Из пустынь или из тропиков

Если заглянуть внутрь С4-листа с помощью микроскопа, то можно отчетливо различить две группы фотосинтетических клеток. Вокруг сосудисто-проводящих пучков концентрически расположены внешний слой клеток мезофилла и внутренний, ближе к пучку, слой клеток обкладки. В клетках обкладки действует известный цикл Калвина, все тут так же, как и у С3-растений, а вот слой клеток мезофилла как бы является «приставкой», дополнительным органом-устройством: здесь происходит накапливание, концентрирование углекислоты. Эта пища растений вначале фиксируется, войдя в состав яблочной и аспарагиновой кислот (четырехуглеродные соединения! - тут-то и разгадка тех необычных явлений, которые первым наблюдал Карпилов), и уже затем расходуется по обычному механизму цикла Калвина в клетках обкладки.

И вновь загадки! Зачем С4-растениям эти сложности? Ведь поток углекислого газа при этом вроде бы тормозится... Конечно же, это приспособление растений к неким условиям, но каким? К жаре, холоду, яркому свету, отсутствию или избытку влаги?

К недостатку воды в пустынях растения умеют приноравливаться. К примеру, кактусы, эти «растения-верблюды», способны накапливать воду в больших количествах - крупные кактусы могут запасать до 3 тонн воды - и экономно тратить ее в течение продолжительных периодов засухи.

Как им это удается? Прежде всего многие кактусы как бы сложены из шаров, а эта геометрическая фигура имеет минимальное отношение поверхности к объему, а значит, сводятся к минимуму и потери влаги. Ограничивает расходы воды и малое количество устьиц, да и расположены они в углублениях, что также затрудняет испарение.

Но это еще не все. Природа в кактусах явила прямо-таки чудеса экономности. Эти растения открывают устьица только по ночам, когда температура воздуха в пустыне понижается, а его влажность повышается. Поэтому даже при открытых устьицах убыль паров воды в листе становится минимальной. И еще хитрость: запасенную ночью углекислоту кактусы фиксируют в химических соединениях, а уже днем при закрытых устьицах тратят ее на фотосинтез.

С кактусами ученые разобрались, а вот С4-растения для них все еще загадка. Первые их исследователи (среди них и Карпилов, к сожалению, этот талантливый ученый трагически погиб в 1978 году) полагали, что эти растения тропического, низкоширотного происхождения. Многие виды С4-группы обитают в тропиках. Их яркий представитель - сахарный тростник.

Итак, первая версия о происхождении С4-растений, что они родом из тропиков. Но есть и другое предположение. Исследования австралийца Хетча и других ученых показали, что «кукурузный» фотосинтез очень экономен в отношении влаги. С4-растения фиксируют, по крайней мере, в два раза больше углерода на единицу воды, чем С3-растения. Причем при повышенных температурах эта разница еще более увеличивается. Таким образом, возникает и другой вывод: С4-растения - пришельцы из аридных зон, они адаптированы к жарким и засушливым условиям пустынь и полупустынь.

Это утвердившееся в последние годы среди ученых мнение решили проверить советские исследователи из Ботанического института Академии наук России. Много лет в заповеднике Репетек (Юго-Восточные Каракумы, Туркмения) они изучали особенности фотосинтеза у растений пустынь. Установлено: в условиях пустыни С4-растения вовсе не доминируют. И здесь С3-формы оказались в большинстве, и они в среднем ни в чем не уступали своим соперникам. Так что прародина С4-растений до сих пор не установлена.