Приспособления к уменьшению испарения у алоэ

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 18.09.2024

2. Бавтуто, Г.А. Лабораторный практикум по анатомии и морфологии растений [Текст] / Г.А. Бавтуто. – Минск, 1985. – 352 с.

3. Барыкина, Р.П. и др. Практикум по анатомии растений [Текст] // Р. П. Барыкина, Л. Н. Кострикова, Л. И. Лотова. – М.: Росвузиздат, 1963. – 184 с.

5. Ботаника: Морфология и анатомия растений [Текст]: учеб. пособие для студентов институтов по биол. и хим. спец. // А.Е. Васильев, И.С. Воронин, А.Г. Еленевский и др. – М.: Просвещение, 1988. – 480с.

6. Ботаника с основами фитоценологии: учебный комплекс. Часть I. Морфология и анатомия растений [Текст]: учебно – методическое пособие / сост. Е.Ф. Черняковская. – Ярославль: Изд – во ЯГПУ, 2009. – 50с.

8. Брезгин, И.Н. Лекарственные растения Верхневолжья [Текст] / И. Н. Брезгин. – Ярославль, Верх. – Волж. кн.изд., 1973. – 224с.

9. Воронин, Н.С. Руководство к лабораторным занятиям по анатомии и морфологии растений [Текст]: учеб. пособие для студентов естеств. факультетов пед. институтов / Н.С. Воронин. – М.: Просвещение, 1972. – 160с.

10. Гаммерман, А.Ф., Кадаев, Г.Н., Яценко – Хмелевский, А.А. Лекарственные растения [Текст]: справочное пособие / А.Ф. Гаммерман, Г.Н. Кадаев, А.А. Яценко – Хмелевский. – М.: Высшая школа, 1983. – 400с.

11. Гилберт, Р. Комнатные растения. Практическое руководство [Текст] / Р. Гилберт. – М.: Дорлинг Киндерсли, 1997. – 56 с.

12. Голубев, В.Б., Ремизов, А.С. Мир комнатных растений [Текст] / В. Б. Голубев, А.С. Ремизов. – М.: Изд – во Астрель, АСТ, 2006. – 252с.

14. Губанов, И. А. Лекарственные растения [Текст] / И. А. Губанов. – М.: Изд – во Московский университет, 1993. – 271с.

Введение

Каждое растение – представляет собой сложный живой организм. Первоначально все растения были дикорастущими, и человек использовал для себя то, что они давали в природе. С течением времени люди отбирали в природе наиболее полезные для себя виды и возделывали их, чтобы получить тот или иной продукт в наибольшем количестве и наилучшего качества, или иметь рядом растения, исцеляющие при различных болезнях. Позже стали выращивать в квартирах наиболее красивые и целебные растения, которые удобно иметь всегда рядом.

Лекарственные растения обладают широким и мягким действием, просты в применении. Полученные из них вещества используются в фармацевтической, парфюмерной и косметической промышленности.

Интерес к изучению лекарственных комнатных растений растет. Все большее появляется информации о не изучавшихся ранее видах, проводятся углубленные исследования давно известных и широко используемых лекарственных растений, чтобы выявить новые возможности для их применения в медицинской практике. Исходя из этого, всестороннее изучение лекарственных растений, безусловно, актуально. Работа посвящена изучению анатомического строения листа одного широко распространенного лекарственного комнатного растения – алоэ древовидного (Aloe arborescence Mill).

Цель и задачи исследования

Дать биолого – морфологическую характеРистику одному виду лекарственного комнатного растения : алое древовидному (Aloe arborescence Mill ) и изучить анатомическое строение его листовой пластинки.

Для выполнения цели были поставлены задачи:

Изучить биологию и морфологию этого лекарственного комнатного растения по литературным источникам.
Найти информацию о лекарственных свойствах алоэ древовидного и его применении в медицине.
Изучить анатомическое строение листа: сделать анатомические срезы листовой пластинки, провести гистохимические реакции и окраску препаратов, сделать Рисунки с препаратов и описания к ним.

Анатомическое исследование заключалось в анализе особенностей строения листовой пластинки и эпидермы. Поперечные срезы производились с помощью лезвия безопасной бритвы от руки. Для исследования брались средние части листовой пластинки (в области средней жилки), которые помещались между двумя пластинками пенопласта. Выравнивалась поверхность, и делались сериальные срезы в воду на предметное стекло. Срезы должны получаться очень тонкими. Перенеся срезы в каплю воды, следует (опять же не выпуская объект из руки!) проверить их качество при слабом увеличении микроскопа. Накрывать покровным стеклом при такой предварительной проверке нет необходимости. Если среди срезов есть пригодные, объект откладывают. Если же все срезы плохие, то их удаляют и делают новые. После соответствующей гистохимической обработки изготавливали временные препараты, которые заключали не в воду, а в глицерин, так как он практически не испаряется, и глицериновые препараты можно хранить годами. Фиксация. Живое содержимое клеток в глицерине разрушается, если его не фиксировать, т.е. подействовать жидкостью, которая быстро умертвит протопласты, сохранив в состоянии, возможно более близком к естественному. Проще всего для фиксации объекта было использование крепкого спирта – в нем можно длительно хранить материал, потому что он одновременно является и консервантом. Окраска. Большинство компонентов растительных тканей бесцветно и имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления окружающей среды, поэтому неокрашенные объекты, заключенные в глицерин, могут стать совершенно прозрачными и плохо различимыми. Для избежания этого применяют окрашивание срезов.

Применялись следующие гистохимические реакции и способы окраски:

Для определения лигнина срез помещают в каплю раствора флороглюцина, через 1 – 2 минуты оттягивают реактив фильтровальной бумагой. Добавляют 1 – 2 капли концентрированной соляной кислоты, оттягивают ее и заливают глицерин, накрывают покровным стеклом. При наличии лигнина появляется малиновая окраска.

Для определения крахмала, использовали реакцию с йодом.

Для идентификации кутина и суберина в оболочках, запасных жиров в цитоплазме клеток использовали спиртовой раствор судана III, который окрашивает жиры и жироподобные вещества в интенсивно – желтый или оранжевый цвета.

При анатомическом изучении листовой пластинки подробно рассматривались особенности строения эпидермиса, мезофилла, проводящих пучков в области центральной жилки. При изучении черешка выяснились особенности строения – эпидермы, проводящих пучков, основной паренхимы.

Делались поверхностные срезы верхней и нижней эпидермы для определения типа устьичного аппарата.

Всего в ходе работы было изготовлено и просмотрено примерно 40 временных препаратов. Анатомические Рисунки делались с помощью Рисовального аппарата PA – 1.

Глава 1. Биологическая характеРистика изученного лекарственного растения

1.1. Систематическое положение

Для исследования было взято растение:

Царство Растения (Plantae )

Отдел Цветковые ( Magnoliophyta )

Класс Однодольные (Monocotyledones)

Порядок Спаржецветные ( Asparagales )

Семейство Асфоделовые (Asphodelaceae )

Вид Алое древовидное или столетник (Aloe arborescence M.)

1.2. Морфологическая характеРистика

1.2.1. Семейство Асфоделовые (Asphodelaceae)

Семейство асфоделовых, состоящее из 42 родов и почти 1500 видов, распространено преимущественно в Старом Свете, главным образом в Южной и тропической Африке и Австралии, а также Макаронезии, на Мадагаскаре и Маскаренских островах, в Средиземноморье, Европе (до юга Швеции и Ирландии), Западной, Юго – Западной и Средней Азии, на северо – западе Центральной Азии, Алтае, в Гималаях, Восточной (кроме СССР), Южной и Юго – Восточной Азии, Новой Гвинее, на юге Северной Америки, в Центральной и Южной Америке.

Асфоделовые – преимущественно многолетние травы, реже древовидные и кустарниковидные растения, кустарнички и полукустарники либо очень редко лианы и однолетние травы. Немногим менее половины видов этого семейства являются листовыми суккулентами, из которых наиболее известен род алоэ. Травянистые представители асфоделовых имеют горизонтальное, вертикальное или косовосходящее корневище, от которого отходят мясистые придаточные корни, нередко утолщенные (веретеновидные, цилиндрические, клубневидные), служащие, как и корневище, вместилищами запасных питательных веществ. Очень немногие представители асфоделовых (некоторые виды алоэ) имеют луковицу, образованную подземными расширенными мясистыми основаниями листьев. У некоторых южноафриканских видов алоэ эти расширенные основания листьев имеют сочленение с узколинейными ассимилирующими пластинками; в месте сочленения пластинки отделяются и опадают. У одного из видов рода артроподиум (Arthropodium) в основании однолетних побегов развиваются небольшие конические клубни.

Цветки асфоделовых зачастую небольшие по размеру, собраны в сложные или простые кисти, зонтиковидные, колосовидные или головчатые, располагаются на верхушке ветвей или стебля, либо на центральных или пазушных цветоносах; очень редко одиночные. Цветы растений семейства отличаются множеством нектара, который стекает по цветоносу и привлекает птиц и насекомых. Алоэ, гастерии и хаворции, которые входят в состав этого семейства, очень близки друг к другу, что могут скрещиваться между собой.

Семейство асфоделовых имеет 2 подсемейства – асфоделовые и антериковые, или венечниковые. Эти подсемейства различаются между собой по множеству признаков, в особенности эмбриологически.

Широко известным и крупным родом является алоэ. Его представители произрастают в областях с сухим и крайне жарким климатом. Многие виды алоэ встречаются в саваннах по каменистым и песчаным местам, нередко среди больших камней. Очень часто столетник можно встретить как ландшафтное растение. Является вечнозеленым растением и обладает полезными лечебными свойствами.

Алоэ древовидное (Aloe arborescence M.) еще называют столетник – вечнозеленое суккулентное, древовидное растение, достигающее на родине 4 м высоты. Корневая система мочковатая; корни цилиндрические, серовато – оранжевые, сильно разветвленные. Стебли прямостоячие, ветвящиеся, в нижней части с многочисленными кольцевидными рубцами от листьев. От основания стебля нередко развивается большое количество боковых побегов, используемых для вегетативного размножения. Листья очередные, сочные, мясистые, сближенные в верхней части стеблей в виде розетки, стеблеобъемлющие, мечевидные, с верхней стороны несколько вогнутые, снизу – выпуклые, 20 – 65 см длины, 3 – 6 см ширины и 12 – 15 мм толщины, по краям усажены хрящеватыми зубцами. Соцветие – пазушная, густая цилиндрическая кисть 20 – 40 см длины, сидящая на длинном, прямом или слегка изогнутом цветоносе. Прицветники лопатчатые, тупые, по краям пленчатые, 15 – 25 мм длины. Цветки оранжевые до 40 мм длины и около 5 мм ширины, поникающие, на тонких цветоножках, достигающих 2,5 см длины. Околоцветник простой, венчиковидный, трубчатый, шестилепестный. Лепестки линейные, расположены в два круга; 3 лепестка наружного круга – оранжевые, более плотные, З внутренних лепестка – пленчатые, белые, с заметно выдающейся оранжевой срединной жилкой. Тычинок шесть, равных околоцветнику или немного из него выступающих, также расположенных в два круга; тычиночные нити наружного круга немного короче, к основанию расширяющиеся, пыльники ярко – оранжевые. Пестик с верхней, трехгнездной завязью, нитевидным столбиком и едва заметным рыльцем. Плод – цилиндрическая коробочка. Семена многочисленные, серовато – черные, неравномерно трехгранные. В культуре цветет в зимние месяцы, но нерегулярно, при этом семян обычно не образует.

В диком виде произрастает в Южной Африке, преимущественно в саваннах южной, юго – восточной и восточной части Южной Африки. В России широко распространено в комнатной культуре. Культивируется в приморской части Аджарской республики.

1.3. Лекарственные свойства изученного растения. Особенности химического состава

Любой вид рода алоэ имеет определенные лечебные свойства, благодаря содержащемуся в его листьях соку. Алоэ древовидное – широко распространено в комнатных интерьерах и используется для наружного применения (для заживления гнойных ран, ожогов, аллергической сыпи и др.).

В домашних условиях чаще всего растут кустарники алоэ, которые служат первой помощью при многих заболеваниях.

Листья алоэ содержат эфирные масла, около 20 аминокислот, витамины В, С, Е, бета – каротин, клетчатку и другие питательные ферменты и микроэлементы, а также обладают бактерицидным действием. В косметологии алоэ используют как ранозаживляющее, противомикробное, противовоспалительное средство для заживления солнечных ожогов и псориаза, профилактики и лечения угревой сыпи, фурункулов, дерматита и других заболеваний кожи. Экстракт сока алоэ открывает и очищает поры, увлажняет и подтягивает кожу, поскольку способен легко и глубоко проникать в кожу, восстанавливать обмен веществ, стимулировать регенерацию клеток, а также снимать воспаление и раздражение. Поэтому кремы, содержащие алоэ, рекомендуются косметологами для увлажнения и защиты кожи лица и тела при долгом пребывании на солнце (пляж, солярий).

В химическом отношении растение мало изучено. В листьях алоэ древовидного содержится алоз – эмодин (1,66%), аллантоин. Кроме аллантоина, алоэ содержит натуральные антиоксиданты в форме витаминов B комплекса, витаминов C и E, а также бета – каротин, который в организме превращается в витамин А. В алоэ содержится 20 из 22 аминокислот, необходимых человеку. Также обнаружен редкий и сложнейший углевод – ацеманнан, который применяется при лечении гриппа, кори, язв, доброкачественных и злокачественных опухолей и даже СПИДа. В соке растения содержится антрагликозиды, некоторое количество ферментов, обнаружены фитонциды. Из листьев алоэ также выделены эмодин, смолистые вещества и следы эфирных масел. Кроме того, в листьях алоэ найдены смолистые вещества, следы эфирного масла, ферменты, витамины.

1.4. Уход и особенности выращивания изученного вида

Алоэ древовидное (Aloe arborescence)

Алоэ – суккулентное растение из семейства Асфоделовые. В домашних условиях алоэ обычно не цветет, Лечебными свойствами из всех видов обладает лишь алоэ древовидное. Широко культивируется как домашнее растение, достигающее высоты 80 см.

Растение неприхотливо и спокойно переносит засуху. Светолюбиво, но весной необходимо постепенно приучать к солнечному свету, что бы избежать ожогов. Субстрат. Субстрат алоэ в домашних условиях нужен рыхлый, воздухопроницаемый, плодородный: смесь глинисто – дерновой и листовой земли (3:2) с добавлением небольшого количества древесного угля, песка, керамзита, торфа.

Влажность воздуха. Уход за алоэ в домашних условиях не обременен постоянными опрыскиваниями, он в этом не нуждается.

Полив. Умеренный. Обильный полив, создающий застой воды в поддоне, для алоэ губителен: суккуленты имеют нежные, склонные к загниванию корни. Лучше всего полив производить путем погружения горшка в воду на 10 минут, не допуская, чтобы вода скапливалась в розетке листьев. Поливают растение обычно раз в неделю, но если стоит сильная жара или цветок находится под яркими лучами солнца, поливайте алоэ немного чаще. Между поливами дайте субстрату немного высохнуть. Подкармливать его стоит лишь раз в месяц в период активного роста. Зимой поливайте через 3 – 4 недели.

Удобрения. Алоэ можно подкармливать один раз в месяц, используя половину разовой порции комплексных удобрений для комнатных растений.

Пересадка. Пересаживают растение по мере необходимости, обычно когда корни уже не помещаются в горшке, и начинают выглядывают из дренажного отверстия. Для пересадки готовят почвенную смесь: дерновая земля – 2 ч, листовая земля,песок и перегной по 1 части.

Размножение. Вегетативно, то есть при помощи верховых и стеблевых черенков. Кроме того алоэ образует прикорневые отростки, которые отделяются от основного растения и рассаживаются. При черенковании места срезов на черенках пРисыпаются древесным углем и высаживаются во влажный песок. Во время укоренения черенки поливают редко и скудно. По завершении процесса корнеобразования, растения высаживают в подходящую для них почву.

Глава 2. Методика исследования

Материал для исследования был взят из школьной аудиторий МБОУ СОШ № 15, а также из коллекции комнатных растений автора. Объектом изучения являлся лист. Для получения более точных результатов анатомия листа вида, изучалась в десятикратной повторности. Камеральная обработка материала проводилась с использованием микроскопа МБР – 1 с окулярами 8х, 20х, 40х и объективами 7х, 10х, 15х.

Анатомическое исследование заключалось в анализе особенностей строения листовых пластинок, и эпидермы. Поперечные срезы производились с помощью лезвия безопасной бритвы от руки. Для исследования брались средние части листовой пластинки (в области средней жилки), которые помещались между двумя пластинками пенопласта. Выравнивалась поверхность, и делались сериальные срезы в воду на предметное стекло. Срезы должны получаться очень тонкими. Перенеся срезы в каплю воды, следует (опять же не выпуская объект из руки!) проверить их качество при слабом увеличении микроскопа. Накрывать покровным стеклом при такой предварительной проверке нет необходимости. Если среди срезов есть пригодные, объект откладывают. Если же все срезы плохие, то их удаляют и делают новые. После соответствующей гистохимической обработки изготавливали временные препараты, которые заключали не в воду, а в глицерин, так как он практически не испаряется, и глицериновые препараты можно хранить годами . Фиксация. Живое содержимое клеток в глицерине разрушается, если его не фиксировать, т.е. подействовать жидкостью, которая быстро умертвит протопласты, сохранив в состоянии, возможно более близком к естественному. Проще всего для фиксации объекта было использование крепкого спирта – в нем можно длительно хранить материал, потому что он одновременно является и консервантом. Окраска. Большинство компонентов растительных тканей бесцветно и имеет показатель преломления, близкий к показателю преломления окружающей среды, поэтому неокрашенные объекты, заключенные в глицерин, могут стать совершенно прозрачными и плохо различимыми. Для избежания этого применяют окрашивание срезов.

Применялись следующие гистохимические реакции и способы окраски:

Для определения крахмала, использовали реакцию с йодом.

Делались поверхностные срезы верхней и нижней эпидермы для определения типа устьичного аппарата.

Всего в ходе работы было изготовлено и просмотрено примерно 70 временных препаратов. Анатомические Рисунки делались с помощью Рисовального аппарата PA – 1.

При изготовлении анатомических Рисунков использовались условные обозначения.

И я тут же нашла объяснение: молоко не поглощалось ртом, оно конденсировалось из воздуха через волосы на шкуре коровы.

Марк Твен “Отрывок из автобиографии Евы”

На вопрос, стоящий в заглавии, обычно отвечают: “Как зачем? Разумеется, чтобы колоться”. Действительно, для чего же ещё, кроме как для защиты от травоядных животных, могут пригодиться кактусу колючки? Оказывается, для многого, и возможно даже более важного, чем оборона (особенно если учесть, что большинству диких животных иглы не мешают лакомиться кактусами). Всё это многое суть приспособления кактуса к условиям пустыни: жаре, палящему солнцу и недостатку влаги (недаром колючки свойственны и другим растениям пустынь и областей с засушливым климатом). Перечислим эти приспособления.

Во-первых, колючки, имеющие у кактуса листовое происхождение, служат для экономии влаги посредством уменьшения испарения её растением. Большая испаряющая поверхность листьев в безводных условиях пустыни является сущим расточительством. Поэтому листья в процессе эволюции редуцировались, становясь тоньше, острее, в результате чего со временем превратились в колючки и совершенно утратили фотосинтезирующую функцию, которая у кактусов целиком перешла к зелёному стеблю.

Во-вторых, колючки защищают кактус от перегрева. Густая сеть светлых игл отражает значительную часть солнечных лучей. Тому же служат и пучки белых волосков, иногда скрывающих кактус целиком. Особенно много их в чувствительной к перегреву точке роста на вершине кактуса. Ещё острия колючек, как будет показано ниже, могут служить хорошими излучателями тепла, освобождающими кактус от его избытка.

В-третьих, в литературе, например в энциклопедии “Растения” (М.: ЭКСМО-Пресс, 2003, стр. 77), встречается мнение о влагопоглощающей функции игл кактуса. Утверждается, что колючки могут прямо из воздуха, в котором всегда присутствуют пары воды, получать влагу. Это самое необычное, невероятное и, пожалуй, самое важное свойство колючек и будет предметом нашего рассмотрения.

Такая функция игл кажется чем-то сродни абсурдному свойству волосков коровы из эпиграфа. И всё же только так можно объяснить способность кактусов выживать в местах, где атмосферных осадков или не бывает вовсе, или они случаются крайне редко. Ева вывела указанное свойство волосков из похожего наблюдения – из способности выдоенной и лишённой питья коровы давать молоко. Учитывая допущенную Евой ошибку (она не лишила корову ещё и травы), уместно напомнить, что способность кактусов длительно обходиться без воды объясняют обычно их умением запасать много влаги во время дождей и экономить её во время засухи. За это кактусу и некоторым другим растениям было присвоено звание суккулентов (в переводе с латинского – “продолжительно сочных”).

Но на самом деле даже при водосберегающем режиме необходимое на время засухи количество влаги трудно запасти: вода так или иначе должна расходоваться, не столько в процессе фотосинтеза, сколько для охлаждения растения испарением. Во время засухи из суккулентов люди умудряются за несколько раз добыть воды столько, сколько в одном растении попросту не может сразу уместиться. Так одна агава в течение пяти месяцев засухи может дать более тонны сока. Следовательно, влага и впрямь должна постоянно поглощаться растением, и если не из земли – ведь суккуленты не имеют такой глубокой корневой системы, как, скажем, верблюжья колючка, – то, видимо, из воздуха. В этом можно убедиться, вынув кактус из горшка и поместив на сухую ткань. Другие растения в таких условиях завяли бы в течение пары дней, а кактус продолжает зеленеть, не выказывая признаков беспокойства, хотя влага его, пускай и медленно, но покидает. Вот где ход рассуждений Евы был бы уместен.

Каков же механизм добывания влаги иглами кактуса? В тех немногих работах, где о такой функции колючек упомянуто, о механизме обычно нет ни слова. Тем не менее, существует издание, в котором была сделана попытка этот механизм раскрыть. Это замечательная книга Феликса Патури “Растения – гениальные инженеры природы” (М.: Прогресс, 1979). В ней на многих примерах показано: человек может поучиться не только у животных, как это принято в бионике, но и у растений, а потому её полезно прочесть каждому инженеру и изобретателю. Здесь (стр. 165 – 167) описан следующий механизм. Кактус создаёт на своих колючках электрический заряд. Будучи же даже незначительно заряжена, колючка, благодаря своей остроте, превосходящей остроту прецизионных игл, создаёт около себя электрическое поле большой напряжённости, которое поляризует и электростатически притягивает мельчайшие капельки влаги, взвешенные в воздухе (капли тумана). Притянутые капли оседают на поверхности колючки и всасываются ею.

Описанный механизм весьма остроумен и прост, однако нет уверенности, что реализуем на практике. Во-первых, в сухом воздухе пустыни взвешенные капли влаги, туманы не так часты: они есть не всегда и не везде. Во-вторых, ничего не известно об электрической активности кактусов. Не слышно о том, чтобы их иглы ионизировали воздух, светились. В любом случае, такой способ нуждается в экспериментальной проверке. Поэтому попробуем найти другой механизм поглощения влаги колючкой.

Почти полное отсутствие капель тумана в пустыне наводит на мысль о том, что влага поступает из воздуха не каплями, а конденсируется на колючке непосредственно из водяного пара. Действительно, как сказано всё в той же книге Ф. Патури (стр. 154 – 165), некоторые тропические растения, являющиеся эпифитами, то есть селящиеся на высоте в кроне деревьев, и не имеющие поэтому контактов с почвой и водой, приспособились получать влагу именно так: воздух является для них единственным поставщиком воды и минеральных веществ. Чем не корова Евы?

Так, орхидеи, чтобы добывать влагу, вынуждены обзаводятся воздушными корнями, и сами же создают для них искусственную “почву”. Далее дословно (стр. 156): “Воздушные корни орхидей покоятся в веламене, представляющем собой относительно толстый слой рыхлой ткани. Эта ткань состоит из отмерших клеток и очень похожа на пористую губку. В сухую погоду “губка” сжимается и становится совершенно белой из-за большого числа пустот, наполненных воздухом. Но уже при самой незначительной влажности воздуха она, словно промокательная бумага, начинает жадно впитывать атмосферную влагу. Если чересчур влажно и все поры заполнены водой, ткань приобретает сероватый оттенок. Корни могут свободно забирать воду из веламена и направлять её в систему водоснабжения растения”.

Далее (стр. 161) описано другое приспособление для впитывания влаги из воздуха, уже непосредственно листьями. Такое приспособление имеется у эхмеи, известного комнатного растения из семейства бромелиевых. Обращаясь к тексту, читаем об эхмее следующее:

“Её узкие, длинные и очень сочные листья украшены белыми поперечными полосами. Если рассматривать эти полоски в лупу, то можно заметить, что они образованы множеством мельчайших круглых пластиночек, диаметр каждой из которых едва достигает одной четверти миллиметра. И лишь под микроскопом становится видно, что пластинки на самом деле имеют форму крошечных воронок, срединой своей уходящих в глубь листа. Их края свободно лежат на поверхности листа, не прирастая к нему, но при этом они многократно перекрывают друг друга. В свою очередь каждая из воронок состоит из отдельных клеток. Диаметр этих микросозданий природы составляет одну сотую миллиметра, и их с полным правом можно считать самым маленьким в мире вакуум-насосом… Клетка жадно впитывает влагу из воздуха”.

Похожие приспособления в виде чешуй, поглощающих влагу, имеют и другие роды семейства бромелиевых, в том числе тилландсия и обыкновенный ананас. Пучки из волосков, выполняющих ту же функцию, есть и у кактусов. Особенно их много у астрофитума, у которого белые полосы на стебле, напоминающие полосы эхмеи, образованы именно такими волосками. Вообще, у всех суккулентов, имеющих чередующиеся, как у зебры, светлые и тёмные полосы (агава, алоэ пёстрое, гавроция, гастерия) можно заподозрить влагопоглощающую функцию этих полос. В таком случае в полосках должны обнаружиться конденсирующие влагу микроструктуры, вроде чешуй и волосков. В приводимых примерах они действительно есть – белые волокна, бородавки и волоски.

Объединяет все перечисленные примеры, как несложно понять, наличие у растений сильно пористой структуры (в веламене, волосках, чешуях), обладающей поэтому большой гигроскопичностью, то есть способностью обильно поглощать атмосферную влагу. Вероятно, и колючки кактуса должны использовать принцип аналогичный применяемому эпифитами тропических лесов. Недаром некоторые кактусы (зигокактус, эпифиллюм) приспособились к эпифитному образу жизни в тропических лесах. И в то же время некоторые бромелиевые перешли к наземному обитанию в пустыне, получая, как и эпифитные формы, воду и минеральные вещества только из воздуха. Прежде чем пытаться проникнуть в тайну колючек кактуса, попробуем выяснить физический механизм поглощения влаги из воздуха в рассмотренных случаях.

Основное значение, как мы видели, имела значительная пористость влагопоглощающих материалов. Именно количество и размер пор определяют их гигроскопичность. Так, всем известные небольшие прозрачные шарики силикагеля, используемые в качестве осушителя воздуха, поглощают влагу именно благодаря значительной пористости, хотя на вид они кажутся сплошными – поры из-за малого размера не видны невооружённым глазом. Многочисленные поры создают разветвлённую внутреннюю рабочую поверхность материала, тем большую, чем меньше их размер.

Поглощение влаги происходит в основном за счёт эффекта так называемой капиллярной конденсации. Суть её в том, что над вогнутой поверхностью жидкости, находящейся в мелких порах, царапинах, капиллярах давление насыщенного пара понижено, или, говоря проще, повышена влажность. Если такая приведённая к вогнутой поверхности влажность превысит 100 %, то произойдёт конденсация атмосферной влаги на вогнутом мениске. Поэтому поры могут наполняться водой даже в бедном влагой воздухом, причём с уменьшением размера поры способны поглощать воду из всё более и более сухого воздуха. Именно поэтому малый размер пор делает материал гигроскопичным.

Обратимся, наконец, к колючкам кактуса. Исследуем, например, колючки распространённого ферокактуса. В них нам следует искать поры, конденсирующие атмосферную влагу. И мы их действительно найдём, применяя микроскоп или просто сильную лупу. Прежде всего, замечаем, что поверхность колючки покрыта продольными трещинами, микроцарапинами, словно зашкуренная. Поэтому колючка не блестит, хотя на ощупь гладкая. Кроме того, на изломе колючки видно, что она имеет волокнистое строение. Следовательно, колючка действительно пористая: поры образованы зазорами, каналами между её волокнами, а то, что мы приняли за царапины и трещины, в действительности и есть эти зазоры, открывающиеся на поверхности. Итак, влага конденсируется в порах и по ним же высасывается из колючки, поступая в стебель кактуса.

То, что внутри колючек содержится вода, подтверждается и их желтоватым оттенком, как у силикагеля, набравшего немного влаги. На сухом воздухе колючки и силикагель бесцветные, светлые. Но стоит их поместить во влажную атмосферу, или капнуть на них водой, как они насытятся влагой, отчего и шарик силикагеля и колючка пожелтеют, или покоричневеют. Жёлтый цвет отчасти обусловлен собственным цветом вещества иглы, а отчасти указывает на её загрязнённость, которую из-за большей прозрачности насыщенной влагой колючки удаётся увидеть. Засорённость пор – вредное явление, препятствующее нормальной работе игл кактуса. Колючки, загрязнённость которых особенно заметна, нередко сами собой отваливаются. Поэтому поливать кактусы надо осторожно. Следует избегать попадания капель воды на стебель, колючки, поскольку вода, даже отстоявшаяся, всегда загрязнена. Именно поэтому рекомендуют не поливать стебель кактуса, и особо избегать попадания капель в точку роста и на волоски. По той же причине советуют беречь кактусы от пыли. (Подобные предостережения имеются и в отношении других суккулентов). Влага же, сконденсированная колючкой из воздуха, всегда чистая – она по определению дистиллированная.

Каково же значение колючки и её заострения в такой системе конденсации? Почему бы порам, царапинам, собирающим влагу, не разместиться на стебле кактуса? Другими словами, зачем нужен такой специализированный орган как колючка? Нужен он, видимо, по нескольким причинам. Во-первых, поверхность колючки удалена от стебля, что облегчает обдув её воздухом, несущим новые порции влаги. Во-вторых, колючки обеспечивают при неизменной испаряющей поверхности стебля довольно большую рабочую поверхность, то есть поверхность, на которой происходит конденсация. Это не только общая площадь поверхности всех колючек, но и площадь всех их внутренних пор, к которым воздух благодаря малой толщине игл поступает относительно легко. В-третьих, клетки, образующие поры, подвержены действию капиллярного разрежения, поэтому нужна специальная устойчивая к нему одревесневшая мёртвая ткань – именно такой тканью и образована колючка. Вспомним, что мёртвыми клетками образованы также поры веламена, чешуи, волоски. В-четвёртых, при конденсации пара выделяется тепло (скрытая теплота парообразования), точно такое же количество теплоты уходит при испарении жидкости. Поэтому, если бы рядом размещались устьица, из которых влага испаряется для охлаждения растения и поры, которыми такое же количество влаги конденсируется из воздуха, то растение не смогло бы охлаждаться: теряемое тепло тут же возвращалось бы. Если же конденсация происходит вдали от стебля, на колючках, то тепло, выделившееся при конденсации, практически не доходит до тела кактуса по тонкой колючке, а успевает передаться окружающему воздуху, благо колючка тонкая и острая, а потому тепло с неё, так же как и заряд, стекает очень интенсивно.

Важность заострения колючек, подтверждается их способностью к самозатачиванию при старении, обламывании кончиков. С колючки постепенно отслаиваются волокна, отчего она становится тоньше, короче и одновременно острее. Это хорошо заметно на нижних, старых колючках, потемневших от времени. Такая заточка аналогична заточке металлических игл травлением кислотой. Одновременно это очищает поверхность колючки от загрязнений.

Растениям сконденсированная влага не даётся бесплатно, на её добывание расходуется энергия, необходимая для создания пониженного (на величину капиллярного разрежения) давления, иначе сконденсированная вода не будет отбираться стеблем из колючки.

Инженеру такой метод добывания влаги из воздуха интересен тем, что по аналогии могут быть разработаны конденсационные установки, предназначенных для добывания пресной воды в засушливых районах. До сих пор конденсационные установки были слишком энергоёмкими, поскольку в них использовался эффект осаждения влаги на специально охлаждаемой поверхности. Были даже разработаны индивидуальные “бездонные” кружки, из которых сколько ни пей – вода в них снова появляется, конденсируясь из воздуха.

Если предположение о влагопоглощающей функции колючек кактуса верно и секрет его живучести заключён, как у Кащея Бессмертного, именно в игле, то, подобно последнему, кактус должен умереть, если лишить его игл, обломав их. Однако существуют кактусы, которые спокойно обходятся и без колючек. Примером такого кактуса может служить специально выведенная бесколючковая опунция, обладающая не меньшей жизнеспособностью, чем опунция с шипами. У иных кактусов и в природе отсутствуют колючки (некоторые астрофитумы, лофофора, или пейот, хотя уж кому-кому, а ему-то иглы подошли бы), или же их просто мало (цефалоцереус). Но зато вместо колючек имеются пучки волосков, которые, вероятно, могут не хуже колючек поглощать влагу. Это объясняет, почему недостаток колючек у таких кактусов компенсируется избытком волосков. Такие же волоски обычно имеются и у кактусов с колючками, особенно на вершине, в точке роста. Эти волоски образованы теми же волокнами, что и иглы, только в меньшем количестве. Поэтому волоски это, по сути, те же колючки, но значительно более тонкие.

Из промежуточного между волосками и колючками числа волокон, видимо, составлены и глохидии – легко обламывающиеся тонкие щетинки у опунции. Волоски кактусов, глохидии должны благодаря волокнистости, пористости поглощать влагу не хуже, чем колючки. Этим и можно объяснить засухоустойчивость бесколючковых форм опунции.

Завершая наше повествование, заметим, что сделать окончательный вывод о реализуемости описанного способа поглощения влаги колючками и волосками кактуса без дополнительной экспериментальной проверки нельзя. Зато утверждать, что нужны колючки не только, чтобы колоться и поддерживать температурный режим растения, можно с уверенностью. Но справедливо ли это утверждение в отношении колючек и волосков других растений и животных?

Взять хотя бы зебру с её белыми полосками, о назначении которых учёные до сих пор гадают и строят гипотезы. К существующим гипотезам добавим ещё одну: быть может, полосы у зебры, подобно белым полоскам эхмеи, добывают влагу в засушливой саванне. Ведь волоски, образующие белые полосы зебр, в отличие от чёрных пустотелы – это в прямом смысле слова капилляры, способные, вероятно, как и поры в чешуях эхмеи, конденсировать влагу прямо из воздуха. Вот вам и корова Евы!

Задания Д25 C5 № 10842

Какие приспособления имеют растения к жизни в засушливых условиях?

1) Корневая система растений глубоко проникает в почву, достигает до грунтовых вод или располагается в поверхностном слое почвы широким радиусом для максимального запасания в период дождей.

2) У некоторых растений вода запасается в листьях, стеблях и других органах.

3) Листья покрыты восковым налетом, опушены или видоизменены в колючки или иголки (для уменьшения транспирации/ испарения).

Корни, помимо всасывающей и запасающей функций, выполняют еще одну, очень важную: они втягивают растение в землю в период засухи за счет сморщивания тканей. Это явление наблюдается не у всех суккулентов, но все же встречается довольно часто. Луковичное растение альбука однолистная так глубоко уходит в землю, что ее трудно обнаружить. Поэтому о ее существовании не подозревали в течение десятилетий. Стебель и листья являются главными вместилищами влаги у суккулентов. Поэтому их условно делят на две большие группы: листовые и стеблевые. Характерными представителями последних являются кактусовидные молочаи и стапелии. Стебли у них зеленые и выполняют функцию фотосинтеза. Листья же или очень маленькие и быстро опадающие, или отсутствуют вообще. Листовых суккулентов в природе значительно больше, чем стеблевых (если не принимать во внимание кактусы). Достаточно назвать такие растения, как агавы, алоэ, толстянки, очитки, каланхоэ. Иногда сильно разрастается только нижняя часть стебля, ткани которой, подобно губке, могут долго сохранять накопленную влагу. Такие растения получили название каудексовидных суккулентов (от лат. часть растения между корнем и цветущим стеблем). Это ятрофы (Jatropha, семейство молочайных), кедростис африканский (Kedrostis africana, семейство тыквенных), диоскорея, или слоновая нога (Dioscorea elephantipes, семейство диоскорейных), адения (Adenia glauca, семейство пассифлоровых) и многие, многие другие.

У алоэ, литопсов, мезембриантемумов и других суккулентов лист и стебель на 95% состоит из водозапасающей ткани. Ткань, содержащая хлорофилл, расположена в тех частях растения, которые скрыты в почве. Клеточный сок суккулентных растений содержит много коллоидных веществ, препятствующих быстрому испарению влаги. Этим же целям служит и опушение на листьях и стеблях. У псаммофоры (Psammophora) поверхность листа выделяет липкую смолу, к которой прочно прилипает песок и тем самым защищает растение от перегрева. Выделение железками листа пахучих эфирных масел, как например у растений Канарских эониума бальзамического и эониума виргинского, также способствует уменьшению испарения воды. Листья у многих суккулентных растений мелкие или имеют очень короткий период развития, после которого они засыхают. У анакампсероса бумажного (Anacampseros papyracea) мельчайшие листья прикрыты как черепицей тонкими прилистниками; у южноафриканских литопсов все растение состоит из одной-двух пар ежегодно сменяющихся сросшихся на 2/3 листьев. А у конофитумов пара листьев срастается полностью, остается лишь небольшая, в щель между ними. У таких растений стебля практически нет. Все растение погружено в почву, а на поверхности остается самая верхняя плоская часть листа. У кислицы суккулентной (Oxalis succulenta) роль листа берет на себя черешок, который становится с наступлением засухи сочным, в то время как тонкая пластинка листа засыхает.

Приспособление суккулентов к пустынному образу жизни особенно ярко выражено у вегетативных органов (стебель, лист, корень), но они проявляются и у генеративных (цветок, плод, семя). Цветки аизооновых быстро закрываются, как только небо покрывается иначе во время дождя быстро портится пыльца. Раскрытие плода-коробочки у них происходит только в дождливую погоду. Специальные гигроскопические пластинки разбухают с первыми каплями дождя, давят на стенки плода, и он раскрывается. Током воды семена отрываются и благодаря все увеличивающемуся давлению выбрасываются на расстояние У аизооновых плоды сохраняются на растении до наступления дождливой погоды. Интересен способ распространения семян у дорстении (семейство тутовых). Они с силой выбрасываются под воздействием разбухающей от влаги ткани. У герани мясистой каждое семя имеет нить, закрученную наподобие пружины. Падая в почву, такая пружина под воздействием воды закручивается сильнее и буквально вбуравливает семя в почву. У суккулентов, как правило, семена долго сохраняют еще одно свидетельство приспособления к среде обитания.

Очень важным фактором приспособления суккулентных растений является особый тип фотосинтеза. В отличие от мезофитных растений, устьица суккулентных листьев днем закрыты. Ночью при открытых устьицах в растение поступает углекислый газ (СО2). В ходе усвоения СО2 образуются органические кислоты. Вот почему листья очитков, каланхоэ вкуснее утром, чем вечером. Днем кислоты разрушаются, освобождая СО2, который, вступая в реакцию с водой, образует углеводы и кислород, выделяемый растениями ночью.

Жизнь в сходных климатических условиях, в данном случае засушливых, нередко делает растения похожими по внешнему виду несмотря на принадлежность их к разным, далеко не родственным семействам. Это явление получило название конвергенции. Молочай огромный напоминает цереус (семейство кактусовых); молочай астрофитум звездчатый (семейство кактусовых); толстянка мезембриантемосходная (семейство толстянковых) похожа на титанопсис (семейство аизооновые); эхеверия агавовая (семейство толстянковые) на агаву (семейство агавовые); ариокарпус треугольный (семейство кактусовых) напоминает хавортию (семейство асфоделовых); молочай дидиереевый (семейство молочайных) похож на дидиерею (семейство дидиереевые).

Помимо декоративных качеств, о чем и пойдет речь в этой книге, многие суккуленты снискали славу как технические (агава сизаль, агава кантала) и лекарственные растения(алоэ древовидное, алоэ настоящее и др.). Из агавы темно-зеленой, агавы Сальма путем сбраживания сока после удаления соцветия получают напиток пульке.

Читайте также: