Любое растение — от крошечной травы до высокого дерева — каждый день делает то, что выглядит как фокус: втягивает воду из почвы и поднимает ее вверх, словно бросая вызов гравитации. Ученые описывают этот «подъем» через понятие отрицательного водного потенциала — невидимого натяжения, которое позволяет растению вытягивать влагу из грунта. Сила этого натяжения меняется в зависимости от того, сколько воды испаряется с листьев (транспирация) и насколько пересохла почва.
Но у этого механизма есть важная особенность: растения «пьют» не бесконечно. В какой‑то момент даже вполне здоровые начинают испытывать нехватку воды и уже не могут удовлетворять потребности. Десятилетиями исследователи пытались понять, что именно их останавливает.
Ответ, к которому пришли Андреа Карминати из Швейцарской высшей технической школа Цюриха и Тим Броддрибб из Университета Тасмании, в исследовании, вышедшем в Science, оказался неожиданно простым: ограничение задает не само растение, а почва.
Команда показала, что предел определяется тем, как вода проходит через грунт по мере высыхания. Когда почва теряет влагу, вода все сильнее «застревает» в микроскопических порах и перестает свободно перемещаться к корням.
Разумны ли растения?
На нижней стороне листьев расположены крошечные «клапаны» — устьица. Они чрезвычайно чувствительны и работают как двери, от которых зависит выживание. Открываясь, устьица впускают углекислый газ, необходимый для питания и роста, но вместе с тем усиливают потерю воды. Закрываясь, они экономят влагу — однако лишают растение CO₂ и тем самым тормозят развитие.
Как отмечает Броддрибб, «в конечном счете поведение этих крошечных клапанов определяет, сколько углерода из атмосферы попадет в биомассу наземных растений».
Мета‑анализ данных по 19 видам показал, что устьица начинают активно ограничивать потери воды, когда давление в листьях достигает примерно 1,3 мегапаскаля. Примечательно, что это практически совпало с прогнозами почвенных моделей: они указывают, что оптимальное извлечение воды из почвы возможно примерно до 1,4 мегапаскаля.
«Когда почва высыхает, капиллярные и вязкостные силы в порах растут, и растениям становится все труднее вытягивать воду из грунта», — объясняют авторы.
Визуализация в реальном времени
Иными словами, растения в самых разных условиях эволюционировали так, чтобы работать в довольно узком диапазоне натяжения. Этот компромисс позволяет им получать достаточно воды, не «срывая» водный столб и не доводя ткани до критического стресса, но при этом сохранять листья упругими и продуктивными.
Чтобы вытянуть влагу из пор почвы, растение тратит много энергии и ресурсов. Стебли имеют толстые клеточные стенки, способные выдерживать высокое натяжение, а листья поддерживают тургор с помощью растворенных веществ. Сельхозпроизводители пытались выводить сорта с более высокой концентрацией таких веществ, рассчитывая улучшить всасывание воды, но эти попытки в целом не дали результата.
По словам Броддрибба, теперь понятно почему: «Наши результаты объясняют этот провал: ограничивающий фактор находится не в растении, а в почве».«Физика капиллярности не только предсказывает, насколько опустошаются поры почвы при высыхании, но и то, что происходит высоко в листьях», — говорит Карминати.
У растений открыли способности к счету
В Канаде вырастили семена, которые более 100 лет пролежали под землей
Ученые проверили, как растет картофель в «лунном грунте»
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX