Чтение онлайн

Чтобы не допустить чрезмерной потери воды, листья большинства растений покрыты толстой воскообразной оболочкой. Однако она также препятствует диффузии углекислого газа и кислорода внутрь листа и из него, поэтому газообмен происходит через специальные поры на нижней части листа, так называемые устьица, которые действуют как микроскопические окна. Беда в том, что устьица не только впускают углекислый газ и выпускают кислород, но и очень эффективно выпускают водяной пар. Это может очень существенно осложнять жизнь растения, так как воду, теряемую через устьица, необходимо возмещать, высасывая ее из почвы. У некоторых пустынных растений во избежание такой ситуации устьица открываются только ночью, что сильно сокращает потерю воды во время жаркого дня. Но у них появляется другая сложность — для фотосинтеза требуются и углекислый газ, и солнечный свет. Получается классический замкнутый круг. В результате большинство растений балансируют процессы фотосинтеза и потери воды, непрерывно открывая и закрывая устьица на протяжении дня в зависимости от освещенности и влажности воздуха.

Устьица сформированы из двух «замыкающих» клеток, которые образуют пору и управляют ее открыванием и закрыванием, регулируя количество содержащейся в них воды. Когда замыкающие клетки набухают и раздуваются, пора между ними открывается, а когда они теряют воду и становятся дряблыми, пора захлопывается. Перемещение воды, влияющее на объем замыкающих клеток и, следовательно, на состояние устьица, регулируется комбинацией насосов и каналов. Повышение интенсивности света вызывает выкачивание положительно заряженных ионов водорода из клетки, создавая отрицательный потенциал на клеточной мембране. Это изменение мембранного потенциала, в свою очередь, открывает калиевые каналы, позволяя ионам калия входить в замыкающие клетки. Вода следует за ионами калия, так что замыкающие клетки увеличиваются в объеме на 40% и открывают пору устьица. Пока калиевые каналы открыты, пора не закрывается. Когда же уровень освещения падает или растение испытывает недостаток воды, калиевые каналы закрываются. Как следствие, вода уходит, замыкающие клетки сжимаются, и пора устьица закрывается.

В определенном смысле, управляя набуханием замыкающих клеток, калиевые каналы растения регулируют процесс фотосинтеза. Можно утверждать, что они самые важные ионные каналы на Земле. Я даже в каком-то смысле горжусь, что эти калиевые каналы относятся к тому же семейству каналов, к которому принадлежат и мои любимые каналы. У них, наверное, был общий предок, появившийся очень давно, еще до того, как царства животных и растений разделились. Жизнь на полосе для тихоходов

Удивительно, но некоторые растения не только имеют ионные каналы, но и могут генерировать потенциал действия. Однако электрические импульсы растений отличаются от нервных импульсов: они более продолжительны, распространяются медленнее и передаются другими ионами. Электрический импульс водоросли Nitella, например, инициируется не притоком положительно заряженных ионов натрия, а оттоком из клетки отрицательно заряженных ионов хлора. И это не случайно. В отличие от животных клеток клетки большинства наземных растений не плавают в соленой внеклеточной жидкости. Концентрация ионов очень низка в стенках клеток растений, и поэтому приток ионов натрия не может создать потенциала действия. Растению в результате приходится полагаться на отток ионов хлора.

Растения-хищники генерируют потенциал действия для захватывания добычи. Одним из самых интересных среди них является венерина мухоловка, любимый цветок Чарльза Дарвина. Это растение, как он отмечал в своих заметках, «удивляет быстротой и силой движений». Чтобы выжить на бедных азотом почвах болот, где она обитает, венерина мухоловка дополняет свой рацион мелкими насекомыми. Она завлекает их в «ловушку», образованную видоизмененным листом, которая состоит из двух ярко-красных долей, похожих на створки раковины моллюска, и окаймлена длинными розовато-зелеными волосками. В состоянии покоя ловушка заманчиво открыта. Но стоит неосторожной мухе сесть на ее сладкую, липкую поверхность, как две створки захлопываются, запирая насекомое внутри. Длинные волоски на кромке долей плотно сцепляются, как зубья крысоловки, не давая выбраться насекомым покрупнее. Мелкие насекомые могут протиснуться наружу, скорее всего потому, что с какой-нибудь крошечной мошкой просто энергетически невыгодно возиться, а большие насекомые медленно перевариваются и дают растению азот, так необходимый для синтеза его собственных белков. Примерно через семь дней ловушка открывается, выбрасывая непереварившиеся остатки.

Каждому, кто когда-нибудь пытался прихлопнуть муху, знает, что эти насекомые передвигаются быстро. Таким образом, чтобы поймать муху, венерина мухоловка должна двигаться еще быстрее. Для этого у нее в процессе эволюции сформировалась специальная электрическая сигнальная система. Каждая доля ловушки имеет несколько трехгранных волосков, выступающих над поверхностью и обладающих исключительной чувствительностью к прикосновениям. Если положение более чем двух таких волосков изменяется примерно в один и тот же момент, например в результате движения насекомого, то доли захлопываются так быстро, что и глазом моргнуть не успеешь2. Волоски снабжены механочувствительными ионными каналами, и прикосновение к ним приводит к генерированию потенциала действия, который распространяется по клеткам долей в направлении центра ловушки. В состоянии покоя доли ловушки вогнуты, но когда электрический сигнал достигает центральной части, они резко изменяют форму с вогнутой на выпуклую и образуют карман, запирающий добычу. О том, как именно это происходит, все еще идут споры, но в этом процессе участвуют ионные каналы, инициирующие перемещение ионов и воды, которое приводит к дифференцированному набуханию и сжатию клеток долей и, таким образом, к резкому изменению давления в листе.

Аналогичные ловушки имеются и у других болотных растений, например у росянки, а также у альдрованды пузырчатой, которая ловит добычу под водой. Ловушка альдрованды закрывается быстрее, чем у других растений-хищников. Ей требуется на это всего 10–20 мс, в пять раз меньше, чем венериной мухоловке.

Хотя растения не имеют нервов, у некоторых из них есть специальные проводящие пути, которые позволяют электрическим импульсам передавать информацию на определенное расстояние. Легонько дотроньтесь до листочка мимозы стыдливой (Mimosa pudica), чувствительного растения, и весь лист свернется от самого основания в месте присоединения к ветке. Специальные клетки передают сигнал к основанию листа, где движение ионов приводит к изменению объема клеток и к свертыванию всего листа. В отличие от этого у венериной мухоловки потенциалы действия распространяются произвольным образом по всему листу через электрические синапсы между соседними клетками, прежде чем они достигнут набухающих клеток, которые захлопывают ловушку. Однако, как ни удивительно само наличие потенциалов действия у растений, они распространяются намного медленнее, чем у животных (примерно 10 метров в секунду против 250 метров в секунду). Растения просто проживают отведенный им срок намного медленнее.

Глава 9 Врата чувств

Если б врата чувств были открыты, то каждая вещь представала бы пред человеком как есть — бесконечной. Но люди сидят в своих норах и видят лишь то, что доступно сквозь узкие щели1.

Уильям Блейк. Бракосочетание рая и ада

Представьте, что вы сидите у меня в саду превосходным летним вечерком, слушаете радостное пение черного дрозда, наслаждаетесь бокалом вина и чувствуете ласковое тепло солнца. Вы поднимаете бокал и любуетесь золотистым цветом напитка и переливами хрусталя в солнечном свете, а потом наклоняетесь, чуть взбалтываете вино в бокале и ощущаете легкий аромат крыжовника, солнечный свет, заключенный в алкоголе. Вы отхлебываете немного и смакуете вино. Эта незамысловатая сценка наглядно показывает, что даже в таком простом деле, как дегустация вина, участвуют все наши чувства.

Наслаждение, боль, а по большому счету эволюционный успех любого организма, включая и нас, зависит от способности воспринимать окружающий мир: видеть, слышать, чувствовать запахи, вкус и прикосновения. Наши органы чувств преобразуют мириады разнообразных сигналов, непрерывно бомбардирующих нас, в единственную форму, приемлемую для мозга, — электрическую энергию нервных импульсов. И ни в одном случае трансформация чувственной информации в электрический сигнал не обходится без участия ионных каналов. Ионные каналы — истинные врата чувств, поскольку все, что мы чувствуем, воспринимается, передается или обрабатывается ими. Как следствие, дефекты в генах ионных каналов приводят к различным нарушениям восприятия у человека, от потери слуха до дальтонизма. В этой главе вы найдете удивительные истории о том, как ионные каналы определяют нашу способность воспринимать и чувствовать окружающую обстановку. Она посвящена тем самым блейковским «узким щелям», через которые мы видим мир, — нашим органам чувств. Всевидящее око

Глаза — наши окна в мир. Откроешь их, и он возникает перед тобой во всем богатстве форм, движений, цветов и оттенков. Работая над этим разделом, я видела за окном красочную картину: чистую синеву неба, характерную для бабьего лета, поблекшее золото созревшей пшеницы, огромную палитру оттенков зеленого с пятнами ярких цветов. И все это двигалось — ветви тополей раскачивались, а ветер подхватывал опадавшие лепестки поздних роз.

С одной стороны, наши глаза действуют как обыкновенная фотокамера. У них есть прозрачная роговая оболочка и хрусталик, которые совместно фокусируют свет на слое светочувствительных клеток, так называемой сетчатке, на задней стенке глаза. У них есть радужная оболочка, непрерывно регулирующая количество поступающего в глаз света. У них есть даже защитные колпачки — веки, способные при необходимости полностью прекратить поступление света. С другой стороны, в отличие от большинства фотокамер наши глаза связаны с мозгом, который обрабатывает и интерпретирует изображения, проецируемые на сетчатку. Обработка изображений происходит в определенной мере и в самой сетчатке.

Каждую секунду наши глаза воспринимают тысячи зрительных образов, трансформируют световые сигналы в перевернутые изображения на сетчатке и преобразуют их в нервные импульсы, которые поступают в мозг для обработки. Фокусирующая способность глаза почти на две трети зависит от прозрачной наружной оболочки, роговицы, остальное делает хрусталик, подвешенный позади зрачка на тысячах тонких связок. Роговица имеет фиксированное фокусное расстояние, а фокусное расстояние хрусталика может изменяться под действием мышц, прикрепленных к его кромке. Они делают хрусталик толще или тоньше, когда вы фокусируете зрение на близких или далеких предметах. С возрастом упругость хрусталика человека снижается, и изменять его фокусировку становится труднее, именно поэтому многим из тех, кому за 50, приходится надевать очки при чтении.