Включения представляют собой разнообразные продукты обмена веществ протопласта, различным образом оформленные структуры, не обладающие жизненными свойствами и откладываемые как в самом протопласте (цитоплазме и других органоидах), так и вакуолях и реже в оболочке.
Наибольшее их значение состоит в том, что они представляют собой вещества запаса, т. е. вещества, которые в определенные моменты могут вновь использоваться клеткой (запасной крахмал, белок, масло). В отношении других функций включений пока можно высказать только предположения. Например, некоторые вещества могут возникать как приспособление к каким-либо особым условиям существования, другие образуются как отбросы, конечные продукты обмена веществ (некоторые кристаллы). Включения возникают и в результате старения клеток или вследствие каких- либо патологических явлений. Вообще включения — структуры непостоянные, они могут появляться и исчезать в разные периоды деятельности клетки. Поэтому присутствие их характеризует физиологическое состояние и возраст клетки. По наличию, форме и распределению этих веществ часто отличают одни виды, роды и семейства от других, поэтому распознавание включений, описание их формы имеет большое значение для сравнительной анатомии. Так как включения представляют собой твердые или жидкие вещества, имеющие определенную форму, то их можно различать в световой микроскоп. Из включений наибольшее значение имеют крахмальные зерна, жировые капельки, отложения белковых веществ, органические и неорганические кристаллы.
Крахмальные зерна — наиболее распространенные и важные образования среди включений, в химическом отношении представляющие .собой полимерный углевод. Запасной крахмал растений, встречающийся исключительно в виде крахмальных зерен, — основной тип запасных питательных веществ растений. Кроме того, он является самым важным соединением, используемым в пищу растительноядными животными. Громадное значение имеет крахмал как источник пищи для людей. Пшеничная мука, например, почти на 3/4 состоит из зерен крахмала.
Как уже сообщалось, крахмальные зерна образуются только в пластидах живых клеток. В хлоропласте на свету в результате процесса фотосинтеза откладываются очень мелкие зерна (реже палочки) ассимиляционного (первичного) крахмала. Особенно это характерно для так называемых крахмалистых растений (злаки). Ассимиляционный крахмал — продукт непостоянный и откладывается только при избытке растворимых углеводов в клетке. Ночью, при отсутствии фотосинтеза, он с помощью ферментов гидролизуется до сахара и транспортируется в другие части растений. Процесс гидролиза в хлоропластах обратим и не ведет к их разрушению. Более крупные зерна запасного (вторичного) крахмала откладываются из притекающего сахара в амилопластах, сосредоточенных в частях растений, лишенных света. Запасной крахмал амилопластов сохраняется более продолжительное время, чем ассимиляционный крахмал хлоропластов. При мобилизации запасного крахмала происходит его гидролиз (осахаривание) с помощью ферментов (амилазы и др.). Этот процесс необратим, так как амилопласт, образующий запасной крахмал, при гидролизе разрушается.
Крахмальные зерна имеют свойства кристаллического вещества, в поляризованном свете они дают двойное лучепреломление, в результате которого образуется черный крест с пересечением лучей в центре крахмального зерна. С другой стороны, зерна крахмала обладают и некоторыми свойствами коллоидов, например, всем известно свойство картофельного крахмала набухать в горячей воде, которое используется при изготовлении клейстера.
Образование крахмальных зерен связано с наличием образовательного центра в амилопласте, вокруг которого стромой амилопласта откладывается вещество крахмала. Крахмал отлагается слоями, имеющими различный коэффициент преломления, благодаря чему эти слои могут быть видны под микроскопом.
Крахмальные зёрна
У злаков и бобовых отдельные слои вокруг образовательного центра откладываются равномерно, вследствие чего крахмальные зерна обнаруживают концентрическую слоистость. У других растений, особенно образующих крупные крахмальные зерна (картофель), отдельные слои крахмала откладываются вокруг образовательного центра неравномерно: на одной стороне интенсивнее, на другой слабее, в результате образуются крахмальные зерна с эксцентрической слоистостью. Причем, характер слоистости зависит от вида растения и не определяется положением образовательного центра в амилопласте.
Если в амилопласте закладывается один образовательный центр, то возникают простые крахмальные зерна (по одному в каждом амилопласте) — например, крахмальные зерна картофеля. Часто в амилопласте закладывается одновременно много образовательных центров, тогда возникают сложные крахмальные зерна, состоящие из множества (у шпината до нескольких тысяч) отдельных мелких зернышек. С ростом крахмального зерна оболочка амилопласта растягивается, а строма оттесняется к периферии пластид. У крупных крахмальных зерен слой стромы и оболочка пластиды могут стать столь тонкими, что не различаются в световой микроскоп. Когда мы говорим о крахмальных зернах, то всегда имеем в виду пластиду, переполненную крахмалом настолько, что ее основное вещество становится неразличимым.
Форма, размеры и строение крахмальных зерен специфичны для тех или иных видов растений и иногда даже для отдельных сортов одного вида. Так как крахмальные зерна составляют основную массу муки, то, исследуя их, можно установить, из какого вида растений получена мука и примеси каких растений в ней имеются. Так, у картофеля крахмальные зерна неправильной формы, с хорошо выраженной эксцентричной слоистостью, обычно простые, очень крупные — до 100 мк, у бобовых крахмальные зерна овальной формы, с хорошо выраженной слоистостью, обычно с продольной трещиной, от которой отходят многочисленные боковые трещины меньшей длины. У пшеницы крахмальные зерна с плохо заметной концентрической слоистостью обычно двух размеров: мелкие округлые, 2—9 мк в поперечнике и крупные чечевицеобразные, 30—40 мк. Крахмальные зерна кукурузы округло-угловатые, мелкие, с хорошо заметным образовательным центром в виде лучистой щели. У риса и овса крахмальные зерна сложные, яйцевидной формы, состоящие из многочисленных мелких зернышек, которые удерживаются вместе стромой и оболочкой амилопласта, но легко рассыпаются при надавливании.
Отложения крахмала широко распространены во всех органах растения, но особенно богаты им семена, подземные побеги (клубни, луковицы, корневища), паренхима проводящих тканей корней и стеблей древесных растений. В семенах крахмал накапливается сравнительно у немногих (примерно 10%) семенных растений, в том числе у злаков, бобовых, гречишных. Из подземных органов, особенно богатых крахмалом, можно назвать клубни картофеля, содержащие 18—20% крахмала.
Отложения запасных жиров широко распространены в растительных клетках. Они встречаются непосредственно в цитоплазме, преимущественно в жидком состоянии и имеют вид капелек различного размера, обычно сильно преломляющих свет. Хотя в небольшом количестве они встречаются, вероятно, в любой живой растительной клетке, но наиболее богаты ими семена и плоды. Огромное большинство растений (около 90% видов покрытосеменных) в качестве запасных питательных веществ накапливает масло. Некоторые семена содержат масла до 50% и более от сухого веса вещества (семена подсолнечника). Поэтому основная масса растительных жиров добывается из семян. Во время прорастания семян происходит мобилизация запасных жиров, причем жиры гидролизуются с образованием растворимых углеводов, подаваемых к растущим частям зародыша семени. Так как жиры более богаты энергией, чем крахмал, они гораздо экономнее используют пространство в семенах. Механизм возникновения жировых капель в цитоплазме еще полностью не изучен. О случаях образования масла в олеопластах говорилось выше. Совсем недавно было показано, что образование масел у растений из семейства крестоцветных происходит в специализированных органоидах протопласта — сферосомах. Сферосомы начинают развиваться в виде маленьких пузырьков на эндоплазматической сети, отграниченных от цитоплазмы одной мембраной. Затем пузырьки отделяются от эндоплазматической сети, и в них накапливается гранулярный материал. Ко времени созревания семян на месте гранул образуются капельки масла, снаружи одетые мембраной. Является ли такой путь образования запасных масел типичным для растительной клетки, должны показать дальнейшие исследования. Кроме цитоплазмы, капельки жиров могут встречаться также в хлоропластах и митохондриях. В амилопластах стареющих клеток крахмал иногда разрушается, и его место занимают многочисленные капельки жира.
Запасные белки в клетках находятся в виде твердых отложений, либо аморфных, либо кристаллических. Наиболее часто запасные белки встречаются в форме так называемых алейроновых (протеиновых) зерен, главным образом, в семенах злаков, бобовых и многих других (льна, винограда). Реже запасной белок откладывается в форме кристаллоидов (картофель). Размеры и строение алейроновых зерен очень изменчивы, но характерны для определенных групп растений и могут служить систематическим признаком. В типичном случае алейроновое зерно имеет снаружи белковую оболочку (мембрану) и заполнено непрозрачным гомогенным аморфным белком желтоватого цвета, набухающим в воде. В основную массу алейронового зерна могут быть погружены включения трех типов, получивших названия кристаллоидов, глобоидов и истинных кристаллов. Кристаллоиды имеют характерную для кристаллов ромбоэдрическую форму, но в отличие от истинных кристаллов белок, составляющий их, набухает в воде. В алейроновом зерне может быть один или несколько кристаллоидов, причем они находятся всегда вместе с глобоидами.
Глобоиды — округлые тельца, состоящие из кальциево-магниевой соли инозитфосфорной кислоты, не растворимые в воде и не дающие реакцию на белки (считают, что они запасают фосфор). Истинные кристаллы очень редко встречаются в алейроновых зернах, например, кристаллы оксалата кальция (в семенах винограда). В зависимости от строения можно выделить следующие типы алейроновых зерен:
а) зерна с глобоидами (характерны для семян бобовых и зерновых злаков);
б) зерна с глобоидами и кристаллоидами (характерны, например, для семян льна и клещевины;
в) зерна с кристаллами оксалата кальция (характерны для семян зонтичных и винограда).
У картофеля образуются не алейроновые зерна, а одиночные кристаллоиды, не окруженные снаружи аморфным белком.
В отношении происхождения алейроновых зерен наиболее распространена точка зрения, согласно которой они образуются из вакуолей. В таких «белковых» вакуолях, особенно обильных в созревающих семенах, накапливаются растворимые белки. При созревании и высыхании семян эти вакуоли обезвоживаются, и белок из раствора выпадает в осадок или кристаллизуется. При прорастании семян алейроновые зерна опять оводняются и снова превращаются в вакуоли. Однако неясным остается само происхождение белковых вакуолей. Возможно они образуются в результате вакуолизации и последующего слияния протеопластов или же, как считают некоторые ученые, путем местных расширений мембран эндоплазматической сети. Окончательно этот вопрос смогут решить дальнейшие электронномикроскопические исследования.
В клетках растений в процессе их жизнедеятельности образуются и настоящие кристаллы минеральных солей. Большинство кристаллов состоит из щавелевокислого кальция (оксалата), реже из углекислого кальция или кремнезема (SiO2). Формы кристаллов довольно разнообразны и часто специфичны для тех или иных систематических единиц. Оксалат кальция встречается или в виде кристаллов (луковичная шелуха), или друз — шаровидных образований, состоящих из многих сросшихся мелких кристалликов (например, в коре, корневищах) или в виде рафид — игольчатых кристаллов, объединенных в пучки (стебли винограда). Реже оксалат откладывается в клетке в виде кристаллического песка — множества мелких кристаллов, образующихся в одной клетке.
Клетки с различными типами кристаллов
В отличие от животных, которые выделяют избыток минеральных солей во внешнюю среду, растения, не имеющие развитых органов выделения, вынуждены почти целиком накапливать их в своих тканях. Поэтому обычно считают, что кристаллы оксалата — конечный продукт жизнедеятельности протопласта, образующийся в результате соединения кальция и щавелевой кислоты. Эта кислота — побочный продукт деятельности протопласта. Она растворима в клеточном соке и при высокой концентрации токсична для протопласта. Соединяясь с кальцием, высокая концентрация которого в клеточном соке сама по себе может угрожать ионному равновесию в клетке, щавелевая кислота переходит в нерастворимый оксалат, безвредный для протопласта. Кристаллы оксалата образуются поэтому в больших количествах в тех органах и тканях, которые растением время от времени сбрасываются (листья и кора). Присутствие кристаллов во многих случаях служит признаком старения или дегенеративных процессов. Но иногда кристаллы оксалата могут играть и активную роль в обмене веществ, накапливаясь и растворяясь в клетках (например, в плодах апельсина).
Поперечный разрез листа фикуса с клеткой, содержащей цистолит
Для представителей семейств тутовых и крапивных характерны цистолиты — особые включения, представляющие собой выросты клеточной оболочки, пропитанные карбонатом кальция таким образом, что имеют вид грозди. У злаков, осок, пальм внутри клеток образуются твердые отложения кремнезема. Располагаясь в наружном слое клеток листьев, над жилками, они, вероятно, служат защитой от поедания животными.