Ритчи Уорд - Живые часы
Рис. 22. Внешний вид фитотрона в Канберре (Австралия).
Рис. 23. Фитотрон, работающий по принципу теплового насоса. Отдельные секции позволяют создавать режимы разной продолжительности дня и различных температур.
В летние месяцы вырастить шпинат для столовых целей не удается: он быстро идет в стрелку и не образует желаемой розетки крупных листьев. Обычно это приписывалось действию высоких температур. Действительно, повышение температуры в некоторых приемлемых пределах, как правило, ускоряет развитие растений. Тем не менее опыты показали, что шпинат и летом может дать исключительно хорошую розетку листьев, если период дневного освещения сократить до 8—10 часов.
Приведенные выше примеры иллюстрируют тот факт, что существует большая группа растений, которые переходят в стадию цветения и плодоношения лишь с увеличением продолжительности дня, по мере того как весна переходит в лето. Об этих растениях можно говорить как о «растениях длинного дня» по сравнению с «растениями короткого дня», которых вынуждает цвести и плодоносить сокращение продолжительности дня, наступающее осенью. Резкой границы между этими двумя группами не существует, хотя и есть растения, которые не могут перейти к цветению и плодоношению без очень длинного либо очень короткого светового периода. Существуют и такие растения, которые по своему отношению к продолжительности дня занимают промежуточное положение.
Чтобы выяснить эффективность освещения, была построена теплица, в которой равномерно распределялись 40-ваттные электрические лампы, что создавало среднюю освещенность в 35–60 люксов. Свет оставался включенным ежедневно от заката солнца до полуночи. Такая интенсивность освещения очень незначительна по сравнению с естественной, достигающей в ясные зимние дни 5000 люксов, а иногда и больше. И все же были получены поразительные результаты. Для сравнения в аналогичных условиях, но без искусственного освещения содержали другую группу таких же растений.
Предполагалось, что в контрольной теплице растения длинного дня сохранят чисто вегетативный рост, а в теплице с искусственным освещением— ускорят развитие и зацветут. Растения же короткого дня, наоборот, должны были бы в контрольном помещении зацвести, а в освещаемой теплице продолжать вегетировать.
В контрольной теплице цветение космеи наступило между 50 и 60 днями с момента прорастания. В освещаемой теплице растения бурно росли, сильно превышая обычные размеры и не обнаруживая никаких признаков цветения. В июле растения вынесли из теплицы, и с этого момента они получали только естественное освещение длинных солнечных дней. Они продолжали активно расти и зацвели лишь в октябре, когда естественное сокращение продолжительности дня вынудило их перейти к цветению.
Этих примеров вполне достаточно, чтобы показать, что искусственное освещение малой интенсивности, используемое для удлинения светового периода в короткие зимние дни, препятствует зацветанию растений короткого дня и столь же эффективно содействует переходу растений длинного дня к цветению и плодоношению. Итак, сравнительно слабое искусственное освещение, используемое в течение зимы как дополнение к дневному свету короткой продолжительности, оказывает то же самое действие, что и дневное освещение летом.
В заключение Гарнер и Аллард обсудили возможные направления дальнейших исследований:
Правильное объяснение влияния продолжительности дня на развитие растений поможет лучшему пониманию причин ограниченного местообитания большинства растений — проблемы очень трудной и сложной. Чтобы получить максимальный урожай, необходимо точно знать время проведения каждого посева. При некоторых условиях разница менее чем в 10 дней направит развитие растений либо в сторону нарастания зеленой массы, либо в сторону образования репродуктивных органов.
Селекционерам, работающим с растениями, открытие такого важного фактора, как относительная продолжительность дня и ночи, поможет обеспечить конкретные районы ранними или поздними сортами, более урожайными или более высокорослыми формами, улучшенными сортами постоянно цветущих или постоянно плодоносящих видов. Это открытие более четко определяет проблему расширения зон посева зерновых. Кроме того, искусственное регулирование длительности освещения позволяет работать более или менее независимо от естественных условий продолжительности дня. Часто бывает невозможным проведение скрещивания растений из-за разницы в сроках цветения родительских форм. В таких случаях управление длительностью светового периода, а следовательно, и сроками цветения может оказать неоценимую помощь. Биолог, занимающийся внедрением новых форм растений, будет иметь в своем распоряжении более надежную основу для изучения факторов, от которых зависит возможность приспособления данного растения к условиям нового района.
Это открытие позволит, по-видимому, заставить цвести и плодоносить почти любое растение в любое время года и в любом месте. Сокращением светового периода с помощью темных камер и удлинением его с помощью искусственного освещения можно будет по желанию вызывать у растений репродуктивную активность.
Какая же из проблем была выбрана Гарнером и Аллардом в качестве первоочередной? Удалось ли им получить семена от табака сорта Мэрилендский мамонт и как?
Их предложение было простым: «Проблему обеспечения семенами легко разрешить, выращивая Мэрилендский мамонт в южной Флориде зимой, поскольку в этих условиях он цветет и плодоносит, ничем не отличаясь от всех прочих сортов…»
Так Гарнер и Аллард, решив непосредственный практический вопрос, дали миру новый метод, который позволил работникам сельского хозяйства, цветоводам, садоводам и селекционерам регулировать развитие растений. Но только через десять лет было понято истинное значение открытия фотопериодизма для биологии в целом.
7. Словарь недремлющих
История науки изобилует противоречивыми высказываниями, спорами, подчас резкими столкновениями как между отдельными учеными, так и между различными научными школами. Нередко причина таких споров кроется в простом непонимании друг друга из-за отсутствия единой терминологии.
Именно этим в течение многих лет страдал обмен мнениями по поводу биологических ритмов. Только в 1964 г. Ю. Ашофф, К. Клоттер и Р. Вевер предложили единую терминологию. Профессор Б. Суини, известный авторитет в области ритмов растений, проиллюстрировала список предложенных терминов примерами. Попытаемся разобрать основные термины и их определения.
Прежде всего нам необходимо определить понятие «биологический ритм». Биологическим ритмом называют равномерное чередование во времени каких-либо состояний организма, биологических процессов или явлений (например, определенных положений листьев или уровней фотосинтеза). Ритмическим может быть и процесс образования спор. Важно, чтобы была четко выраженная повторяемость явления. Но не всякий повторяющийся процесс может быть назван биологическим ритмом; биологический ритм — это всегда самоподдерживающийся, или автономный, процесс.
Попробуем разобраться в этом на следующем примере. По-видимому, каждый из нас не раз наблюдал, как листья на деревьях складываются на ночь, а утром развертываются. Повторяемость налицо, но является ли этот процесс биологическим ритмом? Этого мы сказать не можем, поскольку подобное поведение листьев может быть вызвано просто разницей в условиях дня и ночи. Они, например, могут открываться на свету и складываться в темноте. Если это так, то изменение положения листьев является не биологическим ритмом, а реакцией на свет; ритмический характер этого процесса не является самоподдерживающимся и должен исчезнуть сразу же, как только исчезнут изменения в окружающей среде.
Для выявления истинного ритма необходимо провести эксперимент, который бы показал, что данный процесс самоподдерживается, по крайней мере некоторое время, при постоянных условиях освещения и температуры. Уровень освещения в темном помещении у де Мэ-рана был постоянным; можно полагать, что и температура была постоянной. При этих условиях листья чувствительного растения продолжали подниматься на рассвете и опускаться в сумерках. Ритм самоподдерживался.
До того как мы приступим к обсуждению терминов, используемых при описании ритмических явлений, давайте разберемся в одном хорошо знакомом всем нам повторяющемся процессе — движении колеса по земле. Наблюдая вращение колеса сбоку, можно заметить, что находящаяся на его ободе точка описывает зубчатую кривую, или циклоиду (рис. 24,а). Если же построить график расстояния той же точки от дороги в зависимости от времени, то он будет иметь вид синусоиды (рис. 24,б).
