Как живут растения
Фотосинтез
Понимание основных процессов жизнедеятельности растений может помочь в уходе за нашими зелеными комнатными питомцами. Любой машине для работы необходим источник энергии: в автомобиле с двигателем, работающим на бензине, используется химическая энергия молекул горючего, освобождающаяся в процессе их горения в двигателе внутреннего сгорания; в механических часах – энергия сжатой пружины и т. д. Необходима энергия и всем живым существам, они ее получают из пищи. Подобно всем живым существам, растениям для выработки энергии необходимы углеводы. Растения в отличие от других живых организмов обладают уникальной способностью производить углеводы для своих целей в процессе фотосинтеза. Фотосинтез происходит только на свету, в дневное время. Когда зеленое растение растет, оно улавливает и запасает солнечную энергию.
Лист является главным органом растения, осуществляющим фотосинтез. Он состоит из нескольких слоев активно фотосинтезирующих клеток, окруженных защитным слоем – эпидермисом. По всей поверхности листа видны проводящие элементы – жилки, служащие для переноса веществ в двух противоположных направлениях. По жилкам вода и минеральные соли поступают в лист, и по ним же образующиеся в процессе фотосинтеза сахара и другие продукты жизнедеятельности удаляются из листа.
Растения поглощают из окружающего воздуха углекислый газ (СО2) через крошечные отверстия на поверхности листьев, называемых устьицами. Углекислый газ присутствует в атмосфере Земли в небольших количествах – 0,03 %, т. е. одна часть углекислого газа приходится на 3300 частей воздуха. В разных местах планеты эта концентрация варьируется; она выше над городами, т. е. там, где сжигается большое количество газа, нефти, угля, и ниже в сельской местности, лесах, где идет интенсивный фотосинтез. Хлорофилл и другие пигменты в листьях улавливают лучистую энергию от источников света: солнца, ламп. Эта энергия используется на расщепление молекулы воды на ионы кислорода и водорода. Затем в результате химических реакций растения используют водород и поглощенный углекислый газ для синтеза углеводов (сахаров). Кислород как побочный продукт фотосинтеза выделяется в атмосферу.
Выделяющийся в процессе фотосинтеза кислород попадает в окружающую среду через устьица. Закрывание устьиц прекращает этот газообмен, но не подавляет полностью ни фотосинтез, ни дыхание, поскольку и внутри листа эти процессы взаимно питают друг друга, будучи замкнуты в цикл, т. к. кислород и углекислый газ, выделяющиеся в одном из них, поглощаются в другом. Фотосинтез, однако, в этих условиях ограничен объемом дыхания, тогда как в оптимальных условиях он может происходить с интенсивностью, превышающей максимальную интенсивность дыхания в 10 и даже 20 раз.
Для того чтобы фотосинтез происходил наиболее эффективно, устьица должны быть открыты. То есть для протекания фотосинтеза в оптимальном режиме лист или само растение должно получать достаточное количество световой энергии, воды и углекислого газа. Также важно, чтобы отток продуктов фотосинтеза из листа происходил с достаточной скоростью, потому что накопление углеводов будет тормозить процесс. Поэтому большинство растений лучше растет при чередовании световых и темновых периодов, так как в этих условиях продукты фотосинтеза, накопившиеся на свету, в темное время удаляются из листьев. Исключение составляют растения крайних северных и южных широт, которые должны завершить вегетацию за отпущенный им короткий летний срок. Поэтому растительность этих мест развивается лучше всего при непрерывном освещении. Углеводы (сахара), произведенные в процессе фотосинтеза, не только обеспечивают питание для растения, но также являются необходимым источником энергии для синтеза других жизненно важных соединений.
Многие суккуленты засушливых мест из ряда семейств: лилейные, бромелиевые (ананас), орхидные, кактусовые, толстянковые, мезем-бриантовые, ваточниковые поглощают углекислый газ не днем, а в течение ночи при широко открытых устьицах, и только на следующий день на свету перерабатывают его дальше. Т. е. устьица у этих растений открыты в темное время суток, когда наблюдаются более низкие температуры, чем днем, и соответственно потери дефицитной воды сведены к минимуму. А в дневное время устьица у них закрыты, но в это же время хлорофилл активизируется светом и происходит образование сахаров.
По направлению к нижним ярусам листьев интенсивность света быстро снижается. Обычно листья прикрывают друг друга не полностью, поэтому лучи солнечного света могут проникать через разрывы в верхней массе листьев и достигать нижних слоев. Количество света, поглощенного листом, различно в зависимости от содержания в нем хлорофилла, но обычно составляет около 90 % от падающего излучения. Поэтому второй ярус листьев получает 10 % от полного солнечного света, а третий 10 % от 10 %, т. е. всего 1 %. Если самые верхние листья лучше всего используют полный солнечный свет при их расположении под острым углом к лучам, то нижние листья лучше работают при низкой интенсивности света, падающего под прямым углом; при этом единица листовой поверхности улавливает наибольшее количество света. Таким образом, у идеального растения нижние листья расположены горизонтально, а в каждом вышележащем ярусе наклон листьев возрастает, достигая максимума, почти вертикального положения у самых верхних листьев. Селекционеры часто стремятся вывести именно такие растения.
Даже если самые нижние листья эффективно поглощают всю падающую световую энергию, они, вероятно, будут работать в режиме, близком к точке компенсации. А если лист получает недостаточно света даже для достижения этой точки, то он будет больше дышать, чем фотосинтезировать, и окажется, таким образом, излишним бременем для растения. Такие листья обычно стареют, желтеют и опадают.
Дыхание
Дыхание – это процесс, при котором углеводы (сахара) соединяются с кислородом и окисляются («сгорают»), выделяя энергию и тепло. Дыхание является фундаментальным химическим процессом окисления или химического горения. Он отличается от горения тем, что процесс идет медленно, без быстрого выделения чрезмерного тепла. Во время дыхания кислород и сахара потребляются для получения энергии, необходимой для производства других веществ, требуемых для роста и развития растений. Кроме того, многие образующиеся при этом промежуточные продукты используются в качестве составных компонентов для синтеза различных соединений, необходимых растительной клетке. Углекислый газ и вода являются побочными продуктами дыхания и выделяются в атмосферу.
Часто встречается заблуждение: если в комнате имеется много растений, то ночью, во время дыхания, они поглотят весь кислород, и людям станет плохо. Немецкими учеными было доказано, что растения потребляют всего 1–2% кислорода, который производят. Очень хорошим примером может служить дача в лесу, там вообще растений в процентном соотношении во много раз больше, чем в квартире. Однако самочувствие и сон в таком месте во много раз лучше, чем в комнате.
Транспирация
Испарение воды с поверхности листьев растения называется транспирацией. Восковое покрытие на поверхности листьев ограничивает испарение, поэтому большинство водяных паров, кислород, углекислый газ и другие газообразные вещества должны проходить через устьица. Эти маленькие отверстия часто находятся как на верхней, так и на нижней поверхности листьев, но могут иногда встречаться только снизу. Они окружены двумя замыкающими клетками, имеющими форму боба, которые контролируют закрытие и открытие устьиц. Когда растение испытывает засуху, замыкающие клетки закрывают устьица для предотвращения дальнейшей потери воды. Если растения транспирируют воды больше, чем они могут поглотить через корни, то наблюдается их увядание.
Многие экологические факторы влияют на закрытие и открытие устьиц. У большинства растений устьица открываются на рассвете и закрываются в темноте. Однако у некоторых растений, включая большинство суккулентов, орхидных и бромелиевых, действие происходит противоположным образом: открытие их устьиц происходит ночью. Основной причиной этого обратного действия является сохранение влаги в течение жаркого, солнечного дня.
Число устьиц на 1 см2 поверхности листа у огурца составляет больше 60 000, у пустынных кустарников – 15 000-30 000, у тропических вечнозеленых деревьев 2000–6000 штук. В полностью открытом виде у большинства растений устьица занимают 0,5–1,5 %, как исключение – 3 % от поверхности листьев. Испарение водяных паров из листа при открытых устьицах идет фактически с той же скоростью, как и со свободной поверхности. Также у многих растений устьица открываются при содержании углекислого газа ниже 0,03 %, т. е. ниже нормального атмосферного уровня. При низком содержании воды в растении они закрываются. В «теневых» листьях число устьиц на единицу площади обычно меньше, чем в «световых». Количество устьиц на единицу площади увеличивается при увеличении освещенности. Так, например, в интерьере общественного здания у смолосемянника толстолистного (питтоспорума) при освещенности 400 люкс (в России освещенность измеряется в люксах) наблюдается на 1 см2 34 200 шт. устьиц, при освещенности 500 люкс – 36 500 шт., а при освещенности 10 000 люкс – 41 100 шт.
Во время высокой траспирации можно наблюдать движение воздуха. Всякий раз, когда появляется значительная разница между температурой листовой поверхности и воздухом, создаются конвекционные потоки, в результате чего воздух движется даже в том случае, когда нет других движений воздуха. Это важно для растений, живущих под плотным пологом леса, где практически нет другого движения воздуха. Некоторые из этих растений, включая множество растений, которые мы выращиваем как комнатные, имеют необычно высокий уровень фотосинтеза. Это позволяет им процветать в слабо освещенной чаще джунглей. Уровни тра-спирации большинства этих растений также являются высокими.
Возможность производить движение воздуха сильно помогает комнатным растениям при удалении токсинов из помещений. Вследствие того, что кондиционированный воздух внутри зданий обычно является сухим, высокие траспирационные уровни помогают движению токсиносодержащего воздуха в корневую зону, где микроорганизмы почвы разлагают токсичные газы.
Во время процесса, называемого нитрификацией, определенные виды микроорганизмов в почве могут улавливать атмосферный азот и переводить его в нитраты, т. е. соединения, которые растения используют в пищу.
Поглощение токсических веществ
Листья растений не только производят жизненно важный для человека кислород, но также играют большую роль в поддержании здоровья как растения, так и его прикорневых микроорганизмов. Поглощение листьями углекислого газа и передвижение различных веществ из одной части растения в другую является необходимой существенной функцией растения.
Передвижение веществ по растению происходит по двум тканевым системам: ксилеме и флоэме. Главная функция ксилемы состоит в передвижении минеральных солей и воды из корней в листья. Сахара и другие растворенные продукты питания из листьев растения движутся ко всем незеленым клеткам растения по флоеме.
Научные исследования показали, что некоторые органические вещества, поглощенные листьями, перемещаются не только в корни, но и даже в окружающую их почву. Производство промышленных системных инсектицидов и их применение основано на этой способности растений поглощать и перемещать химические вещества.
Органические соединения, которые были перемещены из воздуха в корневую зону (ризосферу), оказывают влияние на виды и количество микроорганизмов, находящихся в почве вокруг растения. Эти важные положения демонстрируют возможности листьев комнатных растений поглощать летучие органические соединения (ЛОС) из окружающего воздуха и перемещать некоторые из этих веществ без изменений в корневую зону, где они будут разрушаться микроорганизмами. Ряд органических веществ, поглощенных растениями из атмосферы, разрушаются в результате собственных биологических процессов, без участия почвенных микроорганизмов.
Микробы в почве
Различные виды микроорганизмов живут в почве. Они отвечают за выработку питательных веществ для растений, освобождают (расщепляют) почвенные минералы, разрушают органические остатки и детоксицируют многие ядовитые вещества, которыми богата почва. Эта работа является жизненно важной для почвенного плодородия и роста растений. Однако не все почвенные микроорганизмы являются полезными для растений. Некоторые из них вызывают болезни растений и даже конкурируют с растением за питательные вещества.
Зона почвы около корней растения называется ризосферой. Она содержит больше микроорганизмов, чем другие участки почвы. Многие органические соединения, выделяемые из корней, или отмершие участки корня служат пищей для микроорганизмов. Выделения из корней оказывают различное избирательное действие на микроорганизмы, стимулируя определенные группы, в то же время подавляя другие. Причем у каждого вида растения имеются свои определенные виды и количество микроорганизмов, необходимых для жизнедеятельности растения.
Микроорганизмы используют несколько способов, чтобы сохранить здоровье и благополучие растения-хозяина. Они работают как защитники, отпугивая другие микробы, которые могут повредить растения. Микробы перерабатывают опавшие листья и другие органические остатки, находящиеся около корней растений, производя пищу для растений. Корневые выделения растений стимулируют быстрое размножение, смерть и распад микробов. Эти сгнившие микроорганизмы также служат источником пищи для растений.
Микроорганизмы являются высокоадаптивными существами, обладают способностью образовывать мутации в короткий промежуток времени, чтобы справиться с изменениями окружающей среды. В частности, некоторые бактерии, часто живущие в ризосфере ряда растений, адаптировались, чтобы иметь возможность разлагать различные окружающие загрязнители. Поэтому ясно, что кооперативные связи между растениями и микроорганизмами не только важны для жизни растения, но также являются необходимыми для создания здоровой окружающей среды для человека и других живых существ.