Жизнь начинается с растений
Рассказывает Анна Копанина, кандидат биологических наук, заведующая лабораторией экологии растений и геоэкологии Института морской геологии и геофизики ДВО РАН (г. Южно-Сахалинск).
Анна Владимировна, я знаю, что ваша лаборатория занимается экологическими исследованиями, но что конкретно они собой представляют?
— Мы изучаем методами световой микроскопии структурные особенности древесных растений, которые произрастают в условиях вулканических ландшафтов. Подчеркну: именно вулканических. Потому что территория Сахалина и Курильских островов находится на стыке крупных тектонических образований — литосферных плит. Фактически это зоны выхода подземного флюида на земную поверхность. Вещество из недр Земли, которое выходит на поверхность в этих зонах, оказывает определяющее влияние на состав и флоры, и фауны, в том числе на формирование отдельных природных комплексов. Эти процессы идут миллионы лет. Многие ботаники и зоологи считают такие зоны «инкубаторами» новых видов: экстремальные условия создают стресс, к которому организмы вынуждены адаптироваться, что со временем может приводить к образованию географических и экологических рас.
— Получается, вулканизм способствует видообразованию?
— Да. Одна из гипотез происхождения жизни предполагает, что первые органические молекулы формировались вблизи гидротермальных источников и вулканических структур в первичном «бульоне». Нашу задачу экологических исследований мы сформулировали достаточно давно: мы хотели быть ближе к нашим геологам и геофизикам. Поэтому мы сотрудничаем с ними на стыке нескольких специальностей: гидрогеохимии, минералогии, геоморфологии. Работаем с коллегами и из других институтов Российской академии наук. Наша задача — понять, как растения адаптируются к стрессовым условиям магматических и грязевых вулканов.
— И что удалось узнать?
— Мы обращаем особое внимание на ткань растений, которая перераспределяет органические вещества, прежде всего углеводы, синтезируемые в хлоропластах. Ткань эта называется «флоэма». Находится она в тонкой части стеблей и стволов древесных растений — в коре. Если проводить грубую аналогию с человеком, то, с одной стороны, это пищеварительная система растений, а, с другой стороны, и кровеносная. Было замечено, что она очень чутко реагирует на изменения среды. Строение этой ткани, которая долгое время не пользовалась популярностью у исследователей, мы и стали изучать. В ней можно заметить изменения в течение одного вегетационного сезона, если случился, например, какой-то парогазовый выброс. Нас интересовали растения, которые долго живут в условиях стресса, поэтому мы сосредоточились не на травах, а на долгоживущих — кустарниках и деревьях.
Мы обнаружили, что у древесных растений в условиях стресса структурные элементы флоэмы — ситовидные трубки — становятся гораздо шире и перегородок в них оказывается меньше. Это адаптация к вулканическому стрессу, так как такая ткань гораздо легче переносит все жизненно важные вещества по телу растения. И, возможно, эти изменения носят не случайный характер, а закономерный, выработанный временем, даже, может быть, в течение сотен лет. Вероятно, такое приспособление имеется у нескольких видов кустарников и деревьев. Пока его удалось обнаружить и детально изучить у одного древесного вида — берёзы каменной (Эрмана), у одной лианы — токсикодендрона восточного и у кустарника — спиреи Бовера. У них выявлена схожая тенденция в трансформации углеродных транспортных путей в коре.
Для исследований нам надо было найти такой вид, который широко представлен в вулканических ландшафтах (грязевых и магматических вулканов) островов и в то же время произрастает вне этого воздействия в естественной среде. Каменная берёза этим условиям соответствует: она встречается на Камчатке, на южных Курильских островах, на Сахалине, в Японии и Корее, там, где ярко выражено влияние на климат океана. Эта берёза из довольно древней секции костатных (ребристых) берёз приспособлена к субтропическому влажному климату, причём, благодаря экологической пластичности, выносит и суровые зимы, но всё же с влажным воздухом и обилием снега. Известно, что в условиях стресса она может менять свою форму роста — превращаться из дерева в крупный кустарник, поскольку из-за недостатка питания не способна перераспределить ресурсы в большом теле. Поэтому результаты, полученные нами для разных вулканических местообитаний этого вида на Сахалине и Курильских островах, были интригующими. Ткань, которая определяет перенос синтезированных углеводов, флоэма, в теле низкорослых берёз на грязевых и магматических вулканах максимально расширяется. Вокруг её проводящих элементов образуется много паренхимы — зон запасных питательных веществ и, конечно, воды, которой так не хватает растению в условиях вулканического стресса. Для растений это состояние называется физиологической засухой.
— Может ли растение измениться генетически и стать другим видом?
— Конечно. Но на это нужно время. Например, для грязевого вулкана Пугачёвский, самого крупного на Сахалине, достаточно активного по последним данным, характерно произрастание видов растений, которые больше нигде в мире не встречаются. Например, щучка Цвелёва, горечавочка Сугавары и примула сахалинская. Это эндемики вулкана Пугачёвский. Для такой маленькой территории (площадь группы Пугачёвских вулканов 4—5 км2) наличие нескольких эндемиков — уникальный случай. Понятно, что есть виды, которые на них похожи, — на Сахалине, в других частях Охотоморского региона, на Дальнем Востоке, но данный вид растения представлен только на этом вулкане. Эндемизм носит видовой характер, это не род и не целое семейство.
Одно из направлений наших исследований — анализ микрокомпонентов в тканях растений, в том числе рассеянные химические элементы, попадающие из вулканической среды в состав тела растения. Высокие концентрации в теле растений таких элементов, которых много в вулканическом субстрате, свидетельствуют о геохимическом стрессе, значит, растение в состоянии физиологической засухи и вода ему мало доступна. Кроме того, высокие концентрации целого ряда химических элементов имеют на метаболизм растений прямые воздействия.
— Является ли геохимический стресс движущей силой трансформации растений, формирования новых экологических форм?
— Над этим вопросом мы с командой плотно работаем, ищем ответы. Далеко не каждый вид растений способен с таким стрессом справиться, особенно среди многолетников, деревьев и кустарников, которые на протяжении многих лет вынуждены с ним бороться. Одинаково губительны как избыточное увлажнение, когда плохо поступает кислород и растение задыхается, не может обеспечивать поступление других ионов в своё тело, так и состояние физиологической засухи, когда вода растению недоступна. Всегда есть границы, в которых растение выживает, а есть условия в их пределах, оптимальные для жизни. И доступность воды — ключевое условие жизни.
— Как ваши исследования связаны с климатологией? Вы видите изменения климата?
— В какой-то степени — да. Мы смотрим на процесс адаптации растений в условиях Сахалина достаточно широко, поэтому у нас есть сборы растений с не затронутых вулканической деятельностью ландшафтов. В этом плане Сахалин — очень интересная территория, это такой логистический узел в флористическом плане: с юга с нами граничит субтропическая флора, а с севера — арктическая. В истории Сахалина были столетия, тысячелетия тёплого или холодного климата. Подступали потепления — росли более теплолюбивые виды. Начинались похолодания — приходили виды с севера. Кроме того, ещё сухопутные связи с Северной Америкой обеспечивали приход североамериканских видов, и они до сих пор представлены достаточно ярко во флоре наших островов. Но охлаждающее влияние Охотского моря позволяет сегодня удерживаться и холодолюбивым видам. А в определённых природных комплексах — рефугиумах — теплолюбивым. Они сохраняются в сопках на юге Сахалина, где тёплое течение Куросио даёт возможность выживать представителям более тёплой бореальной флоры.