Еще в 1863 году Дарвин писал профессору Асе Грею о своем увлечении наблюдениями за движением усиков и верхних междоузлий. «…Движение усиков независимо от движения верхних междоузлий, но и усики и междоузлия работают согласованно, описывая круги в одном направлении. Когда побег Apocyneae, который неуклонно тянется вверх, подыскивая, за что бы уцепиться, встречает опору, движение в этом месте прекращается, но продолжается в его верхушечной части. Так что все лазящие растения поднимаются в результате спонтанного кругового движения верхних междоузлий».
Летом 1877 года Дарвин серьезно болел. Но и лежа в постели, он продолжал наблюдать медленные круговые движения растущего усика. Постепенно вырисовывалась программа изучения связи различных движений у растений с приспособленностью этих растений к выживанию. К осени с помощью друзей он собрал коллекцию, в которой было около трехсот видов растений со всех частей земного шара.
Исследования, в которых Дарвину помогал его сын Фрэнсис, длились около трех лет. Результатом этих исследований и явилась книга «Способность к движению у растений», в которой дано детальнейшее описание буквально тысяч экспериментов. Одни из них оказались неудачными, другие неубедительными, но большинство были действительно превосходны. Для нас интересны две последние серии экспериментов (с проростками канареечника и виргинским табаком), повлиявшие на дальнейшие исследования.
В экспериментах с проростками канареечника Дарвин стремился выяснить, влияет ли на организм растения освещение его небольшой части, и если да, то как это влияние передается его другим частям.
Наблюдая, с какой точностью семядоли[3] этого растения изгибались к свету небольшой лампы, мы пришли к мысли, что самая верхняя часть семядоли определяла направление изгиба части, расположенной ниже. Когда на семядоли действует свет, то сначала изгибается верхняя часть, а позже изгиб постепенно распространяется вниз к основанию и, как мы сейчас увидим, даже несколько ниже почвы.
Как проверить, что светочувствительный участок растущего побега находится где-то около верхушки? По-видимому, закрывая эту верхушку от света. Именно так и поступил Дарвин, испробовав при этом несколько методов. Он закрывал верхушки колеоптилей канареечника Phalaris canadensis колпачками из тонкой оловянной фольги, окрашивал их тушью или черным лаком, надевал на них покрашенные изнутри трубочки из тонкого стекла и даже отрезал кончики колеоптилей. Самый надежный результат, по его мнению, давали стеклянные трубочки, поскольку они позволяли вести параллельно контрольный эксперимент, чтобы учесть влияние, которое мог оказать вес самих трубочек.
Колпачки делались из трубочек тончайшего стекла, которые после окрашивания в черный цвет служили хорошо, но имели тот большой недостаток, что нижние края их нельзя было сжимать. Впрочем, применялись трубки, которые почти совсем плотно охватывали семядоли, а на земле, чтобы предотвратить отражение света от почвы вверх, вокруг каждого из проростков помещалась черная бумага. Такие трубки в одном отношении были лучше, чем колпачки из станиоля, а именно они давали возможность одновременно покрывать некоторые семядоли прозрачными, а другие непрозрачными трубками, и таким образом наши опыты можно было контролировать.
Мы начнем со стеклянных трубок. Верхушки девяти семядолей, несколько различающихся по высоте, менее чем наполовину своей длины заключены в бесцветные или прозрачные трубки. Затем они были выставлены в ясный день на 8 часов перед юго-западным окном. Все они сильно изогнулись к свету, в той же степени, как и многие другие свободные проростки в тех же горшках. Таким образом, стеклянные трубки, наверное, не препятствовали семядолям изгибаться к свету. Девятнадцать других семядолей одновременно были подобным же образом заключены в трубки, густо окрашенные тушью. У пяти из них краска, к нашему удивлению, после экспозиции на солнечном свету съежилась, причем образовались очень узкие трещинки, через которые проходило немного света. Эти пять случаев были отброшены.
Из остальных четырнадцати семядолей, нижние половинки которых в течение всего времени находились на полном свету, семь остались совершенно прямыми и вертикальными, одна изогнулась к свету значительно, а шесть — слегка; однако оставшиеся открытыми основания большинства из них были почти или совершенно прямы. Возможно, что немного света могло отражаться вверх от почвы и входить в основания этих семи трубок, так как солнце светило ярко, хотя на почву вокруг них и были положены куски зачерненной бумаги. Тем не менее семь слегка изогнутых семядолей вместе с семью прямыми по своему виду представляли в высшей степени замечательный контраст со многими другими проростками в тех же горшках, не подвергшимися никакой обработке. Затем у десяти из этих проростков зачерненные трубки были удалены, и после этого в течение восьми часов они находились перед лампой. Девять из них изогнулись к свету сильно и один умеренно, доказывая этим, что прежнее отсутствие всякого изгиба в базальной части либо наличие лишь слабого изгиба были обусловлены затемнением верхней части.
После аналогичной серии экспериментов с использованием колпачков из оловянной фольги автор сделал вывод: «Из этих нескольких серий опытов, включая опыты со стеклянными трубками и опыты со срезанием верхушек, мы можем заключить, что затемнение верхней части семядолей Phalaris препятствует нижней части изгибаться, хотя бы она полностью была освещена с одной стороны. Мы должны, следовательно, заключить, что когда проростки свободно выставлены на боковой свет, то из верхней части в нижнюю передается некоторое влияние, заставляющее последнюю изгибаться».
Рис. 13. В процессе роста растения наклоняются к источнику света. Закрывая верхнюю часть проростков канареечника, Чарлз и Фрэнсис Дарвины показали, что влияние, которое вызывает изгиб растений, возникает в верхушечной части проростков.
Наблюдения Дарвина привели его к выводу о том, что в клетках, находящихся у самого окончания колеоптиля, образуется какое-то особое, физиологически активное вещество, сильно ускоряющее растяжение клеток и их рост. Позднее в результате кропотливой работы ученых (Н. Холодный и Ф. Вент) удалось выделить и исследовать это вещество, которое было названо ауксином.
Фитогормон (гормон растительного происхождения) ауксин, как теперь известно, влияет почти на все стадии роста и развития высших растений. Он образуется в молодых, активно растущих частях растений: точках роста стеблей, в верхушках корней, в молодых листьях и почках. Ауксин способен передвигаться вниз по стеблю или вверх по корню. Весной ауксин движется вниз по стеблю и стимулирует деление клеток, определяющее рост стебля в толщину. Большее количество ауксина на нижней стороне ствола наклонившихся деревьев приводит к тому, что в клетках этой стороны развиваются особенно прочные стенки. Под влиянием ауксина на корнях образуются первичные волоски. Ауксин удерживает почки в дремлющем состоянии, предотвращает опадение листьев. Под его контролем находятся некоторые стадии развития плодов, например увеличение их размера. И наконец, неравномерным распределением ауксина в осевых органах объясняются ростовые движения у растений.
К ростовым движениям растений относятся настии и тропизмы. Настические движения вызываются всесторонним (ненаправленным) действием раздражителя, существующего во внешней среде (термонастии, фотонастии, сейсмонастии и т. д.). Тропизм же представляет собой изгиб органа растений, происходящий в результате одностороннего действия раздражителя. При этом наклон органа может быть направлен и в сторону раздражителя и от него. Так, проростки канареечника, с которыми работал Дарвин, наклонялись в сторону источника света, а когда его убирали, возвращались в вертикальное положение в результате отрицательного геотропизма (отклонение в сторону, противоположную земному притяжению).