Почему у кактусов вместо листьев колючки

Как листья стали колючками

Предки современных кактусов росли миллионы лет назад в тёплых влажных лесах и обладали привычными широкими зелёными пластинками. Постепенное изменение климата на планете привело к иссушению многих территорий. Растения с широкими листьями теряли через их поверхность слишком много воды и погибали от жажды. Выжили те экземпляры, у которых листовые пластинки в процессе эволюции уменьшались, уплотнялись и со временем превратились в плотные сухие острия.

В ботанике колючка кактуса считается метаморфозом листа. Вместе с видоизменением листьев у кактусовых сформировался особый орган — ареола. Ареолы представляют собой сильно укороченные пазушные почки, которые встречаются исключительно у растений этого семейства. Из ареол растут колючки, волоски, цветы и новые боковые побеги.

В живой природе до сих пор сохранились так называемые базальные кактусы, наглядно показывающие переходную стадию эволюции. Яркий пример — род Переския (Pereskia). Эти кустарники и деревья из Центральной и Южной Америки имеют обыкновенные зелёные листья и древеснеющий стебель, но в пазухах листьев у них уже сидят настоящие острые колючки.

Зачем кактусу колючий наряд в пустыне

Полная остановка лишнего испарения

Обычный лист дерева или травы усеян тысячами микроскопических пор — устьиц. Через них растение дышит, поглощает углекислый газ и одновременно испаряет воду в процессе транспирации. В прохладной среде испарение спасает зелень от перегрева, поднимая воду от корней к кроне. В раскалённой пустыне этот процесс быстро высушил бы растение целиком.

Колючка кактуса состоит из мёртвых клеток, пропитанных прочным веществом — лигнином. В ней нет хлорофилла, нет живой мякоти и полностью отсутствуют открытые устьица. Площадь соприкосновения колючки с сухим горячим воздухом ничтожно мала. Превращение листьев в иглы помогло растению свести потери влаги через надземную часть практически к нулю.

Оборона запасов сока от животных

В засушливой местности стебель кактуса становится настоящим резервуаром с водой. У некоторых гигантских видов масса накопленной жидкости достигает нескольких тонн. Для птиц, грызунов и крупных травоядных пустыни такое растение служит единственным доступным источником питья.

Густая сеть острых твёрдых игл делает стебель неприступным. Животное травмирует пасть при попытке откусить сочную ткань. У многих кактусов, например у опунций, помимо крупных колючек есть глохидии — мельчайшие ломкие щетинки с обратными микроскопическими крючками. Попадая на кожу или в слизистую оболочку, глохидии вызывают сильное воспаление, навсегда отпугивая растительноядных зверей.

Создание тени и барьера от горячего ветра

Если внимательно рассмотреть густоопушённые или густоигольчатые виды, поверхность их стебля под шипами разглядеть трудно. Часто посаженные иглы создают вокруг живого тела растения прохладную теневую зону, принимая на себя яростный солнечный удар и снижая температуру зелёной кожицы на несколько градусов.

Сухой раскалённый ветер пустыни моментально уносит влагу с любой поверхности. Плотный частокол колючек работает как ветрозащитная полоса. Воздушный поток разбивается на мелкие завихрения, скорость ветра у самой кожицы падает, формируя вокруг стебля слой относительно стабильного воздуха.

Сбор росы и тумана прямо из воздуха

В пустынях вроде Атакамы или Намиб дожди могут отсутствовать годами, однако по утрам с океана туда приходят холодные густые туманы. Колючки кактусов выступают совершенными конденсаторами влаги.

Металлическая плотность и особая микроструктура борозд на поверхности иглы способствуют оседанию капель пара. Вода стекает по колючке прямо к основанию ареолы, где расположены впитывающие волоски, либо капает на землю прямо под стебель, увлажняя расположенную в верхнем слое почвы корневую систему.

Кто фотосинтезирует вместо листьев

Так как колючки лишены хлоропластов и не могут синтезировать органические вещества из углекислого газа и воды, всю работу по питанию растения взял на себя стебель. Именно стебель стал зелёным, толстым и сочным.

Поверхность стебля покрыта прочной плёнкой — кутикулой, поверх которой лежит слой растительного воска. Воск отражает лишний ультрафиолет и герметизирует ткани. Устьица на стебле есть, но их заметно меньше, чем на обычных листьях лесных растений, и работают они по совершенно особому расписанию.

Пустынные кактусы используют особый тип фотосинтеза, который называют САМ-метаболизмом (толстянковым метаболизмом). Растение держит устьица на стебле плотно закрытыми на протяжении всего жаркого дня, сохраняя внутри каждую каплю жидкости. С наступлением холодной ночи устьица распахиваются. Кактус жадно вбирает углекислый газ из ночного воздуха и консервирует его в форме яблочной кислоты. Днём, когда восходит палящее солнце, кислота расщепляется, отдавая накопленный углерод для создания сахаров с помощью солнечной энергии при запертых порах.

Какими ещё бывают колючки у кактусов

Строение и внешний вид колючек сильно зависят от условий конкретной местности, где развивался вид. Природа наделила кактусы удивительным разнообразием защитных приспособлений.

• Крючковидные острия помогают цепляться за шерсть проходящих мимо крупных зверей, отрывать членики растения и расселяться на новые территории, как это делает кактус чолла.
• Широкие уплощённые полоски напоминают древесную кору или сухую прошлогоднюю траву, маскируя растение среди каменистой осыпи от голодных птиц.
• Мягкие белые волоски и пух, как у головчатопересечённого кактуса или цефалоцереуса («стариковского кактуса»), работают подобно шубе, отражая избыток света днём и сберегая тепло во время суровых ночных заморозков в горах.
• Яркие разноцветные иглы красного, жёлтого или угольно-чёрного оттенка содержат пигменты, поглощающие опасную для хлорофилла часть спектра жесткого горного солнечного излучения.