Журнал «Вокруг Света» №10 за 2007 год

Возможность приостанавливать на длительное время жизненно важные процессы всегда казалась людям заманчивой. Она превратила бы мечту о полетах к дальним планетам в реальный проект. Но пока для человеческого организма такое состояние невозможно. А вот для многих других существ на Земле эта проблема успешно решена — за счет особых биологических конструкций, называемых стадиями покоя.

Все живые существа зависят от окружающей среды. Ни в воде, ни в почве, ни внутри других

организмов — нигде они не застрахованы от бескормицы, зимних холодов или засухи. Если условия ухудшаются, организм бросает последние силы на упаковку своего генетического материала в компактные капсулы, которые перенесутся в подходящее место, дождутся лучших времен и возродят свой вид. В этих капсулах живое существо может находиться в состоянии анабиоза (состоянии, похожем на смерть, когда физиологические процессы остановлены или замедлены) годами, потом пробудиться, покинуть капсулу и продолжить полноценное существование.

Даже у микробов, которых мы привыкли считать неистребимыми, есть природные ограничения по температуре и влажности, при которых клеточные белки не могут выполнять свои биохимические функции. Мир микроорганизмов вымер бы, если бы они не научились переживать неблагоприятные условия в виде цист и спор.

Участок слизистой кишечника. Зеленые шары — это цисты лямблий, жгутиковых простейших, вызывающих у людей сильнейшую диарею. Когда болезнь идет на убыль, паразитам перестает хватать влаги и они массово переходят в стадию покоя

«Школа» выживания

Представьте себе живущие в воде одноклеточные организмы, такие как бактерии и простейшие животные. При промерзании или пересыхании водоема их клетки преобразуются — они уменьшаются в размере до нескольких десятков микрон и наращивают многослойную оболочку, чтобы оградить себя от губительного окружения. Так рождается циста — одна из стадий покоя. Бактериальные цисты погружены в толстые многослойные сгустки пектиновой слизи с арматурой из полисахаридных волокон. У цист одноклеточных животных основа оболочки другая — гиалин, стекловидное вещество белкового происхождения с волокнистой структурой, которое не боится кислот и щелочей, а кроме того, содержит иммуноглобулины — антитела, поддерживающие защитную систему организма.

Отправляя зародыш, находящийся в капсуле, в глубокую спячку и, соответственно, — в неизвестность, родительский организм щедро наделяет его питательными веществами. Повышенная концентрация белков, жиров и углеводов, с одной стороны, затрудняет промерзание и возникновение кристалликов льда, которые могут разрушить клетку. И одновременно весь этот запас является стартовым капиталом, который понадобится новому организму в первые часы пробуждения. В цистах одноклеточных животных есть гликоген — важнейшее запасное вещество организмов с животным типом обмена веществ, а в цистах бактерий помимо гликогена — богатый азотом полимер цианофицин. С таким запасом в стадиях покоя одноклеточные могут пребывать десятки лет, дожидаясь возрождения водоема.

Из треснувших спорангий папоротника высыпаются споры (желтые). Воздействие микроорганизмов, высокой температуры, кислот и щелочей не разрушает их оболочку из надежнейшего биополимера

Поскольку циста сохраняется только во влажной среде, пусть даже это тонкая пленка воды, то поддержанию жизни на воздухе способствуют споры. У бактерий споры защищены лучше цист, так как спора не просто результат перевоплощения материнской клетки, она зарождается внутри нее, и часто не одна, так что между зародышами остается прослойка

из уплотненных остатков материнской клетки. Оболочка предохраняет споры от самопроизвольного прорастания, а также защищает от действия ферментов и антибиотиков. Перед цистами у спор есть большое преимущество: они могут выдерживать высокие температуры и большие дозы радиации, смертельные для обычных клеток, а в высушенном состоянии сохранять «всхожесть» тысячелетиями.

Мхи, папоротники, хвощи и плауны — первопроходцы сухопутной среды обитания. Своим успехом они во многом обязаны мелким летучим спорам, которые позволили им размножаться вне водной среды, расселяться по воздуху и выживать при засухе. Споры этих растений защищены тремя оболочками, а на внешней есть орнамент из шипов, колец, бляшек, по которому можно определить род и даже вид растения. Предполагают, что этот орнамент служит для лучшего заякоривания в той среде, где спорам предстоит прорастать. Зачастую «украшения» расположены не на всей поверхности, а только на одной полусфере, что сказывается на ходе прорастания: трещины, сквозь которые содержимое споры выходит наружу, располагаются именно в той ее части, где орнамента нет. Шероховатости на оболочке могут играть и роль в распространении спор. Так, у хвоща они снабжены длинными выростами в виде нитей с булавовидными утолщениями на концах. Этими нитями споры сцепляются в комки и так разносятся по воздуху. Попав в подходящее место, они прорастают и оказываются способными к перекрестному скрещиванию, которое было бы невозможно, если бы спора прорастала в одиночестве.

Панцирь, которым покрыто семя лекарственного растения наперстянка, состоит из множества ячеек. Он защищает зародыш от повреждений и избытка влаги, что позволяет ему пережить тяжелые времена

Изобретательные растения

У семенных растений есть два варианта стадий покоя: пыльца и семена. По строению и способу образования пыльца больше всего похожа на споры их эволюционных предшественников — споровых растений, но функция у нее другая. Из одного пыльцевого зерна не может вырасти целое растение. Предназначение пыльцы — обеспечить широкое распространение мужских половых клеток. «Отцовского» растения, на котором образовалась пыльца, может уже не быть в живых, а пыльца с его генами сохраняется и, попав на женскую особь, опыляет ее и производит новое поколение.

Настоящая новация в стадиях покоя принадлежит цветковым растениям — это семя. Оно как космический корабль, где есть надежный корпус, путешественник и полный запас провизии. В семени скрыт зародыш, он очень мал, но в нем уже заложены все органы целого растения, чтобы сразу после раскрывания капсулы, без промедления запустить все жизненные функции, начиная от всасывания воды маленьким корешком, кончая фотосинтезом в зародышевых листьях — семядолях. Для надежности маленькому путешественнику в дорогу дан с собой запас провизии — эндосперм.

Как же живым существам удается прекратить биохимические реакции и впасть в состояние, близкое к смерти? Механизмы анабиоза лучше всего изучены у микроорганизмов. Здесь действуют три фактора. Первый — обезвоживание: биохимические процессы могут идти только в водных растворах, а при недостатке воды они останавливаются. Второй фактор — блокирование ферментов с помощью особых веществ, которые в избытке накапливаются в покоящихся клетках, в частности ионов металлов. И третий — изменение конфигурации молекул самих ферментов, при котором они приходят в нерабочее состояние. У спор грибов есть еще одно приспособление: внутри они разделены на отсеки, и биохимические реагенты хранятся по отдельности, отгороженные друг от друга мембранами. Возможно, похожие процессы действуют и у других организмов, но об этом известно очень мало.