Нами рассмотрены процессы, происходящие на протяжении одного большого периода роста, охватываемого S-образной кривой Сакса.
Приводившиеся данные позволяют считать удовлетворительным объяснение хода кривой изменениями в соотношении новообразования нуклеиновых кислот и прочих компонентов протоплазматических структур. Можно считать также установленным, что причиной остановки роста после известного периода является снижение обеспеченности точки роста нуклеопротеидами до известного критического уровня. Наблюдения за жизнью растений выдвигают перед физиологией другую более трудную задачу — физиологический анализ ритмичности, т. е. повторяемости множественности циклов роста.
Побег древесного растения на протяжении своей, иногда очень Длительной, жизни проходит, ряд периодов роста, каждый из которых укладывается в S-образную кривую Сакса. Физиология растении, как и другие биологические дисциплины, возникла и развивалась в странах средней полосы Европы с умеренным климатом. На первых порах развития физиологии растений длительные периоды вынужденной остановки видимого роста растений в зимние месяцы склоняли ботаников к мысли, что постоянно наблюдаемая годичная периодичность роста является прямым следствием действия внешних условий.
Правда, более внимательный анализ общеизвестных фактов мог уже давно обнаружить ошибочность такого заключения. В средне-европейских странах, в средней полосе нашей родины видимый рост побегов древесных пород заканчивается очень рано. Это происходит у многих пород в странах Западной Европы уже в конце мая, а у нас во второй половине июня. Июль — месяц, наиболее благоприятный для роста по условиям температуры, по обеспеченности осадками, и это — период, когда подавляющее большинство побегов деревьев уже перестает расти. Факты этого рода в сущности являлись достаточным основанием для сомнений в правильности представления о ритме роста древесных пород, как явлении, вызываемом годичным ходом метеорологических условий. Значение указанных фактов подкреплялось широким распространением в кроне ряда пород, как, например дуба, побегов, имевших не один, а два цикла роста в год. По времени начала второго цикла роста в странах Западной Европы, где первый цикл заканчивается к началу июня, эти побеги были названы Ивановыми (Iohannistrieb), так как они действительно второй раз начинают расти в конце июня (после Иванова дня). Особенно интересным оказывается тот факт, что в кроне дерева, образующего Ивановы побеги, не все побеги оказываются двухростовыми. Значительная, и как правило, большая часть побегов имеет один цикл роста. Существование в кроне дерева, растущего в данных внешних условиях, побегов, имеющих один или два цикла роста, было убедительным аргументом против допущения зависимости ритмического характера роста от внешних условий.
Но особенно обширный и яркий материал в пользу представления о ритмичности роста растений как явлении, зависящем от внутренних, а не от внешних условий, дали наблюдения над ростом тропических и субтропических видов. Организация научных работ в Бёйтензорге на Яве дала возможность ботаникам провести наблюдения над ритмичностью роста в климате, где средняя температура самого холодного месяца в году всего на 3—4° ниже температуры самого теплого месяца. При обилии осадков на протяжении всего года рост оказывается возможным в течение всего года, и действительно в любое время года в Бёйтензорге среди богатой флоры Ботанического сада и окружающей дикорастущей лесной растительности можно найти большое число растений разных видов, находящихся в состоянии видимого роста. Однако, как это впервые было отмечено Фолькенсом (Volkens, 1912) и затем подтверждено другими исследователями, деревья подавляющего большинства видов в Бёйтензорге не растут непрерывно, а обнаруживают ритмические перерывы видимого роста. Примерно лишь у 1 % видов из общего числа нескольких сот изученных форм наблюдался непрерывный видимый рост.
Поэтому наблюдения над ростом побегов древесных пород во влажной тропической зоне позволяют с полной определенностью заключить, что прерывистость видимого роста — явление, зависящее от внутренних причин, обусловленное самим характером изменений точек роста на протяжении жизни побега. Дальнейшие исследования, посвященные изучению точек роста, позволили установить ряд важных фактов и дали возможность объяснить прерывистость видимого роста, наблюдающуюся даже при наличии неизменно благоприятных внешних условий для роста.
Одно из важных культурных растений тропической и субтропической зоны — чайный куст, в связи с его громадным практическим значением, служило объектом многочисленных и детальных наблюдений. Оказалось, что побеги чайного куста, произрастающего на Цейлоне в условиях влажной тропической зоны, обнаруживают типическую прерывистость видимого роста, свойственную почти всем растениям этой зоны. После образования ряда листьев и роста побега в длину видимый рост побега временно приостанавливается. Он возобновляется лишь по истечении известного промежутка, в течение которого не происходит никаких макроскопически обнаруживаемых изменений побега. Но в период приостановки видимого роста, как показывает микроскопическое изучение терминальной почки пробега, вовсе не происходит полной остановки ее деятельности. Период приостановки видимого роста оказывается вместе, с тем периодом интенсивного новообразования зачатков листьев в точке роста. Описанные соотношения видимого роста, в течение которого происходит новообразование органов, вытягивание междоузлий побега, и так называемого скрытого или эмбрионального роста, в течение которого происходят неуловимые невооруженным глазом изменения конуса нарастания побега, заимствованном из работы Бонда (Bond, 1945).
Результаты наблюдений дают полное основание утверждать, что при наличии необходимых внешних условий периоды приостановки видимого роста побегов вовсе не являются периодами прекращения деятельности меристемы конусов нарастания побега. Напротив, как видно из графика, замедление и остановка явного роста — это период особенно интенсивной деятельности меристемы точки роста побега. Следовательно, ритмы видимого роста побегов и эмбрионального роста не совпадают. Это заключение заставляет признать невозможным по наличию или отсутствию видимого роста судить о состоянии меристемы точки роста.
В ботанической литературе широко распространены не только весьма мало отвечающие действительности названия «покой», «глубокий покой», но и представления о существовании периодов приостановки процессов деятельности точек роста. Эти термины возникли не на основе изучения состояния точек роста в период так называемого покоя, а в результате того перенесения антропоморфистских представлений на жизненные процессы всего живого мира, которыми так злоупотребляли и злоупотребляют многие биологи. В частности, периодом покоя было названо то состояние точек роста побегов, когда не наблюдается явлений видимого роста. В умеренном климате, где сложились эти понятия, приостановка видимого роста вызывается частью непосредственным действием внешних условий. Поэтому возникла необходимость разграничения двух понятий покоя Состояние точки роста в период, когда останавливается видимый рост, несмотря на наличие необходимых внешних условий роста, стали называть глубоким покоем. Если же отсутствие видимого поста вызывалось только внешними условиями и побег возобновлял видимый рост при помещении его в благоприятную обстановку, то состояние точки роста называли вынужденным покоем.
Разграничение понятий глубокого и вынужденного покоя несомненно представляло известный шаг вперед в познании ритма деятельности точек роста, но оно недостаточно для характеристики ритмических изменений конусов нарастания. Недостаточность указанного разграничения определяется прежде всего тем, что само понятие покой устанавливается по чисто отрицательному признаку — отсутствию видимого роста, но при временной остановке видимого роста конус нарастания побега может находиться в состоянии интенсивной деятельности. Приведенный график из работы Бонда показывает, что у чайного куста это действительно имеет место. Работами других исследователей показано, что и у иных растений в период приостановки видимого роста идет интенсивная деятельность точек роста, образующих микроскопические зачатки новых органов. Следовательно, содержание понятия «глубокий покой» оказывается не соответствующим действительности.
Вторая причина, делающая недостаточным разграничение двух видов покоя точек роста, заключается в условности границы этих двух состояний меристемы. До тех пор, пока для установления различий глубокого и вынужденного покоя прибегали только к созданию для побега необходимых условий роста и наблюдали, начнется ли при этом видимый рост, нетрудно было различить два состояния покоя. Но если этому испытанию будет предшествовать действие на побег ряда различных химических соединений или специальная обработка побега, то граница двух видов покоя перестанет быть определенной. Начиная с работы Иоганнсена (Iohannsen, 1900), в научной литературе видное место занимают вопросы так называемой ускоренной выгонки побегов, клубней, луковиц. Иоганнсен показал, что действие паров серного эфира на побеги делает их способными к видимому росту уже тогда, когда не подвергнутые действию наркотиков побеги еще находятся в состоянии глубокого покоя, так как они не трогаются в рост при наличии внешних условий, необходимых для роста.
В дальнейшем было показано, что период глубокого покоя может быть сокращен не только под влиянием обработки парами эфира, но и после временного выдерживания побегов в теплой водяной ванне, под действием непредельных углеводородов, временного анаэробиоза, выдерживания в темноте и целого ряда других приемов. За последние пятнадцать лет работами сотрудников Бойс-Томпсоновского института в США был найден ряд очень эффективных химических соединений, ускоряющих начало прорастания клубней картофеля, луковиц некоторых однодольных и рост почек побегов древесных растений. Такое действие оказывают этиленхлоргидрин СН2ОН · CH2Cl, тиомочевина (NH2)2CS, роданистый калий и многие органические соединения серы.
Физиологический анализ действия различных приемов ускоренной выгонки представляет значительные затруднения. Самое крупное из них заключается в том, что все даже наиболее эффективные воздействия этого рода становятся действительными только в том случае, если их применению предшествует иногда довольно длительный период так называемого глубокого покоя. Следовательно, в состоянии точек роста за время глубокого покоя происходят значительные изменения еще до того, как они перейдут к состоянию вынужденного покоя. Этот вывод с особенной убедительностью обнаруживает условность и непригодность термина «покой» применительно к периоду деятельности, результаты которой оказываются весьма существенными,— точка роста побега приобретает способность реагировать на воздействия, вызывающие ускоренную выгонку. Принимать эту скрытую от невооруженного глаза деятельность точки роста за покой только потому, что она не сопровождается видимым ростом, конечно, нет оснований. Обратимся поэтому к данным об изменениях, протекающих в точках роста побегов за время приостановки видимого роста.
Первым ученым, занявшимся получением данных этого рода, был Н. И. Железное (1851), замечательный русский физиолог, профессор Московского университета, опубликовавший еще в 1851 г. работу о зимнем росте почек древесных пород. В суровую зиму 1848 г., когда он проводил свое исследование, в течение января средняя суточная температура не поднималась выше —20°. Тем не менее даже за этот период времени микроскопическое изучение почек березы и орешника обнаружило появление и рост эмбриональных зачатков в почках. Взвешивание почек показало, что за зимние месяцы происходит значительное увеличение сухого веса почек. Следовательно, еще в середине прошлого века было установлено, что даже в условиях суровой континентальной зимы при полном отсутствии видимого роста в почках древесных пород непрерывно идут изменения и происходит накопление каких-то веществ. Естественно, что сто лет назад, когда Железное производил свои наблюдения, он не мог охарактеризовать ближе химические изменения почек за зимние месяцы.
Исследование Железнова о зимнем росте почек древесных пород было одной из тех работ, которые очень значительно опередили свое время. Долго его труд совершенно не обращал на себя внимание ботаников и был оценен по достоинству лишь за последние годы, когда проблема ритма роста привлекла к себе внимание исследователей.
Все изложенное выше о физиологических основах изменений скорости роста при прохождении одного цикла роста по S-образной кривой Сакса позволяет высказать теоретические предположения о характере изменений в точках роста побегов в период между двумя последовательными циклами роста. Так как причиной замедления и остановки роста является снижение содержания нуклеиновых кислот в меристеме точки роста, то, очевидно, за время перерыва видимого роста происходит обогащение точки роста, нуклеопротеидами. Это предположение подверглось проверке в лаборатории автора со стороны Ю. Л. Цельникер (1950) при изучении развития побегов яблони. Оказалось, что за зимние месяцы в почках яблони очень значительно возрастает количество нуклеопротеидов.
За зимний период это количество возрастает во много раз. Следовательно, период так называемого покоя — это подготовка почек к последующему росту, состоящая в накоплении нуклеопротеидов,— веществ, необходимых для деятельности меристематических тканей. Этот результат является весьма простым объяснением того громадного значения, какое в жизни почек имеет длительный период низких температур. Оно особенно сильно и ярко проявляется там, где зимы не всегда бывают длительными и холодными. Так, например, на юге США при культуре ряда косточковых плодовых пород многократно отмечалось, что высокие урожаи плодов и хороший рост побегов имеют место только после достаточно холодных и длительных зим. Эта хорошо выраженная зависимость формирования цветочных почек и роста побегов от степени и длительности охлаждения, испытанного точками роста побегов, побудила американских исследователей выдвинуть представление о «cold requirement», т. е. потребности плодовых пород в охлаждении. В чем состоит изменение, вызываемое действием низких температур на точки роста плодовых,— этого вопроса американские практики не выяснили и не пытались выяснить.
Данные Цельникер об изменении количества нуклеопротеидов на одну почку яблони за зимние месяцы, в связи с развитыми ранее соображениями о внутренних изменениях меристем при росте, позволяют высказать предположение, что так называемая потребность в охлаждении — это приобретение готовности к росту, благодаря изменению количества нуклеопротеидов, происходящему в точках роста под влиянием охлаждения. Это простое объяснение может вызвать одно естественное возражение. Накопление нуклеопротеидов происходит постепенно и поэтому можно было бы ожидать, что по истечении даже небольшого периода содержание их возрастет. Поэтому, казалось бы, после пребывания побега в условиях низкой температуры, когда происходит накопление нуклеопротеидов, перемещение побега в условия, нужные для видимого роста, должно было вызывать его начало за счет накопленного количества нуклеопротеидов. Однако, как отмечалось выше, побеги, перенесенные в начале зимы в условия, обеспечивающие течение видимого роста, не обнаруживают начала этого процесса. Даже средства ускоренной выгонки не могут побудить побег к видимому росту в начале зимы. Как могут быть объяснены эти факты?
Аналогичный вопрос встает и по отношению к возможности возобновления роста побегом тропического или субтропического растения, временно остановившим рост при наличии необходимых внешних условий для хода этого процесса. Очевидно, если после более или менее длительного перерыва побег возобновляет рост и растет быстрым темпом, то в его точке роста произошло увеличение содержания нуклеопротеидов, обеспечивающее значительную скорость видимого роста. Остается непонятным, почему в точке роста долгое время могло происходить накопление необходимых для роста нуклеопротеидов и не проявляться хотя бы медленно протекающим видимым ростом?
Объяснение этих фактов можно найти, обращаясь к одному свойству нуклеиновых кислот, особенно сильно выраженному у дезоксирибонуклеиновой кислоты, но установленному также и для рибонуклеиновой кислоты — способности образовывать полимеры различной сложности (Белозерский, 1944). Вполне допустимо, что в период накопления нуклеопротеидов в точках роста происходит образование высокополимерных неактивных форм нуклеиновых кислот. Превращение их в низкополимерные формы — деполимеризация нуклеиновых кислот — должно предшествовать началу видимого роста, зависящему от наличия активных форм нуклеиновых кислот. В пользу такого объяснения ритмичности роста имеются непосредственные экспериментальные данные и соображения, основанные на характере воздействий, вызывающих ускоренную выгонку, и на ходе процесса возобновления видимого роста.
Под руководством автора Ю. Л. Цельникер (1950) проводила изучение роста побегов лимона в западной Грузии. Этот объект представляет большие удобства для наблюдений над ритмическими перерывами видимого роста при наличии благоприятных внешних условий для этого процесса. С побегов брались пробы для определения изоэлектрических точек (ИЭТ) тканей конусов нарастания. Результаты этих наблюдений приводятся в виде кривых, показывающих, что в начале цикла видимого роста ИЭТ конуса нарастания побегов низки — около pH 2,0, а затем повышаются до pH 4,0 по мере того, как замедляется и останавливается видимый рост.
В период приостановки видимого роста, в промежутке времени между двумя циклами роста, величина изоэлектрической точки остается неизменно высокой. Она стремительно падает перед началом нового цикла роста, а в дальнейшем протекают описанные изменения величины ИЭТ ткани конуса нарастания. Очень низкие значения величины ИЭТ, наблюдавшиеся Цельникер при начале цикла роста,— около pH 2,0,— могут быть следствием только высокого содержания нуклеиновых кислот, обладающих значительными константами диссоциации. Поэтому можно заключить, что к концу перерыва видимого роста меристема точек роста побегов оказывается обогащенной нуклеиновыми кислотами. Очень быстрое изменение величины ИЭТ тканей конусов нарастания позволяет сделать вывод о деполимеризации накопившихся в клетках полинуклеиновых кислот как причине крутого падения кривой величины ИЭТ.
К такому же выводу о деполимеризации накопившегося запаса высокополимерных форм нуклеиновых кислот как процессе, предшествующем возобновлению видимого роста, приводит рассмотрение характера изменений, вызываемых средствами: ускоренной выгонки. Как указывалось выше, приемы, вызывающие ускоренное возобновление видимого роста, весьма разнообразны. Сюда относятся: 1) теплые ванны, 2) временный анаэробиоз, 3) действие СО и непредельных углеводородов, 4) действие паров наркотиков, 5) действие других соединений. Но так как эти различные воздействия вызывают одну и ту же физиологическую реакцию — возобновление видимого роста, приходится заключить, что они вызывают одинакового характера изменения в точках роста растений.
Внешние воздействия, столь отличные, как тепловые ванны и действие непредельных углеводородов или окиси углерода, могут создавать одно общее состояние в тканях растений — ухудшение условий течения окислительных реакций. В первом случае это произойдет благодаря большему ускорению реакций анаэробного распада, чем реакций, идущих с участием кислорода воздуха. Во втором случае это явится следствием торможения окислительных реакций благодаря инактивированию соответствующих ферментов. Пары эфира или иные наркотики при обычно применяемых концентрациях также тормозят окислительные реакции. Наконец, эффективность временного анаэробиоза как средства ускоренной выгонки делает особенно ясной природу изменений при действии этих приемов. Сдвиг окислительно-восстановительных процессов в тканях растений в сторону ослабления роли окислительных реакций — это изменение, ведущее к усилению распада белков и, вполне вероятно, к деполимеризации высоко полимерных форм нуклеиновых кислот. Как показывают работы, посвященные изучению действия протеаз, при этом происходит активирование протеолитических ферментов. Остается, следовательно, допустить, что при применении средств ускоренной выгонки имеет место активирование ферментов, деполимеризующих полинуклеиновые кислоты.
Очень убедительным аргументом в пользу этого заключения является чрезвычайно интересная работа А. А. Рихтера и Т. А. Красносельской (1942). Они показали, что применение теплых ванн как средства ускоренной выгонки почек на побегах древесных пород вызывает в них образование веществ, способных действовать на другие, не испытавшие действия теплой ванны почки побега.