Учёным ещё предстоит раскрыть многие тайны растений

В этом году Казанский научный центр Российской академии наук отмечает своё 75-летие. Сегодня КазНЦ – уже не просто филиал РАН в Казани, он имеет статус федерального исследовательского центра, здесь ведутся фундаментальные исследования мирового уровня. О некоторых перспективных направлениях работы казанских учёных мы будем рассказывать в течение юбилейного года.

Нашим первым собеседником стала заведующая отделом физиологии и молекулярной биологии растений Казанского института биохимии и биофизики ФИЦ «КазНЦ РАН», доктор биологических наук, заслуженный деятель науки РТ, профессор Татьяна Горшкова.

– Татьяна Анатольевна, мало кто знает, что это за наука такая – физиология растений…

– Эта наука изучает процессы, происходящие в растительном организме. Мы зачастую недооцениваем растения, не понимаем их глобальную роль в жизни нашей планеты. К ним даже сформировалось полупренебрежительное отношение. «Ботаник», «овощ» – это ведь всё про отношение к растениям. Хотя они – сложнейшие живые организмы, устроенные во многом не так, как мы с вами. И на них базируется жизнь всей биосферы на планете. Они дают нам кислород, обеспечивают органикой всё живое. Наши еда, одежда, а иногда и дома – всё это тоже из растений. И если нам хочется, чтобы всё это было удобнее, лучше, качественнее, больше, полезнее, нужно понимать, как и что можно изменить в растениях. Собственно, наша наука и пытается фундаментально понять, как устроено растение и как в нём можно изменить какие-то процессы для обеспечения нужных нам свойств.

Когда-то Джонатан Свифт написал: кто вырастит два пшеничных колоса там, где раньше рос один, заслужит вечную благодарность человечества. Физиологи растений научились выращивать несколько раз по два. Да, какие-то из предложенных ими технологий были основаны на тех подходах, которые мы сейчас плохо принимаем, например на удобрениях. Хотя удобрения удобрениям рознь, их важно грамотно применять. Но сравните, например, любой дикий злак с его «сородичем», что имеется у нашего сельского хозяйства благодаря науке. Колоссальная разница! В этом деле без фундаментальной науки просто невозможно. Вот вам, скажем, захотелось вывести более устойчивый к засухе или к заморозкам сорт. А что в нём нужно поменять, чтобы добиться желаемого эффекта? И как поменять?

В общем, познать растение, наверное, так же сложно, как познать человека, и работы у нас непочатый край.

Важнейшее перспективное направление, над которым работают физиологи растений, – это оптимизация фотосинтеза. Сейчас мы используем лишь доли процента солнечной энергии, и всё время стоит задача – как можно попробовать увеличить этот процент, создать более эффективные системы? Тут надо учиться у растений

– К вопросу о том, что и как менять в растениях. Многих сейчас это волнует. Трансгенные технологии, ГМО… Есть ли здесь всё же опасность или обыватель просто живёт в плену мифов?

– Профессиональные биологи прекрасно понимают, что при правильно поставленной технологии никаких принципиальных опасностей тут нет. Конечно, пока эти технологии на стадии становления. И биологи не всегда сразу могли осознать возможность побочных эффектов, технология создания генетически модифицированных организмов на первых этапах имела определённые проколы. Но те первые эксперименты до практики не дошли, сейчас технология вышла на совершенно другой уровень. Сегодня говорят не столько о трансгенных растениях, сколько о редактировании геномов. Это намного безопаснее.

– Обывательские страхи тормозят науку?

– В истории про трансгены намешано много вообще ненаучного. Очень много политики и экономики. Например, когда в Европе объявляли мораторий на использование ГМО, это в большой степени было связано со страхом экспансии американской продукции на европейский рынок, поскольку на тот момент Европа катастрофически отставала от США по этой технологии.

– Вернёмся к тому, что растения дают нам еду, одежду и воздух. По прогнозам физиологов растений, что ещё может человек от них получить? В каком направлении тут движется наука?

– Один из современных трендов – это понимание экологичности функционирования растений. Мы, по идее, должны переходить от конструкций из бетона, стали и стекла, которые не разлагаются в природе, на более естественные материалы, созданные, например, на принципах, характерных для растений. Сейчас это направление очень активно развивается. Речь идёт как о сравнительно простых инновационных материалах на основе той же целлюлозы (основного строительного материала растений), так и о создании, если хотите, целых городов или хотя бы мегастроений, где будет, например, не полная изоляция от внешней среды, а тонкая подстройка под неё – когда у вас окна открываются в зависимости от освещённости, поры в стенах регулируются в зависимости от влажности или температуры.

Ещё одно перспективное направление нашей науки связано с полисахаридами. Растения умеют создавать и использовать полисахариды несопоставимо эффективнее, красивее, лучше, чем мы. Мы обычно про полисахариды вспоминаем при обсуждении каких-нибудь диет. На самом деле человечество всё время кормилось за счёт полисахаридов, потому что до сих пор основная пища людей – это синтезируемый растениями крахмал

– Пока это звучит немножко фантастично…

– В Европе уже довольно давно создают так называемые экологичные дома, у которых крыши – это фотосинтезирующие организмы, которые производят продукты, поступающие в обогревательную систему. Это сложные конструкции, над которыми работают десятилетиями. Журналы, посвящённые современному интеллектуальному строительству, публикуют статьи о том, как специалисты пытаются использовать принципы устройства клеточных стенок растений, чтобы поменять парадигму в строительстве. Учёные пытаются понять принципы работы растительных материалов и сочетать их с какими-то добавками, полимерами, которые могли бы на тех же принципах функционировать более эффективно. Например, обеспечить материалам долговечность в разумных пределах. Ведь, с одной стороны, мы все утомились от того, что бетонные конструкции тысячелетиями не разлагаются и из пластика уже сформировались острова в океане. А с другой стороны, когда сделанный из растительного сырья бумажный пакетик от дождя тут же размок и всё из него вывалилось – нам это тоже не нравится. Поэтому ищут баланс.

Важнейшее перспективное направление, над которым работают физиологи растений, – это оптимизация фотосинтеза. Сейчас мы используем лишь доли процента солнечной энергии, и всё время стоит задача – как можно попробовать увеличить этот процент, создать более эффективные системы? Тут надо учиться у растений.

Очень серьёзно исследуются вопросы фитопатологии. У нас множество новых болезней растений, причём отчасти мы сами усложнили ситуацию – эти бесконечные пестициды, применение которых резко ускоряет мутационные процессы у микроорганизмов… У нас ведь основной подход к борьбе с болезнями и растений, и человека – убить микробов! Сейчас уже понятно, что всё не так просто, что клеток микроорганизмов в нас больше, чем наших собственных, и кто кем рулит – ещё большой вопрос. Тут тонкая взаимосвязь, и нельзя совсем избавляться от микробов, потому что это место сразу займут другие, зачастую более вредоносные. А те, что у нас есть, помогают нам справляться с целым рядом проблем. Всё то же самое у растений. Нужны совершенно новые подходы в сельскохозяйственной практике их защиты.

Ещё одно перспективное направление нашей науки связано с полисахаридами. Растения умеют создавать и использовать полисахариды несопоставимо эффективнее, красивее, лучше, чем мы. Мы обычно про полисахариды вспоминаем при обсуждении каких-нибудь диет. На самом деле человечество всё время кормилось за счёт полисахаридов, потому что до сих пор основная пища людей – это синтезируемый растениями крахмал.

К полисахаридам относится и целлюлоза – широко используемый полимер, сотни миллиардов тонн которого растения производят ежегодно. Этот полисахарид устроен очень просто с химической точки зрения. Поэтому его уже давно пытались химически синтезировать, чтобы не вырубать леса. Бились несколько десятилетий. Поняли: нужно учиться у растений, как они это делают. Оказалось, что система тут ничуть не менее сложная, чем при создании ДНК или белка. А ведь это самый простейший из полисахаридов, что вырабатывают растения. Степень сложности других нам даже не снилась. Но если мы во всём этом разберёмся, то сможем существенно продвинуться в целом ряде технологий, потому что растение из полисахаридов делает самые разные вещи – и транспортные, и сигнальные системы, и барьерные защитные сооружения.

Да, у растений есть сложно организованная реакция на воздействие. Растение вынуждено принимать решения. Вот растёт корешок вглубь земли. Ему направо пойти или налево? Или вообще боковые побеги пустить? Можно ли сказать, что растение, принимая такие решения, думает? Скажем так: у него есть специфический центр организации

– Благодатное воздействие природы на человека, в первую очередь растений, – это из области психологии или всё же физиология тоже работает?

– Тут есть оба компонента. Есть и фитонциды, летучие соединения, которые на нас воздействуют. Есть вопросы баланса кислорода и углекислого газа. Но, конечно, мы получаем от растений и просто эстетическое удовольствие. Такое разнообразие форм, цветов, оттенков, причём в спокойной гамме, кто ещё нам подарит, как не растение? Это, кстати, с моей точки зрения, одна из основных причин, почему растения нужны в космосе, если человек туда отправится.

С другой стороны, есть много спекуляций во всех этих разговорах о воздействии растений на нас и нас на растения. Например, утверждения, что растения предпочитают Моцарта Вивальди… Я всегда в этом случае говорю: покажите мне грамотно поставленный эксперимент! Не так, что кому-то показалось, как один цветок на подоконнике шевельнул вдруг лепесточком, а научно обоснованные доказательства. Я очень люблю растения и готова поверить, что они могут гораздо больше, чем мы пока знаем, но при всей своей любви не очень верю в справедливость подобных утверждений. Такие мифы дискредитируют науку.

– Но всё же мы говорим: растения – живые существа. Естественный вопрос: а мыслят ли они, чувствуют ли?

– Главное – определиться с тем, что мы называем разумом и чувствами. Да, у растений есть сложно организованная реакция на воздействие. Растение вынуждено принимать решения. Вот растёт корешок вглубь земли. Ему направо пойти или налево? Или вообще боковые побеги пустить?

Можно ли сказать, что растение, принимая такие решения, думает? Скажем так: у него есть специфический центр организации. Да, электрические сигналы, безусловно, есть. Они служат передачей информации от вершков к корешкам, к примеру. Есть и особые, присутствующие только в растениях сигнальные системы. Их изучению в нашем институте уделяют много внимания.

Или возьмём «мускулы». Это то, что мы непосредственно изучаем сейчас. Казалось бы, это вещь, которая у растений отсутствует, а у животных процветает. Так? Не так. Потому что у растений тоже есть клетки, способные обеспечивать контрактильность (способность к сокращению) тканей. Благодаря этому, например, наклонённое дерево может подняться, что все видели много раз. Или попробуйте клевер выдернуть из почвы. У него нижняя часть стебля и корень сократились до такой степени, что выдернуть их очень тяжело. Потому что есть клетки, обладающие контрактильными свойствами, но совершенно по другому принципу устроенные, чем у животных. Так что мы используем по отношению к растениям термин «мускулы», но в кавычках.

– Казанская школа физиологии растений – какое место она занимает в мировой науке?

– Начнём с того, что в настоящее время она стоит на плечах конкретного человека – академика Игоря Анатольевича Тарчевского. Мы все его ученики, ученики учеников, ученики учеников учеников… В России мы, безусловно, в числе лидеров, это признано всеми. Это было очевидно и на IX съезде Общества физиологов растений России – очень масштабном мероприятии, которое мы проводили в прошлом году. Есть целый ряд направлений, где мы уже хорошо известны за рубежом, печатаемся в очень серьёзных журналах, нас приглашают с докладами на ключевые международные конференции, к нам приезжают иностранные коллеги. Так что нас знают во всём мире, мы достойно представляем Казанскую научную школу на международной арене.