К истории исследовании фотосинтетическоИ деятельности растений в Хибинах

УДК 581.1

К ИСТОРИИ ИССЛЕДОВАНИИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТЕНИЙ В ХИБИНАХ

Н.Ю. Шмакова, О.В. Ермолаева, Л.М. Лукьянова

Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина КНЦ РАН

Аннотация

Представлена ретроспектива исследований фотосинтетической деятельности (фотосинтез, дыхание, содержание пигментов пластид) растений Кольского Севера более чем за 80 лет (1925-2010).

Ключевые слова:

история науки, физиология растений, фотосинтез, Хибины.

Хибинский горный массив представляет собой естественную лабораторию, где при небольшом перепаде высот сменяются растительные пояса от подзоны северной тайги до горной полярной пустыни, меняются типы сообществ под влиянием экспозиции склонов, уровня снежного покрова, температурных инверсий и других факторов среды.

В 1925-1930 гг. С.П. Костычевым с сотрудниками впервые осуществлено широкое экологофизиологическое изучение ассимиляционного процесса растений в естественных условиях разных ботанико-географических зон. Одним из районов, отличающихся крайними условиями

существования, был Кольский п-ов - побережье Баренцева моря [1]. Эта работа дала представление

об интенсивности наблюдаемого фотосинтеза у ряда растений дикой флоры Мурманского побережья (Rubus chamaemorus L., Rumex acetosa L., Phleum pratense L.). Несмотря на примитивность используемого метода, тщательность работы позволила авторам сделать весьма интересные выводы: о круглосуточном фотосинтезе при открытых устьицах во время летнего солнцестояния, об

одновершинном суточном ходе фотосинтеза с максимумом около полудня и минимумом после

полуночи.

В 1931 г. в Хибинах был создан Полярно-альпийский ботанический сад (ПАБС). По идее

Н.А. Аврорина [2], первого директора, задачи его состояли в комплексном изучении растительности региона и интродукции новых полезных видов растений. Н.А. Аврорин писал, что «для углубления интродукционных исследований необходима детальная система жизненных форм растений, которую мы ждем от экологов-морфологов и экологов-физиологов». Поэтому в 1936 г. была организована лаборатория физиологии растений под руководством Г.Э. Шульца. На материале местных растений и уже созданной коллекции интродуцентов он выявил различия по фотопериодической реакции и накоплению органического вещества у многих (37) видов растений.

Хибины и ПАБС стали экспериментальной базой для исследований растений Севера. Так, в 1938-1939 гг. на территории Сада вела работы Кольская экспедиция отдела экологии Ботанического института им. В.Л. Комарова АН СССР. А.Н. Данилов и В.А. Мириманян [3] изучали фотосинтез и дыхание 7 дикорастущих видов в лесном поясе (300 м н.у.м.) и на границе с ерниковой тундрой (350 м). Авторами было показано, что дневной ход фотосинтеза прямо зависел от освещенности и температуры, одновершинную кривую можно наблюдать только в дни с выравненными условиями, в ночные часы полярного дня фотосинтез не был обнаружен, что объяснялось слабым освещением при заходе солнца за вершины гор.

В 1957 г. сотрудница лаборатории фотосинтеза БИН АН СССР Т.П. Штанько собрала материал по изменению интенсивности фотосинтеза во время полярного дня. Впервые в природных условиях была измерена величина потенциальной интенсивности фотосинтеза радиоактивным методом, изучено действие и последействие температуры и света. Суточный ход потенциальной интенсивности фотосинтеза у Vaccinium myrtillus , Vaccinium vitis-idaea L., Oxyria digyna (L.) Hill. и

Betula nana L. был одновершинным с отсутствием в ночные часы, т.е. аналогично данным предшественников.

В 1960-1963 гг. на экспериментальном участке Сада работали сотрудники лаборатории эволюционной и экологической физиологии ИФР АН СССР, руководимой А.А. Шаховым. Изучение фотосинтеза и дыхания сельскохозяйственных культур (картофель, пшеница и др.) показало, что у этих растений во время полярного дня фотосинтез осуществляется и в ночные часы, а в процессе приспособления к условиям Крайнего Севера изменяется энергетика физиолого-биохимических процессов в сторону более полного усвоения лучистой энергии [4]. С.А. Станко определял фотосинтез у дикорастущих растений и интродуцентов с разным в течение сезона содержанием пигментов пластид и клеточного сока. Совместно с физиологами ПАБС были проведены исследования сезонного накопления пигментов пластид и антоцианов в листьях местных и интродуцированных растений [5, 6], для некоторых видов показана важная физиологическая роль антоцианов в усвоении света.

В начале 1960-х гг. сотрудницей ПАБС И.Д. Шматок были продолжены радиоуглеродные исследования фотосинтеза [7]. В качестве объектов выбраны местные растения (Vaccinium myrtillus, Solidago lapponica, Chamaenerion angustifolium (L.) Scop.) и интродуценты (Polygonum Weyrichii F. Schmidt., Bergenia crsssifolia (L.) Fritsch. и Populus suaveolens Frisch). Автором сделаны следующие выводы: интенсивность потенциального фотосинтеза местных растений ниже, чем

интродуцированных; ведущим фактором среды для фотосинтеза является свет; в ночные светлые часы полярного дня при ясной погоде фотосинтез возможен; в связи с явлением температурной инверсии в горной тундре температура может быть выше, чем в лесном поясе, что активизирует работу ассимиляционного аппарата. В конце 1950-х - начале 1960-х гг. И.Д. Шматок и П.Д. Бухарин провели оценку кормовых, в частности местных бобовых растений, и показали, что содержание каротина в их листьях выше, чем в близкородственных видах средней полосы. В 1960-1961 гг. сотрудница ПАБС Г.Г. Шухтина определяла фотосинтез и дыхание нескольких видов травянистых многолетников и кустарников, используя метод колб.

В 1950-е гг. в Ботаническом институте АН СССР (Ленинград) сформировались широко известные научные школы О.В. Заленского и Д.И. Сапожникова: исследования фотосинтеза, дыхания и пигментной системы растений в широком эколого-географическом диапазоне - Арктика, высокогорья, пустыни. Поэтому с 1962 г. в ПАБС предприняли изучение фотосинтетической деятельности дикорастущих и интродуцированных на Полярный север растений. К 1970 г. в рамках этого направления выполнен большой объем исследований суточных и сезонных изменений в пигментном комплексе растений (более 30 видов, из них половина - аборигенные) различных жизненных форм [8-9]. Оказалось, что характер сезонной динамики у местных видов и интродуцентов (даже одноименных) различен: первые увеличивают количество хлорофиллов с весны до середины лета и затем происходит снижение содержания со старением листьев; у интродуцентов после летнего пика идет небольшое снижение содержания и вплоть до листопада (или заморозков), листья остаются зелеными, т.е. растение недостаточно подготовлено к перезимовке, что и приводит к обмерзанию побегов или вымерзанию целых растений. Суточные изменения содержания пигментов пластид касаются, главным образом ксантофиллов, причем довольно четко прослеживается их взаимопревращение в зависимости от условий освещения. Это были первые сведения о содержании и превращениях пластидных пигментов в листьях растений в естественных условиях Хибинского горного массива.

Накопленные данные о пигментной системе большого набора растений, особенностях взаимопревращений ксантофиллов привели к необходимости более углубленного подхода к изучению ассимиляционной деятельности растений и поиску способов изучения фотосинтеза. В этот период были опробованы кондуктометрический и колориметрический методы определения фотосинтеза и дыхания растений. Однако в полевых условиях их использование было трудоемким и малопроизводительным.

Весной 1973 г., после успешной защиты кандидатской диссертации, Е.Ф. Рыжова (Марковская) приняла активное участие в экспериментах по изучению суточных изменений пигментов ксантофиллового цикла в листьях манжетки и других местных видов [10-11]. Были показаны прямая связь взаимопревращений виолаксантина и зеаксантина с уровнем освещенности в естественных условиях лесного пояса Хибин, особенности взаимопревращений ксантофиллов в листьях светолюбивых и теневыносливых растений на Крайнем Севере [12], температурная зависимость реакций виолаксантинового цикла в хвое ели и пихты [13]. Содружество с лабораторией фотосинтеза

БИН АН СССР было очень важным стимулом для развития работы по экологической физиологии растений в ПАБСИ. С 1975 г. фотосинтез и дыхание изучали уже с помощью инфракрасных газоанализаторов, появился первый - ОА 5501 Смоленского завода «Аналитприбор», затем Infralit-4, потом новые модификации ГИАМов.

В начале 1980-х гг. была создана полевая лаборатория на базе автоприцепов непосредственно в горной тундре (юго-западный склон г. Расвумчорр на высоте около 600 м н.у.м.). С благодарностью следует отметить помощь отдела энергетики ОАО «Апатит», позволившего подключиться к электроподстанции рудника «Центральный». В течение почти двух лет усилия были направлены на освоение работы с приборами, конструированию ассимиляционных камер, определениям фотосинтеза и дыхания листьев разных растений.

К этому времени в ПАБСИ сформировалась возглавляемая Л.М. Лукьяновой группа экологической физиологии растений, методологией которой стали положения О.В. Заленского о комплексности продукционного процесса, связи фотосинтеза с дыханием, ростом и особенностями адаптации растений к неблагоприятным условиям Арктики и Субарктики.

В 1976-1983 гг. Т.Н. Локтева изучала особенности дыхания растений Хибин с помощью аппарата Варбурга [14]. Оригинальность и новизна этого исследования состояла в том, что для аборигенных и интродуцированных растений Хибин получены суточные, сезонные и даже круглогодичные изменения дыхательной способности листьев, ее зависимость от температуры, показана связь дыхательной способности с жизненной формой, фенологией, ритмом развития растений.

В июне 1977 г. на базе Сада состоялось представительное рабочее совещание по ассимиляционной деятельности растений Севера. В его организации и работе активное участие принял академик УрО АН СССР А.Т. Мокроносов. Участники совещания смогли убедиться в экстремальности условий в Хибинах (в ночь на 22 июня на уже полностью распустившиеся листья и даже цветущие растения выпал снег высотой до 50 см). В резолюции совещания была отмечена большая роль работ сотрудников ПАБСИ в развитии исследований ассимиляционной деятельности растений, большое значение проведения комплексных эколого-физиологических исследований в Арктике и Субарктике [15].

Помимо исследований СО2-газообмена и пигментной системы аборигенных растений Хибин, экофизиологи продолжали уделять внимание и интродуцированным видам, различиям в их адаптации к новым условиям. В этом плане интересными оказались особенности роста и развития, фотосинтетической деятельности листьев клейтонии копытнелистной (Claytonia asarifolia A. Gray) -растения из Северной Калифорнии, - натурализовавшейся в Хибинах. Показано «рациональное распределение труда» между ассимилирующими органами, постепенно в течение вегетации сменяющими друг друга, изменение при этом зависимости интенсивности фотосинтеза и дыхания листьев от света и температуры. В сочетании с высокой способностью размножаться вегетативно и семенами это позволяет растению «убегать» с питомников, подчас вытесняя из естественных местообитаний более требовательных к условиям освещения, режимам влажности и температуры представителей аборигенной флоры [16].

В 1987-1988 гг. группа экологических физиологов ПАБСИ совершила две экспедиционные поездки в Грузию - в Бакурианский ботанический сад и на Казбекскую высокогорную экологическую станцию. Были изучены показатели мезоструктуры и содержание хлорофиллов в листьях 17 одноименных или близкородственных видов разных жизненных форм и таксономического положения, широко распространенных в обоих регионах. Для некоторых пар видов, таких как Dryas octopetala L. - D. caucasica Jus. , Solidago lapponica Wither - S. virgaurea L., показано удивительное совпадение по толщине и строению листьев, численности устьиц, числу хлоропластов, а также по содержанию хлорофиллов в хлоропласте [17].

В конце 1980-х гг. О.В. Кудрявцева на примере трех видов рода Vaccinium в разных растительных поясах Хибин изучила мезоструктуру листьев, СО2-газообмен и ряд других показателей в зависимости от высоты местообитания В целом получена анатомо-физиологическая характеристика 35 видов растений, произрастающих в горной тундре [18].

Таким образом, группой экофизиологов ПАБСИ был исследован фотосинтетический аппарат отделенных листьев большого числа видов (около 60 дикорастущих и 20 интродуцентов). Полученные материалы обобщены в монографии [19] и стали основой для перехода на более высокий уровень работы - исследование особенностей продукционного процесса целостных растительных сообществ.

Проблема глобальных климатических изменений во второй половине ХХ века привела к активизации исследований по бюджету углерода для ряда ландшафтно-климатических зон и географических поясов. Прогнозируемые изменения климата, в первую очередь предполагаемые в Арктике и Субарктике, обусловили необходимость в этих регионах комплексной оценки параметров углеродного цикла. В этой связи появился интерес к роли тундровых экосистем в накоплении углерода в растительности и почвах, эмиссии углекислого газа в атмосферу в процессах дыхания.

Для исследований выбраны сообщества в горных кустарничковых тундрах Хибин на склонах юго-западной и северо-восточной экспозиций на высотах около 600 м н.у.м. (г. Расвумчорр и г. Вудъяврчорр). В процессе этой работы были специально созданы ассимиляционные камеры для исследования газообмена сообществ разного видового состава. Впервые получены величины хлорофилльного индекса для ряда горно-тундровых сообществ. Почти 20-летние (1987-2005 гг.) исследования углекислотного газообмена, содержания пигментов пластид в сообществах разного видового состава (от лишайниковых до травяно-кустарничковых) позволили дать детальную количественную характеристику продукционных и деструкционных составляющих функционирования горно-тундровых биогеоценозов, показать характер распределения потоков СО2 в системе «растительное сообщество-почва» и составить схемы углеродного цикла. Для исследованных биогеоценозов установлено функционирование в режиме стока углерода и депонирования его в почвах [20-22].

Многолетние исследования растительных сообществ привели к необходимости изучения особенностей физиологии такого важного компонента растительного покрова Хибин, как мхи. В 2004 г. были начаты работы по оценке функциональной активности некоторых видов мхов, широко распространенных в разных растительных поясах. Впервые дана сравнительная экологофизиологическая характеристика 10 видов из разных семейств и контрастных экологических групп, произрастающих в лесном и горно-тундровом поясах. Получены данные по фотосинтезу, количеству пластидных пигментов, запасам и структуре фитомассы, водному режиму мхов [23-25].

В настоящее время группа экологической физиологии расширила широтный диапазон объектов; Н.Ю. Шмакова участвует в комплексных исследованиях растительности арх. Шпицберген. В пяти экспедициях собран материал по содержанию пигментов пластид, флавоноидов и общего азота для более чем 100 видов растений и лишайников, многие из которых одноименны или близкородственны видам, произрастающим в Хибинах и других северных или арктических регионах; кроме того, оценены запасы фитомассы в ряде сообществ арктических тундр Западного Шпицбергена [26-28].

В заключение считаем необходимым выразить благодарность всем, кто участвовал в исследованиях по экологической физиологии в ПАБСИ, как сотрудникам, так и лаборантам (Л.М. Федоровой, Т.М. Булычевой, Л.Н. Бурдинской и другим), всем, кто в суровых условиях Хибин следил за приборами, отбирал монолиты сообществ, разбирал фитомассу, извлекал пигменты, кто при проведении опытов по 12 раз за сутки бегал за пробами на гору, качал воздух в камеры, а потом в муках рождал статьи, монографии и диссертации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Костычев С.П., Базырина Е.Н., Чесноков В.А. Суточный ход фотосинтеза при незаходящем солнце в полярной зоне // Изв. АН СССР, 1930. Сер. VII, № 7. С. 599-610. 2. Аврорин Н.А. Полярно-альпийский ботанический сад в Хибинах (проект). М.; Л., 1931. 19 с. 3. Данилов А.Н., Мириманян В.А. Фотосинтез растений Заполярья в природных условиях // Тр. БИН АН СССР. Сер. IV, Вып. 6, эксперим. ботаника. Л., 1948. С. 29-73. 4. Шахов А.А. Эколого-физиологическая перестройка растений на фотоэнергетической основе // Физиологические основы северного растениеводства. Растение и среда. М., 1965. Т. V. С. 5-17. 5. Закман Л.М., Станко С.А. Роль антоцианов в процессе приспособления растений к условиям Заполярья // Ботанические исследования за Полярным кругом. Апатиты, 1969. В. 1. С. 40-53. 6. Станко С.А., Закман Л.М. К вопросу о физиологической роли антоцианов в растениях // Ботан. журн. 1964. Т. 49, № 3. С. 372-381. 7. Шматок И.Д. Эколого-физиологическое изучение процесса фотосинтеза растений в полярных условиях // Вопросы ботаники и почвоведения Мурманской области. М.; Л., 1962. С. 117-123. 8. Закман Л.М. Сезонные изменения содержания пигментов пластид в листьях местных и интродуцированных растений за Полярным кругом // Ботан. журн. 1969. Т. 54, № 8. С. 1148-1157. 9. Закман Л.М. Суточные изменения содержания пигментов пластид в листьях местной и интродуцированной рябины за Полярным кругом // Ботан. журн. 1970. Т. 55, № 9. С. 1329-1332. 10. Лукьянова Л.М., Марковская Е.Ф. О суточных изменениях содержания ксантофиллов в листьях манжетки в Заполярье // Физиол. растений 1975. Т.

22, № 3. С. 490-499. 11. Лукьянова Л.М., Марковская Е.Ф., Булычева Т.М. К вопросу о природе суточных ритмов изменения содержания ксантофиллов в листьях растений // Физиология и биохимия растений Субарктики. Апатиты, 1976. С. 44-53. 12. Лукьянова Л.М. Особенности взаимопревращения ксантофиллов в листьях светолюбивых и теневыносливых растений на Крайнем Севере // Исследования по физиологии растений в

Заполярье. Апатиты, 1975. С 38-42. 13. Лукьянова Л.М. О температурной зависимости реакций

виолаксантинового цикла в хвое ели (Picea obovata Ledeb.) и пихты (Abies sibirica Ledeb.) при разном освещении // Ботан. журн. 1976. Т. 61, № 5. С. 738-742. 14. Локтева Т.Н. Особенности дыхания растений Хибин: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Л., 1986. 17 с. 15. Маслова Т.Г. Рабочее совещание по ассимиляционной деятельности растений Заполярья // Ботан. журн. 1978. Т. 63, № 3. С. 465-466. 16. Зуева Г.А., Локтева Т.Н., Лукьянова Л.М. Особенности биологии и газообмена клейтонии копытнелистной в Хибинах // Бюлл. ГБС. 1984. В. 34. С. 59-62. 17. Анатомо-физиологическая характеристика ассимилирующих органов растений Хибин и Центрального Кавказа / Л.М. Лукьянова, Т.М. Булычева, О.В. Кудрявцева, Н.Ю. Шмакова, Т.Н. Пономаренко // Влияние внешних факторов на устойчивость, рост и развитие растений. Петрозаводск, 1992. С. 179-189. 18. Булычева Т.М., Кудрявцева О.В. Анатомо-физиологическая характеристика листьев растений Хибин. Препринт. Апатиты, 1993. 42 с. 19. Газообмен и пигментная система растений Кольской Субарктики /Л.М. Лукьянова, Т.Н. Локтева, Т.М. Булычева. Апатиты, 1986. 126 с. 20. Продукционный процесс в сообществах горной тундры Хибин / Н.Ю. Шмакова, Л.М. Лукьянова, Т.М. Булычева, О.В. Кудрявцева. Апатиты, 1996. 125 с. 21. Шмакова Н.Ю. Формирование и трансформация органического вещества в растительных сообществах горной тундры Хибин: автореф. дис. ... докт. биол. наук. Петрозаводск, 2006. 40 с. 22. Горно-тундровые сообщества Кольской Субарктики (эколого-физиологический аспект) / Н.Ю. Шмакова, Г.И. Ушакова, В.И. Костюк. Апатиты, 2008. 167 с.

23. Шпак О.В. Эколого-физиологическая характеристика некоторых видов мхов в Хибинах: автореф. дис. ... канд. биол. наук. СПб., 2008. 23 с. 24. Шпак О.В., Шмакова Н.Ю., Лукьянова Л.М. СО2-газообмен некоторых видов мхов в Хибинах // Ботан. журн., 2009. Т. 94, № 6. С. 866-876. 25. Шмакова Н.Ю., Шпак О.В., Лукьянова Л.М. Содержание пигментов некоторых видов мхов в Хибинах // Ботан. журн. 2008. Т. 93, № 10. С. 1578-1586. 26. Шмакова Н.Ю. Продуктивность злаково-кустарничково-моховых сообществ в окрестностях пос. Баренцбург (Шпицберген) // Комплексные исследования природы Шпицбергена. Апатиты, 2005. С. 519-525. 27. Шмакова Н.Ю., Марковская Е.Ф. Пигментный комплекс растений и лишайников в сообществах арктических тундр на архипелаге Шпицберген // Природа шельфа и архипелагов Европейской Арктики. М.: ГЕОС, 2008. Вып. 8. С. 400403. 28. Шмакова Н.Ю., Марковская Е.Ф. Фотосинтетические пигменты растений и лишайников арктических тундр Западного Шпицбергена // Физиология растений. 2010. Т. 57, № 6. С. 1-7.

Сведения об авторах

Шмакова Наталья Юрьевна - д.б.н., руководитель сектора; e-mail: shmanatalya@yandex.ru Ермолаева Ольга Владимировна - к.б.н., научный сотрудник Лукьянова Людмила Моисеевна - к.б.н., старший научный сотрудник