Н Хоровиц - Поиски жизни в Солнечной системе
Выживание таких растений критическим образом зависит от обильного, хотя и редкого орошения земли дождями. Другим потенциальным источником воды являются водяные пары, которые присутствуют в атмосфере даже в самых
засушливых земных пустынях в огромных - по марсианским стандартам-количествах. При высокой дневной темпера туре относительная влажность воздуха в пустынях очень низкая, однако ночью, когда температура резко понижается, воздух многих пустынь на Земле насыщается парами воды, которые затем конденсируются в виде росы или тумана. Эти источники воды не играют важную роль в жизни растений (за исключением, пожалуй, лишь произрастающего в Чили кустарника Nolana mollis), и среди высших растений не) достоверно установленных примеров использования паров воды в процессе фотосинтеза и роста. Листья некоторых растений, например бромелиевых*, поглощают водяные пары из атмосферы, что способствует их выживанию. Но растению трудно сделать это в таких количествах, чтобы обеспечить свой рост, поскольку даже в насыщенном парами воздухе количество воды незначительно. Например, 1 г жидкой воды занимает объем в 1 см^, тогда как то же количество воды в виде пара в воздухе, насыщенном водяны ми парами при 25 'С, занимает объем 43 500 см^ Излишне говорить, что процесс поглощения растениями водяных па ров протекает чрезвычайно медленно.
Выло обнаружено, что кустарник Nolunu moUis, который растет в пустыне Атакама на севере Чили, конденсирует из атмосферы пары воды, выделяя соли (главным образом NaCI) через специальные солевые желёзки своих листьев. Пары воды конденсируются на листьях, когда их давление в атмосфере превышает давление паров выделяемого раствора соли. Хотя относительная влажность воздуха в этом районе Чили даже ночью редко превышает 80%, конденсат образу ется в достаточном количестве-даже капает с листьев, увлажняя землю. Возможно, хотя и не доказано, что при высокой влажности, когда конденсируется довольно много воды, на листьях образуется раствор соли концентрацией ниже некоторого определенного критического значения, ко торый, попадая в почву, может вписываться корнями расте ний. Затем соли выводятся, а вода используется растением. Как мы увидим далее, подобный механизм существует и у насекомых.
Было установлено, что некоторые лишайники, произ растающие в пустыне, также используют для фотосинтеза пары воды. Как и прочие микроорганизмы, лишайники не
* Семейс1 но рас гений тропических районов Америки. Прим. персе.
создают постоянной внутренней среды для своих клеток, которые должны выживать в изменяющихся условиях. Если говорить о лишайниках пустынь, то это означает, что они могут длительное время существовать в обезвоженном по коящемся состоянии и быстро активизироваться при контак те с водой. Жизнедеятельность пустынных лишайников зави сит обычно от туманов или рос, которые обеспечивают их жидкой водой, но у некоторых видов лишайников чистый фотосинтез (превышение образования продуктов фотосинте за над распадом углеводов в процессе метаболизма) возмо жен и при использовании только паров воды. Ланге и его коллеги показали, что Rumalina maciformis (лишайник, про израстающий в пустыне Негев) способен к фотосинтезу, когда относительная влажность воздуха превышает 80%. Было установлено также, что и антарктические виды лишай ников используют для фотосинтеза пары воды. Очевидно, что, когда единственным источником влаги служат пары, рост происходит очень медленно.
Животные пустынь. Животные, обитающие в засушли вых зонах, не запасают воду, а иногда даже и не пьют ее. Скорее всего, они сами производят ее и сохраняют. Вопреки глубоко укоренившемуся представлению верблюд в действи тельности воду не запасает. Однако он способен выживать при значительном обезвоживании, выдерживая и преодоле вая существенный недостаток воды. К числу наиболее инте ресных животных, не пьющих воду, относится кенгуровая крыса Dipodomys merriami, мелкий грызун, обитающий в пустынях Аризоны и Калифорнии (он подробно описывается в прекрасной работе Кнута Шмидта-Нильсена [28]). В нор мальном состоянии кенгуровая крыса воду не пьет, даже если она имеется. По существу, всю необходимую воду это животное получает, окисляя органическое вещество (глав ным образом, углеводы), содержащееся в семенах и сухих растениях, которыми оно питается. Все аэробные организмы непременно производят воду в процессе метаболизма, но выживать только за счет такой воды способны лишь очень немногие животные.
Кенгуровая крыса-ночное животное: в течение жаркого дня она остается в подземной норе, где при относительно низкой температуре поддерживается высокая влажность. Кроме того, потеря воды из-за испарения ее телом сведена у этого животного до минимума благодаря отсутствию пото вых желёз, выделению очень концентрированной мочи, сухих фекалиев и малой потере воды при дыхании. В лаборатор
ных опытах Шмидт-Нильсен показал, что кенгуровая крыса может неограниченно долго жить без воды, питаясь сухим ячменем, при относительно низкой влажности-около 24%. При 10%-ной относительной влажности животные начинают терять вес, как бы сигнализируя этим, что при такой или более низкой влажности они не в состоянии поддерживать водный баланс. Когда при нормальной влажности их вместо ячменя кормили соевыми бобами, они выделяли так много мочи (вследствие высокого содержания белка в бобах), что вынуждены были пить воду для подддержания ее баланса. Кенгуровые крысы наделены такими мощными почками, что способны пить даже морскую воду!
Как видно из табл. 5, механизмы приспособления, выра ботанные кенгуровой крысой для жизни в пустыне, не свя заны с каким-либо уменьшением основных водных потреб ностей клеток ее организма: водная активность крови Dipodomys фактически такая же, как и нашей собственной. Следует понять, что животные, которые не пьют воды, тем не менее ее используют. Питаясь растениями, они потребля ют воду, входящую в состав продуктов фотосинтеза. Таким образом, углевод, который Dipodomys превращает в воду, как бы представляет собой источник воды [см. реакцию (4) на с. 76].
Многие насекомые, обитающие в условиях ограниченно го доступа влаги, например мучной хрущак Tenebrio molitor, в изобилии паразитирующий в муке и зерне, живет за счет воды, полученной в процессе метаболизма. Кроме того, Tenebrio и некоторые другие насекомые используют также пары воды, которые они способны улавливать из ненасыщен ной атмосферы. Для этой цели Tenebrio выработал особый механизм-он заключается в образовании концентрирован ного солевого раствора в маленьких трубочках, связанных с кишечником, в котором абсорбируются пары воды, про никающие через стенку кишечника. Таким образом Tenehrio может получать воду из атмосферы, относительная влаж ность которой не превышает 88%. Поскольку давление пара в жидкостях тела этого насекомого (см. табл. 5) значительно выше указанного, для приобретения этой воды Tenebrio должен затрачивать определенную энергию. Сообщалось, что и другие насекомые способны извлекать пары воды из атмосферы всего лишь с 45%-ной относительной влаж ностью. В этих случаях для конденсации паров воды исполь зуются, по-видимому, не минеральные соли, а хорошо растворимые органические соединения.
Микроорганизмы
Жизнь в рассолах и сиропах. Как и другие клетки, микро организмы живут только в водных растворах, исключая период состояния покоя. Многие из них способны функцио нировать при гораздо более низкой водной активности, чем клетки высших растений и животных. Однако большинство видов микроорганизмов может развиваться при величине водной активности не ниже 0,90. Еще до того, как возникла наука, люди использовали это обстоятельство: хранили мясо и рыбу в сушеном или соленом виде. Фрукты хорошо сохраняются в насыщенном растворе сахарозы, каковым является, например, джем. Иногда и такие продукты портят ся, что свидетельствует о способности некоторых организ мов развиваться при водной активности 0,85 и даже 0,75 (см. табл. 5). Самая низкая водная активность, при которой зарегистрирован рост микроорганизмов, составляет 0,61. При такой водной активности в растворе сахара медленно растут плесневый грибок Хеготусе.ч hisporus и дрожжи Saccharomyces rouxii, хотя и тот и другой организмы пред почитают большую концентрацию воды. Например, для роста Xeromyces оптимальна а^ = 0,92. Способность раз виваться при д" = 0,75 и ниже обнаружена не только у дрожжей и плесени, но также и у некоторых бактерий и водорослей.
Может быть, эти микроорганизмы способны переносить низкую водную активность окружающей среды благодаря тому, что могут поддерживать высокую водную активность внутри клеток, т. е. там, где протекают основные химические процессы? Нет, это не так. Клеточные мембраны хорошо проницаемы для воды, так что предложенное объяснение неверно. Дело в том, что эти организмы научились жить при такой водной активности среды. (В обзоре А. Д. Брауна [3] описаны различные физиологические механизмы, которые делают возможной такую адаптацию.)
