Почему растения плачут после мороза: осмотический стресс, разрыхление и микробиология холода
Вчера одна из собеседниц в моем канале в Телеграмм задала вопрос. Она заметила, что из зелёных листьев травы и верхушек побегов малины на снег капает какая-то жидкость. Почему?
На самом деле здесь все просто. Вода движется. Мембраны рвутся. Сок вытекает. Это физика и биология на уровне клетки.
Растения "плачут" - и это буквально слёзы их повреждённых клеток.
Как замораживание повреждает живые листья: четыре этапа разрушения
Давайте разберём, что происходит внутри листа при резком похолодании. Это четырёхэтапный процесс разрушения.
Этап 1: Вода замерзает - и всё начинается Когда листья подвергаются резкому похолоданию, вода начинает замерзать. Но не всё сразу. И не равномерно.
Вода вне клеток - в межклеточном пространстве (в крошечных щелях между клетками) - замерзает первой. Почему? Потому что эта вода содержит меньше растворённых веществ, чем жидкость внутри клеток. Её точка замерзания выше.
Когда эта внешняя вода замерзает, образуются ледяные кристаллы. Они занимают больше места, чем жидкая вода. Это создаёт дисбаланс: снаружи клетки - в основном лёд и воздух, а внутри - всё остаётся: сахара, минералы, белки, кислоты.
Полупроницаемая клеточная мембрана "видит" этот дисбаланс и начинает его исправлять.
Этап 2: Осмотический стресс - почему листья теряют воду Здесь начинается осмотическое движение воды. Через мембрану клетки начинает просачиваться вода. Куда? Наружу - туда, где выше концентрация растворённых веществ относительно воды.
Это не активный процесс - мембрана не "качает" воду. Это пассивное движение, управляемое физическими законами.
Клетка теряет воду. Её объём уменьшается. Происходит циторрез - сморщивание клетки. Как высохший изюм.
Этап 3: Механический стресс - лёд сжимает, как тиски Но потеря воды - это только половина беды.
Одновременно растущие ледяные кристаллы расширяются (лёд занимает примерно на 9% больше объёма, чем вода). Они начинают сжимать окружающие клетки - как тиски. Это механический стресс от давления льда.
Расширяющееся давление льда вызывает микроразрывы в клеточной мембране.
Мембрана просто не может выдержать этого давления. Она начинает рваться.
А потом приходит оттепель. И начинается главное.
Этап 4: Оттаивание - "слёзы" растений Когда температура повышается, начинается самое разрушительное. Ледяные кристаллы тают, превращаясь в жидкую воду.
Это создаёт гипотоническую среду - много воды снаружи повреждённых клеток, мало растворённых веществ. Внутри клетки, наоборот - недостаток воды (её потеряли за время замораживания), но высокая концентрация растворённых веществ (сахара, минералы, белки).
Вода хлынет обратно с силой. Повреждённая мембрана не может остановить воду. Вода поступает в клетку. Клетка набухает. И уже повреждённая мембрана рвётся окончательно.
Все содержимое клеток вытекает наружу.
Вот это и увидела моя собеседница: капли сока, капающие с зелёных листьев на снег. Это содержимое клеток: сахара, минералы, аминокислоты, растительные метаболиты.
Замерзание мертвой органики: разрыхление и ускорение разложения Но если вы возьмёте сено, солому, опилки, опавшую листву - материалы, которые уже мёртвые - происходи другой процесс.
Это не вытекание сока. Это физическое разрушение структуры - разрыхление, которое приносит пользу.
Но - и это критично важный момент - это разрушение происходит только при определённых условиях. При наличии воды.
Вода в порах: условие максимального разрушения Мёртвые клетки не содержат живых мембран и активной цитоплазмы. Но они сохраняют структуру клеточных стенок - целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин (жёсткие волокна, которые держали форму растения).
Сухая органика - это просто волокна, связанные между собой, но без воды внутри пор. Мороз на сухое сено почти не влияет. Ледяных кристаллов нет - нечему замерзать.
Но когда органика влажная - когда её поры и полости содержат воду - ситуация меняется радикально.
Вода замерзает внутри этих пор. Образуются ледяные кристаллы, которые расширяются. Лёд физически, механически разламывает волокна. Как долото. Как молоток. При этом многократно увеличивается площадь органики, на которую могут воздействовать микроорганизмы.
При влажности около 45% эффект замораживания-оттаивания был максимальным.
Влажные и замороженные образцы демонстрировали ускоренную минерализацию после оттаивания. На 20-40% быстрее, чем те же материалы, которые не прошли через циклы заморозки.
Почему это работает на практике Компостные кучи, компостные дорожки с органикой, органическая мульча пережившие зимние циклы заморозки-оттаивания, разлагаются весной значительно быстрее.
Материал становится физически более доступным для микроорганизмов. Больше поверхности. Больше путей для проникновения. Но при этом сохраняет аэрацию.
Это идеальное сочетание: максимальная доступность + максимальная аэрация = максимальная скорость разложения.
Время полного разложения может сократиться существенно. Особенно если материал прошёл через несколько циклов заморозки.
Это бесплатная предварительная обработка, которую дарует природа. Но только если органика влажная.
Сад и огород с Олегом Телеповым
Почему растения плачут после мороза: осмотический стресс, разрыхление и микробиология холода
На самом деле здесь все просто. Вода движется. Мембраны рвутся. Сок вытекает. Это физика и биология на уровне клетки.
Растения "плачут" - и это буквально слёзы их повреждённых клеток.
Как замораживание повреждает живые листья: четыре этапа разрушения
Давайте разберём, что происходит внутри листа при резком похолодании. Это четырёхэтапный процесс разрушения.
Этап 1: Вода замерзает - и всё начинается
Когда листья подвергаются резкому похолоданию, вода начинает замерзать. Но не всё сразу. И не равномерно.
Вода вне клеток - в межклеточном пространстве (в крошечных щелях между клетками) - замерзает первой. Почему? Потому что эта вода содержит меньше растворённых веществ, чем жидкость внутри клеток. Её точка замерзания выше.
Когда эта внешняя вода замерзает, образуются ледяные кристаллы. Они занимают больше места, чем жидкая вода. Это создаёт дисбаланс: снаружи клетки - в основном лёд и воздух, а внутри - всё остаётся: сахара, минералы, белки, кислоты.
Полупроницаемая клеточная мембрана "видит" этот дисбаланс и начинает его исправлять.
Этап 2: Осмотический стресс - почему листья теряют воду
Здесь начинается осмотическое движение воды. Через мембрану клетки начинает просачиваться вода. Куда? Наружу - туда, где выше концентрация растворённых веществ относительно воды.
Это не активный процесс - мембрана не "качает" воду. Это пассивное движение, управляемое физическими законами.
Клетка теряет воду. Её объём уменьшается. Происходит циторрез - сморщивание клетки. Как высохший изюм.
Этап 3: Механический стресс - лёд сжимает, как тиски
Но потеря воды - это только половина беды.
Одновременно растущие ледяные кристаллы расширяются (лёд занимает примерно на 9% больше объёма, чем вода). Они начинают сжимать окружающие клетки - как тиски. Это механический стресс от давления льда.
Расширяющееся давление льда вызывает микроразрывы в клеточной мембране.
Мембрана просто не может выдержать этого давления. Она начинает рваться.
А потом приходит оттепель. И начинается главное.
Этап 4: Оттаивание - "слёзы" растений
Когда температура повышается, начинается самое разрушительное. Ледяные кристаллы тают, превращаясь в жидкую воду.
Это создаёт гипотоническую среду - много воды снаружи повреждённых клеток, мало растворённых веществ. Внутри клетки, наоборот - недостаток воды (её потеряли за время замораживания), но высокая концентрация растворённых веществ (сахара, минералы, белки).
Вода хлынет обратно с силой. Повреждённая мембрана не может остановить воду. Вода поступает в клетку. Клетка набухает. И уже повреждённая мембрана рвётся окончательно.
Все содержимое клеток вытекает наружу.
Вот это и увидела моя собеседница: капли сока, капающие с зелёных листьев на снег. Это содержимое клеток: сахара, минералы, аминокислоты, растительные метаболиты.
То же самое происходит с покровными культурами которые ушли в зиму зелеными: https://ok.ru/group/70000004924972/topic/157520532213036
Сидераты в конце лета бесполезны?
Но если вы возьмёте сено, солому, опилки, опавшую листву - материалы, которые уже мёртвые - происходи другой процесс.
Это не вытекание сока. Это физическое разрушение структуры - разрыхление, которое приносит пользу.
Но - и это критично важный момент - это разрушение происходит только при определённых условиях. При наличии воды.
Вода в порах: условие максимального разрушения
Мёртвые клетки не содержат живых мембран и активной цитоплазмы. Но они сохраняют структуру клеточных стенок - целлюлозу, гемицеллюлозу, лигнин (жёсткие волокна, которые держали форму растения).
Сухая органика - это просто волокна, связанные между собой, но без воды внутри пор. Мороз на сухое сено почти не влияет. Ледяных кристаллов нет - нечему замерзать.
Но когда органика влажная - когда её поры и полости содержат воду - ситуация меняется радикально.
Вода замерзает внутри этих пор. Образуются ледяные кристаллы, которые расширяются. Лёд физически, механически разламывает волокна. Как долото. Как молоток. При этом многократно увеличивается площадь органики, на которую могут воздействовать микроорганизмы.
При влажности около 45% эффект замораживания-оттаивания был максимальным.
Влажные и замороженные образцы демонстрировали ускоренную минерализацию после оттаивания. На 20-40% быстрее, чем те же материалы, которые не прошли через циклы заморозки.
Почему это работает на практике
Компостные кучи, компостные дорожки с органикой, органическая мульча пережившие зимние циклы заморозки-оттаивания, разлагаются весной значительно быстрее.
Материал становится физически более доступным для микроорганизмов. Больше поверхности. Больше путей для проникновения. Но при этом сохраняет аэрацию.
Это идеальное сочетание: максимальная доступность + максимальная аэрация = максимальная скорость разложения.
Время полного разложения может сократиться существенно. Особенно если материал прошёл через несколько циклов заморозки.
Это бесплатная предварительная обработка, которую дарует природа. Но только если органика влажная.