У растений множество приспособлений, защищающих их от потери тепла. Наиболее чувствительны к переохлаждению цветки. Охлаждение может приостановить цветение, задержать развитие пыльцы или вообще стерилизовать ее — сделать непригодной для оплодотворения. Мужской гаметофит у растений должен быть отнесен к слабому полу. Естественная мужская стерилизация растений в экстремальных условиях — явление обычное, женский гаметофит стерилизации поддается много труднее, он во всех отношениях устойчивее, сильнее.
Растение всячески стремится оградить свои цветки от всевозможных напастей. Свисающие трубчатые и колокольчатые цветки — своего рода башлыки, предохраняющие гаметофиты от потери тепла, а заодно дающие приют в ненастье насекомым-опылителям. Цветки зачастую покрыты воздухоносными волосками. В свешивающихся колокольчиках даже под утро температура воздуха на 1—2 градуса выше температуры окружающего воздуха.
У некоторых зонтичных, например у моркови и трехцветной фиалки, бутоны и молодые цветки поникают лишь на время. После заката солнца стебли растений, несущие молодые зонтики, изгибаются так, что бутоны, обращенные днем к солнцу, теперь повернуты к земле, а мелкоиссеченные листики прикрывают все соцветие словно зонтиком. При восходе солнца поникшие зонтики цветков быстро поднимаются. Крючок-стебелек вновь разгибает спину и выпрямляется. Цветки опять «улыбаются» солнцу. У многих маков, сложноцветных, подорожников, губоцветных и камнеломок цветки и соцветия в поникшем состоянии бывают только в молодости.
Смолоду берегут тепло семядольные проростки. Раскрытые и глядящие в небо днем семядоли после захода солнца складываются. Такое явление можно наблюдать у бобовых, кислиц, тыкв, огурцов и дынь, у подсолнечника и помидора.
То же самое можно увидеть на листьях с лучевидным или пальчатым расположением листочков. Они раскрыты в теплые ночи и закрыты в холодные. Складываются они и в палящий зной.
У основания складывающихся листьев, а то и у каждого листочка сложного листа можно заметить вздутое сочленение. Каждое такое вздутие состоит из тонкостенных паренхимных клеток, которые окружают тяж из нескольких сосудистых пучков, переходящих в среднюю жилку листа. В зависимости от усиления тургора с той или другой стороны сочленения лист и производит свое движение. На изменение тургора влияют температура и освещенность после захода или восхода солнца.
Таким образом оберегают себя от потери тепла различные виды лядвенца, клевера, донника, люцерны, захлопывающие свои листья подобно книге. Этот же способ используют многие настоящие акации и европейский вязел, аккуратно складывающие свои листья на ночь. Опускающиеся листья встречаются у различных видов индиго, лакриц и софор. Изменением положения листа, в частности, достигается быстрое освобождение от росы и дождевых капель. Листья некоторых растений образуют желоб, по которому скатывается вода.
Выше приведены примеры самозащиты растений от переохлаждения летом. Но для растений умеренного и континентального климатов особенно опасна угроза обыкновенного вымерзания. Наибольший ущерб растениям наносит возврат холодов весной. Растения, героически выстоявшие суровые зимние морозы, вдруг гибнут от незначительных заморозков на перевале с апреля на май или в первых числах июня (такое и в Подмосковье случается).
В Австрии фермеры с опаской ждут праздников трех своих святых — Панкратия, Серватия и Бонифатия, которые «отмечают» 30 апреля, 1 и 2 мая. «Ледяные люди» — так называют католики этих трех святых — всегда напоминают о себе заморозками, прихватывающими посевы и посадки. Причем — шалости святых! — заморозки идут, как правило, узкой полосой: у одного хозяина мороз листья на огороде начисто спалит, а у соседа в двух шагах, рядом и листочка не тронет.
Подмороженные растения теряют упругость. Если слегка помять прихваченный морозом лист, он уже не вернет прежнюю форму. При сгибании его слышен треск, словно ломается хрупкий ледок. Листья приобретают прозрачность, понуро свешиваются, потом начинают съеживаться, буреть или чернеть.
Первый лед в растении образуется в межклеточниках, не затрагивая протопластов. Вода для его образования поступает сквозь стенки клеток. Лед при этом откладывается послойно на наружных стенках клеток. То, что ледообразование не затрагивает протопластов, не должно особо удивлять. Так, вода не замерзает в клейстере при охлаждении его до —5 °С, а то и до —10 °С.
При охлаждении тканей растений до —1 °С образование льда удается наблюдать только у очень немногих видов. В большинстве случаев для этого приходится ожидать снижения температуры до —2 °, а то и —3 °С. Но и в этих случаях лед образуется лишь в межклеточных пространствах, что в какой-то мере даже защищает протоплазму от замерзания, особенно если последняя уже обезвожена до критического предела. Если медленно размораживать такие ткани, они после оттаивания вполне способны выполнять свои функции. Таким образом, замерзание растения еще не означает его гибели.
Если водоросль Nitella syncarpa вымерзает уже при —4 °С, то Sphaerella nivalis, обусловливающая окрашивание снега в Заполярье в красный цвет, переносит температуру —20 °С без видимых последствий. То же самое относится и к видам родов Epithemia, Navicula и другим диатомовым водорослям, встречающимся на фирне ледников вместе со Sphaerella nivalis.
Чуткая итальянская сосна пиния не переносит русского мороза, в то время как ее близкий сородич — сибирская кедровая сосна, называемая сибиряками кедром, в течение зимы превосходно выдерживает температуры ниже —20 °С. Понтийский рододендрон вымерзает уже при —2°С, a Rhododendron lapponicum переносит самую суровую северную зиму.
В большинстве случаев чем более обводнено растение, тем опаснее для него мороз. Молодая листва буков, грабов и среднеевропейских дубов гибнет, если температура одной весенней ночи опустится ниже нуля; между тем осенью листья легко переносят несколько заморозков подряд. Многие альпийские растения, обычно безнаказанно переносящие заморозки, легко повреждаются ими в период наиболее активного роста. Разве не поразительно, что в конце июня уже на лишенных снега горах можно увидеть после заморозка в —6°С увядание подмерзших молодых листьев у реснитчатой альпийской розы (Rhododendron hirsutum), в то время как старые листья тех же растений ни в коей мере на заморозок не прореагировали?
Между тем известны растения, которые «вымерзают» даже при температуре выше нуля. Так, тропические акантовые, пестролистные колеусы, дыни и табак могут погибнуть, если температура хотя бы в течение одной ночи опустится до +2°С. Это, конечно, не вымерзание, а результат дисбаланса воды, скупо доставляемой растению корнями, и неумеренного испарения ее листвой. Листья, быстро теряющие влагу, засыхают и чернеют.
Хорошим средством защиты травянистой растительности и опавших семян от морозов в лесу и саду служит опавшая сухая листва. Прикрытые ею растения ясменника, медуницы, перелески, копытня отлично сохраняют свои зеленые листья до самой весны. Надежно укрыты в земле клубни, луковицы и корневища. Причем именно на той глубине, которой не достигнут жгучие морозы. По глубине залегания луковиц безвременника осеннего можно судить о лютости грядущей зимы. Они же укажут, насколько промерзнет зимой почва в данной местности. Кстати, луковицы и клубни гусиного лука и хохлатки уходят в землю на глубину, зависящую от прикрытия их сверху. Под слоем опавшей листвы букового леса они располагаются близко от поверхности, а на открытом лугу — втрое глубже, чем под буком.
Чем солнечнее и продолжительнее осень, тем лучше растения бывают подготовлены к суровой зиме — ранние заморозки могут нанести зимующим растениям непоправимый ущерб.
Для нашей страны суровые зимы характерны для большинства районов. Ежегодно от воздействия низких температур гибнут у нас хлеба. Вот и приходится зерно ежегодно закупать в других странах. Весенние похолодания повреждают всходы таких важных культур, как кукуруза, сахарная свекла и даже картофель. Выручает нас отчасти то, что исконно российская культура — рожь прекрасно зимует там, где пшеница гибнет. Вообще же даже в пределах одного вида наблюдаются значительные различия по устойчивости к низким температурам.
Поскольку хлеб у нас всему голова, генетики занялись поисками причин, почему хлеба, прежде всего пшеница, вымерзают. И что же ныне известно? Обнаружили, например, что морозостойкость мягкой пшеницы (ABD) связана с геномом D, полученным от эгилопса Aegilops tauschii. Виды пшениц и эгилопсов — ближайших сородичей и предков пшеницы, не имеющие генома D, обладают невысокой морозостойкостью. Определенно понижает морозостойкость геном В. Генотипы без этого генома (например, эгилопс спельтоидный, беотийская и араратская пшеницы и культурная однозернянка) более морозостойки, чем включающие геном В дикие однозернянки. А наиболее морозостойки, как ни парадоксально, все же пшеницы, включающие все три генома ABD. По старинному присловью, «Бог троицу любит».
Вообще же устойчивость к действию низких температур определяется очень многими генами. Сколько их, ни один генетик, положа руку на сердце, не скажет. Однако, привлекая к скрещиванию морозо- и зимостойкие формы, используя радиацию, химический мутагенез и экстремальные для выживания условия, порой удается сконцентрировать гены (полиаллели) морозо- и зимоустойчивости в одном сорте. Иногда, впрочем, оказывается достаточным с помощью подобных приемов «разбудить» дотоле «спящие» гены, обеспечивающие сорту эти свойства.
Большую роль в перезимовке играют и приспособительные реакции растений на действие закаливающих температур. Они связаны с перестройкой белок-синтезирующей и энергообеспечивающей систем, находящихся под контролем генома (ядра клетки) или плазмона (ядра и цитоплазмы). В процессе закаливания увеличивается содержание сухого вещества, сахаров и свободных аминокислот в корнях, корневищах, луковицах, клубнелуковицах и надземной части растений.