Текст книги "Революция растений"

Человеческие ресурсы. Или, скорее, человек, как ресурс для растений

Примерно от 10 до 15 тысяч лет тому назад, в регионе нашей планеты под названием Плодородный полумесяц, который нынче страдает от непрерывных войн, родилось сельское хозяйство. И вместе с ним – цивилизация.

В тот момент, когда человек забросил охоту и собирательство, и стал оседлым жителем, возделывающим землю, началась его история совместной с растениями эволюции. С некоторыми растениями человек сошелся очень тесно и почти не расстается: они дают пищу, а человек обеспечивает им уход и защиту. Но, сверх того, растения получили сверхэффективный толчок, который позволил им заселить всю планету. Это была отличная сделка для обеих сторон, и она продолжает работать тысячи лет спустя после подписания контракта. Три вида растений – пшеница, кукуруза и рис – поставляют около 60 % всех калорий, потребляемых человечеством. Именно за счет этого они смогли распространиться по поверхности почти всех континентов, превзойдя остальных растительных конкурентов на Земле. Отношения между нами и этими растениями столь тесны, что могут рассматриваться как пример настоящего симбиоза. Если представить, что углерод, из которого состоит среднестатистический гражданин США, на 59 % поставляется одним-единственным растительным видом – кукурузой…

Но, если для этих трех растений монополия на поставку питания для человечества может быть успешным предприятием, то для человечества, связавшего свое выживание с этими тремя-четырьмя видами, перспектива представляется не столь радужной. Речь идет о слишком небольшой свободе выбора, чтобы можно было полностью доверить им снабжение человечества калориями. Увы, этот выбор вдобавок постоянно уменьшается. В прошлом человек выращивал гораздо большее количество растительных видов. В XVIII веке количество съедобных растений, известных в Европе, было значительно меньше, чем сегодня (те, что позднее были названы экзотическими, или колониальными, еще не вошли в обиход), однако количество потребляемых в пищу видов было в три раза большим, чем сегодня. Не говоря о более древних временах, до изобретения сельского хозяйства – тогда человек употреблял в пищу сотни растительных видов. Таким образом в течение последних 10 тысяч лет, и особенно интенсивно в течение последних ста, мы все теснее связывали нашу жизнь с постепенно сокращавшимся количеством видов растений. И неудивительно, что в голову приходит довольно печальный вывод: чем меньшее число видов растений мы используем в пишу, тем больше мы от них зависим, и тем выше риск, что в один прекрасный момент что-то пойдет не так. Например, пшеницу или рис может поразить заболевание, и это сразу станет катастрофой для человечества. Такое уже случалось. Лучше, как советуют финансисты, хранить деньги равными порциями в разных банках.

Как бы то ни было, сделка оказалась весьма прибыльной для растений и должна была бы привлечь подражателей, мошенников или просто любопытных, желающих получить свою долю прибыли. Это был успех, несомненно; многие виды с помощью всевозможных хитростей пытались выдавать себя за сельскохозяйственные растения, чтобы получить подобные преференции: искусство мимикрии было как будто специально создано для этого. Они стремились выдать себя за других, чтобы привлечь внимание человека.

С самого момента зарождения культуры земледелия люди старались селекционировать, по разным причинам, те растения, которые показывали лучшие результаты в следующих областях: величина плода или семян, форма, цвет, устойчивость к заболеваниям, рост… Однако тогда же, когда человек начал отбирать растения по подходящим для его задач признакам, растения, в свою очередь, начали стараться этим требованиям соответствовать. Один из самых известных случаев подражания одного растения другому, с целью получить все преимущества культивации – это история с видом Vicia sativa (Вика посевная, она же – Горошек посевной), который проникает в посадки Lens culinaris (Чечевица пищевая). Чечевица – один из древнейших видов бобовых, выращиваемый человеком: его употребляли в пищу еще 15 тысяч лет тому назад. Чечевица – одна из самых распространенных сельскохозяйственных культур в Средиземноморье, о чем свидетельствует история Исава из Книги бытия (Быт. 25,29–34), когда он продал право первородства близнецу Иакову за миску чечевичной похлебки.

Чечевица (Lens culinaris) – одно из первых растений, окультуренных человеком. Археологические данные относят начало выращивания чечевицы к периоду между 13-м и 10-м тысячелетием до нашей эры.

Вика посевная похожа на чечевицу в том, что ей требуется столько же примерно солнечного света и аналогичные климатические условия. Таким образом, появление вики среди чечевичных посадок стало неизбежным. Проблема обнаружилась позднее: круглые семена вики, заметно отличающиеся от чечевичных, можно было просто удалить в процессе сборки урожая, не заметить их просто невозможно. Но вика решила, что так просто от нее не отделаются, и начала изменять форму семян поколение за поколением, постепенно, делая их все более похожими на чечевичные зернышки, уменьшая размер и меняя цвет. Наконец дело было сделано: семена вики стали неотличимы от чечевичных, человек вынужден был выращивать растения вместе. Вика совершила весьма ловкий трюк и отныне могла пользоваться всеми преимуществами сельскохозяйственной культуры.

Этот пример мимикрии просто поразителен, он занимает особое место в истории мира растений и называется «мимикрией Вавилова», в честь великого российского генетика и агронома Николая Ивановича Вавилова (1887–1943). Вавилов первым обнаружил этот феномен, описал его и предсказал удивительные последствия этой способности растений. Я уже писал о Вавилове в моей книге «Люди, которые любили растения», однако не лишним будет напомнить об этом великом ученом. Он стал автором первого в истории науки исследования о происхождении и географии сельскохозяйственных растений (Вавилов Н. И. Генетика и ее отношение к агрономии, 1912). Вавилов не только создал теорию центров происхождения культурных растений, но и стал вдохновителем создания коллекций семян этих растений. Созданный Вавиловым первый генетический банк семян до сих пор существует в Петербурге, но наиболее полно его идея воплотилась в создании Всемирного семенохранилища на острове Шпицберген.

Вика посевная (Vicia sativa) – весьма распространенное кормовое растение, семена которого очень похожи на зерна чечевицы.

Там, в максимальной безопасности и с соблюдением всех необходимых условий, хранятся семена самых важных сельскохозяйственных растений, культивируемых человеком. Это всемирное генетическое наследство. В хранилище собраны семена риса, кукурузы, пшеницы, картофеля, яблони, маниоки, таро, кокоса и многих других растений; оно гарантирует сохранение генетического разнообразия на нашей планете. Интуиция Вавилова, побудившая его собирать семена растений, сохраняя хотя бы малую часть от уничтожения, была гениальной – мы недавно получили конкретные доказательства правоты ученого, когда Сирия обратилась во Всемирное семенохранилище с просьбой дать ей посадочный материал, чтобы восстановить сельское хозяйство в полностью уничтоженном войной регионе. Кроме того, Вавилов первый в истории биологии высказал идею генетического улучшения свойств растений, с целью создания возможности их выращивания в регионах с тяжелым климатом, которых немало в России.

Сегодня существуют уже сотни сортов чечевицы, они отличаются размером и цветом зерен, который варьируется от коричневого и зеленого до желтого и даже оранжевого.

Величайший генетик и гигант сельскохозяйственной науки был приговорен Сталиным к смерти от голода в тюремном карцере и сегодня совершенно забыт. Однако еще более чудовищным выглядит то, что его враг, ничтожество и подлец, омерзительный ученый-самозванец Трофим Денисович Лысенко (1898–1976), один из пропагандистов безумной идеи о том, что генетика – это «буржуазная» теория, которая не имеет под собой никакой научной основы, цитируется в научной среде гораздо чаще, чем Вавилов. Однако это совсем другая история…

Всемирное семенохранилище находится на норвежском острове Шпицберген. Оно обеспечивает сохранность семенного фонда человечества на случай внезапного уничтожения традиционных запасов семян.

Вавилов, таким образом, исследовал окультуренные растения и связанную с ними деятельность. Он первым обратил внимание на то, что селекция растений, в соответствии с полезными человеку характеристиками, может спровоцировать феномен мимикрии среди других растений с самыми непредсказуемыми последствиями и далеко не всегда негативными, как можно было бы подумать. Многие растения, выращиваемые человеком сегодня, стали таковыми благодаря способности к мимикрии.

Возьмем, к примеру, рожь (Secale cereale), растение, выращиваемое в качестве сельскохозяйственной культуры уже не менее трех тысяч лет. Этот злак когда-то был сорной травой на полях пшеницы и ячменя, и постепенно, подражая соседям, добился соответствующих характеристик у собственных семян. Чтобы понять, каким образом сорняк может превратиться во вполне приличное сельскохозяйственное растение, мы должны поставить себя на место древних земледельцев. Вообразите себе наших предков, которые постепенно дополняли охоту и собирательство поиском растений, которых можно было бы приручить. Какими принципами они руководствовались? Что определяло выбор? Уверен – они выбирали виды с самыми крупными семенами и самым обильным урожаем, который было легко собирать – таковы колоски. Совершенно точно их не могли заинтересовать растения, которые спонтанно разбрасывают семена: собирать зерно с земли слишком утомительно.

Превращение человека из собирателя в земледельца было долгим и трудным процессом, он сопровождался ошибками и размышлениями. Можно с уверенностью сказать, что некоторые растения, такие как пшеница или ячмень, с их крупными зернами и колосьями, в которых зерна вызревают, полностью соответствовали ожиданиям первых земледельцев, а потому и были отобраны одними из первых для нужд сельского хозяйства. Однако вместе с этими прекрасными растениями люди, не отдавая себе в том отчет, окультурили и росшие по соседству сорняки.

Так началась история ржи, которая в начале пути мало чем отличалась от сорняка.

Рожь (Secale cereale) – типичный для зон умеренного климата злак. Люди начали выращивать ее примерно три тысячелетия назад, мигрируя из района современной Турции. Рожь прибыла на новое место жительства вместе с пшеницей, под которую она успешно мимикрировала (мимикрия Вавилова).

Предки той ржи, которую мы едим сегодня, могли служить классическим примером мимикрии Вавилова. Они были очень похожи на пшеницу и ячмень, и древние жители Плодородного полумесяца, чтобы отделить зерна от плевел, должны были бы тщательно перебирать посадочный материал в поисках незваных гостей. В те времена это было не самой легкой задачей, поэтому ржи удалось стать одним из самых распространенных сорняков. А когда пшеница и ячмень распространились на другие регионы, дальше на север, восток и запад, вместе с ними путешествие совершила и примкнувшая к ним рожь (самый эффективный распространитель семян – человек, не стоит об этом забывать). Так расширился ареал ее обитания.

Когда же рожь прибыла в места с более холодным климатом и менее плодородными почвами, ей удалось проявить собственные способности выживать в более суровых условиях, и она стала давать урожаи гораздо более обильные, чем пшеница и ячмень, и постепенно их вытеснила. Именно рожь стала в новых ареалах главным окультуренным растением.

История ржи представляет собой классическую историю мимикрии Вавилова со счастливым концом. Однако не все подобные истории кончаются хорошо. Можно вспомнить те случаи, когда виды-сорняки вырабатывают устойчивость к гербицидам, и чем больше гербицидов используется в сельском хозяйстве, тем более устойчивыми к ним становятся сорные растения. А в последние годы использование гербицидов росло по экспоненте. Благодаря неконтролируемому росту использования этих веществ некоторые из них, – такие, как, например, глифосфат, – привели к обратному, патологическому приросту генетически модифицированных видов, совершенно нечувствительных к их воздействию. Фермеры же используют гербициды бесконтрольно.

Амарант происходит из Центральной Америки. Его семена съедобны и похожи на семена злаковых (т.н. псевдозерновые).

Если главная культура хорошо защищена и не подвергается никакой опасности, зачем использовать все возрастающие количества гербицидов и устранять любой «раздражающий» сорняк? В качестве аргумента можно привести довольно пугающие данные по использованию гербицидов в сельском хозяйстве: в 1974 году только в США было использовано 360 тысяч килограммов глифосфата; в 2014 году – уже 113,4 миллиона килограммов. За 40 лет использование этого вещества выросло почти в 300 раз!

Подобное невероятное химическое воздействие на сорняки способствовало развитию устойчивости не только у видов, которые обыкновенно росли вместе с основной культурой, но и у мимикрирующих растений, про которых я писал выше. В США сегодня произрастают целые поля Amaranthus palmeri, вполне съедобного растения, ненавидимого фермерами – оно мешает монокультурным посевам. Амарант устойчив к воздействию глифосфата, и распространение этого злака на полях, засеянных кукурузой или соей, стало большой проблемой. С ним пытаются бороться с помощью все возрастающих доз глифосфата в смеси с другими гербицидами.

Эти устойчивые сорняки начали расти повсюду. Меня лично это совсем не беспокоит – я всегда любил сорные растения: их способность к выживанию там, где их никто не хочет видеть, восхищает меня так же, как их интеллект и приспособляемость. В любом случае подобное распространение растений не следовало бы останавливать гербицидами, разрушая все надежды на сохранение сельскохозяйственных экосистем. Для этого существуют другие способы, более бережные по отношению к окружающей среде.

Нам следует по возможности научиться сосуществовать. Мне, повторяю, эти растения симпатичны: они могли бы стать когда-нибудь полезными, как рожь, или наплевать на человека, как многие другие. Хорошо бы еще осознать, что ущерб, наносимый борьбой с сорняками окружающей среде, имеет отдаленные, но куда как более существенные последствия, чем те, которые они наносят нашим сельскохозяйственным посадкам.

О последствиях надо думать всегда…

Библиография

F. Baluška, S. Mancuso, Vision in plants via plant-specific ocelli?, «Trends in plant science», 21 (9), 2016, стр. 727–730.

Plant ocelli for visually guided plant behavior, «Trends in plant science», 22 (1), 2017, стр. 5–6.

C.M. Benbrook, Trends in glyphosate herbicide use in the United States and globally, «Environmental sciences Europe», 28 (1), 2016, стр. 3.

S.P. Brown, W.D. Hamilton, Autumn tree colours as a handicap signal, «Proceedings of the Royal Society of London B», 268 (1475), 2001, стр. 1489–1493.

F. Darwin, Lectures on the physiology of movement in plants. V. The sense-organs for gravity and light, «New phytologist», 6, 1907, стр. 69–76.

G.S. Gavelis et al., Eye-like ocelloids are built from different endosymbiotically acquired components, «Nature», 523 (7559), 2015, стр. 204–207.

G. Haberlandt, Die Lichtsinnesorgane der Laubblätter, W. Engelmann, Lipsia 1905. S. Hayakawa et al., Function and evolutionary origin of unicellular camera-type eye structure, «Plos ONE», 10 (3), 2015.

S. Mancuso, A. Viola, Verde brillante. Sensibilità e intelligenza del mondo vegetale, Giunti, Firenze-Milano 2013.

S. Mancuso, Uomini che amano le piante. Storie di scienziati del mondo vegetale, Giunti, Firenze-Milano 2014.

N. Schuergers et al., Cyanobacteria use micro-optics to sense light direction, «eLife», 5, 2016.

N.I. Vavilov, Origin and geography of cultivated plants, Cambridge University Press, Cambridge 1992.

H. Wager, The perception of light in plants, «Annals of botany», 23 (3), 1909, стр. 459–490.

IV
Движение без мускулов

Сознание возможно только в изменении, изменение возможно только в движении.

Олдос Хаксли. Как исправить зрение

Я двигаюсь, следовательно, существую.

Харуки Мураками. 1Q84

Одуванчик (Taraxacum officinale) – одно из самых распространенных растений из семейства астровых (Asteraceae). Он использовался в качестве лекарственного растения с античных времен, и его повсеместная распространенность привела к тому, что у него множество имен: насадка для душа, львиный зуб, собачий зуб, свиная трава, писюн и луговой подсолнух.

И все же они движутся!

Если бы кому-нибудь в 1896 году задали вопрос о замедленной съемке, стоп-кадре или интервальной фотосъемке – фантастической фотокинотехнологии, позволяющей уложить в несколько секунд или минут фильма события, которые в реальном времени длятся целый день (а порой месяцы или годы) – он бы не понял, о чем вообще речь.

Первый кинематографический сеанс был проведен братьями Огюстом и Луи Люмьер 28 декабря 1895 года в доме № 14 на бульваре Капуцинов в Париже. На сеансе присутствовали 33 зрителя, среди которых двое были журналистами – они первыми соприкоснулись с этой новой формой развлечения. Но уже в 1896 году, спустя всего несколько месяцев после этого сеанса, ботаник Вильгельм Фридрих Филипп Пфеффер (1845–1920), находившийся в зените своей научной карьеры, умудрился снять первый фильм в технике замедленной съемки. Над разработкой этой техники Пфеффер трудился несколько лет, с того момента, когда начал заниматься ботаникой. Ему выпал шанс присутствовать в 1878 году на съемках первого экспериментального фильма Эдварда Мейбриджа «Салли Гарднер в галопе»[8]8
  Точнее говоря, это была серия фотографий, снятых в быстрой последовательности. – Прим. ред.


[Закрыть]. С тех пор он мечтал сделать видимыми медленные движения растений, ускорив их не только для того, чтобы все смогли оценить их красоту и изящество, но прежде всего, чтобы иметь возможность изучать поведение растений. Эта идея стала для Пфеффера настоящим призванием. Интерес к движениям растений зародился у него в период работы ассистентом великого Юлиуса фон Сакса (1832–1897) в университете Вюрцбурга, во время исследований гравитропических движений (то есть вызванных гравитацией) корней.

Скаковая лошадь Салли Гарднер, сфотографированная Мейбриджем в 1878 году. Последовательность изображений соответствует двадцати пяти секундам скачки.

Эти исследования были предметом полемики и долгих научных споров между учителем Пфеффера и Чарлзом Дарвином и определили направление научной карьеры молодого ботаника. Его опыты доказали правоту Дарвина, а не Сакса, что закрыло ему перспективы продолжения научной карьеры в Германии. В те времена противоречить своему научному руководителю было не принято. Так, Пфеффер, подгоняемый необходимостью восстановить свое доброе имя исследователя, подпорченное скандалом с Саксом, и осознав перспективы, открываемые перед ним изобретением кинематографа, начал раздумывать над возможностью использовать новую технологию в качестве инструмента для исследования движения растений.

Биологи и ботаники веками уклонялись от изучения форм поведения растений, пытаясь любой ценой защитить сложившиеся представления о мирах животных и растений, считая «аномалией» или «аберрантным поведением» способность некоторых растений к быстрым движениям. Эти виды даже называли ошибочно зооспорами, специально, чтобы подчеркнуть их близость к животному миру.

Удивление и восторг тех, кто может наблюдать подобные движения вполне объяснимы; движения мимозы стыдливой, к примеру, вызывают удивление всех, кто ее наблюдает – обычные люди убеждены в том, что неподвижность – это фундаментальная характеристика растений, отличающая их от мира животных.

Попытка Пфеффера сделать наглядной двигательную активность растений стала историей научного успеха. Спустя несколько месяцев после киносеанса братьев Люмьер Пфефер был готов показать свой фильм потрясенной группе коллег-биологов. Они впервые в истории смогли увидеть растения в движении, исследовать направления и характеристики этого движения, поведение растений.

На глазах у пораженных ученых немецкий ботаник показал последовательность цветения тюльпана, дневные движения и ночной сон Мимозы стыдливой (и снова она), постоянные шевеления телеграфного растения (Desmodium gyrans), и наконец, жемчужину своей коллекции, самую трудоемкую работу – рост и подземное движение корней, ощупывающих почву, будто червяки или муравьи.

Телеграфное растение (Codariocalyx motorius) – представитель семейства бобовых, распространенный в тропическом поясе Азии. Оно известно своей способностью непрерывно шевелить листочками, настолько быстро, что это можно заметить невооруженным глазом. Цель этого движения пока остается загадкой.

Благодаря Пфефферу сбылась мечта многих ученых – еще в IV веке до нашей эры, Андростен, соратник Александра Великого, заметил, что листья растений могут двигаться днем и ночью, и это стало доказанной реальностью. Пфеффер дал ботаникам инструмент, с помощью которого можно сделать видимым то, что ранее никто увидеть не мог. Точно так же, как телескоп Иоанна Липперсгея (ок. 1570–1619) (нет, это не Галилей изобрел телескоп) сделал доступными для исследований дальние глубины космоса, а микроскоп Захария Янсена (ок. 1585–1632) позволил рассмотреть все, что не видно обычному глазу, новая кинематографическая техника Вильгельма Пфеффера позволила изучать крайне медленные процессы.

Доступность этих новых граней реальности не осталась без последствий. Растения, составляющие большую часть живой массы на Земле, перестали рассматриваться в качестве предметов, а стали живыми существами, начали приоткрывать свои тайны и позволили взглянуть на удивительное многообразие доступного им движения. Это была настоящая революция в науке, изменившая общее восприятие живого. Те, кто раньше смотрел на розовый куст или липовое дерево как на что-то, доставляющее эстетическое удовольствие, но бездушное, вдруг почувствовали интерес и нечто вроде уважения к растениям.

В период между последними годами XIX века и Первой мировой войной были весьма распространены исследования, посвященные феномену тропизма (движения под воздействием внешних сил). Но после открытия Пфеффера биологи посвятили себя изучению собственных (независимых от внешних стимулов) движений растений, их поведению и в конечном итоге их когнитивным способностям. Кульминационным моментом исследований стала речь, прочитанная сэром Френсисом Дарвином на открытии ежегодного конгресса Британской ассоциации содействия развитию науки 2 сентября 1908 года. В своей речи первый преподаватель новой науки, получившей название «физиология растений» и сын великого ученого Чарлза Дарвина без обиняков заявил, что растения представляют собой организмы, наделенные интеллектом, и не отличаются от остальных представителей живого мира.

Так, благодаря изобретению Пфеффера, сегодня мы уже различаем различные типы двигательной активности растений, отличаем активное движение от пассивного и понимаем, как возможно движение существа, не обладающего мышцами. Эти знания имеют ключевое значение для будущего современных технологий, особенно в области создания новых материалов.