Изменение интенсивности дыхания в онтогенезе растений
1. ВВЕДЕНИЕ
2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДЫХАНИЯ РАСТЕНИЙ
3. СРАВНЕНИЕ ДЫХАНИЯ ОРГАНОВ РАЗНОГО ВОЗРАСТА
4. ВЗАИМОСВЯЗЬ ДЫХАНИЯ И РОСТА РАСТЕНИЙ
5. ДЫХАНИЕ КЛЕТОК НА РАЗНЫХ ФАЗАХ РОСТА
6. ВЫВОД
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение.
Дыхание - важнейший физиологический процесс, в результате которого происходит выделение энергии, необходимой для жизнедеятельности растительного организма. При дыхании поглощается кислород и выделяется углекислый газ. Установлено, что дыхание животных и растений протекает однотипно, несмотря на отсутствие у растений специальных органов дыхания.
Наиболее простой механизм обмена газами у водорослей, которые не имеют тканей и органов, а воздух непосредственно проникает в каждую клетку. У мхов, папоротников, голосеменных и покрытосеменных воздух проходит более сложный путь. Через устьица он поступает в межклетники, которые пронизывают все растения, а оттуда - в клетки.
У наземных растений устьица, как правило, расположены на нижней стороне листа, а у живущих в воде - на верхней, так как нижней стороной он лежит на поверхности воды. Поступление воздуха в листья регулируется периодическим открыванием и закрыванием устьиц.
Внутрь стволов деревьев и кустарников, покрытых толстой пробкой или корой, воздух поступает через отверстия - чечевички. Хорошо видны чечевички у березы, они крупные (до 15 см) и имеют вид узких темных поперечных полосок.
У ряда болотных растений затруднено поступление воздуха в корни, так как в насыщенной влагой почве мало воздуха. У этих растений сформировались приспособления, обеспечивающие нормальный газообмен. Так, у некоторых растений образовались дыхательные корни, которые выступают над поверхностью воды, например у растений мангровых лесов.
Процесс дыхания связан с непрерывным потреблением кислорода клетками и тканями растений и осуществляется при участии различных ферментов. Вначале сложные органические вещества (белки, жиры, углеводы) под действием ферментов распадаются на более простые, которые при участии кислорода расщепляются до конца, т.е. до образования углекислого газа и воды. При этом освобождается энергия, которая используется растением (а также любым живым организмом) на процессы жизнедеятельности: поглощение из почвы воды и минеральных веществ, их передвижение, рост, развитие, размножение.
В освобождении энергии, заключенной в органических веществах, состоит главное значение дыхания. По существу, при дыхании освобождается солнечная энергия, которую растение использовало в процессе фотосинтеза на образование органических веществ и таким путем запасло ее.
В процессе дыхания окисление сложных органических веществ до углекислого газа и воды происходит постепенно и энергия освобождается небольшими порциями. Если бы энергия освобождалась вся сразу, тогда клетка сгорела бы.
Дыхание, подобно другим процессам жизнедеятельности, зависит от факторов среды: температуры, влажности, содержания кислорода, степени освещенности и др. Для протекания процессов дыхания требуются определенные температурные условия, причем они разные у каждого вида растений и его органов. У большинства растений для дыхания наиболее благоприятна температура 25 - 30°С. У некоторых видов растений дыхание происходит и при отрицательных температурах, хотя этот процесс протекает очень слабо. Например, почки лиственных и иглы хвойных деревьев дышат и при температуре - 20 - 25°С. У арктических растений даже при низких температурах интенсивность дыхания высокая.
Интенсивность дыхания растений зависит от содержания воды в клетках. Чем меньше воды в клетках, тем слабее идет в них дыхание. Очень слабо дышат сухие семена. С увеличением влажности дыхание семян возрастает в сотни и тысячи раз. Это отрицательно сказывается на хранении семян, так как они сильно разогреваются и погибают. Повышение интенсивности дыхания имеет огромное биологические значение для прорастания семян, поскольку усиление дыхания сопровождается освобождением большого количества энергии, необходимой для роста и развития зародыша.
На дыхание растений влияет содержание кислорода в окружающей среде. Угнетение дыхания начинается при уменьшении содержания кислорода до 5%. Недостаток кислорода испытывают подземные органы (корни и корневища) растений, обитающих на заболоченных и глинистых почвах.
В растениеводстве применяются различные агротехнические приемы для улучшения дыхания корней. Так, проводят комплексную обработку посевов машинами, чтобы сократить число обработок и уменьшить уплотненность почвы. Специальными культиваторами почву рыхлят и таким путем улучшают доступ воздуха к корням, при этом срезают сорняки, подкармливают культурные растения. Сильно увлажненные земли осушают, создают дренаж.
На дыхание растений влияет и свет, хотя дышат они днем и ночью, на свету и в темноте. Свет вызывает повышение температуры растения, отчего дыхание его усиливается. У светолюбивых растений, дыхание более интенсивное, чем у теневыносливых.
Изменения в окружающей среде, связанные с деятельностью человека, также воздействуют на дыхание растений. Отрицательно влияют на дыхание вредные примеси, пыль, выделяемые промышленными предприятиями.
Наиболее интенсивно дышат молодые органы и ткани растений, находящиеся в состоянии активного роста. Цветение и плодоношение сопровождаются усилением дыхания развивающихся цветков и плодов, что связано с образованием новых органов и тканей, обладающих высоким уровнем обмена веществ. В данном реферате мы попробуем изучить изменение дыхания растений в онтогенезе.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДЫХАНИЯ РАСТЕНИЙ.
Дыхание — процесс универсальный. Оно является неотъемлемым свойством всех организмов, населяющих нашу планету, и присуще любому органу, любой ткани, каждой клетке, которые дышат на протяжении всей своей жизнедеятельности. Дыхание всегда связано с жизнью, тогда как прекращение дыхания — с гибелью живого. В связи с этим проблеме дыхания уделяется большое внимание в исследованиях биологов всех специальностей и профилей..
Жизнь организма в целом, как и каждое проявление жизнедеятельности, необходимо связаны с расходованием энергии. Клеточное деление, рост, развитие и размножение, поглощение и передвижение воды и питательных веществ, разнообразные синтезы и все другие процессы и функции осуществимы лишь при постоянном удовлетворении обусловленных ими потребностей в энергии и пластических веществах, которые служат клетке строительным материалом.
Источником энергии для живой клетки служит химическая (свободная) энергия потребляемых ею питательных веществ. Распад этих веществ, происходящий в акте дыхания, сопровождается освобождением энергии, которая и обеспечивает удовлетворение жизненных потребностей организма.
Сам же процесс дыхания представляет собой сложную многозвенную систему сопряженных окислительно-восстановительных процессов, в ходе которых имеет место изменение химической природы органических соединений и использование содержащейся в них энергии.
Ферментативные реакции, обеспечивающие биосинтез белков, нуклеиновых кислот, других полимеров и их различных производных, называют анаболическими, в противоположность катаболическим, содержанием которых является разрушение, распад органических соединений.
Совокупность ферментативных реакций, с помощью которых осуществляется процесс дыхания, относится к категории катаболических.
На протяжении многих десятилетний биологическое значение дыхания сводилось только к высвобождению энергии дыхательного субстрата и использованию ее в процессах, осуществляющихся с затратой энергии. Детальное изучение биохимической природы и ферментативных механизмов, с которыми связан процесс дыхания, позволило убедиться в огромном значении промежуточных продуктов, которые возникают на пути преобразования органической молекулы и, являясь активными метаболитами, играют исключительно важную роль в созидательном, конструктивном обмене клетки.
Растительная клетка использует в качестве дыхательного материала самые разнообразные органические вещества, окислительно-восстановительные превращения которых осуществляются с участием весьма сложного комплекса каталитических механизмов: ферментов, активирующих водород; ферментов, активирующих кислород; ферментов, выполняющих роль промежуточных медиаторов (или переносчиков электронов); и вспомогательных ферментов. Таким образом, сложная цепь сопряженных окислительно-восстановительных процессов представляет собой многозвенное строго отрегулированное сочетание ферментативных систем различной природы, осуществляющих различные функции. Большой набор ферментативных систем, участвующих в акте дыхания, обеспечивает широкие адаптивные возможности растительного организма к постоянно меняющимся условиям внешней среды (температура, влажность, освещенность, концентрация кислорода и др.). С помощью каталитических систем дыхания запасы свободной энергии, содержащиеся в молекуле органического вещества, являющегося дыхательным субстратом, превращаются в мобильную форму, легко используемую в любых процессах, связанных с потреблением энергии.
Как известно, энергия органических веществ, используемых в качестве дыхательного субстрата, ведет свое происхождение от кванта света, адсорбируемого зеленым растением и небольшой группой фотоавтотрофных микроорганизмов в процессе фотосинтеза. Образующиеся в ходе последнего органические соединении и являются практически единственным источником пластических и энергетических ресурсов, за счет которых и обеспечивается существование всего живого населения земного шара. Необходимо, однако, подчеркнуть, что практически вся масса ассимилятов, создаваемых в процессе фотосинтеза, принадлежит к соединениям неспецифических, а в химическом отношении инертным. То же относится и к содержащейся в этих соединениях химической энергии, которая также не может быть непосредственно использована для осуществления какого-либо из видов клеточной «работы».
Придание этой потенциальной энергии активной формы, ее преобразование в «энергию действия», равно как и преобразование неспецифических продуктов фотосинтеза в специфические для организма компоненты протопласта, иными словами ассимиляция этих соединений,— таково назначение функции, именуемой дыханием. Следовательно, так же как и фотосинтез, дыхание служит целям обеспечения материальных и энергетических потребностей организмов, и в первую очередь, естественно, гетеротрофных. Кроме того, только через системы дыхания удовлетворяются потребности всех не зеленых клеток зеленого растения и также содержащих хлорофилл клеток в отсутствие света.
Признавая огромную, ни с чем не сравнимую по значению роль фотосинтеза в становлении органической материи, мы вместе с тем не можем не учитывать, что все создаваемые в ходе этой уникальной функции богатства становятся эффективным достоянием живой клетки только благодаря существованию другой столь же важной по выполняемой ею роли, какой является дыхание.
ВЗАИМОСВЯЗЬ ДЫХАНИЯ И РОСТА РАСТЕНИЙ
Рост растения представляет собой интегральную функцию, на которую откладывает отпечаток вся совокупность процессов жизнедеятельности организма. В основе роста лежит непрерывное новообразование различных элементов структуры и, следовательно, синтез самых разнообразных клеточных компонентов. Тесная связь дыхания с биосинтетическими функциями клетки позволяет уже априори предполагать, что дыхание должно также оказывать большое влияние и на ростовые процессы у растений.
Однако данные непосредственных наблюдении не всегда укладываются в эту, казалось бы, бесспорную схему. Они свидетельствуют о том, что взаимосвязь процессов роста с окислительно-восстановительными превращениями является сложной и до настоящего времени природа этой связи в общем недостаточно изучена. Нередки случаи, когда более активный рост вегетативных органов коррелирует с низкой величиной rН, пониженной активностью ряда окислительных ферментов, высокой восстановительной активностью тканей.
Для обсуждаемой проблемы в особенности интересны данные по дыхательной активности клеток, находящихся на различных стадиях роста. Взаимосвязь дыхания и роста можно проследить на быстрорастущих органах различных тканей корней. Согласно исследованиям ряда лабораторий, клетки меристемы характеризуются минимальной интенсивностью кислородного дыхания. Зона деления отличается, кроме того, высоким дыхательным коэффициентом, достигающим нередко величины 2 и больше. Это указывает на то, что в дыхательном метаболизме клеток меристемы существенное место занимают анаэробные процессы.
У клеток зоны растяжения, для которых характерно усиленное новообразование протоплазмы, наблюдается резкое усиление дыхательной активности. Это активирование обусловлено не только увеличением количества белка, приходящегося на долю митохондрий, но и возрастанием удельной активности каждой единицы белка.
Следует отметить, что дыхательная активность тесно связана с содержанием белка, причем в особенности отчетливо эта корреляция проявляется, если расчет ведется не на содержащийся в клетке белок, а на единицу белка, синтезируемого клеткой. Факт этот легко понять, если вспомнить, что именно синтетические процессы и являются непосредственными потребителями энергии дыхания.
Вопрос о дыхательной активности клеток зоны дифференциации оказался сложным и пока не может считаться решенным. Имеющиеся по этому вопросу экспериментальные материалы противоречивы. Так, по данным некоторых исследователей, дыхательная активность клеток зоны дифференцировки ниже, чем клеток зоны растяжения, тогда как, согласно данным Н. Г. Потапова и сотр., активность дыхания непрерывно растет от меристемы к клеткам, где формируются корневые волоски. Клетки зоны дифференцировки обладают наибольшей активностью дыхания в пересчете как на белковый азот, так и на одну клетку. В клетках этой зоны наиболее активна цитохромоксидаза, подтверждением чего служит также максимальная величина подавления дыхания азидом .
Соотношения указанного типа не являются, однако, общей закономерностью, поскольку в ряде случаев максимальная интенсивность дыхания обнаруживается в клетках зоны растяжения. Такая закономерность выявляется при пересчете на белок, а также на единицу кислотонерастворимого фосфора. Вполне вероятно, что это обусловлено увеличением количества митохондрий, а также возрастанием их удельной активности. Большие различия в дыхании свойственны клеткам различных видов ткани. Так, например, в точке роста стебля люпина дыхание клеток инициального конуса значительно выше, чем клеток окружающей туники. Очень интенсивно дышат клетки камбия, которые отличаются также и высокой активностью дегидрогеназ.
Имеются наблюдения, что факторы, ингибирующие анаэробную фазу дыхания, а также транспорт электронов и превращения в цикле Кребса, влияют аналогичным образом и на рост.
В работах лаборатории Тиманна подчеркивается важная роль цитохромной системы в процессах роста растений. Подтверждением этого являются многочисленные опыты, в которых полное подавление роста вызывалось с помощью СО, причем это подавление снималось на свету.
В связи с проблемой взаимозависимости процессов роста и дыхания представляют интерес опыты, в которых изучалось влияние на окислительные процессы, оказываемое обработкой растительных тканей различными ростактивирующими веществами (гетероауксин и др.). Основанием для проведения указанных опытов послужило представление о том, что стимулирующее действие ауксина на ростовые процессы обусловлено в первую очередь влиянием этих агентов на энергетический обмен клетки.
Результаты наблюдений оказались в значительной степени противоречивыми, что свидетельствует о большой сложности путей взаимосвязи роста с процессами образования и потребления энергии.
Так, в большом числе наблюдений установлено, что один из эффектов, вызываемых гетероауксином, состоит в активировании дыхания обработанной им ткани. Внутренняя природа и механизм этого влияния остаются, однако, до настоящего времени окончательно невыясненными.
В серии работ Марре и сотр. развиваются представления о том. что в основе действия ауксина лежит увеличение содержания богатых энергией восстановленных соединений (аскорбиновая кислота, восстановленная кодегидрогеназа, восстановленный глутатион). Это приводит к некоторому снижению окислительного потенциала, что, в свою очередь, положительно влияет на процессы роста. Предполагается также, что гетероауксин ингибирует аскорбинатоксидазу, активность которой обусловлена сульфгидрильными группами ферментативного белка.
Интересны, но противоречивы данные, характеризующие влияние гетероауксина на накопление энергии в соединениях типа АТФ. Согласно Боннеру и сотр., гетероауксин обладает высокой фосфатазной активностью, в результате чего в обработанных им тканях снижается содержание АТФ. В этом отношении действие гетероауксина сходно с действием ядов-разобщителей. С другой стороны, в ряде работ показано, что ауксины активируют превращение в системе АТФ/АДФ. Гетероауксин, усиливая потребление макроэргических связей в АТФ, используемых на процессы роста, увеличивает отношение АДФ к АТФ, результатом чего и является активирование аэробного дыхания.
В пользу этого предположения свидетельствуют опыты, в которых при искусственном подавлении роста не проявлялось и стимулирующее действие гетероауксина на дыхание.
Изучение непосредственного действия гетероауксина и гибберелина на процессы окислительного фосфорилирования в изолированных митохондриях, проведенное Якушкиной и сотр., показало, что под действием гетероауксина сопряжение дыхания и фосфорилирования возрастает, повышается количество макроэргического фосфора в АТФ и АДФ (табл. 1).
Изложенный материал показывает, что существует ряд противоположных мнений о первичных механизмах действия ростактивирующнх веществ, и в частности ауксина. Вопрос о последовательности действия ауксина на энергетические и синтетические процессы нельзя считать окончательно решенным. Имеются, наконец, наблюдения, что гетероауксин изменяет «качество» дыхания, в частности под его влиянием происходит активация дегидрогеназ апотомического цикла.
В ряде работ подчеркивается, что с уровнем энергетических процессов связана не только интенсивность, но и направление роста, например знак и величина геотропической реакции.
Наряду с использованием энергии новообразование элементов структуры растения в процессах роста связано с затратой пластических веществ. С этой точки зрения представляется весьма важным вопрос о соотношении между количествами органических соединений, потребляемых на дыхание, с одной стороны, и на новообразование клеток — с другой.
В исследовании с изолированными зародышами кукурузы, выращенными в стерильных условиях, было найдено, что из трех молей потребленной ими глюкозы два моля затрачивались на построение новых клеток и один моль — на дыхание. Отношение 2 : 1 было максимальным, и оно отмечалось у пятидневных зародышей. .В другие сроки наблюдений это отношение было менее благоприятным.
Наблюдения над молодыми проростками риса показали, что у этого объекта синтетический эффект составляет примерно 50%, т. е. на каждую единицу вновь образованных сухих веществ затрачивалось такое же количество пластических соединений на дыхание.
Наиболее высокий коэффициент использования в синтетических целях характерен для соединений, содержащих ацетильные, радикалы, для органических кислот цикла Кребса и некоторых других. В особенности продуктивно клетка использует в синтетических целях пировиноградную кислоту, около половины углерода которой может быть обнаружено в составе сухих веществ мезокотиля проростков кукурузы.
Таблица 1
Влияние регулятора роста на окислительное фосфорилирование при обработке
изолированных митохондрий стеблей гороха
(по Г. М. Живухиной и Н. И. Якушкиной, 1966 г.)
О
Р
Р/О
конт роль
индолил-уксусная кислота
гиббере-линовая кислота
контроль
индолил-уксусная кислота
гибберелиновая кислота
контроль
индолил-уксусная кислота
гиббере-линовая кислота
0,94 1,80
1,82
1,35 2,10 2,40
2,0 2,55 1,92
0,68 0,91 1,04
2,03 1,80 3,68
2,03 1,80 1,33
0,73
0,51 0,61
1,50
0,87 1,53
1,0 1,07
0,69
ДЫХАНИЕ КЛЕТОК НА РАЗНЫХ ФАЗАХ РОСТА.
ИЗМЕНЕНИЯ ДЫХАНИЯ С ВОЗРАСТОМ ТКАНЕЙ
Совершенствование методов исследования сделало возможным изучение дыхания отдельных микроскопических участков тканей и облегчило выяснение значения фазы роста клеток для характера дыхательного процесса. Уже первые исследования, проведенные в этом направлении, дали ряд интересных и неожиданных результатов: оказалось, что не всегда более молодые клетки дышат интенсивнее, как можно было ожидать на основе данных, полученных при грубом сравнении дыхания органов разного возраста.
Дыхание меристематических тканей растений отличается рядом своеобразных особенностей. Это впервые показали Рулянд и Рамсгорн (1938), изучая дыхательный газообмен различных меристем (кончики корней бобов, камбий сирени и липы). Эти ученые обнаружили, что этим тканям свойственно аэробное брожение, т. е. наряду с кислородным дыханием в них осуществляется процесс спиртового брожения. Оказалось, что в камбии и кончиках корней содержится небольшое количество этилового спирта и уксусного альдегида. Дыхательный коэффициент этих тканей оказался повышенным и иногда достигал нескольких единиц
Как видно из приведенных данных, поглощение кислорода в меристемах значительно меньше по сравнению с клетками, перешедшими к растяжению или закончившими рост. Дыхательный коэффициент в камбии и кончиках корней всегда выше единицы и обычно резко уменьшается при переходе к зоне растяжения вследствие усиления поглощения кислорода.
При расчете на единицу белкового азота цифры поглощения кислорода были бы еще ниже по сравнению с другими тканями.
Увеличение меристематической активности (ускорение клеточных делений), что достигалось в исследованиях Рулян-да и Рамсгорна воздействием гетероауксина, приводит к еще более высоким величинам ДК, обусловленным снижением поглощения кислорода. Одновременно при применении стимулятора увеличивается накопление продуктов спиртового брожения.
Г. Ваннер (1950) и др., изучая дыхание в разных срезах корней пшеницы, обнаружили, что в зоне растяжения при расчете на единицу белкового азота кислорода поглощается почти в три раза больше, чем в меристематической зоне. Это позднее было подтверждено опытами Л. Элиассона , 1955). Ваннер, 1950) получил подобные результаты для корней лука, Г. Балдовинос (, 1953) и Д. Р. Годдард и Б. Дж. Меуз (, 1950) — для корней кукурузы. Годдард и Меуз обнаружили, что в меристематической зоне корней интенсивность дыхания при расчете на единицу азота низкая, в зоне растяжения она сильно возрастает и достигает максимума, а после прекращения роста снижается до постоянного уровня. Р. Броун и Д. Броадбент ,( 1950) не нашли столь значительных различий в интенсивности дыхания разных зон роста корней гороха. Таким образом, переход клетки от эмбрионального состояния к фазе растяжения обычно связан со значительным активированием кислородного дыхания. Причина этих изменений дыхания пока остается неясной. Некоторые исследователи считают, что более интенсивное дыхание зоны растяжения является следствием того, что эта фаза роста клеток помимо поглощения воды, накопления осмотически активных веществ и роста клеточных оболочек связана также с интенсивным новообразованием цитоплазмы (Броун и Броадбент, 1950 и др.).
С приведенными данными вполне согласуются наблюдения над влиянием парциального давления кислорода на распускание древесных почек: у некоторых деревьев, например у каштана, почки скорее трогаются в рост при пониженном содержании кислорода — до 2—5об.%. Многие способы ранней выгонки связаны с временным усилением анаэробных процессов.
Смирнов (1943), изучая дыхание зерна пшеницы при разной влажности, нашел, что дыхательный коэффициент сухого зерна выше; он относил это за счет дыхания зародыша. Особенности дыхания растительных меристем интересно сопоставить с данными, характеризующими обмен веществ на разных фазах митотического деления клеток. Штерн (1959) считает, что митоз можно отнести к числу немногих функций, осуществление которых в клетках, нормально являющихся аэробными, частично или полностью возможно в отсутствие кислорода. У аэробных организмов во многих случаях, хотя и не всегда, доступ кислорода является существенным условием, способствующим митозам, но даже в случае наличия потребности в кислороде эта потребность снимается перед окончанием профазы, а у некоторых клеток и при вхождении в профазу, после чего до самого завершения митотического цикла клетки не нуждаются в доступе кислорода (В. С. Буллоу— 1952). В этом отношении наблюдается неоднородность реакций даже среди аэробных клеток: у некоторых потребность в кислороде обнаруживается только на протяжении части профазы, у других—вся профаза проходит без кислорода, а у некоторых клеток уже перед началом профазы эта потребность утрачивается.
Варбург (1956) высказывал предположение, что причина рака заключается в нарушении дыхательных систем, приводящих к нарушению дифференциации тканей при сохранении высокой активности митозов. Действительно, для многих опухолей характерно наличие интенсивного гликолиза при слабом дыхании (см. сводку Штерн, 1959). Однако Штерн считает, что возникновение подобных аномалий обмена чаще является следствием, чем причиной канцерогенезиса.
Неодинаковое отношение к кислороду митотического процесса у разных клеток пока еще не получило своего объяснения. Некоторые исследователи предполагают, что здесь может сказываться конкуренция в потреблении кислорода разными клеточными органоидами, изменяющаяся при дифференциации тканей (Штерн, 1959). Благоприятное влияние дыхания на митотические движения отмечалось многими, оно возникает вследствие образования богатых энергией соединений, прежде всего АТФ. Однако пока еще неясна роль образуемой при дыхании АТФ в процессе разделения хромосом. Если бы гликолиз не прекращался во время митоза, то он один был бы способен обеспечить энергией этот процесс, как предполагает Браше (1955 и др.). Однако пока еще нельзя считать доказанным, что гликолитический механизм остается активным на протяжении всех этапов митоза; имеется ряд фактов, говорящих об обратном. Например, микроспоры во время митотического интервала обладают очень слабой способностью вызывать распад сахара ферментами, катализирующими первичные реакции гликолиза, хотя в другое время эти ферменты у них очень активны.
В пыльниках лилейных во время деления ядер наблюдается резкое падение потребления кислорода в микроспороцитах и микроспорах, что подтвердилось и в опытах с суспензиями микроспор (Р. О. Эриксон— 1947; Штерн и П. Л. Кирк — 1948 и др.). В синхронно делящейся культуре обнаружено прекращение поглощения кислорода во время деления клеток. Однако подобное явление наблюдается не всегда: у морских ежей нет подобного резкого снижения потребления кислорода клетками в момент деления, что, вероятно, связано с большой массой цитоплазмы у их яйцеклеток (Штерн, 1956, 1959).
Предполагается, что нарушения синтетических процессов во время митотического деления клеток являются следствием временного ослабления активности аэробных систем, имеющих значение в образовании богатых энергией соединений. Для объяснения сравнительно малой потребности митотического процесса в снабжении энергией существуют разные предположения. Как уже упоминалось, существует точка зрения Варбурга, заключающаяся в том, что гликолиз может служить единственным источником энергии для митоза. Буллоу (1952) -предполагает, что до наступления митоза предварительно создается резервуар энергии за счет аэробных процессов. Штерн (1959) считает, что дезорганизация ядра во время митоза каким-то образом прекращает функционирование митохондрий. Это пока трудно достаточно ясно истолковать потому, что здесь было бы неправильно полагаться на аналогии с влиянием удаления ядра в опытах Браше (1955 и др.). Изменения состояния клетки и ее отдельных органоидов во время митоза своеобразны и трудно сравнимы со всякими другими состояниями, искусственно вызываемыми при выделении безъядерных фрагментов и т. д.
Для деления клеток характерны понижение окислительно-восстановительного потенциала и высокий уровень восстановленности, что было замечено для эмбриональных тканей животных (Вюрмзер, 1935 и др.), а также для растительных меристем, которым, присущи спиртовое брожение, высокий дыхательный коэффициент и сравнительно невысокая интенсивность поглощения кислорода (Рулянд и Рамсгорн, 1938; Ваннер, 1950; Элиассон, 1955 и др.). Здесь, вероятно, имеет значение характер биосинтезов, происходящих хотя и не в период самого деления клетки, а, по-видимому, во время интерфазы, но без совершения которых не может осуществляться митотический процесс. Имеется в виду синтез ядерной нуклеиновой кислоты — дезоксирибонуклеиновой (ДНК), содержание которой должно удвоиться, иначе не может происходить деление. ДНК характеризуется высоким уровнем восстановленности: в состав ее нуклеотидов входит дезоксирибоза — пентоза, отличающаяся от рибозы при равном числе водородных атомов меньшим числом кислородных. Кроме того, в отличие от РНК, ДНК имеет в своем составе тимин (вместо урацила в РНК), который отличается от урацила большим числом метальных групп. Высокий уровень восстановленности говорит о необходимости больших затрат энергии на синтез ДНК. Кроме того, самый характер биосинтеза ДНК требует предварительного аккумулирования значительных количеств энергии макроэргических связей, которые могли бы обеспечить этот синтез своевременно и быстро. Действительно, имеющийся фактический материал, характеризующий условия, влияющие на деление клеток, показывает, что для интенсивного деления их необходима высокая активность процессов, способных обеспечить запасание энергии макроэргов. У растений все условия, способствующие фотосинтетическому или дыхательному фосфорилированию, благоприятствуют интенсивному делению клеток, высокой активности меристем. Наоборот, все факторы, угнетающие энергетические процессы: недостаток света, недостаток фосфора при избытке азота, воздействие специфическими ингибиторами дыхательных ферментов, или ингибиторами фосфорилирования, высокими концентрациями ауксинов, угнетающими фосфорилирование, и т. д., приводят к торможению деления клеток, уменьшая синтез ДНК. Следствием подобных условий является обычно увеличение отношения РНК/ДНК при снижении общего содержания нуклеиновых кислот (Туркова и др., 1960 и др.).
Интересны данные по изучению относительной активности пентозофосфатного распада глюкозы в тканях разного возраста.
Джиббс и Биверс провели определение величины С6/С1 дыхания растительных тканей разного возраста (1955). Интересно, что только кончики корней давали близкие к единице величины С6/С1, а по мере удаления от них наблюдалось все большее уменьшение этой величины, т. е. у более старых частей корня анаэробная фаза дыхания менее выражена и начинает преобладать путь прямого окисления. Это подтверждает представления о сильно выраженном гликолизе в активных меристемах растений, в частности в кончиках корней.
Джиббс и Биверс в стеблях и листьях различных растений также обнаружили, что по мере старения тканей возрастает доля участия в дыхании «апотомического» распада глюкозы. В этой работе для листьев и стеблей были получены менее высокие цифры изучаемого отношения, чем для корней. Во всех случаях наблюдается одна и та же закономерность: усиление прямого окисления глюкозы при старении.
Вместе с изменениями в дыхательном газообмене, сопровождающими рост клеток, и в характере путей распада глюкозы обнаружены изменения и в ферментных системах, участвующих в дыхании. Исследованиями В. Кемпвера (1936), Д. Р. Годдарда (1944) и др. было установлено наличие цитохромной системы в эмбриональных тканях растений: зародышах семян и др.
П. В. Марш и Годдард ,( 1939) обнаружили, что листья разного возраста обладают качественно различными дыхательными системами. Анализируя листья моркови, они наблюдали, что наружные листья розетки мало чувствительны к действию цианидов, азида натра и окиси углерода, средняя часть — уже более чувствительна, а дыхание самых молодых, внутренних, листьев розетки, еще не прекративших рост, почти полностью подавляется этими ингибиторами. Отсюда был сделан вывод, что при старении листьев увеличивается роль дыхательных ферментов, не содержащих тяжелых металлов. В то время считалось, что флавиновые ферменты не содержат металлов и что поэтому они не ингибируются ядами металлосодержащих оксидаз.
Михлин и П. А. Колесников (1947) провели обстоятельные исследования изменения в дыхательных системах зародыша за период до 6-недельного возраста у нескольких растении из разных семейств: ячменя, табака, свеклы, цикория. Основными методами изучения окислительных систем служили: 1) применение специфических субстратов, 2) использование специфических ингибиторов и 3) спектроскопические исследования.
Цитохромную систему Михлив и Колесников обнаружили в изолированных зародышах, в проростках и корешках ячменя, в листьях табака (сорт Дюбек). В незеленых частях ячменя цитохром с нашли спектроскопически. В суспензии из 10-дневных проростков ячменя удалось обнаружить лишь следы цитохрома. О присутствии в зародышах и проростках ячменя цитохромоксидазы можно было судить по поглощению кислорода суспензией после прибавления к ней цитохрома с и гидрохинона . Предварительные опыты с изолированными препаратами показали, что для цитохромоксидазы преимущественным субстратом из полифенолов является гидрохинон, а для полифенолоксидазы — пирокатехин.
Результат опыта показал: влияние добавления цитохрома падает с возрастом ткани: у зародышей оно таково, что увеличение поглощения кислорода возрастает в несколько раз, у проростков оно значительно меньше и заметно падает с каждым днем. Спектроскопические исследования подтвердили результаты опытов с добавлением цитохрома и гидрохинона; это дало право Михлину (1947, 1956) считать, что после 5—6 дней роста ячменя цитохромная система заменяется какой-то другой. В надземных частях ячменя Михлину не удалось обнаружить наличие полифенолоксидазы; прибавление пирокатехина оказывало только тормозящее действие на дыхание. В листьях же цикория и свеклы была установлена высокая активность полифенолоксидазы.
После отравления цианидом у зародышей и корней ячменя в опытах Михлина и Колесникова наблюдалось значительное «остаточное» дыхание, величина которого оказалась гораздо большей у нерастертых листьев 20-дневного возраста. Таким образом, при развитии ячменя цитохромная система в его тканях постепенно заменяется другой, мало чувствительной к цианидам и, как оказалось в других опытах, совсем не угнетаемой окисью углерода. Инфильтрованные в листья ячменя аминокислоты, в-оксимасляная кислота, глицериновый альдегид и гипоксантин окисляются даже в присутствии цианидов. Все это позволило авторам считать, что дыхание листьев ячменя осуществляется при активном участии флавиновых ферментов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Рубин Б.И. и Ладыгина М.Е. Физиология и биохимия дыхания.-М.: Наука, 1974г.
2. Туркова Н.С. Дыхание растений. М. Изд-во Моск. ун-та, 1963г.
3. Куперман И.А., Хитрово Е.В. Дыхательный газообмен как элемент продукционного процесса растений. - Новосибирск: Наука, 1977г.
4. Полевой В.В. Физиология растений. 1989г.