«На севере диком стоит одиноко
На голой вершине сосна,
И дремлет, качаясь, и снегом сыпучим
Одета, как ризой, она…» (М.Ю. Лермонтов)
И как ей только не холодно на ледяном ветру под колючим обжигающим снегом? У нее нет шерсти, как у медведя или волка, она не может надеть тёплое пальто, как человек. Но, тем не менее, стоит и не замерзает, иголки ее зеленеют, а на ветках висят шишки. Оказывается, растения ухитрились выработать не менее эффективные методы защиты от морозов, чем животные и люди.
Растению не очень много надо для того, чтобы выжить – главное, поддерживать полимеры (белки, нуклеиновые кислоты и т.д.) внутри клеток в рабочем состоянии и не допускать, чтобы лёд образовывался внутри клеток и повреждал мембраны.
Для этого существует несколько механизмов:
- дегидратация клеток (удаление воды в межклеточное пространство);
- переохлаждение (механизм, лежащий в основе способности сохранять воду в жидком состоянии при низких температурах);
- образование биологических антифризов;
- анатомические барьеры;
- использование тепла, образующегося при замерзании воды.
Дегидратация клеток
Когда растению, защищающемуся таким способом, угрожает переохлаждение, вода из его клеток уходит в межклеточные пространства, где образование льда относительно безопасно. Когда температура падает, вода в межклетниках замерзает, а лёд вытягивает из клеток оставшуюся воду. Образование кристаллов льда вне клеток стимулируется специальными веществами – гетерогенными нуклеаторами. Они повышают температурный порог замерзания воды. Роль гетерогенных нуклеаторов могут играть белки, фосфолипиды, полисахариды, любые твёрдые включения (даже бактерии), которые послужат затравкой для формирования кристалла льда.
У этого способа защиты от холода есть один серьёзнейший недостаток. Клеткам крайне тяжело обходиться без воды, и в данном случае морозоустойчивость растения напрямую зависит от его способности терпеть обезвоживание. Поэтому значительно выгоднее не выгонять воду из клеток, а что-то сделать с ней, чтобы она не замерзала.
Механизмы переохлаждения
Лучше всего это удалось, пожалуй, черному ясеню и виргинскому можжевельнику. Вода в их клетках замерзает при температуре около -50оС. Все дело в необычных свойствах внутриклеточной воды, наличии криопротекторов и отсутствии гетерогенных нуклеаторов.
Если нет центра кристаллизации (то есть, какой-то частицы, вокруг которой будет образовываться кристалл льда), то вода будет замерзать не при 0о С, а при значительно более низких температурах. Для того, чтобы проверить это утверждение, можно провести следующий эксперимент. Положите пластиковую бутылку с чистой водой в морозилку часа на два. Когда вы ее достанете, в бутылке будет жидкость, которая замерзнет, как только вы ее встряхнёте.
Часть воды в клетке находится в связанном биополимерами состоянии, и не замерзает за счёт этого. Часть (и немалая) – находится на поверхности раздела фаз. В очень тонком капилляре вода может не замерзать при очень низкой температуре (до -34оС).
Биологические антифризы
Да, именно антифризы, как незамерзающая жидкость для окон машин. Это соединения, тормозящие процессы образования и роста кристаллов льда. Правда, этиленгликоль, который используется в транспортных средствах, ядовит, и растению в качестве «незамерзайки» не подходит. Роль биологических антифризов играют белки, гликопротеины и полисахариды. Принцип их действия довольно прост: вещество взаимодействует с молекулами воды в кристалле льда, прочно адсорбируется к нему и создаёт непроницаемый барьер для присоединения к кристаллу новых молекул воды. Таким образом, рост кристалла блокируется.
Анатомические барьеры
Анатомические барьеры препятствуют распространению процесса образования льда по сосудам ксилемы (основная водопроводящая ткань наземных сосудистых растений). В основном это происходит за счёт сегментации сосуда – его разделении на отдельные части перегородками, которые лёд не сдвинет.
Теплопродукция при замораживании
При превращении воды в лёд повышается температура, и эти крохи тепла (хотя почему крохи – целых 80 калорий на грамм льда) некоторые растения научились использовать для обогрева жизненно важных органов. Преимущественно это обитатели гор (например, растения рода лобелия). Температура воздуха на их родине ночью опускается до -10оС, притом днём сравнительно тепло. Суточная терморегуляция лобелии происходит благодаря большой межклеточной полости в соцветии. В этой полости содержатся растворы карбогидратов, которые стимулируют образование льда при близких к нулю отрицательных температурах. Благодаря вырабатывающемуся при замерзании воды теплу температура соцветия не падает ниже 0оС. Похожая способность обнаружена у некоторых опунций (даже кактусам в пустыне бывает холодно).
Теперь мы знаем – «на севере диком» сосне не так уж и плохо и трудно расти. Наоборот, ей было бы намного сложнее расти «в пустыне далёкой». Солнце бы обожгло привычные к холоду, но не к жаре, иглы. К тому же в холодное время растение находится в состоянии физиологического покоя, отдыха. Это означает, что в его организме не происходит процессов роста - только поддержание жизнедеятельности, например, дыхание и фотосинтез (у елей и сосен он сохраняется до -14оС). Лишить растение периода покоя – все равно, что не дать человеку выспаться.
