Кто из нас не видел корни растения? Многие наверняка знают, что делятся они на стержневые и мочковатые. У первых есть главный корень, он хорошо заметен среди других, боковых корней. Вторые похожи на метлу, у которой все прутики равноценные. Стержневые корни прорастают глубоко в почву. Мочковатые – распространяются вширь.

Если идти вслед за здравым смыслом, то чем выше растение, тем вероятнее у него наличие стержневого корня. В этом делении кроется первая загадка.

Травинка невелика в высоту, но корни некоторых трав проникают на глубину 10–12 метров, например, у осота и люцерны. Глубина проникновения корней деревьев может достигать 20 м. На Алтае растёт полынь, высота которой всего четверть метра, а корни уходят вниз на 30 м.

И есть деревья, у которых нет стержневого корня. Например, его нет у липы, ивы, клёна, черемухи, осины, ольхи, магнолии. Ель похожа на сосну, но и у неё обычно нет стержневого корня, тогда как у сосны он обязателен. Правда, есть исключения – встречаются виды ели со стержневым корнем и сосны – без него. Так, если сосна оказалась на плотной почве, то стержневой корень у неё почти незаметен.

Стержневые корни есть, в основном, у двудольных растений, мочковатые – у однодольных. Отгадку этому читатель узнает далее.

Многочисленными исследованиями последних лет установлено, что корни в ширину располагаются заметно дальше кроны. Так, корневая система яблони по диаметру втрое больше кроны, то есть по занимаемой площади – в 8–9 раз.

И если мы видим, как растет стебель или ствол растения, как распускаются листья и увеличиваются ветки, то происходящее под землей скрыто от нашего глаза. А событий там даже намного больше, чем у нас на виду.

Корень в поиске

Давно известно, что корни растения изгибаются в почве по направлению к нужным ему питательным веществам и микроэлементам. Если они располагаются отдельными очагами, корни растут по направлению к этим очагам. Это означает, что растение обладает способностью поиска и нахождения того, что ему нужно. Такое свойство корня получило название хемотропизма, от слов «химия» и «тропа».

Если представить себя на месте кончика корня, то сразу осознаёшь, как ему там непросто сделать выбор. Вот там недалеко лежит немного крупиц цинка, а подальше –много очень нужного перегноя. Куда податься? Я уж не говорю о том, каким образом этот кончик корня узнал, что и где находится и сколько его. Это пока для всех загадка.

Эта уникальная способность корней тут же была воспринята и применена практиками, которые поняли, что более эффективными в таком случае будут не сыпучие как мука, а гранулированные удобрения. Корни сами найдут путь к отдельным гранулам с питанием, а не будут собирать его по мелочам. Более того, можно и располагать гранулы так, чтобы их не нужно было подолгу искать.

Если практики сориентировались в теме быстро, то теоретики блуждают в гипотезах до сих пор.

Совершенно точно установлено, что, если повредить кончик корня, то эта часть корня теряет способность к поиску нужных элементов в почве. На этом основании был сделан вывод, что весь механизм хемотропизма сосредоточен в кончике корня. Но вывод оказался тупиковым. Сейчас появилось множество работ, из которых следует, что совершенно зря такое значение придаётся кончику корня. Все намного сложнее. Биохимические процессы, которые идут внутри растения в целом, определяют механизм поиска корнями нужных ему веществ почвы.

Тропизм бывает положительный (движение к источнику воздействия) и отрицательный (от источника). Тот же кончик корня не только идёт (растёт) по направлению к питательным веществам, но и уходит (растёт в другую сторону) от веществ, которые могут навредить растению.

Есть два самых распространённых частных случая хемотропизма – гидротропизм и аэротропизм, когда  корни растения растут по направлению к наиболее влажной и наиболее насыщенной воздухом почве.

И вода, и воздух в почве распределяются неравномерно. Корни ищут и находят их. Вода нужна растению напрямую, а из почвенного воздуха с помощью почвенных микроорганизмов растение получает кислород и азот.

Аэротропизм присущ, в основном, мочковатым корневым системам. Создаётся впечатление, что сама мочковатость придумана природой для того, чтобы было лучше искать. Причем, не только воздух.

Загадка южного полюса

Из всех видов тропизма наиболее загадочен магнитотропизм. Это – изгибание корня растения под действием магнитного поля. Никто не мешает нам провести эксперимент: положить магнит в один край цветочного горшка и затем наблюдать, как будут вести себя корни растения по отношению к магниту.

Но природа задолго и независимо от нас организовала самый масштабный биологический эксперимент, породив явление земного магнетизма. Биологи давно отметили усиленный рост корней растений, ориентированных в направлении южного полюса Земли. Причем речь идет не о географическом полюсе, а как раз о магнитном.

Первичный корешок кукурузы в северном полушарии при прорастании изгибается в сторону южного магнитного полюса, корешок кресс-салата – по направлению градиента магнитного поля. Положение южного магнитного полюса определяет ориентацию корневых систем многих сельскохозяйственных растений – пшеницы, овса, сахарной свеклы, редиса и других.

Интрига в том, что за последние 100 лет магнитный полюс в южном полушарии переместился почти на 900 км и вышел в Индийский океан. Корни растений за этим следят. Нужно учитывать ещё три момента.

Во-первых, магнитное поле Земли неоднородно. В некоторых местах наблюдаются аномалии, имеющие различную природу и мощность.

Во-вторых, магнитное поле в любой точке Земли всё время меняется.

В третьих, напряженность магнитного поля Земли постоянно уменьшается, за 450 лет она уменьшилась на 30%. Как это скажется на корнях известных нам растений – предмет работы будущих исследователей.

Два ростка решают полюбовно, кто будет корнем, а кто – стеблем

Итак, пришло время порассуждать о том, почему двудольные растения имеют стержневую корневую систему, а однодольные – мочковатую.

Стержень корня чем-то напоминает ствол, только обращён он вниз, а не вверх. Этот принцип называют положительным геотропизмом. Можно догадаться, что у стебля растения и у ствола дерева геотропизм отрицательный. Существует ещё и поперечный геотропизм или диагеотропизм, когда боковые ветви или корневые волоски стремятся занять горизонтальное положение.

Если проращивать фасоль в горизонтально расположенной стеклянной трубке, то в две стороны у вас будут расти совершенно одинаковые ростки. Но как только они дорастут до краев трубки, на ваших глазах случится чудо. Один росток изогнётся вверх и станет стеблем, другой изогнётся вниз и станет корнем. Как они между собой договорились, учёные об этом только гадают. При этом всегда остаётся сомнение – а точно ли мы выдержали горизонталь?

Можно обойтись и без стеклянной трубочки, просто прижать чем-нибудь сверху два ростка, чтобы они росли горизонтально, и выдержать некоторое время. А потом поместить их вертикально. Так, чтоб уже не было сомнений, кому быть корнем, а кому – стеблем.

И тут проявится ещё нечто, достойное размышления. Изгибы стебля и корня всё равно появятся. Будто они помнили, что нужно изогнуться, и этого решения и придерживаются. И только когда уже выполняют записанную в них программу, соображают, что изгибаться-то незачем.

Теперь насчёт «некоторого времени». Если горизонтальное положение удастся выдержать очень точно, то это всего 3–5 мин, а изгиб появится в течение часа. Чем хуже выдерживается горизонталь, тем больше эти интервалы времени.

Стержневая корневая система связана с двудольными растениями по простой причине. Можно перестроиться со стебля на корень, но корень должен быть хоть немного похож на стебель. Впрочем, возможно, что объясняется всё с другой стороны: те растения, которым нужен стержневой корень для закрепления или доступа к воде, вынужденно становятся двудольными.

Вмешательство в лотерею и другие обманки

Больше, чем двести лет назад был изобретён замечательный прибор клиностат. В этом приборе росток привязывают к горизонтальной оси, которая медленно (один оборот в 15–20 минут), но непрерывно, без остановок, вращается. Сила земного притяжения действует равномерно со всех боков ростка. Геотропизм перестает работать, росток не изгибается вверх, растение растет вбок, строго горизонтально. Вбок растут и корни, даже не пытаясь вытянуться вниз, к земле.

Геотропизм удивителен ещё по одной причине. Растение не сразу понимает, в какую сторону действует сила земного притяжения. У моряков известна такая походка, в раскачку. Это – привычка шагать по палубе корабля, когда на море качка. Растение, подобно бывалому моряку, пытается найти то положение, которое в точности можно определить как вертикальное. Поэтому и стебель, и корни его двигаются по кругу, колеблются, растут враскачку.

В особенности заметны эти круговые движения для быстро растущего растения. Причина этого для биологов понятна: по кругу идут ускорения роста клеток и в стебле, и в корнях. Получается то, что можно назвать геотропической корректировкой в гравитационном поле. Но загадочность и удивительность от этого не уменьшаются.

Впрочем, кому лень соорудить у себя клиностат, может обойтись одной луковицей. Обмануть её проще, чем Буратино. Берём проросшую луковицу, такую, у которой уже выросли зелёные перья. И переворачиваем её вверх корешками. Хорошо бы её ещё и увлажнять, хотя это и необязательно. И что увидим? Сквозь корни начнут пробиваться зелёные перья.

Вслед за солнцем

И вот только теперь можно обратиться к самым очевидным явлениям и взглянуть на них несколько по-новому. Кому неизвестно, что корзинки подсолнечника поворачиваются вслед за солнцем?

Но насколько сложнее, по сравнению с корзинкой, кончикам корней там, внизу, в темноте под землей разыскивать разнообразное питание хотя бы для того, чтобы эта корзинка появилась, выросла и научилась следить за солнцем.

Подсолнечник являет нам частный случай фототропизма, называемый гелиотропизмом. Фототропизм состоит в движениях растения из-за неравномерного освещения всего растения или его отдельной части. Это хорошо видно по тому, как изгибается стебель, и перестраиваются листья у комнатного цветка на подоконнике.

Стебель изгибается по направлению к улице, это – положительный фототропизм. Особо интересующийся читатель может проверить: корни в том же цветочном горшке изгибаются в сторону комнаты, это – отрицательный фототропизм.

Для ориентации листьев перпендикулярно к падающему свету (нужно для того, чтобы поймать максимально большое количество лучей) придумали ещё одно диковинное название диафототропизм.

Листья переориентируются не сразу, для этого необходимо некоторое время. Любой из читателей может провести простейший эксперимент – повернуть цветочный горшок на окне и засечь, через какое время листья повернутся навстречу изменившемуся направлению света. Тем, кто решился на поворот горшка, заранее скажу, что время поворота листьев зависит от силы света, а также от вида и возраста цветка.

Теперь вернёмся к корням. Солнце для них – прогретые участки почвы. Можно проделать такой эксперимент. Будем проращивать семена в ящике с опилками. Лучше даже не в деревянном ящике, а в металлической коробке. А ещё лучше – попробовать и так, и так.

С одной стороны ящик или коробку подогреваем. Время от времени разгребаем опилки и видим, что корни тянутся к тёплой стороне. Это – термотропизм. Он интересен тем, что, если подогревать бок коробки (ящика) очень сильно, то корни перестанут расти прямо к теплу, начнут отклоняться в сторону. Это означает, что есть оптимальная температура, и корни ищут именно её, а не просто, где теплее.

Термотропизм, если присмотреться, широко распространён в природе. Самое наглядное ему свидетельство можно увидеть, если подниматься на очень высокую гору. У подножия горы кустарники стоят прямо, чем выше, тем заметнее они начинают приближаться к земле. А с определенной высоты они просто стелются по земле.

Человек давно научился использовать свойство термотропизма. Не буду говорить об известных всем теплицах и парниках. Расскажу о приёме, который используется на берегах Средиземного моря ещё со времён Древней Греции.

На южном склоне холма устраивается терраса, бок которой выкладывается черным камнем. Днём камень нагревается, ночью отдает тепло земле. Если уж читатель познакомился с термотропизмом, ему не нужно объяснять, куда нужно укладывать удобрения. Конечно же, поближе к камням, там, где больше корней.

Вздрогнем

Наряду с тропизмами у растений есть и более быстрые движения, не связанные с длительным ростом или делением клеток. Учёные назвали их настиями. Что же это такое?

Для пояснения придётся обратиться к тому, что для любого читателя очевидно, а именно, что «своя шкура ближе к телу». Кожа человека состоит из клеток. Внутри каждой клетки – жидкость, с некоторыми оговорками её можно назвать цитоплазмой, то есть плазмой клетки. Когда цитоплазмы много, в клетках присутствует давление (оно называется тургор), кожа выглядит молодой, здоровой, ровной. Стенки клеток кожи эластичные.     

Итак, тургор – это способность кожи выглядеть упругой. Но как это относится к «вздрагиванию» растений?

Человеческая кожа состоит из одинаковых клеток, а у многих растений есть специализированные клетки листовых подушечек, которые заставляют лист делать настии. Например, клевер, благодаря изменению тургора в таких клетках поднимает и складывает листья ночью. Объединяющим для человека и растения является то, что давление изнутри клетки на её стенку препятствует проникновению воды в клетку.

Есть настические движения, которые относятся к ростовым, и есть чисто тургорные. Проще говоря, граница «тропизмы-настии» не в точности совпадает с границей «ростовые-тургорные».

Причина в том, что рост растения идёт двумя способами: делением и появлением новых клеток либо увеличением (растяжением) уже существующих. Рост растяжением сопровождается накоплением в клетке веществ (ионов, сахаров, органических кислот), которые повышают внутреннее давление (тургор). В результате стенка клетки растягивается. При растяжении в стенки клетки встраиваются новые молекулы полисахаридов, а внутри клетки синтезируются новые компоненты цитоплазмы (митохондрии, рибосомы и другие).

Такое объяснение от физиков нужно дополнить объяснением от химиков. Есть две основные группы химических соединений, которые стимулируют рост растений (и увеличение, и деление клеток): гиббереллины и ауксины.

Первые, в основном, способствуют растяжению клеток, вторые – их делению. За тропизмы и настии отвечают гиббереллины. Об этом свидетельствует их высокое содержание у всех вьющихся растений и повышенное – у всех корней. Мы только мимолетно здесь касаемся химических основ тропизмов и настий. Это направление основал выдающийся украинский (советский) учёный Холодный Николай Григорьевич. Его гормональная теория тропизмов известна во всем мире как теория Холодного – Вента. Именем Н.Г. Холодного назван Институт ботаники НАНУ.

Листья клевера или белой акации опускаются с наступлением темноты из-за того, что тургор повышается в верхней половине сочленения листа. Изгиб происходит в сторону меньшего давления, лист опускается.

Это самые известные из движений-вздрагиваний – фотонастии. Они вызываются сменой света и темноты. Лучше всего за ними наблюдать, когда жёлтое соцветие одуванчика закрывается после захода солнца и открывается поутру.

Можно поэкспериментировать, устраивая одуванчику «тёмную камеру» и потом открывая доступ света. А вот соцветия табака открываются с наступлением темноты и утром схлопываются. Нетрудно догадаться, что это связано с тем, опыляются ли цветки этих растений дневными или ночными насекомыми.

Впрочем, биологические цели настий удивляют, настолько велико их разнообразие. У многих растений цель настий – перекрёстное опыление насекомыми, у других – защита цветков от неблагоприятных условий.

Человек для себя давно разделил свет и тепло, оптику и термодинамику. По привычке он разделяет и фотонастии от термонастий. Последние вызываются сменой температуры и связаны с освещением напрямую.

Впрочем, разделение это идет-таки между видами растений. Так, установлено, что тюльпаны и крокусы открывают и закрывают цветки в зависимости от температуры, а не от освещения. Можно проверить это, поставив нагреватель над клумбой с тюльпанами. Увидите, что обогреваемые тюльпаны на ночь не закроются.

Впрочем, не нужно думать, что учёные удивятся вашему эксперименту. Они уже вышли из ситуации, когда нужно выбирать между температурой и освещением, ввели категорию никтинастии, от «никти» – ночь, Это – движения цветков и листьев растений, связанные с комбинированным изменением, как света, так и температуры. Одновременное изменение освещения и температуры нужны бобовым растениям и травке кислице. Действительно, при смене дня ночью снижается и освещённость, и температура. Что именно в каждом конкретном случае играет главную роль, неизвестно. Может растению даже и неизвестно, что свет и тепло для человека – разные явления.

Недотроги и хитрость вьюна

Особый вид настий – реакция растений на касание или механическое воздействие.

Они называются либо сейсмонастиями, тигмонастиями, либо даже тигмотропизмами. Это – движения, вызванные толчком или прикосновением, например движение листьев стыдливой мимозы.

От прикосновения листья мимозы опускаются, а листочки складываются. Реакция происходит чрезвычайно быстро, всего через десятую долю секунды. Раздражение, передаваясь от клетки к клетке, распространяется по стеблю или корню со скоростью примерно полметра в секунду.

Тигмонастии свойственны всем вьющимся растениям. Побеги гороха, хмеля или огурца совершают круговые движения как бы в поисках опоры. Можете мне поверить, проверить сложно, что в то же самое время кончики корней этих же растений также «ходят по кругу» в поисках чего-нибудь вкусненького.

Эти движения побегов и корней называются круговыми нутациями. Колебание тургорного давления в клетках растущего побега вызывает рост верхушек побегов не прямо вверх, а по спирали.

Длительность одного оборота у них составляет от 2 до 12 часов. Большинство вьющихся растений завиваются справа налево, а хмель, например, – слева направо. Диаметр описываемого круга относительно невелик,10–12 сантиметров.

Хмель и здесь отличился, диаметр его круговых движений полметра. Хотя это совсем не мировой рекорд. В Африке растет лиана, у которой диаметр круговых нутаций составляет полтора метра.

Кроме вьющихся растений природа придумала ещё и лазающие (ползающие) растения. Они не вьются, но у них также есть усики, которые, как и побеги, постоянно находятся в круговом движении.

Вьющиеся растения закрепляются на найденной опоре, охватывая её, для лазающих растений необходима шершавая поверхность. Поэтому, если подсунуть лазающему растению стеклянную трубку, оно его не заметит, ему нужно только то, за что можно зацепиться. А вот любой вьюн может и соблазниться.

Отвлечёмся немного на происхождение термина «нутация». Пришло оно из астрономии, где есть более подходящее слово «прецессия». Так называется круговое (по конусу) вращение земной оси, которая делает один круг примерно в 26 тысяч лет. Кроме того, земная ось совершает ещё и более частые колебания, наложенные на многолетние, которые и названы нутациями. Период нутаций земной оси составляет 18,6 лет. Считается, что нутации происходят вследствие влияния на вращение Земли Луны и Солнца.

Почему круговые колебания стеблей и корней названы не прецессией, а нутацией? Ведь учёные-биологи пока не выявили наложение двух колебаний, как это давным-давно сделали астрономы.

Думаю, что колебания с периодом в 26 000 лет не укладываются в голове с колебаниями с периодом в два часа. Но не исключено, что Луна и Солнце здесь как-то замешаны. Проблема ждёт новых исследователей, у кого-нибудь она займёт и всю жизнь.

Передумали, утомились, умерли, но жизнь продолжается

Интересный момент – почему на клиностате вращать растение нужно медленно, всего лишь один оборот в полчаса. «А если быстрее?», – наверняка задумался пытливый читатель.

И на тропические реакции, и на настии растение затрачивает энергию. Реакция на внешние воздействия наступает только тогда, когда у него есть необходимое количество энергии. На беспрерывные раздражения растение перестаёт реагировать. Более того, растение по-разному реагирует на внешние воздействия в разные стадии своего роста. Цветоножка мака соблюдает положительный геотропизм только до распускания бутона, а после распускания цветка он становится отрицательным.

У некоторых растений с возрастом теряется любовь к свету. Так, у настурции до цветения стебель имеет положительный фототропизм, а после созревания семян – отрицательный. Дело сделано, больше нет нужды тянуться к солнцу, надоело.

У многих растений запрограммировано движение после смерти какой-либо их части. Если проводить сравнение с животными, напрашивается слово «судорога». Умерла, засохла сосновая шишка. Последнее её движение, уже неживой, раскрыться, чтобы семена, находящиеся внутри неё, упали на землю.

Но не только внутри шишки заложен метательный механизм. Она выстреливает семенами в разные стороны. Так, чтобы новые сосенки росли не рядом с её сосной, а немного подальше. Такое же механизм метания есть у створок стручка зрелых бобов жёлтой акации.

Такие судороги в большинстве обусловлены снижением количества воды в коллоидных соединениях, находящихся в стенках или внутри клеток. Но это вновь объяснение того, «как» это происходит, далекое от объяснения «почему», откуда у уже засохшей шишки появилась цель выбросить семечко подальше от себя.

И, наконец, было бы неправильно не упомянуть ещё одну реакцию «умного корешка». Если нечаянно поранить его, то рядом с раной образуется изгиб. Учёные заодно и это свойство отнесли к тропизмам, назвав его травмотропизмом. 

Кому не жалко навредить растению ради знаний, можно попробовать. Но, думаю, лучше все-таки смотреть на застарелые раны корней.

***

Великий биолог Жан Батист Ламарк в труде «Философия зоологии» написал: «Растения никогда и ни в одной из своих частей не обладают чувствительностью, не обладают способностью переваривать пищу и не совершают движений под влиянием раздражений».

Из-за этого заблуждения он не перестал быть великим, да и написал он это более века тому назад, в далеком 1909 году. Как хорошо, что теперь мы точно знаем: это не так.

Ю.П. Воронов, кандидат экономических наук, член редколлегии журнала «ЭКО»