Анабиоз и зимний покой в мире микроорганизмов и в мире растений

Анабиоз и зимний покой в мире микроорганизмов и в мире растений

В природе анабиоз не является патентом только животных организмов. Он широко представлен и среди микроорганизмов из царства Prokaryotae, к которым относятся все виды бактерий и синезеленых водорослей. Анабиоз представлен и в мире растений (низших и высших). У многих микроорганизмов и видов растений природа в своем длительном эволюционном процессе развития создала прекрасное приспособление для впадания в состояние покоя или анабиоза при неблагоприятных условиях. В этом состоянии они могут переживать в течение длительного времени (для некоторых видов бактерий даже миллионы лет!) и при создании нормальных условий восстанавливать свою жизнедеятельность.

В 1962 г. сенсационно прозвучало сообщение французского микробиолога Г. Домбровского, который заявил, что ему удалось случайно оживить бактерии (Pseudomonas halocrenae), пробывшие в соляных пластах около Бад Нагейма более 180 млн. лет. Г. Домбровский проводил исследования минеральных вод у Бад Нагейма, которое завершил посевом проб в различных питательных средах для выявления бактерий. Он обратил внимание на тот факт, что даже в очень соленых водах обнаруживались живые бактерии. Странным показалось и то, что бактерии обнаружились и в воде, взятой с большой глубины. Взяв у бурильщиков, работавших поблизости, пробы соли, извлеченной с глубины 209 м, Домбровский в стерильных условиях извлек внутреннюю часть пробы, чтобы исключить побочное загрязнение, и сделал посев. Развились два вида бактерий. Опыты были неоднократно повторены — результаты оказались те же: в кристаллах соли, пролежавших в недрах земли более 180 млн. лет, встречались бактерии, способные оживать. Но само «оживление» еще не может служить достаточным доказательством. Ученый расширил свои опыты и вырастил бактерии в питательной среде, в которую каждую неделю добавлял определенное количество соли. Когда получился насыщенный солевой раствор, он выпарил питательную среду. Образовались кристаллики соли, в которые были вкраплены бактерии. После того как кристаллы пролежали несколько недель, из них снова можно было выделить живые бактерии. Выяснилось, что вполне возможно в блоках соли сохранять живые бактерии на протяжении миллионов лет.

Анабиоз у микроорганизмов — давно известный факт: еще Левенгук в 1705 г. встретился с этим интересным биологическим явлением.

В настоящее время известно, что существуют некоторые виды бактерий, которые, попадая в неблагоприятные для них условия жизни, превращаются в стойкие образования с плотной многослойной оболочкой, называемые спорами. Это крайне обезвоженные клетки с толстой оболочкой. Такие спорообразующие бактерии преимущественно представляют собой бациллы и клостридии (принадлежащие к семейству Bacillaceae). За длительный эволюционный процесс они выработали прекрасный способ выживания при неблагоприятных для жизни условиях. При помощи спорообразования они повышают свою устойчивость к физическим, химическим и биологическим факторам внешней среды, сохраняясь в анабиотическом состоянии на протяжении многих лет. Они выдерживают даже высушивание в вакууме, очень низкие и высокие температуры (погибают лишь при 120 °C). Позже, попадая в подходящие для них условия жизни, они снова возвращали свою жизнедеятельность и болезнетворное действие, становясь причиной опасных заболеваний животных и человека. Спорообразующие возбудители сибирской язвы, ботулизма, столбняка, злокачественных опухолей[13], газовой гангрены и др., впадая в анабиотическое состояние, долгие годы сохраняют свою жизнеспособность. Этим объясняется затухание на известный период и внезапное проявление некоторых заболеваний у животных. Известны так называемые мертвые поля, где в прежние времена зарывали в землю животных, погибших от сибирской язвы (сейчас их трупы сжигают). Через какой-то отрезок времени люди при распахивании земли или животные на пастбищах могли заразиться (болезнь является зоонозом, т. е. общей для животных и людей). А споры столбняка не погибают даже при температуре, близкой к абсолютному нулю. Стоит только их разморозить, и жизнь снова возвращается к ним.

Но если вернуться к случаю в Бад Нагейме, удивительно, что обнаруженные бактерии, не образуя спор, пребывали в состоянии анабиоза миллионы лет.

Это не единственный случай, когда были обнаружены древние микробы в анабиотическом состоянии. На разных глубинах в трещинах подземных пластов сумели сохраниться бактериальные палочки — одни «только» 10 тыс. лет, а другие- 1 млн. лет. Недавно такую находку сделали американские биологи из научно-исследовательского института имени Чарльза Дарвина в Дайн-Пойнте. Ученые перенесли обнаруженные ими бактерии в лабораторию в стерильные пробирки и создали им идеальные условия. Вскоре в питательной среде закипела жизнь — бактерии начали размножаться и образовали целые колонии, напоминающие по форме вершину вулкана.

Одним словом, оказалось, что и миллион лет — не предел для жизни микроскопических бактерий, впавших в анабиотическое состояние. Этот вывод важен не только в теоретическом отношении. Он привлек внимание представителей молодой науки экзобиологии, изучающей возможности существования жизни вне нашей планеты, например, на кометах, в наиболее мелких частицах космической пыли или на планетах с резкими переменами климатических условий. Ныне экзобиологи задаются вопросом: не могут ли там на известное время «притаиться» и, когда условия позволят, «воскреснуть» какие-нибудь живые существа?

Еще в начале нашего века и до наших дней большой интерес у исследователей вызывала способность бактерий переносить очень низкие температуры. Так, например, некоторые виды светящихся бактерий, охлажденные до температуры жидкого воздуха (-253 °C) и даже жидкого гелия (-269 °C), после размораживания восстанавливали свою жизнедеятельность и снова начинали светиться. Сейчас уже научно доказано, что жизнь светящихся бактерий сохраняется и в более суровых условиях, приближающихся к условиям космического пространства. Больше того, оказывается, что почти при полном вакууме и при температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые земные микроорганизмы сохраняются даже лучше, чем в идеальных условиях земных лабораторий. По мнению некоторых экзобиологов, простейшие формы жизни попали на Землю из бескрайних просторов космического пространства.

Советский ученый К. Шариков сообщает о проведенных опытах с зооспорангиями (органы бесполого размножения) — возбудителями рака у картофеля, которые в течение двух суток находились в замороженном состоянии в жидком кислороде (- 183 °C) и все же сохранили свою жизнеспособность. Такие зооспорангии вызывали рак картофеля, как и контрольные, не подвергшиеся замораживанию.

В начале 60-х годов молодой советский ученый Николай Чудинов — инженер-исследователь из центральной химической лаборатории Березниковского калийнодобывающего комбината, — исследуя нерастворимые остатки ископаемых калийных солей, совершенно случайно обнаружил нечто поразительное — коричневый поверхностный слой, всплывший в пробирке из осадков, заметно увеличился в объеме. Н. Чудинов не мог предположить, что этот случай касается проблемы сохранения жизнеспособности, так как считал, что жизнь в соли невозможна. Но каково же было его удивление, когда, поместив каплю солевого раствора на предметное стекло и рассмотрев ее под микроскопом, он увидел, что в капле кипела жизнь. Оказалось, что эти организмы представляют собой один из видов микроскопических водорослей. Н. Чудинов снова заключил ожившие микроорганизмы в кристаллы соли, продержал их в этом состоянии около двух месяцев и снова растворил кристаллы. Было чему поразиться: в растворе снова оживали целые колонии микроскопических водорослей. В одном из опытов исследователь лишил водоросли углекислого газа и воздуха, но и в этой среде они продолжали жить. Проделав сотни опытов, Н. Чудинов имел право на некоторые выводы. Явление, открытое им в калийных солях, представляет собой пример сохранения жизнеспособности. Цвет жидкости определялся живыми организмами — водорослями, сохранявшими свою жизнеспособность в анабиотическом состоянии бесконечно долгое время — около 350 млн. лет.

Установлено, что некоторые виды синезеленых водорослей (Cyanophyta) из степных областей образуют студенистую массу на предметах, находящихся под водой. Если их оставить на суше, то они превращаются в сухую черную корочку. В этом состоянии они могут находиться очень долгое время, а когда выпадет дождь, сразу разбухают от поглощенной ими воды и снова превращаются в синезеленую студенистую массу. В 1962 г. американский ученый Камерон установил, что синезеленая водоросль носток (Nostoc communae), хранившаяся 107 лет в гербарии, полностью сохранила свою жизнеспособность.

Выяснилось, что в подобное состояние могут впадать и некоторые зеленые водоросли (Chlorophyta), например, те, которые покрывают зеленым налетом нижние части елей.

Значительная часть лишайников (Lichenes), особенно те, которыми обрастают камни, тоже большую часть года пребывают в анабиотическом состоянии, подвергаясь иссушающему действию прямых солнечных лучей. Например, лишайники ягель (олений мох) и парамелия могут высыхать до такой степени, что превращаются в пыль, если их растереть между пальцами, но после дождя восстанавливают свою эластичность и жизнедеятельность. Могут высыхать и впадать в анабиоз и некоторые виды мхов (Bryophyta).

В анабиотическое состояние впадают и некоторые виды высших растений. Рекорд в этом отношении принадлежит растению бронец (Selaschnella lepidophyla), встречающемуся в прериях Американского континента. Помещенное в гербарий, это растение выдержало целых 11 лет в высушенном состоянии, не потеряв своей жизнеспособности.

Одно из чудес болгарской флоры — это растения родопская габерлея (Haberlea rhodopensis) и сербская рамонда (Ramonda serbica). Оба вида принадлежат к семейству геснериевых (Gesneriaceae) и считаются реликтами третичного периода (остатками растительности третичного периода, некогда обитавшей в нашей стране).

Габерлея — красивый цветок, похожий на примулу, растет на известняковых, сухих и прогревающихся солнцем скалах, а также в тенистых местах в Родопах и в горах средней Старой планины в Болгарии, как и на некоторых плоскогорьях Югославии, а рамонда — тоже красивый цветок — растет преимущественно в Югославии. В Болгарии рамонда имеет ограниченное распространение — на известняковых скалах и на северных склонах Западного подножия Балканских гор. Оба реликтовых вида включены в список растений, находящихся под защитой закона как исключительно редкие и представляющие значительный интерес.

В 1950 г. под руководством одного из наших известных болгарских ботаников академика Николая Стоянова тогда еще молодой научный сотрудник Иван Ганчев попытался выяснить, встречаются ли в болгарской флоре виды растений, впадающих в анабиоз при продолжительном их высушивании, не теряя при этом своей жизнеспособности. Начались многочисленные опыты, испытывалось большое число растений из разных областей Болгарии, но результаты были отрицательными: после высушивания растения погибали. Во всей просмотренной Ганчевым литературе нашлись сведения только о двух высших растениях, обладавших подобным свойством, — одно из них (Miratamnus flebelifolia) в Болгарии не встречается, а второе — сербская рамонда — было исследовано Чернявским и дало положительные результаты. Так как родопская габерлея является близким родственником рамонды, Ганчев начал проводить опыты над обоими видами, поставив себе задачу: проверить данные относительно сербской рамонды и выяснить, свойственны ли ее качества родопской габерлее, сможет ли она выдерживать продолжительное высушивание, не потеряв жизнеспособности. В результате многочисленных опытов Ганчев установил, что родопская габерлея может выдержать в таком состоянии до 31 месяца, а сербская рамонда — до 27 месяцев. Разумеется, это рекордные сроки. Некоторые экземпляры погибали в 16, другие — в 19 месяцев. Самыми жизнеспособными оказались верхушечная точка роста растения и черешки листьев. Опыты были продолжены, и родопская габерлея раскрывала все новые и новые особенности. В летнее засушливое время года на открытых скалах температура часто достигает 45 °C. Там встречались экземпляры габерлеи, свернувшиеся в плотные розетки, почти полностью высохшие. При растирании листьев между пальцами, они превращались в пыль. Высушенная габерлея, хранившаяся три месяца, вынесла нагревание в течение почти 100 мин при температуре 66–76 °C, а экземпляры, хранившиеся дольше (24 месяца), выдержали 52 мин. Особенно интересным оказался тот факт, что наряду с устойчивостью по отношению к засухе и теплу родопская габерлея обладает и относительно высокой морозоустойчивостью. Только при -7 °C начинают замерзать наружные листья розетки. При более сильных холодах, так же как и летом, лиственные розетки свертываются и наружные листья играют роль защитной «одежды».

Болгарские ученые считают, что в процессе эволюционного развития эти виды настолько усовершенствовались, что их биохимические реакции протекают на очень низком энергетическом уровне. Жизнь в их клетках может быть сведена до возможного минимума и снова восстановиться при наступлении благоприятных условий. Такое состояние может быть достигнуто лишь благодаря большой способности цитоплазмы удерживать часть воды. Растения могут потерять до 98 % воды, но остальных 2 % вполне достаточно для поддержания состояния анабиоза.

Анабиотическое состояние является высокоэффективным механизмом выживания при неблагоприятных условиях. Именно эта анабиотическая способность и помогла родопской габерлее и сербской рамонде — этим реликтовым растениям третичного периода — уцелеть до наших дней.

Неизбежно возникает вопрос: что помогает растениям переносить сильное обезвоживание и впадать в состояние анабиоза, при котором обмен веществ протекает настолько замедленно, что практически почти равен нулю? По мнению ученых, при обезвоживании у растений, способных впадать в анабиотическое состояние, не нарушается процесс дыхания, который сохраняет свою так называемую энергетическую полноценность. При обезвоживании у этих растений продолжают образовываться богатые энергией соединения, например АТФ (аденозинтрифосфат). Энергия, образующаяся в процессе дыхания почти до полного высушивания этих растений, передается почти всем клеточным структурам и всему клеточному содержимому, которое, обезвоживаясь, переходит в желеобразное состояние, и клетки могут годами сохранять свою жизнеспособность. У большинства других видов растений при таких условиях протопласт свертывается, и растение погибает.

Подобный процесс происходит и при созревании семян. Известно, что многие виды семян сохраняют всхожесть на протяжении длительного периода (десятилетия и даже столетия).

В начале нашего века исследования всхожести семян провел французский ученый Поль Беккерель. Он проверил более 500 видов семян из собрания Естественноисторического музея в Париже. Некоторые семена сохранялись там еще с конца XVIII в. Оказалось, что дольше других сохраняют свою всхожесть семена растений из семейств бобовых, мальвовых и губоцветных. Часть семян (20 %) клевера, сохранявшихся на протяжении 68 лет, проросла.

Почти одновременно подобные исследования провели и другие ученые, которые доказали, что семена растений в состоянии сохранять всхожесть более 50 лет. Наиболее устойчивыми оказались семена, содержащие минимальное количество воды.

Советский ученый К. Шариков в своей книге «Необыкновенные явления в растительном и животном мире» пишет, что в состоянии анабиоза семена ржи, овса, пшеницы и ячменя могут сохраняться более 10–12 лет, мальвы — 57, клевера — 62, ракитника — 84, а семена лотоса — более 200 лет. Советские ученые также установили, что семена лотоса, пролежавшие в торфяном болоте более 1000 лет, сохранили всхожесть.

При изучении гробниц фараонов в Египте были обнаружены семена пшеницы, которые хранились более 2000 лет, но не утратили способности к прорастанию. Впоследствии, однако, выяснилось, что египтологи были введены в заблуждение мошенниками, которые продавали свежие семена вместо старых семян из гробниц.

Интересный опыт провел в 1879 г. известный американский ботаник Уильям Бил. Он зарыл 20 бутылок, в каждой из которых было по 1000 семян 20 видов сорняков. Ученый поставил целью установить: сколько времени семена могут сохранять свою всхожесть? Каждые 5 лет он выкапывал одну бутылку и высевал семена в стерильную почву. В 1924 г. Уильям Бил умер. Опыты продолжили коллеги ученого, которые увеличили интервалы между выкапыванием бутылок до 10 лет. Американский журнал «Фармере дайджест» сообщил, что семена, посеянные в 1980 г. (т. е. через 101 год), буйно проросли. В Национальной контрольно-семенной лаборатории в штате Колорадо при температуре -20 °C сохраняются семена почти 100 тыс. видов растений. Сотрудники лаборатории проводят испытания на всхожесть семян каждые 5 лет, таким образом контролируя надежность хранения растительного фонда.

Еще более интересное открытие недавно сделали и аргентинские ученые, которые наблюдали всхожесть семян, чей возраст превышал три тысячелетия. Семена принадлежали растению амаранту, растущему на склонах Анд. Эти семена были найдены в тщательно закрытом сосуде в одной из горных пещер в провинции Мендоса.

Установлено, что семена некоторых злаков, пролежавшие известное время в условиях вакуума при температуре, близкой к абсолютному нулю, после этого прорастали и сохраняли свои биологические свойства.

Советские ученые провели исследования с сухими семенами, которые в опытных условиях показали большую морозоустойчивость — при температуре от -100 до — 190 °C они сохраняли всхожесть. Уже получены сообщения, что семена 45 сельскохозяйственных культур после шестимесячного хранения в жидком азоте (-196 °C) успешно прорастали.

В настоящее время считается доказанным тот факт, что семена многих видов растений способны сохранять в анабиотическом состоянии свою всхожесть в течение длительного времени. Но это состояние не может длиться бесконечно долго, оно зависит от условия хранения семян, так что, бесспорно, с каждым уходящим годом всхожесть семян понижается.

Возникает вопрос: если некоторые виды высших растений способны переносить почти полное обезвоживание, то имеются ли растения, которые способны переносить и низкие температуры, впадая в состояние анабиоза? Известно, что там, где бывают суровые зимы, древесные растения могут быть повреждены воздействием кристаллов льда, а затем и погибнуть. Это можно предотвратить лишь при очень быстром воздействии низких температур (например, температуры жидкого азота -196 °C и более низких), которые растения переносят сравнительно легко, потому что при этих температурах вода очень быстро охлаждается и замерзает не в кристаллическом, а в аморфном состоянии. В этом случае цитоплазма в клетках растений не повреждается, поскольку нет кристалликов льда. При одном из таких опытов ветки красной смородины перенесли понижение температуры до — 195 °C и после быстрого размораживания остались жизнеспособными. Но в природе такие низкие температуры

не существуют. В таком случае, как же переносят суровые зимние месяцы растительные организмы?

В течение длительного процесса эволюции различные виды растений выработали приспособления (физиологические, анатомические, биохимические) для выживания при неблагоприятных зимних условиях, обеспечивая таким образом продолжение вида. Однолетние растения проводят зиму в виде сухих зрелых семян, пребывающих в состоянии анабиоза. Большая часть двулетних и многолетних растений теряет свои наземные органы и перезимовывает, хорошо защищенная от морозов и снега, находясь в земле в виде луковиц (лук, подснежник, тюльпан и др.), клубней (картофель, георгины и др.) и корневищ (папоротник, примула, мать-и-мачеха) в состоянии покоя.

Но как перезимовать озимым культурам и древесным видам растений, которые подвержены непосредственному воздействию холодов? Установлено, что еще с осени растения начинают готовиться к зимовке под воздействием понижения температуры и главным образом сокращения продолжительности светового дня, причем древесные виды завершают свой активный рост и готовятся к переходу в состояние покоя. Подготовка растений выражается в понижении обмена веществ и процесса дыхания и в усилении фотосинтеза, что приводит к накоплению запасов питательных веществ — углеводов, белков, жиров, минеральных солей и др. Некоторые из этих веществ повышают густоту сока в клетках и тем самым понижают его точку замерзания (например, клеточный сок, отцеженный из некоторых растений, замерзал лишь при температуре от -5 до -10 °C).

По мнению ряда ученых, растения проходят через две фазы подготовки к состоянию покоя. Во время первой фазы рост прекращается, резко уменьшается интенсивность всех физиологических и биохимических процессов, а листопадные виды (широколиственные деревья) теряют листья. Вторая фаза начинается с первыми холодами (от -4 до -5 °C), когда растение теряет значительное количество воды (обезвоживание клеток) и наступают глубокие физико-химические процессы — изменяются коллоиды, которые становятся более устойчивыми к коагуляции. В результате растения становятся более холодостойкими, и эта устойчивость возрастает в течение суровой зимы. В это время организм растения переходит в состояние глубокого покоя. Неподготовленные к зимовке замерзшие растения погибают потому, что образовавшийся лед в их межклеточных пространствах повреждает цитоплазму. Но зимой этого не происходит, так как клетки растительных тканей связаны между собой особыми цитоплазматическими мостиками, называемыми плазмодесмами, они переходят сквозь поры из одной клетки в другую. При переходе растения в состояние глубокого покоя плазмодесмы втягиваются внутрь клеток и цитоплазма теряет связь с оболочкой (изолируется). На ее поверхности у древесных видов накапливаются жировые вещества. Благодаря процессу изоляции цитоплазмы кристаллики льда, возникающие в межклеточных пространствах, уже не оказывают давления на цитоплазму и не повреждают ее. Внутри клеток у закаленных растений лед образуется при значительно более низких температурах. Однако при очень суровых зимах озимые культуры и плодовые деревья и кустарники все же частично погибают. Вот почему ученые-селекционеры трудятся над созданием морозоустойчивых сортов плодовых и озимых культур. Установлено, например, что для некоторых растений (помидор, огурец, перец, хлопчатник и др.), которые повреждаются не только низкими минусовыми температурами, но и низкими плюсовыми температурами, для повышения их морозоустойчивости необходимо предпосевное закаливание семян переменной температурой (сначала +12 °C, а затем -3 °C) на протяжении нескольких дней. Закаленные таким образом растения становятся морозоустойчивыми и лучше переносят низкие плюсовые температуры и даже весенние утренние заморозки, а также повышают свою продуктивность.

Весной, с увеличением длительности светового дня и потеплением, растения выходят из состояния покоя, в результате чего их морозоустойчивость значительно понижается. В этот период опасность замерзания при внезапном похолодании или выпадении снега велика.

Устойчивость видов микроорганизмов и растений к воздействию неблагоприятных внешних факторов (высокие и низкие температуры, засухи и др.), при которых они впадают в состояние покоя или анабиоза, следует рассматривать как защитное приспособление, выработанное в течение длительного эволюционного процесса.