Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 2 (страница 57)

То, что передвижение идет по ситовидным трубкам, было потверждено в изящных экспериментах, в которых была использована способность тлей питаться переносимыми по флоэме сахарами. Тля прокалывает ткани растения с помощью своего специализированного ротового аппарата; в этот аппарат входят чрезвычайно тонкие трубчатые "стилеты", которые медленно проталкиваются через ткани растения до тех пор, пока не достигнут флоэмы. Как видно из рис. 14.25, такие стилеты могут проникать в индивидуальную ситовидную трубку.

Рис. 14.25. А. Тля, хлопок которой проник через эпидермис листа. Б. Хоботок тли, вошедший в отдельную ситовидную трубку

Если обездвижить тлю двуокисью углерода и затем удалить тело, оставив стилеты внутри растения, содержимое ситовидной трубки будет продолжать проталкиваться через колюще-сосущий ротовой аппарат гидростатическим давлением в ситовидной трубке; выходящую наружу жидкость можно собрать с помощью микрокапилляра. Этот прием нашел ряд полезных приложений, например для измерения скорости тока жидкости в ситовидных трубках (по скорости ее выхода из капилляра) и для анализа их содержимого.

Наконец, повышение чувствительности пленки, используемой для микрорадиоавтографии, позволило точно локализовать соединения, меченные слабо излучающим изотопом водорода тритием (3Н), именно в ситовидных трубках, а не в каких-либо иных клетках флоэмы. Изотоп вводили в составе той или другой аминокислоты или же сахарозы.

Все эти опыты позволили также установить, что самые разные вещества переносятся по флоэме одновременно и вверх и вниз, хотя такое двустороннее движение происходит, вероятно, не в одной и той же ситовидной трубке, а в разных трубках, расположенных по соседству друг с другом.?

14.8.4. Механизм транслокации веществ по флоэме

В разд. 14.8.1 были перечислены факты, которые должны быть учтены в любой гипотезе. В последующих разделах мы нарисовали картину активной флоэмы, по которой через очень тонкие ситовидные трубки с относительно большой скоростью переносятся большие количества материала. Внутри трубок имеются добавочные препятствия — ситовидные пластинки; кроме того, есть и другие структурные особенности (в частности, наличие флоэмного белка), о роли которых ничего не известно. Если мы учтем еще один факт, а именно то, что вся система очень хрупка и легко повреждается при всяком постороннем вмешательстве, станет понятно, что исследователям было очень трудно выяснить, механизм транслокации по ситовидным трубкам.

Многие сейчас считают, что по ситовидным трубкам идет массовый поток раствора, т. е. перемещение всей массы воды и растворенных в ней веществ в одном направлении, в отличие от диффузии, при которой различные молекулы и ионы перемещаются независимо друг от друга. Сама по себе диффузия — слишком медленный процесс, чтобы им можно было объяснить наблюдаемую скорость передвижения веществ. Сейчас мы перечислим данные, которые указывают на то, что по ситовидным трубкам идет массовый поток вещества.

1. Когда флоэму перерезают, начинает вытекать сок; по-видимому, он движется путем массового потока. Иногда это используют в практических целях для получения сахара. Так, например, сахарная пальма (аренга) "плачет", выделяя ежедневно по 10 л сахаристого сока.

2. Длительное вытекание раствора сахарозы через хоботок тли (см. разд. 14.8.8) говорит о наличии в ситовидных трубках гидростатического давления.

3. Некоторые вирусы переносятся по флоэме, что указывает на массовый поток, а не диффузию, так как вирус не находится в растворе и переносится пассивно. Основные споры касаются механизма самого массового протока, и сейчас мы рассмотрим важнейшие гипотезы.

Гипотеза Мюнха о перемещении под давлением

В 1930 г. Мюнх предложил чисто физическую гипотезу, объясняющую, как происходит транслокация в ситовидных трубках. Эта гипотеза проиллюстрирована с помощью модели на рис. 14.26.

Рис. 14.26. Физическая модель, иллюстрирующая гипотезу Мюнха о том, что транслокация по флоэме происходит за счет массового потока. Моделируемые части живого растения: А — источник ассимилятов, например лист; В — флоэма; С — ткани, потребляющие ассимиляты, например корни, меристемы, плоды; D — ксилема, клеточные стенки и межклеточные пространства

В этой модели вода исходно стремится переходить путем осмоса из D в А и в С, но это стремление для А больше, так как раствор в А более концентрирован, чем в С. По мере того как вода входит в А, в замкнутой системе А-В-С создается тургорное (гидростатическое) давление, заставляющее воду выходить из С. Массовый поток раствора проходит через В в соответствии с установившимся градиентом гидростатического давления. Кроме того, существует и градиент осмотического давления, направленный от А к С. В конце концов вся система приходит в равновесие, когда содержимое А разбавляется водой, а в С накапливаются растворенные вещества. Эту модель можно применить и к живым растениям. Отсек А соответствует тканям листа, образующим сахар в процессе фотосинтеза, в результате чего повышается осмотическое давление в клетках листа. Вода, поступающая к листьям по ксилеме (D), входит в клетки листа за счет осмоса и повышает тургорное давление в них. Одновременно сахара расходуются потребителями ассимилятов, например корнями (С), для самых разных целей, в том числе для дыхания и синтеза целлюлозы. Это понижает осмотическое давление в клетках таких тканей. Между листьями и корнями (или, в более общей форме, между источниками ассимилятов и их потребителями) создается градиент гидростатического давления, что приводит к массовому потоку жидкости. Равновесие никогда не достигается, так как растворенные вещества все время расходуются тканями-потребителями (С) и непрерывно образуются в ассимилирующих тканях (А).

Гипотеза Мюнха дает чисто физическое объяснение току под давлением, но она не объясняет, почему ситовидные трубки должны быть живыми и метаболически активными. Кроме того, она не позволяет объяснить тот факт, что клетки листа способны загружать ситовидные трубки ассимилятами против градиента концентрации, т.е. факт более высокого осмотического давления в ситовидных трубках по сравнению с клетками листа. Поэтому гипотеза была видоизменена — в нее включили активный механизм переноса растворенных веществ в ситовидные трубки. В этом случае градиент осмотического и гидростатического давления начинается не в фотосинтезирующих клетках, а в ситовидных трубках. Кроме того, полагают, что разгрузка флоэмы на уровне потребителей — тоже активный процесс.

Данные в пользу гипотезы Мюнха

1. Согласно этой гипотезе, по ситовидным трубкам идет массовый поток вещества, и это скорее всего верно (соответствующие данные приводились выше).

2. Гипотеза исходит из существования осмотического градиента и высокого тургорного (гидростатического) давления во флоэме. Оба этих фактора продемонстрированы у ряда растений.

Данные против гипотезы Мюнха

1. Для того чтобы растворенные вещества передвигались с наблюдаемой скоростью, нужны относительно высокие градиенты гидростатического давления. Если ситовидные поры полностью открыты, достаточно будет градиента около 100 кПа/м, однако существование столь крутых градиентов до сих пор остается сомнительным. Если же поры ситовидных пластинок заполнены цитоплазмой или флоэмным белком, т.е. имеются значительные препятствия для потока, расчетные величины нужного давления становятся совершенно нереальными.

2. Гипотеза Мюнха не объясняет, для чего нужны ситовидные пластинки и флоэмный белок, которые, по-видимому, создают дополнительные препятствия для массового потока.

Электроосмос

Механизм, основанный на электроосмосе, предложили независимо друг от друга Фенсом в 1957 г. и Спэннер в 1958 г. Явление электроосмоса иллюстрирует рис. 14.27. Электроосмос обусловлен наличием поверхности с фиксированным зарядом, находящейся в ионном растворе. Эта поверхность приобретает заряд, когда молекулы, из которых она состоит, начинают отдавать ионы. Например, если нерастворимые молекулы (скажем, молекулы фибриллярного белка), помещенные в воду, начинают освобождать ионы водорода, то эти положительно заряженные ионы могут свободно перемещаться в растворе, а в том месте, где они были раньше, создается отрицательно заряженная поверхность, состоящая из неподвижных молекул. В результате раствор несет подвижный положительный заряд, который сбалансирован с неподвижным отрицательным зарядом. Если к заряженной поверхности приложить разность потенциалов, положительные ионы будут двигаться к отрицательно заряженному электроду (катоду). Каждый ион окружен оболочкой из молекул воды (рис. 5.5) и движется вместе с нею, а также с другими ионами и незаряженными молекулами типа сахарозы в массовом потоке всего раствора, проходящего мимо фиксированного заряда (рис. 14.27).

Рис. 14.27. Электроосмос. В случае, показанном на рисунке, закрепленная поверхность заряжена отрицательно, а раствор несет соответствующий суммарный положительный заряд

В ситовидных трубках такими фиксированными заряженными поверхностями могли бы служить боковые клеточные стенки, ситовидные пластинки и флоэмный белок; все они были бы заряжены отрицательно при тех щелочных условиях, которые обычно создаются внутри флоэмы. Гипотеза Спэннера видоизменялась несколько раз, но "окончательная новая форма", опубликованная в 1979 г.[15], может быть вкратце изложена так: