Почему у деревьев разные листья
Большой лист неудобен для растений по двум причинам – с ним можно быстро засохнуть летом и с ним легко замерзнуть зимой.
Eutaxia microphylla – размер ее листьев в среднем составляет 1 квадратный миллиметр. (Фото: Albert Chetcuti / Flickr.com.)
Размер листьев у разных видов растений может отличаться в тысячу раз, например, у австралийской эутаксии Eutaxia microphylla или у вереска обыкновенного площадь листа составляет в среднем 1 мм 2 , а у абака́, или банана текстильного – 1 м 2 . Очевидно, такая разница возникает из-за того, что разные растения растут в разных условиях, и легко заметить, что самые маленькие листья – у тех, кто живёт пустынях и полупустынях, а самые большие – у тропических видов. Но какие именно факторы более всего влияют на размер листа?
Мы знаем, что лист растения в буквальном смысле впитывает в себя углекислый газ, из которого в ходе фотосинтеза получается глюкоза. Углекислый газ поступает в лист через особые отверстия на его поверхности, так называемые устьица. Через эти же отверстия лист выделяет воду. Испарение воды листом называется транспирация, и благодаря транспирации поддерживается то движение жидкости по сосудистой системе растения от корней до верхушки. Но в жаркую погоду из листа вылетает слишком много воды, так что он может завянуть и засохнуть. Можно было бы закрыть устьица, но как тогда получать необходимый для фотосинтеза углекислый газ?
Мы уже как-то писали о том, как растения решают проблему влажности и температуры, используя разные типы фотосинтеза. Другой вариант решения – анатомический: попытаться оптимизировать размер листа. Ещё больше ста лет назад экологи пришли к выводу, что тропические растения обзавелись большими листьями как раз потому, что там, где они растут, часто и обильно идут дожди, знаменитые тропические ливни. Действительно, если условия позволяют, то почему бы не увеличить лист, насколько это возможно?
В 60–70-е годы прошлого века на проблему попытались взглянуть иначе, приняв во внимание, что многим растениям, которые обитают в жарких и сухих географических зонах, часто грозит перегрев, особенно летом. Спасаясь от перегрева, растение усиливает транспирацию (можно сказать, усиленно «потеет»), но, если у тебя большие листья, возникает опасность потерять слишком много воды на охлаждении. Выход – уменьшить площадь листа. Такое объяснение подходит для пустынных растений; кроме того, так становится понятнее, почему большие листья у тех, кто растёт в тени и прохладе – например, в подлеске, под сенью крон более высоких деревьев.
Однако многие могли заметить, что эти объяснения местами сильно хромают. Например, тропики у нас не только влажные, но и жаркие – получается, что в некоторых случаях в жару можно выживать и с большими листьями. Кроме того, перегрев, особенно в летние дни, грозит растениям во многих других регионах, в целом намного более прохладных, чем пустыни и полупустыни. Между тем листья у растений в более прохладных регионах намного крупнее, чем у пустынных видов.
Исследователи из австралийского Университета Маккуори вместе с коллегами из Великобритании, Эстонии, Китая, Испании, США, Аргентины и Канады обнаружили новые закономерности, связывающие размер листа с экологическими условиями, в которых живёт растение.
Авторы работы сравнивали между собой более 7600 видов растений со всех континентов и всех климатических зон. В статье в Science они пишут, что размер листа обуславливают несколько факторов сразу: температура дневная, температура ночная, количество дождей и количество солнечного излучения, долетающего до растений (количество излучения зависит от расстояния от экватора и средней облачности).
В итоге получается, что там, где солнечно, жарко и сухо, будут расти растения с небольшими листьями, потому что в таких областях для растений главное – не перегреться и не потерять много воды. Там, где солнечно, жарко и влажно, листья будут большими: здесь растения могут тратить сколько угодно воды на охлаждение.
А вот там, где очень холодно, листья снова окажутся маленькими. Оказалось, что в холодных краях главным ограничителем служит не дневная температура самого жаркого месяца, а ночная температура самого холодного – иными словами, растения больше боятся не перегреться, а замерзнуть.
Дело в том, что каждый лист удерживает у поверхности слой неподвижного воздуха, который служит теплоизолятором. У больших листьев этот слой толще, поэтому, с одной стороны, им сложнее отдавать тепло, с другой стороны, остыв, им труднее согреться. И если ночи становятся особенно холодными и длинными, то именно ночная температура становится главным фактором, определяющим наибольший размер листа.
Правда, в тех же тропиках далеко не все растения пользуются возможностью отращивать огромные листья. Однако тут стоит помнить, что дневные и ночные температуры вкупе с дождями, так сказать, ограничивают спектр возможностей. Это стоит понимать так, что во влажных тропиках растения могут не обращать внимания на жару, поскольку здесь им не грозит засохнуть.
И тут уже могут сработать иные, структурно-физиологические факторы, когда дерево или куст будут «решать», что им выгоднее – иметь много мелких листьев, или же пусть листьев будет немного, но они будут большие.
Сами авторы работы признают, что в своем анализе не учитывали влияние почв, а ведь взаимовлияние климата и почвы тоже может влиять на размер листа. Но, как бы то ни было, уже те результаты, которые удалось получить, могут быть очень полезны как в сугубо научном, так и в практическом смысле. Например, по размеру листьев вымерших растений можно точнее определить, какой климат царил на Земле в ту или иную эпоху.
Если же мы хотим пересадить какой-то вид на новую для него территорию, то, сопоставив его листья с климатом на новом месте, можно заранее понять, хорошо ли будет этот вид себя чувствовать и, если речь идет о сельскохозяйственной культуре, будет ли она тут достаточно продуктивна.
Автор: Кирилл Стасевич
Источник
От чего зависит размер листьев растений
Огромное разнообразие листьев в царстве растений всегда было источником удивления и восхищения. Листья банана, например, почти в миллион раз больше листьев вереска. Общепринятое мнение на счет того, почему листья разные, сводится к тому, что размер листьев ограничен балансом между объемом воды, доступной для растения, и риском перегрева. Однако новое исследование более семи тысяч видов растений по всему миру предполагает, что ответ может быть сложнее.
«Лист банана может быть таким большим, потому что бананы растут в местах, где очень жарко и очень сыро», — говорит Иэн Райт из Сиднейского университета (Австралия). «Наша работа показывает, что в почве есть достаточно воды и нет никакого ограничения на то, насколько крупными могут быть листья».
«Другая частичка пазла касается тенденции более крупных листьев замерзать ночью», — объяснил Райт. «И если сложить два ингредиента вместе — риск замерзания и риск перегрева, можно понять модель выбора размеров листьев».
На планете существуют сотни тысяч видов растений, от крошечных высокогорных растений до огромных пальм в джунглях. Их листья варьируются в диапазоне от менее 1 кв.мм до более чем 1 кв.м.
Растения с крупными листьями преобладают в тропических джунглях, и это было отмечено уже в XIX веке. Тем временем растения с маленькими листьями процветают в сухих пустынях и на высоких широтах.
Несколько десятилетий назад ученые поняли, что разнообразие размеров листьев было связано с водой и температурой. Они предположили, что ограничение на размер листьев было установлено риском перегрева. Когда осадки обильны, растения могут легко вырастить крупные листья.
«Мы придумали новую основу, чтобы создать модель, по которой листья изменяют размер относительно температуры», — сказал Райт.
«Что мы смогли показать — то, что половина ограничений размера листьев объясняется риском ночных заморозков, а не опасностью перегрева днем».
Фотосинтез — основной процесс у растений, в ходе которого солнечный свет реагирует с углекислым газом с водой, чтобы произвести глюкозу и кислород. Температура, концентрация углекислого газа и интенсивность света — факторы, которые могут ограничить скорость фотосинтеза.
«Имея более глубокие знания о фотосинтезе — и роли размера листьев в этом, — мы сможем лучше предсказывать изменения разных типов растений в связи с климатическими метаморфозами. Также можно будет прогнозировать, будут ли отдельные виды жизнеспособными при новых типах климата в будущем», — говорит Райт.
Источник
От чего зависит размер листьев растений
Размер листьев деревьев зависит от простой формулы: они вырастают настолько крупными, насколько позволяет доступная вода, но не такими большими, чтобы целое растение перегрелось.
Итак, вода нужна для роста. А солнце? Листья собирают его лучи и путем фотосинтеза превращают их в пищу. Но если прямого солнечного света очень много, фотосинтетический двигатель начинает вращаться слишком быстро и рискует перегореть.
Итак, когда речь заходит о размере листьев, растения следуют простому алгоритму: вода для роста, солнечный свет для пищи. Где-то посередине — удачный баланс, при котором лист вырастает нужного размера при его уникальном наборе условий окружающей среды.
Изучив 7 тысяч растений по всему миру, австралийский ученые нашли новую переменную в математике природы. Не только риск перегрева контролирует рост листьев, но также и ночной холод. «Вы складываете два этих ингредиента вместе — риск замерзания и риск перегрева, — и это помогает получить модель размеров листьев по всему миру», — говорит Иэн Райт из Университета Маккуори в Сиднее (Австралия).
На самом деле растения намного больше боятся простудиться, чем получить слишком много солнечных лучей. А так как условия сильно различаются, также различается и размер листьев.
А вот в ответе на другой вопрос ученые уверены намного меньше — почему листья выглядят так, как они выглядят, а не иначе? Почему листва ели отличается, скажем, от папоротника? Конечно, природа придумала весь этот калейдоскоп красок и узоров не просто для того, чтобы приводить людей в восхищение. Выяснилось, что ни солнце, ни холодный ночной воздух не указывают растениям, как «одеваться». Это, скорее, «семейное дело», прекрасно отлаженное и передающееся генетически. Форма листьев дерева — реакция на его долговременную экологическую и эволюционную историю.
Исследование 2003 года ученых Университета Маккуори предполагает, что форма листа также имеет функциональное значение. Правильный лист должен идеально подходить для среды, окружающей растение. А для растения это — дело жизни и смерти.
Углы листьев, например, играют роль в том, как улавливается солнечный свет. Острые углы снижают объем света, который может удержать лист. Остроугольные листья могут отбрасывать тени сами на себя. Круглые листья, напротив, имеют «более высокую способность к захвату света и углерода». Есть несколько базовых правил по «дизайну» листьев. Лист должен быть достаточно открытым, чтобы уловить солнечный свет для процесса фотосинтеза. Также лист должен иметь такую форму, чтобы устьица — поры — могли впитывать достаточно углекислого газа, который будет питать процесс. И здесь размер играет ключевую роль. Подобно солнечным панелям, большие листья потребляют столько солнечного света, сколько могут. Маленькие листья остерегаются слишком большого объема солнечного света и стараются держаться как можно ближе друг к другу в холод.
Каждый вид старается сделать лист таким, чтобы он идеально подходил к окружающей его среде. Иначе растение ждет конец.
Исследование Департамента агрономии штата Айова использует фикус Бенджамина в качестве примера. Садоводы, которые продают декоративные растения часто получауют жалобы: «Я купил фикус Бенджамина, принес домой, и все его листья опали, до единого!» Их ответ прост: «Просто заботьтесь о нем. Листья вырастут снова». И листья действительно возвращались — только были другого размера, формы и плотности, чем прежде. Дело в том, что эти растения растят листья, которые идеально подходят к определенной ситуации, даже если эта ситуация — переезд из гостиной в спальную.
Для выживания растение не может позволить себе быть неидеальным. Красота — всего лишь побочный продукт функционального совершенства.
Источник