В 1956 году вюрцбургский ботаник Отто Людвиг Ланге наблюдал необычное явление в мавританской пустыне в Западной Африке: он нашел растения, листья которых могли нагреваться до 56 градусов по Цельсию. Удивительно, как листья могут выдерживать такую жару. В то время профессор не мог сказать, какие механизмы отвечают за предотвращение высыхания листьев при таких температурах. Более 50 лет спустя ботаникам Маркусу Ридереру и Амаури Буэно из Вюрцбургского университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) в Баварии, Германия, удалось раскрыть секрет.
Чтобы понять, что открыли два ученых, нужно больше знать о несколько сложной структуре листа растения. Листья растений, например, имеют кожу, обычно невидимую человеческому глазу. «Вы можете увидеть кожицу помидора», - объясняет профессор Ридерер, заведующий кафедрой ботаники JMU II. Биологи говорят о «кутикуле». Его можно представить как очень тонкую пластиковую фольгу. Без этой фольги лист растения засыхал бы за короткое время: «водопроницаемость кутикулы даже ниже, чем у пластиковой фольги».
Постоянный компромисс: открывать или закрывать поры?
Кожица растения не является сплошным слоем, который простирался бы на весь лист. Он содержит многочисленные поры, называемые устьицами, которые могут открываться и закрываться. Растение «питается» через эти устьица. Ридерер: «таким образом он поглощает углекислый газ, необходимый растению для фотосинтеза».
Проблема в том, что всякий раз, когда поры открываются для поглощения углекислого газа, вода также испаряется. Таким образом, пустынные растения, в частности, постоянно находятся в процессе уравновешивания: поглощают ли они углекислый газ, чтобы расти дальше, или они закрывают поры, чтобы сохранить драгоценную воду? По словам Ридерера, каждое пустынное растение принимает решение немного по-своему.
Колокинты тратят воду
Растение колоцинт (Citrullus colocynthis), также известный как горький огурец, дикий родственник арбуза, открывает свои поры при воздействии тепла, чтобы охладить листья за счет транспирации. Так сказать "потеет". «Это делает колоцинт расходующим воду», - объясняет профессор экофизиологии JMU.
Растение может себе это позволить, потому что у него очень глубокий корень. Это позволяет растению использовать источники воды глубоко в почве пустыни. Как выяснил Отто Людвиг Ланге в ходе экспериментов в пустыне, колоцинту удается сделать свой лист на 15 градусов холоднее пустынного воздуха.
Финиковые пальмы экономят воду
Финиковая пальма ведет себя совсем иначе. Второе вюрцбургское опытное растение, как и колоцинт, обитает в оазисах и вади - речных долинах, которые пересыхают на протяжении длительных периодов. «В отличие от колоцинта, он экономит воду», - говорит Ридерер.
Поскольку пальма не «потеет», ее листья иногда нагреваются до чрезвычайно высоких температур: они могут быть на 11 градусов по Цельсию выше температуры воздуха. Как может быть, что листья не высыхают при таких высоких температурах? Это то, что биолог JMU Амаури Буэно исследовал в своей докторской диссертации.
Высокотемпературный воск для выживания
Его результаты, опубликованные в Журнале экспериментальной ботаники, вращаются вокруг воска, который внедряется в кожуру растений и обеспечивает их низкую проницаемость для воды. После обширных лабораторных испытаний Буэно обнаружил, что этот воск различается между колоцинтом и финиковой пальмой.
Финиковая пальма имеет воск, который может выдерживать высокие температуры и, следовательно, имеет гораздо более водонепроницаемую кожу, чем колоцинт, даже при экстремальных температурах. Только благодаря этому особому воску пальма может выжить в пустыне. Если бы воск имел немного другой химический состав, листья сохли бы очень быстро, особенно при высоких температурах.
По словам Ридерера, эти эксперименты были очень сложными, потому что воск, внедренный в кожу, очень сложен с химической точки зрения. Еще не все секреты раскрыты. Биологи до сих пор не понимают, почему кожица одного растения более проницаема для воды, чем другая.
Интересно для селекции растений
Эти текущие данные JMU могут иметь важное значение для селекции растений. Если кто-то хочет выращивать культурные растения в местах, где очень жарко и сухо или где изменение климата может сделать окружающую среду еще более жаркой, при поиске подходящих сортов растений следует обращать внимание на кожуру растений. Если для размножения выбраны растения с определенным восковым налетом кутикулы, у них больше шансов выжить в жарких местах.