Яблони на Марсе

Количество углекислоты в атмосфере начало катастрофически падать, а кислорода — расти. Все это ухудшало условия для фотосинтеза растений, так что нынешняя концентрация углекислого газа в воздухе для растений далеко не оптимальна. Видимо (и это одна из точек зрения ученых), многие растения просто не смогли в наилучшей степени приспособиться к новому режиму: их фотосинтетический аппарат и сейчас гораздо лучше работает при значительно более высоких концентрациях углекислоты, чем обычные 0,03 процента, и при более низких, чем современная цифра — 21 процент, концентрациях кислорода. Таковы, считается, все C₃-растения, обладающие древним и универсальным типом фотосинтеза. Но затем появилась новая ветвь — C₄-растения, более совершенные формы, лучше приспособленные к жизни в обедненной углекислотой атмосфере. Они выработали в себе мощный механизм, слой клеток мезофилла, для улавливания углекислоты, связывания и запасания ее.

Вот расхожая версия, которая, естественно, относит фотодыхание к разряду недоделок природы.

Но, может быть, все не так просто? И фотодыхание — необходимое звено жизненного цикла C₃-растений? Попробуем в этом разобраться. Начнем с того, что сахарный тростник или сорго произрастают в довольно-таки тепличных условиях: высокая влажность, обилие света, тепла. Тут основная помеха — низкая концентрация CO₂ в атмосфере. И C₄-растения успешно справились с этой трудностью.

Совсем иное у растений-«северян», C₃-растения вынуждены существовать в сравнительно суровых условиях. Тут часто возникают экстремальные, стрессовые ситуации. Быть может, и это вторая точка зрения, фотодыхание и позволяет C₃-растениям уцелеть в трудных условиях. И естественная цена выживания, расплата (жизнь или кошелек?) — это уменьшение их продуктивности. Так что, возможно, C₃-растения — это вовсе не растительные «динозавры», а так же, как и С₄-растения, — результат длительного приспособления к изменившимся внешним условиям. Они тоже прошли долгий путь эволюции, изменили морфологию, жизненные циклы, чтобы достаточно гибко приспособиться к новым условиям среды.

Разочарования… надежды!

Загадка фотодыхания, таинства C₄-пути фотосинтеза привлекают все большее число ученых самых разных специальностей — физиологов растений, биохимиков, эволюционистов, морфологов, селекционеров. Оно и понятно: тут затронуты фотосинтез и дыхание — центральные физиологические процессы, а также нужды практики, ибо есть шансы поднять продуктивность растений, увеличить выход биомассы.

Вначале суждения исследователей были чересчур категоричными, а устремления практиков слишком прямолинейными. C₃- и C₄-типы растений? Это, рассуждали тогда, как «белые» и «черные» — как две различные расы. Чтобы различать их, существовало несколько тестов. C₄-растения выдавало отсутствие фотодыхания, вполне определенная структура листа и другие признаки.

Но вскоре от таких простых взглядов пришлось отказаться. Выяснилось: у ряда растений оба пути фотосинтеза представлены одновременно! Так, у портулака, этого по всем признакам C₄-растения, по мере старения листьев усиливаются признаки C₃-растений, появляется и растет фотодыхание.

Другой интересный пример. Листья бобов фотосинтезируют по C₃-пути, а проростки того же растения явно относятся к C₄-типу.

Мощные удары опрокинули и эволюционные представления о том, что-де C₄-тип растений — это недавнее приобретение флоры, приспособление к понижающемуся уровню углекислоты в атмосфере. Нет же! Неожиданно обнаружилось, что к C₄-классу растений следует причислить и сине-зеленые водоросли, этих древнейших обитателей планеты, живших на Земле и 3 миллиарда лет назад, когда количество кислорода в воздухе составляло всего лишь тысячную часть от сегодняшнего! Понятно, в таких условиях фотодыхание вряд ли угрожало растениям.

Нет, скорее всего C₄-путь фотосинтеза необходим растениям, когда они попадают в сложные экологические условия, когда C₃-способ связывания углекислоты оказывается подавленным. Например, в условиях низкого содержания углекислоты в воздухе, когда фиксацию углерода надо вести без потерь, самым экономным способом. Ну, скажем, при высокой плотности растений, что бывает в период цветения водоемов, или в жарком засушливом климате, когда углекислота становится недоступной из-за закрытых устьиц.

В пользу экологических соображений говорят и такие факты. Есть сведения, что переключение на C₄-путь фотосинтеза дает возможность растениям активно адаптироваться и к повышенной засоленности. Далее, в стрессовых условиях (водный дефицит, например) C₃-растения также начинают проявлять C₄-признаки…