Біологія 7 клас - Дидактичні матеріали - К. М. Задорожний 2007

За матеріалами сайта www.elementy.ru Цікава інформація до курсу ботаніки

ЦІКАВА ІНФОРМАЦІЯ ДО КУРСУ БОТАНІКИ

Американці вміли вирощувати перець 6 тисяч років тому

Американські археологи виявили, що одомашнені форми червоного перцю мають більші за розміром крохмальні зерна порівняно з дикоростучими формами. Крохмальні зерна добре зберігаються у викопному стані. Це відкриття дозволило дослідникам установити, що давні американці навчилися вирощувати перець не менш ніж 6 тис. років тому. Як з’ясувалося, гіркий перець має таку ж давню історію, як і кукурудза, і разом з нею становив основу харчування землеробських народів Центральної та Південної Америки.

Червоний перець (він же стручковий, гострий, пекучий, чілі тощо) міцно ввійшов у кулінарну культуру багатьох народів. Без нього важко уявити собі, наприклад, індійську чи корейську кухню. Проте вченим добре відомо, що батьківщина червоного перцю — Центральна й Південна Америка і до подорожей Колумба ні корейці, ні індуси, ні всі інші мешканці Старого Світу навіть не чули про цю чудову рослину.

Хоча сьогодні виведено чимало сортів солодкого, не гострого перцю, споконвічно перець приваблював людей саме своїм підбадьорливим пекучим смаком, що розганяє кров. Пекучості перцю надає алкалоїд капсаїцин, еволюційне призначення якого, ймовірно, полягало у відлякуванні численних любителів поласувати яскравими апетитними плодами. Однак давнім мешканцям тропічної Америки токсичний алкалоїд припав до смаку.

Крохмальні гранули червоного перцю.

А, D, E — сучасні; B, C, F — археологічні зразки;

D — дикоростуча форма (решта — культурні).

Для диких перців характерні дуже дрібні крохмальні зерна. E, F — вид збоку

Люди одомашнили п’ять видів роду Capsicum: C. annuum, C. baccatum, C. chinense, C. frutescens і C. pubescens. Аналіз сучасних ареалів цих форм, даних порівняльної генетики й одиничних археологічних свідчень дозволив ученим припустити, що перший із цих видів був одомашнений у Мексиці, другий — у Болівії, третій — у північній Амазонії, четвертий — у Карібському регіоні, п’ятий — у південних Андах. Однак датувати ці події дотепер не вдавалася, оскільки макроскопічні рештки перцю траплялися археологам надзвичайно рідко, так само, як і його пилок.

Як часто трапляється в сучасній науці, справа зрушилася з мертвої точки тільки завдяки новому методу досліджень. Велика команда археологів з декількох американських країн (США, Канади, Панами, Венесуели) виявила, що в клітинах плодів культурних сортів перцю утворюються набагато більші за розміром крохмальні зерна, ніж у дикоростучих форм. До того ж ці зерна мають характерну форму (вони трохи нагадують червоні кров’яні клітини — еритроцити), за якою їх нескладно відрізнити від будь-яких інших крохмальних зерен. З’ясувалося, що ці зерна непогано зберігаються у викопному стані.

Археологи виявили крохмальні зерна домашнього червоного перцю в сімох давніх поселеннях корінних американців. Найдавніші знахідки походять із двох поселень у південно-західній частині Еквадору, їхній вік — близько 6 100 років. Рештки перцю знайдено на каменях для розтирання харчових продуктів, серед скам’янілих решток їжі в керамічних горщиках, а також просто в навколишньому культурному шарі. Крім перцю, жителі цих поселень вирощували кукурудзу, гарбуз, канну (Canna edulis), маранту (Maranta arundinacea) та інші їстівні рослини. Це свідчить про те, що давнє населення Еквадору мало високорозвинене сільське господарство й різноманітну кухню, в якій гострі приправи відігравали не останню роль. Оскільки Еквадор не входить до числа можливих центрів одомашнювання перцю, автори роблять висновок, що перець був одомашнений трохи раніше, адже знадобився певний час, щоб нова сільськогосподарська культура дісталася Еквадору.

Рештки перцю віком 5 600 років знайдено також у центральній Панамі, де вони збереглися на кам’яній розтирачці, що походить із «докерамічних» шарів. У цьому регіоні люди почали вирощувати червоний перець, розтирати його й додавати в їжу ще до того, як опанували мистецтвом виготовлення керамічного посуду. На тому ж камені знайдено крохмальні зерна кукурудзи й батата: їх, мабуть, також розтирали перед уживанням.

У Перуанських Андах знайдено рештки перцю, кукурудзи й картоплі віком 4 тис. років. Тільки тут за формою крохмальних зерен удалося визначити вид домашнього перцю — це виявився C. pubescens, що до сьогодні вирощується в Андах. У Перу, як і в Панамі, вирощування перцю почалося ще в докерамічну епоху.

Крім того, сліди перцю віком близько 1 000 років знайшли у Венесуелі, а також у поселенні рибалок і городників на острові Сан-Сальвадор (Багамські острови). Люди оселилися на цьому острові близько 1 000 років тому.

У жодному з названих місць археологи не виявили крохмальних зерен, характерних для дикоростучих сортів червоного перцю. Варіантів, перехідних між «дикими» й «домашніми» крохмальними зернами, також не виявлено.

Перець і кукурудза — єдині культурні рослини, рештки яких виявлено в усіх без винятку точках, досліджених археологами. Очевидно, ці дві рослини з найдавніших часів становили незмінну основу місцевої кухні, до якої можна було за бажанням додавати й інші сільгосппродукти (а можна й не додавати). Одного разу узвичаївшись у жителів якого- небудь регіону, перець уже не зникав із уживання й вирощувався аж до приходу європейських колонізаторів.

Автори висловлюють цілком зрозуміле здивування з приводу того, що такий, здавалося б, «несерйозний» елемент кулінарної культури, як гіркий перець, має настільки ж давню історію й був розповсюджений так само широко, як кукурудза — основний продукт харчування землеробських народів Америки.

З’ясовано походження найбільшої квітки

Рафлезія (Rafflesia) — паразитична рослина з найбільшими у світі квітами, але повністю позбавлена листя, стебла й коріння. Походження й родинні зв’язки рафлезії тривалий час залишалися загадковими. Генетичний аналіз показав, що рафлезія належить до родини Молочайних (Euphorbiaceae), хоча ніщо в будові паразита не свідчить про таке споріднення. На ранніх етапах еволюції рафлезії відбулося рекордно швидке збільшення квітки, які в її предків були приблизно у 80 разів дрібніші.

Рафлезієві включають три близькі роди (Rafflesia, Rhizanthes і Sapria). Усі вони зустрічаються тільки в джунглях Південно-Східної Азії та паразитують на ліанах роду Tetrastigma. Рафлезієві відомі завдяки своїм величезним (до метра в діаметрі й до 7 кг вагою) квітам, які за виглядом і запахом нагадують гниле м’ясо й запилюють мухами. Квіти — ледь не єдине, що залишилося в рафлезії та її родичів від «нормальних» покритонасінних рослин. Пристосувавшись до паразитичного способу життя в тканинах ліан, рафлезієві втратили корінь, листки й стебло, а також здатність до фотосинтезу. Власне «тіло» паразита являє собою грудки й тяжи клітин, що галузяться й нагадують грибні гіфи, пронизуючи тканини рослини-хазяїна.

Ці особливості рафлезії поставили ботаніків у складне становище: у їх розпорядженні практично не виявилося морфологічних ознак, на основі яких дивну квітку можна була б віднести до тієї чи іншої групи дводольних рослин. Єдиний збережений орган — квітка — у рафлезії настільки гіпертрофований, видозмінений і спеціалізований (пристосований до досить специфічного способу запилення), що на його основі точно визначити місце рафлезії в системі рослинного світу виявилося неможливим.

Єдине, що може допомогти в подібній ситуації, — це застосування методів молекулярної філогенетики, тобто реконструкція еволюційної історії на основі порівняння нуклеотидних послідовностей ДНК. Однак і на цьому шляху дослідники зштовхнулися з низкою труднощів. З’ясувалося, що між рафлезією та її хазяями відбувався горизонтальний обмін генами. Тому аналіз окремих генів давав суперечливі результати. Дотепер порівняльно-генетичні дослідження впевнено свідчили лише про те, що рафлезія належить до порядку Malpighiales, але це величезна група дводольних, що включає безліч мало схожих одна на одну родин.

Щоб уточнити таксономічне положення рафлезії, група американських ботаніків і молекулярних біологів провела широкомасштабне дослідження, в якому використовувалися послідовності п’яти мітохон- дріальних і одного пластидного гена ста одинадцяти видів рослин, що представляють усі родини порядку Malpighiales; для сорока видів також було отримано послідовності двох ядерних генів.

Філогенетична реконструкція, побудована на основі цих даних, показала, що рафлезієві входять до складу родини Молочайні (Euphorbiacea). Автори підкреслюють, що жодна з рис будови рафлезієвих не вказувала на таке споріднення. Навіть більше, майже в усіх молочайних квітки дуже дрібні. Отримані результати змушують визнати, що на ранніх етапах еволюції рафлезієвих збільшення квітки відбувалося воістину рекордними темпами. За оцінками авторів, діаметр квітки збільшився у 80 разів за проміжок часу, що не перевищує 46 млн років.

Можна припустити, що генетична подібність рафлезії з молочайними пояснюється тим, що предки рафлезії колись паразитували на молочайних і запозичили в них деякі гени. На думку авторів, це малоймовірно, оскільки в усіх підтверджених випадках перенесення генів від хазяїна (ліани Tetrastigma) до рафлезієвих в останніх водночас із набутою новою копією гена зберігається і «своя», стара копія. Нічого подібного не спостерігається у випадку з тими вісьмома генами, які використовувалися в дослідженні.

Різні стадії розвитку бутона рафлезії на ліані Tetrastigma

Стаття американських ботаніків служить яскравою ілюстрацією того, як молекулярна філогенетика останніми десятиліттями неухильно витісняє й заміщає класичні методи біологічної систематики, що базуються на морфологічних ознаках.

Знайдено найдавніші дерева

Високі дерева росли на нашій планеті вже 385 мільйонів років тому, у середньодевонську епоху. Про це свідчать нові знахідки американських палеоботаніків, зроблені в штаті Нью-Йорк. Знахідки дозволили зв’язати воєдино розрізнені частини найдавнішого дерева, які дотепер були відомі під різними родовими назвами: гілки крони називалася Wattieza, основа стовбура — Eospermatopteris.

Наземні екосистеми звичного для нас вигляду — з деревами, чотириногими й комахами — загалом сформувалися протягом девонського періоду (416—359 млн років тому) і на початку наступного (кам’яновугільного) періоду. Деталі цього процесу і хронологія окремих етапів залишаються багато в чому нез’ясованими. У тому числі суперечливими є й питання про час появи дерев (і, відповідно, лісів). У ранньому девоні (416—397 млн років тому) їх ще точно не було: наземні рослини, що поширилися в цей час, були примітивні й невеликої висоти.

Наприкінці девону (380—359 млн років тому) дерева вже точно були: про це свідчать численні знахідки деревоподібних папоротей Archaeopteris. Дотепер вони безперечно вважалися найдавнішими деревами. У відкладеннях проміжного віку (середній девон і початок пізнього, 397—380 млн років тому) було знайдено розрізнені рештки рослин, деревна природа яких залишалася спірною.

Ранньодевонський ландшафт із проптеридофітами Sawdoma ornata (рис. С. В. Наугольних)

Найбільш перспективними кандидатами на роль найдавніших дерев уважалися скам’янілості, що були знайдені в 70-х роках XIX ст. в штаті Нью-Йорк (США) у відкладеннях кінця середнього девону (385—386 млн років) та одержали родову назву Eospermatopteris. Вони являють собою вертикальні основи стовбурів, всі як один обламані на висоті не більш ніж півтора метра, зі стовщеною нижньою частиною й невеликими коренями, що розбігаються в різні боки. До якої групи вищих рослин належать ці пеньки й чи піднімалося над ними що-небудь схоже на справжнє дерево, з’ясувати не вдавалося.

І от американські палеоботаніки нарешті розгадали загадку давніх пеньків. За 13 км на схід від одного з відомих місцезнаходжень Eospermatopteris вони знайшли два нові екземпляри, що збереглися, на відміну від пеньків, у положенні «лежачи». Перший екземпляр являє собою верхню частину стовбура завдовжки понад два метри з кроною у вигляді пучка з восьми великих гілок, кожна з яких, у свою чергу, галузиться, а на деяких збереглися відростки зі спорангіями.

Другий екземпляр — це типовий Eospermatopteris, обламаний, однак, не на півтора-, а на шестиметровій висоті. Товщина стовбура — 13 см на кінці й 47 см біля основи. Будова стовбурів і структура їх поверхні зі слідами відпалих гілок ідентичні в обох екземплярів.

Таким чином, стало зрозуміло, що Eospermatopteris був деревом заввишки мінімум 8 метрів, план будови й зовнішній вигляд якого був подібний до сучасних деревоподібних папоротей і пальм. Напевно, зустрічалися й більші екземпляри, оскільки товщина деяких знайдених раніше «пеньків» удвічі перевершує товщину екземпляра № 2 біля його основи.

Гілки крони Eospermatopteris раніше були відомі палеоботанікам під родовою назвою Wattieza. Такі гілки, щоправда без стовбурів, знаходили в Бельгії та Венесуелі. Wattieza, вона ж (як тепер з’ясувалося) Eospermatopteris, належить до порядку Pseudosporochnales класу Cladoxylopsida. Ця група давніх спорових рослин уважається перехідною між найбільш примітивними наземними рослинами — риніофітами, або псилофітами, що з’явилися ще наприкінці силурійського періоду, і справжніми папоротями.

Те, що Wattieza, як і споріднений із нею Pseudosporochnus, могли бути справжніми деревами, палеоботаніки припускали давно, про що недвозначно свідчить малюнок російського палеоботаніка С. В. Наугольних, зроблений ще у 2001 році. І от тепер це припущення остаточно підтвердилося.

Рослина, гриб і вірус об’єдналися, щоб утрьох протистояти високим температурам Термостійка трава, що росте на гарячих геотермальних ґрунтах у Йєллоустонському національному парку, зобов’язана своєю термостійкістю симбіотичному грибу. Ні гриб, ні трава окремо не виносять перегріву. Виявилося, що в цьому симбіотичному комплексі є ще й третій необхідний учасник — вірус, що живе в клітинах гриба. Гриб, «вилікуваний» від вірусу, втрачає здатність надавати термостійкості рослині-хазяїну.

Дивовижний приклад потрійного симбіозу описали в останньому номері журналу «Science» американські біологи, що працюють у Йєллоустоунському парку (США), де на гарячому ґрунті поблизу геотермальних джерел росте термостійка трава Dichanthelium lanuginosum, близька родичка проса. Раніше було встановлено, що дивна стійкість цієї рослини до високих температур якимось чином пов’язана з ендофітним грибом, що виростає в тканинах рослини, — Curvularia protuberata. Якщо вирощувати рослину і гриб окремо одне від одного, ні той, ні інший організм не витримує тривалого нагрівання до температури понад 38 °С, однак разом вони чудово ростуть на ґрунті з температурою 65 °С. Крім того, навіть під час відсутності теплового стресу рослина, заражена грибом, росте швидше і краще переносить посухи.

Автори обговорюваної статті нещодавно припустили, що гриб допомагає рослині знешкоджувати активні форми кисню (АФК), що утворюються як побічний продукт реакції рослини на стрес. Дійсно, у рослин, позбавлених симбіотичного гриба, в умовах теплового стресу в листі утворюються помітні кількості АФК, тоді як у рослин із грибом цього не спостерігається.

Продовжуючи дослідження цієї дивовижної симбіотичної системи, учені виявили, що в ній є ще й третій обов’язковий учасник — РНК- вмісний вірус, що живе в клітинах гриба. Автори виявили вірус, виділивши із клітин гриба дві великі молекули дволанцюгової РНК, які, власне, і являють собою геном вірусу. Одна з молекул містить два гени РНК -залежних полімераз. Ці гени забезпечують реплікацію (розмноження) вірусу. Друга молекула дволанцюгової РНК також містить два гени, функцію яких установити не вдалося (вони не схожі на жоден ген з відомою функцією).

Дослідники виділили з гриба не тільки вірусну РНК, але і власне вірусні частки. Вони схожі на інші грибні віруси й мають вигляд кульок діаметром близько 30 нанометрів.

Учені вирішили з’ясувати, чи не чинить виявлений вірус певного впливу на взаємини гриба і рослини. Для цього вони «вилікували» гриб, піддавши його міцелій висушуванню і заморожуванню за температури —80 °С. Ця сувора процедура призводить до руйнування вірусних часток(і добре тим організмам, які можуть, як гриби, витримати її й у такий спосіб зцілитися від вірусних хвороб!).

Віруси, необхідні для термостійкості симбіотичного комплексу, під електронним мікроскопом

Необхідні для експериментів «безгрибні» рослини одержували з насіння, з якого знімали оболонку, а потім полоскали 10—15 хвилин у хлорці. Вирощені з такого насіння рослини потім заражали (або не заражали) симбіотичним грибом, капаючи на них з піпетки завись грибних спор.

Виявилося, що гриб, «вилікуваний» від вірусу, не в змозі зробити рослину термостійкою. Рослини з таким грибом гинули на гарячому ґрунті так само, як і рослини без гриба.

Однак потрібно було ще переконатися, що справа тут саме у вірусі, а не в якихось побічних ефектах тих жорстоких процедур, що застосовувалися під час «лікування» гриба від вірусу й рослини — від гриба. Для цього «вилікувані» гриби були знову заражені вірусом, а цими повторно зараженими грибами, у свою чергу, заразили «вилікувані» рослини. Тепер усе було в порядку: заново зібраний симбіотичний комплекс чудово ріс на гарячому ґрунті.

Таким чином, для термостійкості виявилися необхідними всі три компоненти симбіотичної системи: і рослина, і гриб, і вірус.

Щоправда, ідея про ключову роль активних форм кисню не підтвердилася. Виробництво АФК у листі однаково знижувалося в рослин, заражених будь-яким грибом — з вірусом чи без нього.

Наостанок учені провели зовсім уже сміливий експеримент, що свідчить про високий політ творчої думки: взяли й заразили «грибом термостійкості» зовсім іншу рослину — звичайний томат. Було взято чотири групи молодих томатів, по 19 рослин у кожній. Першу групу заразили «дикою» формою гриба, що містить вірус; другу — грибом, вилікуваним від вірусу, а потім знову зараженим; третю — грибом, позбавленим вірусу; четверту взагалі залишили без грибів. Потім ґрунт, у якому росли ці томати, почали щодоби нагрівати до 65 °C на 10 годин, а решту 14 годин температура ґрунту дорівнювала 26 °C. Через 14 днів у першій групі в живих залишилося 11 рослин, у другій — 10, у третій — 4, у четвертій — тільки 2.

Отже, гриб, заражений вірусом, здатний підвищувати термостійкість не тільки свого природного хазяїна — однодольної рослини Dichanthelium lanuginosum, але й неспоріднених рослин, що належать до класу Дводольні. Це відкриття може мати велике практичне значення. Труднощі поки що полягають у тому, що авторам не вдалося досягти стовідсоткової зараженості всіх томатів симбіотичними грибами. Саме цим, на їхню думку, пояснюється більш висока смертність піддослідних томатів на гарячому ґрунті порівняно з Dichanthelium lanuginosum.