Co víme o kaktusech? Že mají trny, že mají silné stonky a že rostou na pouštích. Ostny, tloušťka a stanoviště jsou vzájemně propojeny. Je zřejmé, že rostlina, která žije v suchém a horkém klimatu, se musí naučit kompenzovat nedostatek vody a jedním z řešení je jednoduše ji uložit dovnitř, proto je potřeba tlustá, šťavnatá stonka.
Foto Natalia Domrina.
Průduchy se otevírají a zavírají, aby regulovaly odpařování vlhkosti a dýchání rostlin.
Fáze fotosyntézy CAM se vyskytují v různých denních dobách. V noci se CO dostává do rostlin otevřenými průduchy.2, který se váže na organické kyseliny vzniklé při štěpení sacharidů. Kyselina obsahuje CO2 se až do rána hromadí ve speciální vakuole a s příchodem slunečního světla opouští kyselinu a jde do chloroplastu, kde z ní enzymy fotosyntetického Calvinova cyklu syntetizují sacharidy.
Sbírka kaktusů v Národní botanické zahradě. N. N. Grishko (Kyjev, Ukrajina). Foto Vitaly Pirozhkov.
Foto Natalia Domrina.
Ale v horku se ztrácí hodně vody a celá zásoba vlhkosti může jednoduše vyschnout. Obecně je transpirace (tzv. odpařování vody rostlinou) nesmírně důležitý proces. Listy, které odpařují vlhkost, hrají roli čerpadla: vytvářejí sací sílu, která nutí vodu s rozpuštěnými látkami stoupat kořeny a cévami. Pokud však rostlina musí žít v podmínkách neustálého tepla a sucha, je lepší odpařování nějak zpomalit. Chcete-li to provést, můžete se zbavit listů, čímž se sníží odpařovací povrch. Kaktusy to udělaly: jejich listy se změnily na ostny a stonek převzal fotosyntetickou funkci listů. Můžete vylepšit svou vlastní „kůži“: opatřete buňkám vnější vrstvy (epidermis) chloupky a silnou voskovou kutikulu. Voda se obtížněji dostává ven voskovou vrstvou a chloupky oslabují proudění vzduchu přímo u povrchu stonku, což také snižuje ztrátu vlhkosti. Kaktusy ale mají ještě jeden chytrý trik, který souvisí s jejich způsobem fotosyntézy a který jim také umožňuje šetřit vodou, navzdory neustálému horku a suchu kolem nich.
Fotosyntéza je proces výroby organických látek z oxidu uhličitého a vody pomocí energie slunečního světla. Nejprve se energie světelného fotonu za pomoci složitých světlosběrných molekul a molekulárních komplexů, mezi které patří chlorofyl, ukládá do speciálních chemických sloučenin (právě v této fázi je potřeba voda, ze které se získává kyslík jako vedlejší produkt), a pak s jeho pomocí buňka syntetizuje organické látky.látky. Fotosyntéza má docela zajímavé odrůdy: například některé bakterie jsou schopny provádět anoxygenní fotosyntézu, při které se nevytváří kyslík. „Obyčejná“ kyslíková fotosyntéza je charakteristická pro rostliny, řasy a sinice.
Rostlinná buňka tedy potřebuje světlo, vodu a oxid uhličitý, aby vytvořila molekulu glukózy. Voda přichází z podzemí kořeny a soustavou nádob, oxid uhličitý pochází ze vzduchu. Ale rostlina nemá ani ústa, ani plíce, aby mohla CO vdechovat2. K výměně plynů s okolím dochází prostřednictvím průduchů – speciálních pórů na povrchu listů a stonků, obklopených ochrannými buňkami.
Průduchy poměrně výrazně přispívají k odpařování vody a v horkém počasí by měly být neustále zavřené. Ale jak potom získat oxid uhličitý pro fotosyntézu? Navíc to není jediný problém spojený s fotosyntézou v horkém klimatu. Hlavní fotosyntetický enzym zvaný „ribulózabisfosfátkarboxyláza“ (neboli RuBisCO), jehož úkolem je přidávat uhlík z oxidu uhličitého do rostoucí molekuly cukru, při vysokých teplotách začíná působit v opačném směru, tedy rozkládat polosyntetické cukr. V tomto případě se buňka musí vrátit a zopakovat již vykonanou práci, přirozeně se zbytečným plýtváním energie. Proto účinnost fotosyntézy velmi klesá s rostoucí teplotou. Tomu se lze vyhnout zvýšením koncentrace CO v listu.2 – pak bude enzym s přebytkem oxidu uhličitého syntetizovat sacharidy. Ale jak to udělat?
Kaktusy to dělají: v noci otevírají průduchy a absorbují oxid uhličitý, ale nevyužívají ho k výrobě glukózy – chybí světlo. CO2 uloženy v rezervě ve speciálních membránových vezikulách-vakuolách uvnitř buňky. Není zde uložen ve své čisté formě, ale připojen k intermediární molekule, která pak vydrží několik dalších transformací. Výsledkem je kyselina jablečná. Ale pak přijde den a kyselina jablečná je odeslána z vakuoly do cytoplazmy, kde se z ní odštěpí CO2, – nyní může vstoupit do cyklu fotosyntetických reakcí poháněných světlem. Rostlina již nemusí otevírat průduchy, protože může využít přes noc uložený oxid uhličitý, což znamená velkou úsporu na odpařování vody. Navíc poměr CO2 a O2 kvůli rezervám je posunut ve prospěch prvního, takže fotosyntetické enzymy budou pracovat na připojení atomů uhlíku k rostoucí molekule cukru, než aby je rozložily kyslíkem.
Tento typ fotosyntézy, kdy fixace CO2 a jeho použití ve fotosyntetických reakcích jsou časově odděleny, nazývané CAM fotosyntéza. CAM je zkratka pro Crassulaceae metabolismus kyselin: zde kyselina je kyselina, na kterou se přeměňuje uložený oxid uhličitý, a Crassulaceae, nebo Crassulaceae, je název čeledi rostlin, ve kterých byla tato metabolická cesta poprvé objevena. Crassulas a kaktusy ale nejsou jediní, kdo ji využívají. Fotosyntéza CAM byla nalezena u ananasu a dalších zástupců bromélií, u některých dýní, pepřů, pelargonie a řady dalších čeledí, celkem asi u 9000 druhů. Obvykle se jedná o rostliny, které musí žít v horkém a suchém klimatu. Ale nejen: CAM fotosyntézu využívají i druhy žijící ve vodě, například hroty šípů, hroty šípů a některé další. Není zde žádný rozpor: vodní rostliny musí řešit stejný problém jako ty, které jsou nuceny snášet teplo. I když ve vodě může být poměrně hodně rozpuštěného CO2, difunduje v něm mnohem pomaleji než ve vzduchu, takže vedle rostliny, která aktivně absorbuje oxid uhličitý, bude chronicky chybět. Řešením je sbírat CO2 nejen ve dne, ale i v noci, a protože v noci nemůže probíhat fotosyntéza, je třeba zachycený oxid uhličitý skladovat. A fotosyntéza typu CAM nám umožňuje vytvářet zásoby „oxidu uhličitého“.
Nakonec se vraťme k rostlinám odolným vůči teplu. Mechanismus CAM umožňuje maximální úsporu vody, ale při měření množstvím hotového produktu a energie na něj vynaložené je méně účinný než jiné typy fotosyntézy. Některé druhy CAM jej tedy používají pouze podle potřeby. Ale kromě toho existuje ještě jeden typ fotosyntézy, který umožňuje udržet velkou část průduchů během dne uzavřenou. V tomto případě dochází k fotosyntetickým reakcím v hlubokých buňkách listu obklopujících žíly-cévy. Buňky ležící blíže k povrchu zaprvé pomocí světelné energie produkují palivo pro syntézu uhlohydrátů a zadruhé zachycují oxid uhličitý a připojují jej ke zprostředkující molekule. Výsledné molekuly kyseliny a energie jsou okamžitě poslány hluboko do listu, kde CO2 se odděluje od nosné kyseliny a vstupuje do syntetického cyklu. Tato cesta se nazývá C4-fotosyntéza, a jak vidíme, je podobná CAM, jen zde fixace oxidu uhličitého a jeho využití v syntéze nejsou odděleny v čase, mezi nocí a dnem, ale v prostoru, mezi různými buňkami.
Význam C4-fotosyntéza slouží k transportu CO2 do vnitřních pletiv listu, kde je koncentrace kyslíku nízká. Pamatujeme si, že s rostoucí teplotou začíná enzym RuBisCO stále více pracovat v opačném směru, tedy rozkládat meziprodukty fotosyntézy pomocí kyslíku. Pokud je ale kyslíku málo, enzym bude pracovat správným syntetickým směrem. Na druhou stranu4-cesta umožňuje snížit odpařování vody průduchy: v nejteplejší denní době může rostlina využít nahromaděný oxid uhličitý, jehož zásoby vznikly díky prostorovému oddělení různých reakčních bloků; Samotné průduchy lze dočasně uzavřít. Úspora vody zde není tak velká jako u metody CAM, ale produktivita fotosyntézy je vyšší, takže není divu, že C4-Schéma používá asi 7600 XNUMX druhů rostlin, včetně mnoha zrn, včetně kukuřice, čiroku, prosa a cukrové třtiny.
Pod spalujícím pouštním sluncem a suchou půdou hromadí kaktusy ve svých sukulentních tkáních obrovské množství vody. Sbírá se doslova kapka po kapce vysoce rozvětveným kořenovým systémem, rozprostřeným v připovrchové vrstvě (v okruhu až 30 m), jako síť s jemnými oky. I nepatrná částečka půdní vlhkosti nebo předúsvitové rosy, která se objeví v tomto kruhu, bude okamžitě absorbována. Kapičky, které se hromadí v buňkách, se v průběhu let mění v kilogramy, centy, tuny. Jeden z nejznámějších kaktusů, obří cereus, který roste v pouštích Mexika nebo USA, může obsahovat až tři tuny této tekutiny. Patnáct dvousetlitrových sudů v bylince! Je těžké si něco takového vůbec představit. Přesto je to fakt.
Ale jsou tu i nemalé náklady, namítne hned přemýšlivý čtenář, vzpomene si, jak nedbale naše rostliny zacházejí s vlhkostí. Jedna rostlina kukuřice ztratí v létě celý sud v důsledku transpirace (vypařování) a bříza může polovinu tohoto množství uvolnit do atmosféry za den. V poušti by tento proces měl být ještě intenzivnější.
Ale na rozdíl od našich zelených utrácejících se kaktusy vypořádávají s nahromaděnou vlhkostí velmi opatrně. Nemohou si dovolit stejné plýtvání vodou, které by je v letních vedrech přivedlo na pokraj smrti. A naučili jsme se co nejvíce omezit transpirační ztráty. Například denní spotřeba vlhkosti u ferocactusu je pouze asi 0,2 gramu. Hmotnostně zanedbatelné množství. Pouštní obr s ním zachází stejně pečlivě jako medvěd se svou zásobou tuku uloženou k zimnímu spánku. Všechny mechanismy jeho regulace v rostlině směřují k zadržování vody v buňkách. I geometrie karoserie funguje na úspoře vlhkosti. Ne náhodou má mnoho kaktusů kulovitý tvar, který je pro minimalizaci ztrát vody nejvýhodnější. A povrch je žebrovaný, chránící stín. Listy, hlavní žrouti vlhkosti, zcela chybí. Jsou přeměněny na trny s nízkým odpařováním.
Ve své dusné domovině, v poušti, dorůstají některé kaktusy (například stejný cereus) až dvacet metrů na výšku a až metr v průměru. Navenek vypadají jako stromy. V případě potřeby se kácí jako stromy – pilou. Ale taková společenství ani vzdáleně nepřipomínají les a z takového materiálu se nedá postavit silná chata.
Krmit. z kaktusu
Vědci nazývají rostliny s vysoce vyvinutou vodou nesoucí tkání sukulenty. Kaktusy jsou jejich nejnápadnějšími zástupci. V kritických chvílích života se voda v jejich tělech může tvořit i vnitřně (metabolicky), jako se to děje například v hrbu velblouda nebo v těle klokanů.
Člověk odedávna věnuje pozornost zásobárnám živé přírody a snaží se využít vše užitečné, co mohou poskytnout. Slavný americký chovatel Luther Burbank zasvětil mnoho let experimentální tvorbě beztrnných kaktusů. Pro krmné a potravinářské účely. Myšlenka byla lákavá: v případě úspěchu v suchém podnebném pásmu by bylo možné získat šťavnaté zemědělské produkty, které se snadno sklízejí, aniž by se museli při pěstování starat o zalévání nebo hnojiva. Výběrové práce trvaly 16 let. V experimentech byly studovány desítky tisíc rostlin z celého světa a miliony sazenic. Každý den musel holýma rukama posbírat až šest tisíc bolestivě bodavých kaktusů.
Vytrvalý badatel nakonec dosáhl svého. Kýženého výsledku bylo dosaženo křížením malé opuncie s obřím kaktusem. Povrch vytvořeného hybridu (3 m vysoký s každou deskou o hmotnosti 9 kg) byl hladký jako dlaň. Měl příjemnou šťavnatou dužninu a chutné plody, které mohly konkurovat pomerančům.
Trny vás zachrání před vyčerpáním
Ale ostnaté „štětiny“ jsou stále potřeba, a to nejen pro ochranu. Proniká jí dešťová voda a zkondenzovaná vodní pára. Pro mnoho kaktusů je to hlavní zdroj výživy vody. Jejich vzdálení předkové měli s největší pravděpodobností obyčejné listy, které se postupně ztrácely v obdobích suchého klimatu na Zemi, aby se ušetřila vlhkost. Pro zelené obyvatele pouště je to jedna z hlavních strategií přežití.
Kaktusy, které se obtížně loučí s vodou, jsou schopny bez újmy vydržet delší expozici mimo půdu. Opuncie Luthera Burbanka, vykopaná ze země, kdysi visela na větvi stromu šest let a osm měsíců. Během této doby její talíře velmi zvadly. Ale když byla jedna z nich zasazena zpět do země, zakořenila – jako by nikdy nebyly tyto dlouhé návaly žízně, během nichž by druhá rostlina už dávno zemřela. A takových příkladů je víc než dost.
Krása trvá chvíli
Kvetení kaktusů je fenomén vzácné krásy a někdy téměř okamžitý: trvá jen několik hodin. Ti, kteří to viděli ve volné přírodě, si všimnou neuvěřitelného množství barev a množství nejneuvěřitelnějších forem luxusních květin. Některé rostliny (druhy zvané „královna noci“ atd.) kvetou pouze ve tmě. Dokonce i opylovači této rozmanité čeledi čítající více než 3000 druhů jsou neobvyklí. Mezi hmyzem, který je na tento úkol zvyklý, můžete vidět nejmenší ptáky na světě, kolibříky (vážící od jednoho a půl do dvaceti gramů) a co je ještě překvapivější, netopýry.
Kromě čistě estetického mají kaktusy potravinářský, léčivý a další užitečný význam. Dokonce i úspěch včelaření v řadě pouštních oblastí závisí téměř výhradně na nich. A samozřejmě, tito odolní tvorové vždy hráli důležitou roli při udržování křehké ekologické rovnováhy pouští. Kořeny kaktusů úspěšně chrání půdu před erozí. A jen díky těmto úžasným rostlinám může v pouštích Mexika a Ameriky existovat mnoho zvířat.
Bohužel osud samotných zelených patronů je v poslední době alarmující. Faktem je, že sběratelé a bohatí majitelé půdy je ochotně kupují a platí za to spoustu peněz. Za účelem zisku je pašeráci vynášejí z jejich přirozeného prostředí ve velkém množství na prodej. Obchod svého času nabyl takových rozměrů, že úřady státu Arizona (USA) musely vytvořit speciální kaktusářskou policii.
Leonid EMELYANOV, doktor biologických věd
Publikováno v časopise “Původní příroda”
