Наверное, у многих возник вопрос: неужели у растений тоже есть поведение? Разве это свойство живых существ не является прерогативой представителей исключительно животного мира? Оказывается — нет! Представьте себе, у растений тоже есть свои «фишки», в том числе: чувствительность к внешним раздражителям, разные рецепторные процессы, специфические реакции на свет, температуру, силу тяжести. И — что очень любопытно — растения обладают удивительной способностью определять свое положение в пространстве. Вот об этом удивительном феномене растительного мира я и предлагаю поговорить.

Гравитация: маленький шаг для растения и огромный скачок для ученого

Гравитация, как известно многим, — это не только название известного фильма, но и универсальное взаимодействие между материальными телами. Причем неважно, говорим ли мы о неодушевленных предметах или живых существах, о растениях или животных. Именно гравитация необычайно важна для нормального развития растительных организмов, поскольку помогает им правильно «оценивать» свое положение в пространстве. А в случае необходимости — вносить особые поправки за счет поляризованного роста.

Естественной ответной реакцией растительного организма на действие силы тяжести является гравитропизм — направленный рост органов относительно вектора гравитации. Растения тянут свои стебли и стволы ввысь, против вектора силы тяжести, то есть обладают отрицательным гравитропизмом, а их корни устремляются вглубь, к центру планеты (в этом случае мы говорим о положительном гравитропизме). Можно, конечно, дополнить, что сила тяжести не действует на растения в одиночку, сама по себе, а работает в сочетании с другими внешними факторами, как, например, свет или вода — и в этом случае мы говорим о фототропизме или гидротропизме. Но это уже детали...

Давайте же разберемся с вопросом: а зачем все-таки растениям определять свое положение в пространстве, знать, где верх, а где низ? Ведь это не люди, которым действительно нужно как-то передвигаться, причем именно по земле, а не по воздуху, например. На самом деле всё очень просто: сверху находится солнце, которое не только дарит всем живым существам свет и радость, но и обеспечивает растение такой жизненно необходимой солнечной энергией, без которой невообразимы процессы фотосинтеза [1]. Вот почему побеги всегда тянутся ввысь, к теплым лучам, а цветочки могут поворачиваться вслед за солнцем.

А что же происходит внизу? Во-первых, гораздо удобнее удерживать свое положение в пространстве за счет закрепления в грунте, а не в воздухе или в водоеме. А во-вторых, не будем забывать о том, что под ногами у нас почва — уникальнейшая питательная среда со множеством полезных соединений, минеральных солей, ну и, конечно же, с водой. А вода, как известно, источник жизни. Поэтому корни растений устремляются вниз — в поисках необходимой им воды с растворенными в ней веществами.

Вот мы и разобрались с таким известным проявлением гравитропизма, как тенденция к росту побегов растения вверх, а корней — вниз. Однако существует и другой вид гравитропизма, пусть менее известный, но зато знаковый и интересный для исследователей. Я говорю о формировании особых изгибов органов растения в ответ на изменение его ориентации в пространстве, которые называются гравитропическими изгибами. Что же это за изгибы такие? Посмотрим!

Группой Григория Пожванова из Санкт-Петербургского государственного университета была проведена серия экспериментов с арабидопсисом (Arabidopsis thaliana, или резуховидка Таля). Собственно говоря, это растение никому не нужно, кроме ученых, которые используют его в качестве модельного объекта, что позволяет порой получать чрезвычайно интересные результаты. Так вот, этот самый арабидопсис, нескольких дней от роду, с уже сформированным корешком и раскрывшимися листочками, выращенный в специальных емкостях с прозрачной средой (чтобы легче было следить за особенностями роста), переворачивали горизонтально (рис. 1). То есть растение оказывалось лежащим «на боку».

Выяснилось, что бедный опрокинутый арабидопсис (на котором, кстати говоря, и не такие опыты ставили) уже через 6–7 часов изменял направление роста корня и побега таким образом, чтобы корешок вновь начинал расти вниз, а побег всё так же устремлялся вверх. Удивительно, не правда ли? Именно такое «перевернутое» положение с направленными вниз и вверх векторами роста и называют гравитропическим изгибом, призванным восстановить вертикальный рост побегов и корней.

Космический успех арабидопсиса

За последние несколько лет опубликованы сотни научных статей, касающихся проблемы гравитропизма растений. Однако оставался открытым вопрос о влиянии силы притяжения Земли на два важных показателя корневой системы: ее завивание и отклонение.

Так называемое завивание корней — это всего лишь смена направления роста их кончиков, которая происходит, например, при встрече корня с препятствием в виде камня или твердой породы, сквозь которую нельзя прорасти. Происходит своеобразная смена курса роста, связанная с огибанием преграды, но после преодоления этой сложности корешок вновь устремляется вниз согласно вектору силы тяжести.

В свою очередь, отклонение — это процесс углового смещения корня, которое происходит, допустим, при ветвлении. Любой, кто хоть раз пропалывал грядки, может подтвердить, у выкопанных сорняков нет идеально прямых корней. Напротив, они сильно ветвятся, стараясь задержаться в почве прочнее и буквально пробивая себе путь в нижних твердых слоях земли (наверное, поэтому их и не любят — кому понравится битый час выдергивать намертво закрепившегося огородного нелегала).

Некоторое время назад ученые были уверены, что завивание и отклонение имеют в своей основе сходные сценарии развития. Однако такое убеждение дало трещину, когда исследователи из университета Флориды запустили наш любимый арабидопсис в космос. На орбите выключается действие силы притяжения, что дает простор для новых исследований, включая наблюдение за гравитационными процессами. Емкости с растениями находились в специальной установке с камерой, которая делала снимки каждые шесть часов на протяжении первых 15 дней роста растений. Полученные данные передавались с борта космической станции на Землю в Центр космических исследований (Kennedy Space Center), где одновременно проводились аналогичные эксперименты с такими же образцами, но уже в условиях нормальной земной гравитации.

Выяснилось, что в целом и на Земле, и в условиях невесомости арабидопсис успешно рос, просто образцы несколько отличались по своему внешнему виду за счет того, что в основе роста находились разные стимулы. Так, космические образцы при отсутствии вектора гравитации определяли направление для дальнейшего роста по падающему свету (фототропизм). Получается, что корни резуховидок Таля росли в противоположную от побегов сторону, то есть туда, где меньше света, который в этих условиях стал для них определяющим фактором. Но главное — арабидопсис действительно успешно рос даже при отсутствии земного притяжения [2]. Вывод: для завивания и отклонения корней гравитация не является основополагающим фактором. Также было отмечено, что если характер завивания для земных (контрольных) образцов и выросших в космосе растений примерно одинаков, то в случае отклонения можно говорить о разных механизмах данного процесса, поскольку для проростков, выращенных в невесомости, отклонение было гораздо выше (рис. 2).

Кстати говоря, арабидопсис — самое первое растение, которое не только проявило себя в опытах по влиянию отсутствия гравитации на рост, но и прошло полный цикл развития в космосе, успешно перенеся воздействие всех неблагоприятных внеземных условий.

Фитогормоны: растения тоже чувствуют!

Давайте задумаемся над вопросом: как же растения понимают, где у них низ, а где верх? Человек, например, в любой момент времени может определить, стоит ли он на земле или лежит беспомощный (за эту способность определять свое место в пространстве можно сказать спасибо вестибулярному аппарату). А обездвиженным и безмолвным растениям приходится изощряться другими способами.

Так, у представителей растительного царства есть специальная группа клеток-статоцитов, которые содержат специфические тяжелые структуры, быстро оседающие под действием гравитации (рис. 3). Эти образования называются статолитами.

Допустим, растение пригнулось к земле — отлично, в игру вступают статолиты, которые «падают» вниз (то есть осаждаются) под воздействием силы тяжести. В итоге формируются новые низ (там, где статолиты) и верх (где их нет). Далее запускается целый каскад реакций, призванных преобразовать физический процесс осаждения статолитов в биохимические процессы, которые в итоге ведут к гравитропическому ответу. Это явление очень сложно и до конца не изучено; можно с определенностью сказать лишь то, что в нем задействуется целая сеть различных посредников, вторичных мессенджеров и, конечно же, фитогормонов. Да-да, представьте себе, у растений тоже есть свои гормоны — пусть не такие популярные в плане исследований, как гормоны животных, но всё же не менее интересные и важные. Эти вещества способны оказывать целый спектр биологических воздействий. Но я предлагаю поговорить об ауксине (он же — индол-3-уксусная кислота, ИУК) как о важном участнике гравитропической реакции [3].

Так, при «перевороте» растения происходит накопление ИУК на нижней стороне гравистимулированного органа (как растение определяет свой верх и низ, мы уже обсуждали выше). Это приводит к различной скорости роста клеток на противоположных сторонах побега и корня. Получается, что ауксин — это определяющий фактор формирования гравитропического изгиба. Однако было бы несправедливо оставить в стороне помощников ауксина — специальные PIN-белки (от англ. pin — булавка), которые транспортируют его к месту воздействия [4]. Таких белков-переносчиков в клетке очень много, их классификация довольно сложна, но суть заключается в том, что именно от типа и количества этих белков зависит, куда пойдет ауксин. Получается, что если PIN-белков много на нижней стороне корня, то там будет и ауксин, чтобы простимулировать его рост.

И наконец мы подходим к такому интересному моменту, как распределение PIN-белков в пространстве клетки. Ведь сами белки, хоть и называются переносчиками, лишены возможности произвольного перемещения. Их распределение регулируется цитоскелетом. У клеток растений тоже есть свой скелет, и представлен он не костями и хрящами, а специальными веществами: актином, тубулином и миозином. Важно, что именно эти структурные полимеры определяют подвижность большинства компонентов клетки. Актиновый цитоскелет — это словно раскинувшаяся по всему объему клетки огромная сеть дорог, по которой обеспечивается транспорт большинства соединений [5].

А еще — актиновый цитоскелет очень сложно увидеть: для этого было бы недостаточно даже применения очень сильного микроскопа. Дело даже не в чрезвычайно малых размерах данной структуры, а в визуализации* — ведь человеческий глаз не способен различать эти тонкие ниточки, из которых состоят микрофиламенты, даже при очень большом увеличении. И здесь нам на помощь приходят трансгенные растения [6]. Уверена, что многие из вас так или иначе слышали о них, причем большей частью плохое. На самом же деле трансгенные растения — это универсальный инструментарий биолога, без которого нельзя представить работу любой современной физиологической лаборатории.

* — Как преодолеть дифракционный барьер и различить детали размером меньше полудлины волны мы писали в статье «Лучше один раз увидеть, или микроскопия сверхвысокого разрешения» [7], а о лауреатах Нобелевской премии за разработку методов сверхразрешающей микроскопии — в материале «По ту сторону дифракционного барьера: Нобелевская премия по химии 2014» [8]. В сообщении «Экспансионная микроскопия, или Как увидеть новое сквозь старую линзу» описан новый метод приготовления микропрепаратов, который позволяет существенно улучшить разрешение [9]. — Ред.

Итак, «трансгены» — это те же самые растения (в нашем случае — арабидопсис), просто снабженные специальными белками для создания новой экспериментальной модели. Получается, мы берем резуховидку Таля и внедряем в ее ДНК ген зеленого флуоресцентного белка (GFP, green fluorescent protein). А затем исследуем трансформированное растение под особым конфокальным микроскопом, подсвечивая лазером. И, как говорится, voila — получаем на выходе цифровое изображение, на котором прекрасно видны внутренние структуры, в частности актиновый цитоскелет, который и был нам нужен (рис. 4) [3].

* — Значимость GFP для биологических экспериментов оказалась настолько высока, что за открытие этого маркера вручили Нобелевскую премию: «Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии» [10]. Однако ученые не удовлетворились и явили миру новые поколения флуоресцентных белков: «Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!» [11]. — Ред.

Новые направления: что же будет дальше?

Возможно, кого-то заинтересует, зачем нужны подобные исследования с использованием конфокальной микроскопии и где они выполняются? Поведение растений в космосе — глобальная тема исследований, над которой работают многие научные умы. Однако я могу назвать конкретное место, где тоже происходит активнейшее изучение процессов гравитропизма, — это кафедра физиологии и биохимии растений Санкт-Петербургского государственного университета. Именно здесь были сделаны конкретные экспериментальные заключения, о которых и пойдет речь ниже. В том числе по той причине, что я — студентка этой кафедры и работаю над магистерской диссертацией (за помощь хочется поблагодарить Ресурсный центр «Развитие молекулярных и клеточных технологий» СПбГУ, а особенно — их замечательный конфокальный микроскоп Leica TCS SPE).

А теперь, познакомившись с основным инструментарием, обратимся непосредственно к результатам проведенных экспериментов. Фундаментальной проблемой, интересовавшей нас в ходе работы, было поведение растений в космосе, и для ее решения мы проводили опыты по гравистимуляции растительных образцов с дальнейшей визуализацией актинового цитоскелета. Была поставлена задача сравнить корни контрольных (вертикально растущих) и гравистимулированных (расположенных горизонтально) растений арабидопсиса, а также исследовать действие на них различных реагентов.

Выяснилось, что в нормально (вертикально) развивающихся растениях находится очень много аксиально ориентированных микрофиламентов — то есть тех, которые сонаправлены с вектором силы тяжести. А вот в случае гравистимуляции, когда арабидопсис оказывается лежащим на боку, происходят изменения — в частности, увеличивается доля тех актиновых нитей, которые расположены наклонно или перпендикулярно поверхности Земли. Это значит, что корень действительно узнает, что низ и верх теперь не там, где были раньше, и уже через 20–30 минут после этой «смены полюсов» начинает активно подстраиваться под новые условия за счет переориентации своего цитоскелета. Данные механизмы лежат в основе формирования гравитропического изгиба — структуры, которую мы так долго и упорно обсуждали.

Еще более интересные результаты были получены в случае действия на такие же растения разнообразных реагентов (рис. 5). Известно, что при стрессе (например, во время гравистимуляции) в клетках растений начинает синтезироваться гормон стресса — этилен, который подавляет процессы роста корней и развитие побега, но не препятствует гравитропической реакции. При дополнительной обработке корней арабидопсиса раствором этефона (из которого образуется этилен) обнаруживалась почти тотальная разборка цитоскелета, и чем дольше растение подвергалось такому воздействию, тем больше разрушались актиновые микрофиламенты. Гравитропический изгиб образовывался, но корень был значительно короче.

Салициловая кислота ускоряла реорганизацию цитоскелета и в целом угнетала гравитропическую реакцию за счет подавления синтеза этилена. То есть корни растения не воспринимали переворот на 90 градусов в качестве стресса: ведь этилен, призванный сигнализировать о стрессовых изменениях, не выделялся. Однако по прошествии часа действие салицилата ослабевало, и растение, ощутив стресс, могло формировать изгиб.

А вот при удалении Cа²⁺ из клеточных стенок с помощью раствора EGTA (которая способствует связыванию ионов кальция) образование гравитропического изгиба полностью ингибировалось.

Подводя итог, можно сказать, что все эти вещества оказывают свои собственные эффекты на рост растения, причем способны как подавлять стресс, так и усиливать действие гравистимуляции.

На самом деле, это исследование только начинается. Нам еще предстоят новые эксперименты, связанные с обработкой резуховидок Таля различными активаторами и ингибиторами роста, регуляторами транспорта ауксина. К слову, оформленных научных статей еще нет: ведь работа не прекращается, буквально каждую неделю можно говорить о новых результатах.

Думаю, может возникнуть вопрос: зачем вообще нужны эти эксперименты? Чтобы лучше разобраться в механизмах стрессовой реакции в условиях смены вектора гравитации. Это поможет лучше понять, что именно испытывают растения в условиях невесомости.

Когда будет жизнь на Марсе?

Идея запланированного полета людей на Марс с целью создания там колонии не нова, однако споры вокруг этого вопроса начались с того самого момента, как идея впервые была высказана. Скептиков и тогда, и сейчас находится очень и очень много.

В одной из недавно опубликованных статей утверждается, что с некоторой долей вероятности марсианский корабль может стать кораблем-призраком, если на Солнце во время полета произойдет незапланированная вспышка [12]. Доза радиации при этом возрастет на порядок и легко убьет экипаж.

Однако технологии постоянно развиваются — пусть медленно, если речь идет о межпланетных путешествиях, но всё же... Уже созданы проекты космических кораблей с уникальной защитной экранирующей поверхностью, способной обеспечить надежную защиту на весь срок полета, а потому проблему радиации можно считать теоретически решенной.

В той же статье автор высказыват мнение о том, что человек в принципе не способен долгое время существовать и работать рядом с одними и теми же людьми. Космонавты в один прекрасный день могут поубивать друг друга просто из-за того, что кто-то кому-то наступит на ногу. А всему виною стресс, особенно от того, что в «мышеловке» марсолёта помощи ждать неоткуда и спасательных капсул для побега на Землю не предусмотрено.

Стресс убивает, это правда. Но давайте заглянем на страничку проекта Mars One (рис. 6), в раздел «Отбор кандидатов» — и мы увидим, что способность справляться со сложными и конфликтными ситуациями (так называемая стрессоустойчивость) является, пожалуй, основным критерием отбора будущих астронавтов. К тому же участники проекта — это люди, которые сами захотели кардинально изменить свою жизнь, в отличие от профессиональных космонавтов, которым ставят конкретные задачи, часто не считаясь с их личным мнением.

Во всяком случае, время для колонизации Марса пока еще не настало, и впереди у нас как минимум десять лет. Ну а кандидатам, уже выбранным по конкурсу для участия в проекте, предстоят длительные тренинги и тщательное обучение на Земле. Что из этого получится — увидим!

Возвращаясь к результатам наших сугубо лабораторных экспериментов, следует сказать, что они имеют важное значение именно для фундаментальной науки. Однако хочется надеяться, что когда-нибудь именно эти исследования лягут в основу проектов по выращиванию свежих овощей и фруктов на космических кораблях или даже на других планетах (напомню, что пока лишь единичные экспериментальные образцы пшеницы и салата смогли пройти полный цикл вегетации в космических условиях). Интерес к внеземным пространствам сопровождал развитие цивилизации, хоть под этим пространством и подразумевалось совершенно разное. Сейчас же для удовлетворения своего интереса человечество способно разрабатывать конкретные планы, моделировать условия, чтобы потом согласно расчетам и результатам экспериментов «расстелить соломку» везде, где только можно. Глядишь, и зацветет марсианский сад?..

Международная космическая программа Mars One уже достаточно обсуждалась в прессе. Набор кандидатов, решивших приобрести билет в один конец, завершен. Теперь руководителям проекта предстоит колоссальная задача по подготовке всех необходимых условий, чтобы облегчить начало колонизации Красной планеты (рис. 7). Колонисты ставят масштабные задачи по преобразованию Марса: предполагается растопить там лед, вызвать парниковый эффект и, когда стабилизируется круговорот воды, засеять планету растениями. А пока что мы просто изучаем поведение растительных организмов в надежде на успешное освоение новых космических пространств.

Кто знает — быть может, наступят и для нас такие времена, когда межпланетные путешествия станут обыденностью, а космос превратится в родную стихию? Ну а наш любимый арабидопсис заслужит свое почетное место в анналах земной науки и продолжит свою скромную, но такую важную работу в качестве универсального научного образца...

Литература

1. Волонтер фотосинтеза;
2. Загорская Д. (2012). Ученые исследовали рост растений в отсутствие гравитации. Сайт «Вести.ру»;
3. Пожванов Г.А., Суслов Д.В., Медведев С.С. (2013). Перестройки актинового цитоскелета в ходе гравитропической реакции корней арабидопсиса. Цитология. 55, 28–35;
4. Коврижных В.В., Омельянчук Н.А., Пастернак Т.П., Миронова В.В. (2014). Ключевая роль PIN-белков в транспорте ауксина в корне Arabidopsis thaliana L. Вавиловский журнал генетики и селекции. 18, 797–806;
5. Kandasamy M.K., Deal R.B., McKinney E.C. (2004). Plant actin-related proteins. Trends Plant Sci. 9, 196–202;
6. Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?;
7. Лучше один раз увидеть, или Микроскопия сверхвысокого разрешения;
8. По ту сторону дифракционного барьера: Нобелевская премия по химии 2014;
9. Экспансионная микроскопия, или Как увидеть новое сквозь старую линзу;
10. Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
11. Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!;
12. Паевский А. (2015). Замечтались. Научно-образовательный проект ТАСС «Чердак»..