Высокогорные растения могут добывать азот из снега с помощью специальных «снежных корней»
|
Хохлатка (Corydalis conorhiza) — небольшое растение, обычное на высокогорных лугах Северного Кавказа, — способна извлекать необходимый ей азот из тающего снега. Для этого у нее развиваются специальные «снежные корни», которые растут вверх. Результаты изучения этого неизвестного ранее явления суммированы в совместной статье российских и голландских ученых, появившейся недавно на сайте журнала Ecology Letters.
|
Условия, с которыми сталкиваются растения, произрастающие высоко в горах, являются по сути экстремальными. Если днем в летнее время солнце здесь может и припекать, то ночью бывает очень холодно. Зима в горах наступает гораздо раньше, чем в предгорьях, а заканчивается позже. Деревья, начиная с определенной высоты, вообще расти не могут — не хватает непрерывного теплого периода, чтобы успели образоваться надежные покровные ткани (кора), способные защитить зимой от сильных холодов и ветров. Однако многолетние травянистые растения, на зиму надежно укрытые снегом, доходят до довольно больших высот. Поскольку за очень короткое лето им надо успеть вырасти, зацвести и дать семена, многие из них в течение всего вегетационного сезона накапливают питательные вещества в подземных органах (луковицах, клубеньках, корневищах), а весной, как только сойдет снег, быстро развиваются за счет этого запаса. К таким растениям относится и произрастающая на Кавказе хохлатка Corydalis conorhiza — небольшое растение с красивыми цветками из семейства маковых. Жителям средней полосы, скорее всего, известна хохлатка другого вида — Corydalis solida. Встречается она в лесах, часто на склонах лесных оврагов, и красиво цветет ранней весной, еще до появления листьев на деревьях.
|
Профессор кафедры геоботаники биологического факультета МГУ Владимир Гертрудович Онипченко, давно ведущий вместе со студентами и аспирантами полевые исследования на Северном Кавказе, некоторое время назад обратил внимание на то, что в местах массового произрастания хохлатки вся поверхность земли, освободившейся после таяния снега, бывает покрыта густой сетью очень тонких корней. Вскоре исследователи поняли, что открыли еще не описанное в биологии явление — «снежные корни», которые растут в толще снега, причем не вниз (как вообще-то полагается расти корням), а вверх, подобно воздушным корням некоторых тропических деревьев. В толще снега эти необычные корни хохлатки, как выяснилось, поднимались до полуметра над поверхностью земли.
|
Тогда же возникло предположение, что «снежные корни» используются растением для того, чтобы извлечь из тающего снега имеющиеся там элементы минерального питания, прежде всего азот, которого растениям в этих местах очень не хватает. Положение усугубляется тем, что сама поверхность земли под снегом бывает покрыта коркой льда, а вода, образующаяся при таянии снега, не впитывается в почву, а быстро стекает вниз по склону. Снежные корни как раз, видимо, и служат для того, чтобы не упустить эту влагу, а главное — содержащиеся в ней дефицитные элементы. Поскольку концентрация этих веществ в снеговой воде крайне низка, улавливающая сеть корней должна быть весьма обширной, а сами корни — очень тонкими.
В статье, которая уже появилась для предварительного просмотра (early view) на сайте журнала Ecology Letters, В. Г. Онипченко и его соавторы — сотрудники нескольких российских научных учреждений, а также голландского Свободного университета (Амстердам) впервые привели подробные сведения о снежных корнях — о том, как они устроены и как используются растением. Полевые исследования проводились на Северо-Западном Кавказе (43°27' с. ш. и 41°4' в. д.) в Тебердинском заповеднике, на склонах горы Малая Хатипара, на высоте 2800 м. Средняя годовая температура в этом месте 1,2°C, а средняя температура июля 7,5°C. За год выпадает примерно 1400 мм осадков, в основном в виде снега.
|
Первым делом авторы изучили строение самих снежных корней. Они оказались очень тонкими и нежными. Их средний диаметр был около 0,1 мм, тогда как у подземных корней того же растения — 0,5–0,7 мм. «Удельная длина корней» (specific root length), рассчитываемая как общая длина корней, приходящаяся на единицу их сухого веса, для обычных подземных корней хохлатки составляла 98,5 м на 1 г веса, а для «снежных корней» — 495 (!) м, то есть в 5 раз больше. Такое соотношение, впрочем, неудивительно: ведь содержание питательных солей в талой воде крайне низкое, и растению выгодно иметь максимально большую поверхность всасывания.
Изучение поперечных срезов корней — «снежных» и обычных — также выявило между ними существенные различия: у обычных корней много концентрических слоев клеток, в том числе четко выраженный защитный слой — эпидермис. У снежных корней клетки поверхностного слоя и внутреннего очень похожи. Очевидно, что на них потрачено немного строительного материала (углерода, который тоже надо экономить). Но ведь они и не должны придавать растению механическую прочность, у них нет задачи «заякорить» растение в земле. Это эфемерные, «дешевые» образования, целиком направленные на решение только одной задачи — потреблять из талой воды элементы минерального питания.
|
Чтобы убедиться в справедливости предположения об основной функции снежных корней, исследователи провели специальный эксперимент: на поверхность снега, укрывающего места произрастания хохлатки, перед его таянием было внесено небольшое количество азотного удобрения — нитрата аммония, обогащенного стабильным изотопом азота 15N. Предполагалось, что если снежные корни действительно поглощают азот из талой воды и передают его другим частям растения, то об этом должно свидетельствовать последующее появление метки (стабильного изотопа азота) в листьях, стеблях и подземных запасающих органах (в случае хохлатки — клубеньках).
|
Предположение полностью подтвердилось. Азот, внесенный на поверхность снега (во время проведения эксперимента глубина снежного покрова составляла 0,2–0,4 м), был уловлен снежными корнями и транспортирован в листья и клубеньки. Опыт проводился со множеством предосторожностей. Авторы старались избежать эффекта общей подкормки растений удобрением, накопления его в почве и т. п. Кроме того, конечно, были контрольные участки, куда азот не добавляли. Было и контрольное растение — растущий в тех же местах одуванчик Стевена (Taraxacum stevenii). В нём также пытались найти азотную метку, но ее не было.
|
Возникает вопрос: будут ли найдены подобные «снежные» корни у других растений? Пока такие случаи не описаны. Любопытно, что грубый аналог снежных корней — это воздушные корни некоторых деревьев влажного тропического леса. Порой они тянутся вдоль ствола высоко вверх (то есть у них отрицательный геотропизм), а главная их задача очень похожа на задачу «снежных корней» хохлатки — в условиях крайнего дефицита элементов минерального питания попытаться поймать тот азот, который в мизерном количестве присутствует в дождевой воде, стекающей по коре сверху.
Источник: Vladimir G. Onipchenko, Mikhail I. Makarov, Richard S. P. van Logtestijn, Viktor B. Ivanov, Assem A. Akhmetzhanova, Dzhamal K. Tekeev, Anton A. Ermak, Fatima S. Salpagarova, Anna D. Kozhevnikova, Johannes H. C. Cornelissen. New nitrogen uptake strategy: specialized snow roots // Ecology Letters. Published Online: Jun 4 2009 10:14PM DOI: 10.1111/j.1461-0248.2009.01331.x.
