Как хвойные деревья, которые используются, например, в качестве рождественских елок, могут сохранять свою зеленую хвою в течение северной зимы, когда большинство деревьев сбрасывают листья? Наука не дала хорошего ответа на этот вопрос, но теперь международная группа ученых, включая исследователей из Университета Умео, определила, что сокращение фотосинтетического механизма позволяет иглам сосен оставаться зелеными. Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
Зимой световая энергия поглощается молекулами зеленого хлорофилла, но не может быть использована в последующих реакциях фотосинтетического механизма, поскольку низкие температуры останавливают большинство биохимических реакций. Это особенно хорошо заметно в начале весны, когда температура все еще может быть очень низкой, но солнечный свет уже достаточно силен, а избыток световой энергии может повредить белки фотосинтетического механизма. Исследователи показали, что фотосинтетический аппарат устроен особым образом, что позволяет хвоям сосны оставаться зелеными в течение всего года.
В нормальных условиях две фотосистемы, две функциональные единицы, в которых энергия света поглощается и преобразуется в химическую энергию, находятся отдельно друг от друга, чтобы не допустить короткого пути и обеспечить эффективный фотосинтез. Зимой структура тилакоидной мембраны, где расположены две фотосистемы, реорганизуется, что приводит к физическому контакту этих двух фотосистем. Исследователи показали, что фотосистема II отдает энергию непосредственно фотосистеме I, и этот сокращенный режим защищает зеленый хлорофилл и иголки, когда условия становятся жесткими.
Пушан Баг, аспирант Университета Умео, который в течении года занимался сбором множества образцов и проведением анализов говорит:
Мы наблюдали за несколькими соснами, растущими в Умео на севере Швеции в течение трех сезонов. Было важно, чтобы мы могли работать с иглами« прямо с улицы », чтобы они не адаптировались к более высоким температурам в лабораторных условиях, прежде чем мы проанализируем их, например, с помощью электронной микроскопии, которую мы использовали для визуализации структуры тилакоидной мембраны.
Почти у всех растений есть предохранительные клапаны для борьбы с избыточной световой энергией, которая рассеивается в виде тепла или флуоресцентного света. Однако кажется, что только хвойные деревья имеют такие мощные клапаны, что они могут сохранять неповрежденный фотосинтетический аппарат в течение экстремальной северной зимы. Исследовательская группа объединила биохимию и сверхбыстрый флуоресцентный анализ, очень сложный метод, который может разрешить свет флуоресценции хлорофилла в пикосекундной временной шкале. Таким образом они могли продемонстрировать, как хвоя сосны справляется с избыточной световой энергией, чтобы защитить свой чувствительный фотосинтетический аппарат от повреждений.
Исследование проводилось на соснах, но исследователи полагают, что механизм, вероятно, аналогичен для других видов хвойных — таких как типичные новогодние ели и пихты потому что их фотосинтетический аппарат похож.
Эта замечательная адаптация не только радует нас во время Рождества и Нового года, но на самом деле чрезвычайно важна для человечества. Если бы хвойные деревья не смогли выжить в экстремально суровом зимнем климате, обширные территории в северном полушарии, возможно, не были бы колонизированы, поскольку хвойные деревья давали дрова, жилье и другие предметы первой необходимости. И сегодня они составляют основу экономики большей части приполярной тайги.