Новогодняя елка, зеленая и пушистая, приносит в дом аромат, тепло и радость праздника. И мы даже не задумываемся, в каких суровых условиях растут хвойные деревья. Ученые изучают биологические механизмы, позволяющие хвойным оставаться вечнозелеными в морозную зиму и солнечное лето
Хвойные – самая многочисленная группа голосемянных растений, появились на нашей планете более чем на 200 млн лет раньше, чем цветковые (покрытосеменные), которые преобладают в современной флоре. Эти последние примерно 100 млн лет вытеснили хвойные из большинства «комфортных» экосистем. Так что современные хвойные являются доминирующими видами только в экосистемах с довольно экстремальными условиями – в северных лесах и высокогорьях, в условиях засухи или недостатка питательных веществ.
Самый сложный период для хвойных – ранняя весна, февраль и март, когда к холодной погоде добавляется высокая солнечная радиация. В этих условиях деревья должны поддерживать баланс между поступающей энергией и энергетическими потребностями организма, что при низких температурах среды затруднительно из-за термодинамических ограничений. Дисбаланс же может вести к накоплению избыточных электронов и повреждению фотосинтетического аппарата.
Процесс фотосинтеза у большинства зеленых растений очень консервативен – он функционирует схожим образом у зеленых водорослей, кипарисов и тюльпанов. Тем не менее различия в его механизмах у хвойных и цветковых имеются, хотя они еще недостаточно хорошо изучены.
Особенности фотосинтеза хвойных, позволяющие им выживать в суровых условиях, удалось установить шведским исследователям из Университета Умео, который расположен на севере страны – на территории, где преобладают хвойные леса.
Существует две фотосинтезирующие системы (I и II), отличающиеся по спектральным свойствам входящих в них пигментов, которые есть у всех фотосинтезирующих организмов. Они представляют собой пигмент-белковые комплексы, встроены в тилакоидные мембраны – важный структурный компонент клеточных хлоропластов, где осуществляется фотосинтез, и обычно работают самостоятельно.
Как выяснилось, у хвойных тилакоидные мембраны зимой у видоизменяются таким образом, что эти системы начинают работать совместно, в результате чего осуществляется прямой перенос энергии из фотосистемы II в фотосистему I. Благодаря такой перестройке лишняя энергия рассеивается. Этот механизм – по сути, замедляющий фотосинтез, – имелся у общих предков всех сосудистых (высших) растений, но у покрытосеменных был подавлен либо утрачен.
Еще один защитный механизм хвойных – наличие альтернативных путей переноса электронов в процессе фотосинтеза, которые помогают им безопасно перенаправлять избыток последних, поддерживая достаточный уровень выработки энергии.
В широтах, для которых характерны продолжительные холодные сезоны, лиственные деревья и кустарники сбрасывают листья на зиму, жертвуя многими днями фотосинтеза, но бурно растут при наступлении тепла. Такая стратегия вполне эффективна, но все же в таких регионах доминируют хвойные, сохраняющие зеленую хвою круглый год. Их ограничения работы фотосинтетического аппарата очень быстро снимаются, как как только условия для нее становятся благоприятными.
Сами исследователи отмечают, что хвойные придерживаются стратегии «береженого бог бережет»: их адаптации не способствуют быстрому росту, свойственному цветковым, хотя полезны для выживания в условиях продолжительных суровых зим. А сложившийся в ходе эволюции оптимальный баланс между ростом и выживанием растений в разных условиях обеспечивает существование и процветание разных экосистем.
Публикации по теме:
Пластиды: от растений до морских слизней и мозговых паразитов