С.Ф. Коваль, В.П. Шаманин  "Растение в опыте"

 

Выше отмечалось наличие у растений неспецифичной реакции на самые разнообразные экологические факторы. Но в любом случае мы можем обнаружить в пределах нормы реакции и специфические для данной группы воздейсгвий изменения. Они, в первую очередь, и являются объектом наблюдения. Исследователь, выбирая для наблюдения тот или иной физиологический показатель, исходит из поставленной задачи. Параметр, по изменению которого предполагается контролировать состояние целого растения или отдельных физиологических систем, должен отвечать ряду условий. Важнейшими из них будут следующие:

а)  данный показатель должен иметь как можно меньшее генетическое варьирование внутри изучаемой популяции или сорта. В ряде случаев это условие достигается использованием чистых линий;

б)  при исследовании специфической реакции желателен выбор показателя, который мало зависит от колебания тех фоновых экологических условий, которые плохо поддаются стандартизации. В противном случае будет иметь место широкое варьирование по повторностям, и статистическая достоверность опыта снизится;

в)  важным условием является удобство измерения наблюдаемого параметра и однозначное истолкование полученных результатов.

Последний пункт нуждается в дополнительном рассмотрении. Существует много физиолого-биохимических показателей, которые исследователи без долгих размышлений включают в свои наблюдения, но столь же дружно оказываются не в силах истолковать полученные результаты. Лет 30 назад работы “украшались” многочисленными определениями активности каталазы (единственная причина тому была простота измерения активности этого фермента). Это придавало работе определенный биохимический оттенок, хотя для читателя оставалось непонятным, какое отношение имеет каталаза к выбору оптимального режима активного вентилирования семенного зерна, установлению доз фосфорных подкормок или к отбору урожайных гибридов капусты. Роль каталазы в физиологии на уровне организма не изучена до настоящего времени. Понятно, что изменение активности фермента, роль которого не ясна, не поддается истолкованию, и автор вынужден ограничиться спекулятивными предположениями. При большой добросовестности в выводах статьи просто отмечается, что в таком-то варианте активность фермента была на столько-то выше, а в таком-то - на столько-то ниже, чем в контроле.

Мы не намерены отрицать роль определения изоферментного спектра каталазы (или любого другого фермента) при изучении белкового синтеза, активации генов и в ряде других биохимических и генетических работ. Но следует со всей решительностью возразить против бессмысленного набора не поддающихся толкованию наблюдений.

Можно предвидеть контр аргумент - необходимо накапливать факты, которые позднее будут использованы другими исследователями для теоретических обобщений. Такое использование чужого цифрового материала возможно только при хорошем знакомстве с условиями постановки опыта, а в большинстве работ этот вопрос освещается недостаточно. Поэтому подобные неинтерпретированные результаты очень редко цитируются последующими авторами и оказывают мало влияния на теоретические построения. Задачей науки является построение удобной модели для объяснения и предсказания явлений природы, и в этом плане неистолкованные результаты работы - признак ее неудачи.

В настоящее время инструменты такой сложности, как электронный микроскоп или масс-спектрометр, чрезвычайно модны в биологическом исследовании, и мы наблюдаем много примеров, когда использование их в научной работе диктуется не логикой замысла исследователя, а наличием в институте соответствующих приборов. В итоге, развилась своеобразная “приборная болезнь”, выразившаяся в лавине публикаций, например, по аминокислотному составу зерна, листьев, корней, по большей части не связанных с проблемой улучшения пищевого качества белка или контроля за его синтезом.

Аналогичная картина наблюдалась и в связи с широким распространением бумажной хроматографии регуляторов роста. Не ставя под сомнение техническую корректность этого метода, отметим, что установление наличия различных гормонов и ингибиторов в каком-то органе, химическая идентификация их и определение активности еще ничего не говорит о гормональной обстановке в других органах и в организме в целом. Хроматография усредненного образца из всей массы растения так же не решает вопроса, поскольку действие гормонов имеет локальный, местный характер. Различия в активности гормонов, соотношение их с ингибиторами значительны даже в тканях одного органа. При анализе же образцов органов и целых растений эти различия могут теряться. Все это снижает познавательную ценность хроматографического определения регуляторов роста в опытах с целым растением. И не случайно наибольшие успехи в изучении физиологии гормонов с использованием хроматографии достигнуты на культуре изолированных клеток, отрезках колеоптилей, гипокотилей, каллусах, мало дифференцированных проростках, т.е. на клеточном и тканевом уровнях организации.

Если учесть, что стандартным биотестом на многие регуляторы роста являются колеоптили злаков, чувствительность которых к гормону может сильно отличаться от реакции тканей изучаемого растения (например, яблони, огурцов, люцерны), а также взаимодействие различных компонентов, то очевидными будут ограниченные возможности данного метода.

Всегда следует помнить, что с увеличением технической сложности метода или прибора возрастает и число возможных ошибок от некорректной подготовки образца, неправильной калибровки прибора, нарушения регулировки или в связи с недостаточным техническим уходом за установкой. Точность современного научного оборудования весьма притягательна, как и быстрота выполнения анализов. Возможности исследователя при этом возрастают во много раз, но он никогда не должен забывать, что самый совершенный прибор не исправит артефакта, возникшего от неправильного выращивания растений, служащих объектом опыта, или несоответствия запланированного и фактического режимов воздействия на объект. Поэтому следует принять за правило: никогда не пользоваться приборами и аналитическими методами, более сложными, чем это необходимо для достижения замысла исследователя.

Рассмотрим один пример. Допустим, исследователь занят изучением явления гигантского роста, характерного для травянистой растительности Сахалина, высокотравья черневой тайги Салаирского кряжа и для ряда других местообитаний. Если планируется изучить механизмы стимуляции роста в этих условиях, то в арсенал методов войду т: исследование скорости деления и растяжения клеток, гормонального режима тканей, синтеза нуклеиновых кислот и белка. По всем этим показателям исследователь, безусловно, получит превышение высокорослых образцов по сравнению с их аналогами из других местообитаний. Но они ничего не скажут о внешних факторах, породивших гигантизм трав в этих регионах. Неясной останется и первичная физиолого-биохимическая причина стимуляции роста, т.к. сравнивая высокорослые растения с контролем, мы наблюдаем картину, в которой первичные изменения затерялись среди вызванных ими вторичных изменений.

В данном случае физиолого-биохимический подход оказывается бессильным решить вопрос о внешней причине стимуляции роста. Проведя анализы почвы, измерения освещенности и водного режима растений, организовав гидрометеорологические наблюдения, можно обнаружить по всем этим показателям существенные отличия в местах произрастания высокотравья от других территорий. Далее, в зависимости от склонности исследователя можно называть в качестве главной причины повышенное содержание в почве марганца, усиление ультрафиолетовой радиации или любой другой фактор. Но если осуществить технически простой вегетационно-полевой опыт по выращиванию высокорослого сахалинского гороха на сахалинской же почве, но перевезенной в иную климатическую зону, то легко убедиться, что как обычные, так и высокорослые образцы растут на местных почвах (того же типа) лучше, чем на сахалинской. На Сахалине же гигантизм наблюдается и на инорайонной почве. Для недвусмысленного заключения о том, что не почвенный фактор создает явление сахалинского гигантизма, оказалось достаточно регистрировать только два параметра: сухой вес и высоту растения.

Остановимся на вопросе о выборе параметров наблюдения в зависимости от изучаемого уровня организации. В предыдущих главах отмечалась необходимость учета скорости протекания процессов на исследуемом уровне. В самом общем виде можно сказать следующее: чем выше уровень организации живой системы, являющейся объектом исследования, чем больше пестрота условий, тем более интегральными должны быть методы наблюдения и регистрируемые параметры.

В лабораторном опыте при работе на клеточном или тканевом уровне организации для исследования водного режима широко применяется определение связанности воды, диэлектрической проницаемости и коэффициента самодиффузии. При исследовании на уровне организма (вегетационный опыт) с этой целью используют показатели интенсивности транспирации и водного дефицита органов растения. А в случае изучения посева или естественного фитоценоза основными показателями водного режима становятся гидрометеорологические наблюдения, определение баланса поступления и испарения воды, а также исследование водного потенциала в системе почва - растение. Безусловно, определение основных параметров водообмена в ценозе не исключает дополнительного исследования в нем транспирации у доминантов сообщества. Такое наблюдение может дать ценную, но только дополнительную информацию. Определение же в полевом опыте биопотенциалов растения не дает иной информации, кроме как о факте освоения автором сложной методики.

Можно было бы привести шкалу методов в соответствии с изучаемыми уровнями организации и для других процессов, например фотосинтеза, но в ней нет ничего принципиально нового по сравнению с рассмотренным выше случаем и приведенным в главе 2 анализом методов изучения устойчивости к неблагоприятным факторам среды.

Уже на этапе планирования эксперимента необходимо составить четкое представление о том, какие уровни организации играют основную роль в интересующем нас явлении и в соответствии с этим выбрать

наблюдаемые параметры и методы их регистрации.

В качестве иллюстрации приведем еще один пример. При отборе среди гибридов или мутантов по быстроте усвоения нитратного азота в качестве измеряемого параметра можно пользоваться определением in vivo или in vitro активности нитратредуктазы. В зависимости от генетических особенностей образца величины ее активности могут различаться в 5-30 раз. Фермент, обнаруживающий высокую активность в экстракте, дает в интактной ткани более слабое восстановление N0₃ из-за наличия в листе каких-то ингибиторов. Уровень этого ингибирования по сортам сильно колеблется. Значит, при селекционном отборе по активности экстрагированного фермента мы дадим высокую оценку многим растениям, которые фактически слабо усваивают азот. Поскольку при селекционном отборе исследователя интересовала оценка на уровне организма и посева, следовало в качестве измеряемой величины выбрать параметр того же уровня.