Proč kaktusy nevysychají | Věda a život
Co víme o kaktusech? Že mají trny, že mají silné stonky a že rostou na pouštích. Ostny, tloušťka a stanoviště jsou vzájemně propojeny. Je zřejmé, že rostlina, která žije v suchém a horkém klimatu, se musí naučit kompenzovat nedostatek vody a jedním z řešení je jednoduše ji uložit dovnitř, proto je potřeba tlustá, šťavnatá stonka.
Foto Natalia Domrina.
Průduchy se otevírají a zavírají, aby regulovaly odpařování vlhkosti a dýchání rostlin.
Fáze fotosyntézy CAM se vyskytují v různých denních dobách. V noci se CO dostává do rostlin otevřenými průduchy.2, který se váže na organické kyseliny vzniklé při štěpení sacharidů. Kyselina obsahuje CO2 se až do rána hromadí ve speciální vakuole a s příchodem slunečního světla opouští kyselinu a jde do chloroplastu, kde z ní enzymy fotosyntetického Calvinova cyklu syntetizují sacharidy.
Sbírka kaktusů v Národní botanické zahradě. N. N. Grishko (Kyjev, Ukrajina). Foto Vitaly Pirozhkov.
Foto Natalia Domrina.
Ale v horku se ztrácí hodně vody a celá zásoba vlhkosti může jednoduše vyschnout. Obecně je transpirace (tzv. odpařování vody rostlinou) nesmírně důležitý proces. Listy, které odpařují vlhkost, hrají roli čerpadla: vytvářejí sací sílu, která nutí vodu s rozpuštěnými látkami stoupat kořeny a cévami. Pokud však rostlina musí žít v podmínkách neustálého tepla a sucha, je lepší odpařování nějak zpomalit. Chcete-li to provést, můžete se zbavit listů, čímž se sníží odpařovací povrch. Kaktusy to udělaly: jejich listy se změnily na ostny a stonek převzal fotosyntetickou funkci listů. Můžete vylepšit svou vlastní „kůži“: opatřete buňkám vnější vrstvy (epidermis) chloupky a silnou voskovou kutikulu. Voda se obtížněji dostává ven voskovou vrstvou a chloupky oslabují proudění vzduchu přímo u povrchu stonku, což také snižuje ztrátu vlhkosti. Kaktusy ale mají ještě jeden chytrý trik, který souvisí s jejich způsobem fotosyntézy a který jim také umožňuje šetřit vodou, navzdory neustálému horku a suchu kolem nich.
Fotosyntéza je proces výroby organických látek z oxidu uhličitého a vody pomocí energie slunečního světla. Nejprve se energie světelného fotonu za pomoci složitých světlosběrných molekul a molekulárních komplexů, mezi které patří chlorofyl, ukládá do speciálních chemických sloučenin (právě v této fázi je potřeba voda, ze které se získává kyslík jako vedlejší produkt), a pak s jeho pomocí buňka syntetizuje organické látky.látky. Fotosyntéza má docela zajímavé odrůdy: například některé bakterie jsou schopny provádět anoxygenní fotosyntézu, při které se nevytváří kyslík. „Obyčejná“ kyslíková fotosyntéza je charakteristická pro rostliny, řasy a sinice.
Rostlinná buňka tedy potřebuje světlo, vodu a oxid uhličitý, aby vytvořila molekulu glukózy. Voda přichází z podzemí kořeny a soustavou nádob, oxid uhličitý pochází ze vzduchu. Ale rostlina nemá ani ústa, ani plíce, aby mohla CO vdechovat2. K výměně plynů s okolím dochází prostřednictvím průduchů – speciálních pórů na povrchu listů a stonků, obklopených ochrannými buňkami.
Průduchy poměrně výrazně přispívají k odpařování vody a v horkém počasí by měly být neustále zavřené. Ale jak potom získat oxid uhličitý pro fotosyntézu? Navíc to není jediný problém spojený s fotosyntézou v horkém klimatu. Hlavní fotosyntetický enzym zvaný „ribulózabisfosfátkarboxyláza“ (neboli RuBisCO), jehož úkolem je přidávat uhlík z oxidu uhličitého do rostoucí molekuly cukru, při vysokých teplotách začíná působit v opačném směru, tedy rozkládat polosyntetické cukr. V tomto případě se buňka musí vrátit a zopakovat již vykonanou práci, přirozeně se zbytečným plýtváním energie. Proto účinnost fotosyntézy velmi klesá s rostoucí teplotou. Tomu se lze vyhnout zvýšením koncentrace CO v listu.2 – pak bude enzym s přebytkem oxidu uhličitého syntetizovat sacharidy. Ale jak to udělat?
Kaktusy to dělají: v noci otevírají průduchy a absorbují oxid uhličitý, ale nevyužívají ho k výrobě glukózy – chybí světlo. CO2 uloženy v rezervě ve speciálních membránových vezikulách-vakuolách uvnitř buňky. Není zde uložen ve své čisté formě, ale připojen k intermediární molekule, která pak vydrží několik dalších transformací. Výsledkem je kyselina jablečná. Ale pak přijde den a kyselina jablečná je odeslána z vakuoly do cytoplazmy, kde se z ní odštěpí CO2, – nyní může vstoupit do cyklu fotosyntetických reakcí poháněných světlem. Rostlina již nemusí otevírat průduchy, protože může využít přes noc uložený oxid uhličitý, což znamená velkou úsporu na odpařování vody. Navíc poměr CO2 a O2 kvůli rezervám je posunut ve prospěch prvního, takže fotosyntetické enzymy budou pracovat na připojení atomů uhlíku k rostoucí molekule cukru, než aby je rozložily kyslíkem.
Tento typ fotosyntézy, kdy fixace CO2 a jeho použití ve fotosyntetických reakcích jsou časově odděleny, nazývané CAM fotosyntéza. CAM je zkratka pro Crassulaceae metabolismus kyselin: zde kyselina je kyselina, na kterou se přeměňuje uložený oxid uhličitý, a Crassulaceae, nebo Crassulaceae, je název čeledi rostlin, ve kterých byla tato metabolická cesta poprvé objevena. Crassulas a kaktusy ale nejsou jediní, kdo ji využívají. Fotosyntéza CAM byla nalezena u ananasu a dalších zástupců bromélií, u některých dýní, pepřů, pelargonie a řady dalších čeledí, celkem asi u 9000 druhů. Obvykle se jedná o rostliny, které musí žít v horkém a suchém klimatu. Ale nejen: CAM fotosyntézu využívají i druhy žijící ve vodě, například hroty šípů, hroty šípů a některé další. Není zde žádný rozpor: vodní rostliny musí řešit stejný problém jako ty, které jsou nuceny snášet teplo. I když ve vodě může být poměrně hodně rozpuštěného CO2, difunduje v něm mnohem pomaleji než ve vzduchu, takže vedle rostliny, která aktivně absorbuje oxid uhličitý, bude chronicky chybět. Řešením je sbírat CO2 nejen ve dne, ale i v noci, a protože v noci nemůže probíhat fotosyntéza, je třeba zachycený oxid uhličitý skladovat. A fotosyntéza typu CAM nám umožňuje vytvářet zásoby „oxidu uhličitého“.
Nakonec se vraťme k rostlinám odolným vůči teplu. Mechanismus CAM umožňuje maximální úsporu vody, ale při měření množstvím hotového produktu a energie na něj vynaložené je méně účinný než jiné typy fotosyntézy. Některé druhy CAM jej tedy používají pouze podle potřeby. Ale kromě toho existuje ještě jeden typ fotosyntézy, který umožňuje udržet velkou část průduchů během dne uzavřenou. V tomto případě dochází k fotosyntetickým reakcím v hlubokých buňkách listu obklopujících žíly-cévy. Buňky ležící blíže k povrchu zaprvé pomocí světelné energie produkují palivo pro syntézu uhlohydrátů a zadruhé zachycují oxid uhličitý a připojují jej ke zprostředkující molekule. Výsledné molekuly kyseliny a energie jsou okamžitě poslány hluboko do listu, kde CO2 se odděluje od nosné kyseliny a vstupuje do syntetického cyklu. Tato cesta se nazývá C4-fotosyntéza, a jak vidíme, je podobná CAM, jen zde fixace oxidu uhličitého a jeho využití v syntéze nejsou odděleny v čase, mezi nocí a dnem, ale v prostoru, mezi různými buňkami.
Význam C4-fotosyntéza slouží k transportu CO2 do vnitřních pletiv listu, kde je koncentrace kyslíku nízká. Pamatujeme si, že s rostoucí teplotou začíná enzym RuBisCO stále více pracovat v opačném směru, tedy rozkládat meziprodukty fotosyntézy pomocí kyslíku. Pokud je ale kyslíku málo, enzym bude pracovat správným syntetickým směrem. Na druhou stranu4-cesta umožňuje snížit odpařování vody průduchy: v nejteplejší denní době může rostlina využít nahromaděný oxid uhličitý, jehož zásoby vznikly díky prostorovému oddělení různých reakčních bloků; Samotné průduchy lze dočasně uzavřít. Úspora vody zde není tak velká jako u metody CAM, ale produktivita fotosyntézy je vyšší, takže není divu, že C4-Schéma používá asi 7600 XNUMX druhů rostlin, včetně mnoha zrn, včetně kukuřice, čiroku, prosa a cukrové třtiny.
Již jsme se setkali s „rostlinnou atrakcí“ Sonorské pouště – kaktusem Saguaro. Pokračujeme v exkurzi do nejzajímavější pouště světa. Zveme vás, abyste se seznámili s různými kaktusy rostoucími na „americkém divokém západě“. Pravděpodobně se někteří z vás budou dívat jinýma očima na obyčejné rostliny, které vám doma rostou v okně.
V blízkosti našeho domu jsou 2 hektary vlastního pozemku, oplocený kovovým pletivem. Toto je nedotčený kus pouště, který můj manžel zachoval v původní podobě. Naši sousedé už dávno zorali své pozemky a zvelebovali krajinu. Na našem území se pouštní rostliny a zvířata cítí zcela bezpečně. Pravděpodobně se velmi brzy návštěvníkům ukáže naše „minirezervace“ jako vzácný, lidmi nenarušený kout pouště.
Běžnou pouštní rostlinou je choja skákavá nebo kaktus medvídka. Vědecký název tohoto kaktusu je Opuntia bigelovii. Z dálky tato rostlina vypadá velmi legračně: její větve připomínají ruce medvídka. Ale při bližším zkoumání se ukazuje, že všechny větve jsou zcela pokryty stříbrnými jehlami. Jejich délka dosahuje 2-3 cm.Kožíšek z jehličí je dobrou ochranou před zvířaty a vystavením slunečnímu záření. Postranní větve jsou rozděleny do mnoha segmentů o délce až 5 cm, uchovávají dostatečné množství vlhkosti a provádějí fotosyntézu.
Pokud se ze zvědavosti dotknete takové větve, můžete se dostat do velkých problémů: úlomek choya spolu s velkým množstvím jehel se vám „přilepí“ do prstu a nebude snadné tento suvenýr odtrhnout. Tato rostlina také provádí tento trik se zvířaty běžícími kolem. Zdá se, že Choya skáče na možnou oběť. Jedná se o jeden ze způsobů vegetativního množení kaktusů. Zvíře dokáže uběhnout dlouhou vzdálenost, než ten pichlavý zázrak odhodí. Když k tomu dojde, skákající fragment choya rychle zakoření a dá vzniknout nové rostlině.
Výška plyšové choyi nepřesahuje 1,5 – 2 m. Kvetení kaktusu začíná v únoru a končí v květnu. Květy jsou žlutavě nazelenalé, až 3 cm velké.Plody jsou drobné, s malým počtem semen. Většina této rostliny se rozmnožuje vegetativně, množení semeny je druhotné povahy. Staré rostliny se mění ze stříbřité na tmavě hnědou.
Blízkým příbuzným choyi ulpívající je jiskřivá cylindropuntia
nebo choya závěsná (Opuntia fulgida). Z dálky tato rostlina vypadá spíše jako strom v poušti než jako kaktus. Z centrálního kmene vyrůstají četné větve. Rostlina získala své příjmení kvůli plodům, které visí z větví jako řetězy.
Větve Choya jsou pokryty hustou vrstvou ostrých jehel. Mladá rostlina má červené jehlice, zatímco dospělá má tmavě šedé jehly. Jehličí odráží sluneční světlo a chrání rostliny před horkým sluncem. Choya může dosáhnout výšky 5 metrů a průměru 2 m. Větve rostliny jsou rozděleny na krátké segmenty od 1 do 2 cm.Kaktus kvete od června do srpna. Květy jsou růžové, plody velké asi 4 cm a hruškovitého tvaru. Na koncích starých plodů vykvétají nové květy. To trvá mnoho let. V důsledku toho se na koncích větví tvoří závěsné řetězy plodů. Odtud získává rostlina své neobvyklé jméno, závěsný řetěz choya.
Tento typ choya má také schopnost „skákat“, připojovat své segmenty k tělu zvířete a tímto způsobem se vegetativně rozmnožovat. Těžké řetězy ovoce mohou konečně spadnout a ze semen pak začnou růst nové kaktusy. V Arizoně žije pták, který si hnízdí na vrcholu stromu choya. Na našich stránkách jsem našel takové hnízdečko. Ptáček snesl 2 vejce, pak dlouho inkuboval, mláďata se vylíhla zdravá a nenasytná. Zatímco rodiče odlétali za potravou, mláďata se cítila zcela bezpečně. Kolem se toulá spousta divokých koček, ale ani jedna z nich riskuje šplhání po tak trnité rostlině.
Cylindroopuntia šumivá je ohrožený druh a je chráněn zákonem.
V naší minipoušti roste další neobvyklý kaktus: kaktus ježka Boyce-Thompson (Echinocereus boyce-thompsonii). Během roku je to malý, nenápadný kaktus, který tvoří malou kolonii. Ale v dubnu nastává čas jeho květu a tady není možné tento zázrak obejít. Nese růžové květy poloviční velikosti rostliny. Všechny květy se otevírají současně v polovině dubna na 1-2 dny. Tato kompozice vypadá jako japonská ikebana. Je prostě nemožné spustit oči.
Tento druh kaktusů je pro kaktusáře jedním z nejoblíbenějších. Rostliny jsou malé velikosti, nevyžadují zvláštní péči a mají nejkrásnější květy mezi divokými i domácími kaktusy. Květiny se mohou lišit v odstínech od jasně růžové po žlutou! Jsou velké a dosahují 6-7 cm. Zdá se, že květiny pronikají epidermis květiny a snaží se žít krátký, ale jasný život!
Naše exkurze zde nekončí. O vegetaci Sonorské pouště se ještě musíme dozvědět spoustu zajímavých věcí. Samozřejmě v první řadě budeme pokračovat v seznamování se světem neobvyklých kaktusů.