Как деревья «обманывают» законы физики

Именно так называлась очередная лекция, прошедшая в рамках проекта «Открытые лекции Института цитологии и генетики (ИЦиГ) СО РАН». «Возможно, моя лекция даст вам больше вопросов, чем готовых ответов, — предупредил собравшихся слушателей в начале своей лекции канд. биол. наук, ст. науч. сотр. ИЦиГ, преподаватель НГУ Алексей Дорошков, — что, на самом деле, естественно для науки. Кроме того, хочется обратить внимание собравшихся, что многоклеточность в ходе эволюции появлялась несколько раз. И растения — совершенно независимая относительно животных эволюционная ветвь такого существования». Первое отличие между животными и растениями, которое, скорее всего, смутно вспоминается нашим читателям из школьного курса, — это наличие клеточной стенки у растений. «Клеточная стенка растений — это далеко не просто структура, отделяющая внутренность клетки от остального мира. Она может быть не только утолщена, но и занимать больше пространства, чем сама клетка, она участвует в транспорте и в множестве других процессов — это полноценный „внешний органоид“», — подчеркивает Алексей. Движение веществ по клеточным стенкам разных клеток называется апопластным транспортом. Внутреннее содержимое разных клеток, соединенное через специальные каналы в клеточной стенке, у растений составляет симпласт. Соответственно, транспорт питательных веществ по симпласту называется симпластным. Третий существующий у растений вид транспортных путей — трансмембранный (проходит и по клеточным стенкам, и по симпласту). Как же именно растения, имея эти три транспортные системы, умудряются перехитрить известные нам законы физики? Об этом Алексей и рассказал в своей лекции.

Секвойя и Эванджелиста Торричелли

Растения потребляют огромное количество воды. В реакции фотосинтеза на каждую молекулу СО₂ приходится по одной молекуле воды. Но при этом, тратя одну молекулу на фотосинтез, сотни молекул растение испаряет из устьица. 90% деревьев (высотой до 21 м) испаряют в день от 10 до 200 л воды! (Wullschleger et al., 1998) Всё это огромное количество жидкости поднимается по ксилеме (сосудистой ткани растений), используя пассивные физические механизмы. Клетки каналов ксилемы мертвые и полые, что устраняет препятствия со стороны клеточных мембран и протопластов.

Благодаря опытам Торричелли, известным из школьного курса физики, мы знаем, что всасывающий насос может поднять воду в трубке на высоту чуть более 10 м. При этом самое высокое растение из существующих на сегодняшний день — вечнозеленая секвойя (она растет в Калифорнии). Ее высота — 112,7 м! Как же деревьям удается обмануть законы физики? Если рассуждать логически, то увеличить высоту поднятия воды могли бы помочь уменьшение плотности атмосферы (но над этим отдельно взятая секвойя не властна), уменьшение вязкости жидкости, которую надо поднять, уменьшение диаметра капилляра и увеличение смачиваемости стенок капилляров.

«Парадокс в том, что деревья делают вещи прямо противоположные здравому смыслу, — отмечает лектор. — В ходе эволюции вязкость раствора возрастала, смачиваемость стенок каналов в древесине неравномерная, присутствуют гидрофобные участки (нам пока неизвестно зачем). С увеличением роста и размера дерева диаметр капилляра увеличивается».

Примерно сто лет назад ирландские ученые Генри Горацио Диксон и Джон Джоли выдвинули теорию, объясняющую этот парадокс (по-английски она называется Cohesion-tension theory). Диксон и Джоли предположили, что в движении соков деревьев по ксилеме огромную роль играют когезия (притяжение молекул, в том числе водородные связи), поверхностное натяжение и перепады давления, которые появляются из-за испарения воды листьями. Фактически получается, что устьица, испаряя воду, создают своеобразный вакуумный насос, а вода, путешествуя по симпласту, ведет себя как одна очень длинная молекула. Но если мы попытаемся загнать воду на ту же высоту снизу, то у нас ничего не получится. Очень важно и то, что ксилемные каналы «рождаются» полными воды.

Air-seeding theories в некотором смысле объясняют, как вода в ксилеме не закипает. Вода закипает при температуре 20 °C при абсолютном давлении 2,3 кПа (или –99 кПа относительного давления). Чтобы поднять жидкость на высоту 100 м, нам нужно падение гравитационного давления ниже –1 МПа. В реальности такой разницы давления достигают и невысокие деревья (из-за более сухой почвы и сил трения). Почему же вода в капиллярах не кипит? Ученые предположили, что жидкость в древесных капиллярах пребывает в метастабильной жидкой фазе.

Кроме того, вода в этой системе должна обладать аномально высокой текучестью, иначе бы она не смогла проходить через мембраны. Такое качество у воды в почве и в растительных сосудах предполагалось ранее из общих соображений физики. Например, докт. физ.-мат. наук Генрих Ходаков высказывал такое предположение в 2007 году. К сожалению, его статья была опубликована только на русском языке. В 2015 году профессор Калифорнийского университета Йочен Шенк (Jochen Schenk) и его коллеги обратили внимание на то, что при продвижении жидкости из ксилемы в проводящую систему других тканей через клеточную мембрану должны возникать многочисленные микропузырьки. Они предположили, что именно эти «nanobubbles» и приводят к появлению свойства гигантской текучести (Schenk et al., 2015). Есть предположение, что с их появлением уменьшается плотность жидкости. Более того, хоть мы и не знаем до конца, как это работает, возможно, у пор есть свой липидный слой, который помогает разбивать пузырьки воздуха на пузырьки наноразмера и демонстрирует высокую липидную активность. Профессор Гавайского университета Джинлонг Янг (Jinlong Yang) с коллегами пришел к выводу, что липидные пленки ксилемы в естественных условиях находятся в диапазоне от неравновесных метастабильных состояний сжатия до состояния ненасыщенного расширения, в зависимости от локальных площадей поверхности границ раздела газ/жидкость. Это же исследование показало, что диаметр пор в реальности гораздо меньше, чем предполагалось раньше (Yang et al., 2020).

Вывернутый кишечник и стресс

Еще одно важное отличие растения от животного, наверное, назовет даже дошколенок. Растения не могут сбежать от стресса, мигрировать в более благоприятные условия, как животные. А значит, и сопротивляться они должны уметь большему количеству факторов. Логично предположить у растений великолепно отлаженную систему, которая может обеспечить всасывание и транспорт самых разных веществ в зависимости от ситуации. При этом вода и питательные вещества всегда доступны растению в концентрациях, резко отличающихся от реальной потребности. Прия Рамакришна (Priya Ramakrishna) из Женевского университета и ее коллеги считают, что с резкой разницей между доступностью и требованиями растения справляются благодаря архитектуре корня, похожей на вывернутую кишку (Ramakrishna, Barberon, 2019). Как и в кишечнике, в корнях избирательная всасываемость и диффузионный барьер разделены между двумя клеточными слоями: эпидермисом на периферии корня и энтодермой (самый внутренний слой кортикальных клеток вокруг сосудистой сети).

Знаем, что ничего не знаем

«В целом работа активных транспортеров в мембране клеток у растений принципиально не отличается от таковых у других живых существ, — отмечает Алексей. — Важное отличие в том, что растения создают свои транспортеры для каждого слоя клеток, для каждого полюса, да еще и по несколько разных видов для каждого типа клеток. То есть у растений мы нередко наблюдаем создание новых генов для выполнения функций в отдельно взятой клетке или ткани. Это одна из характерных особенностей эволюции растительных организмов. У нас, позвоночных, в особенности теплокровных, эволюция особо активно использует дифференциальную регуляцию генов в зависимости от места экспрессии: один и тот же ген в разных клетках просто работает по-разному».

Проблему с миграцией вынуждены решать не только организмы целиком, но и отдельные клетки. Клетки животных более гибки и способны мигрировать по организму. Растительные клетки лектор сравнивает с жестким ящиком, внутренняя часть которого плотно заполнена содержимым клетки под давлением. Ни о какой миграции клеток при таком строении и речи быть не может. Как же тогда у растений закладываются сложные органы, где нужны слои разных тканей? Просто каждая отдельно взятая клетка в массиве ткани (если там нет стволовых клеток и свободного пространства) должна появиться вместе с ним: орган должен развиваться равномерно во времени. Смену слоев в стволе дерева мы можем рассматривать как некую летопись его жизни: все пережитые стрессы сохранятся, как на ленте большого живого самописца. Самый известный пример — это, конечно, годичные кольца ствола дерева. Но это правило работает для многих органов растений. Например, лист злака точно так же «ведет запись». Только если ствол отрастает снаружи (стволовые клетки находятся в камбии), то стволовые клетки листа злака расположены в основании листа. То есть у растений присутствуют все временные точки с рождения органа до его смерти. «И это очень круто! — комментирует Дорошков. — Для получения динамики развития транскриптома (это метод, позволяющий отследить изменения в экспрессии генов) необходимы пробы, полученные в разное время, часто пробы из зародыша на разных сроках развития. У растения, исследуя орган в нужную фазу развития, мы можем получить сразу клетки от самых старых до самых молодых».

Конечно, в исследовании растений есть свои сложности. Недаром методы работы с изолированными единичными клетками (single-cell транскриптомика, геномика и т. п.) были применены к растениям лишь в 2019 году. При этом животные активно исследовались этим методом уже с 2013 года. Клетки растений долгое время не получалось достаточно быстро дезагрегировать. «Если продолжить мою метафору, то нам нужно было научиться вытаскивать нежное содержимое, плотно лежащее в деревянном ящике, это содержимое никак не повредив, — объясняет лектор. — При этом процесс разрушения ящика должен быть очень быстрым».

Корень растений к моменту появления single-cell методов был уже хорошо изучен и идеально подходил для их апробации. «Многие маркерные гены были известны заранее, все изменения в транскрипции генов, которые мы ожидали увидеть, мы увидели. Так что эти работы не дали нам новой информации, но были очень важны», — отмечает Алексей. (Tian-Qi Zhang et al., 2019.)

В 2020 году Джеймс В. Саттерли, Джош Стрэбл и Майкл Дж. Скэнлон опубликовали свое исследование побега кукурузы тем же методом. «Апекс (верхушку побега) изучать очень сложно, изучен он, соответственно, хуже. И в этой работе было описано много новых генов», — рассказывает Алексей. В тот же год был исследован початок кукурузы, а сам Алексей с коллегами опубликовал работу о росте клеток в листе злаковых, а сейчас проводит эксперименты с транскриптомикой одиночных клеток растущих листьев. «Мы получили вполне ожидаемый вид распределения клеток в пространстве экспрессии генов — стволовые клетки оказались расположены ближе к центру области, а дифференцированные — в отдельных кластерах по периферии. Неожиданным было то, что типов клеток оказалось больше, чем нам известно».

Но самой прорывной работой в этой области Алексей Дорошков считает исследование, опубликованное в августе 2021 года в Journal of integrative plant biology (Hui Li et al., 2021). «Во-первых, коллеги исследовали древесину. А дезагрегировать древесину очень сложно. Честно говоря, до их работы это считалось просто невозможно, — не сдерживает восхищения лектор. — Типов клеток опять же оказалось гораздо больше, чем ожидалось. И это прорывная работа, которая меняет наши представления о том, как вообще дерево организовано».

Авторы провели верификацию всех обнаруженных маркерных генов. Фактически провели качественную оценку распределения экспрессии генов по всему срезу древесины. «До этого исследования мы, по большому счету, выделяли лишь клетки сосудов, клетки-спутники и остальной массив (авторы не исследовали слои, идущие наружу от камбия включительно). Теперь же мы знаем, что есть много типов фибриллярных клеток, много типов сосудов. Это заставляет думать, что древесина и, в частности, транспортная система дерева работают гораздо сложней, чем кажется».

Трихоплаксы, гребневики и другие курьезные персонажи

Во время вопросов из зала профессор Бородин, организатор лектория, пошутил: «Дорошков, я стесняюсь спросить, чем вы не занимаетесь». Я после лекции решила не стесняться и задать похожий вопрос: «Чем же вы еще занимаетесь?» Для подробного ответа мы отправились в кабинет Алексея.

«Это у нас трихоплаксы. В той подсвеченной емкости мы для них водоросли выращиваем. А это мы специально термостат купили. Но им не понравилось… Пока не знаю почему». Потом, слушая Алексея, я думала, что на примере этих трихоплаксов (миллиметровых многоклеточных морских животных) ясно видно его отношение к жизни и к исследованиям: если уж завел трихоплаксов, то почему бы для них и водоросли не выращивать; если термостаты не подошли — надо разбираться почему.

— Расскажите, пожалуйста, о ваших коллегах. У вас отдельная лаборатория в ИЦиГ?

— Мы с коллегами — прикольная молодежная группа. Это, пожалуй, самое точное определение. Часть группы работает в ИЦиГ, часть в НГУ. Возможно, удастся организоваться в отдельную лабораторию. Изначально мы развивались в лаборатории эволюционной биоинформатики и теоретической генетики отдела системной биологии и, смею надеяться, смогли развить системный взгляд на проблему и свой особый подход к решению задач. Сейчас пишем гранты и работаем на базе разных лабораторий. На наше счастье, РНФ (а ранее РФФИ) считает наши идеи красивыми и важными, поддерживает наши начинания. Конечно, активно взаимодействуем и с другими институтами и нашим университетом — НГУ.

— И чем же вы занимаетесь?

— Вдохновляют нас не только растения. Пожалуй, основной вопрос, вокруг которого мы строим свои исследования, можно сформулировать так: как самоорганизуются клеточные системы? Искать ответы можно, используя очень разные модельные организмы.

— А сейчас какие исследования проводит ваша группа?

— Так быстро в двух словах и не скажешь… Расскажу об исследовании растений. Мы помещаем растения в стрессовые условия, а затем наблюдаем изменения в транспортной системе и в экспрессии генов. Для исследования мы выбрали злаковые. У них структуры листа растут базально и формируются фактически как конвейер. То есть лист злака — это своеобразная запись самописца. На каждом листе единомоментно присутствуют разные стадии, и если на растение было оказано какое-то воздействие, то мы это можем увидеть. Во время воздействия стрессовых условий мы проводим неинвазивные исследования, а когда растение выводится из эксперимента — подробно изучаем структуру, ферменты, экспрессию генов и т. д. Мы пытаемся собрать информацию на разных уровнях организации, чтобы максимально точно реконструировать изучаемую живую систему. На самом деле, очень интересные изменения наблюдаются даже на уровне светового микроскопа. Кукуруза — это растение с С₄-фотосинтезом (первым продуктом связывания углерода для такого типа будет четырехуглеродная щавелевоуксусная кислота). И у кукурузы световая и темновая фазы фотосинтеза идут одновременно, просто в двух разных клетках! И если с биохимической механикой этого процесса нам всё более-менее понятно, то как эта система работает после стресса, как координирована работа этой системы — пока большой вопрос.

Параллельно мы занимаемся эволюцией клеточных типов у растений и животных. Когда студент читает про клеточные типы в учебнике, он хорошо представляет, что это: вот нервная клетка, вот мышечная — всё понятно. Как только начинаешь изучать подробнее, быстро понимаешь, что деление на типы весьма условное. Какие-то клеточные типы друг в друга динамично переходят, другие переходить не могут, разные определения видят в группе клеток то несколько типов, то один. Более того, клетки одного типа могут не соответствовать друг другу у разных видов. По этому поводу у нас запущено сразу несколько направлений работы. Начали работу по изучению эволюции клеток миелоидного ряда (клеток врожденной иммунной системы). Интересно понять, насколько они гомологичны у разных многоклеточных животных.

Еще один блок исследований связан с регенерацией у животных. Интересно понять, как это устроено у разных видов. Большинство исследований в этой теме сконцентрировано вокруг билатерий. Билатерии — это таксономическая группа, которая включает и нас с вами, и муху дрозофилу. Но на самом деле это только одна из эволюционных линий многоклеточных животных. В реальности у нас с мухами базовые типы клеток очень похожи. В текущем виде функциональное деление клеток на большие группы произошло еще на уровне нашего общего предка с мухами. Этот предок уже был достаточно сложно устроен, имел и нервные клетки, и мышечные, и даже клетки выделительной системы. У современных его потомков основные типы клеток те же, потому что именно такие были у предка. Это ничего не говорит об оптимальности этого разделения. При этом мы можем изучить альтернативные варианты. Существуют потомки по крайней мере четырех альтернативных эволюционных ветвей, которые произошли от более примитивного предка с минимальной дифференцировкой тканей. У нас, билатерий, есть сестринская группа — стрекающие (медузы, полипы). И более базальные таксоны — гребневики и трихоплаксы, наш с ними общий предок жил более 700 миллионов лет назад.

Ошибочно может показаться, что гребневики похожи на медуз. На самом деле к медузам они так же близки, как и к нам. При этом на их примере мы можем посмотреть, как жизнь еще раз независимо придумала симметрию, строение и поведение. Некоторые гребневики — животные хищные, со своим поведением, активно плавающие. Это невероятный разнообразный таксон! Симметрия тела гребневиков весьма своеобразна и является двухлучевой, т. е. через тело гребневика можно провести две воображаемые взаимно перпендикулярные плоскости. У нас с вами правая и левая половина — зеркальные, а у гребневиков — идентичные! У них тоже органы парные, но если бы мы были гребневиками и левый глаз у нас смотрел бы вперед, то правый располагался бы с другой стороны — на «затылке». У такой организации свои нюансы. Интересно посмотреть на работу генов, на то, как именно задается эта симметрия. Мы же собираемся посмотреть, как они организовали свою регенерацию. А она у них просто фантастическая! При потере 20% тела гребневик может восстановить повреждение сложноорганизованного тела с разными типами тканей всего за 48 часов. Они способны восстановиться, если их разрезать пополам. При этом в норме вегетативно они не размножаются. Развитая способность к регенерации — это приспособление к жестокому миру моря.

Трихоплаксы — это еще один не менее интересный таксон, с которым мы работаем. Может, они и не устроены настолько сложно структурно, при этом способны координировать движение своего тела (хоть и похожи на большую многоклеточную амебу), реагируют на раздражители, мы видим несколько паттернов поведения и т. д.

Относительно недавно нашли интересное многоклеточное — протиста на гребневике. Похоже, он независимо развивает свою многоклеточность. Сейчас готовится к выходу статья с его описанием как нового подвида. Беда в том, что подобные организмы очень мало изучены. Возможно, это вообще отдельный вид или даже род. Если со временем накопится достаточно молекулярных данных для представителя вида, к которому мы его отнесли по морфологическим признакам, сможем узнать точно.

В общем, нам интересны разные курьезные персонажи, которые помогают понять работу клеток, многоклеточность и самоорганизацию.

Литература

Martin D. Venturas, John S. Sperry, Uwe G. Hacke. Plant xylem hydraulics: What we understand, current research, and future challenges // Journal of integrative plant biology, 2017
(doi.org/10.1111/jipb.12534).

H. Jochen Schenk, Kathy Steppe, Steven Jansen. Nanobubbles: A new paradigm for air-seeding in xylem, // Trends in Plant Science, 2015
(doi.org/10.1016/j.tplants.2015.01.008).

Jinlong Yang, Joseph M Michaud, Steven Jansen et al. Dynamic surface tension of xylem sap lipids // Tree Physiology, April 2020
(doi.org/10.1093/treephys/tpaa006).

Tian-Qi Zhang, Zhou-Geng Xu, Guan-Dong Shang, Jia-Wei Wang. A Single-Cell RNA Sequencing Profiles the Developmental Landscape of Arabidopsis Root // Molecular plant, 2019 (doi.org/10.1016/j.molp.2019.04.004).

Hui Li, Xinren Dai, Xiong Huang, Mengxuan Xu, Qiao Wang, Xiaojing Yan, Ronald R. Sederoff, Quanzi Li. Single-cell RNA sequencing reveals a high-resolution cell atlas of xylem in Populus // Journal of integrative plant biology, 2021 (doi.org/10.1111/jipb.13159).

Wullschleger Stan, Meinzer F., Vertessy, Robert. A review of whole-plant water use studies in tree // Tree physiology, 1998 (doi.org/10.1093/treephys/18.8–9.499).

Priya Ramakrishna, Marie Barberon. Polarized transport across root epithelia // Current Opinion in Plant Biology, 2019 (doi. org/10.1016/j. pbi.2019.05.010).