Как известно, фотосинтез — один из основных процессов в метаболизме растения. Так растение получает энергию, необходимую для жизни и роста.
Но почему растения выглядят именно так, как они выглядят? Являются ли стебли и листья приспособлениями, которые предназначены улучшить фотосинтез? Или растения имеют такую структуру только потому, что "так устроен мир"? Можно принимать вещи как должное и даже не спрашивать себя, если есть альтернативы.
Чтобы увидеть, насколько структура растения является результатом естественного отбора, необходимо изучить растения, которые не фотосинтезируют. Нужные нам растения-паразиты!
Существует около 4000 видов растений-паразитов, объединенных в 18 семейств. Паразитические растения сильно отличаются друг друга по строению, физиологии и т.д.
Различают два фундаментальных типа растений-паразитов:
- Первый тип — полупаразиты — содержат хлорофилл и полностью или частично продуцируют собственную глюкозу. Они просто получают воду, минералы и, возможно, некоторые органические соединения от своего хозяина. У полупаразитов имеются листья и стебли. Однако их корни растут не в почву, а сквозь эпидермис или кору растений-хозяев.
- Второй тип — голопаразиты — не имеют хлорофилла и не фотосинтезируют. Весь их АТФ производится путем окисления глюкозы, полученной из растения-хозяина. Поскольку у голопаразитов нет потребности в фотосинтезе, то листья им тоже не нужны. У этого типа растений либо есть маленькие чешуевидные листья, либо их совсем нет.
Повилика (Cuscuta) — один из немногих голопаразитов с обычными растительными чертами. У нее длинный, тонкий стебель с мелкими листочками. Повилика обвивается вокруг растения-хозяина, внедряя в него свои гаустории (модифицированные корни). Ее строение, основанное на узлах и междоузлиях, обеспечивает возможность распространения от ветки к ветке растения-хозяина или от одного растения к другому.
Большинство голопаразитов живут под землей.
Их корни проникают в корни хозяина, затем развивается зародыш паразита, который образует корневищный побег с небольшими прочными
чешуевидными листьями. Находясь под землей, голопаразит невидим для травоядных животных. Кроме того, температура и влажность здесь более стабильны, чем над землей.
Многие фотосинтезирующие растения также имеют корневища, но их пазушные почки зачастую растут вверх, развиваясь в воздушные, "хлорофилловые" ветви. Этого никогда не встречается у голопаразитов.
Это происходит лишь в случае цветения: цветок выходит на поверхность земли, чтобы его смогли опылить насекомые.
Некоторые виды голопаразитов имеют гораздо более упрощенное строение по сравнению с обычными растениями. Их подземное «корневище» не имеет ни листьев, ни пазушных почек, ни узлов и междоузлий. Конус нарастания состоит из меристематических клеток, но не имеет ни листовых зачатков, ни корневой шляпки. Внутри ткани ризомы не типичны ни для корня, ни для побега. Они не имеют ни единого кольца узлов, типичного для стебля, ни центральной массы ксилемы, как у обычных корней. Поверхность представляет собой неравномерное разрастание клеток, а не гладкий лист эпидермиса. Термин «бегун» часто используется для обозначения того, что это не обычный орган растения.
Некоторые голопаразитические растения полностью обитают в организме хозяина. После того, как их корень проникает в хозяина, остальная часть эмбриона погибает. «Корни» паразита уходят все глубже в хозяина, проникая в его кору, флоэму, ксилему и сердцевину. В итоге тело хозяина на 100% заполняется паразитом.
У паразита вообще отсутствуют побеги. Термин «корни» заключен в кавычки, потому что эти структуры не имеют характерных для корней черт. Технически это эндофит — растение, живущее внутри другого.
(Например, эндофиты омелы белой Tristerix aphyllus, растущие внутри кактуса Trichocereus chilensis, состоят только из ветвления однорядных нитей клеток паренхимы. После нескольких месяцев или лет нити становятся многорядными, поскольку их клетки подвергаются продольным делениям.)
В какой-то момент появляется немного флоэмы и иногда изолированный сосудистый элемент. Все тело растения не имеет корней, стеблей, листьев, эпидермиса, коры, сердцевины — только несколько клеток ксилемы и флоэмы.
Требуются дополнительные исследования, но, похоже, что каждая поверхностная клетка тела эндофита способна поглощать воду, минералы и органические молекулы из тканей хозяина. С учетом того, что все тело имеет способность поглощать, нет большой необходимости наличия доступа к воздуху.
Во время цветения клетки паренхимы под эпидермисом хозяина разрастаются в узелок — придаточное соцветие верхушечной меристемы.
Затем оно пробивается сквозь эпидермис хозяина.
Из-за того что у него есть верхушечная меристема, соцветие имеет эпидермис, внешний слой, кольцо из сосудистых узлов и сердцевину.
Но у него все так же нет хлорофилла. После того, как зеленое фотосинтезируещее растение (фотоавтотроф) производит глюкозу, оно синтезирует все другие органические соединения, необходимые для его структуры и метаболизма.
Не исключено, что то же самое делают некоторые голопаразиты. Они могут просто получить глюкозу от хозяина, а затем использовать различные типы дыхания и анаболические пути для синтеза всех
других органических молекул. Будет совсем неудивительно, если окажется, что некоторые виды паразитических растений поглощают от своего хозяина по крайней мере некоторые аминокислоты, липиды, или витамины.
Несмотря на такие видоизменения, эндофитные тела голопаразитов здоровы, процветают и хорошо адаптированы к метаболизму на основе дыхания в уникальной среде. Голопаразитические растения показывают нам, что многие особенности обычных растений обходятся им весьма дорого и подвергают их опасности. После того, как растение находит альтернативу фотосинтезу, обычные растительные особенности
больше не являются адаптивными. С другой стороны, для растений, которые способны фотосинтезировать, строение их тела вполне оправдывается.