Размещено на http://www.allbest.ru/

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова

Адаптивные реакции растений на экстремальные волновые воздействия геомагнитного поля и ультрафиолетовых излучений

Елена Рубеновна Нанушьян,

Владимир Владимирович Мурашев

Основное содержание исследования

Как растения выживают в экстремальных условиях? Какой тонкий механизм создала природа для их адаптации? Для выяснения этих вопросов целесообразно рассматривать наиболее чувствительные образовательные ткани растений - меристемы. Их устойчивость к неблагоприятному влиянию внешней среды определяет структуру и деятельность всего организма.

Одним из важнейших абиотических факторов внешней среды, влияющих на все живое, является магнитное поле Земли или геомагнитное поле (ГМП). Давно экспериментально доказано, что Земной шар обладает магнитным полем, которое можно подразделить на постоянное и переменное. Величина переменного поля не превышает 2% величины постоянного, но его биологическая значимость очень велика. Изменения переменного ГМП (их называют вариации или флуктуации) бывают разного типа. В одних случаях они имеют определенный и плавный ход (магнитоспокойные дни), в других беспорядочный ход, при котором амплитуды, фазы и периоды колебаний непрерывно изменяются (магнитовозмущенные дни). Изменения ГМП и возникновения магнитных бурь связаны в основном с солнечной активностью.

Учитывая реактивность меристем, мы исследовали эмбриональные апексы, образующие новые клетки, ткани и органы растений и сопоставили изменения, происходящие в них, с флуктуациями геомагнитного поля [4, с.588].

Наиболее удобными моделями для наблюдений и многочисленными оказались конуса нарастания корней Allium cepa L., которые мы темпорально (каждые 12 часов) фиксировали в течение месяца, затем окрашивали ацетокармином и готовили давленые цитологические препараты.

При тотальном микроскопическом анализе препаратов в некоторые дни фиксаций среди обычных диплоидных одноядерных меристематических клеток встречались двуядерные (-1) и четырехядерные клетки (-2), в сумме своей составляющие до 20% от общего их числа (фото А).

В последующие дни в фиксациях количество двуядерных и четырехядерные клеток уменьшалось и увеличивалось число крупных клеток (4,5) с крупными ядрами (фото В). Затем число крупных клеток уменьшалось, но появлялись гигантские клетки (6) с гигантскими ядрами (фото С) в количестве 8-17 на препарат. В последующие дни многоядерные, крупные и гигантские клетки в зоне деления корневых окончаний (1 мм) исчезали и наблюдались обычные диплоидные клетки (3) меристемы (фото B). Спустя некоторый период времени вся ситуация повторялась в той же последовательности, что привело нас к заключению об устойчивой динамике развития наблюдаемых нами клеточных процессов.

Изменения количества полиядерных клеток в зависимости от дней фиксации графически выражается кривой с четко обозначенными пиками и спадами. При сопоставлении этой кривой со среднесуточными колебаниями ГМП в те же календарные дни обнаруживается полная синхронность этих колебательных процессов (график).

Для идентификации влияния магнитных бурь мы одновременно проращивали семена лука под защитой пермаллоевого экрана, снижающего напряженность ГМП. В экранированных меристемах (контроль) количество многоядерных, крупных и гигантских клеток было значительно меньше (до 5%) по сравнению с контрольными неэкранированными, что и является экспериментальным подтверждением геомагниторецепции растений.

Многие исследователи рассматривают появление гигантских клеток как адаптивную реакцию на изменение факторов внешней среды. У нас при объяснении этого явления возникло несколько гипотез [3, с.49]. Одна из них выглядит следующим образом. При стрессовой ситуации, каковой является возмущение магнитного поля Земли, образуются компенсаторные структуры, вначале двуядерные и многоядерные клетки, затем клетки с крупными и гигантскими ядрами. Гигантские ядра позднее фрагментируются, распадаются и вместе с другими клеточными органеллами поглощаются соседними клетками, играя определенную роль в утилизации ассимилятов - своего рода "эндогенном питании". Таким образом, генетически запрограммированная гибель клетки - апоптоз оказывается необходимой для усиления и поддержания гомеостаза растительного организма в стрессовой ситуации [5, с.40].

Особенно тонко растения реагируют на ультрафиолетовые излучения и на изменения их волновых характеристик. Создатель и научный руководитель Памирского ботанического сада А.В. Гурский, наблюдая за огромным числом местных и интродуцированных растений, установил, что адаптируясь к высокогорным условиям Памира, они приобретали ряд специфических особенностей, которых нет у равнинных форм [1, с.1-4]. По его многолетним данным развитие многих древесных пород заметно ускоряется. Иногда отмечается образование многоярусных соцветий, увеличение их размеров. Также усиливается отложение запасных питательных веществ, вследствие чего корнеплодные культуры в условиях Памира дают очень высокие урожаи. Эти данные свидетельствуют, что растения в горах подвержены влиянию мощного фактора, действие которого убывает по мере уменьшения высоты. Предположительно таким фактором могло быть ультрафиолетовое излучение Солнца. Для проверки этого с помощью кварцевого монохроматора был проведен спектральный анализ ультрафиолета на различных высотах Памира. В результате было обнаружено резкое увеличение интенсивности ультрафиолетового излучения при подъеме на высоту более 2000 метров. Отсюда следует, что высокогорные растения находятся в совершенно ином радиационном режиме, чем растения равнин, это и могло явиться причиной их специфического развития. В отношении физиологического действия на живые организмы, ультрафиолетовая часть спектра обычно подразделяется на три области: область А (от 400 до 320 нм), область В (от 320 до 280 нм) и область С (от 280 до 200 нм). Большинство исследователей придают области А незначительную роль в жизни растений, а области С губительное воздействие на них; отмечая, что малые дозы могут стимулировать, а большие - угнетают. В свете этих данных становится необъяснимым сам факт существования растений на Памире при наличии столь интенсивного УФизлучения.

Для разрешения этого противоречия были проведены соответствующие опыты на местных и интродуцированных растениях. Контрольные растения находились в естественных условиях, т.е. под открытым небом в том температурном, почвенным и световом режиме, который характерен для данной местности. А испытуемые - под естественным светом, дополненным светом ртутно-кварцевых ламп типа ДРШ-250. Таким образом, менялась не только интенсивность, но и длина волны излучения, поскольку растения освещались также и губительным ультрафиолетом-С, полностью отсутствующим в составе солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Уже в самом начале работы стало ясно, что обнаружилось качественно новое явление. Несмотря на то, что растения длительное время облучались витацидным ультрафиолетом-С, ни одно из них не только не погибло, но во многих случаях явно наблюдалось стимулирующее действие столь необычного радиационного режима. Этот феномен объясняется тем, что растения одновременно с ультрафиолетом-С облучались мощным потоком длинноволнового солнечного ультрафиолета, относящегося к области А. Естественно возник вопрос: что же происходит с растениями, развивающимися в условиях такого радиационного режима (названного Ф-режимом), т.е. при одновременном облучении большими дозами ультрафиолета А и С, когда возбуждается процесс фотореактивации?

Открытие явления фотореактивации у высших растений в условиях высокогорья принадлежит Ю.Л. Соколову. Им было установлено, что присутствие длинноволновых лучей уменьшает суммарное специфическое действие УФ-радиации. Поскольку в высокогорных районах очень велика радиация длинноволновой области А, она нейтрализует губительное действие коротковолновой области С. В равнинной местности излучение области А незначительно, поэтому экспериментальное облучение С-ультрафиолетом губительно действует на живые организмы. Эксперименты, выполненные в Памирском ботаническом саду и, позднее в Киргизском научно-исследовательским институте земледелия, показали, что при оптимальной дозировке Фрежим - мощный биологический стимулятор, резко усиливающий процессы формообразования и жизнедеятельности растений. У испытуемых растений наблюдались такие же особенности, но выраженные в гораздо большей степени [6, с.66].

Ф-режим повышал продуктивность растений, что приводило к появлению крупных плодов, семян, корнеплодов и увеличению их числа на одном растении. Как показали опыты, эти качества могут проявляться и в следующем поколении растений, развивающихся уже без всякого дополнительного облучения, т.е. передаваться генетически.

Кафедра высших растений Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова проводила совместно с Киргизской академией наук исследовательскую работу по этой тематике. В рамках этой работы мы выезжали на опытные участки в Киргизии, наблюдали и анализировали все эти удивительные растения. Мы привезли в Москву образцы луковиц Allium cepa L., контрольные и облученные в Ф-режиме [2, с.256]. Из фиксированных и окрашенных кончиков проросших корешков готовили давленые цитологические препараты и анализировали их под микроскопом.

В поле зрения среди обычных меристематических клеток у испытуемых образцов часто попадались двуядерные и многоядерные клетки. У контрольных образцов этого не наблюдалось. Аналогичные результаты были получены и на Киргизской опытной станции.

Естественно, мы не могли не обратить внимание на схожесть реакции растений на облучение как жестким, коротковолновым ультрафиолетом, так и на возмущения геомагнитного поля Земли.

Воздействие окружающей среды на живые организмы может быть положительным, нейтральным, стрессовым и губительным. Вероятно, в обоих наших наблюдениях оно было стрессовым. Если бы растения облучали одним только жестким коротковолновым ультрафиолетом, то они бы погибли, что многократно описано в научной литературе. Но поскольку опыты проводились в высокогорных районах с активным, благоприятным для растений длинноволновым ультрафиолетом, этого не происходило. Дополнительное облучение коротковолновым ультрафиолетом (Ф-режим), произвело стрессирующее воздействие и одновременно активировало компенсационные механизмы у растений, что проявлялось в усилении "дозы гена", т.е. появлении двуядерных и многоядерных клеток в меристематических тканях растений. Увеличение плоидности в клеточных популяциях является одной из универсальных реакций, развивающихся в ответ на деструктивное воздействие среды и направленных на сохранение устойчивости, позволяющей обеспечить жизнеспособность системы.

растение меристема магнитное поле

Сильные геомагнитные возмущения обычно длятся недолго (от нескольких часов до суток), поэтому компенсаторный механизм в делящихся клетках меристемы возникает лишь в этот интервал времени. Целиком же растения сохраняют присущую им плоидность. В опытах же с Ф-режимом растения дополнительно облучались в дневное время всего вегетационного периода, поэтому увеличение количества ДНК в клетках, усиливающее жизнедеятельность всего растения становится необходимым постоянно. Таким образом возникают полиплоидные растения, у которых наблюдается увеличение морфометрических параметров, описанное выше. На основании всего сказанного можно сделать вывод, что растения, подвергающиеся экстремальным вышеперечисленным волновым воздействиям и находящиеся в стрессовом состоянии для сохранения своей жизнеспособности, вынуждены проявлять более высокий адаптивный потенциал, увеличивая свою плоидность.

Список литературы