Учёные выяснили, почему травмированные деревья не «истекают соком»
Исследователи из Виргинского технологического университета (США), Гёттингенского университета имени Георга-Августа (Германия) и Лаборатории Джексона (Бар-Харбор, Мэн, США) обнаружили, как «обратные клапаны» в древесных клетках контролируют поток сока и защищают деревья при повреждении.
Исследование, представленное на обложке сентябрьского номера American Journal of Botany, использовало специальный микроскоп, чтобы показать, как наноструктуры помогают локализовать повреждение в микроскопических полостях — окаймлённых порах (bordered pits) в клетках древесных волокон. Эти поры позволяют соку циркулировать между соседними клетками.
Раньше для изучения древесины на наноуровне её нужно было высушить, покрыть углеродом и поместить в высокий вакуум. Однако с помощью мощного конфокального лазерно-сканирующего микроскопа 4Pi учёные обнаружили, что окаймлённые поры заполнены сетчатой мембраной из нанофибрилл, которые расходятся от утолщённой центральной области — торуса (torus), подобно мишени.
Жидкости просачиваются внутрь через сетчатую мембрану, огибают торус и выходят с другой стороны.
«Когда древесина повреждена, например насекомым, или высушивается, как при камерной сушке пиломатериалов, торус и часть мембраны обычно смещаются от центра поры к одной из сторон, чтобы запечатать её отверстие», — пояснил Барри Гудделл, профессор устойчивых биоматериалов в Виргинском технологическом университете.
Используя химические метки для окрашивания пектина в красный, а целлюлозы в зелёный цвет, исследователи впервые увидели, что пектин окружает торус и образует кольцевидные структуры на его краю. Ранее учёные не знали о наличии пектина в этих уникальных кольцевидных структурах мембраны. В процессе запечатывания поры пектин разделяется: его основная часть втягивается в отверстие, чтобы заблокировать его, а внешняя часть образует бахрому вокруг торуса.
«Это помогает объяснить, как деревья изолируют клетки древесины, чтобы хвойные породы не "истекали соком" при повреждении. Без пектина дерево не может защитить себя и изолировать повреждённые клетки», — отметил Гудделл.
Механизм работы «клапана» объясняется простой физикой. При повреждении дерева сок начинает вытекать, а воздух — поступать внутрь. Это изменяет парциальное давление, и окаймлённая пора закрывается, подобно обратному клапану в сантехнических системах. Перемещение и перераспределение пектина также является реакцией на эту разницу парциальных давлений. Кроме того, при движении воды в клетках пектин в определённых участках клеточной стенки набухает, образуя гель, что уменьшает размер пор и снижает поток воды.
Исследователи предполагают, что кольцо пектина вокруг торуса действует как буфер, снимая механическое напряжение при деформации мембраны поры и предотвращая отрыв или разрыв более жёстких целлюлозных нитей.
Функции системы окаймлённых пор многообразны:
- В живом дереве она позволяет соку подниматься вверх, одновременно помогая предотвращать эмболии — распространение воздушных карманов.
- В упавшей на лесную подстилку древесине она контролирует скорость продвижения грибов через клетки, вызывающих разложение, и, в конечном счёте, скорость возвращения углерода в атмосферу.
- В древесных материалах запечатанные клетки волокон делают некоторые породы деревьев трудными для сушки — самого дорогого этапа обработки древесины. Это также может затруднять обработку и фракционирование древесины — первый шаг в извлечении природных химических веществ для производства продуктов от медицинских полимеров до сахаров, используемых в биоэнергетических системах.