Өсімдіктер экстремалды жағдайларда қалай аман қалады

Жер бетіндегі тіршілік, мүмкін емес сияқты көрінетін жағдайларда да өмір сүру жолын таба алатын қабілетімен таңғалдырады. Бір түйір топырағы жоқ жалаңаш жартас, көптеген организмдерді жойып жіберетін тұз концентрациясы бар сортаң жер, тоғыз айға созылатын қысымен белгілі арктикалық тундра — осындай орындардың барлығында өмір сүруін жалғастырып, көбейе беретін өсімдіктерді кездестіруге болады. Жануарлардан айырмашылығы, қолайсыз жағдайлардан қашып кете алмайтын өсімдіктер физиологиялық, морфологиялық және биохимиялық бейімделулердің таңғаларлық арсеналын қалыптастырған. Эволюция бұл тіршілік стратегияларын жүздеген миллион жыл бойы жетілдіріп отырды — және осы ұзақ процестің нәтижелері тәжірибелі биологтың өзін де таңғалдыра алады. Өсімдіктердің қатты суыққа, аптап ыстыққа, құрғақшылыққа және тұздануға қалай бейімделетінін түсіну — тіршіліктің төзімділік механизмдерінің өзегіне үңілу деген сөз.

Құрғақшылық пен аптап ыстық жағдайында тіршілік ету

Шөлдер планетаның құрлық бөлігінің шамамен үштен бірін алып жатыр және олар өсімдіктер үшін мүлде қолайсыз орта сияқты көрінеді. Дегенмен құрғақ аймақтардың флорасы ерекше алуан түрлілігімен ерекшеленеді және ғылымға белгілі ең күрделі бейімделулердің кейбірін көрсетеді. Шөл өсімдіктерінің негізгі міндеті — судың өте аз жағдайында оны сақтап қалу, бірақ әртүрлі түрлер бұл мәселені мүлде әртүрлі тәсілдермен шешеді.

Құрғақшылық жағдайында тіршілік ету стратегияларын бірнеше негізгі түрге бөлуге болады:

• суккуленттер — кактустар, агава, алоэ — суды сабақ немесе жапырақ ұлпаларында жинақтайды, ылғалды тіпті қатты қызу кезінде де ұстап тұратын шырышты заттарға бай арнайы жасушаларда сақтайды;
• терең тамырлы өсімдіктер — мескит, түйе тікені — тамыр жүйесін ондаған метр тереңдікке жіберіп, көптеген басқа түрлерге қолжетімсіз жер асты суларына жетеді;
• эфемерлер өмірлік циклінің көп бөлігін тұқым күйінде өткізеді және тек қысқа мерзімді жаңбырдан кейін ғана өсіп шығады — бірнеше апта ішінде өсіп, гүлдеп, тұқым беріп үлгереді, содан кейін қайтадан бірнеше жылға жоғалып кетеді;
• жапырағын түсіретін ксерофиттер құрғақшылық кезеңінде жапырақтарын тастайды, дәл қоңыржай аймақтағы ағаштардың күзде жапырақ түсіргені сияқты, осылайша жақсы жағдайлар келгенге дейін жапырақ арқылы булануды барынша азайтады.

Сагуаро — Америка оңтүстік-батысындағы шөлдерде өсетін алып кактус — суккуленттік бейімделудің ең әсерлі мысалдарының бірі. Сирек жауған жаңбырдан кейін оның діңі қатпарлы қабығының арқасында кеңейіп, жүздеген литр суды сіңіреді — бұл қор бірнеше жыл бойы жауын-шашын болмаса да жеткілікті болады.

Экстремалды суыққа бейімделу

Арктикалық тундра, биік таулы үстірттер және поляр маңындағы аралдар өсімдіктер үшін шөл сияқты қолайсыз болып көрінеді — тек себептері керісінше. Қысқа жаз, жер бетіне жақын орналасқан мәңгі тоң қабаты және Сахараның ыстық ауасынан кем құрғатпайтын күшті желдер — мұның бәрі мұнда өсетін түрлерден ерекше бейімделуді талап етеді.

Өсімдіктердің аязға төзімділігі молекулалық және құрылымдық деңгейлерде қатар жұмыс істейтін бірнеше механизмге негізделеді.

1. Криопротекторлардың — жасуша шырынындағы антифриздік заттардың — жиналуы мұз кристалдарының түзілуіне жол бермейді, өйткені мұз кристалдары қатып қалғанда жасуша мембраналарын жарып жібереді. Қанттар, глицерин және арнайы антифриздік ақуыздар жасуша ішіндегі сұйықтықтың қату температурасын нөлден бірнеше градус төмен түсіреді. Осыған байланысты көптеген арктикалық өсімдіктер минус қырық градусқа дейінгі аязды ешбір зақымсыз көтере алады.
2. Альпілік және тундралық өсімдіктерге тән жастықша тәрізді өсу формасы желден қорғайтын әрі жылуды сақтайтын бейімделу болып табылады. Биіктігі бірнеше сантиметр болатын тығыз жарты шар тәрізді «жастықша» ішінде микроклимат қалыптастырады, мұнда температура сыртқы ауадан 5–10 градусқа жоғары болады. Арктикалық жартастарда осындай жастықшалар түзетін тасжарғыш өсімдігі жүздеген жыл өмір сүріп, жыл сайын небәрі бірнеше миллиметрге ғана өседі.
3. Суық кезеңде көптеген арктикалық өсімдіктердегі жасыл хлорофиллдің орнына қызыл және антоциандық пигменттер басым болады. Олар бірнеше маңызды қызмет атқарады: күн сәулесінен қосымша жылу сіңіреді және төмен температура жағдайында күшті жарық әсерінен хлоропластарды зақымданудан қорғайды. Сол себепті күзде арктикалық тундра көптеген қоңыржай ормандарға қарағанда әлдеқайда қанық қызыл және күлгін түстерге боялады.
4. Мәңгі жасылдық пен жапырақтардың балауызды кутикулярлық қабаты арктикалық бұталарға — мысалы, қаражидек, брусника және басқа түрлерге — қар еріген бойда фотосинтезді бірден бастауға мүмкіндік береді, өйткені олар жаңа жапырақ өсіруге уақыт пен энергия жұмсамайды. Жапырақ бетіндегі балауыз қабаты жел арқылы ылғалдың булануын барынша азайтады. Мұндай ресурсты үнемдеу вегетациялық кезеңі бірнеше апта ғана болатын жағдайда өте маңызды.

Суыққа бейімделу өсімдік физиологиясының икемділігін айқын көрсетеді — әртүрлі молекулалық жолдар арқылы бірдей нәтижеге жетуге болады, бұл әр түрдің ерекшеліктеріне байланысты.

Тұзды топырақтардағы тіршілік

Сортаң жерлер, теңіз жағалаулары және тұзды көлдердің маңы көптеген өсімдіктер үшін үлкен кедергі болып табылады: натрий мен хлор иондарының артық мөлшері жасушалардың су балансын бұзады, ферменттердің жұмысын тежейді және фотосинтезді әлсіретеді. Соған қарамастан тұзды ортаға бейімделген галофиттер химиялық бейімделудің нағыз шеберлігін көрсетеді.

Галофиттердің тұздық стрессіне қарсы стратегиялары әртүрлі:

• жапырақ бетіндегі тұз бездері натрий иондарын сыртқа шығарады, онда олар ақ кристалдар түрінде жиналады — дәл осылай тамариск, кермек және кейбір жағалау бұталары жұмыс істейді;
• тұз вакуольдері улы иондарды арнайы жасуша резервуарларында оқшаулап, оларды сезімтал метаболикалық құрылымдардан алшақ ұстайды;
• пролин, бетаин және маннит сияқты органикалық осмолиттердің концентрациясын арттыру жасушаларға сыртқы осмостық қысым жоғары болса да суды ұстап тұруға мүмкіндік береді;
• жапырақтардың суккуленттілігі жиналған тұздарды көп мөлшердегі су жинайтын ұлпа арқылы «сұйылтып», олардың концентрациясын қауіпсіз деңгейде ұстайды.

Солерос — тұзды батпақтардың шетінде өсетін шағын суккулентті өсімдік — өз ұлпаларында тұзды соншалықты көп жинайды, бұрын оны жағып, күлін әйнек өндірісінде қолданылатын сода көзі ретінде пайдаланған. Бұл мысал көптеген организмдер үшін у болып саналатын затқа бейімделудің қаншалықты радикалды болуы мүмкін екенін көрсетеді.

Қышқыл және улы топырақтардағы өсімдіктер

Экстремалды жағдайлардың ерекше түріне ауыр металдар көп жиналған топырақтар, қышқыл батпақтар және жанартаулық субстраттар жатады. Никель, мырыш, мышьяк және басқа да улы элементтер көптеген өсімдіктер үшін өлімге әкелетін концентрацияда болғанымен, кейбір жоғары маманданған металлофит өсімдіктер үшін бұл қалыпты ортаға айналған.

Улы субстраттарға қарсы бейімделу механизмдері әртүрлі және ғылым үшін практикалық маңызы зор жаңалықтардың көзі болып табылады.

1. Металдарды жер үсті бөліктерінде гипержинақтау улы заттарды қауіптен қорғаныс құралына айналдырады. Thlaspi caerulescens деп аталатын шағын өсімдік жапырақтарында мырышты басқа түрлер үшін қалыпты мөлшерден бес жүз есе жоғары деңгейде жинай алады. Бұл қасиет өсімдіктер көмегімен ластанған топырақты тазарту технологиясын — фиторемедиацияны — дамыту үшін зерттеліп жатыр.
2. Металдарды метаболизмнен оқшаулау олардың тамыр арқылы сіңуін шектеу және сіңген иондарды тамыр жасушаларының вакуольдерінде сақтау арқылы жүзеге асады. Бұл стратегия гипержинақтаудан мүлде өзгеше — металл өсімдіктің жер үсті бөліктеріне жетпей, тамыр деңгейінде бөгеледі. Көптеген астық тұқымдас өсімдіктер тау-кен өндірісі қалдықтарының үстінде дәл осылай тіршілік етеді.
3. Микоризалық саңырауқұлақтармен симбиоз улы субстраттарға төзімділікті бірнеше есе арттырады, өйткені саңырауқұлақ мицелийі буферлік қызмет атқарады. Саңырауқұлақтар ауыр металдарды сіңіріп, оларды өз жасушаларында байланыстырып ұстайды, осылайша өсімдік тамырларына жібермейді. Мұндай симбиозсыз қышқыл батпақтар мен жанартаулық топырақтардағы көптеген өсімдіктер өмір сүре алмас еді, бұл жер астындағы өзара байланыстардың маңызын көрсетеді.
4. Арнайы хелатор ақуыздар улы металл иондарын ерімейтін кешендерге байланыстырып, оларды жасуша цитоплазмасында-ақ биологиялық белсенділіктен айырады. Фитохелатиндер деп аталатын ақуыздар кадмий, сынап және мышьяк болған кезде синтезделеді. Оларды зерттеу топырақ ластануына төзімді трансгендік дақылдар жасауға мүмкіндік береді.

Улы топырақ өсімдіктері нағыз «пионерлер» болып табылады — олар өндірістік бос жерлерді алғаш болып мекендеп, біртіндеп басқа түрлердің келуіне жағдай жасап, экожүйенің қалпына келу процесін бастайды.

Қоректік заттардың тапшылығы жағдайында тіршілік ету

Кейбір экстремалды мекендер физикалық емес, химиялық шектен шығумен қауіпті — нақтырақ айтқанда, қажетті элементтердің толық жетіспеуімен. Биік батпақтар, тропикалық саванналардың ақ құмдары және кедей тау топырақтары азот пен фосфорға өте кедей. Ал бұл екі элементсіз ақуыздар мен нуклеин қышқылдарының синтезі мүмкін емес.

Өсімдіктер бұл мәселені шешу үшін бірнеше мүлде ерекше стратегияларды қалыптастырған.

1. Жыртқыштық — қоректік заттардың тапшылығына ең әсерлі бейімделу. Шыбынжұтқыш, шықшөп, непентес және көпіршік өсімдіктер жәндіктерді, ұсақ бақаларды, тіпті кеміргіштерді ұстап, арнайы ферменттер арқылы қорытып, одан азот пен фосфор алады. XIX ғасырда жыртқыш өсімдіктердің болуы ғылым үшін соншалықты сенгісіз құбылыс болды, Чарльз Дарвин оларды бірнеше жыл зерттеп, осы құбылыстың шын екенін дәлелдейтін арнайы монография жазған.
2. Азот бекітетін бактериялармен симбиоз бұршақ тұқымдас өсімдіктерге, сондай-ақ кейбір басқа түрлерге азотты тікелей атмосфералық ауадан алуға мүмкіндік береді. Тамырдағы арнайы түйнектерде Rhizobium бактериялары өмір сүріп, молекулалық азотты өсімдіктер пайдалана алатын қосылыстарға айналдырады, ал өсімдік оларға көмірсулар береді. Сондықтан беде мен люпин ауыл шаруашылығында тыңайтқышсыз кедей топырақты қалпына келтіру үшін жиі қолданылады.
3. Протеоидты тамырлар — қысқа бүйір тамырлардың тығыз шоғы — фосфор жетіспеген кезде протея тұқымдасының өсімдіктерінде және кейбір басқа топтарда түзіледі. Бұл құрылымдар топыраққа органикалық қышқылдар бөліп, фосфат минералдарын ерітіп, фосфорды өсімдіктерге қолжетімді формаға айналдырады. Осындай тамырлардың бір шаршы сантиметрі беткей ауданы бойынша бірнеше шаршы метр қарапайым тамыр жүйесіне тең.
4. Көрші өсімдіктерге паразиттік өмір сүру минералдық қоректену мәселесінің ең шеткі шешімі болып табылады. Заразиха, Петров крест және арамшөп повилика хлорофиллді толық жоғалтып, барлық қажетті заттарды иесінің денесінен арнайы гаусториялар арқылы алады — бұл бекіну және сору қызметін атқаратын органдар. Кейбір паразиттік түрлер соншалықты маманданған, олар тек белгілі бір өсімдік түрінің үстінде ғана дамиды.

Қоректік заттардың тапшылығы өсімдіктер әлеміндегі ең шығармашылық бейімделулердің пайда болуына себеп болды — жыртқыштықтан бастап организмдер арасындағы шекараны жоятын терең симбиозға дейін.

Экстремалды жағдайларда өсетін өсімдіктер эволюцияның тұйыққа тірелмейтінін дәлелдейді — тек күрделілігі әртүрлі міндеттер ғана бар. Әрбір бейімделу миллиондаған жылдар бойы табиғи сұрыпталудың ықпалымен қалыптасып, биохимиялық немесе құрылымдық жаңалықтарды дүниеге әкелді. Көп жағдайда бұл жаңалықтар қазіргі инженерия жасай алатын шешімдерден де асып түседі. Осындай механизмдерді зерттеу ауыл шаруашылығы, экологиялық қалпына келтіру және фармакология үшін үлкен мүмкіндіктер ашады — антифриз ақуыздары, металл байланыстыратын пептидтер және осмопротекторлар қазірдің өзінде ғылымның түрлі салаларында қолданылып келеді. Өсімдіктер әлемінің шеткі көріністері бізге бір маңызды нәрсені еске салады: өмір — өлі әлемнің кездейсоқ ерекшелігі емес, керісінше оның ажырамас әрі таңғаларлықтай төзімді қасиеті.