Зачем растения делают масло

Математика энергии

Главное преимущество жиров в их энергетической плотности. Если сжечь один грамм жира, выделится девять ккал энергии. А если сжечь один грамм крахмала или сахара — всего четыре ккал. 

Разница более чем в два раза! Но в реальности она ещё больше. Молекулы крахмала притягивают воду, поэтому на каждый грамм крахмала приходится около двух граммов воды. Жир же гидрофобен, то есть воду он отталкивает. В итоге, чтобы перенести одинаковый запас энергии, семечку с крахмалом пришлось бы весить в шесть раз больше, чем масличному. 

Для неподвижных органов растения, таких как клубни картофеля или корнеплоды свёклы, вес и объём запасов не являются критическими. Картофель может позволить себе хранить большие объёмы воды вместе с крахмалом в подземных клубнях, которые механически поддерживаются почвой. Однако для семян, которые должны распространяться ветром, водой или животными, вес критически важен. Если бы семена подсолнечника были крахмалистыми, они стали бы такими тяжёлыми, что ветер не смог бы их разносить, а птицам было бы неудобно ими питаться и переносить на новые места. Масло позволяет сделать семена компактными и лёгкими. 

Дорогая упаковка — цена производства

Если жиры такие эффективные, почему все растения не запасают энергию таким образом? Проблема в том, что запасать жиры слишком «дорого». Когда растение создаёт крахмал из сахара, оно почти не тратит ценные ресурсы. Но, чтобы синтезировать жирные кислоты, клетке приходится запускать довольно энергозатратные реакции. В процессе превращения сахара в масло часть клеточных ресурсов просто улетает в атмосферу в виде углекислого газа.

В природе злаки часто растут в условиях, где важно быстро захватить территорию весной за счёт огромного количества семян. Синтез крахмала из глюкозы происходит почти без потерь. Пшеница «склеивает» молекулы сахара в длинные цепочки крахмала, сохраняя большую часть энергии, полученной от фотосинтеза.

Биохимия масла

То, что мы называем растительным маслом, в науке именуется триацилглицеринами (TAG). Если разобрать молекулу масла на части, мы увидим «каркас» из глицерина. Это спирт, содержащий три атома углерода. К нему прикреплены три длинных «хвоста», молекулы жирных кислот.

Жирные кислоты бывают двух типов, и именно от них зависит, будет ли жир твёрдым или жидким:

1. Насыщенные жирные кислоты. Их цепочки прямые и ровные. При понижении температуры их молекулы плотно укладываются друг к другу, как кирпичи в стене. Их много в животных жирах и пальмовом масле. Именно поэтому суп в холодильнике покрывается густой белой коркой.
   

2. Ненасыщенные жирные кислоты. В их цепях есть двойные связи. Эти молекулы не могут прижаться друг к другу плотно, поэтому они остаются подвижными и жидкими даже на холоде. Их много в подсолнечном масле.

В клетках семян липиды (жиры) упакованы в крошечные шарики, олеосомы.


Снаружи такой шарик покрыт бронёй из специальных белков олеозинов. Они не дают каплям масла сливаться в одну большую. Это критически важно, ведь когда семя начнёт прорастать, специальные ферменты должны будут быстро трансформировать масло в энергию, а делать это удобнее с маленькими каплями. Их площадь поверхности больше и ферментам легче получить к ним доступ. 

Масло становится стеблем

Подсолнечник растёт в условиях высокой конкуренции с другими видами. Когда семя прорастает, ему нужно как можно быстрее вытянуть стебель вверх, чтобы его не затенили соседи. 

Летом листья подсолнечника ловят солнце и превращают его энергию в сахара. Сахара направляются в корзинку к созревающим семенам. Внутри семени специальные ферменты превращают сахар в жирные кислоты и пакуют их в олеосомы. Так получается высококалорийное масло, которое может храниться годами, не теряя питательных свойств.

Когда семечко попадает в землю и начинает расти, перед ним встаёт новая биохимическая задача. Его стебли и листья строятся из целлюлозы — это сложный сахар, а в запасах лежит только жир. Растения не могут превратить жир в сахар напрямую обычным способом.

Для этого они используют биологический механизм — глиоксилатный цикл. Это происходит в специальных органеллах, глиоксисомах. Жир разбирается на запчасти, которые в результате становятся сахарозой. 

«Энергетические консервы» превращаются в строительный материал для первых листочков. Как только растение пробивается к свету и разворачивает зелёные листья, оно начинает само производить энергию с помощью фотосинтеза. И цикл жизни растения начинается заново.

Липиды как защита и антифриз

Липиды (жиры) плохо проводят тепло, создавая для зародыша капсулу, защищающую от резких скачков температуры в почве. Кроме того, липидный слой защищает нежные мембраны клеток от разрушения при высыхании семени зимой. Когда семечко сохнет, жировые капли обволакивают внутренние структуры клетки, не давая им разрушиться. 

Состав масла в семенах — это карта климата, где живёт растение. Ученые заметили: чем севернее живёт вид, тем больше в его семенах жидких ненасыщенных жиров. Это логично: если весной ударят заморозки, жир внутри семени затвердеет, и ферменты не смогут его обработать. А жидкое масло остаётся доступным для получения энергии даже при низких температурах.

Но у жидких масел есть слабое место — они легко портятся под действием кислорода. Как мы знаем, молекула масла имеет длинные «хвосты» жирных кислот. Когда внутрь семени проникает кислород, он пытается прореагировать с жирными кислотами. Этот процесс называется окислением (или прогорканием). Если «хвосты» окислятся, они превратятся в токсичные вещества.

Чтобы семя не испортилось за зиму, растения добавляют в него мощный антиоксидант — витамин Е (токоферол). Токоферол принимает удар на себя. Он нейтрализует активные молекулы кислорода до того, как они успеют разрушить жиры. Витамин Е работает как консервант, защищая жиры от разрушения.

А как обстоят дела на юге? В тропиках идёт жёсткая борьба за свет. Чтобы семя, упавшее в тени огромных деревьев, могло быстро вырастить высокий стебель вверх к солнцу, ему нужен огромный запас энергии. В отличие от северных масел, богатых ненасыщенными кислотами, южные растения накапливают насыщенные жиры. Они более стабильны химически, не боятся высоких температур и дольше сохраняют всхожесть семян в горячей почве. 

А ещё масляная оболочка и специфические жирные кислоты в тропических семенах часто служат барьером для вредителей и плесени, которые во влажном и жарком климате быстро размножаются и не прочь поживиться калорийными запасами растений. 

Подытожим

Растительное масло нужно растениям, чтобы:

• Упаковывать максимум энергии в минимальный вес.

• Быстро прорастать и обгонять конкурентов в борьбе за солнце.

• Выживать в суровых условиях и защищать зародыш.

Подсолнечник использует жиры, потому что это самый эффективный способ создать «автономный модуль выживания», способный пережить зиму, улететь далеко от материнского растения и стремительно вырасти весной. Масло — это энергетический концентрат. Оно даёт в 2,25 раза больше энергии на грамм, чем углеводы. Если бы подсолнечник хранил энергию в виде крахмала (как, например, картофель), его семечки были бы в несколько раз крупнее и тяжелее. Для семени, которому нужно быть лёгким и компактным, жиры — идеальное топливо.