Почему кактусы не высыхают

Кактусы. Фото Натальи Домриной («Наука и жизнь» №12, 2016)

Комплекс из микроводорослей для долгосрочного лифтинг-эффекта.
7 часов назад
Достал геморрой? Недуг пройдет за 2 дня, на ночь мажьте...
10 часов назад

Что мы знаем о кактусах? Что у них есть шипы, что у них толстые стебли и что они растут в пустынях. И шипы, и толщина, и седалище связаны друг с другом. Конечно, растение, которое живет в сухом жарком климате, должно научиться компенсировать нехватку воды, и одно из решений — просто держать ее внутри, для чего используется толстый сочный стебель.

Однако в жару много воды теряется, и весь запас влаги может просто иссякнуть. В целом транспирация (как растение испаряет воду) — чрезвычайно важный процесс. Испаряющиеся листья действуют как насос: они создают всасывающую силу, которая выталкивает воду и растворенные в ней вещества вверх по корням и сосудам. Однако если растению предстоит жить в условиях постоянной жары и засухи, то испарение лучше затягивать. Для этого можно избавиться от листьев, уменьшив тем самым поверхность испарения. Кактусы так и поступили: их листья превратились в хоботки, а стебель взял на себя фотосинтетическую функцию листьев. Улучшить состояние собственной «кожи» можно, оснастив клетки внешнего слоя (эпидермиса) волосками и густым восковым налетом. Слой воска затрудняет проникновение воды, а волоски ослабляют воздушные потоки вблизи поверхности стебля, что также снижает потерю воды. Но у кактусов есть еще одна хитрость благодаря их фотосинтезу, который также помогает сохранять воду, несмотря на постоянную жару и засуху вокруг них.

Фото Натальи Домриной («Наука и жизнь» №12, 2016)

Фото Наталья Домрина

Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии солнечного света. Сначала энергия светового фотона запасается в специальных химических соединениях с помощью сложных светособирающих молекул и молекулярных комплексов, в том числе хлорофилла (затем нужна вода, из которой в качестве побочного продукта получается кислород), а затем клетка использует его для синтеза органических веществ. Фотосинтез имеет несколько интересных вариаций: например, некоторые бактерии способны к аноксигенному фотосинтезу, при котором кислород не вырабатывается. «Нормальный» аэробный фотосинтез присущ растениям, водорослям и цианобактериям.

Таким образом, растительная клетка нуждается в свете, воде и углекислом газе, чтобы образовать молекулу глюкозы. Вода поступает из земли по корням и сосудистой системе, углекислый газ поступает из воздуха. Но у растения нет ни рта, ни легких, чтобы вдыхать CO.

2

. Газообмен с окружающей средой происходит через устьица — специальные поры на поверхности листьев и стеблей, окруженные замыкающими клетками.

Устьица открываются и закрываются, регулируя испарение влаги и дыхание растений («Наука и жизнь» №12, 2016)

Стома открывается и закрывается, чтобы регулировать испарение и дыхание.

Лайфхак для худеющих. Как избавиться от живота в короткий срок.
10 часов назад
Поразительно быстрый результат! Видимые изменения уже через 7 дней!
8 часов назад

Стома значительно способствует испарению воды, поэтому в жаркие дни ее следует все время закрывать. Но откуда тогда взять углекислый газ для фотосинтеза? И это не единственная проблема с фотосинтезом в жарком климате. Важнейший фотосинтетический фермент, называемый рибулозобисфосфаткарбоксилазой (или RuBisCO), задачей которого является присоединение углерода из углекислого газа к растущей молекуле сахара, при высоких температурах начинает действовать в обратном направлении, т. е. расщеплять полусинтезированный сахар. В этом случае клетке приходится возвращаться назад и повторять уже проделанную работу, разумеется, с дополнительными потерями энергии. Поэтому эффективность фотосинтеза значительно падает с повышением температуры. Этого можно избежать, увеличив выбросы CO.

2

— тогда фермент будет синтезировать углеводы в избытке углекислого газа. Но как это сделать?

Этапы CAM-фотосинтеза («Наука и жизнь» №12, 2016)

САМ-фотосинтез происходит в разное время суток. Ночью СО

2

который присоединяется к органическим кислотам, образующимся при распаде углеводов. Кислотный состав CO

2

он сохраняется в специальном пузырьке-вакуоли до утра, а при появлении солнечного света покидает кислоту и направляется в хлоропласт, где ферменты фотосинтетического цикла Кальвина синтезируют из него углеводы

Вот что делают кактусы: ночью открывают устьица и поглощают углекислый газ, но не заставляют его вырабатывать глюкозу — света нет. КАКИЕ

2

запасается в виде запаса в специальных мембранных везикулах — бакуолях — внутри клетки. Там он не хранится в чистом виде, а прикрепляется к молекуле медиатора, которая затем претерпевает еще несколько изменений. В результате образуется яблочная кислота. Но когда наступает день, яблочная кислота отправляется из вакуоли в цитоплазму, где расщепляется CO.

2

— теперь может войти в цикл фотосинтетических реакций, питаемых светом. Растению больше не нужно открывать устьица, так как оно может использовать углекислый газ, хранящийся в течение ночи, что значительно экономит испарение воды. Кроме того, в случае выбросов CO

2

слишком

2

соотношение смещается в пользу первого из-за запасов, поэтому фотосинтетические ферменты будут работать на присоединение атомов углерода к растущей молекуле сахара, а не на расщепление ее кислородом.

Коллекция кактусов в Национальном ботаническом саду им. Н. Н. Гришко (г. Киев, Украина)

Коллекция кактусов в Национальном ботаническом саду. Н. Гришко. Национальный ботанический сад Н. Гришки (Киев, Украина). Фото Виталий Пирожков

Этот тип фотосинтеза, когда он связывается с CO

2

и его использование в реакциях фотосинтеза разнесены во времени, это называется САМ-фотосинтез. САМ означает

Метаболизм кислот Crassulaceae

: здесь

кислота

— кислота, которая преобразует накопленный углекислый газ, и

Crassula-ceae

, или чертополох, — это название семейства растений, на которых впервые был обнаружен этот метаболический путь. Но кактусы и кактусы не единственные, кто его использует. Фотосинтез САМ был обнаружен у ананасов и других бромелиевых, некоторых тыкв, перцев, пеларгоний и некоторых других семейств — всего около 9000 видов. Обычно это растения, которым необходимо жить в жарком и сухом климате. Но не только это: фотосинтез CAM также используется водными видами, такими как ежа, ежа сборная и другие. Противоречия нет: водным растениям приходится сталкиваться с той же проблемой, что и тем, которые вынуждены переносить жару. Хотя растворенного СО может быть довольно много.

2

растворенный в воде, он рассеивается гораздо медленнее, чем в воздухе, поэтому рядом с растением, активно поглощающим углекислый газ, оно будет хронически голодать. Решение состоит в том, чтобы собирать CO

2

не только днем, но и ночью, а так как ночью фотосинтез невозможен, приходится запасать захваченный углекислый газ. А САМ-фотосинтез позволяет накапливать «углекислый газ».

Наконец, вернемся к жароустойчивым растениям. Фотосинтез САМ обеспечивает максимальную экономию воды, но если учесть количество производимого продукта и затрачиваемой энергии, он менее эффективен, чем другие фотосинтезирующие виды. Поэтому некоторые марки CAM используют его только при необходимости. Однако существует и другой тип фотосинтеза, сохраняющий б

о

Днем устьица закрыты. При этом фотосинтетические реакции протекают в глубоких клетках листа, окружающих венозные сосуды. Клетки, расположенные ближе к поверхности, во-первых, производят из энергии света топливо для синтеза углеводов, во-вторых, захватывают углекислый газ и связывают его с молекулой медиатора. Образовавшиеся молекулы кислоты и энергии немедленно отправляются глубоко в лист, где CO

2

он отключается от транспортной кислоты и поступает в синтетический цикл. Эта тропа называется тропой C.

4

-фотосинтез, а она, как мы видим, аналогична САМ, только здесь связывание углекислого газа и его использование в синтезе разнесены не во времени, между ночью и днем, а в пространстве, между разными клетками.

Значение С.

4

-фотосинтез — перенос СО

2

к внутренним тканям листа, где концентрация кислорода низкая. Мы помним, что по мере повышения температуры фермент РБИСКО начинает все больше работать в обратном направлении, то есть расщеплять промежуточные продукты фотосинтеза с участием кислорода. Но если кислорода мало, фермент будет работать в правильном синтетическом направлении. С другой стороны, Ц.

4

-дорога позволяет уменьшить испарение воды устьицами: в самое жаркое время суток растение может использовать накопленную углекислоту, запасы которой создаются благодаря пространственному разделению различных реакционных агрегатов;сами устьица могут быть временно закрыты.Экономия воды здесь не такая большая, как в методе САМ, но эффективность фотосинтеза выше, поэтому неудивительно, что С

4

-Системы используются примерно для 7600 видов растений, включая многие злаки, такие как кукуруза, сорго, просо и сахарный тростник.

Лайфхак для худеющих. Как избавиться от живота в короткий срок.
9 часов назад
Избавляемся от морщин! Как вернуть коже молодость?
10 часов назад

Читайте также