Растения используют свет двумя совершенно разными способами.
- Первый из них — фотосинтез, в котором свет служит источником энергии для синтеза молекул органических веществ.
- Второй — восприятие света как источника информации, или, короче, сигнала.
От света зависит скорость роста стебля и листьев, а также время зацветания растения.
Отметим, что во всех этих случаях энергия сигнала, вызывающего ответную реакцию растения, на много порядков меньше энергии, необходимой для ее осуществления.
И вот выясняется, что ткани растений, особенно этиолированных — например, проростка, находящегося в темноте, под поверхностью почвы — способны проводить свет. По сути дела, проросток при этом действует как пучок светопроводящих волокон.
В ходе нашей работы в отделе биологии растений Института Карнеги мы обнаружили, что лежащие друг над другом клетки побегов этиолированных проростков могут проводить свет на расстояние до 4, 5 см.
Стало быть, свет проходит не только через содержимое десятков, а то и сотен клеток, но и сквозь сложно устроенные, рассеивающие свет соприкасающиеся оболочки клеток.
В результате такой «перекачки» света часть проростка, скрытая в почве, может, по-видимому, реагировать на свет, как только кончик побега пронижет ее поверхность, а иногда и раньше, если почва пропускает достаточно света.
Возможно и другое (правда, это более смелое предположение): перекачка света помогает координировать деятельность клеток развивающегося растения.
У растений, как известно, нет ничего похожего на нервную систему. Быть может, иногда ее роль играют «световоды».
Рассмотрим для начала, какие сигналы несет свет растениям и как они их воспринимают. Задача это нелегкая. В основном растения воспринимают о падающем на них свете информацию 4 типов: количество света (т. е. его интенсивность), качество (т. е. спектральный состав), направление лучей и продолжительность освещения.
Величину той или иной характеристики света растения определяют при помощи молекул специальных пигментов, содержащихся внутри клеток. Среди них особую роль играет один — фитохром. Его изучали во многих лабораториях, включая и нашу.
Фитохром как нельзя лучше приспособлен для оценки свойств света: с его помощью можно определить отношение энергий света в двух узких диапазонах спектра: красном (длина волны около 660 нм) и дальнем красном, близком к инфракрасному (длина волны около 730 нм).
Это возможно благодаря фотохимическим превращениям фитохрома.
При поглощении красного света молекулы фотохрома переходят в состояние, в котором они чувствительны преимущественно к свету дальней красной области спектра.
И наоборот, поглощение света с этой длиной волны так изменяет молекулы, что они становятся наиболее чувствительными к красному свету. Спектральный состав света, поглощаемого фитохромом, определяет состояние его молекул.
Для обозначения фитохрома обычно употребляют символ Р, а состояние молекул пигмента указывают индексом.
Та форма фитохрома, которая поглощает красный свет, обозначается P/r Она преобладает в растениях, растущих в темноте или при сильном затенении. В условиях затенения до растений доходит в основном лишь свет дальней красной области спектра, так как листья выше расположенных ярусов поглощают почти весь красный свет.
При таком освещении фитохром находится в форме, особо чувствительной к красному свету. Символом P/r обозначают форму фитохрома, поглощающую дальний красный свет. Она преобладает в растениях, растущих при естественном освещении без затенения.
Считается, что P/r — это активная форма пигмента, т. е. именно та, которая обеспечивает ответные реакции растения. Различают четыре типа реакций на свет, и фитохром играет важную роль во всех них.
Для реакций на свето-66 вой поток низкой плотности характерно постепенное усиление ответа с увеличением интенсивности, т. е. количества, красного света.
Через несколько минут освещения обычно наступает эффект насыщения.
Примерами могут быть прорастание семян, направленный рост корня (в особенности изменение направления, диктуемого силой тяжести), удлинение побега у этиолированного проростка. Реакции этого типа зависят как от количества, так и от качества света.
Если держать семена салата в темноте и освещать их периодически вспышками, то они прорастут, только если последний раз загорался красный свет, но не тронутся в рост, если это был свет дальней красной области спектра.
При вечернем освещении ответные реакции растения внешне сходны с реакциями первого типа. Для них также нужно совсем немного света; они могут быть остановлены светом (другими словами, в их основе лежит обратимый химический процесс) и чувствительны как к красному, так и к дальнему красному свету.