Почему кактусы не высыхают
Но в жару много воды теряется, и весь запас влаги может просто высохнуть. Вообще транспирация (так называется испарение воды растением) — необычайно важный процесс. Листья, испаряющие влагу, играют роль насоса: они создают всасывающую силу, которая заставляет воду с растворёнными веществами подниматься по корням и сосудам. Однако, если растению выпало жить в условиях постоянной жары и засухи, испарение лучше как-то затормозить. Для этого можно избавиться от листьев, тем самым уменьшив испаряющую поверхность. Кактусы так и сделали: их листья превратились в колючки, а фотосинтетическую функцию листьев взял на себя стебель. Можно усовершенствовать собственную «кожу»: снабдить клетки внешнего слоя (эпидермиса) волосками и толстой восковой кутикулой. Через восковой слой воде труднее пробиться наружу, волоски же ослабляют воздушные потоки непосредственно вблизи поверхности стебля, что тоже уменьшает влагопотерю. Но у кактусов есть ещё одна хитроумная уловка, которая связана с их способом фотосинтеза и которая тоже позволяет сохранять воду, невзирая на постоянную жару и засуху вокруг.
Фотосинтезом называют процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды с использованием энергии солнечного света. Сначала энергия светового фотона с помощью сложных светособирающих молекул и молекулярных комплексов, в состав которых входит хлорофилл, сохраняется в специальных химических соединениях (именно на этом этапе нужна вода, из которой в качестве побочного продукта получается кислород), а потом с её помощью клетка синтезирует органические вещества. У фотосинтеза есть довольно интересные разновидности: например, некоторые бактерии способны осуществлять аноксигенный фотосинтез, при котором кислород не образуется. «Обычный» оксигенный фотосинтез присущ растениям, водорослям и цианобактериям.
Итак, растительной клетке, чтобы сделать молекулу глюкозы, нужны свет, вода и углекислый газ. Вода поступает из-под земли через корни и систему сосудов, углекислый газ — из воздуха. Но у растения нет ни рта, ни лёгких, чтобы вдыхать СО2. Газообмен с окружающей средой осуществляется через устьица — особые поры в поверхности листьев и стеблей, окружённые замыкающими клетками.
Устьица вносят довольно существенный вклад в испарение воды, и в жару их следовало бы держать всё время закрытыми. Но как тогда получать углекислый газ для фотосинтеза? Причём это не единственная проблема, связанная с фотосинтезом в жарком климате. Главнейший фотосинтетический фермент под названием «рибулозобисфосфаткарбоксилаза» (или РуБисКО), задача которого — присоединять углерод из углекислого газа к растущей молекуле сахара, при высокой температуре начинает работать в обратную сторону, то есть расщеплять полусинтезированный сахар. В таком случае клетке приходится возвращаться назад и заново повторять уже сделанную работу, естественно, с лишними тратами энергии. Поэтому эффективность фотосинтеза при повышении температуры сильно падает. Этого можно избежать, если поднять в листе концентрацию СО2 — тогда фермент при избытке углекислого сырья будет синтезировать углеводы. Но как это сделать?
Кактусы поступают так: они открывают устьица ночью и поглощают углекислый газ, но в производство глюкозы его не запускают — света-то нет. СО2 откладывается про запас в специальных мембранных пузырьках-вакуолях внутри клетки. Хранится он здесь не в чистом виде, а присоединённым к молекуле-посреднику, которая потом выдерживает ещё несколько превращений. В результате получается яблочная кислота. Но вот наступает день, и яблочная кислота отправляется из вакуоли в цитоплазму, где от неё отщепляется СО2, — теперь он может вступить в цикл фотосинтетических реакций, работающих от света. Растению уже не нужно открывать устьица, ведь можно использовать углекислый газ, запасённый за ночь, а значит, сильно сэкономить на испарении воды. Кроме того, соотношение СО2 и О2 за счёт запасов смещается в пользу первого, следовательно, фотосинтетические ферменты будут работать в сторону присоединения атомов углерода к растущей молекуле сахара, а не расщеплять её кислородом.
Такой тип фотосинтеза, когда фиксация СО2 и его использование в фотосинтетических реакциях разделены во времени, называется CAM-фотосинтезом. CAM расшифровывается как Crassu-laceae acid metabolism: здесь acid — кислота, в которую превращается запасённый углекислый газ, а Crassula-ceae, или толстянковые, — название семейства растений, у которых впервые обнаружили такой путь метаболизма. Но толстянки и кактусовые не единственные, кто его использует. CAM-фотосинтез нашли у ананаса и других представителей бромелиевых, у некоторых тыквенных, перечных, гераниевых и ряда других семейств, всего примерно у 9000 видов. Обычно это растения, которым приходится жить в жарком и сухом климате. Но не только: CAM-фотосинтез используют также и виды, живущие в воде, например полушники, стрелолисты и некоторые другие. Никакого противоречия тут нет: вод-ным растениям приходится решать ту же проблему, что и тем, которые вынуждены терпеть жару. Хотя в воде может быть довольно много растворённого СО2, диффундирует он в ней намного медленнее, чем в воздухе, так что рядом с растением, активно поглощающим углекислый газ, его будет хронически не хватать. Выход — собирать СО2 не только днём, но и ночью, а поскольку ночью фотосинтезировать нельзя, то захваченный углекислый газ нужно запасать. А фотосинтез CAM-типа как раз и позволяет делать «углекислые» запасы.
Напоследок снова вернёмся к жаровыносливым растениям. CAM-механизм позволяет максимально экономить воду, но, если оценивать количество готового продукта и энергию, потраченную на него, он менее эффективен, чем другие виды фотосинтеза. Так что некоторые CAM-виды используют его только по мере необходимости. Но кроме него существует ещё одна разновидность фотосинтеза, позволяющая днём держать бoльшую долю устьиц закрытыми. В этом случае фотосинтетические реакции происходят в глубинных клетках листа, окружающих жилки-сосуды. Клетки, лежащие ближе к поверхности, во-первых, с помощью энергии света производят топливо для синтеза углеводов, во-вторых, ловят углекислый газ и присоединяют его к молекуле-посреднику. Образовавшаяся в результате кислота и энергетические молекулы сразу отправляются в глубь листа, где СО2 отсоединяется от кислоты-переносчика и вступает в синтетический цикл. Такой путь называется С4-фотосинтезом, и он, как видим, похож на CAM, только здесь фиксация углекислого газа и его использование в синтезе разделены не во времени, между ночью и днём, а в пространстве, между разными клетками.
Смысл С4-фотосинтеза в том, чтобы переправить СО2 во внутренние ткани листа, где концентрация кислорода невелика. Мы помним, что при повышении температуры фермент РуБисКО всё сильнее начинает работать в обратную сторону, то есть расщеплять с помощью кислорода промежуточные продукты фотосинтеза. Но если кислорода мало, фермент будет работать в правильном синтетическом направлении. С другой стороны, С4-путь позволяет сократить испарения воды через устьица: в самое жаркое время дня растение может использовать накопленный углекислый газ, запасы которого образовались благодаря пространственному разделению разных блоков реакций; сами же устьица на время можно и закрыть. Экономия воды здесь не так велика, как при CAM-способе, но зато продуктивность фотосинтеза получается выше, так что неудивительно, что С4-схему используют около 7600 видов растений, среди которых множество злаков, в том числе кукуруза, сорго, просо и сахарный тростник.
Источник
Есть ли в кактусах вода?
Давно идут споры, есть ли в кактусах вода и могут ли они спасти путешественника от жажды? Многие знатоки утверждают, что воды в них нет и пить сок кактусов смертельно опасно. Разберемся поподробнее, что можно делать с кактусами, а чего — нельзя.
Кактусов на Земле великое множество. Есть кактусы дикие, растущие в природных пустынях и степях, и есть наши, домашние, растущие на окошке или «дежурящие» перед компьютером. Оказывается, и те, и другие, могут быть полезны путешественникам и туристам.
Вот совершенно дикий кактус Echinocactusgrusonii(Эхинокактус Грузони) — просто кладезь для потерявшегося в пустыне. Такой гигант в метр высотой может дать почти литр воды, то есть кактусового сока, пригодного для питья. Для того, чтобы добыть эту живительную влагу, нужно срезать с кактуса вершину и очистить его от игольчатой шкурки. Отрезая кусочки, из них можно выжимать сок, или просто рассасывать его во рту. Различные виды этого кактуса имеют сок с разным вкусом, от пресного до откровенно горького, но в любом случае кактусовый сок этого вида пригоден для питья и не повредит организму.
Многим известны кактусы рода Опунция (Opuntia), их часто можно увидеть на окне. Они довольно высокие, их листья похожи на плоские лепешки, утыканные иголками. Оказывается, эти кактусы тоже можно употреблять в пищу. Их сок содержится не только в листьях-лепешках, но и в спелых плодах красноватого или золотистого цвета. Если интересно, можно попытаться добыть воду из домашнего кактуса рода Опунция.
Ферокактус, наряду с эхинокактусом, являются самыми крупными шарообразными кактусами в природе. В высоту эти колючие «шары» могут достигать 3 метров при диаметре до 1 метра. Свое название эти «ежи» получили от латинского ferox — дикий, неукротимый, за счет своих ужасающих колючек, которые достигают 10 см в длину и даже могут быть загнуты крючком. Эти крючки использовались индейцами для обрядовых жертвоприношений, для прокалывания ушей и других частей тела, а также в более мирных целях — для рыбной ловли и стягивания шкур между собой. А мякоть этого «шара» на удивление сочная и съедобная. Если суметь ее добыть, то можно утолить жажду самому и даже угостить животных. Вреда от сока этого кактуса не будет никакого.
Цереус — длинный кактус цилиндрической формы до 20 м в высоту, также условно съедобен. На поверхности кактуса ночью распускаются огромные белые, розовые или зеленовато-белые цветы до 25 см в длину, на месте которых образуются большие, до 10 см в длину, плоды желтого или красного цветов. Их-то и можно употреблять в пищу.
Сагуаро, или Цереус гигантский — тоже условно съедобный кактус. Он представляет собой гиганта до 15 м в высоту и весом в 6 тонн, 80% из которых приходится на воду. Живут эти исполинские колоссы до 150 лет. Также этот кактус называют Карнегией в честь знаменитого исследователя и покровителя науки Эндрю Карнеги. Индейцы Америки ранее, да и мексиканские индейцы поныне используют в пищу его переработанный сок и плоды. Съедобны только плоды этого кактуса. Влага самих кактусов ядовита и не пригодна к употреблению, однако местное население наловчилось изготавливать из нее наливку, без которой не обходится ни одно мексиканское празднование.
Надо добавить, что в США этот кактус находится под охраной правительства. Территорию, где растет этот величественный гигант, тщательно охраняют, так как цена1,5–2 метрового «малыша», которому насчитывается от 30 до 50 лет, на черном рынке достигает 1000 $. Свой окончательный вид гигантского ствола с кучей растопыренных отростков кактус достигает лишь к 70 годам. Но, поскольку воришек запреты не всегда могут остановить, в настоящее время кактусы метятся специальными чипами, которые позволяют установить, откуда был выкопан данный экземпляр, чтобы вернуть кактус на место, а на нечестного покупателя наложить штраф.
Так что истории про воду в кактусе — вовсе не выдумки. С помощью этих колючих запасников действительно можно утолить жажду и выжить в условиях нехватки воды, надо только знать кактусы «в лицо» и суметь добыть мякоть из этог о утыканного острыми, а иногда и ядовитыми, иголками гиганта.
Источник
Вода глазами кактусов
Свет, тепло и вода — главные составляющие условий жизни подавляющего большинства растительных и животных организмов на Земле. Отставив на время в сторону свет и тепло, в который раз обратимся к воде, «потому что без воды и не туды и не сюды». Кактусы — не исключение и им необходима вода для построения жизненно важных процессов.
Ни один суккулент не может быть «засухолюбивым», хотя этот откровенно некорректный термин еще сохранился в отдельных ботанических справочниках. Кактусы как суккуленты, что и есть истина, относятся к засухоустойчивым растениям, но без воды, как и всему живому, им не выжить. Кактусы любят воду, а к засухам относятся как к неизбежному, ниспосланному им природой, явлению, к которому они приспосабливаются и с которым борются веками.
В коллекциях кактусы получают воду при поливе, опрыскивании растений или, в отдельных случаях, при их водной культуре. Долгое отсутствие влаги, так же, как и ее избыточность, может привести к неприятным последствиям: корневая система пересыхает и требует, если не поздно, своего обновления или загнивает при переувлажнении, что часто приводит к гибели всего растения.
Когда, как и чем поливать — один из основных вопросов культуры кактусов и наиболее правильный ответ может дать знание коллекционером биологических процессов усвоения воды растением и их взаимосвязь со средой выращивания, куда относятся температурный режим и состав субстрата.
Как правило, вода поступает в стебель растения от его корневой системы и лишь незначительная часть — через всасывающую способность эпидермиса и колючек при опрыскиваниях. Хотя, как нет правил без исключений, так и ряд видов копьяпоа, произрастающих в районе Береговых хребтов на севере Чили, научились питаться большей частью мельчайшей моросью «гаруа», которая малоизученным способом достигает проводящих пучков камбия, опускается к кончикам корней, «впрыскивается» ими в грунт и, растворяя органические и минеральные его составляющие, делает их доступными для питания стебля при возвратном токе влаги.
В любом случае вода поступает от корневой системы к стеблю не в «чистом» состоянии, а в виде слабого раствора химических соединений. При этом корни не всеядны, а всасывают энергично только растворы тех веществ, которые необходимы для питания стебля.
Если в воде для полива содержится неконтролируемый состав солей, то та часть, что не усваивается корнями, приводит к защелачиванию субстрата, образованию белого налета на стенках горшков и нижней части стебля растений. В результате приходится прибегать к частой пересадке или промывать субстрат сквозным проливом дистиллированной водой.
Поэтому для поливки кактусов лучше пользоваться дождевой водой (талой) или дистиллированной водой, а нужные для нормального развития стебля минеральные вещества вносить в виде дозированного количества комплексных удобрений. Органическую составляющую питания обеспечивают при составлении субстратов, а также (при возможности) поливкой растений «старой» аквариумной водой.
Попав в стебель, вода с растворенными в ней соединениями вступает в сложные биохимические реакции, связанные с фотосинтезом и обменом веществ, процессы которых довольно подробно описаны Сергеем Геннадьевичем Батовым в его объемной по тематическому анализу книге «Культура кактусов», а я лишь хочу подчеркнуть связь этих процессов с водным режимом.
Для этого следует напомнить, что интенсивность жизненно важных для кактусов обменов веществ определяется температурными показателями. Так, максимум фотосинтеза зафиксирован при температуре близкой к 30 0 С, а набольший аппетит у кактусов проявляется при 35-40 0 С. Не менее важен и процесс дыхания.
Многочисленными исследованиями доказано, что при температуре ниже 20 0 С устьица эпидермиса открываются полностью, а при температуре выше 20 0 С постепенно сужаются и полностью смыкаются при 40 0 С. Снижение температуры до 5-10 0 С сопровождается остановкой процессов фотосинтеза и адсорбционной энергии корней. Отсюда можно сделать логические заключения:
- Весенний и осенний периоды наиболее благоприятны для вегетации. Прохладные ночные температуры способствуют интенсивному дыханию кактусов. При этом они поглощают из воздуха незначительное количество кислорода, так как используют уже полученный при разложении воды. Базовым же материалом для формирования процессов фотосинтеза служит углекислый газ воздуха. Поступивший ночью через устьица газ в дневные часы вместе с накопленной в тканях водой и световой энергией обеспечивает фотосинтез, разложение воды на водород и кислород с дальнейшим обменом веществ.
И именно весной мы начинаем пробуждать кактусы осторожными поливками и доводим их постепенно до полноценных. Даже если в дневные часы устьица частично смыкаются, ограничивая доступ углекислого газа, запасенного за ночь количества вполне достаточно для поддержания процессов фотосинтеза и обмена веществ. В отличие от мезофитных растений, ксерофитные, к которым относятся кактусы, теряют незначительное количество воды за счет транспирации и полностью «консервируют» ее при смыкании устьиц.
Частота и объем поливок здоровых кактусов кроме климатических факторов зависит от состава субстрата, в котором их содержат. Чем больше в субстрате рыхлителей, тем он пористей и такие горшки следует поливать чаще или увеличивать их размеры. В субстратах с большим содержанием суглинка вода удерживается дольше и, соответственно, такие горшки поливают реже.
Кроме того, нужно учитывать и динамику роста кактусов. Быстро растущие виды с высоким уровнем адсорбционной способности корней поливают чаще. В любом случае поливать кактусы нужно только после просыхания субстрата. Эти рекомендации можно продолжать, но наиболее действенной из них всегда будет знание коллекционером основ жизненных процессов кактусов и индивидуальный опыт по их выращиванию. Будьте внимательны к вашим питомцам, и они сами подскажут, когда их мучает жажда и чего им не хватает для благополучия
Фото и растения Е. Ивановой
Если вы заметили ошибку, выделите необходимый текст и нажмите Ctrl+Enter, чтобы сообщить об этом редакции
Источник
