Биология. В 3-х томах. Т. 2

14.1.1. Осмос

Чтобы понять, как поддерживается водный режим растения, нужно прежде всего разобраться в таких физических процессах, как осмос и диффузия, которые объясняются в Приложении 1.5 (т. I). Там особо подчеркнуто, что осмос можно рассматривать как своеобразную диффузию, при которой диффундируют только молекулы воды, а молекулы всех остальных веществ и взвешенные в воде частицы не проходят через полупроницаемую мембрану. Молекулы воды передвигаются из того места, где их много (т.е. из разбавленного раствора), туда, где их концентрация ниже (т.е. в более концентрированный раствор), и при этом мембрана избирательно пропускает только молекулы воды. Известно, что этот процесс идет быстрее, чем следовало бы из расчетов для обычной диффузии, и что в нем участвует массовый поток. Тем не менее такое передвижение воды вполне объяснимо с помощью законов диффузии.

14.1.2. Осмотическое давление (ОД) и осмотический потенциал (π)

Осмотическое давление — это давление[11], которое создается в растворе, помещенном в осмометр, после того как будет достигнуто равновесие с чистой водой. Чем концентрированнее раствор, тем выше ОД.

В наше время чаще используют термин осмотический потенциал, так как при обычных обстоятельствах речь идет лишь о потенциальном (теоретическом) давлении, которое становится реальным только в особых условиях — при измерении осмометром (см. Приложение 1.5.2). Осмотический потенциал условно считают отрицательным, а осмотическое давление — положительным. Для обозначения осмотического давления в этой главе мы используем сокращение ОД, имея в виду положительную величину, так как отрицательные значения могут затруднить понимание.

14.1.3. Водный потенциал (символ Ψ, греч, буква "пси")

14.1.4. Передвижение воды между растворами за счет осмоса

Все упомянутые выше термины можно уверенно использовать только в том случае, если они правильно поняты. Чтобы проверить это, попробуйте ответить на вопросы 14.1 и 14.5-14.8.

14.1. Внимательно рассмотрите рис. 14.1, где изображены два раствора, разделенные полупроницаемой мембраной. Ответьте на вопросы:

а. В каком из растворов выше концентрация молекул воды?

б. Какой из растворов более концентрированный, т.е. в каком из них выше концентрация растворенного вещества?

в. В каком направлении пойдет осмос?

г. У какого раствора более высокое осмотическое давление?

д. Какая из двух приведенных ниже величин ψ выше:

1) — 2000 кПа; 2) — 1000 кПа;

е. В каком из растворов более высокий водный потенциал (ψ)?

ж. Какова связь между ОД и ψ раствора при нормальном атмосферном давлении?

Рис. 14.1. Два раствора, разделенные полупроницаемой мембраной

14.1.5. Осмос и растительная клетка

14.1.6. Плазмолиз и тургорное давление

Если клетка находится в контакте с гипертоническим раствором, т.е. с раствором, имеющим более низкий водный потенциал, чем собственное содержимое клетки, вода начинает выходить из нее путем осмоса через плазматическую мембрану. Сначала теряется вода цитоплазмы, а затем через тонопласт выходит вода и из вакуоли. Протопласт, т. е. живое содержимое клетки, окруженное клеточной стенкой, сморщивается и в конце концов отстает от клеточной стенки. Этот процесс называют плазмолизом, а про такую клетку говорят, что она плазмолизирована. При начинающемся плазмолизе протопласт только-только перестает оказывать какое-либо давление на клеточную стенку, и клетка становится вялой. Вода выходит из протопласта до тех пор, пока его содержимое не приобретает такой же водный потенциал, что и окружающий раствор. После этого клетка перестает сморщиваться дальше.

14.2. Чем занято пространство между клеточной стенкой и сморщенным протопластом в плазмолизированных клетках?

Процесс плазмолиза обычно обратим, клетка при этом не получает никаких стойких повреждений. Если плазмолизированную клетку поместить в чистую воду или в гипотонический раствор, т. е. в раствор с более высоким, чем у содержимого клетки, водным потенциалом, вода начинает поступать в клетку путем осмоса. По мере того как увеличивается объем протопласта, он начинает давить на клеточную стенку и растягивав ее. Клеточная стенка сравнительно жесткая, поэтому давление внутри клетки растет очень быстро. Давление, оказываемое протопластом на клеточную стенку, называется тургорным давлением (ТД). Иногда вместо этого говорят о противодавлении клеточной стенки (ПД), имея в виду давление клеточной стенки на протопласт. Оба давления равны по величине, но противоположны по направлению. При постепенном увеличении тургорного давления из-за того, что вода поступает в клетку за счет осмоса, клетка становится тургесцентной. Полное набухание клетки, т.е. максимальное ТД, наблюдается только тогда, когда клетку помещают в чистую воду. Когда стремление воды войти в клетку и тургорное давление в точности уравновешивают друг друга, из клетки выходит ровно столько воды, сколько в нее входит, и клетка теперь находится в равновесии с окружающим ее раствором. Осмотическое давление в клетке, вероятно, все еще выше, чем в окружающем растворе, так как для того, чтобы поднять тургорное давление до точки равновесия, нужно очень малое количество воды; его явно недостаточно, чтобы существенно разбавить содержимое клетки. Тот факт, что в состоянии равновесия осмотическое давление в растительной клетке может быть несколько выше, чем у окружающего раствора, объясняется именно наличием тургорного давления.

Тургорное давление — это уже не потенциальное, а реальное давление, оно создается только при наличии клеточной стенки. У животных клеток нет клеточной стенки, а плазматические мембраны слишком нежны, чтобы защитить клетку от набухания и разрыва в гипертоническом растворе. Поэтому в животных клетках должна быть система защиты, основанная на осморегуляции (см. гл. 19).

14.3. Каково тургорное давление в вялой клетке?

14.4. У каких еще организмов, кроме растений, есть клеточные стенки?

14.1.7. Осмотическое передвижение воды из клетки в раствори обратно

Если хотят определить, куда будет переходить вода — из растительной клетки в окружающий раствор или наоборот, — нужно сравнить водный потенциал клетки и окружающего раствора, так как вода всегда пойдет в направлении от более высокого водного потенциала к более низкому. В состоянии равновесия водный потенциал клетки должен быть равен водному потенциалу окружающего раствора.

Как мы уже говорили, при нормальном атмосферном давлении водный потенциал данного раствора определяется его осмотическим давлением:

Водный потенциал клетки определяют два фактора — ее осмотическое давление и тургорное давление. Как и для любого раствора, водный потенциал клетки будет тем ниже, чем выше осмотическое давление раствора внутри клетки. Однако всякое повышение тургорного давления усиливает стремление воды выходить из клетки (или увеличивает сопротивление поступлению воды извне), т.е. при повышении тургорного давления повышается и водный потенциал клетки. Все это можно описать следующим уравнением:

В состоянии равновесия ψ_клетки = ψ_{расхвора}, или ψ_внутр = ψ_наружи, где "внутр" означает внутренний раствор, а "наружн" — наружный раствор.

Ниже мы даем несколько вопросов для проверки понимания тех терминов, которые мы только что использовали. При этом не следует забывать, что

1) вода всегда движется от более высокого водного потенциала к более низкому;

2) для того чтобы две системы находились в равновесии, у них должен быть одинаковый водный потенциал;

3) в большинстве случаев количества воды, поступающей в растительную клетку или выходящей из нее, недостаточно для того, чтобы заметно изменить осмотическое давление в клетке (поэтому при дальнейших расчетах исходят из того, что осмотическое давление остается постоянным), хотя тургорное давление сильно изменяется.

14.5. Опишите, что произойдет, если клетку в состоянии начинающегося плазмолиза с ОД 2000 кПа поместить в раствор с ОД 1200 кПа. Каковы будут величины ψ и ТД клетки в состоянии равновесия?

14.6. Если ОД клеточного сока в клетке, уравновешенной с чистой водой при нормальном атмосферном давлении, составляет 110 кПа, каково будет ТД?

14.7. Если клетку сначала уравновесить с чистой водой, а затем перенести в раствор сахарозы, водный потенциал которого составляет — 800 кПа, то

а) Какова будет разность величин ψ между содержимым клетки и наружным раствором в момент переноса?

б) Куда пойдет вода — внутрь клетки или из клетки?

в) Возрастет или понизится ТД?

14.1.8. Осмотическое передвижение воды из клетки в клетку

14.1.9. Влияние нагревания и спиртов на мембраны

Некоторые воздействия, например обработка этанолом или нагревание, нарушают избирательную проницаемость клеточных мембран. Хотя мембраны и сохраняются, но они ведут себя так, будто в них образовались отверстия, и при этом исчезает барьер проницаемости для таких крупных молекул, как сахароза. Высокие температуры и спирты денатурируют белки мембран и увеличивают текучесть мембранных липидов; кроме того, при высокой концентрации спирты растворяют липиды.

14.16. Вакуоли клеток свеклы окрашены в красный цвет. Исходя из этого, спланируйте эксперимент для исследования влияния нагревания и этанола на избирательную проницаемость клеточных мембран свеклы.

14.1.10. Дополнение

(1) Термин "водный потенциал" был предложен для замены терминов "дефицит диффузионного давления" и "сосущая сила". Смысл последних объясняется ниже.

Дефицит диффузионного давления (ДДД) и сосущая сила (СС). Как мы уже говорили, осмос можно рассматривать как особый род диффузии, когда переносятся только молекулы воды. Раньше стремление молекул воды к перемещению измеряли величиной диффузионного давления (ДД). Чем выше концентрация молекул воды в растворе, тем выше ДД данного раствора. Поэтому при нормальном атмосферном давлении чистая вода будет иметь максимальное ДД, а растворенные в ней вещества будут понижать ДД раствора. В стандартных условиях ДД раствора всегда будет ниже, чем у чистой воды; чем концентрированнее будет раствор, тем меньше в нем будет концентрация воды и тем ниже будет ДД раствора.

Поэтому раньше говорили, что по отношению к чистой воде раствор имеет дефицит диффузионного давления (ДДД), при этом ДДД чистой воды был произвольно принят за нуль. Чем концентрированнее раствор, тем выше ДДД для этого раствора. При нормальном атмосферном давлении ДДД для любого раствора будет равен его осмотическому давлению. Термин ДДД явился заменой термина сосущая сила (СС). Происхождение последнего термина ведет свое начало от представления о том, что при осмосе гипертонический раствор присасывает воду из гипотонического раствора. Поэтому говорили, что гипертонический раствор имеет большее всасывающее давление. Теперь стало понятно, что движущей силой для передвижения воды служит более высокий водный потенциал (или иначе диффузионное давление) гипотонического раствора.

Связь между рассмотренными терминами можно выразить следующим образом:

а для раствора в стандартных условиях

(2) Вместо уравнения

физиологи растений предпочитают использовать уравнение

где ψw — водный потенциал клетки, ψs — доля, вносимая растворенным веществом в общий водный потенциал (ψs имеет отрицательную величину, равную величине осмотического давления), а ψр — доля тургорного давления в общем водном потенциале (она либо равна нулю, либо имеет положительную величину).

В обычных условиях вода выходит из растения в виде пара. Для перехода воды из жидкого состояния в парообразное нужна дополнительная энергия, которую называют скрытой теплотой парообразования. Ее дает солнце (солнечная энергия), и согласно наиболее принятой теории транспирации, теории сцепления — натяжения, именно эта энергия обеспечивает общий поток воды через растение. Транспирация — это испарение воды с поверхности растения; ниже перечислены три основные структуры, участвующие в этом испарении (в скобках указана относительная потеря воды через них при открытых устьицах).

1. Устьица — поры, через которые диффундирует вода, испарившаяся с поверхности клеток; такие поры есть в эпидермисе листьев и зеленых стеблей (около 90% воды).

2. Кутикула — восковой слой, покрывающий эпидермис листьев и стеблей; через него проходит вода, испаряющаяся с наружных стенок клеток эпидермиса (около 10%; больше или меньше в зависимости от толщины кутикулы).

3. Чечевички: обычно их роль в испарении воды очень мала, но у листопадных деревьев после сбрасывания листвы через чечевички теряется основная масса воды.

Потери воды в результате транспирации могут быть очень велики. Травянистые растения, например хлопчатник или подсолнечник, ежедневно теряют до 1-2 л воды, а старый дуб — более 600 л.

14.17. Почему транспирация идет главным образом через листья?

Вода поступает в листья по ксилеме. В листьях есть своя собственная, сильно разветвленная сеть проводящих пучков, охватывающая весь лист. Ее ветви оканчиваются одним или несколькими сосудами или трахеидами, которые почти не лигнифицированы. Поэтому вода легко проходит через их целлюлозные стенки и поступает к снабжаемым ими клеткам мезофилла. На рис. 14.7 показаны три основных пути, по которым вода идет дальше: апопластный (через клеточные стенки), симпластный (через цитоплазму и плазмодесмы) и вакуолярный (от вакуоли к вакуоли).

14.3.1. Путь через апопласт

Апопласт — это система, образованная из примыкающих друг к другу клеточных стенок, создающих непрерывное целое (за исключением поясков Каспари в корнях, разд. 14.5.2). "Свободное пространство", которое может быть заполнено водой, занимает до 50% объема клеточных стенок. Испарение воды из апопласта мезофилла в межклеточное воздушное пространство создает натяжение в непрерывном потоке воды через апопласт, и вода массовым потоком проходит через стенки в результате сцепления (когезии) ее молекул (разд. 14.4). В апопласт вода поступает из ксилемы.

14.3.2. Путь через симпласт

Симпласт — это система связанных между собой протопластов растения. Цитоплазма соседних клеток соединена плазмодесмами — цитоплазматическими тяжами, проходящими через поры в примыкающих друг к другу клеточных стенках (рис. 14.7, Б). Детали строения плазмодесм до сих пор окончательно не выяснены, поэтому не известно, в какой мере они служат каналами для передвижения веществ. Кажется, однако, вероятным, что если уж вода и растворенные в ней вещества проникнут в цитоплазму одной из клеток, то дальше они могут переходить из клетки в клетку, минуя мембраны. Как и при вакуолярном переносе (разд. 14.3.3), вода идет по градиенту водного потенциала. Возможно, что этому способствуют и токи цитоплазмы. Передвижение воды по симпласту имеет большее значение, чем путь через вакуоли.

Рис. 14.7. А. Схема путей передвижения воды в листе. Существуют три возможных пути: симпластный и вакуолярный пути показаны слева, а апопластный путь справа. Клетки 1, 2, 3 упоминаются в тексте. Толщина клеточных стенок намеренно преувеличена. Б. Схематическое изображение группы клеток, на котором суммированы все возможные пути передвижения воды (и растворенных в ней веществ). Одновременно может использоваться несколько путей. Такие пути могут функционировать и в листе, и в коре корня. Перенос ионов по вакуолярному пути обязательно включает активный транспорт. Наибольшее значение имеет апопластный путь, а наименьшее — вакуолярный (им можно пренебречь)

14.3.3. Вакуолярный путь

В этом случае вода переходит из вакуоли в вакуоль через другие компоненты смежных клеток; при этом она пересекает симпласт и апопласт и проходит через плазмалемму и тонопласт путем осмоса (рис. 14.7, Б). Она движется по градиенту водного потенциала, который создается как описано ниже.

Вода испаряется с увлажненной поверхности клеточных стенок мезофилла и попадает в межклетники, в частности в околоустьичные воздушные пространства. Рассмотрим, например, клетку 1 на рис. 14.7, А. Потеря ею воды приводит к тому, что в ней падает тургорное давление и понижается водный потенциал. В результате этого водный потенциал клетки 2 становится выше, чем у клетки 1 (хотя в состоянии равновесия он был одинаков). Поэтому вода идет из клетки 2 в клетку 1, и водный .потенциал клетки 2 понижается по сравнению с потенциалом клетки 3. Так в листе создается градиент водного потенциала на всем пути от сосудов ксилемы с ее более высоким водным потенциалом до клеток мезофилла, потенциал которых гораздо ниже. За счет осмоса вода поступает из ксилемы в клетки мезофилла. Хотя нам удобнее рассматривать передвижение воды шаг за шагом, следует подчеркнуть, что градиент водного потенциала, который создается в листе, на самом деле непрерывен, и вода равномерно течет по градиенту, подобно тому как жидкость движется по фитилю.

Иногда создается неверное представление, что вода передвигается в листе под действием градиента осмотического давления. Однако нет ни-каких данных, которые бы позволили предположить, что осмотическое давление в соответствующих клетках сильно различается, хотя градиент водного потенциала, несомненно, существует. Разность водного потенциала возникает в основном из-за разности тургорного давления (вспомните, что потеря даже небольшого количества воды в первую очередь влияет на тургорное давление, а не на осмотическое). То же самое можно сказать и о корне (разд. 14.5), в котором есть градиенты тургорного давления и водного потенциала, но не всегда существуют градиенты осмотического давления.

14.3.4. Выход воды через устьица

Все три пути переноса воды завершаются испарением ее в воздушные пространства листа. Отсюда пары воды диффундируют через устьица по пути наименьшего сопротивления, т. е. от более высокого водного потенциала внутри листа к более низкому за его пределами. У двудольных растений устьица обычно располагаются в основном на нижней поверхности листа, на верхней же их меньше или нет вовсе. Регуляцию открывания и закрывания устьиц мы рассмотрим в разд. 14.3.9. Все листья окружены неподвижным слоем воздуха, толщина которого определяется размерами листа, особенностями его строения, например опущенностью, и скоростью ветра. Пары воды сначала диффундируют через этот слой и лишь затем уносятся воздушными потоками. Чем тоньше неподвижный слой, тем быстрее идет транспирация. Существует диффузионный градиент, направленный от неподвижного слоя назад к клеткам мезофилла. Теоретически каждое устьице должно иметь свой собственный диффузионный градиент — свою "диффузионную оболочку" (рис. 14.8). На самом же деле, если воздух неподвижен, диффузионные оболочки соседних устьиц перекрываются и образуют одну общую оболочку.

Рис. 14.8. Диффузия молекул воды из устьица. Обратите внимание на то, что у краев отверстия диффузионный градиент круче. Линиями показаны области одинаковой концентрации молекул воды (одинакового водного потенциала); чем круче градиент водного потенциала, тем ближе друг к другу расположены эти линии и тем быстрее происходит диффузия. Поэтому наибольшей будет скорость диффузии у краев устьичной щели. Этот 'краевой эффект' означает, что потеря влаги и газообмен будут более быстрыми при большом числе малых отверстий, чем при малом числе больших отверстий той же суммарной площади

14.3.5. Измерение скорости транспирации

14.3.6. Влияние факторов окружающей среды на транспирацию

14.3.7. Влияние особенностей самого растения (внутренних факторов) на скорость транспирации

14.3.8. Физиологическая роль транспирации

Транспирацию называют "неизбежным злом", так как это неминуемое, но потенциально вредное следствие того, что клеточные стенки должны быть влажными и что с них испаряется вода. Пары воды выходят из растения в окружающую среду по тем же самым путям газообмена, которые необходимы для фотосинтеза и дыхания. Как мы уже говорили, основной газообмен идет через устьица. Если бы не было кутикулы, устьица были бы совсем не нужны, а газообмен происходил бы даже более эффективно. Но тогда нельзя было бы контролировать потерю воды. Кутикула уменьшает эту потерю, а дальнейшую регуляцию осуществляют устьица, которые у большинства растений очень чувствительны к недостатку воды и закрываются, например, при засухе. Обычно они закрыты и ночью, когда прекращается фотосинтез. В засушливых условиях потеря воды может вести к завяданию, опасному обезвоживанию, а затем и к гибели растения. Есть достаточно данных о том, что даже незначительный водный стресс замедляет рост, а это приводит к экономическим потерям из-за снижения урожайности сельскохозяйственных культур.

Несмотря на явную неизбежность транспирации, интересно было бы знать, не дает ли она растению какую-то выгоду? Существуют две возможности:

1. Высказано предположение, что транспирационный ток нужен для доставки минеральных солей всем частям растения, т.е. что эти вещества переносятся вместе с водой. Может быть, это так, но, по-видимому, для передвижения минеральных солей вполне хватило бы очень малой скорости транспирации. Например, поступление минеральных солей в листья ничуть не снижается ночью, когда транспирация невелика; это связано с тем, что растительный сок, находящийся в ксилеме, ночью более концентрирован, чем днем. Всасывание минеральных солей не зависит существенным образом от транспирационного тока, хотя возможно, что быстрое поглощение воды позволяет корням извлекать воду и растворенные в ней вещества из более отдаленных участков почвы.

2. Транспирации сопутствует испарение воды из клеток мезофилла. Этот процесс идет с затратой энергии, поэтому испарение приводит к охлаждению листьев точно так же, как пот охлаждает кожу у млекопитающих. Иногда это очень важно, особенно на открытом солнце, когда листья поглощают много лучистой энергии и могли бы перегреваться, а сильный перегрев затормаживает процессы фотосинтеза. Однако вряд ли такой охлаждающий эффект имеет какое-либо значение в нормальных условиях. В странах с жарким климатом у растений существуют другие способы защиты от теплового стресса.

14.3.9. Устьица: строение и механизм открывания и закрывания

Устьица — это поры в эпидермисе, через которые происходит газообмен. Они имеются главным образом в листьях, но есть и на стебле. Каждое устьице с двух сторон окружено замыкающими клетками, которые в отличие от других эпидермальных клеток содержат хлоропласты. Замыкающие клетки контролируют величину отверстия устьица за счет изменения своей тургесцентности. На рис. 14.13 показан вид устьиц и замыкающих клеток на микрофотографии, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Рис. 14.13. Микрофотография устьица на нижней поверхности листа, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа

В разд. 8.1 мы уже говорили, как выглядят клетки эпидермиса, замыкающие клетки и устьица, если рассматривать их сверху в световом микроскопе. На рис. 14.14 приведено схематическое изображение устьица в разрезе. Здесь видно, что клеточные стенки замыкающих клеток неоднородны по толщине: та стенка, которая ближе к отверстию устьица, явно толще, чем противоположная стенка. К тому же целлюлозные микрофибриллы, из которых состоит клеточная стенка, расположены таким образом, что стенка, обращенная к отверстию, менее эластична, а некоторые волокна образуют своего рода обручи вокруг замыкающих клеток, похожих на сардельки (см. рис. 14.14,Б). По мере того как клетка всасывает воду и становится тургесцентной, эти обручи не дают ей расширяться дальше, позволяя лишь растягиваться в длину. Поскольку замыкающие клетки соединены своими концами, а более тонкие стенки вдали от устьичной щели растягиваются легче, клетки приобретают полукруглую форму (рис. 14.14). Поэтому между замыкающими клетками появляется отверстие. (Такой же эффект мы получим, если будем надувать колбасовидный воздушный шарик с липкой лентой, приклеенной к нему вдоль одной из его сторон.)

Рис. 14.14. А. Вертикальный разрез устьица (видна часть нижней поверхности листа). Б. Структура микрофибрилл целлюлозы в стенках замыкающих клеток

И наоборот, когда вода выходит из замыкающих клеток, пора закрывается. Каким образом происходит изменение тургесцентности клеток, пока не ясно.

В одной из традиционных гипотез — "сахарокрахмальной" гипотезе — предполагается, что днем в замыкающих клетках возрастает концентрация сахара, а в результате повышается осмотическое давление в клетках и поступление в них воды. Однако никому еще не удалось показать, что в замыкающих клетках накапливается достаточное количество сахара, чтобы вызвать наблюдаемые изменения осмотического давления. Недавно было установлено, что днем на свету в замыкающих клетках накапливаются ионы калия и сопутствующие им анионы; такого накопления ионов вполне достаточно, чтобы вызвать наблюдаемые изменения. В темноте ионы калия (К⁺) выходят из замыкающих клеток в прилегающие к ним клетки эпидермиса. До сих пор неясно, каким анионом уравновешивается положительный заряд иона калия. У некоторых (но не у всех) изученных растений отмечалось накопление большого количества анионов органических кислот типа малата. Одновременно уменьшаются в размере крахмальные зерна, которые появляются в темноте в хлоропластах замыкающих клеток. Это позволяет предполагать, что крахмал на свету превращается в малат. Один из возможных путей такого превращения:

(Сравните с процессом фотосинтеза у С₄-растений, разд. 9.8.2.)

У некоторых растений, например у Allium cepa (лук), в замыкающих клетках нет крахмала. Поэтому при открытых устьицах малат не накапливается, а катионы, по-видимому, поглощаются вместе с неорганическими анионами типа хлорида (Сl^-).

Некоторые вопросы остаются нерешенными. Например, почему для открывания устьиц нужен свет? Какую роль играют хлоропласты, кроме запасания крахмала? Превращается ли малат в темноте обратно в крахмал? В 1979 г. было показано, что в хлоропластах замыкающих клеток Vicia faba (конские бобы) отсутствуют ферменты цикла Кальвина и система тилакоидов развита плохо, хотя хлорофилл и имеется. В результате не работает обычный С₃ — путь фотосинтеза и не образуется крахмал. Это могло бы помочь объяснить, почему крахмал образуется не днем, как в обычных фотосинтезирующих клетках, а ночью. Другой интересный факт — отсутствие плазмодесм в замыкающих клетках, т.е. сравнительная изолированность этих клеток от остальных клеток эпидермиса.

На рис. 14.16 показано первичное строение корня у типичных двудольных и однодольных растений.

Рис. 14.16. А. Главные особенности анатомического строения корня у типичного двудольного растения Ranunculus (лютика). Б. Главные особенности анатомического строения корня у типичного однодольного растения Zea mays (кукурузы). В. Поперечный срез корня лютика при малом увеличении. Г. Поперечный срез корня кукурузы при малом увеличении

14.22. Составьте таблицу главных различий в первичном строении корня у двудольных и однодольных растений.

Основная масса воды поглощается более молодыми частями корня в зоне корневых волосков. Когда корень растет в почве, на нем непрерывно образуются новые корневые волоски, а старые отмирают. Новые корневые волоски возникают на некотором расстоянии позади зоны растяжения. Корневые волоски — это трубчатые выросты эпидермальных клеток (рис. 14.16), намного увеличивающие поверхность, которая может поглощать воду и минеральные соли. Они вступают в тесный контакт с частицами почвы.

На рис. 14.17, А, схематически показано, как вода проходит по корню. В корне существует градиент водного потенциала — от более высокого уровня в клетках, образующих корневые волоски, к более низкому в клетках, примыкающих к ксилеме. Градиент водного потенциала поддерживается двумя способами:

1) за счет передвижения воды вверх по ксилеме, при котором, как мы уже говорили, в ксилеме создается натяжение и таким образом понижается водный потенциал ксилемного сока;

2) за счет того, что осмотическое давление в ксилемном соке намного выше, чем в более разбавленном почвенном растворе.

Вода передвигается по корню по тем же путям, что и в листьях, а именно по апопласту, симпласту и через вакуоли.

Рис. 14.17. А. Схема передвижения воды и ионов в корне (корень изображен в поперечном разрезе). Толщина клеточных стенок для ясности преувеличена. Клетки 1, 2, 3 упоминаются в тексте. Наибольшее значение для передвижения воды и растворенных в ней веществ имеет апопластный путь. Менее важен симпластный путь, если не считать переноса солей в области эндодермы. Передвижение по вакуолярному пути ничтожно мало. Б. Структура и функция эндодермы корня. Показаны пояски Каспари в молодых эндодермальных клетках и отложение добавочного суберина в более старых клетках, за исключением 'пропускных' клеток. В. Названия стенок: поперечные и радиальные стенки расположены антиклинально (т. е. под прямым углом к поверхности корня), а тангенциальная стенка — периклинально (т.е. параллельно поверхности корня)

14.5.1. Симпластный и вакуолярный пути

По мере того как вода поднимается вверх по корневой ксилеме, ее замещает вода из соседних клеток паренхимы, скажем таких, как клетка 1 на рис. 14.17,А. В результате потери воды водный потенциал клетки 1 уменьшается, и в нее начинает поступать вода из клетки 2. Она переходит туда путем осмоса или по симпласту точно так же, как это происходило в таких же клетках 1 и 2 в листе (см. разд. 14.3.2). Тогда в свою очередь снижается и водный потенциал клетки 2, в нее начинает поступать вода из клетки 3 и так далее через весь корень до самого эпидермиса, образующего волоски.

Почвенный раствор обычно бывает достаточно разбавленным и потому водный потенциал его выше, чем в клетках, образующих корневые волоски, в том числе и в самих волосках. В результате вода входит в корень из почвы за счет осмоса.

14.23. Расположите по порядку в соответствии с величиной ψ почвенный раствор, ксилемный сок, клетку 1, клетку 2, клетку 3, клетку корневого волоска. (Используйте символ >.)

14.5.2. Апопластный путь

Апопластный путь в корне функционирует в принципе так же, как в листе (разд. 14.3.1), но с одним существенным отличием. Когда вода, передвигающаяся в клеточных стенках, достигает эндодермы, ее дальнейшему продвижению препятствует водонепроницаемый материал суберин, который откладывается в клеточных стенках в виде полосок, называемых поясками Каспари. Эти пояски препятствуют передвижению воды по апопласту (рис. 14.17, Б), и поэтому вода и растворенные в ней соли должны проходить через плазматическую мембрану под контролем цитоплазмы эндодермальной клетки. Как полагают, благодаря этому живые клетки могут регулировать передвижение воды и минеральных солей из почвы в ксилему. Возможно, что этот механизм служит также для защиты от проникновения токсичных веществ, патогенных грибов и т. п. Интересно отметить, что даже при плазмолизе цитоплазма эндодермальной клетки не отстает от клеточной стенки в области пояска Каспари, хотя она и сжимается в остальной части клетки. С возрастом опробковение клеток эндодермы в корне часто усиливается (рис. 14.17, Б). Это препятствует нормальному выходу воды и минеральных солей через внутренние тангенциальные клеточные стенки. Однако в таких стенках могут сохраняться поры в виде плазмодесми, кроме того, остаются так называемые "пропускные" клетки, у которых не происходит добавочного утолщения стенки и через которые свободно проходят вода и растворенные вещества.

Относительная роль апопластного, симпластного и вакуолярного путей не выяснена.

Мы только что рассмотрели путь минеральных солей в корне от его поверхности до ксилемы, но это лишь самый первый этап их передвижения. Попав в ксилему, соли разносятся дальше по всему растению с транспирационным током, представляющим собой массовый поток жидкости. Как мы уже говорили, передвижение минеральных эле-ментов по ксилеме можно продемонстрировать, поставив опыты с кольцеванием растений. При этом удаление тканей, расположенных ближе к поверхности ствола, т.е. флоэмы и т.д., не влияет на передвижение ионов вверх по растению. Анализы ксилемного сока говорят о том, что значительная доля азота переносится в виде аминокислот и других близких к ним органических соединений, хотя часть азота мигрирует в виде неорганических ионов нитрата или аммония. Следовательно, эти ионы частично превращаются в корнях в аминокислоты. Точно так же и небольшие количества фосфора и серы транспортируются в виде органических соединений.

Поэтому, хотя традиционно ксилему и флоэму рассматривают как две ткани, проводящие соответственно минеральные и органические вещества, это различие не вполне четкое. К тому же обычно происходит некоторый обмен веществами между ксилемой и флоэмой и, кроме того, как мы увидим дальше, по флоэме переносятся значительные количества минеральных элементов из других органов растения.

Главными потребителями минеральных элементов, т.е. местами их использования, являются растущие части растения, т. е. верхушечные и пазушные меристемы, молодые листья, развивающиеся плоды, цветки и запасающие органы. Растворенные вещества "выгружаются" из ксилемы на концах тончайших жилок, при этом они поступают в клетки путем диффузии и активного поглощения. Иногда в этом процессе участвуют особые передаточные клетки (см. разд. 14.8.6).

14.7.1. Рециркуляция и ремобилизация

Очень часто транслокация минеральных элементов по ксилеме и флоэме не завершается переносом веществ из корня к органу — потребителю. В общем ксилема только доставляет тот или иной элемент к определенному органу, и если этот элемент здесь не нужен, то флоэма уносит его дальше вверх или вниз по растению. Такая рециркуляция была изучена с помощью радиоактивных изотопов и, как выяснилось, это довольно обычное явление. В одном из экспериментов корни, идущие от одного стебля кукурузы, размещали в двух стаканах с питательным раствором, при этом в одном из стаканов был радиоактивный фосфор. За 6 ч этот фосфор проделал путь по ксилеме вверх по стеблю, затем спустился вниз по флоэме и оказался во втором стакане. Это только часть данных, говорящих о том, что у растений фосфор быстро и непрерывно мигрирует по ксилеме и флоэме. Другие элементы менее подвижны. Сера, например, в основном удаляется из проводящих тканей за время первой циркуляции, а кальций известен своей неподвижностью и практически весь остается в том органе, в который был доставлен, так как он плохо передвигается по флоэме.

Очень часто элемент остается внутри органа только на определенное время, а затем вновь мобилизуется, т. е., выполнив какую-то полезную функцию в данном органе, выходит из него и направляется в другую часть растения. Это происходит при неодновременном старении листьев, когда более старые, отмирающие листья экспортируют значительную часть своих минеральных веществ в более молодые листья. Точно так же у листопадных деревьев и кустарников полезные вещества листьев перед сбрасыванием листвы снова мобилизуются и сохраняются, откладываясь где-нибудь в другом месте. Ремобилизация происходит также при развитии цветков, плодов, семян и запасающих органов. Направленное передвижение питательных веществ контролируется ростовыми веществами, особенно цитокининами (разд. 15.2.7). Из всех элементов легче всего ремобилизуются фосфор, сера, азот и калий.

У тех многоклеточных растений, у которых корни и другие органы удалены от мест фотосинтеза, для распределения продуктов фотосинтеза нужна специальная транспортная система. У сосудистых растений эти органические продукты переносятся из главных органов фотосинтеза — листьев — ко всем остальным частям растения по флоэме. Флоэма состоит из ситовидных элементов, клеток-спутников, паренхимы, волокон и склереид. Строение флоэмы по данным световой микроскопии мы уже рассматривали в разд. 8.2.2. Ситовидные элементы располагаются торец в торец и образуют ситовидные трубки, в которых каждый элемент отделен от соседнего ситовидной пластинкой. Связи между автотрофными клетками, образующими органические питательные вещества, и клетками, получающими эти вещества, показаны на рис. 14.20. Обратите внимание на то, что, как видно из этого рисунка, органические вещества у растений транспортируются и вверх, и вниз, т. е. в двух направлениях. Это отличает флоэму от ксилемы, по которой вещества передвигаются только вверх. Запомните также, что запасающие органы в разное время выступают то

Фотосинтезирующая ткань (главным образом листья) как экспортеры питательных веществ, то как их импортеры.

Рис. 14.20. Передвижение органических веществ в зеленом растении

Как правило, около 90% растворенных веществ, переносимых по флоэме, составляет дисахарид сахароза. Это сравнительно инертный и хорошо растворимый углевод, который не играет почти никакой роли непосредственно в самом метаболизме и поэтому служит идеальной транспортной формой сахара, так как маловероятно, чтобы он расходовался в процессе переноса. Основное предназначение сахарозы — вновь превратиться в более активные моносахариды. Концентрация сахарозы во флоэме может быть очень высокой, и у сахарного тростника она достигает 25% (вес/объем).

Следует отметить, что по флоэме в различной форме переносятся и некоторые минеральные элементы, например азот и сера — в форме аминокислот, фосфор — в виде фосфорилированных Сахаров и ионов неорганического фосфата, калий — в виде ионов. Кроме того, в небольшом количестве в ней могут присутствовать витамины, ростовые вещества (ауксины, гиббереллины и др.), искусственно привнесенные химикалии, вирусы и иные компоненты. Значение флоэмы для рециркуляции и ремобилизации минеральных веществ уже обсуждалось в разд. 14.7.1.

Данные о циркуляции углерода в растении можно получить, если ввести в листья СО₂ с радиоактивным изотопом ¹⁴С. Радиоактивная углекислота фиксируется в процессе фотосинтеза, и ¹⁴С переходит в растворенные органические вещества, например сахарозу. Передвижение метки в растении можно проследить самыми разными методами, предназначенными для выявления радиоактивных изотопов, например с помощью радиоавтографии, сканирования поверхности счетчиком Гейгера или экстракции изотопа из разных частей растения. В конечном счете и флоэма, и ксилема будут непосредственно участвовать в циркуляции углерода. Так, например, углерод в форме сахарозы может попадать в корни и там использоваться для превращения нитратов в аминокислоты; а затем синтезированные аминокислоты, содержащие этот углерод, могут транспортироваться в ксилемном соке вверх по стеблю.

Опыт 14.6. Изучение распределения продуктов фотосинтеза у растений гороха

В основе описанного ниже опыта лежат данные, использованные в учебной телевизионной программе "Исследование фотосинтеза и транспорта ассимилятов". В этом опыте фотосинтезирующим растениям гороха (Pisum sativum) давали углекислоту, содержавшую радиоактивный изотоп углерода ¹⁴С. Это весьма удобный изотоп, так как у него очень большой период полураспада (5570 лет), поэтому его радиоактивность практически не меняется на протяжении всего эксперимента (сравните с ¹¹С, у которого период полураспада составляет всего лишь 20,5 мин). К тому же с ним относительно безопасно работать, так как его излучение — слабопроникающее (β-частицы с низкой энергией).

Растение использует ¹⁴СО₂ для фотосинтеза точно так же, как и обычную углекислоту (¹²СО₂), и включает ее в органические продукты (ассимиляты). Можно экспериментально проследить перемещение таких ассимилятов, потому что в них содержится 14С; о таких веществах говорят, что они помечены ¹⁴С.

На рис. 14.21 представлены основные этапы эксперимента, в котором ¹⁴СО₂ поступает извне в нижний или в верхний лист отдельных растений гороха, имеющих по одному бобу. После этого в течение суток меченные ¹⁴С ассимиляты транспортируются из листьев в другие части растения. По прошествии этих суток исследуют распределение радиоактивности методом радиоавтографии или же путем измерения количества ¹⁴С в каждой из частей растения. Можно сначала получить радиоавтографы, а затем разрезать растение на части и определить в них содержание 14С после сжигания.

Рис. 14.21.Этапы эксперимента по изучению распределения ассимилятов, меченных ¹⁴С, у гороха

Результаты радиоавтографии представлены на рис. 14.21. Результаты подсчета радиоактивности ¹⁴С в разных частях растения приведены в табл. 14.8.

Таблица 14.8. Радиоактивность (имп./мин) различных частей растения гороха через 24 ч после включения ¹⁴СО₂[14]

14.30. а) Взяв данные из табл. 14.8, рассчитайте долю радиоактивности (в %) в различных частях обоих растений и прямо сравните распределение меченых ассимилятов в этих двух случаях. Каковы основные различия и в чем сходство картины экспорта 14С из верхних и из нижних листьев?

б) Оцените физиологическое значение наблюдаемых различий или сходств в связи с ростом всего растения и отдельных его частей. (Попробуйте нарисовать простейшую схему растения гороха, изобразив на ней около восьми листьев и поместив боб в районе третьего от вершины листа, а затем указать направление и интенсивность движения ассимилятов от верхнего и от нижнего листа к бобу и к корневой системе.)

14.8.1. Характерные особенности транслокации по флоэме

Если для транспорта веществ по ксилеме имеется вполне удовлетворительная гипотеза, то в отношении флоэмы вопрос остается спорным. Прежде чем рассмотреть возможные механизмы транслокации по флоэме, полезно будет перечислить некоторые факты, которые сильно затрудняют решение проблемы, но тем не менее должны учитываться в любой гипотезе.

1. Количество переносимого материала может быть очень большим. Подсчитано, например, что за вегетационный период вниз по стволу большого дерева может пройти около 250 кг сахара.

2. Скорость движения велика, обычно она составляет 20-100 см/ч. Зарегистрированы максимальные скорости более 600 см/ч.

14.31. Если сахароза перемещается по ситовидным трубкам со скоростью 100 см/ч, а длина ситовидного элемента 200 мкм, за какое время молекула сахарозы пройдет один ситовидный элемент?

В стеблях двудольных растений скорость передвижения нередко составляет около 10-25 г сухого вещества на 1 см² поперечного сечения ситовидных трубок в час.

3. Возможен перенос на очень большие расстояния. Самые высокие деревья, например эвкалипты, могут быть высотой до 100 м и выше. Листья эвкалипта находятся в основном у верхушки ствола, поэтому ассимиляты должны продвигаться по всей длине ствола, а часто еще и на большое расстояние по корням.

4. Относительная масса флоэмы невелика. Толщина слоя функционально активной флоэмы, расположенного по окружности древесного ствола, близка к толщине почтовой открытки. Из флоэмы состоит самый внутренний слой коры одревесневших стеблей и корней; при этом более старые слои флоэмы растягиваются и отмирают по мере роста органа и увеличения его окружности.

5. Ситовидные трубки очень тонки, их диаметр не превышает 30 мкм. Последняя величина сравнима с толщиной очень тонкого человеческого волоса. Ситовидные трубки через определенные промежутки перегорожены ситовидными пластинками с порами еще меньшего диаметра. Чем уже трубки и мельче поры, тем выше их сопротивление протеканию жидкости и тем большая сила нужна для того, чтобы преодолеть это сопротивление.

14.32. Через сколько ситовидных пластинок пройдет молекула сахарозы, если она переместится на 1 м по ситовидным трубкам, состоящим из ситовидных элементов длиной 400 мкм каждый?

6. Помимо ситовидных пластинок ситовидные трубки имеют и ряд других особенностей,* о которых тоже не следует забывать.

14.8.2. Ультраструктура ситовидных трубок

В отличие от сосудов ксилемы-мертвых пустых трубок практически без каких-либо внутренних препятствий — ситовидные трубки флоэмы являются живыми образованиями и определенно содержатся препятствий, мешающих току раствора, а именно ситовидные пластинки и (в меньшей степени) цитоплазму. Поскольку механизм передвижения до сих пор не выяснен, в поисках новых сведений очень важно изучить ультрамикроскопическую структуру ситовидных трубок. На рис. 14.22 представлена электронная микрофотография зрелого ситовидного элемента, а на рис. 14.23-схема, на которой указаны все основные детали ситовидных элементов и примыкающих к ним клеток-спутников.

Рис. 14.22. Электронная микрофотография зрелого ситовидного элемента

В процессе развития ситовидного элемента из меристематической клетки ядро дегенерирует, и перед нами оказывается необычный пример живой клетки, не имеющей ядра; в этом отношении она сходна с эритроцитом млекопитающего. В то же самое время происходят и другие глубокие изменения, результаты которых можно видеть на рис. 14.23. Торцовые клеточные стенки преобразуются в ситовидные пластинки; при этом плазмодесмы, проходящие через эти стенки, сильно увеличиваются в размерах и превращаются в ситовидные поры. На рис. 8.12 показано, как выглядит ситовидная пластинка при взгляде сверху. В результате всех этих изменений остается трубкообразная структура, состоящая из большой внутренней полости и очень тонкого, почти незаметного периферического слоя живой цитоплазмы, ограниченного плазматической мембраной.

Каждый ситовидный элемент тесно связан с одной или несколькими клетками-спутниками, т. е. паренхимными клетками, которые возникают из той же самой родительской клетки, что и соседний ситовидный элемент. Клетки-спутники имеют очень плотную цитоплазму, содержащую небольшие вакуоли и обычные клеточные органеллы. Эти клетки обладают очень высокой метаболической активностью, на что указывает присутствие многочисленных митохондрий и рибосом (рис. 14.23); в структурном и физиологическом отношении они очень тесно связаны с ситовидными элементами и совершенно необходимы для их функционирования: в случае гибели клеток-спутников погибают и ситовидные элементы.

Рис. 14.23. Схематическое изображение элементов ситовидной трубки и клетки-спутника, как они выглядят на продольном срезе в электронном микроскопе. Если ситовидная трубка повреждена (например, травоядным животным), в ситовидной пластинке быстро откладывается каллоза, что препятствует потере ценных веществ, содержащихся в ситовидной трубке

У двудольных и некоторых однодольных растений в ситовидных элементах образуются большие количества фибриллярного белка, который называют флоэмным белком (Ф-белком). Этого белка иногда откладывается так много, что его можно видеть даже в световой микроскоп. Когда-то такие отложения называли "слизистыми тельцами" или "слизистыми пробками", но они не состоят из углеводов и поэтому их нельзя считать настоящей слизью. Много спорят о том, присутствует ли этот белок в ситовидных порах в нормальных условиях. Иногда, хотя и не во всех случаях, волокна Ф-белка выявляются в ситовидных порах при электронной микроскопии. Одна из больших трудностей при подготовке препарата флоэмы для электронной микроскопии связана с тем, что содержимое ситовидных трубок, как полагают, находится под высоким гидростатическим давлением — возможно, до 3000 кПа. При подготовке среза для фиксации такое давление могло бы внезапно сбрасываться, и в результате флоэмный белок вместе с остальным содержимым ситовидного элемента мог бы продавливаться через поры и закупоривать их. В этом случае появление флоэмного белка в порах ситовидных пластинок было бы артефактом. Чтобы решить этот вопрос, пробовали, например, совсем устранить или уменьшить гидростатическое давление, подсушивая растение перед приготовлением срезов. Электронная микроскопия увядших растений показала, что ситовидные поры у них иногда закупорены полностью, иногда лишь частично, а иногда не закупорены вовсе. Таким образом, этот прием, так же как и другие методы, не позволил решить проблему.

14.8.3. Данные о передвижении веществ по флоэме

Очень важно, особенно в связи с вопросом о механизме транспорта, иметь полную уверенность в том, что растворенные органические вещества действительно передвигаются по ситовидным трубкам флоэмы. Самые первые данные о передвижении Сахаров и других соединений по флоэме были получены в опытах с кольцеванием, когда вырезали кольцо ткани, содержащей флоэму, а ксилему не трогали. Еще в 1675 г. Мальпиги показал, что вода идет вверх по древесине, а питательные вещества — вниз по "коре". Он делал кольцевые вырезки коры у деревьев (в коре находится флоэма) и обнаружил, что листья при этом не вянут, а рост ниже кольца сильно замедляется.

Очень много экспериментов по кольцеванию пределами Мэзон и Маскелл, работавшие в 20-е и 30-е годы на Тринидаде с растениями хлопчатника. Один из этих опытов представлен на рис. 14.24; его результаты привели исследователей к выводу, что, когда флоэма перерезана, но остается в контакте с ксилемой, между обеими тканями может происходить некоторый обмен сахарами (рис. 14.24,А), но передвижение веществ вниз по стволу происходит по флоэме (рис. 14,24, Б и В).

Рис. 14.24. Опыты по кольцеванию растений хлопчатника, проведенный Мэйсоном и Маскеллом

Чтобы продемонстрировать перенос сахарозы по флоэме, ставились простые эксперименты двух типов. В 1945 г. в растение вводили ¹³С в виде ¹³СО₂ и затем выявляли этот нерадиоактивный изотоп углерода при помощи масс-спектрометрии. Кольцо флоэмы ошпаривали тонкой струей перегретого пара, чтобы убить клетки, и после этого транслокация меченной ¹³С сахарозы через ошпаренный участок прекращалась. Однако такая обработка не влияла на передвижение минеральных элементов по ксилеме. Эксперименты второго типа были основаны на выявлении радиоактивности во флоэме после инкубации растений с ¹⁴СО₂ и последующей микрорадиоавтографии срезов стебля. Введение в практику радиоактивных изотопов сильно стимулировало работы по транслокации в 30-е и 40-е годы.

То, что передвижение идет по ситовидным трубкам, было потверждено в изящных экспериментах, в которых была использована способность тлей питаться переносимыми по флоэме сахарами. Тля прокалывает ткани растения с помощью своего специализированного ротового аппарата; в этот аппарат входят чрезвычайно тонкие трубчатые "стилеты", которые медленно проталкиваются через ткани растения до тех пор, пока не достигнут флоэмы. Как видно из рис. 14.25, такие стилеты могут проникать в индивидуальную ситовидную трубку.

Рис. 14.25. А. Тля, хлопок которой проник через эпидермис листа. Б. Хоботок тли, вошедший в отдельную ситовидную трубку

Если обездвижить тлю двуокисью углерода и затем удалить тело, оставив стилеты внутри растения, содержимое ситовидной трубки будет продолжать проталкиваться через колюще-сосущий ротовой аппарат гидростатическим давлением в ситовидной трубке; выходящую наружу жидкость можно собрать с помощью микрокапилляра. Этот прием нашел ряд полезных приложений, например для измерения скорости тока жидкости в ситовидных трубках (по скорости ее выхода из капилляра) и для анализа их содержимого.

Наконец, повышение чувствительности пленки, используемой для микрорадиоавтографии, позволило точно локализовать соединения, меченные слабо излучающим изотопом водорода тритием (3Н), именно в ситовидных трубках, а не в каких-либо иных клетках флоэмы. Изотоп вводили в составе той или другой аминокислоты или же сахарозы.

Все эти опыты позволили также установить, что самые разные вещества переносятся по флоэме одновременно и вверх и вниз, хотя такое двустороннее движение происходит, вероятно, не в одной и той же ситовидной трубке, а в разных трубках, расположенных по соседству друг с другом.?

14.8.4. Механизм транслокации веществ по флоэме

14.8.5. Механизмы "первой помощи": возможная роль ситовидных пластинок, флоэмного белка и пластид

Одна из опасностей, с которой сталкиваются все растения, — это повреждение травоядными животными. Если при этом будет нарушена целость ситовидных трубок, то утечка таких высокоэнергетических веществ, как сахароза, дорого обойдется растению. Поврежденные ситовидные трубки обычно закупориваются уже через несколько минут в результате отложения каллозы на ситовидных пластинках и закрытия пор. Возможно, что это одна из функций ситовидных пластинок. Было высказано предположение, что у двудольных растений роль флоэмного белка как еще одного средства "первой помощи" связана с быстрым блокированием ситовидных пор сразу же после повреждения трубки; при этом может использоваться возникающий перепад давления, о котором упоминалось в разд. 14.8.2. У однодольных, у которых флоэмного белка обычно очень мало, ту же роль могли бы играть пластиды, находящиеся в ситовидных трубках.

14.8.6. Загрузка ситовидных трубок ассимилятами

Было показано, что концентрация сахарозы в ситовидных трубках листа обычно находится в пределах от 10 до 30%, тогда как в фотосинтезирующих клетках, где этот сахар образуется, концентрация его в растворе составляет всего лишь около 0,5%. Значит, загрузка ситовидных трубок происходит против концентрационного градиента. На коротком пути от хлоропласта до ситовидной трубки, составляющем не более 3 мм, вещества могут двигаться и по симпласту, и по апопласту.

В 1968 г. Ганнинг и его сотрудники описали новый тип видоизмененных клеток-спутников. В результате дополнительного утолщения клеточные стенки у них образуют многочисленные внутренние выступы, и это примерно в десять раз увеличивает площадь плазматической мембраны, выстилающей такую стенку. Как полагают, такое видоизменение клеток связано с необходимостью активно поглощать вещества из соседних фотосинтезирующих клеток и активно же передавать их ближайшим ситовидным элементам через сложно устроенные, сильно развитые плазмодесмы. Энергию для всех этих активных процессов доставляют многочисленные митохондрии, лежащие в цитоплазме таких клеток. Эти видоизмененные клетки называются передаточными клетками. Позднее сходного типа клетки с выростами клеточной стенки были найдены и в других местах, где происходит транспорт веществ на короткое расстояние, например в паренхиме ксилемы. Такие клетки очень легко рассмотреть на сделанных вручную срезах узла традесканции после окраски толуидиновым синим. Эти клетки есть не у всех растений, но они довольно обычны у бобовых и некоторых других семейств. На рис. 14.28 показано, как они выглядят в электронном микроскопе.

Рис. 14.28. Поперечный разрез одной из тонких жилок листа Senecio vulgaris. В зоне флоэмы (вверху) видны шесть клеток паренхимы, окружающих два ситовидных элемента. Сверху и снизу от ситовидных элементов — две пары клеток-спутников, видоизмененных в передаточные клетки типа А. Сбоку от них находится по одной передаточной клетке типа В. Клетки этих двух типов резко различаются по относительной плотности цитоплазмы, по полярности зон, в которых находятся внутренние выросты клеточных стенок, и по способу соединения с ситовидными элементами; клетки типа А, как правило, соединены плазмодесмами, тогда как между клетками типа В и ситовидными элементами плазмодесмы втречаются очень редко. Внизу видны два элемента ксилемы, а по обеим сторонам от них находятся две большие клетки обкладки проводящего пучка; они видны лишь частично. Стрелками показаны некоторые из возможных путей возврата растворенных веществ внутрь жилки после их доставки к апопласту по ксилеме (см. в тексте). Увеличение х 6560

У простейших вещества перемещаются в основном с током протоплазмы. У кишечнополостных циркуляция веществ осуществляется благодаря движению стенок тела, создающему в гастроваскулярной полости токи воды, с которыми и переносятся пища, вода и растворенные в ней газы. Этому перемещению способствуют мышечно-эпителиальные и жгутиковые клетки энтодермы. Плоские черви имеют очень тонкое уплощенное тело, благодаря чему обмен веществами внутри тела и с окружающей средой может осуществляться путем диффузии.

14.10.1. Кольчатые черви

14.10.2. Членистоногие

14.10.3. Циркуляторные системы позвоночных

Кровь у млекопитающих состоит из клеток, взвешенных в жидкой среде, называемой плазмой. Клетки составляют около 45%, а плазма-55% общего объема крови.

14.11.1. Плазма

Плазма-это бледно-желтая жидкость, 90% которой составляет вода, а 10%-растворенные и взвешенные в ней вещества. В норме концентрации одних растворенных веществ остаются постоянными, а содержание других может колебаться в узких пределах в зависимости от скорости их удаления из крови или поступления в нее из тех или иных органов. Основные компоненты плазмы и их функции приведены в табл. 14.9.

Таблица 14.9. Компоненты плазмы крови и их функции

14.11.2. Форменные элементы крови

14.11.3. Тромбоциты (кровяные пластинки)

Тромбоциты представляют собой фрагменты клеток, имеющие неправильную форму, окруженные мембраной и обычно лишенные ядра. Они образуются из крупных клеток костного мозга, называемых мегакариоцитами. Играют важную роль в инициации свертывания крови. В 1 мл крови содержится около 250000 тромбоцитов.

Опыт 14.7. Приготовление мазка крови

Полотенца одноразового пользования

Ватные тампоны 70%-ный спирт

Стерильные ланцеты одноразового пользования

Два предметных стекла

Герметичные контейнеры

Краситель Лейшмана

Дистиллированная вода

Глицерол (глицерин)

Покровное стекло

Свежеприготовленный раствор хлорида натрия

1. Тщательно вымойте руки водой с мылом. Те, у кого будут брать кровь, должны особенно хорошо промыть место взятия крови. Руки следует вытирать только полотенцем одноразового пользования.

2. Несколько раз встряхните кистью опущенной руки, чтобы кровь прилила к пальцам.

3. Простерилизуйте участок кожи мизинца на расстоянии 5-10 мм от нижнего края ногтя с помощью ватного тампона, смоченного 70%-ным спиртом, и дайте ему просохнуть (рис. 14.37, А).

4. Непосредственно перед использованием извлеките из пакетика новый стерильный ланцет одноразового пользования. Ни к чему не прикасайтесь острым концом ланцета.

5. С помощью ланцета проколите кожу в намеченном участке пальца, а затем уберите ланцет в контейнер. Ланцеты должны использоваться не более одного раза.

6. Перенесите выступившую каплю крови на конец стерильного предметного стекла. Избегайте при этом всякого контакта между проколотым участком кожи и стеклом.

7. Протрите место укола чистым ватным тампоном, смоченным в 70%-ном спирте; если нужно, слегка прижмите тампон, чтобы остановить кровотечение. Все использованные тампоны кладите в тот же контейнер, куда складываются ланцеты.

8. Возьмите второе предметное стекло и, держа его под углом 45°, прикоснитесь им к капле крови, а затем проведите по первому стеклу в направлении от капли, чтобы получился мазок (рис. 14.37, Б).

9. В течение нескольких минут подсушите мазок, чтобы клетки приклеились к стеклу. Подсушить мазок можно, подержав его над абажуром лампы или помахав им в воздухе.

10. Добавьте 6 капель красителя Лейшмана и оставьте на 60 с.

11. Добавьте 6 капель дистиллированной воды и, покачивая стекло, перемешайте ее с красителем.

12. Оставьте мазок на 15 мин, а затем сполосните водой.

13. Добавьте к препарату каплю глицерола, накройте его покровным стеклом и рассмотрите под микроскопом.

14. Эритроциты будут окрашены в розовый цвет, а тромбоциты и ядра лейкоцитов — в синий.

15. Кровь, попавшую во время опыта на стол или еще куда-нибудь, необходимо немедленно смыть свежеприготовленным водным раствором хлората натрия.

16. Необходимо принимать все меры предосторожности, чтобы кровь от одного человека не попала к другому; если же это произойдет, загрязненный участок следует тщательно протереть хлоратом натрия, разведенным в 10 раз водой, а затем хорошо промыть его водой с мылом.

17. В конце практического занятия следует вымыть руки с мылом и вытереть их полотенцем одноразового пользования.

18. В связи с опасностью загрязнения через поврежденную кожу в этом занятии не должны участвовать лица с какими-либо открытыми ранками.

Рис. 14.37. А. Участок пальца, из которого берут кровь. Удобнее делать прокол, если палец согнут в последнем суставе. Б. Приготовление мазка крови

Кровь, непрерывно циркулируя в организме, проходит через артерии, капилляры и вены. Стенки артерий и вен построены из трех слоев: внутреннего (интима, tunica intima), состоящего из плоского эндотелия, среднего (tunica media), состоящего из гладкой мускулатуры и эластических волокон, и наружного (tunica externa), состоящего из фиброзной соединительной ткани, содержащей коллагеновые волокна (табл. 14.11 и рис. 14.39,А).

Таблица 14.11. Сравнение структуры и функций артерий, капилляров и вен

Рис. 14.38. А. Мазок крови, на котором видны эритроциты и три типа лейкоцитов. Б. Эритроциты млекопитающего. Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа

Рис. 14.39. А. Поперечный срез через артерию и вену. Б. Продольный срез через вену, в которой виден клапан

Крупным артериям, расположенным вблизи сердца (аорта, подключичные и сонные артерии), приходится выдерживать большое давление крови, выталкиваемой левым желудочком сердца. Эти сосуды имеют толстые стенки, средний слой которых состоит главным образом из эластических волокон. Благодаря этому во время систолы они могут растягиваться, не разрываясь (разд. 14.12.3). После окончания систолы стенки артерий сокращаются, что обеспечивает непрерывный ток крови на всем их протяжении (рис. 14.40).

Рис. 14.40. Эта схема показывает, каким образом артерии, расположенные вблизи сердца, способствуют непрерывному току крови, несмотря на перерывы в поступлении крови из желудочков сердца. (Из Clegg, Clegg, Biology of the mammal, 2nd ed., Heinemann Medical Books.)

Артерии, расположенные дальше от сердца, имеют сходное строение, но содержат больше гладких мышечных волокон в среднем слое. Они иннервируются волокнами симпатической нервной системы, и поступающие по этим волокнам импульсы регулируют их диаметр, что имеет важное значение для регуляции кровотока в различных участках тела.

Из артерий кровь поступает в более мелкие сосуды, называемые артериолами. Во всех артериолах, за исключением легочных, средний слой стенок целиком состоит из гладкой мускулатуры, иннервированной симпатическими волокнами (разд. 16.2). Во многих артериолах в местах перехода их в капилляры находятся прекапиллярные "сфинктеры" (рис. 14.41 и 14.42), при сокращении которых поступление крови в капиллярную сеть прекращается. В определенных участках тела имеются также артериовенозные анастомозы, которые действуют как шунты между артериолами и венулами и служат для регуляции количества крови, протекающей через капиллярные сети, в соответствии с нуждами организма.

Рис. 14.41. Возможные пути перехода крови из артериолы в венулу

Рис. 14.42. Сеть капилляров в ткани

Из артериол кровь поступает в капилляры — самые мелкие из всех кровеносных сосудов тела. Капилляры образуют обширную сеть сосудов, пронизывающих все части тела. Плотность их расположения так велика, что расстояние от клеток до ближайшего капилляра не превышает 0,5 мм. Диаметр капилляров составляет 7-10 мкм, а их стенки, состоящие из одного лишь эндотелия, проницаемы для воды и растворенных в ней веществ. Именно в капиллярах происходит обмен веществами между кровью и клетками тела.

Из капилляров кровь собирается в венулы, стенки которых состоят из тонкого слоя коллагеновых волокон. Из венул кровь поступает в вены, по которым в конце концов возвращается к сердцу.

В венах средний слой стенки содержит меньше мышечных и эластических волокон, чем в артериях, а диаметр просвета больше, чем в артериях. В венах имеются полулунные клапаны (рис. 14.43), образованные складками внутренней оболочки, которые пронизаны эластическими волокнами. Клапаны препятствуют обратному току крови и таким образом обеспечивают ее движение только в одном направлении. Некоторые вены расположены между крупными мышцами (например, в руках и ногах). При своем сокращении эти мышцы давят на вены и сжимают их (рис. 14.44), способствуя таким образом возврату венозной крови к сердцу. Общая схема двух кругов кровообращения у млекопитающих представлена на рис. 14.45.

Рис. 14.43. Механизм действия полулунного клапана в вене. А. Давление крови, направленное вверх, заставляет клапан открыться, и кровь течет по направлению к сердцу. Б. Обратное движение крови приводит к закрытию клапанов, поэтому кровь не может течь по направлению от сердца

Рис. 14.44. Эта схема показывает, каким образом сокращение окружающих вену мышц способствует однонаправленному движению крови к сердцу

Рис. 14.45. Общая схема кровеносной системы млекопитающих, состоящей из двух кругов. Показаны главные кровеносные сосуды без капиллярных сетей. ПП — правое предсердие; ЛП — левое предсердие; ПЖ — правый желудочек; ЛЖ — левый желудочек

14.12.1. Образование межклеточной (тканевой) жидкости

Интерстициальная, или тканевая, жидкость образуется при прохождении крови по капиллярам. Стенки капилляров проницаемы для всех компонентов крови, за исключением эритроцитов и белков плазмы.

Осмотическое давление, создаваемое белками плазмы, составляет около 25 ммрт.ст.[16] и намного превышает осмотическое давление тканевой жидкости. В этих условиях можно было бы ожидать, что тканевая жидкость будет переходить в плазму крови, однако этого не происходит. Кровяное давление в артериальном конце капилляров составляет около 32 мм рт. ст., поэтому жидкость выходит из капилляров в мельчайшие промежутки между клетками и образует тканевую жидкость. Именно через эту жидкость происходит обмен веществами между кровью и тканями. Кровь не может постоянно терять так много жидкости, и значительная часть этой жидкости возвращается обратно в кровяное русло. Это возвращение происходит двумя путями. Часть тканевой жидкости поступает обратно в кровеносные капилляры за счет того, что в венозном конце капилляров давление крови падает до 12 мм рт ст., т. е. становится ниже осмотического давления, создаваемого белками плазмы (рис. 14.46).

Рис. 14.46. Образование тканевой жидкости и лимфы. Часть тканевой жидкости всасывается обратно в кровь на венозном конце капилляров, а остальная часть собирается в лимфатические капилляры. (По К. Schmidt-Nielsen, Animal physiology, 2nd ed., 1980, Cambridge.)

Остальная часть тканевой жидкости диффундирует в замкнутые с одного конца лимфатические капилляры и с этого момента называется лимфой. Лимфатические капилляры, соединяясь между собой, образуют более крупные лимфатические сосуды. Лимфа движется по этим сосудам благодаря сокращению окружающих мышц, а обратному ее току препятствуют клапаны, которые имеются в крупных сосудах и действуют подобно клапанам вен (рис. 14.48). Лимфатические сосуды, идущие от ног, объединяясь с лимфатическими сосудами пищеварительного тракта, образуют грудной проток. Последний открывается в кровяное русло в области шеи через левую подключичную вену. Правый лимфатический проток изливает лимфу в кровь через правую подключичную вену (рис. 14.47).

Рис. 14.47. Лимфатическая система человека. (Из Е. G. Springthorpe, An introduction to functional systems in animals, 1973, Longman.)

Рис. 14.48. Продольный срез через лимфатический сосуд, в котором виден внутренний клапан

По ходу лимфатических сосудов в некоторых местах расположены лимфатические железы, или узлы (рис. 14.49). В лимфатических узлах задерживаются и скапливаются лимфоциты, циркулирующие в крови и лимфе. Они образуют антитела и составляют важную часть иммунной системы организма. Кроме того, лимфатические узлы отфильтровывают присутствующие в лимфе бактерии и чужеродные частицы, которые в конце концов поглощаются фагоцитами.

Рис. 14.49. Срез лимфатической железы

14.12.2. Сердце млекопитающих

У млекопитающих сердце расположено в грудной клетке между легкими, за грудиной. Оно окружено конусовидным мешком — околосердечной сумкой, или перикардом, наружный слой которого состоит из нерастяжимой белой фиброзной ткани, а внутренний — из двух листков, висцерального и париетального. Висцеральный листок сращен с сердцем, а париетальный — с фиброзной тканью. В щель между этими листками выделяется перикардиальная жидкость, которая уменьшает трение между стенками сердца и окружающими тканями. Неэластичный в целом характер перикарда препятствует излишнему растяжению сердца или переполнению его кровью.

Сердце состоит из четырех камер: двух верхних — тонкостенных предсердий и двух нижних — толстостенных желудочков (рис. 14.50). Правая половина сердца полностью отделена от левой. Функция предсердий состоит в том, чтобы собирать и на короткое время задерживать кровь, пока она не перейдет в желудочки. Расстояние от предсердий до желудочков очень мало, поэтому от предсердий не требуется большой силы сокращения. В правое предсердие поступает дезоксигенированная кровь из системного круга, а в левое — насыщенная кислородом кровь из легких. Мышечные стенки левого желудочка по меньшей мере втрое толще стенок правого желудочка. Эта разница связана с тем, что правый желудочек снабжает кровью только легочный (малый) круг кровообращения, тогда как левый гонит кровь по системному (большому) кругу, снабжающему кровью все тело. Соответственно кровь, поступающая в аорту из левого желудочка, находится под значительно большим давлением (приблизительно 105 мм рт. ст.), чем кровь, поступающая в легочную артерию (16 мм рт.ст.).

Рис. 14.50. Сердце млекопитающего (в разрезе)

14.34. Какие другие преимущества дает более низкое давление крови в легочном круге по сравнению с большим кругом?

При сокращении предсердий кровь выталкивается в желудочки, и при этом кольцевые мышцы, расположенные при впадении полых и легочных вен в предсердия, сокращаются и перекрывают устья вен, благодаря чему кровь не может оттекать обратно в вены. Левое предсердие отделено от левого желудочка двустворчатым клапаном, а правое предсердие от правого желудочка — трехстворчатым клапаном. К створкам клапанов со стороны желудочков прикреплены прочные сухожильные нити, которые другим концом прикреплены к конусовидным сосочковым (папиллярным) мышцам, представляющим собой выросты внутренней стенки желудочков. При сокращении предсердий клапаны открываются, а при сокращении желудочков створки клапанов плотно смыкаются, препятствуя возврату крови в предсердия. Одновременно сокращаются сосочковые мышцы, натягивая сухожильные нити и препятствуя выворачиванию клапанов в сторону предсердий. У основания легочной артерии и аорты находятся соединительнотканные карманы — полулунные клапаны, пропускающие кровь в эти сосуды и препятствующие ее возвращению в сердце.

Стенки сердца состоят из сердечных мышечных волокон, соединительной ткани и мельчайших кровеносных сосудов. Каждое мышечное волокно содержит одно или два ядра, миофиламенты и множество крупных митохондрий. Мышечные волокна разветвляются и соединяются между собой концами, образуя сложную сеть. Это обеспечивает быстрое распространение волн сокращения по волокнам, так что каждая камера сокращается как одно целое. В стенках сердца не содержится никаких нейронов (рис. 14.51 и 14.52).

Рис. 14.51. Строение сердечной мышцы

Рис. 14.52. Микрофотография среза сердечной мышцы

14.12.3. Сердечный цикл

Сердечным циклом называют последовательность событий, происходящих во время одного сокращения сердца. Цикл состоит из трех фаз:

1. В правое предсердие поступает под низким давлением дезоксигенированная кровь, а в левое — оксигенированная кровь. Постепенно предсердия растягиваются. Вначале двустворчатый и трехстворчатый клапаны остаются закрытыми, но по мере заполнения предсердий кровью давление в них растет; когда оно становится выше, чем в желудочках, клапаны открываются. При этом некоторое количество крови переходит в расслабленные желудочки. Этот период покоя всех камер сердца называется диастолой (рис. 14.53, А).

2. Когда диастола заканчивается, оба предсердия одновременно сокращаются. Эта фаза носит название систолы предсердий и приводит к тому, что в желудочки выталкивается дополнительное количество крови (рис. 14.53, Б). Почти тотчас же после систолы предсердий сокращаются желудочки (рис. 14.53 В), и это сокращение носит название систолы желудочков. Во время систолы желудочков двустворчатый и трехстворчатый клапаны закрываются. Давление в желудочках возрастает и вскоре оказывается выше, чем в аорте и легочной артерии, в результате чего открываются полулунные клапаны и кровь выталкивается в эти эластичные сосуды. Во время систолы желудочков кровь ударяет в закрытые атриовентрикулярные клапаны и в результате этого удара возникает первый тон сердца ("лаб").

3. Систола желудочков заканчивается, и за ней следует диастола желудочков (рис. 14.53, Г). Под действием высокого давления, создавшегося в аорте и легочной артерии, часть крови устремляется обратно в сторону желудочков, кровь заполняет полулунные клапаны и они закрываются, препятствуя возвращению крови в желудочки. При ударе этого обратного тока крови о полулунные клапаны возникает второй тон сердца ("дап"):

Рис. 14.53. Последовательность фаз одного сердечного цикла. А. Предсердия в фазе диастолы, заполняются кровью

Рис. 14.53. Последовательность фаз одного сердечного цикла. Б. Систола предсердий. Кровь выталкивается в желудочки. Двустворчатый и трехстворчатый клапан открыты. Сфинктеры полой и легочной вен закрыт

Рис. 14.53. Последовательность фаз одного сердечного цикла. В. Предсердия расслабляются, желудочки сокращаются. Кровь выталкивается в аорту и легочную артерию

Рис. 14.53. Последовательность фаз одного сердечного цикла. Г. Клапаны аорты и легочной артерии закрыты. Предсердия начинают вновь наполняться кровью. Желудочки в фазе диастолы

Во время систолы желудочков стенки эластичных артериальных сосудов растягиваются, а во время диастолы возвращаются в исходное состояние и выталкивают кровь, благодаря чему поступление крови в большой и малый круги кровообращения носит пульсирующий характер. По мере удаления крови от сердца пульсация становится менее выраженной, пока совсем не затухает в капиллярах и венах, где кровь течет равномерно (рис. 14.55 и 14.56).

Рис. 14.55. Распределение объема крови, давления и скорости кровотока в кровеносной системе человека. (Из К. Schmidt-Nielsen, Animal physiology, 2nd ed., Cambridge Univ. Press, 1980.)

Рис. 14.56. Кровяное давление в различных участках кровеносной системы человека. (Из J. Н. Green, An introduction to human physiology, 1968, Oxford Univ. Press.)

Один полный цикл состоит из одной систолы и одной диастолы и продолжается около 0,8 с (рис. 14.54).

Рис. 14.54. Последовательность событий на протяжении сердечного цикла начиная с систолы предсердий. Показана также часть следующего цикла. ЛА — кровяное давление в легочной артерии, ПП — в правом предсердии, ЛП в левом предсерции. (Из J. Н. Green, An introduction to human physiology, 1968, Oxford Univ. Press.)

14.12.4. Механизм возбуждения и сокращения сердца

14.12.5. Регуляция сердечного ритма

14.12.6. Регуляция кровяного давления

Кровь млекопитающих выполняет множество важных функций. В приведенном ниже списке первые пять функций принадлежат только плазме.

1. Перенос растворимых органических веществ от тонкого кишечника к различным органам и тканям, где эти вещества откладываются в запас или участвуют в метаболизме, а также доставка питательных веществ из мест их хранения к местам использования.

2. Транспорт подлежащих экскреции растворимых отходов из тканей, где они образуются, к органам выделения.

3. Перенос побочных продуктов метаболизма из мест их образования к другим участкам тела.

4. Транспорт гормонов из желез, где они образуются, ко всем органам и тканям или к определенным органам-мишеням для передачи информации внутри организма.

5. Перенос тепла от глубоко расположенных органов, предупреждающий перегрев этих органов и поддерживающих равномерное распределение тепла в организме.

6. Доставка кислорода из легких ко всем тканям организма и перенос в обратном направлении углекислоты, образующейся в тканях.

7. Защита от болезней, в которой участвуют три механизма:

а) свертывание крови, предотвращающее излишнюю потерю крови и проникновение в организм болезнетворных агентов;

б) фагоцитоз, осуществляемый гранулоцитами, которые захватывают и переваривают попавших в кровеносное русло бактерий;

в) иммунная защита, осуществляемая антителами и/или лимфоцитами.

8. Поддержание постоянного осмотического давления и рН с помощью белков плазмы. Белки плазмы и гемоглобин содержат как кислые, так и основные аминокислоты, поэтому они могут связывать и освобождать ионы водорода и таким образом снижать до минимума изменения рН.

14.13.1. Транспорт кислорода

Кислород переносят молекулы гемоглобина, содержащиеся в эритроцитах. Гемоглобин представляет собой тетрамерный белок с мол. массой 68000. В его состав в качестве простетических групп входят четыре молекулы гема, которые присоединены к четырем полипептидным цепям глобина и придают крови характерный красный цвет. Каждый гем содержит один атом двухвалентного железа, непрочно связывающего одну молекулу кислорода (рис. 14.62):

Нb + 4O₂ ↔ НbO₈.

Рис. 14.62. Строение молекулы гема

Присоединение кислорода к гемоглобину с образованием оксигемоглобина происходит при высоком парциальном давлении кислорода-таком, как в капиллярах легочных альвеол. При низком парциальном давлении кислорода (как в капиллярах метаболически активных тканей) связь между кислородом и гемоглобином становится непрочной, кислород освобождается и диффундирует в окружающие клетки.

Количество кислорода, которое может связаться с гемоглобином, зависит от напряжения кислорода в среде. Последнее выражают как парциальное давление кислорода в атмосфере, находящейся в равновесии с данной средой. Парциальное давление до сих пор выражают в миллиметрах ртутного столба. Например, атмосферное давление на уровне моря составляет 760 мм рт. ст. Кислород составляет около 1/5 атмосферного воздуха; следовательно, его парциальное давление на уровне моря равно примерно 1/5⋅760 = 152 мм рт. ст.

Определяя процент насыщения крови кислородом при различном парциальном давлении O₂, получают S-образную кривую, называемую кривой диссоциации оксигемоглобина (рис. 14.63).

Рис. 14.63. Этот график поясняет термины, принятые для описания кривых диссоциации пигментов, переносящих кислород. Напряжение насыщения — это то напряжение кислорода, при котором насыщено кислородом 95% пигмента, а напряжение полунасыщения — то, при котором насыщено кислородом 50% пигмента. (Из Florey, An introduction to general and comparative physiology, 1966, W. B. Saunders and Co.)

Анализ этой кривой показывает, что в физиологическом плане гемоглобин можно считать полностью насыщенным кислородом при таком напряжении О₂, при котором фактически насыщается 95% гемоглобина. В примере, приведенном на рис. 14.63, такое напряжение составляет около 73 мм рт. ст. При более высоком парциальном давлении О₂ может происходить дальнейшее его поглощение, но 100%-ное насыщение гемоглобина достигается редко. При парциальном давлении кислорода около 30 мм рт. ст. только 50% гемоглобина находится в форме оксигемоглобина, а при нулевом парциальном давлении О₂ молекулы гемоглобина вообще не связывают кислород. В области крутого наклона кривой уже при небольшом снижении парциального давления О₂ процент насыщения гемоглобина значительно уменьшается. Кислород, освобождаемый пигментом, становится доступным для тканей.

Почему же кривая насыщения имеет S-образную форму? Такая форма кривой объясняется аллостерическим характером взаимодействия гемоглобина с кислородом (разд. 6.6). Когда молекула О₂ связывается с атомом двухвалентного железа одного из гемов, конфигурация этого гема слегка изменяется. Это изменение отражается на конфигурации всей молекулы гемоглобина, которая определенным образом меняется. По мере присоединения кислорода к второй и третьей группам гема происходит дальнейшее изменение конфигурации гемоглобина, и в результате каждая последующая молекула О₂ присоединяется легче, чем предыдущая (явление кооперативности), так что последний гем связывает кислород в несколько сотен раз легче, чем первый.

Обратный процесс происходит тогда, когда оксигемоглобин оказывается в области низкого парциального давления О₂, как это бывает в активно дышащих тканях. Первую молекулу кислорода оксигемоглобин отдает тканям очень легко, но вторая, третья и четвертая молекулы отделяются значительно труднее и только при очень сильном снижении парциального давления O₂. При повышении парциального давления СО₂ кривая диссоциации оксигемоглобина сдвигается вправо, и это явление называют эффектом Бора (рис. 14.64).

Рис. 14.64. Кривые диссоциации оксигемоглобина при различном парциальном давлении СО₂, иллюстрирующие эффект Бора. (Из Garth Chapman, The body fluids and their function, Studies in Biology, № 8, 1967, Arnold.)

14.37. Каково физиологическое значение эффекта Бора?

14.38. Рассмотрите рис. 14.65. Кривая диссоциации оксигемоглобина у плода сдвинута влево по сравнению с кривой для матери. Чем объясняется такое смещение?

14.39. Кривая диссоциации оксигемоглобина у южноамериканских лам, живущих в Андах на высоте около 5000 м над уровнем моря, расположена левее, чем у большинства других млекопитающих (рис. 14.66). Чем это можно объяснить?

Рис. 14.65. Кривые диссоциации оксигемоглобина в крови плода и матери у овцы

Рис. 14.66. Сравнение кривых диссоциации оксигемоглобина у ламы и других млекопитающих

14.13.2. Миоглобин

Миоглобин широко распространен у животных, но наиболее характерен для скелетных мышц млекопитающих. Он обладает высоким сродством к кислороду, поэтому кривая диссоциации оксимиоглобина значительно сдвинута влево по отношению к кривой для оксигемоглобина (рис. 14.67). Действительно, оксигемоглобин начинает отдавать кислород только после того, как парциальное давление О₂ падает ниже 20 мм рт. ст. Благодаря этому он играет в покоящейся мышце роль кислородного депо и отдает О₂ только тогда, когда исчерпываются запасы оксигемоглобина. По последовательности аминокислот и третичной структуре молекула миоглобина очень сходна с отдельной субъединицей молекулы гемоглобина. Однако молекулы миоглобина не соединяются между собой с образованием тетрамера и не способны поэтому к положительной кооперативности в связывании кислорода. По-видимому, оба белка происходят от общей предковой молекулы.

Рис. 14.67. Сравнение кривых диссоциации оксигемоглобина и оксимиоглобина. Миоглобин остается насыщенным О₂ на 80% до тех пор, пока парциальное давление кислорода не падает ниже 20 мм рт. ст. Это означает, что миоглобин удерживает кислород в покоящемся мышечном волокне, но отдает его, когда в результате интенсивной мышечной работы используется весь кислород, доставленный гемоглобином

14.13.3. Окись углерода и гемоглобин

Сродство двухвалентного железа, входящего в состав гемоглобина, к окиси углерода (СО) в несколько сотен раз больше его сродства к кислороду. Поэтому в присутствии даже очень малого количества окиси углерода гемоглобин будет связывать именно ее, а не кислород, и в результате образуется относительно стабильное соединение карбоксигемоглобин. В этом случае кислород уже не может связываться с гемоглобином и перенос кислорода кровью становится невозможным. После вдыхания окиси углерода у человека быстро наступает коллапс, и если его не вывести из отравленной атмосферы, он погибнет от удушья. После удаления пострадавшего из атмосферы, содержащей окись углерода, необходимо провести искусственное дыхание смесью чистого кислорода с СО₂, так как напряжение кислорода в воздухе недостаточно для быстрого вытеснения окиси углерода, связанной с гемоглобином.

14.13.4. Транспорт углекислоты

Существуют три способа переноса углекислоты (двуокиси углерода, СО₂) кровью.

Перенос в растворенном виде (5%). Большая часть переносимой этим способом углекислоты транспортируется в физически растворенном виде, и лишь очень небольшая часть находится в виде угольной кислоты (Н₂СО₃).

Перенос в соединении с белком (10-20%). СО₂ присоединяется к аминогруппам гемоглобина с образованием карбаминогемоглобина. Количество СО₂, способное связаться с гемоглобином, зависит от количества уже связанного гемоглобином кислорода. Чем меньше кислорода связано с гемоглобином, тем больше СО₂ может быть перенесено этим способом:

Перенос в виде карбоната (85%). Образующаяся в тканях углекислота проникает путем пассивной диффузии в кровеносное русло и поступает в эритроциты, где, соединясь с водой, образует угольную кислоту. Этот процесс катализируется содержащимся в эритроцитах ферментом карбоангидразой (угольной ангидразой) и протекает менее чем за одну секунду. Угольная кислота диссоциирует затем на ионы водорода и гидрокарбоната (бикарбоната):

СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^-.

Когда эритроциты покидают с кровью легкие, содержащийся в них оксигемоглобин (НbO₂) имеет слабокислую реакцию и связан с ионами калия (обозначается как КНbO₂). В участках с высокой концентрацией СO₂ (в тканях) оксигемоглобин легко отдает килород, приобретая при этом сильнощелочную реакцию. В этом состоянии он теряет ионы калия и легко принимает от угольной кислоты ионы водорода, превращаясь в гемоглобиновую кислоту (Н ⋅ Нb). В свою очередь ионы калия связы-ваются с ионами гидрокарбоната, образуя гидрокарбонат калия:

Присоединяя ион водорода, гемоглобин действует как буферная система; поэтому большое количество угольной кислоты может переноситься к легким без значительного изменения рН крови.

Плазматическая мембрана эритроцитов относительно непроницаема для ионов натрия и калия, но имеется натриевый насос, который откачивает из эритроцитов в плазму большое количество ионов натрия. Основная масса ионов гидрокарбоната, образующихся в эритроцитах, выходит в плазму путем диффузии по градиенту концентрации и, соединяясь здесь с ионами натрия, образует гидрокарбонат натрия. Выход ионов гидрокарбоната из эритроцитов компенсируется поступлением туда хлорид-ионов, диффундирующих из плазмы. Таким образом поддерживается электронейтральность. Это явление носит название хлоридного сдвига. Тот гидрокарбонат калия, который образуется в эритроцитах, тоже способен диссоциировать, и часть хлорид-ионов, проникающих в эритроциты, соединяется с освобождающимися ионами калия, образуя КСl. Когда ионы гидрокарбоната покидают эритроцит, оставшиеся в нем в избытке ионы водорода снижают рН, вызывая дальнейшую диссоциацию калиевой соли оксигемоглобина КНbO₂ на кислород и КНb (рис. 14.68).

Рис. 14.68. Перенос углекислоты плазмой и эритроцитами; показана роль СО₂ в высвобождении кислорода в тканях

Когда эритроциты попадают в легкие, в них происходит обратный процесс.

14.40. Опишите кратко, каким образом содержащаяся в крови углекислота удаляется в легких в газообразной форме.

14.13.5. Защитные функции крови

Макфарлейн Бёрнет — один из создателей современной теории иммунитета — определяет его как "способность распознавать вторжение в организм чужеродного материала и мобилизовать клетки и образуемые ими вещества на более быстрое и эффективное удаление этого материала".

Основные понятия

Антитело — молекула, синтезируемая организмом животного в ответ на присутствие чужеродного вещества, к которому эта молекула обладает высоким сродством. Все антитела — белки, называемые иммуноглобулинами. Молекула иммуноглобулина состоит из двух тяжелых цепей (Н-цепей) с мол. массой 50 000 — 60 000 и двух легких цепей (L-цепей) с мол. массой 23 000. В функциональном отношении молекула антитела подразделяется на константные и вариабельные участки, причем последние действуют подобно ключу, который подходит к определенному замку (рис. 14.72). Каждый организм способен производить тысячи видов антител различной специфичности, которые могут распознавать всевозможные виды чужеродных веществ.

Рис. 14.72. Молекула иммуноглобулина. Антиген связывается между вариабельными участками легкой и тяжелой цепей. (Из М. Cooper, A. Lawton, The development of the immune system, Scientific American, 1972.)

Чужеродное вещество, вызывающее образование антител, называют антигеном или иммуногеном. Обычно антиген представляет собой белковую или полисахаридную молекулу, находящуюся на поверхности микроорганизма или в свободном виде. У млекопитающих сформировались две системы иммунитета — клеточный и гуморальный иммунитет.

Такое разделение функций иммунной системы связано с существованием двух типов лимфоцитов-Т-клеток и В-клеток. Клетки обоих типов образуются в костном мозге из клеток — предшественниц. В формировании иммунологической компетентности Т-клеток решающую роль играет тимус (вилочковая железа). Что касается В-клеток, то полагают, что аналогичное влияние на их развитие оказывают плацента или костный мозг и печень плода. Клетки каждого из этих двух типов обладают колоссальной способностью "узнавать" какой-либо из миллионов существующих антигенов. Реакция антиген — антитело направлена на то, чтобы связать антиген, инактивировать его и предотвратить таким образом его вредное воздействие на организм.

Клеточный иммунитет. При взаимодействии с антигеном Т-лимфоциты, несущие на мембране рецепторы, способные распознавать этот антиген, начинают размножаться и образуют клон таких же Т-клеток. Клетки этого клона вступают в борьбу с несущими антиген микроорганизмами или вызывают отторжение чужеродной ткани.

Гуморальный иммунитет. В-лимфоциты распознают антиген таким же образом, как и Т-клетки, но реагируют по-иному. Размножаясь при стимуляции, они образуют клон плазматических клеток, которые синтезируют антитела и выделяют их в кровь или тканевую жидкость. Здесь антитела связываются с антигенами на поверхности бактерий и ускоряют их захват фагоцитами или присоединяются к бактериальным токсинам и нейтрализуют их.

14.14.1. Тимус и развитие Т-клеток

Тимус (вилочковая железа) расположен в грудной клетке под грудиной, около вентральной (у человека-передней) стороны сердца. Он начинает функционировать в период внутриутробного развития и проявляет наибольшую активность в момент рождения и в последующее время. После окончания вскармливания материнским молоком тимус уменьшается в размерах и вскоре перестает функционировать.

На важную роль тимуса в развитии иммунного ответа указывают следующие экспериментальные данные:

1. Удаление тимуса у новорожденных мышат приводит к гибели от хронической недостаточности лимфоцитов в крови и тканевой жидкости.

2. Новорожденные мышата с удаленным тимусом не распознают ткань, пересаженную от других мышей, и не дают на нее иммунного ответа.

3. Удаление тимуса у мышей в значительно более позднем возрасте не вызывает каких-либо неблагоприятных последствий.

Будущие Т-лимфоциты, образовавшиеся из стволовых клеток костного мозга, приобретают способность функционировать лишь после того, как пройдут через ткань тимуса. Механизм созревания Т-лимфоцитов еще не вполне ясен. Известно, что тимус выделяет гормон, называемый тимозином, который, возможно, способствует созреванию Т-клеток, однако роль тимуса как эндокринного органа до сих пор изучена плохо. Небольшое число лимфоцитов имеется при рождении в селезенке и других лимфатических железах.

Корковое вещество тимуса набито лимфоцитами, которые называют тимоцитами, чтобы отличить их от Т-лимфоцитов, циркулирующих в крови и тканевой жидкости (рис. 14.73). Большинство тимоцитов — незрелые клетки, но некоторые из них способны взаимодействовать с антигеном. В результате такого взаимодействия Т-лимфоциты начинают размножаться и синтезировать сложные молекулы — лимфокины, которые помогают атаковать и уничтожать чужеродные частицы. Зрелые, иммунокомпетентные Т-лимфоциты способствуют также созреванию В-клеток и выработке ими антител.

Рис. 14.73. Дифференциация и активность Т-лимфоцитов

Т-клетки все время выходят из тимуса и поступают в лимфатические узлы и селезенку, где в случае встречи со специфическим антигеном узнают его и начинают делиться; так образуются клоны идентичных клеток, способных узнавать этот антиген и реагировать с ним (рис. 14.74). Т-лимфоциты могут атаковать чужеродные клетки благодаря специфическому рецептору для антигена, встроенному в плазматическую мембрану. Когда этот "сенсибилизированный" лимфоцит узнаёт комплементарный к его рецептору антиген, он присоединяется к нему (подобно тому как ключ входит в замок) и разрушает его. Т-клетки регулярно переходят из лимфоидных тканей в циркулирующую кровь и тканевую жидкость, благодаря чему увеличивается вероятность их встречи с антигеном и его уничтожения.

Рис. 14.74. Сравнение клеточного и гуморального иммунитета

14.14.2. Образование В-клеток

Стволовые клетки, которым предстоит стать В-лимфоцитами, должны подвергнуться дальнейшей дифференцировке за пределами костного мозга. Эта дифференцировка может происходить в печени, селезенке или лимфатических узлах.

Когда поверхностные рецепторы (иммуноглобулины) В-лимфоцитов узнают комплементарные им антигены, В-лимфоциты начинают делиться и дифференцироваться, образуя клоны плазматических клеток и "клетки памяти" (рис. 14.74). Плазматические клетки, генетически идентичные друг другу, синтезируют большие количества антител одно-го вида.

Клетки, образующие антитела, живут всего лишь несколько дней, но в это время они могут синтезировать и выделять около 2000 идентичных молекул антител в секунду.

Клетки памяти играют важную роль в активации иммунного ответа организма при повторном внедрении того же антигена. О клетках памяти известно очень немногое — лишь то, что они существуют и каким-то образом позволяют организму, уже встречавшемуся с данным антигеном, при повторной встрече реагировать на него быстрее и энергичнее. Эта реакция носит название вторичного иммунного ответа и приводит к массовому выбросу антител, которые быстро нейтрализуют вредное действие антигена (см. рис. 14.76). Так формируется иммунитет. Следует, однако, помнить, что иммунитет к одному антигену не защищает организм от других антигенов. Каждый раз при попадании в организм нового патогенного агента заболевание может быть предотвращено только в том случае, если образуются соответствующие антитела нового типа.

14.14.3. Классы иммуноглобулинов и их биологическая активность

Известно пять классов иммуноглобулинов, принадлежность к которым определяется типом тяжелых цепей. Все классы различаются по биологической активности. Легкие цепи иммуноглобулинов относятся к типу х (каппа) или X (лямбда). Здесь нет необходимости более подробно рассматривать строение иммуноглобулинов. Основные функции различных классов иммуноглобулинов указаны в табл. 14.13.

Таблица 14.13. Классы иммуноглобулинов и их биологическая активность

14.14.4. Клонально-селекционная теория образования антител

Клонально-селекционная теория образования антител была разработана в 1950-е годы Ерне, Бёрнетом, Толмеджем и Ледербергом и в настоящее время общепринята как рабочая модель образования антител (рис. 14.75). В основе этой теории лежат следующие положения:

Рис. 14.75. Клонально-селекционная теория образования антител

1. У каждого индивидуума имеется чрезвычайно широкий набор лимфоцитов, каждый из которых способен распознавать только один специфический антиген.

2. Специфичность антитела (которое представляет собой белок) зависит от его аминокислотной последовательности, которая в свою очередь определяется кодирующей ее последовательностью ДНК. Таким образом, способность клетки к синтезу данного специфического антитела предопределена еще до ее встречи с антигеном.

3. Каждая клетка во время созревания образует небольшие количества антител, которые встраиваются в ее плазматическую мембрану и играют роль рецепторов для комплементарного антигена.

4. Предполагается, что если в период внутриутробной жизни незрелый лимфоцит встречает соответствующий ему антиген, то он погибает. Благодаря этому у животного не синтезируются антитела к собственным макромолекулам, и оно становится толерантным к собственным антигенам.

5. Взаимодействие антигена с рецептором зрелого лимфоцита каким-то образом стимулирует клетку, заставляя ее вырабатывать антитела. Контакт с антигеном необходим также для того, чтобы лимфоцит начал дифференцироваться и делиться с образованием клона плазматических клеток, синтезирующих антитела, и клеток памяти.

6. Поскольку все плазматические клетки в пределах данного клона генетически идентичны, все они производят одни и те же антитела.

7. Клетки памяти продолжают жить и после исчезновения антигена, сохраняя каким-то образом способность стимулироваться антигеном, когда он появляется вновь. Это явление называется иммунологической памятью (рис. 14.76), и именно оно ответственно за вторичный ответ организма, который и обеспечивает иммунитет животного против того или иного специфического антигена.

14.14.5. Типы иммунитета

14.14.6. Группы крови

При переливании больному крови необходимо, чтобы кровь, которую он получает, была совместима с его собственной. В случае несовместимости наблюдается особого рода иммунная реакция. Связано это с тем, что мембраны донорских эритроцитов содержат мукополисахариды, называемые агглютиногенами, которые действуют как антигены и реагируют с антителами (агглютининами), присутствующими в плазме реципиента. В результате этого взаимодействия донорские клетки агглютинируются, т.е. слипаются друг с другом, так как между ними образуются мостики из антител. Существуют два агглютиногена-А и В. Комплементарные им агглютинины плазмы обозначают соответственно а и b; они постоянно присутствуют в плазме, а не образуются в ответ на введение агглютиногена, как в случае уже описанных иммунных реакций. У людей, эритроциты которых содержат специфический агглютиноген, комплементарного ему агглютинина в плазме нет. Например, у лиц, эритроциты которых содержат агглютиноген А, в плазме нет агглютинина а, и его кровь относится к группе А, а если имеется только агглютиноген В, то кровь относится к группе В. Если же в крови присутствуют оба агглютиногена (и нет агглютининов), то это группа АВ. И наконец, если в крови нет ни того, ни другого агглютиногена (и есть оба агглютинина — а и b), то это группа О (табл. 14.14).

Таблица 14.14. Группы крови

При переливании крови важно знать, что может произойти с клетками донора. Если существует вероятность их агглютинации под действием агглютининов плазмы, тогда переливание проводить нельзя.

На рис. 14.77 показаны последствия смешивания крови разных групп. Лица с группой О называются универсальными донорами, поскольку их кровь можно переливать любому человеку. Их эритроциты не агглютинируются при контакте с агглютининами плазмы реципиента. Хотя в плазме доноров с этой группой содержатся агглютинины а и b, они будут вызывать лишь очень слабую агглютинацию эритроцитов реципиента, так как донорская плазма будет настолько сильно разбавлена кровью реципиента, что практически не будет обладать агглютинирующей активностью. Лица с группой АВ могут получать кровь любой группы и поэтому их называют универсальными реципиентами; но кровь этой группы можно переливать только лицам с группой АВ.

Рис. 14.77. Взаимодействия, определяемые группами крови человека. Клеточные агглютиногены обозначены прописными буквами, а агглютинины — строчными

14.14.7. Резус-фактор

14.14.8. Трансплантация тканей

14.14.9. Система интерферона

Интерферон — групповое название, под которым в настоящее время объединяют целый ряд белков со сходными свойствами. Интерфероны человека подразделяют на три группы — α, β и γ — в зависимости от типа клеток, в которых они образуются. α — Интерфероны включают нескольких видов белков с мол. массой около 20000.

Наиболее изученным свойством интерферона является его способность препятствовать размножению вирусов. Он образуется в клетках млекопитающих и птиц в ответ на вирусную инфекцию; по-видимому, это активный противовирусный агент, характерный для большинства типов клеток и действующий в большей или меньшей степени против всех вирусов.

При заражении клетки вирусом события развиваются следующим образом. Вирус начинает размножаться, и одновременно клетка-хозяин начинает продуцировать интерферон (рис. 14.79). Интерферон выходит из клетки, вступает в контакт с соседними клетками и делает их невосприимчивыми к вирусу. Он действует, запуская цепь событий, приводящих к подавлению синтеза вирусных белков и (в некоторых случаях) сборки и выхода вирусных частиц. Таким образом, интерферон не обладает прямым противовирусным действием, но вызывает такие изменения в клетке, которые препятствуют размножению вируса. Образование интерферона могут стимулировать не только интактные вирусы, но и различные другие агенты, например некоторые инактивированные вирусы, двухцепочечные РНК, синтетические двухцепочечные олигонуклеотиды и бактериальные эндотоксины. Создается впечатление, что клетка образует интерферон как бы в ответ на нанесенную ей "обиду".

Рис. 14.79. Образование и действие интерферона

Биологическая активность интерферона чрезвычайно высока: у мышиного интерферона она составляет 2-109 ед./мг, а одна единица снижает образование вирусов примерно на 50%. Это означает, что достаточно одной молекулы интерферона, чтобы сделать клетку резистентной к вирусной инфекции.

Интерферон вызывает и целый ряд других биологических эффектов, в том числе подавляет размножение клеток. Недавние исследования показали, что в определенных условиях он может препятствовать развитию рака. Установлено также, что интерферон действует на иммунную систему и вызывает изменение клеточных мембран. Таким образом, интерфероновая система, вероятно, может играть важную роль в защите организма от вирусов.