АЛЛЕЛОПАТИЯ - НАУКА О ВЗАИМООТНОШЕНИЯХ РАСТЕНИЙ
В. ГАЛУЗИНСКАЯ (г. Киев)
У нас в гостях украинский журнал «Наука i суспiльство». Новая область биологии - аллелопатия находится на стыке многих научных дисциплин. Она позволяет понять тайные причины смены растительных ассоциаций, разобраться в процессах утомления почвы, создавать высокопродуктивные смешанные посевы, биологическими методами подавлять сорные растения, бороться с загрязнением воды, воздуха и почвы.
ВИНОГРАД ОТВОРАЧИВАЕТСЯ ОТ КАПУСТЫ
Представления о том, что живое или умершее растение воздействует на окружающую среду, не так уж новы. Вспоминаем Пушкина:
К нему и птица не летит,
И тигр нейдет - лишь вихорь черный
На древо смерти набежит
И мчится прочь уже тлетворный.
И если туча оросит,
Блуждая, лист его дремучий,
С его ветвей уж ядовит
Стекает дождь в песок горючий.
Можно сказать, что здесь в поэтической форме описана суть явления аллелопатии - воздействие растения водорастворимыми и летучими веществами на другие организмы.
Взаимное влияние растений очень давно было известно земледельцам, но они могли говорить лишь о «капели», «соке», «тени» - химии, как науки, ведь еще не было. 2300 лет назад «отец ботаники». Феофраст в «Исследовании о растениях» ни сал «Бывает, что одно дерево губит другое, отбирая от него пищу и мешая ему жить в других отношениях. Плохо соседство с плющом, плохо, и с люцерной древовидной они, можно сказать, губят все деревья. Сильнее оказывается лебеда она губит и люцерну древовидную». И далее «Некоторые растения не губят других, но ухудшают вкус и запах их плодов таково влияние капусты и лавра на виноградную лозу. Говорят, что вино впитывает в себя капустный запах и отдает капустой. Поэтому, если росток молодой лозы оказывается по соседству с капустой, то он отворачивается в другую сторону, как бы потому, что запах капусты для него враждебен»
«Белая чемерица встречается редко. Самую лучшую, которая преимущественно и идет в употребление, получают из четырех мест с Эты, с Понта, из Элеи, и с Малей. В Элее, говорят, она растет по виноградникам и делает вино таким мочегонным, что люди, которые его пьют, худеют до такой степени, что у них втягивается живот»
СЕКРЕТ «ЯБЛОЧНОГО ДУХА»
Многие столетия взаимодействие растений почти не изучалось. Но, какой-то практический опыт накапливался. Правда, в анналах науки сведений очень мало. В конце XVIII, и начале XIX столетий гумусная теория питания растений дала толчок развитию взглядов на взаимовлияние растений токсическими продуктами их жизнедеятельности.
История любой науки - это прежде всего летопись борьбы идей, людей, влияний.
Ботаника не составляет исключения. В конце XVIII столетия фотосинтез уже был известен и считался интересным, но малозначительным феноменом ботаники. Процветала теория питания растений гумусом. Общепринятым было представление о том, что растение строит свое тело за счет поглощаемого из почвы органического вещества - гумуса. Считалось, что гумус появляется при гниении отмерших тел растений и животных, от корневых выделений. Такой взгляд на развитие растения был прочной основой для аллелопатических представлений. «Таковое растений испражнение часто, как испражняющим, так и в близости растущим, иногда пользу, а иногда вред наносит. отсюду явствует, для чего часто одни растения подавляют другия», - писал ботаник Н. Амбодик-Максимович в 1796 году.
Представление о химическом взаимодействии растений было изложено французским ботаником О. Декандолем в его «Исследованиях по физиологии растений», и теории севооборота. Обосновывая свою теорию, автор исходил из того, что в природных условиях практически почти никогда не растет только один вид и растения чередуются. Причину он видел в корневых выделениях растения, которые для него самого неприемлемы и вредны, но могут быть обязательным фактором существования другого растения. Иначе говоря, в первых теориях севооборотов уже присутствовали представления об аллелопатии.
В 1840 году немецкий ученый Ю. Либих и его ученики обосновали теорию минеральных удобрений. Они доказали, что растения вполне могут обходиться без органических соединений в почве, а основа урожая - это фотосинтез и минеральные удобрения, которые человек благодаря химии может возвратить в грунт. Гумусная теория была раскритикована и отвергнута, а вместе с ней отброшены и аллелопатические идеи, и представления.
Оказалось, однако, что растение, хотя и может обходиться без органических соединений в почве, в, какой-то мере все же их потребляет и это обстоятельство влияет на урожай. Оно же - основа аллелопатического взаимодействия растений. В пафосе отрицания теории гумуса было потеряно и одно из важнейших ее практических достижений - обоснование взаимного влияния растений.
Фактов о влиянии растений друг на друга к семидесятым годам было накоплено так много, что в конце своей жизни Либих уже не отрицал проникновения органических соединений в растения. Он писал «Мы позднее еще увидим, что растение способно поглощать своими корнями органические соединения и их усваивать. Это открытие сделано уже очень давно и в последнее время подтверждено»
В конце прошлого и начале нынешнего столетия многими учеными исследовалось утомление почвы. Объяснялось оно токсическими выделениями растений. Опытами русских исследователей Богданова, Перитурина, Ищерякова выяснилось, что промывные воды, проходящие через корни растений, положительно влияют на рост полевых культур и плодовых деревьев.
Наблюдения, которые древними авторами излагаются, как факты, проявились в науке в виде гипотезы - причиною понижения плодородности почвы могут быть накопления токсичных выделений корнями растений.
Наконец, полвека назад, в 20 - 30-е годы, эта гипотеза, состоящая из эмпирических наблюдений и отдельных фактов, превращается в научно обоснованную теорию Толчок дали исследования летучих веществ, выделяемых растениями. Известный венский физиолог Г. Молиш для названия новой науки предлагает термин «аллелопатия» от греческих слов «взаимный», и «влияние»
Если первой своей обоснованной гипотезой аллелопатия обязана теории гумуса, то в ранге науки ее утвердили исследования «яблочного воздуха» (запаха спелых яблок), и светильного газа. В этих летучих веществах Г. Молиш обнаружил этилен, влияющий на развитие растений.
После четырнадцатилетних экспериментов (1938 - 1952 гг.) академик М. Г. Холодный создал свою теорию, по которой взаимодействие между растениями является, как бы кругооборотом летучих ненасыщенных углеводов. Они создаются микроорганизмами в почве, а оттуда попадают в атмосферу. Но, и высшие растения по теории Холодного продуцируют легкие высокоактивные вещества, которые он назвал атмовитаминами - дыхательными витаминами.
ЯБЛОНИ У ЛЕСОПОЛОСЫ
Идеи Холодного подтверждены работами многих зарубежных ученых, а в нашей стране - исследованиями лаборатории аллелопатии Центрального республиканского ботанического сада АН Украины, руководимой членом - корреспондентом АН УССР Андреем Михайловичем Гродзинским.
Рассказывает А. М. Гродзинский:
В системе биологических наук взаимное влияние растений можно рассматривать, как часть наших знаний о биологически активных веществах. Они имеют разнообразнейшую природу и действуют на всех уровнях организации живого вещества от полимерных биомолекул до глобальных природных явлений.
Главный признак биологически активных веществ - они действуют в очень малых концентрациях, являясь, как бы сигналом, несущим информацию и способствующим включению или выключению сложных, саморегулирующихся биологических систем.
Аллелопатия - наука, которая изучает роль активных веществ на уровне связи между организмами в сообществе. Другая ее задача - изучение видоизменений или влияний активных веществ, которые свободно циркулируют в рамках экосистемы.
Носители аллелопатического действия - активные вещества, называемые Колинами, химическая природа которых чрезвычайно разнообразна и непостоянна даже у одного растения. И в самом широком понимании аллелопатия - это кругооборот физиологически активных веществ (колинов), которые играют роль регулятора внутренних и внешних взаимоотношений, обновляющих, развивающих и сменяющих растительный покров в биогеоценозе.
В зависимости от условий аллелопатия может играть незначительную роль, но иногда и решающую. Ее роль нельзя определить однозначно, как большую или малую, так, как влияния возникают позднее, чем взаимоотношения, основанные на соревновании за факторы жизни, но она тесно с ними связана. Вот характерный пример действия аллелопатии в сообществе растений.
Иногда можно наблюдать, как березу буквально выталкивает из лесополосы клен ясенелистный или белая акация. Березы растут в сторону лучшего освещения, наклонившись, а после сильного снегопада почти ложатся на землю. Только в нескольких метрах от лесополосы их стволы изгибаются и начинают расти вертикально вверх. То же самое заметно на яблонях, посаженных слишком близко к лесополосе.
Это явление вызвано не только недостатком света. Ведь клен серебристый или остролистный и другие деревья, создающие примерно такое же затенение, не влияют на кроны берез и яблонь - вредны лишь только белая акация и ясенелистный клен. Поэтому объяснить это явление можно только специфическими растительными выделениями.
БИОТЕСТЫ НА РОСТКАХ РЕДИСКИ
Любое растение потенциально может быть источником физиологически активных веществ - колинов. Ведь даже такие нейтральные соединения, как сахар, аминокислоты и клетчатка, которых много в любом растении, при определенных условиях могут превращаться в колины. Однако аллелопатическая активность растений не одинакова и отнюдь не все силы используют колины для сохранения или расширения своей популяции.
Как определить аллелопатическую активность того или иного растения? Изучение химического состава колинов, которые оно выделяет, почти ничего не говорит исследователю. Ведь колины - это комбинация веществ, состав которых зависит от температуры и влажности почвы, от микроорганизмов, от растений, находящихся поблизости.
Поэтому биологическое действие колинов на растения определяется методом биопроб по действию водной вытяжки из почвы вокруг исследуемого растения на прорастание семян редиса или рост корней кресс-салата.
В лаборатории аллелопатии Центрального ботанического сада АН УССР методом биопроб исследовались растворимые в воде и летучие колины в выделениях семян, плодов, корней, листьев, стеблей и цветов множества травянистых, и древесных видов растений Украины. Оказалось, что все изученные виды по силе аллелопатического воздействия можно разделить более или менее четко на три группы.
В первой - аллелопатически очень активные растения. Они растут по отдельности и никогда не создают зарослей. Из-за самоотравления не остаются на одном и том же месте, и продолжают кочевать с каждым новым поколением. Самый очевидный пример - это многолетнее растение, назы-заемое «перекати-поле». К аллелопатически активной группе относится большинство растений, создающих розетку листьев. Размножаются они семенами, которые переносятся ветром или животными. Типичные виды - катран татарский, щавель австрийский, горицвет волжский. Благодаря высокой аллелопатичности всходы этих растений хорошо развиваются даже в густых травостоях. Постепенно угнетая соседние растения, они таким образом расчищают себе место для роста.
Ко второй группе относятся растения с менее активными колинами, но все же достаточно сильными, чтобы вытеснять и угнетать другие виды. Благодаря интенсивному вегетативному размножению и способности к высокой аллелопатической активности эти виды разрастаются в виде округлых «пятен», «подушек», куртин. Из-за самоотравления в центре начинается поредение. Поэтому деградирующие куртины имеют обычно вид кольца. Самые типичные представители этой группы - пырей ползучий, пырей волосистый, куничник наземный.
Третья группа - это растения с малотоксичными колинами, которые, действуя выборочно на неприспособленные, нестойкие виды, как бы подают аллелопатический «сигнал», сообщающий, что место занято. Эти растения могут сотни лет расти на одном месте, не вызывая ни утомления почвы, ни самоотравления. К ним относятся кострица овечья, тонконог остролистный, ковыль волосистый.
Рассказывает А. М. Гродзинский
Аналогичную схему можно использовать для характеристики местностей, поскольку она помогает разобраться в порядке зарастания свободных земель. Действительно, на первой стадии появляются преимущественно однолетние травы, часть из которых очень активна в аллелопатическом отношении. Постепенно их заменяют многолетние растения, которые, размножаясь вегетативно, занимают почву в течение нескольких лет. Как правило, они менее аллелопатически активны. Наконец, когда устанавливается характерное для данной местности сообщество, в нем большинство растений составляют аллелопатически слабые виды. Такой порядок зарастания характерен, как для травянистых, так и для лесокустарниковых сообществ.
Действие колинов зависит от их концентрации. В больших количествах они угнетают соседние растения, в малых могут действовать, как стимуляторы. Как правило, чем ближе растение к источнику колинов, тем сильнее угнетение, чем дальше - тем угнетение оказывается слабее, пока не превращается в стимуляцию.
В естественных условиях такую закономерность легко проследить вблизи, например, посадки дуба. Рост сои, кукурузы, фасоли характеризуется здесь одинаковыми одновершинными кривыми с максимумами на расстоянии 5 - 6 метров от деревьев, хотя содержание удобрений в этом месте самое низкое.
Действие колинов проявляется в первую очередь на протоплазме клетки. Стимулирующая концентрация колинов повышает содержание воды, тогда, как высокие концентрации ведут к потере воды, следовательно, к коагуляции протоплазмы.
Колины действуют на процессы роста растений, на процессы деления, растяжения и дифференциации клеток, реакции дыхания и фотосинтеза, поступление воды, питательных веществ и другие проявления жизнедеятельности растений.
Поэтому многообразное действие механизма аллелопатии должно тщательно изучаться не только в естественных условиях, но, и в биологически замкнутых системах, которые проектируются для выращивания растений на Земле и в Космосе.
РАСТЕНИЯ В КОСМИЧЕСКОМ КОРАБЛЕ
В длительном странствии по Космосу человеку понадобится все, что он имеет на своей родной планете. Корабль для жизнеобеспечения человека должен представлять собою миниатюрную модель Земли. Простейшее решение проблемы - запасаться консервированной пищей, водой свободным кислородом - неприемлемо при длительных полетах из-за огромных затрат на транспортировку. Один из путей - построение биологически замкнутой системы с участием высших растений. Впервые эта идея была высказана К. Э. Циолковским. В 1915 - 1917 годах русский инженер Ф. А. Цандер провел первые эксперименты - он попытался выращивать овощи на древесном угле, используя отходы жизнедеятельности человека.
Киевские ботаники попытались моделировать условия, в которых растения окажутся в Космосе, чтобы обнаружить примерный круг проблем, возникающих при разработке конкретной биологически замкнутой системы.
Многие механизмы аллелопатического влияния несущественны в системе жизнеобеспечения космического корабля. Здесь нет росы и ливней, смывающих колины с листьев. Опавшие листья не могут образовывать токсичную подстилку для растений, нет почвы, поглощающей летучие соединения. Здесь гораздо вероятнее физиологическое воздействие запахов и возможны такие механизмы химического воздействия, которые нельзя наблюдать в природе.
Например, при длительном использовании питательных растворов для выращивания овощей урожай постепенно падает.
Прежде всего оказалось, что микрофлора гидропонных сред значительно отличается от типичной микрофлоры почв.
Микроорганизмы участвуют в разложении органической массы и выделяют вещества с сильным биологическим действием.
Как же избежать токсичности субстратов, на которых выращиваются растения?
В условиях гидропоники очень важно сохранить равновесие между потребностями микроорганизмов и растений, не допуская антагонистических отношений и конкуренции за питательные вещества. Возможно, в условиях Космоса для поддержания правильного микробиологического режима понадобится специально инфицировать растворы и растения суспензией, богатой микроорганизмами, не являющимися антагонистами растений и человека.
Другой путь - подобрать режим очистки растворов, точно зная химическую природу образующихся веществ. Токсичность раствора из-под огурцов и томатов, например, значительно падала после десятичасового продувания воздухом, пастеризации и стерилизации, введения очищающих адсорбентов.
В космическом корабле можно будет воздействовать и на процессы роста растений. В замкнутой биологической системе потребуется жестко контролировать концентрацию этилена в камерах. Поскольку этилен выделяют растения на всех этапах развития - от прорастания семян до созревания плодов, - в замкнутой биологической системе он будет важным фактором воздействия одних растений на другие.
Известно, что этилен задерживает развитие проростков гороха, рост корней фасоли, образование клубней у картофеля. В малых дозах ускоряет распускание почек, прорастание пыльцы у подснежников и нарциссов.
В лаборатории аллелопатии на экспериментах с хлопчатником установили, что между концентрацией этилена в атмосфере опытных камер и подавлением роста растений существует прямая связь. Увеличение доз этилена все больше и больше угнетало проростки хлопчатника. При этом обнаружилось, что действие биогенного этилена, выделенного из спелых яблок, аналогично действию синтезированного.
Явления, с которыми человек сталкивается в биологически-замкнутой системе, позволяют легче обнаружить и изучить те закономерности на Земле, которые из-за больших размеров биосферы ранее не были, да, и не могли быть замечены. В этом одно из важнейших преимуществ космических исследований.
В будущем аллелопатия, безусловно, найдет еще немало применений, как в познавании тайн природы, так и в хозяйственной жизни человека.
Читайте в любое время
