Как деревьям удается расти одинаково во всех направлениях?

Есть несколько других хороших ответов, которые дают часть картины, но я думаю, что есть фундаментальный организующий принцип, который был упущен. Конрад коснулся этого в своем ответе.

Причина, по которой деревья и большинство растений имеют тенденцию расти одинаково во всех направлениях, заключается в том, что они имеют повторяющееся разветвление и радиальную симметрию, которая контролируется в петле обратной связи гормона роста ауксина и переносчиков ауксина, чувствительных к ауксину. Это элегантный биологический алгоритм, который объясняет рост всех ветвлений.

Вещи, которые идентифицирует Конрад (фототропизм, гравитропизм и т. д.), служат ориентирами, которые помогают растению определить, по каким осям расти, но в основном этот процесс связан с градиентами ауксина. Есть исключения, как указывали другие в своих ответах, и они обычно возникают из-за серьезного дисбаланса в сигналах ориентации.

Я постараюсь понятно объяснить процесс роста (и это дает мне возможность снова попробовать свои силы в построении диаграмм ^_^)...

Ауксин — это растительный гормон (на самом деле это класс гормонов, но чаще всего, когда люди говорят об ауксине, они имеют в виду индол-3-уксусную кислоту ), который способствует удлинению и делению клеток. Основной принцип, который позволяет ауксину действовать организующим образом, заключается в том, что ауксин вырабатывается внутри клеток, а белки, экспортирующие ауксин из клетки, развиваются на той стороне клетки, которая имеет самую высокую концентрацию ауксина (см. рисунок ниже).

Таким образом, ауксин транспортируется вверх по градиенту концентрации ауксина! Таким образом, если у вас каким-то образом развивается область с высокой концентрацией ауксина, в эту область транспортируется больше ауксина. Область высокой концентрации ауксина по отношению к окружающей ткани называется максимумом ауксина (множественное число «максимумы»).

На протяжении большей части жизни растения ауксин вырабатывается практически в равной степени в большинстве клеток. Однако на самых ранних стадиях развития эмбриона он образуется преимущественно вдоль оси эмбриона (см. рисунок ниже, часть 1 ). Это создает меристему — группу клеток, в которых происходит клеточное деление — с максимумом ауксина на каждом конце зародыша. Поскольку эта конкретная меристема находится на вершине растения, ее называют апикальной меристемой , и обычно она самая сильная в растении.

Таким образом, имея меристему на каждом конце, эмбрион удлиняется, поскольку деление клеток происходит только в этих точках. Это приводит к части 2 изображения выше, где две меристемы расходятся так далеко друг от друга, что градиент ауксина настолько слаб, что больше не оказывает своего организующего эффекта (область в красном квадрате). Когда это происходит, ауксин, вырабатываемый клетками в этой области, концентрируется хаотично в течение короткого времени, пока не будет создан другой центр транспорта. Это происходит, как и в первом случае, когда конкретная область ткани имеет несколько более высокую концентрацию ауксина, и поэтому ауксин в окружающей ткани транспортируется к ней. Это приводит к части 3 рисунка, в которой две новые меристемы создаются по бокам растения (называемые боковыми меристемами ).).

Боковые меристемы - это места, где на растениях возникают ветви. Если вы затем представите, что этот процесс повторяется снова и снова, вы увидите, что ветви по мере их удлинения образуют меристемы на концах и по бокам. Основной стебель также будет продолжать удлиняться и развивать больше боковых стеблей. Корень начнет разветвляться, а эти ветви будут разветвляться и т. д. Если вы сможете понять, как работает эта элегантная система, вы поймете, как растут растения и почему они растут повторяющимися единицами, а не в плане тела, как у животных.

Это также объясняет, почему срезание кончика стебля способствует его ветвлению. Удаляя апикальную меристему, вы избавляетесь от градиента ауксина и позволяете создавать несколько меньших меристем, каждая из которых развивается в ответвления.

До сих пор я объяснял регулярное ветвление, но та же самая система вызывает радиальную симметрию, которая заставляет деревья (обычно) расти во всех направлениях одинаково...

Представьте, что вы делаете поперечное сечение стебля и смотрите сквозь него вниз (как грубо показано выше). Точно так же, как градиенты ауксина координируют рост по длине растения, они также координируют его в радиальном направлении, поскольку максимумы имеют тенденцию располагаться как можно дальше друг от друга. Это приводит к тому, что ветки растут во всех направлениях одинаково (в среднем).

Я приветствую комментарии к этому ответу, так как считаю, что это так важно для понимания роста растений, что я хотел бы отточить свой ответ, чтобы сделать его как можно лучше.

Рост растений жестко контролируется ауксинами – растительными гормонами. Сам ауксин обычно имееттормозящийвлияние на рост [EDIT: см. комментарии и ответ Ричарда для исправления]. Насколько я знаю, не существует активного контроля за восстановлением симметрии растения после того, как оно пошло не так (но я могу ошибаться!), но ингибирующее действие ауксина, синтезируемого в меристеме и диффундирующего во всех направлениях, вызывает симметричный характер ингибирования и активации. , образуя побеги на симметричных расстояниях вокруг верхушечной меристемы побега – это очень заметно в симметрии брокколи романеско :

Кроме того, существует несколько механизмов с участием ауксина, которые формируют общий рост растения. Наиболее важные из них:

• Апикальное доминирование , при котором верхушка (стебель) растения растет сильнее, чем другие части растения, обеспечивая общую центрацию роста.

• Фототропизм заставляет растение расти к солнечному свету. В отличие от вашей гипотезы, это происходит не просто из-за большего количества фотосинтеза и, следовательно, более быстрого роста перед растением, обращенным к свету, это активно контролируется.

• Гравитропизм — очень интересный эффект, который заставляет растение расти в основном вверх . Это интересно, потому что механизм на самом деле использует гравитацию: ауксин, синтезируемый в меристеме, диффундирует вниз по растению под действием силы тяжести, подавляя рост в более низких областях (но обратите внимание, что в корневой апикальной меристеме эффект каким-то образом обратный).

• Гидротропизм заставляет растение расти в сторону воды.

Все эти эффекты в совокупности заставляют растение расти, как правило, вверх и в стороны.

Они не всегда. Например, вот эта яблоня растет прямо у меня под окном:

Пока еще не упал. Причина, по которой он растет таким образом, заключается в том, что весь свет падает с правой стороны картины: дерево наклонено примерно к юго-востоку, а здание находится к юго-западу от него и отбрасывает тень на центр двора на большей части день. Кроме того, слева вы можете увидеть ветви других, более высоких деревьев, которые блокируют почти весь рассеянный свет в крыше с этого направления.

Как показано в ответе @IlmariKaronen, Это не всегда так. большинство деревьев, растущих рядом с тенистыми сторонами зданий, имеют тенденцию отклоняться от здания. Некоторые деревья могут выдерживать больше тени, чем другие, и их ветви будут находиться в тени зданий. В тени они никогда не растут такими плотными и крепкими. Причиной роста растений к свету является фототропизм. Когда свет попадает на стебель растения, ауксины, определяющие длину стебля, разрушаются, уменьшая количество роста на этой стороне стебля. Когда это происходит, стебли наклоняются к источнику света из-за дисбаланса ауксинов в стебле. Причина того, что теневая сторона слабее, заключается в том, что все деревья получают энергию за счет фотосинтеза. Конечно, сторона без прямого солнечного света не будет производить столько фотосинтеза, и поэтому у нее гораздо меньше энергии для роста. Также, многие большие деревья неуравновешены, иногда весь вес приходится на одну сторону. Их держат корни.