"Есть ли тайны у растений?" - читать интересную книгу автора (Славин Станислав Николаевич)

Ботаники с гальванометром

Живые батареи. "Всем известно, как любят популяризаторы подчеркивать роль случая в истории великих открытий. Поплыл Колумб осваивать западный морской путь в Индию и, представьте, совершенно случайно... Сидит себе Ньютон в саду, и вдруг случайно падает яблоко..."

Так пишут в своей книге, название которой вынесено в заголовок этой главы, С.Г.Галактионов и В.М.Юрин. И далее утверждают, что история открытия электричества в живых организмах не является исключением. Во многих работах подчеркивается, что открыто оно было совершенно случайно: профессор анатомии Болонского университета Луиджи Гальвани прикоснулся отпрепарированной мышцей лягушки к холодным перилам балкона и обнаружил, что она дергается. Почему?

Любопытный профессор немало поломал себе голову, пытаясь ответить на этот вопрос, пока в конце концов не пришел к заключению: мышца сокращается потому, что в перилах самопроизвольно наводится небольшой электрический ток. Он-то, подобно нервному импульсу, и отдает команду мышце сократиться.

И это было воистину гениальное открытие. Ведь не забывайте: на дворе стоял всего лишь 1786 год, и прошла только пара десятилетий после того, как Гаузен высказал свою догадку о том, что действующее в нерве начало есть электричество. Да и само электричество оставалось для многих еще загадкой за семью печатями.

Между тем, начало было положено.

И со времен Гальвани электрофизиологам стали известны так называемые токи повреждения. Если, например, мышечный препарат разрезать поперек волокон и подвести электроды гальванометра - прибора для измерения слабых токов и напряжений - к срезу и к продольной неповрежденной поверхности, то он зафиксирует разность потенциалов величиной около 0,1 вольта. По аналогии стали измерять токи повреждения и в растениях. Срезы листьев, стеблей, плодов всегда оказывались заряженными отрицательно по отношению к нормальной ткани.

Интересный опыт по этой части был проведен в 1912 году Бейтнером и Лебом. Они разрезали пополам обыкновенное яблоко и вынули из него сердцевину. Когда же вместо сердцевины внутрь яблока поместили электрод, а второй приложили к кожуре, гальванометр опять-таки показал наличие напряжения - яблоко работало, словно живая батарейка.

Впоследствии выяснилось, что некоторая разность потенциалов обнаруживается и между различными частями неповрежденного растения. Так, скажем, центральная жилка листа каштана, табака, тыквы и некоторых других культур обладает положительным потенциалом по отношению к зеленой мякоти листа.

Затем вслед за токами поражения наступила очередь открытия токов действия. Классический способ их демонстрации был найден все тем же Гальвани.

Два нервно-мышечных препарата многострадальной лягушки укладываются так, чтобы на мышечной ткани одного лежал нерв другого. Раздражая первую мышцу холодом, электричеством или каким-либо химическим веществом, можно увидеть, как вторая мышца начинает отчетливо сокращаться.

Понятное дело, нечто подобное попытались обнаружить и у растений. И действительно, токи действия были обнаружены в опытах с черешками листьев мимозы - растения, которое, как известно, способно совершать механические движения под действием внешних раздражителей. Причем наиболее интересные результаты были получены Бердон-Сандерсом, исследовавшим токи действия в закрывающихся листьях насекомоядного растения - венериной мухоловки. Оказалось, что в момент сворачивания листа в его тканях образуются точно такие же токи действия, как в мышце.

И наконец выяснилось, что электрические потенциалы в растениях могут резко возрастать в определенные моменты времени, скажем, при гибели некоторых тканей. Когда индийский исследователь Бос соединил внешнюю и внутреннюю части зеленой горошины и нагрел ее до 60°С, гальванометр зарегистрировал электрический потенциал в 0,5 вольта.

Сам Бос прокомментировал этот факт таким соображением: "Если 500 пар половинок горошин собрать в определенном порядке в серии, то конечное электрическое напряжение может составить 500 вольт, что вполне достаточно для гибели на электрическом стуле не подозревающей об этом жертвы. Хорошо, что повар не знает об опасности, которая ему угрожает, когда он готовит это особенное блюдо, и, к счастью для него, горошины не соединяются в упорядоченные серии".

Аккумулятор - клетка. Понятное дело, исследователей заинтересовал вопрос, какой же минимальной величины может быть живая батарейка. Одни для этого стали выскребать все большие полости внутри яблока, другие - крошить горошины на все более мелкие кусочки, пока не стало понятно: для того чтобы добраться до конца этой "лестницы дробления", придется вести исследования на клеточном уровне.

Клеточная оболочка напоминает некий панцирь, состоящий из целлюлозы.

Ее молекулы, представляющие собой длинные полимерные цепочки, сворачиваются в пучки, образуя нитевидные тяжи - мицеллы. Из мицелл, в свою очередь, складываются волокнистые структуры - фибриллы. А уж из их переплетения и составляется основа клеточной оболочки.

Свободные полости между фибриллами могут частично или полностью заполняться лигнином, амилопектином, гемицеллюлозой и некоторыми другими веществами. Иначе говоря, как выразился однажды немецкий химик Фрейдснберг, "клеточная оболочка напоминает железобетон", в котором мицеллярным тяжам отводится роль арматуры, а лигнин и другие наполнители представляют собой своеобразный бетон.

Однако есть тут и существенные отличия. "Бетон" заполняет лишь часть пустот между фибриллами. Остальное же пространство заполнено "живым веществом" клетки - протопластом. Его слизистая субстанция - протоплазма содержит в себе мелкие и сложно организованные включения, ответственные за важнейшие процессы жизнедеятельности. Скажем, хлоропласта отвечают за фотосинтез, митохондрии - за дыхание, а ядро - за деление и размножение. Причем обычно слой протоплазмы со всеми этими включениями прилегает к клеточной стенке, а внутри протопласта больший или меньший объем занимает вакуоль - капля водного раствора различных солей и органических веществ. Причем иногда в клетке может быть несколько вакуолей.

Различные части клетки разделены между собой тончайшими пленками мембранами. Толщина каждой мембраны всего лишь несколько молекул, однако нужно отметить, что молекулы эти довольно крупные, и потому толщина мембраны может достигать 75- 100 ангстрем. (Величина как будто действительно большая; впрочем, не будем забывать, что сам-то ангстрем составляет всего-навсего 10" см.)

Однако так или иначе в структуре мембраны можно выделить три молекулярных слоя: два наружных образуются молекулами белков и внутренний, состоящий из жироподобного вещества - липидов. Такая многослойность придает мембране избирательность; говоря совсем уж упрощенно, различные вещества просачиваются через мембрану с различной скоростью. И это дает возможность клетке выбирать из окружающей вреды наиболее нужные ей вещества, аккумулировать их внутри.

Да что там вещества! Как показали, например, эксперименты, проведенные в одной из лабораторий Московского физико-технического института под руководством профессора Э.М.Трухана, мембраны способны вести разделение даже электрических зарядов. Пропускают, скажем, на одну сторону электроны, в то время как протоны проникнуть сквозь мембрану не могут.

Насколько сложна и тонка работа, которую приходится вести ученым, можно судить по такому факту. Хоть мы и говорили, что мембрана состоит из довольно больших молекул, все равно толщина ее, как правило, нс превышает 10' см, одной миллионной доли сантиметра. И толще ее сделать нельзя иначе резко падает эффективность разделения зарядов.

И еще одна трудность. В обычном зеленом листе за перенос электрических зарядов отвечают также хлоропласты - фрагменты, содержащие в своем составе хлорофилл. А эти вещества нестойкие, быстро приходящие в негодность.

- Зеленые листья в природе живут от силы 3-4 месяца, - рассказывал мне один из сотрудников лаборатории кандидат физико-математических наук В.Б.Киреев. - Конечно, создавать на такой основе промышленную установку, которая бы вырабатывала электричество по патенту зеленого листа, бессмысленно. Поэтому нужно либо найти способы делать природные вещества более стойкими и долговечными, либо, что предпочтительнее, отыскать им синтетические заменители. Над этим мы сейчас как раз и работаем...

И вот недавно пришел первый успех: созданы искусственные аналоги природных мембран. Основой послужила окись цинка. То есть самые обыкновенные, всем известные белила...

Добытчики золота. Объясняя происхождение электрических потенциалов в растениях, нельзя остановиться лишь на констатации факта: "Растительное электричество" есть результат неравномерного (пусть даже и весьма неравномерного!) распределения ионов между различными частями клетки и средой. Тут же появляется вопрос: "А почему такая неравномерность возникает?"

Известно, например, что для возникновения разности потенциалов 0,15 вольт между клеткой водоросли и водой, в которой она живет, необходимо, чтобы концентрация калия в вакуоли была примерно в 1000 раз выше, чем в "забортной" воде. Но известен науке так же и процесс диффузии, то есть самопроизвольного стремления любого вещества равномерно распределиться по всему доступному объему. Почему же в растениях этого не происходит?

В поисках ответа на такой вопрос нам придется затронуть одну из центральных проблем в современной биофизике - проблему активного переноса ионов через биологические мембраны.

Начнем опять-таки с перечисления некоторых известных фактов. Почти всегда содержание тех или иных солей в самом растении выше, чем в почве или (в случае водоросли) в окружающей среде. Например, водоросль нителла способна накапливать калий в концентрациях в тысячи раз выше, чем в природе.

Причем многие растения накапливают не только калий. Оказалось, к примеру, что у водоросли кадофора фракта содержание цинка было в 6000, кадмия - в 16 000, цезия - в 35 000 и иттрия - почти в 120 000 раз выше, чем в природе.

Этот факт, кстати сказать, навел некоторых исследователей на мысль о новом способе добычи золота. Вот как, к примеру, иллюстрирует его Гр. Адамов в своей книге "Тайна двух океанов" - некогда популярном авантюрно-фантастическом романе, написанном в 1939 году.

Новейшая подводная лодка "Пионер" совершает переход через два океана, время от времени останавливаясь с чисто научными целями. Во время одной остановки, группа исследователей прогуливается по морскому дну. И вот...

"Внезапно зоолог остановился, выпустил руку Павлика и, отбежав в сторону, поднял что-то со дна. Павлик увидел, что ученый рассматривает большую черную замысловато завитую раковину, засунув металлический палец скафандра между ее створок.

- Какая тяжелая... - бормотал зоолог. - Словно кусочек железа... Как странно...

- Что это, Арсен Давидович?

- Павлик! - воскликнул вдруг зоолог, с усилием раскрывая створки и пристально разглядывая заключенное между ними студенистое тело. - Павлик, это новый вид класса пластинчатожаберных. Совершенно неизвестный науке...

Интерес к таинственному моллюску еще более разгорелся, когда зоолог объявил, что при исследовании строения тела и химического состава нашел в его крови огромное количество растворенного золота, благодаря чему и вес моллюска оказался необычным".

В данном случае писатель-фантаст ничего особо не выдумал. Действительно, идея использования различных живых организмов для извлечения золота из морской воды в какой-то момент владела многими умами. Поползли легенды о кораллах и раковинах, накапливающих золото едва ли не тоннами.

Основывались эти легенды, впрочем, на действительных фактах. Еще в 1895 году Леверсидж, проанализировав содержание золота в золе морских водорослей, нашел, что оно довольно высоко - 1 г на 1 т золы. В канун первой мировой войны было предложено несколько проектов учреждения подводных плантаций, на которых бы выращивались "золотоносные" водоросли. Ни один из них, впрочем, не был осуществлен.

Поняв, что проводить какие-либо работы в Мировом океане довольно накладно, золотоискатели-ботаники перекинулись на сушу. В 30-е годы группой профессора Б.Немеца в Чехословакии были проведены исследования золы различных сортов кукурузы. Так вот, результаты анализа показали, что индейцы вовсе не зря считают это растение золотым - в его золе благородного металла оказалось довольно много: опять-таки 1 г на 1 т золы.

Впрочем, еще большим оказалось его содержание в золе сосновых шишек до 11 г на 1 т золы.

Роботы клетки. Однако "золотая лихорадка" вскоре затихла, поскольку никому не удалось ни заставить растения накапливать золото в большей концентрации, ни разработать достаточно дешевый способ извлечения его хотя бы из золы. Но растения продолжают использовать как своеобразные указатели в геологоразведке. И поныне геологи иногда ориентируются на те или иные виды растений. Известно, например, что некоторые виды лебеды растут только на почвах, богатых солью. И геологи пользуются этим обстоятельством для разведки как месторождений соли, так и запасов нефти, часто залегающих под солевыми пластами. Подобный же фитогеохимический метод используется для поиска месторождений кобальта, сульфидов, урановых руд, никеля, кобальта, хрома и... все того же золота.

И вот тут, видимо, самое время вспомнить о тех мембранных насосах, которые известный наш ученый С.М.Мартиросов назвал однажды биороботами клетки. Именно благодаря им сквозь мембрану и прокачиваются избирательно те или иные вещества.

Тех, кто всерьез заинтересуется принципами работы мембранных насосов, я отсылаю непосредственно к книжке Мартиросова "Бионасосы - роботы клетки?", где на 140 страницах довольно подробно, с формулами и схемами изложены многие тонкости. Мы же здесь постараемся обойтись минимумом.

"Биологическим насосом называется молекулярный механизм, локализованный в мембране и способный транспортировать вещества, используя энергию, высвобождаемую при расщеплении аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), или утилизируя любой другой вид энергии", - пишет Мартиросов. И далее: "К настоящему времени создалось мнение, что в природе имеются только ионные насосы. И так как они хорошо изучены, мы можем внимательно проанализировать их участие в жизнедеятельности клеток".

Разными хитростями и окольными путями - ведь не забывайте, ученым приходится иметь дело с микроскопическим объектом толщиной в 10" см ученым удалось установить, что мембранные насосы не только обладают свойством обменивать ионы натрия клетки на ионы калия наружной среды, но и служат источником электрического тока.

Дело в том, что натриевый насос обычно обменивает два иона натрия на два иона калия. Таким образом, один ион как бы оказывается лишним, из клетки все время выносится избыточный положительный заряд, что и приводит к генерированию электрического тока.

Ну а откуда сам мембранный насос черпает энергию для своей работы? В попытках ответить на этот вопрос в 1966 году английский биохимик Петер Митчел выдвинул гипотезу, одно из положений которой гласило: поглощение света живой клеткой неминуемо приводит к тому, что в ней возникает электрический ток.

Гипотезу англичанина развили член-корреспондент РАН В.П.Скулачев, профессора Е.Н.Кондратьева, Н.С.Егоров и другие ученые. Мембраны стали сравнивать с накопительными конденсаторами. Было уточнено, что в мембране есть особые белки, которые разбирают молекулы солей на составные части положительно и отрицательно заряженные ионы, и они в конце концов оказываются по разные стороны. Так накапливается электрический потенциал, который даже удалось измерить - он составляет почти четверть вольта.

Причем интересен принцип самого измерения потенциала. Ученые, работавшие под руководством В.П.Скулачева, создали оптическую измерительную аппаратуру. Дело в том, что им удалось найти такие красители, которые, будучи помещенными в электрическое поле, меняют свой спектр поглощения. Более того, некоторые из таких красителей, например хлорофилл, имеются в растительных клетках постоянно. Так вот, замерив изменение его спектра, исследователям и удалось определить величину электрического поля.

Говорят, что за этими внешне малозначительными фактами могут в скором будущем последовать грандиозные практические последствия. Разобравшись как следует в свойствах мембраны, механизме работы ее насосов, ученые и инженеры когда-нибудь создадут ее искусственные аналоги. А те, в свою очередь, станут основой электростанции нового типа - биологических.

В каком-нибудь месте, где всегда много солнца - например, в степи или пустыне, - люди раскинут на сотнях подпорок ажурную тонкую пленку, которая может покрыть площадь даже в десятки квадратных километров. А рядом поставят привычные трансформаторы и опоры ЛЭП. И произойдет очередное техническое чудо, основанное на патентах природы. "Сеть для ловли солнечного света" станет исправно давать электроэнергию, не требуя для своей работы ни гигантских плотин, как ГЭС, ни расхода угля, газа и иного топлива, как ТЭС. Достаточно будет одного солнца, которое, как известно, светит нам пока что бесплатно...