Как формируется дерево?

Как и обещали, мы начинаем выкладывать лучшие материалы последнего номера журнала «Экология Поморья». И стартуем с ученых ФИЦКИА РАН, которым есть чем похвастаться.

Итак, кто знает, как формируется дерево?

Казалось бы, человечество уже полстолетия осваивает космос. Но при этом мы очень мало знаем о нашей родной планете. В частности, до сих пор не понятно, как происходит химический процесс формирования дерева. Сколько химических элементов и в каких сочетаниях задействует природа, чтобы соединить несоединимое и получить то живое, что мы видим из своего окна.

Над этим вопросом уже много лет работают несколько ученых лаборатории химии растительных биополимеров ФИЦКИА УрО РАН и добились определенных успехов.

— Мы рассматриваем процессы формирования дерева с химической точки зрения и выявляем основные маркеры, которые свидетельствуют о том, готов ли сеянец к пересадке в естественную среду или ему не хватает питательных веществ, чтобы сформироваться окончательно и не погибнуть при стрессовом воздействии, когда его переносят в естественные условия, —  рассказывает директор Института экологических проблем Севера ФИЦКИА УрО РАН, главный научный сотрудник лаборатории химии растительных биополимеров, д.х.н.,профессор  Константин Григорьевич Боголицын.

По словам ученого, такое направление работы стало результатам длительного исследования фундаментальных процессов формирования отдельных компонентов дерева, основных химических составляющих, которые формируют древесную матрицу. Архангельские химики выявили отдельные компоненты и определили, какую роль они играют на различных стадиях формирования дерева, его роста и т.д.

Опытной площадкой для ученых уже третий год служит питомник ГК «УЛК», где выращивают саженцы сосны и ели с закрытой корневой системой, полностью подходящие для климатических условий Архангельской области. Ведь суровый северный климат накладывает серьезный отпечаток на формирование дерева.

Наблюдения за тем, как сеянец проходит стадии развития от семечка до готового к высадке в естественную среду саженца позволило определить существующие маркеры (химические компоненты), какие из них наиболее представительные, в каких параметрах, диапазонах значений они должны быть, чтобы дерево «созрело».

— Это очень длительный процесс, поскольку мы наблюдаем формирование дерева в реальном времени. А дерево не может расти быстрее. Выявленные нами эффекты должны подтверждаться на второй год, на третий год. Только тогда можно говорить о том, что выявленные маркеры действительно свидетельствуют о завершении определенных стадий в жизненном цикле формирования растительного объекта.  Кроме того, наши коллеги из УЛК вводят новые факторы, например, питательные среды, которые зрительно улучшают состояние саженцев. А мы с химической точки зрения определяем, почему это происходит: потому что ускоряются/изменяются естественные процессы биосинтеза или, наоборот, замедляются?  Таким образом, мы применяем междисциплинарный подход и получаем объективный параметр контроля данных процессов. Это актуальная задача, которая имеет и научную, и практическую значимость, — отмечает Константин Григорьевич.

Как пояснила заведующая лабораторией химии растительных биополимеров ФИЦКИА УрО РАН, кандидат технических наук  Мария Аркадьевна Гусакова. Сейчас более актуальны вопросы лесовосстановления  и сохранения лесных массивов.

— Биологи и биохимики работают на уровне клетки, с каллусными тканями, а с натуральным, живым материалом, мы, как химики, по сути, впервые начали работать, — подчеркивает значимость исследований Мария Гусакова.

В лаборатории исследуют сеянцы с двухнедельного возраста. Совсем крохотные ростки изучаются на содержание лигнина, углеводов и экстрактивных веществ. Такая проверка проходит каждый месяц, пока саженцу не исполнится год, когда начнётся процесс лигнификации дерева.

— Все исследуемые нами вещества формируются не одновременно. Сначала углеводные, потом лигнинные компоненты и экстрактивные вещества. Для промышленного производства, в частности целлюлозно-бумажного, интересна только целлюлоза, а лигнин, наоборот, надо убрать, т.к. он мешает производству бумаги. Но живому дереву лигнин необходим. В формировании дерева целлюлозу можно представить как арматуру, а лигнин в таком случае – бетон. Как не сделать прочную бетонную конструкцию без этих двух элементов, так и дерево не сможет расти без лигнина и целлюлозы. Экстрактивные вещества служат пластификаторами, защитой от патогенов, грибков. За рубежом проводятся эксперименты по генной модификации деревьев используемых в дальнейшем для химической переработки, с тем, чтобы снизить максимально содержание лигнина. Такие деревья дорастали до определенной высоты, а потом погибали, что доказывает – без этого компонента никуда. И основной акцент в наших работах мы даем на формирование лигнинного компонента. А также  смотрим, какой запас прочности накапливает сеянец за первый год жизни, до начала процесса лигнификации, — отмечает Мария Аркадьевна.

По результатам первых двух лет наблюдений в качестве маркера было выделено содержание кониферилового спирта – одного из многочисленных компонентов, которые служат для образования лигнина. 2020-й год (он является третьим в исследованиях) должен подтвердить или опровергнуть предположения ученых.

Следующий этап исследований будет связан с оценкой прочности связей между лигнинными компонентами. Это уже вопрос термодинамики. Главная задача – понять, как эти связи создает природа, и затем, с помощью природоподобных технологий создать собственные продукты.

Пока же определенным продуктом исследований является также четкая система анализов, позволяющая определить, приживется саженец в естественной среде или ему необходимо добавить определенных питательных компонентов для лучшего развития. И это уже большое достижение.

Врезка:

— Аналитических моделей процессов развития деревьев очень много. И у нас есть целый ряд публикаций в международных журналах, где мы показываем, что учитываемый физикохимический комплекс параметров позволяет рассматривать процессы формирования растительной матрицы как нанобиокомпозита .  Наша модель позволяет все наиболее значимые нюансы ( биологические,химические,физические) объединять и получать единую картину биосинтетических процессов. Например, если смотреть с чисто химической точки зрения, то дерево вообще существовать не может. Оно должно разваливаться сразу. Потому что существует химический антагонизм между целлюлозой и лигнином, они не могут образовывать межу собой прочные связи. Но у дерева именно эти два компонента основные. И взглянув в окно, мы видим, что дерево растет. А почему? Тут появляется третий компонент, который определенным образом воздействует на целлюлозу и лигнин, и они соединяются в комплекс. Так и процессы биосинтеза начинаются с элементарных компонентов в недельном сеянце. Это еще не целлюлоза, это ее «микрокирпичики», не лигнин, а его первооснова. И они начинают взаимодействовать между собой на первых стадиях, самоорганизовываться по природным законам. В результате таких хаотичных процессов появляются устойчивые образования, которые в дальнейшем развиваются, усложняются. И получается дерево.

Директор Института экологических проблем Севера ФИЦКИА УрО РАН, главный научный сотрудник лаборатории химии растительных биополимеров, доктор химических наук, профессор Константин Григорьевич Боголицын.

Врезка:

— Как растет дерево – до сих пор не известно. Понять, заглянуть туда, вовнутрь, не разрушив, нельзя. А если ты разрушил, то, значит, ты уже не увидишь истину. Все эти процессы интересны многим мировым ученым. Есть только модели, есть предположения. А вот четко сказать, как дерево будет расти, и особенно в наших северных условиях, пока невозможно.

Заведующая лабораторией химии растительных биополимеров ФИЦКИА УрО РАН, кандидат технических наук Мария Аркадьевна Гусакова.