Борщевик Сосновского известен как опасный сорняк: его сок вызывает тяжёлые ожоги, а заросли вытесняют другие растения. Но для биолога это ещё и показательный пример инвазивного вида — вида, завезённого человеком на новую территорию и ставшего там угрозой для местных сообществ. На примере борщевика удобно разобрать, какие черты помогают виду захватывать новые территории, как работает его химическая защита и почему с ним так трудно бороться.
- 1. Что за растение
- 2. Как борщевик попал на равнины
- 3. Что такое биологическая инвазия
- 4. Конкуренция за свет
- 5. Монокарпический жизненный цикл
- 6. Размножение и расселение
- 7. Фуранокумарины и ожоги
- 8. Как с ним бороться
- 9. Для олимпиад
- Задания с разбором
1. Что за растение
Борщевик Сосновского (Heracleum sosnowskyi) — травянистое растение семейства зонтичных (сельдерейных), к которому относятся также морковь, укроп, петрушка, болиголов. Признаки семейства хорошо видны: соцветие — сложный зонтик, плод — вислоплодник, распадающийся на два односемянных полуплодика, стебель полый, с бороздками, листья с влагалищами.
Борщевик Сосновского — одно из самых крупных травянистых растений нашей флоры: высота цветущего растения обычно 2–3 м (иногда до 4–5 м), диаметр стебля у основания до 10 см, листья — до 1,5 м длиной, центральный зонтик — до 50–80 см в диаметре.
Вид описала в 1944 году ботаник Ида Пантелеймоновна Манденова и назвала в честь Дмитрия Ивановича Сосновского, исследователя флоры Кавказа. Его родина — Центральный и Восточный Кавказ и Закавказье, где он растёт на субальпийских лугах и опушках, не образуя сплошных зарослей.
Название рода «борщевик» связано с борщом: в старину из молодых листьев и черешков местных видов (борщевика сибирского и обыкновенного) варили похлёбку. Местные виды гораздо мельче, и их сок значительно менее опасен.
2. Как борщевик попал на равнины
В 1947 году борщевик Сосновского начали испытывать в Полярно-альпийском ботаническом саду (Кировск, Мурманская область) как кормовое растение. Он давал очень большую зелёную массу, рано отрастал весной и хорошо переносил холод. В 1950–1970-е годы его выращивали на силос во многих областях Северо-Запада и Центра России, в Прибалтике, Белоруссии, на Украине.
Вскоре выяснились недостатки: молоко коров, получавших силос из борщевика, приобретало горький привкус, у животных возникали нарушения здоровья, а работа с растением была опасна для людей. С 1980-х годов его перестали возделывать, но плантации остались без ухода. Растение «ушло» с полей вдоль дорог, рек и железнодорожных насыпей. В 2012 году борщевик Сосновского исключили из Государственного реестра селекционных достижений, а в 2015 году включили в отраслевой классификатор сорных растений России.
3. Что такое биологическая инвазия
Инвазивный вид — вид, занесённый человеком за пределы естественного ареала, который самостоятельно размножается, расселяется и вытесняет местные виды или изменяет экосистемы. Не каждый занесённый вид становится инвазивным: большинство не приживается или остаётся в местах посадки.
Успеху вида на новой территории обычно способствуют:
- отсутствие естественных врагов — фитофагов, паразитов и болезней, сдерживавших его на родине (гипотеза «освобождения от врагов»);
- высокая конкурентоспособность — быстрый рост, затенение соседей;
- высокая плодовитость и способность образовывать запас семян в почве;
- нарушенные местообитания — заброшенные поля, обочины, где местные сообщества ослаблены.
У борщевика есть все четыре черты. Другие примеры инвазивных видов в России: клён ясенелистный, золотарник канадский, элодея канадская, колорадский жук, уссурийский полиграф (короед, повреждающий пихту в Сибири).
4. Конкуренция за свет
Борщевик отрастает очень рано весной, когда другие растения только трогаются в рост: в его мощном корне запасено много питательных веществ. В мае — июне он растёт со скоростью до 10 см в сутки. Огромные листья образуют сплошной полог, под которым остаётся несколько процентов света. Под пологом гибнут злаки, разнотравье и даже всходы деревьев, остаётся голая почва. Через несколько лет на месте луга образуется одновидовая заросль.
Нередко пишут, что борщевик подавляет соседей ещё и выделением веществ в почву (аллелопатия). Опыты показывают, что вещества из его тканей могут тормозить прорастание семян других растений, но главная причина вытеснения соседей — затенение.
5. Монокарпический жизненный цикл
Борщевик Сосновского — монокарпик: растение цветёт и плодоносит один раз в жизни, после чего отмирает. В первые годы образуется только розетка листьев, а в корне накапливаются запасы. Когда запасов достаточно (обычно на 2–4-й год, в плохих условиях позже), растение выбрасывает цветонос, цветёт, образует семена и погибает.
Важное следствие: если повредить растение до цветения (скосить, срезать цветонос), оно не погибнет, а отложит цветение на следующий год, используя запасы корня. Скошенный борщевик нередко образует несколько цветоносов вместо одного. Поэтому разовое скашивание не уничтожает заросль, а продлевает жизнь растений.
6. Размножение и расселение
- Одно растение образует тысячи, а крупное — несколько десятков тысяч полуплодиков.
- Цветки опыляются насекомыми, но возможно и самоопыление, поэтому даже одиночное растение даёт семена и может основать новую заросль.
- Большинство семян падает в нескольких метрах от растения, но их разносят вода (полуплодики плавают), транспорт, перевозимая почва, а также ветер по насту.
- Зародыш в семени недоразвит, и для прорастания нужно длительное охлаждение во влажной почве (стратификация); поэтому семена прорастают весной.
- Большая часть семян прорастает или погибает за 2–3 года, но часть остаётся жизнеспособной дольше; из-за запаса семян в почве всходы появляются ещё несколько лет после уничтожения взрослых растений.
7. Фуранокумарины и ожоги
Сок борщевика содержит фуранокумарины — органические вещества, молекула которых состоит из кумарина (бензольного кольца, сочленённого с лактонным) и присоединённого к нему пятичленного фуранового кольца. Важнейшие из них — псорален, бергаптен, ксантотоксин.
Сами по себе фуранокумарины почти не повреждают кожу. Опасность — в сочетании с ультрафиолетом. Такие вещества называют фотосенсибилизаторами.
- Плоские молекулы фуранокумаринов проникают в клетки кожи и встраиваются между парами оснований ДНК.
- Ультрафиолет А (длины волн 320–400 нм), проходящий даже сквозь облака, возбуждает молекулу, и она ковалентно присоединяется к тиминам ДНК. Некоторые молекулы сшивают две цепи ДНК.
- Образуются также активные формы кислорода, повреждающие мембраны.
- Клетки кожи погибают; через 1–2 суток появляются покраснение, отёк и пузыри, как при ожоге. После заживления на месте ожога надолго (месяцы) остаётся тёмная пигментация.
Поэтому ожог развивается не сразу и тем сильнее, чем солнечнее день. Первая помощь — как можно скорее смыть сок водой с мылом и закрыть кожу от солнца на 2–3 суток; при обширном поражении — к врачу.
Фуранокумарины есть и у других растений: пастернака, руты, инжира, лайма, бергамота. Для растения это защита от поедания насекомыми и грибов. Интересно, что тот же механизм используют в медицине: при лечении псориаза и витилиго больному дают псорален и облучают кожу ультрафиолетом А (метод ПУВА-терапии).
8. Как с ним бороться
- Не допускать образования семян — главное правило: срезать и уничтожать зонтики до созревания плодов (в защитной одежде, в пасмурную погоду).
- Подрезать корень лопатой на глубине 10–15 см ниже поверхности почвы: почка возобновления, находящаяся у основания стебля, удаляется, и растение не отрастает.
- Многократное скашивание в течение сезона истощает запасы корня; однократное бесполезно.
- Укрытие плёнкой (чёрной, непрозрачной) на сезон: без света растения и всходы погибают.
- Гербициды — применяют по правилам и с учётом опасности для других организмов.
- Восстановление растительности — посев многолетних трав, задернение и посадка деревьев: сомкнутое сообщество меньше подвержено повторному заселению.
Тема инвазий и экологических ниш — в уроке «Экологическая ниша. Миграции и инвазии» и в тренажёре по теме 7.3.
Частые ошибки. 1) «Сок борщевика сам обжигает кожу, как кислота» — ожог возникает только при действии ультрафиолета. 2) «Борщевик — двулетник» — монокарпический многолетник: он может жить много лет до цветения. 3) «Скосить борщевик — значит уничтожить его» — после скашивания он отрастает и цветёт позже.
9. Для олимпиад
Монокарпия как стратегия
Монокарпические растения (борщевик, агава, многие бамбуки, морковь в культуре) вкладывают все накопленные ресурсы в одно размножение. Такая стратегия выгодна, если вероятность дожить до следующего размножения низка, а размер одного выводка сильно растёт с накопленными запасами. Поэтому монокарпики часто «откладывают» цветение, пока не достигнут определённого размера, — у борщевика цветение связано скорее с размером и запасами, чем с возрастом.
Химическая гонка вооружений
Пастернак и пастернаковая моль — классический пример сопряжённой эволюции, изученный Мэй Беренбаум. Гусеницы этой моли питаются растениями, богатыми фуранокумаринами, и обладают ферментами (цитохромами P450), разрушающими эти вещества. В разных популяциях содержание фуранокумаринов в растениях и активность ферментов гусениц изменяются согласованно. У борщевика Сосновского на равнинах таких специализированных врагов почти нет — одна из причин его успеха.
Задания с разбором
Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.
Задание 1
Назовите не менее трёх особенностей борщевика Сосновского, которые обеспечивают его успех как инвазивного вида.
Разбор
1) Раннее отрастание и быстрый рост, огромные листья, затеняющие другие растения. 2) Высокая плодовитость, самоопыление, запас семян в почве. 3) Монокарпия с откладыванием цветения при повреждении. 4) Химическая защита фуранокумаринами и отсутствие естественных врагов на новой территории.
Задание 2
Почему ожог от сока борщевика проявляется не сразу и сильнее в солнечный день?
Разбор
1) Фуранокумарины — фотосенсибилизаторы: они повреждают клетки только при поглощении ультрафиолета А. 2) Под действием ультрафиолета они ковалентно связываются с ДНК и образуют активные формы кислорода. 3) Клетки погибают постепенно, воспаление развивается через 1–2 суток; чем больше ультрафиолета, тем сильнее поражение.
Задание 3
Почему однократное скашивание зарослей борщевика в середине лета не уничтожает их, а иногда даже увеличивает число цветоносов?
Разбор
1) Борщевик — монокарпик, он отмирает только после образования семян. 2) Скошенное растение сохраняет корень с запасами и почку возобновления у основания стебля и отрастает. 3) Цветение откладывается, а вместо одного цветоноса могут развиться несколько из боковых почек.
Задание 4
На лугу, заросшем борщевиком, через несколько лет почти нет других травянистых растений. Какой фактор играет здесь главную роль? Какой тип взаимоотношений наблюдается?
Разбор
1) Главный фактор — недостаток света под сплошным пологом листьев борщевика. 2) Это межвидовая конкуренция за свет (и за воду и элементы питания). 3) Дополнительную роль может играть аллелопатия — подавление прорастания семян веществами борщевика.
Задание 5 (олимпиадное)
Предложите опыт, позволяющий выяснить, что важнее для подавления луговых растений борщевиком — затенение или выделение веществ в почву.
Разбор
1) Варианты: а) луговые растения в почве из-под борщевика при полном освещении; б) в контрольной почве при полном освещении; в) в контрольной почве под искусственным затенением, равным пологу борщевика (сетка); г) в почве из-под борщевика с добавлением активированного угля, связывающего органические вещества. 2) Сравнить прорастание, выживание и биомассу. 3) Если сильнее всего угнетены растения в варианте «в», главное — затенение; если в варианте «а», а уголь снимает угнетение, — аллелопатия.
Литература
- Сацыперова И. Ф. Борщевики флоры СССР — новые кормовые растения. — Л.: Наука, 1984.
- Виноградова Ю. К., Майоров С. Р., Хорун Л. В. Чёрная книга флоры Средней России. — М.: ГЕОС, 2010.
- Berenbaum M. R., Zangerl A. R. Chemical phenotype matching between a plant and its insect herbivore // PNAS. 1998. Vol. 95. P. 13743–13748.
Обсуждение
Загружаем обсуждение…