Как мы знаем, ботаника - наука, изучающая растения. До появления человечества на Земле существовали животные, а до них - растения. Но что мы знаем о растениях и действительно ли так хорошо знаем об их появлении на Земле? О происхождении высших растений и их изучении путем научных экспериментов «Научной России» рассказал доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой высших растений биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова Дмитрий Дмитриевич Соколов.
- Известно, что растения – одни из первых живых организмов, которые стали заселять нашу планету. Как это происходило?
- Мы занимаемся высшими растениями. Они эволюционировали как группа преимущественно наземных растений. Когда растения оказались на суше и как появились высшие растения - это одна из самых больших загадок нашей науки. Как же и когда всё это получилось? Древнейшие страницы истории практически любой группы организмов окутаны тайной. Какую группу ни возьми, там обязательно будет тайна. Разгадывать тайны – это самое интересное. Для этого мы и занимаемся наукой. Есть большой интерес и к тайнам возникновения цветковых растений, которые возникли в начале мелового периода. Самые древние находки высших растений – это не целые растения, а один слой оболочки конкретной клетки – споры (это одна из стадий жизненного цикла). Эта клетка покрыта у высших растений особой оболочкой из очень прочного биополимера спорополленина. Он состоит из тривиальнейших элементов – углерода, кислорода, водорода, но достаточно точно установить химическую структуру спорополленина (и то только для одного вида растений) удалось лишь пару лет назад. Оболочку споры мы можем найти в ископаемом состоянии. Она хорошо сохраняется. Глядя на оболочки спор, можно говорить о появлении каких-то высших растений. Мы знаем, что одновременно с высшими растениями на суше появились и грибы. Они с самого начала тесно взаимодействуют друг с другом. Где-то через много-много времени после появления растений на суше мы имеем геологические отложения, изучая которые можно узнать о растениях удивительно много подробностей. Это отложения из нижнего девона Северной Шотландии. Мы имеем детальные сведения о жизненном цикле и особенностях строения довольно большого числа видов высших растений, которые обитали в этом районе в те далекие годы (примерно 400 миллионов лет назад). Одна из общих черт всех этих растений – небольшие размеры: их высота не превышала 30 сантиметров. Но одновременно с ними на суше существовали организмы высотой до 8 метров и диаметром до 1 метра. До сих пор ведутся споры о том, к какой группе относились эти вымершие гиганты, но почти наверняка они не были высшими растениями.
- Дмитрий Дмитриевич, расскажите о деятельности кафедры высших растений.
- Мы в широком ключе занимаемся описанием разнообразия высших растений. Многие могут подумать, что все эти виды уже известны науке и детально изучены. На самом деле ученые регулярно открывают и описывают огромное число новых видов. Но это даже не самое главное. Даже известные науке виды зачастую очень плохо изучены. Есть виды, которые ученые никогда не находили во время цветения, и мы все еще не знаем, например, какие у них лепестки и тычинки. Внутреннее строение растений на разных стадиях их развития, особенности поверхностей различных структур, изучаемые при большом увеличении, открывают бездну информации. Мы умеем извлекать и интерпретировать эти данные. У нас это поставлено на хороший поток. Дальше встает вопрос: почему каждое растение именно такое? В чем приспособительное значение тех признаков, которые мы наблюдаем, и всегда ли наблюдаемые детали строения связаны с выполнением каких-то ясных функций? Как сложный организм растения возникает в процессе индивидуального развития? Этот вопрос имеет далеко не только теоретическое значение. Он вплотную связан с технологиями микроклонального размножения растений, которые широко используются сейчас для практических целей, в том числе у нас на кафедре. Как происходила эволюция растений? Всё, что касается эволюции, - это предмет нашего особого интереса. Об эволюции мы можем судить, с одной стороны, по ископаемым – прямым свидетельствам. С другой стороны – по косвенным, но очень детальным свидетельствам, а именно путем сравнения структуры ДНК у различных видов современных растений. Из этого можем извлекать огромную информацию. Отдельное направление – изучение пыльцевых зёрен. Сейчас, весной, прежде всего вспоминают о том, что у людей бывает аллергия на пыльцу. У разных людей аллергию может вызывать пыльца разных растений, и цветут эти растения в разное время. У нас ведется постоянный мониторинг концентрации пыльцы разных видов растений в атмосфере, причем не только аллергенных. Это очень важное направление фундаментальных исследований. В воздухе концентрация пыльцы меняется. С чем это связано? Оболочки пыльцевых зёрен и спор, как правило, хорошо сохраняются в ископаемом состоянии. Как я уже говорил, они содержат спорополленин. По остаткам пыльцевых зёрен и спор можно проводить реконструкцию изменений растительности и климата на различных отрезках времени, выявлять случаи глобальных потеплений и похолоданий. Данные споро-пыльцевого анализа широко используются геологами, в том числе в связи с разведкой полезных ископаемых.
- В разработках вы применяете анализ ДНК?
- Конечно. Заниматься современной биологией и не использовать молекулярные данные невозможно, потому что информация, которая содержится в последовательности нуклеотидов ДНК говорит очень многое о том, как эволюционировали растения. Важная проблема эволюционной биологии состоит в том, что молекулярные данные доступны только для современных и очень недавно умерших организмов. Замечательно, что мы можем извлечь ДНК из гербария образцов XX и XIX веков и сравнить эти образцы между собой и с живыми растениями. Однако нет, например, никаких шансов изучить ДНК растений, остатки которых образовывали в каменноугольном периоде тот самый каменный уголь. О родственных связях этих ископаемых может рассказать только их морфолого-анатомическое строение. А это значит, что для полного понимания эволюции растений нам необходимы очень глубокие знания внешнего и внутреннего строения не только вымерших, но и современных растений.
- Над чем сейчас вы работаете? Какие исследования проводите на кафедре?
- Мы занимаемся цветками. Как они появились? Это большая загадка. У растений юрского периода цветков еще не было, а к середине следующего, мелового периода, разнообразие цветковых растений уже было очень большим. Те люди, которые особенно настойчиво пытаются найти цветки юрских растений, зачастую находят их. Вероятно, они совершают ошибки. По крайней мере, опубликованные находки такого рода пока удавалось убедительно опровергнуть. Сейчас мы изучаем очень древнее современное цветковое растение – роголистник. Это одно из тех загадочных растений, которые на самом раннем этапе, как только возникли цветковые растения, сразу приспособилось к подводному образу жизни, даже цветение и опыление у него происходит под водой. Хотя большинство высших растений обитают на суше, среди них есть и такие. Для того, чтобы понимать, как шла эволюция цветков, очень важно правильно интерпретировать то, что мы видим. Это очень сложная задача. Например, есть разные мнения о том, что именно у роголистника является цветком!
- Совсем недавно на факультете установили специальный электронный высокоразрешающий микроскоп. В чём его главная цель? Как он будет работать?
- Сканирующий электронный микроскоп Quattro S производства фирмы Termo Fisher Scientific позволяет достигать бОльших увеличений, глубже проникать в тонкое строение живых организмов, работать с материалом без напыления его тонким слоем металла, проводить анализ распределения различных химических элементов в исследуемом образце. Ранее работы в области сканирующей электронной микроскопии мы выполняли только с напылением. Наш влажный живой объект было необходимо аккуратно зафиксировать с помощью специальных реагентов, затем провести так называемую сушку в критической точке, чтобы он максимально полно сохранил прижизненные свойства своей поверхности. При определенном сочетании давления и температуры можно добиться процесса высыхания, который минует фазовый переход. Это позволит проводить высушивание без образования поверхностной плёнки, вызывающей огромные деформации объекта. Сушка в критической точке позволяет оставить поверхность почти точно такой же, но совершенно безводной. Отсутствие паров жидкости – непременное условие работы в обычных сканирующих электронных микроскопах. В общем, это была довольно сложная методика и, главное, обратим внимание на то, что поверхность может получиться почти, но все же не совсем такой же, как у живого организма. Это «почти» становится тем критичнее, чем с бОльшими увеличениями мы работаем. Новый микроскоп многое упрощает в нашей работе. Во-первых, он позволяет не обезвоживать объект, а изучать его в прижизненной влажности. Во-вторых, можно не напылять его поверхность металлом. Таким образом, мы можем сразу работать с объектом в практически прижизненном состоянии с очень большим увеличением. Это открывает большие новые возможности.
- Имеется ли другая модификация подобного микроскопа, на котором можно получать высокие результаты?
- Конечно, за границей таких микроскопов достаточно много. Есть они и у нас в стране. Наша задача брать идеями и материалами. Работать с такими организмами, которые никто и никогда не изучал. Мы должны идти от уникальных вопросов, уникальных объектов. У нас есть огромные коллекции живых и специальным образом собранных растений из разных районов нашей страны и многих других областей Земли. Благодаря успешной работе А.П.Серегина и его команды миллион образцов Гербария Московского университета отсканированы и доступны в открытом доступе для каждого в интернете. Уникальные живые коллекции растений поддерживаются в Ботаническом саду благодаря ежедневной работе очень опытных специалистов. Это ценнейший материал, в котором основа наших успехов в науке.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.
Беседовала Анна Посохова
