятся около 10 тысяч устьиц) позволяют воде испаряться. Оптимальное решение зависит от окружающей среды и требует умения улавливать ее изменения и быстро закрывать или открывать устьица. Для использования климатических условий с максимальной для себя выгодой необходимо довести до совершенства умение регулировать процесс закрытия и открытия устьиц. Поэтому, в отличие от других видов растений, у которых поступление углекислого газа и его преобразование в процессе фотосинтеза происходят одновременно и днем, на свету, у растений, которые используют CAM-фотосинтез (кислотный метаболизм толстянковых), типичный для кактусов, он разделен на два этапа: поступление газа и его превращение в сахара происходят последовательно, в разное время. Ночью растение поглощает углекислый газ, а днем он под влиянием света преобразуется. Необходимо ее регулярное поступление, которое могло бы поддерживать нормальный метаболизм. Растению, таким образом, нужно найти источники, в которых оно могло бы пополнять запасы жидкости. Но как это сделать там, где никогда не идет дождь? Как достичь этого в климате, где показатели влажности стремятся к нулю? Однако многие растения из рода Опунция (к которому принадлежит и Опунция индийская) вполне преуспевают в этом, казалось бы, безнадежном деле. Благодаря удивительным способностям к адаптации, эти растения научились добывать воду из единственного возможного источника воды в пустыне — из атмосферы. Тонкие, похожие на волоски шипы, покрывающие кладоды (так называются листообразные стебли Опунции индийской), не только защищают растение от животных, но и обладают поразительной способностью конденсировать влагу. Вода собирается на волосках и поступает внутрь по мере формирования капель, а кладоды, помимо других многочисленных функций, играют еще и роль хранилища водных запасов. Подобными системами конденсации влаги из атмосферы обладают многие виды растений и животных. Вельвичия удивительная. Фото: Hans Hillewaert/Wikimedia Commons
Чтобы в этом убедиться, достаточно отправиться в Намибию. Пустыня Намиб — одно из самых сухих мест нашей планеты, причем уже очень давно. В отличие от таких пустынь, как Сахара, где климат менялся от сухого к влажному и обратно в течение последней сотни тысяч лет (существуют прогнозы, согласно которым Сахара вновь зазеленеет через каких-то 16 тысяч лет), пустыня Намиб безнадежно бесплодна уже как минимум 80 миллионов лет. За столь долгое время эволюция смогла сформировать многочисленные виды, приспособившиеся к этому климату и научившиеся добывать воду из тумана, который время от времени заползает в пустыню со стороны океана. Среди типичных представителей флоры этого региона можно назвать Вельвичию удивительную (или «растительного утконоса», согласно знаменитому определению Чарлза Дарвина), у которой вырастают всего два листа, достигающие в длину 5 метров. Это растение настолько хорошо адаптировано к экстремальному климату, что может жить тысячу лет. Некоторые экземпляры вельвичии достигают возраста в 2 тысячи лет. На африкаанс их называют tweeblaarkanniedood, то есть «два листа, которые никогда не умрут». Гукером (1817–1911) как «самое выдающееся растение, когда-либо привезенное в эту страну, и при этом самое уродливое». Оно зависит не от длины корней, как считалось долгое время, а от способности длинных пористых листьев впитывать мельчайшие капли воды, оседающие в процессе конденсации тумана под влиянием больших перепадов температур. Так называемые жуки, приходящие с туманом — насекомые из семейства Тенебрионид, эндемичные для пустыни Намиб, — тоже развили у себя механизмы поглощения влаги из атмосферы. Намибийский жук Stenocara gracilipes, например, умеет становиться под углом в 45 градусов к направлению ветра с моря, и забирает из него влагу с помощью крыльев, состоящих из водоотталкивающих и водопоглощающих слоев. Вода из тумана остается в водопоглощающем слое, пока не образует достаточно крупные капли, скатывающиеся прямо в ротовое отверстие насекомого. Людьми этот механизм был использован для производства специальных тканей, способных поглощать влагу из воздуха. Stenocara gracilipes. Фото: Hans Hillewaert/Wikimedia Commons
Микроскопические капли воды, собранные волокнами семян одуванчика путем конденсации влаги из воздуха. Даже такие тонкие нити, как паутина, способны собирать влагу из воздуха, и подобные технологии применялись человеком уже довольно давно в тех регионах, где воды было недостаточно. Исследования архитектора Пьетро Лауреано, посвятившего всю свою карьеру исследованиям этих традиционных техник, подтвердили, что первые свидетельства об их применении можно обнаружить еще в так называемых «солнечных гробницах». Это сооружения бронзового века, состоящие из двойной окружности, пересеченной коридором, ведущим к выдолбленному в середине углублению. Они служили не только местом отправления религиозных ритуалов, но и водосборником. Подобные сооружения из камня встречаются в Апулии и на Сицилии, где их использовали для сбора воды. Влажный ветер обдувал камень, температура которого была ниже температуры воздуха (камень защищали от солнца, он охлаждался потоками воздуха, поступавшими из подземелья под ним); понижение температуры вызывало конденсацию капель воды, собиравшихся в углублении в камне. Ночью процесс шел в обратном направлении, на наружной поверхности камня. В течение долгих веков эта технология, потом надолго забытая, снабжала водой население многих регионов Средиземноморья. Она позволила людям выжить даже в столь негостеприимных краях, как Сахара. Сегодня достижения таких ученых, как Пьетро Лауреано, вновь пригодились в качестве источников вдохновения для создания новых технологий. Знания о том, как растения, подобные Опунции индийской, конденсируют воду, стали основой для создания систем, работающих по принципиально новым технологическим принципам. Они повторяют решения, уже найденные растениями. К примеру, небоскреб, в который переезжает Министерство сельского хозяйства Катара, был построен с использованием типичных для кактусов решений (в этой стране среднегодовой уровень осадков колеблется около 70 миллиметров). Здание по форме тоже напоминает кактус. В его стенах проделаны специальные отверстия, которые открываются и закрываются, обеспечивая циркуляцию воздуха внутри. Проект был создан на основе исследований растений, живущих в засушливых регионах. Башня Warka Water, спроектированная архитектором Артуро Виттори, являет собой пример другого прочтения растительной технологии, направленной на сбор воды путем конденсации. Даже по названию башни понятно, что ее постройка вдохновлена растениями. Словом «warka» в Эфиопии называют гигантский фикус, местный эндемик — к сожалению, сейчас все более редкий, — играющий важную роль в местной культуре и экосистеме. Он ценится как за съедобные плоды, так и за размеры — под ним обычно проходит общий сход деревни. Источник: ПОЛИТ.РУ