Как растения защищаются от засухи: не только колючки

Анатомические барьеры против потери влаги

Основная часть воды уходит из растения через транспирацию, то есть испарение с поверхности побегов. В условиях сухого воздуха солнце буквально вытягивает влагу через эпидерму. Чтобы противостоять иссушению, засухоустойчивые растения, называемые ксерофитами, выстраивают многослойную защиту на поверхности листьев.

Первым рубежом служит кутикула. Это плотный слой из жироподобного вещества кутина и растительных восков, который покрывает наружные стенки клеток кожицы. У обычных луговых трав толщина кутикулы измеряется долями микрометра, тогда как у вечнозелёных обитателей засушливых регионов вроде лавра, олеандра или агавы она достигает десятков микрометров. Восковой налёт отражает часть солнечных лучей и делает поверхность листа почти герметичной, препятствуя нерегулируемому выходу пара.

Второй барьер связан с волосками. Плотное опушение из мёртвых трихом создаёт над эпидермой неподвижную воздушную прослойку. Ветер сдувает влагу с гладкого листа гораздо быстрее. Войлочный слой волосков задерживает влажный воздух прямо у поверхности, сбивает температуру листовой пластинки и рассеивает жёсткий ультрафиолет. Листья многих полыней и эдельвейсов кажутся серебристыми именно из-за заполненных воздухом мёртвых клеток опушения.

Хитрости расположения и работы устьиц

Растение не может закрыть листья наглухо, потому что клеткам нужен углекислый газ для фотосинтеза. Газообмен идёт через устьичные щели, и через них же неминуемо теряется драгоценный пар. Засухоустойчивые виды решили эту проблему перестройкой анатомии устьичного аппарата.

У большинства засухоустойчивых двудольных устьица находятся строго на нижней стороне листа, куда не попадают прямые солнечные лучи. Нижняя сторона всегда холоднее, поэтому градиент испарения там существенно ниже. У многих злаков засушливых степей вроде ковыля или овсяницы листья устроены ещё интереснее: они способны сворачиваться в узкую трубку при первых признаках дефицита тургора. Устьица прячутся на внутренней поверхности этой трубки, где сохраняется собственный микроклимат с повышенной влажностью.

Многие виды утапливают устьица вглубь ткани. В эпидерме образуются особые углубления, так называемые устьичные крипты. На дне этих карманов располагаются замыкающие клетки, а вход в ямку часто перекрывается пучками трихом. Водяной пар задерживается в крипте, создавая подушку влажности, которая тормозит дальнейшую диффузию воды наружу.

Физиологический трюк CAM-фотосинтеза

Обычные растения держат устьица открытыми днём, улавливая углекислый газ под лучами солнца. В пустыне такой режим привёл бы к мгновенному высыханию. Растения из семейств толстянковых, кактусовых, молочайных и бромелиевых выработали особый путь фиксации углерода, который называют CAM-метаболизмом (Crassulacean Acid Metabolism).

Такие виды открывают устьица только ночью, когда температура воздуха падает, а относительная влажность растёт. Они жадно поглощают углекислый газ в темноте и связывают его с помощью фермента фосфоенолпируваткарбоксилазы, превращая в яблочную кислоту. Кислота закачивается в огромные вакуоли клеток и хранится там до рассвета. Ночью листья таких растений заметно кислее на вкус.

С восходом солнца устьица намертво захлопываются. Под лучами света яблочная кислота выходит из вакуолей, расщепляется и высвобождает углекислый газ прямо внутри замкнутых тканей листа или стебля. Растение спокойно проводит фотосинтез с помощью привычного цикла Кальвина за закрытыми дверями, не теряя ни капли влаги на дневную транспирацию.

Суккулентность и запасание ресурсов

Сохранить воду можно в объёме собственных тканей. Суккуленты превращают свои вегетативные органы в настоящие резервуары, заполненные водоносной паренхимой. Клетки этой ткани имеют тонкие стенки и огромные вакуоли, богатые полисахаридами и гидрофильными коллоидами, которые жадно связывают молекулы воды и с трудом отдают их даже при сильном нагреве.

• Стеблевые суккуленты вроде кактусов и африканских молочаев полностью перенесли фотосинтез и запасы влаги в мясистый стебель, редуцировав листья до колючек для минимизации площади испарения.
• Листовые суккуленты, к которым относятся алоэ, очитки, хавортии и литопсы, раздувают толстые листья округлой или клиновидной формы, уменьшая отношение площади поверхности к общему объёму.
• Корневые суккуленты формируют клубни или утолщённые придаточные корни глубоко под землёй, пережидая период экстремальной жары в прохладном грунте.

Архитектура корневых систем

Растения, которые не запасают влагу в побегах, вынуждены непрерывно качать её из почвы. Их называют склерофитами, и они развивают феноменальные подземные коммуникации. Корни приспосабливаются к водным пластам двумя принципиально разными стратегиями.

Первая стратегия предполагает бурение грунта вглубь до водоносных горизонтов. Классический пример представляет верблюжья колючка из семейства бобовых. Наземная часть кустарника редко превышает метр в высоту, тогда как её стержневой корень уходит вниз на пятнадцать или двадцать метров. Растение дотягивается до грунтовых вод и остаётся сочным и зелёным в разгар зноя, когда вся трава вокруг выгорает.

Вторая стратегия заключается в создании поверхностной паутины. Большинство кактусов формируют разветвлённую мочковатую систему, которая залегает на глубине всего трёх-пяти сантиметров от поверхности, но расходится в стороны на десятки метров. Редкий кратковременный ливень или ночная роса увлажняют лишь самый верхний слой почвы. Кактус успевает перехватить эту воду за пару часов до того, как суховей и солнце испарят её обратно в атмосферу.

Радикальные меры: сброс органов и анабиоз

Когда засуха переходит в критическую фазу, экономить воду становится бесполезно. Растения переходят к радикальному сокращению испаряющей площади. Многие пустынные кустарники сбрасывают листву не перед зимой, а в начале лета. Листопад в разгар жары обычен для тропических сухих лесов и средиземноморских полукустарников вроде тимьяна или ладанника. Растение переходит в состояние покоя, оставляя голые одревесневшие ветви.

Существуют растения-эфемеры и эфемероиды, которые полностью избегают засухи во времени. Маки, гусиные луки, некоторые виды астрагалов успевают прорасти ранней весной, отцвести, дать семена и полностью отмереть буквально за две-три недели. Пик жары они пережидают в виде покоящихся семян или луковиц глубоко в грунте.

Отдельная группа, называемая пойкилогидрическими растениями, способна высыхать почти до порошкообразного состояния без гибели клеток. Таковы селагинелла чешуелистная и некоторые виды папоротников. Содержание воды в их тканях падает до пяти процентов, метаболизм останавливается, ферменты консервируются. Как только проливается дождь, ткани гидратируются, и растение восстанавливает нормальную жизнедеятельность за несколько часов.