Эти исследования были предметом полемики и долгих научных споров между учителем Пфеффера и Чарлзом Дарвином и определили направление научной карьеры молодого ботаника. Его опыты доказали правоту Дарвина, а не Сакса, что закрыло ему перспективы продолжения научной карьеры в Германии. В те времена противоречить своему научному руководителю было не принято. Так, Пфеффер, подгоняемый необходимостью восстановить свое доброе имя исследователя, подпорченное скандалом с Саксом, и осознав перспективы, открываемые перед ним изобретением кинематографа, начал раздумывать над возможностью использовать новую технологию в качестве инструмента для исследования движения растений.
Биологи и ботаники веками уклонялись от изучения форм поведения растений, пытаясь любой ценой защитить сложившиеся представления о мирах животных и растений, считая «аномалией» или «аберрантным поведением» способность некоторых растений к быстрым движениям. Эти виды даже называли ошибочно зооспорами, специально, чтобы подчеркнуть их близость к животному миру.
Удивление и восторг тех, кто может наблюдать подобные движения вполне объяснимы; движения мимозы стыдливой, к примеру, вызывают удивление всех, кто ее наблюдает – обычные люди убеждены в том, что неподвижность – это фундаментальная характеристика растений, отличающая их от мира животных.
Попытка Пфеффера сделать наглядной двигательную активность растений стала историей научного успеха. Спустя несколько месяцев после киносеанса братьев Люмьер Пфефер был готов показать свой фильм потрясенной группе коллег-биологов. Они впервые в истории смогли увидеть растения в движении, исследовать направления и характеристики этого движения, поведение растений.
На глазах у пораженных ученых немецкий ботаник показал последовательность цветения тюльпана, дневные движения и ночной сон Мимозы стыдливой (и снова она), постоянные шевеления телеграфного растения (Desmodium gyrans), и наконец, жемчужину своей коллекции, самую трудоемкую работу – рост и подземное движение корней, ощупывающих почву, будто червяки или муравьи.
Телеграфное растение (Codariocalyx motorius) – представитель семейства бобовых, распространенный в тропическом поясе Азии. Оно известно своей способностью непрерывно шевелить листочками, настолько быстро, что это можно заметить невооруженным глазом. Цель этого движения пока остается загадкой.
Благодаря Пфефферу сбылась мечта многих ученых – еще в IV веке до нашей эры, Андростен, соратник Александра Великого, заметил, что листья растений могут двигаться днем и ночью, и это стало доказанной реальностью. Пфеффер дал ботаникам инструмент, с помощью которого можно сделать видимым то, что ранее никто увидеть не мог. Точно так же, как телескоп Иоанна Липперсгея (ок. 1570–1619) (нет, это не Галилей изобрел телескоп) сделал доступными для исследований дальние глубины космоса, а микроскоп Захария Янсена (ок. 1585–1632) позволил рассмотреть все, что не видно обычному глазу, новая кинематографическая техника Вильгельма Пфеффера позволила изучать крайне медленные процессы.
Доступность этих новых граней реальности не осталась без последствий. Растения, составляющие большую часть живой массы на Земле, перестали рассматриваться в качестве предметов, а стали живыми существами, начали приоткрывать свои тайны и позволили взглянуть на удивительное многообразие доступного им движения. Это была настоящая революция в науке, изменившая общее восприятие живого. Те, кто раньше смотрел на розовый куст или липовое дерево как на что-то, доставляющее эстетическое удовольствие, но бездушное, вдруг почувствовали интерес и нечто вроде уважения к растениям.
В период между последними годами XIX века и Первой мировой войной были весьма распространены исследования, посвященные феномену тропизма (движения под воздействием внешних сил). Но после открытия Пфеффера биологи посвятили себя изучению собственных (независимых от внешних стимулов) движений растений, их поведению и в конечном итоге их когнитивным способностям. Кульминационным моментом исследований стала речь, прочитанная сэром Френсисом Дарвином на открытии ежегодного конгресса Британской ассоциации содействия развитию науки 2 сентября 1908 года. В своей речи первый преподаватель новой науки, получившей название «физиология растений» и сын великого ученого Чарлза Дарвина без обиняков заявил, что растения представляют собой организмы, наделенные интеллектом, и не отличаются от остальных представителей живого мира.
Так, благодаря изобретению Пфеффера, сегодня мы уже различаем различные типы двигательной активности растений, отличаем активное движение от пассивного и понимаем, как возможно движение существа, не обладающего мышцами. Эти знания имеют ключевое значение для будущего современных технологий, особенно в области создания новых материалов.
Шишки и овес
Собственные движения растений требуют дополнительных энергетических затрат, в то время как на пассивное движение под воздействием внешних факторов тратится энергия окружающей среды. Например, многие растения используют разницу в дневном и ночном уровнях влажности для того, чтобы выполнить сложные перемещения. Весьма важной общей характеристикой всех двигательных активностей растений является, как уже неоднократно было отмечено выше, отсутствие у них специальных белковых структур, предназначенных для движения – мускулов. Их движения имеют гидравлическую природу, то есть в их основе лежит перемещение воды – парообразной либо жидкой, сквозь растительную ткань.
Активное движение является прямым следствием изменения тургора клетки[9], вызванное осмотическим давлением воды на клеточную мембрану. Вода притекает в клетку при изменении концентраций клеточных растворов и вызывает рост давления на мембрану и стенки клетки, клетка раздувается и двигает части растения. Регулируя концентрацию клеточных растворов, растения могут совершать такие движения, как открытие-закрытие устьиц и цветов: мимоза может сложить листочки, а венерина мухоловка – схватить жертву. Пассивные же движения связаны с изменением гигроскопичности[10] некоторых составляющих клеточной стенки. Эти составляющие типичны именно для растительной клетки; я бы даже сказал, что вместе с хлоропластом (клеточная органелла, ответственная за процесс фотосинтеза) они представляют собой фирменный бренд растений. На свете не существует более ничего подобного, такой устойчивой структуры у животных просто нет. Клеточные стенки служат растению чем-то вроде скелета, они обеспечивают устойчивость структуры и способность придерживаться определенной формы. Они состоят из волокон целлюлозы, встроенных в мягкую матрицу из структурных полисахаридов, гемицеллюлозы, растворимых белков и других веществ. Именно эта мягкая матрица, распухая в нужном месте при взаимодействии с молекулами воды, и обеспечивает открывание шишек, стручков акации, выбрасывание хвостиков с семенами журавельника или дикого овса.
Устьице томатного растения, сфотографированное под микроскопом. Через устьице в растение поступает необходимый для фотосинтеза углекислый газ CO2.
Чтобы у вас не осталось сомнений или вопросов, я рассмотрю в подробностях, как происходят эти пассивные движения на конкретном и весьма распространенном в природе примере.
Венерина мухоловка (Dionaea muscipula названа по одному из имен богини Афродиты) – хищное растение, произрастающее на болотах в штатах Флорида, Северная и Южная Каролина (США).
Шишка – плод хвойного дерева, в котором созревают семена, репродуктивные органы растения, в научной терминологии она называется стробилом. Шишка может служить примером хитроумного устройства из тканей, которые язык не повернется назвать мертвыми, хоть они и совершенно сухие на первый взгляд. Чешуйки шишки открываются, когда влажность воздуха падает, и закрываются, когда она повышается. Приходилось ли вам наблюдать, что происходит с шишкой в дождливый день? Если да, то вы наверняка заметили, что под дождем шишки плотно закрываются, чтобы перекрыть утечку семян, и напротив, в солнечный день они открываются, чтобы позволить семенам разлетаться. Видимо, эта стратегия связана с тем, что при высокой влажности семена лягут рядом с материнским растением, и это помешает эффективному их распространению на большое расстояние.
Шишка (или стробил) сформирована из древесных прицветников, между которыми вызревают семена голосеменных растений. У сосновой шишки чешуйки расположены по спирали, в соответствии с последовательностью Фибоначчи.
Как же работает этот, на первый взгляд, совсем простой, но на самом деле чрезвычайно сложный механизм (особенно если принять к сведению, что растения умудряются не затратить на него ни капли собственной энергии)? Секрет спрятан в строении чешуек. Они все состоят из двух видов растительной ткани, совершенно неразличимых невооруженным взглядом: только под микроскопом можно разглядеть в чем состоит разница. Внутренняя поверхность чешуйки состоит из особых склеренхимных волокон, как бы скрученных в микроскопические канатики, а на наружной поверхности расположены волокна-склереиды, более короткие и широкие. Эти волокна по-разному взаимодействуют с водой, они имеют разную гигроскопичность. Колин Доусон, Джулиан Ф. В. Винсент и Анна-Мария Рокка в 1997 году выяснили, что изменение влажности на 1 % при температуре 23 °С увеличивает длину склереид на 33 % по сравнению со склерехимными волокнами. Так была раскрыта тайна шишки: когда вода впитывается волокнами, или, наоборот, испаряется, ткани удлиняются или, соответственно, укорачиваются, и закрывают или открывают чешуйки.
Это явление легко воспроизводится в лаборатории (это можно сделать даже дома, достаточно погрузить шишку с раскрытыми чешуйками в воду), что позволило провести тщательные исследования, вдохновившие ученых на создание принципиально новых материалов с похожими свойствами. Представьте себе, какие возможности открываются перед материалом, способным изменяться в зависимости от влажности окружающей среды? В 2013 году профессор Мингминг Ма и его коллеги из МТИ создали полимерную пленку, способную впитывать воду из атмосферы, быстро расширяться и сжиматься, создавая движение. Эта ткань может развивать давление в 27 мегапаскалей и поднимать предметы в 380 раз тяжелее собственного веса. Кроме того, подключение к пленке пьезоэлектрического элемента позволило ученым создать электрическое напряжение с пиковым значением в 1 вольт; именно такое напряжение необходимо для питания микро- и наноэлектронных устройств. И все это только за счет изменения влажности.