Несомненно, для того чтобы свет оказал свое физиологическое действие, он должен быть поглощен каким-либо веществом. Американские ученые Бортвик и Хендрикс открыли в конце 40-х годов существование такого вещества, изучая механизм действия света на прорастание семян салата-латука. Они назвали его фитохром (ФХ).
Автор провел серию подобных опытов на семенах различных видов Gymnocalycium sp.sp., Mammillaria sp.sp., Parodia sp.sp. и Astrophytum sp.sp. и получил почти
аналогичные результаты, что говорит об универсальности открытия Бортвика и Хендрикса. Во всех опытах при незначительных цифровых различиях было получено доказательство того, что наиболее быстрое прорастание семян происходило при облучении их красным светом с длиной волны 660 нм. При облучении синим светом семена проклевывались несколько интенсивнее по сравнению с контролем, а при зеленом и дальнем красном свете (длина волны 730 нм) прорастали очень медленно и долго. Причем в случае чередования цветов объект исследования отвечал на последнее облучение.
В таблице приведены усредненные данные по всем экспериментам при облучении семян кактусов (42 вида) красным (К) и дальним красным (ДК) светом:
темнота
0% прорастания
К
45%
к + дк
0%
К + ДК + К
69%
К + ДК + К + ДК
6%
к+дк+к+дк+к
75%
К + ДК + К + ДК + К + ДК
7%
к+дк+к+дк+к+дк+к
89%
Бортвик и Хендрикс пришли к заключению, что в семенах существует пигмент, который обладает максимумом поглощения в красных (660 нм) и минимумом в дальних красных (730 нм) лучах и что этот пигмент способен к фотообратимости. Красный свет превращает пигмент в физиологически активную форму (ФХ 730), а дальний красный — в физиологически неактивную форму (ФХ 660):
Они же показали, что достаточно облучить культуру ткани красным светом в течение пяти минут, чтобы обеспечить растяжение клеток в течение 2-х часов.
Фитохром универсален: он регулирует дифференциацию тканей и органов, разного рода ростовые реакции, движения, метаболизм и фотопериодическую активность. Достаточно лишь 50 % активной формы фитохрома, для того чтобы началось растяжение клеток.
В спектре солнечного света лучей с длиной волны 660 нм и 730 нм содержится примерно в одинаковом количестве. Однако ФХ 730 неустойчив и легко разрушается на свету. В темноте период его распада длится около четырех часов.
Опираясь на то, что у кактусов, как у растений с С4-типом метаболизма, на свету запасается энергия в виде химических связей, и что чрезмерная концентрация вновь синтезированных органических веществ в клетке оказывает отрицательное влияние на ход фотосинтеза, возникает потребность, с одной стороны, быстрейшего вывода этих веществ из клетки, и, с другой — - повышения содержания двуокиси углерода в паренхимной ткани.
В природе отток энергетических органических соединений идет при снижении скорости световой фазы фотосинтеза. Но в культуре, где есть возможность проводить эксперименты, скорость ассимиляционных реакций продолжительное время можно поддерживать на довольно высоком уровне, т.к. дефицита в «строительном материале» при культивировании кактусы не ощущают, а повышенная концентрация крахмала в цитоплазме является одной из важнейших причин торможения роста.
Все это, а также желание сохранить легко разрушаемый на свету ФХ 730 наводит на мысль о разбивке светлого периода суток на короткие временные отрезки.
При проведении опытов продолжительностью 3 — 5 месяцев со взрослыми растениями из родов Trichocereus, Myrtillocactus, Echinocereus и сеянцами Parodia sp.sp., Gymnocalycium sp.sp., Mammillaria sp.sp., Astrophytum sp.sp., Pyrrhocactus sp.sp. (всего 51 вид) выяснилось, что даже при коротких вспышках света (применялась фотовспышка с жидким красным светофильтром 660 нм) с интервалом в 5 минут взрослые растения не угнетались, не наблюдалась этиоляция (потеря хлорофилла) зеленых тканей, не вытягивался стебель, т.е. несмотря на то, что светопериод (световой день) был сокращен с 12 часов до (в сумме) менее чем 2,5 минут — это не привело к видимому нарушению габитуса растений.
В отношении сеянцев картина не была такой однородной: Astrophytum sp.sp., Pyrrhocactus sp.sp., Neochilenia sp.sp. несколько вытягивались, в то время как у Parodia sp.sp. и Gymnocalycium sp.sp. были случаи покраснения эпидермиса (как при ожоге), т.е. сеянцы оказались более требовательны к спектральному составу света.
Стоит отметить важность синей части спектра, т.к. синие волны являются определяющим фактором фототропизма (движения к свету). Фототропные рецепторы расположены в апексе стебля и определяют его положение по отношению к Солнцу. При удалении апекса стебель прекращает реагировать на расположение Солнца.
Как это ни покажется удивительным, но сам по себе солнечный свет тормозит рост стебля. При недостатке света наблюдается сильное растяжение клеток, хотя и снижается количество хлорофилла в них. Эта способность вытягивать свои осевые органы в темноте имеет для растений большое приспособительное значение. Так из попавшего под камни семени тонкий бледный росток вытягивается до тех пор, пока на семядоли не упадет солнечный луч, и только тогда стебель начинает развиваться и принимать свою типичную форму.
Кактусы приспособились к интенсивности светового излучения. Крупные растения открытых пространств легко переносят сильное облучение. Мелкие же растения, которые прячутся среди травы или камней при сильном облучении могут получить ожог, а эпифитные кактусы тропических лесов вообще предпочитают тень.
Как уже говорилось, для защиты от чрезмерного теплового облучения у кактусов развились ребра, сосочки, а на них колючки, опущение, крап. Покраснение стебля является подтверждением того, что растение начинает отражать избыточные инфракрасные (тепловые) лучи.
Отдельно хочется остановиться на очень интересном явлении этиоляции. Суть ее сводится к частичному или полному разрушению хлорофилла в хлоропластах. Причиной могут быть как вполне естественные (старение клетки), так и патологические (недостаток освещения, минеральных веществ, поражение патогенной микрофлорой и т.д.) факторы.