Опыление по законам аэродинамики

По мнению большинства ученых, ветроопыление – самый древний способ опыления. Растения выбрасывают в воздух тучи пыльцевых зерен, а воздушные потоки переносят пыльцу на другие растения того же вида. Однако достичь развивающейся яйцеклетки, оплодотворить ее и вызвать развитие семян часто способно лишь одно из тысячи пыльцевых зерен, большая же их часть осядет на совершенно посторонних предметах.

Да, ветроопыление более расточительно по сравнению с другими видами опыления, но, видимо, не менее эффективно, ведь тысячи видов растений сохранили его в ходе эволюции, а многие даже приобрели его относительно недавно.

Ветроопыление характерно для многих голосеменных растений, в том числе хвойных и значительной части цветковых растений, появившихся на нашей планете через 200 млн лет после голосеменных. Так, почти все представители злаковых, одного из самых обширных эволюционно продвинутых семейств цветковых растений, опыляются ветром.

В настоящее время получены убедительные доказательства того, что захват пыльцы часто происходит далеко не случайным образом. Многие растения «сконструированы» так, чтобы захватывать большое количество пыльцевых зерен из воздуха.

Прекрасным примером этого может служить сосна. Мужские репродуктивные органы у нее представлены мелкими шишками, которые растут обычно группами. Когда шишка заканчивает свое развитие, пыльцевые мешки (микроспорангии), несущие пыльцевые зерна, лопаются, и все их содержимое выбрасывается в воздух. Женские шишки в противоположность мужским довольно велики и растут обычно поодиночке. Женская шишка состоит из ряда чешуек, имеющих в основании крошечные листочки, называемые брактами. На верхней поверхности каждой из чешуек находится по две семяпочки. Как только шишка становится способной к оплодотворению, комплексы чешуя–бракты легко отделяются друг от друга, обеспечивая доступ приносимой ветром пыльцы к отверстию семяпочки (микропиле).

Семяпочки в женской шишке расположены вблизи оси (стеблеподобного стержня шишки), и к этой оси обращены микропиле семяпочек. На первый взгляд такая конструкция кажется неудачной, т.к. мешает контакту пыльцы и микропиле. Но на самом деле чешуи и бракты так изменяют направление воздушного потока, что пыльцевые зерна направляются именно в сторону семяпочек.

Это удалось установить, поместив искусственную шишку (большего размера по сравнению с настоящей) в аэродинамическую трубу. Струю воздуха в трубе насыщали маленькими шариками с гелием, которые помогали точно отслеживать путь воздушного потока. Траектории шариков изучали с помощью фотостробоскопии, освещая исследуемую область вспышками света через определенные промежутки времени, а затем вычисляли скорость и направление ветра в различных «ячейках» окружающего шишку пространства. Шишка возмущала линейный поток воздуха, отклоняя его по трем основным направлениям (рис. 1).

Рис. 1. Воздушный поток вокруг готовой к опылению женской шишки сосны:
а – отклоняется внутрь шишки и движется вокруг центрального стебля, овевая верхние (несущие семяпочки) поверхности чешуек; б – завихрения около микропиле; в – поток воздуха на подветренной стороне шишки направляется к чешуйкам

Во-первых, воздух отклонялся внутрь шишки и циркулировал вокруг оси, овевая верхнюю (несущую семяпочки) поверхность комплекса чешуя–бракты. Во-вторых, воздушный поток продувал каждую чешуйку, проникая до основания и создавая хаотические завихрения около микропиле. В-третьих, сама шишка со своими многочисленны-ми выступами способствовала созданию интенсивных завихрений на подветренной стороне. В результате воздух засасывался в эту область, а затем двигался в обратном направлении, овевая чешуйки, расположенные с подветренной стороны.

То же происходило и в настоящих шишках.

Но каким образом происходит «захват» именно своей пыльцы?

Оказывается, для каждого вида растений характерна определенная форма шишки, которая и обусловливает характерную структуру воздушного потока. Эта структура зависит от диаметра и длины шишки, числа прикрепленных к центральной оси чешуек, их размеров, угла наклона чешуек к оси и скорости ветра. Кроме того, и пыльца каждого типа имеет определенный размер, форму и вес: пыльцевые зерна одного вида растений могут оказаться слишком тяжелыми для того, чтобы точно следовать за воздушным потоком, порожденным шишками другого вида, и выпасть из воздушного потока на подветренной стороне, прежде чем поток донесет их до чешуек.

Соответственно, разные типы шишек порождают свои особые воздушные потоки, лучше всего приспособленные для переноса пыльцы данного вида растений, что позволяет отбирать из воздуха свою «собственную» пыльцу, а не пыльцу какого-либо другого вида, а кроме того, отклонять нежелательные частицы, например споры грибов, которые могут повредить семяпочки.

Рис. 2. Хвоинки вокруг женской шишки сосны действуют подобно забору для задержания снега

Влиять на опыление «с помощью» аэродинамики могут у хвойных и группы хвоинок, окружающие женскую шишку (рис. 2). Их функцию можно сравнить с деревянным забором, который защищает железнодорожный путь от снежных заносов. В промежутках между штакетинами создаются небольшие водовороты, замедляющие скорость ветра и переносимых им хлопьев снега. В результате снег падает на землю, образуя сугробы с подветренной стороны забора, и не засыпает железнодорожный путь. Так же и листья вокруг шишки снижают скорость воздуха и, соответственно, пыльцевых зерен, которые затем засасываются в завихрения, образующиеся над чешуйками и вокруг них. Поскольку листья окружают шишку симметрично, они могут задерживать частицы, приносимые ветром с любой стороны. Захвату пыльцы у сосновых деревьев способствует и развитие семязачаточных органов на концах ветвей. Когда дует ветер, ветви начинают совершать волнообразные, почти круговые, движения, давая возможность шишкам забирать пыльцевые зерна с разных уровней воздушного потока.

Репродуктивные органы злаков также способны создавать завихрения. У некоторых злаков соцветия (типа метелки) развиваются на верхушках гибких стеблей и состоят из огромного числа цветков, расположенных вокруг центральной оси (рис. 3, а). Движение воздуха вокруг этих «плотных» соцветий напоминает движение воздуха вокруг женских шишек сосны. Поверхности цветков отклоняют пыльцу в области между цветками, а соцветие в целом создает воздушный поток, засасывающий пыльцевые зерна с подветренной стороны. Когда стебель колышется на слабом ветру, находящиеся на его верхушке цветки «погружаются» в этот воздушный поток и получают дополнительную возможность извлечь пыльцу из воздуха.

Рис. 3. Соцветия: а – проса (Setaria geniculata), б – злака Agrostis hiemalis

У других злаков соцветия «рыхлые» – от одного, главного, стебелька отходят более мелкие с одним или несколькими цветками на верхушках (рис. 3, б). Такие соцветия создают более слабую турбулентность, но зато, качаясь на ветру, «заметают» большую площадь. Когда главный стебель совершает гармонические колебания, более мелкие стебли следуют за ним по той же траектории, а также колышутся независимо; в результате возникает сложное движение, позволяющее цветкам захватывать из воздуха довольно много пыльцы для перекрестного опыления.

Интересно, что наиболее эффективной системой ветроопыления обладают растения, не имеющие дополнительных механизмов воспроизведения. У них пыльцевые зерна по своим аэродинамическим свойствам наилучшим образом соответствуют женским шишкам или соцветиям. Эта способность забирать пыльцу из воздуха может играть существенную роль в эволюции ветроопыляемых растений.

Такую точку зрения подтверждают результаты, полученные при изучении семяпочек ископаемых растений, первые из которых появились около 350 млн лет назад (рис. 4). Среди всех форм семяпочек, известных в истории развития семенных растений, именно те семяпочки, форма которых была лучше всего приспособлена к захвату пыльцы из воздуха, наиболее близки к семяпочкам современных растений. Природа, по-видимому, просто отбрасывает наименее эффективные структуры.

Рис. 4. Семяпочки ископаемых растений: а–г –самые древние виды семяпочек (возраст 300 млн лет) с внутренней, едва видимой, яйцевой камерой, окруженной кольцом выступов; д–е – более поздние семяпочки со сливающимися и укорачивающимися группами выступов

Одна такая неэффективная семяпочка (или, точнее, предшественница семяпочки) состояла из короткой центральной яйцевой камеры, окруженной кольцом ветвеобразных выступов; пыльцевые зерна достигали яйцеклетки, падая в отверстие на верхушке камеры. В аэродинамической трубе эти выступы действовали подобно задерживающим снег решеткам, замедляющим скорость воздушного потока, но при этом создавали слишком слабую турбулентность над отверстием. Поэтому большое число пыльцевых зерен падало на внешнюю сторону центральной камеры, не достигнув отверстия. В противоположность ей яйцевые камеры ныне живущих семенных растений прикрыты не отдельными структурами, а сплошным слоем ткани – интегументом, который прерывается только в одном месте – у микропиле. У многих растений с открытыми семяпочками струи воздуха, столкнувшись с интегументом, направляются к микропиле и попадают в небольшой вихрь над ним. Такой тип турбулентности обеспечивает создание резервуара для пыльцевых зерен, значительная часть которых попадает в семяпочку.

Согласно имеющимся в настоящее время данным, можно считать, что интегумент – это результат редукции и слияния выступов, прикрывавших семяпочки древних растений; а на изменения структуры влияет необходимость в совершенствовании способа захвата пыльцы. Видимо, в процессе эволюции благополучно прошли отбор те растения, которые имели семяпочки наиболее обтекаемой формы, обеспечивающие эффективное опыление и высокий урожай семян.

Независимо от того, какие факторы действовали в ходе эволюции ветроопыляемых растений, ясно, что опыление у большинства из них определяется далеко не случайными событиями. Некоторые растения, например, выделяют липкие капли или используют для захвата пыльцы щупальцеподобные выросты. Большинство ветроопыляемых растений, кроме того, растут группами, благодаря чему сокращается расстояние, которое должны преодолеть пыльцевые зерна. Теперь мы знаем, что некоторые виды растений «выработали» еще одну уловку: управлять локальными воздушными потоками, используя для воспроизведения силу ветра.

По материалам журнала «В мире науки»