В отличие от животных и бактерий, растения ведут прикреплённый образ жизни. Они не могут отправиться на поиски лучшей доли, поэтому научились решать проблемы на месте — приспосабливаться к постоянным переменам. В том числе, к наступающей зиме.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №11(27). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Для большинства живых организмов зима и сопровождающий её холод — большой стресс и неудобство. В это время снижается доступность тепла и влаги, необходимых всему живому на Земле. При отрицательных температурах останавливаются физиологические процессы, а вода, обязательная среда для их протекания, замерзает.

В ходе эволюции живые организмы выработали приспособления, позволяющие пережить некомфортные условия. При этом животные и даже бактерии, как правило, могут уйти в более благоприятные условия. Растения же самостоятельно перемещаться не могут, и их стратегии выживания в условиях стресса направлены не на избегание, а на устойчивость. Механизмы устойчивости основаны на способности регулировать свой метаболизм, подстраиваясь под температурные сдвиги. Итогом этой устойчивости является период покоя.

Покой — это состояние, при котором рост, развитие и все физиологические процессы приостанавливаются, чтобы полным ходом пойти в более комфортных условиях. Необходимость в этом периоде актуальна там, где происходят заметные и продолжительные погодные изменения, например, смена времен года.

На большей части Евразии, Северной Америки и на некоторых островах в Южном океане жаркое и, чаще всего, сухое лето сменяет дождливая осень, а на её место приходит морозная, снежная зима. Буйное пожелтение и покраснение древесных крон и листопад у растений этих территорий — и есть переход в период покоя. В это время растение готовится к «спячке» перед наступлением самого «неблагоприятного времени» — зимы.

С наступлением холода вода становится практически невосполняемым ресурсом, поэтому растению нужно радикально сократить её расход.

Вода поступает в растения через корни. При этом более 99% её уходит через листья в процессе транспирации — испарения с поверхности. Это помогает регулировать температуру, когда жарко, чтобы организм не перегревался. Но нужна ли транспирация, когда холодно?

При низких температурах корни функционируют хуже и часто не способны обеспечить растение водой. Кроме того, сама почвенная влага, превращаясь в лёд, становится недоступной. В этом случае, чтобы не потерять имеющуюся воду, растению с крупными листьями выгодно от них избавиться, сбросив. Эта уловка реализуется в процессе листопада.

По сравнению с лиственными, хвойные растения испаряют влагу намного слабее, поэтому у них листопад не выражен. Конечно, хвоя опадает и постепенно заменяется новой, но в течение всего года, и потому не так заметно. Продолжительность жизни отдельных хвоинок разная: у сосны — 2 года, у ели — 6, а у пихты — до 12 лет.

Кроме того, что нельзя тратить впустую драгоценные запасы воды, их надо удерживать в жидком состоянии. Очень важно, чтобы вода не замерзала, как в окружающей среде: кристаллики льда разрушают клеточные структуры.

У растений есть свои, природные «антифризы» — вещества, препятствующие замерзанию растворов в организме. С наступлением холода растение переходит в «режим экономии», перестают интенсивно расходоваться энергетические ресурсы — сахара и растворимые белки. Они накапливаются в клетках, повышая концентрацию клеточного сока и снижая тем самым точку замерзания — вода медленнее переходит в лёд и сохраняется в организме.

Другие помощники — белки холодового шока, синтезируемые в цитоплазме,— тормозят образование межклеточного льда. Кстати, добавляя в геном растений гены, отвечающие за синтез этих белков, получают морозостойкие гибриды практически всего на свете: от кабачков до роз.

Представим символ осени (и Канады) — клён. Что будет, если с наступлением холодов его широкие листья не опадут, а останутся мощной шапкой на дереве? Скорее всего, под тяжестью накопленного на кроне снега дерево сломается, а клёны со временем исчезнут с лица Земли как вид. Поэтому от листвы лучше избавиться до первого снега. А вечнозелёные растения средних широт обзавелись специальными приспособлениями: конусовидной кроной, прочными и упругими ветками, листьями в форме игл — снег с них легко сдувается ветром.

Ещё одна причина листопада заключается в том, что растения переводят в листья вредные вещества. Хороший пример этого защитного механизма — накопление в листьях тяжёлых металлов. Они попадают в атмосферу с выбросами предприятий и выхлопными газами транспорта, из атмосферы с осадками в почву, из почвы растения поглощают их растворённые формы с водой и накапливают в листьях, которые затем сбрасывают.

Почва играет важную роль в круговороте тяжёлых металлов, таких как свинец (Pb) и ртуть (Hg), а также микроэлементов калия (К), кальция (Ca), магния (Mg)

В естественных условиях формирование опада под древесными растениями обязательно для функционирования экосистемы. Разлагающиеся опавшие листья, хвоинки, веточки возвращают в почву минеральные элементы и формируют плодородный слой почвы. В условиях города (тоже экосистемы, только антропогенной — изменённой человеком) с разложением опада поступают и токсины — не только те, что растение поглотило ранее, но и попавшие на поверхность листа вместе с пылью. Поступая в организм в высоких концентрациях, тяжёлые металлы связываются с белковыми структурами. Это нарушает клеточный метаболизм и физиологические процессы — рост и развитие растения угнетаются.

Получается замкнутый круг. Без опавшей листвы почве нельзя, но и с ней не лучше. Вероятно, для решения этого вопроса нужно определиться с нормами выбросов — уровнем нагрузки, которую человек оказывает на окружающий его мир. Это тема активно обсуждается в современной экологии.

Разнообразие окрасок листа обусловлено содержанием в нём пигментов, красящих веществ: хлорофиллов, каротиноидов и антоцианов. В хлоропластах клеток листа всегда присутствуют хотя бы две группы — зелёные хлорофиллы и жёлто-оранжевые каротиноиды (каротины и ксантофилы).

Хлорофилл — основной растительный пигмент. С его помощью происходит важный процесс — фотосинтез. В ходе фотосинтеза из неорганических углекислого газа и воды при участии света растение производит органические вещества: простые и сложные сахара, углеводы, нуклеиновые кислоты для собственного функционирования, и выделяет кислород — им дышат практически все организмы на земле. В тёплое и светлое время года хлорофилл синтезируется постоянно. Он маскирует остальные пигменты, поэтому весной и летом листья зелёные. С наступлением холода хлорофилл разрушается, а его синтез прекращается — так становятся заметны каротиноиды. Они распадаются медленнее и придают листу знакомый нам пылающий окрас жёлтых и оранжевых тонов.

А появление красных оттенков зависит от того, может ли растение синтезировать антоцианы. Они дают красную, розовую, синюю, фиолетовую окраску. Антоцианам обязаны своим цветом плоды вишни, черники, клубники; лепестки васильков и мака; молодая кора эвкалипта и ветви ивы и многое-многое другое. Антоцианы — единственные пигменты, которых, как правило, нет в листе постоянно, так как их синтез начинается после распада хлорофилла.

Одновременно с переменой окраски происходят изменения в месте прикрепления черешка листа к стеблю. Там образуется отделительный пробковый слой. У одних растений под действием ферментов пектиназ, синтезирующихся к этому времени в клетках отделительного слоя, растворяется межклеточное вещество, соединяющее клетки. У других, кроме пектиназ, синтезируется ещё и фермент целлюлаза. Он расщепляет целлюлозу клеточных оболочек, что приводит к растворению клеток. Связь между клетками быстро нарушается, и скоро лист остаётся висеть только благодаря сосудистым пучкам — их легко увидеть, отделив лист от ветки: на листовом рубце будут заметны 3–5 крупных точек. Теперь лист может упасть под действием капли воды, дуновения ветра, громкого крика или топота, впрочем, даже собственной тяжести. 

Вот и началось. Теперь точно — осень. Растение к ней готово.