Proč jsou kaktusy v poušti?

Co víme o kaktusech? Že mají trny, že mají silné stonky a že rostou na pouštích. Ostny, tloušťka a stanoviště jsou vzájemně propojeny. Je zřejmé, že rostlina, která žije v suchém a horkém klimatu, se musí naučit kompenzovat nedostatek vody a jedním z řešení je jednoduše ji uložit dovnitř, proto je potřeba tlustá, šťavnatá stonka.

Foto Natalia Domrina.
Průduchy se otevírají a zavírají, aby regulovaly odpařování vlhkosti a dýchání rostlin.

Fáze fotosyntézy CAM se vyskytují v různých denních dobách. V noci se CO dostává do rostlin otevřenými průduchy.₂, který se váže na organické kyseliny vzniklé při štěpení sacharidů. Kyselina obsahuje CO₂ se až do rána hromadí ve speciální vakuole a s příchodem slunečního světla opouští kyselinu a jde do chloroplastu, kde z ní enzymy fotosyntetického Calvinova cyklu syntetizují sacharidy.

Sbírka kaktusů v Národní botanické zahradě. N. N. Grishko (Kyjev, Ukrajina). Foto Vitaly Pirozhkov.

Foto Natalia Domrina.

Ale v horku se ztrácí hodně vody a celá zásoba vlhkosti může jednoduše vyschnout. Obecně je transpirace (tzv. odpařování vody rostlinou) nesmírně důležitý proces. Listy, které odpařují vlhkost, hrají roli čerpadla: vytvářejí sací sílu, která nutí vodu s rozpuštěnými látkami stoupat kořeny a cévami. Pokud však rostlina musí žít v podmínkách neustálého tepla a sucha, je lepší odpařování nějak zpomalit. Chcete-li to provést, můžete se zbavit listů, čímž se sníží odpařovací povrch. Kaktusy to udělaly: jejich listy se změnily na ostny a stonek převzal fotosyntetickou funkci listů. Můžete vylepšit svou vlastní „kůži“: opatřete buňkám vnější vrstvy (epidermis) chloupky a silnou voskovou kutikulu. Voda se obtížněji dostává ven voskovou vrstvou a chloupky oslabují proudění vzduchu přímo u povrchu stonku, což také snižuje ztrátu vlhkosti. Kaktusy ale mají ještě jeden chytrý trik, který souvisí s jejich způsobem fotosyntézy a který jim také umožňuje šetřit vodou, navzdory neustálému horku a suchu kolem nich.

Fotosyntéza je proces výroby organických látek z oxidu uhličitého a vody pomocí energie slunečního světla. Nejprve se energie světelného fotonu za pomoci složitých světlosběrných molekul a molekulárních komplexů, mezi které patří chlorofyl, ukládá do speciálních chemických sloučenin (právě v této fázi je potřeba voda, ze které se získává kyslík jako vedlejší produkt), a pak s jeho pomocí buňka syntetizuje organické látky.látky. Fotosyntéza má docela zajímavé odrůdy: například některé bakterie jsou schopny provádět anoxygenní fotosyntézu, při které se nevytváří kyslík. „Obyčejná“ kyslíková fotosyntéza je charakteristická pro rostliny, řasy a sinice.

Rostlinná buňka tedy potřebuje světlo, vodu a oxid uhličitý, aby vytvořila molekulu glukózy. Voda přichází z podzemí kořeny a soustavou nádob, oxid uhličitý pochází ze vzduchu. Ale rostlina nemá ani ústa, ani plíce, aby mohla CO vdechovat₂. K výměně plynů s okolím dochází prostřednictvím průduchů – speciálních pórů na povrchu listů a stonků, obklopených ochrannými buňkami.

Průduchy poměrně výrazně přispívají k odpařování vody a v horkém počasí by měly být neustále zavřené. Ale jak potom získat oxid uhličitý pro fotosyntézu? Navíc to není jediný problém spojený s fotosyntézou v horkém klimatu. Hlavní fotosyntetický enzym zvaný „ribulózabisfosfátkarboxyláza“ (neboli RuBisCO), jehož úkolem je přidávat uhlík z oxidu uhličitého do rostoucí molekuly cukru, při vysokých teplotách začíná působit v opačném směru, tedy rozkládat polosyntetické cukr. V tomto případě se buňka musí vrátit a zopakovat již vykonanou práci, přirozeně se zbytečným plýtváním energie. Proto účinnost fotosyntézy velmi klesá s rostoucí teplotou. Tomu se lze vyhnout zvýšením koncentrace CO v listu.₂ – pak bude enzym s přebytkem oxidu uhličitého syntetizovat sacharidy. Ale jak to udělat?

Kaktusy to dělají: v noci otevírají průduchy a absorbují oxid uhličitý, ale nevyužívají ho k výrobě glukózy – chybí světlo. CO₂ uloženy v rezervě ve speciálních membránových vezikulách-vakuolách uvnitř buňky. Není zde uložen ve své čisté formě, ale připojen k intermediární molekule, která pak vydrží několik dalších transformací. Výsledkem je kyselina jablečná. Ale pak přijde den a kyselina jablečná je odeslána z vakuoly do cytoplazmy, kde se z ní odštěpí CO₂, – nyní může vstoupit do cyklu fotosyntetických reakcí poháněných světlem. Rostlina již nemusí otevírat průduchy, protože může využít přes noc uložený oxid uhličitý, což znamená velkou úsporu na odpařování vody. Navíc poměr CO₂ a O₂ kvůli rezervám je posunut ve prospěch prvního, takže fotosyntetické enzymy budou pracovat na připojení atomů uhlíku k rostoucí molekule cukru, než aby je rozložily kyslíkem.

Tento typ fotosyntézy, kdy fixace CO₂ a jeho použití ve fotosyntetických reakcích jsou časově odděleny, nazývané CAM fotosyntéza. CAM je zkratka pro Crassulaceae metabolismus kyselin: zde kyselina je kyselina, na kterou se přeměňuje uložený oxid uhličitý, a Crassulaceae, nebo Crassulaceae, je název čeledi rostlin, ve kterých byla tato metabolická cesta poprvé objevena. Crassulas a kaktusy ale nejsou jediní, kdo ji využívají. Fotosyntéza CAM byla nalezena u ananasu a dalších zástupců bromélií, u některých dýní, pepřů, pelargonie a řady dalších čeledí, celkem asi u 9000 druhů. Obvykle se jedná o rostliny, které musí žít v horkém a suchém klimatu. Ale nejen: CAM fotosyntézu využívají i druhy žijící ve vodě, například hroty šípů, hroty šípů a některé další. Není zde žádný rozpor: vodní rostliny musí řešit stejný problém jako ty, které jsou nuceny snášet teplo. I když ve vodě může být poměrně hodně rozpuštěného CO₂, difunduje v něm mnohem pomaleji než ve vzduchu, takže vedle rostliny, která aktivně absorbuje oxid uhličitý, bude chronicky chybět. Řešením je sbírat CO₂ nejen ve dne, ale i v noci, a protože v noci nemůže probíhat fotosyntéza, je třeba zachycený oxid uhličitý skladovat. A fotosyntéza typu CAM nám umožňuje vytvářet zásoby „oxidu uhličitého“.

Nakonec se vraťme k rostlinám odolným vůči teplu. Mechanismus CAM umožňuje maximální úsporu vody, ale při měření množstvím hotového produktu a energie na něj vynaložené je méně účinný než jiné typy fotosyntézy. Některé druhy CAM jej tedy používají pouze podle potřeby. Ale kromě toho existuje ještě jeden typ fotosyntézy, který umožňuje udržet velkou část průduchů během dne uzavřenou. V tomto případě dochází k fotosyntetickým reakcím v hlubokých buňkách listu obklopujících žíly-cévy. Buňky ležící blíže k povrchu zaprvé pomocí světelné energie produkují palivo pro syntézu uhlohydrátů a zadruhé zachycují oxid uhličitý a připojují jej ke zprostředkující molekule. Výsledné molekuly kyseliny a energie jsou okamžitě poslány hluboko do listu, kde CO₂ se odděluje od nosné kyseliny a vstupuje do syntetického cyklu. Tato cesta se nazývá C₄-fotosyntéza, a jak vidíme, je podobná CAM, jen zde fixace oxidu uhličitého a jeho využití v syntéze nejsou odděleny v čase, mezi nocí a dnem, ale v prostoru, mezi různými buňkami.

Význam C₄-fotosyntéza slouží k transportu CO₂ do vnitřních pletiv listu, kde je koncentrace kyslíku nízká. Pamatujeme si, že s rostoucí teplotou začíná enzym RuBisCO stále více pracovat v opačném směru, tedy rozkládat meziprodukty fotosyntézy pomocí kyslíku. Pokud je ale kyslíku málo, enzym bude pracovat správným syntetickým směrem. Na druhou stranu₄-cesta umožňuje snížit odpařování vody průduchy: v nejteplejší denní době může rostlina využít nahromaděný oxid uhličitý, jehož zásoby vznikly díky prostorovému oddělení různých reakčních bloků; Samotné průduchy lze dočasně uzavřít. Úspora vody zde není tak velká jako u metody CAM, ale produktivita fotosyntézy je vyšší, takže není divu, že C₄-Schéma používá asi 7600 XNUMX druhů rostlin, včetně mnoha zrn, včetně kukuřice, čiroku, prosa a cukrové třtiny.

Když slyšíme slovo „poušť“, jistě si představíme něco jako Saharu – nekonečné horké písečné duny, šířící se ve vlnách až k samotnému horizontu, vzácné kaktusy a naprostá absence jiného života.

Ale ne všechny pouště jsou takové – například skalnaté pouště Ameriky, které jsou jedním z hlavních stanovišť pro obrovské množství druhů kaktusů. V takových pouštích obsahuje půda mnoho látek nezbytných pro rostliny. Rostou zde jak kaktusy, tak mnoho dalších druhů vegetace. Ale dnes bude příběh o kaktusech, o dobyvatelích pouští, hor a mnoha dalších typů extrémních krajin.

Vodu, kterou kaktusy tolik potřebují, lze získat z dešťů, které se v poušti vyskytují jen zřídka. Deště jsou zde velmi vzácné a kaktusy potřebují ekonomicky existovat několik měsíců, někdy i let, aby čekaly na kýženou vlhkost.

Celou tu dobu ale nezahálí. Pomáhá jim vydatná ranní rosa, která kondenzací stéká rýhami kaktusů ke kořenům, a také noční mlhy, které kaktusy dobře „rozprašují“. Zde dieta pouštních kaktusů s kamenitou půdou končí, zbývá jen čekat, až další déšť naplní jejich masité stonky vodou.

Kořeny kaktusů mají vzhled ředkviček, jsou zahuštěné, aby ukládaly více vody, a zároveň se větví u hladiny. Jsou obrovské – kořeny jednoho kaktusu mohou zabírat až 3-5 m² kolem rostliny. Na sběru rosy se podílejí i kořeny, které svým povrchovým umístěním přijímají vlhkost z vlhké noční půdy.

Stonek pouštního kaktusu má charakteristický tvar – kulatý, s velkým počtem mezilehlých žeber. Tvar koule, jak známo, má nejmenší plochu, čímž je dosaženo minimálního odpařování vlhkosti z povrchu kaktusu. Kaktus potřebuje žebra, aby v období deště mohl absorbovat hodně vody, bobtnat a žebra mu pomohla neprasknout a neprasknout.

Každý kaktus má svůj vlastní způsob ochrany před horkým pouštním sluncem – některé druhy jsou pokryty silnou kůží, která spolehlivě chrání před spalujícím pouštním sluncem, u jiných stonky cíleně rostou nahoru a do šířky, aby vytvořily stín pro hlavní stonek. kaktus, u jiných je stonek pokrytý mnoha hustě rostoucími ostny nebo chlupy, což kaktusu dodává legrační nadýchaný vzhled. Všechny tyto kaktusy mají ale jedno společné – jsou mistry přežití v poušti.

Ale bez ohledu na to, jak moc kaktusy potřebují životodárnou vláhu, pro mnoho pouštních druhů je přebytek vláhy smrtelný.

Kaktusy přizpůsobené životu v poušti potřebují hodně světla, jsou náročné na půdu – ta musí být extrémně chudá. Také se bojí velkého množství vody – a umírají, když jsou přemokřiny, zvláště v chladném počasí. Nejnebezpečnější pro pouštní kaktusy je stojatá voda v půdě, která je nebezpečná i během letních veder.

Národní park v USA je Anza-Borrego Desert State Park, druhý největší v USA. Rozkládá se na ploše 2400 km². Je to nekonečná drsná poušť, ale když brzy na jaře začnou první deště, kaktusy rozkvetou.

V jarních měsících je v poušti relativně chladno, v průměru +3- stupně a v kombinaci s nízkou vlhkostí je docela dobře tolerována. Kvetení je velmi závislé na deštích, a pokud přišly později než obvykle nebo nebyly příliš bohaté, mnoho kaktusů nemusí kvést vůbec.

Poušť ale není jen písek a duny, je často kamenitá, někdy hornatá, s vysokými teplotními změnami a v různých pouštích rostou různé druhy kaktusů. Druh kaktusů je velmi závislý na své evoluční „původní“ poušti, jejím kořenovém systému a preferencích pro půdu a množství vody potřebné k přežití – to vše se vyvíjelo tisíce let.

Kaktusy rostou v pouštích tisíce let. Jsou ideálně přizpůsobeny náročným klimatickým podmínkám pouští. Kaktusy mohou růst mezi kameny, na skalách, téměř bez půdy nebo písku, bez vody vydrží mnoho měsíců. Kaktusy využívají obrovské množství evolučních technik pro získávání a uchovávání vlhkosti.

Kaktusy jsou skutečně hlavními postavami pouště.

A nakonec nádherné video o úžasných pouštních rostlinách: