Усе, що ви хотіли знати про рослини, але навіть не здогадувалися, що таке буває

 

Рослини були раніше за нас. Мільярди років тому вони пристосовувалися, боролися й виживали. Еволюційно так склалося, що наші зелені друзі виробили потужний арсенал заходів на випадок різних апокаліпсисів. Рослини організували собі МНС, медичну систему, розробили оборонні заходи й різні школи бойового мистецтва, ще й провели Інтернет під землею задовго до того, як українці взялися копати Чорне море.

 

Найсучасніші методи досліджень дали змогу вченим усього світу лише за останнє десятиліття збагнути інструментарій, яким оснастили себе рослини. Аналог нервової системи, рослинна версія вестибулярного апарату, щось схоже на слух, здатність розрізняти кольори, численні реакції захисту та попередження, комунікативна активність – це не фантастика, а біологічна доцільність і результат еволюційних досягнень. На одвічне запитання практиків: «Що мені з того?», я відповім запевненням, що вам із того дуже багато всього, причому вже незабаром.

 

Проблема з формулюванням

На початку статті потрібно поставити всі крапки над «і» та ріжки над «й», визнавши, що ми не маємо точних слів для описання того, що відбувається з рослинами. Через брак словесних інструментів навіть статті у Science виглядають неправдоподібно. Річ у тім, що клітина крові формується навколо молекули заліза, а в центрі формули хлорофілу – магній. Ми з рослинами перебуваємо у різних царствах, тому можемо лише дуже приблизно проводити паралелі та весь час пам’ятати про умовність цих аналогій.

Ось цитата знаного ботаніка з Вашингтонського університету Елізабет Ван Волкенбург із цього приводу: «Люди припускаються великої помилки, говорячи про рослини так, ніби вони (рослини) знають, що роблять. Викладачі біології, дослідники, науковці та студенти часто говорять «рослина знає», «рослина думає», сприяючи поширенню міфів і викривленню розуміння біологічних процесів. Можна твердити лише про реакцію організму рослини на певні хімічні процеси. Я поважаю рослинне царство, але не варто перебільшувати, бо так і до розмов про свідомість і мислення огірків можна дійти».

 

Не дуже нервова система рослин

Рослини не мають нервів, але їхні клітини здатні генерувати електричні імпульси та мають електропровідність. Клітини використовують мембрани для ізолювання від зовнішнього середовища. Мембрани мають певну проникність, легко пропускаючи менші за розміром молекули, а більші – можуть скористатися порами. Однією з груп мігрувальних молекул маленького розміру є іони.

Коли на стінці клітинної мембрани нагромаджується певна кількість іонів, з’являється потенціал для електричного струму. Клітини мають регулювальні властивості й використовують білкові канали, якими з’єднуються клітинні мембрани для переходу іонів з однієї клітини до іншої. Виходить система електричної сигналізації. Ці процеси лежать у площині загальної хімії, тому вони подібні серед усіх живих організмів.

 

За допомогою цих імпульсів рослина може передавати сигнали про загрозу всередині свого організму. Висновки дослідження, що провела міжнародна група вчених, можна прочитати у журналі Science. Перші відомості про «нервову систему» рослин зібрав і описав ще Чарльз Робертович Дарвін, але її дивовижну та ефектну роботу в режимі реального часу ми дістали лише тепер. Група вчених займалася, як завжди, дуже практичними питаннями й мала на меті встановити залежність рівня кальцію в рослині під дією гравітації.

Досліди проводили над арабідопсисом. Один із вчених розробив молекулярний сенсор – флуоресцентний розчин, чутливий до коливань кальцію. Залежно від зростання концентрації кальцію в органах рослини – розчин світиться яскравіше.

Саймон Гілрой, біолог Вісконсинського університету, який входить до дослідної групи, розповів про експеримент на своїй сторінці у FB: «Ми знали про те, що рослини мають сигнальну систему, але ніколи не бачили так наочно, як вона працює, а також не знали, які механізми за цим стоять. Ми відрізали листок арабідопсису і спостерігали, як швидко змінилася концент­рація кальцію – сформувався свого роду імпульс, який поширився від ураженого місця за всією рослиною. Світло сенсора стало яскравішим поблизу «рани», опісля погасло, але згодом хвиля від цього сигналу розійшлася по всіх листках».

Швидкість поширення електричного імпульсу у рослині – 1 мм / с. Для порівняння: у нервових клітинах теплокровних – 120 м / с. Проте цієї неквапливості цілком достатньо, щоб вчасно відреагувати й запустити захисні механізми.

Вчених зацікавило питання: що спричиняє підвищення рівня вмісту кальцію у рослинах. Виявилося, що справа у глутаміновій амінокислоті (глутаматі). Ще 2013 року німецькі вчені помітили, що рослини, які не мають цієї амінокислоти, не здатні реагувати на подразники.

У місці пошкодження відбувається викид глутамату, він вловлюється рецепторами, які й підвищують уміст кальцію і запускають увесь ланцюжок реакції.

 

Захищайся, потворо!

Рослини не такі беззахисні, якими ми їх вважали раніше. Існують різноманітні практики захисту різних видів, а деякі з них набули здатності атакувати свою жертву. Активізація виокремлення хімічних сполук відбувається впродовж кількох хвилин, така різка зміна хімічного складу робить рослину неїстівною для комах, відлякує неприємним запахом шкідників або спричиняє розлади травлення у жуйних тварин. 

В основі механізму захисту лежить здатність рослини реагувати на дотик. Дослід­ження цих механізмів триває з 2013 р., і час від часу яка­небудь група вчених докидає нових фактів на цю тему. Остання публікація з’явилася нещодавно у The Plant Journal, де австралійські дослідники з Університету Ла Троба пояснили, чому в рослину не слід тицяти пальцем.

Професор Джим Уїлан підсумував, що торкання активує реакцію захисту від грибкових і бактеріальних інфекцій та спричиняє уповільнення росту рослини. Рослина витрачає енергію на самозахист замість того, щоб витрачати її на розвиток.

«Легкий доторк тварини, людини чи навіть іншої рослини, що відбувається від пориву вітру, спричиняє сильну генетичну відповідь у рослин. Упродовж 30 хв. експресія геному змінюється на 10%. За повторного подразнення ріст рослин знижується до 30%», – підкреслив професор Уїлан.

Дослідники не беруться з упевненістю назвати причини та механізми, що запускають реакцію, але у цьому є однозначна біологічна доцільність. У разі щільної посадки рослини одного виду оптимізують спільний доступ до сонячного світла. Вони втрачають у швидкості росту, але виграють у виживанні виду.

Більш раннє дослідження вчених з Університету Райса було опубліковане у журналі Current Biology, яке називає жасмонати основним захисним регулятором у цьому ланцюжку. Ці фітогормони наявні в усіх без винятку рослинах і мають силу­силенну не до кінця вивчених функцій. Подразнення рослини посилює вироблення цих гормонів, зростає продукування метаболітів, що спричинює розлади травлення у того, хто його жує.  

«Рослина не має здатності пересуватися, тому їй варто бути напоготові та швидко реагувати на подразнення», – пояснює життєву позицію зелених нечіпах Джанет Брам, професор, голова відділу біохімії та клітинної біології Університету Райса.

 

Рослини «люблять» білий колір

Оуквудський університет в Алабамі також опікується системою електричного сигналізування рослин. Останні роки досліджень засвідчили, що передання електричних імпульсів у рослинах змінює і регулює всі види біологічних процесів у клітинах. Раніше вважалося, що аналог нервової системи хижих рослин на кшталт мухоловки Венери складніший за газонну траву, але дослідження не засвідчили це припущення.

Науковці мають більше запитань, ніж відповідей, позаяк виміряти електричний імпульс у клітині нескладно, а от прив’язати його до певної функції – це велика робота. 

Рослини виявляють здатність підвищувати імунітет під дією світла. Дослідники інфікували кілька груп рослин арабідопсису однаковим бактеріальним збудником та опромінювали яскравим світлом синього, білого і червоного кольору. Інтенсивність опромінювання також була різною – 1; 8 и 24 год. Рослини, які до зараження були опромінені білим світлом упродовж 8 год., мали найвищу стійкість проти бактеріальної інфекції. У групі заражених до опромінювання рослин не виявляли підвищеного опору патогену.

Професор Станіслав Карпінський із Варшавського університету висунув версію про те, що рослини можуть акумулювати сонячну енергію, використовуючи її надлишки для зміцнення імунної системи. «Рослини реагують на довжину світлової хвилі, й немає сенсу твердити про те, що вони розрізняють кольори, – додає Карпінський. – Радше механізм розпізнавання довжини хвилі потрібен рослині для орієнтації у порі року. Під впливом сильного світла рослини поглинають більше енергії, ніж можуть використати для фотосинтезу. Надлишкову енергію вони якимось невідомим нам шляхом перетворюють на теплову та електрохімічну активність, яка запускає такі біологічні процеси як імунний захист».

Група вчених, очолювана Станіславом Карпінським, ви­явила також, що хімічні реакції, спричинені світлом, тривали й у темряві, а опромінення, яке діяло лише на один листок, викликало реакцію в усьому зеленому тілі.       

Кризовий менеджмент та інші вміння

Окрім чутливості до кольору рослини чутливі й до звуку. Вчені досі не можуть визначити сенс цієї здібності. За однією з гіпотез, рослини розрізняють комах за частотою звукових коливань, що лине від вібрації крил під час польоту, щоб завчасно виділити глюкозинолати, природні інсектициди. Із часу першого дослідження пройшло вже 40 років, але вчені й досі не можуть пояснити, чому коріння рослин росте у бік джерела звуку в діапазоні 200­300 Гц (ноти: від соль малої октави до ре першої).

Можна твердити про здатність рослин розпізнавати звуки, позаяк реакція на шум вітру, весільне стрекотіння коників чи інші звуки не запускає захисних механізмів. 

Ізраїльський ботанік Алекс Касєльник виявив, що рослини можуть бути добрими кризовими менеджерами. Він провів численні досліди із зеленим горошком. Учений розділяв коріння рослини так, аби воно розвивалося в ізольованих контейнерах. Земля в горщиках була однаковою, але в одному вона залишалася сталою, а в іншому – концентрація поживних речовин повсякчас змінювалася. Після трьох місяців росту вчені порівняли масу коренів, що виросли в різних контейнерах. Виявилося, що корені добре ростуть у сприятливому середовищі, але якщо воно повсякчас змінюється, рослина намагається захопити більшу площу в пошуках поживних речовин. Отже, розгалуженіша коренева система виявилася у другому – «стресовому» – горщику.

Рослини також мають аналог вестибулярного апарату й отримують дані про положення тіла. Корені завжди ростуть у напрямку гравітації, а пагони – до світла. Ці здатності називають гравітропізмом і фототропізмом. Фітогормони регулюють клітинний ріст, спираючись на дані про положення рослини у просторі. Здатність «рости правильно» пов’язана з роботою статоцитів – клітин, які містять важкі сфери­статоліти, що осідають під дією тяжіння. Їх положення і дає рослині інформацію про вертикаль.

Циркадні ритми, які регулюються низкою гормонів, світлочутливістю, дають рослині уявлення про час доби та сезон.

Усі ці здібності рослин можуть допомогти дослідникам не лише краще розуміти механізми роботи екосистеми, а й освоювати космос. Стефано Манкузо, засновник і голова Міжнародної лабораторії нейробіології рослин, займається розробкою рослиноподібних роботів. Механізми, які напрацювали собі рослини впродовж історії, дуже раціональні, тому вони знадобляться для моніторингу зовнішнього чи водного середовища на інших планетах.  

 

Послухайте, куме, мене хтось їсть!

Є два основні канали трансляції інформації рослин – надземний і підземний. Існує теорія «хімічного відлуння», якою займається Річард Карбан, професор із Каліфорнійського університету. Він проводив серію експериментів, під час яких довів, що в разі пошкодження рослини комахою в радіусі 50‑60 см навколо неї інші рослини того самого виду виокремлюють складний букет хімічних сполук інсектицидної дії.

Комунікація рослин відбувається завдяки хімічним кодам, молекулам вуглецю, які в мізерних концентраціях виділяє рослина. Ці леткі органічні речовини характеризуються легкістю та швидким поширенням. Каліфорнійський університет виділив 30 тис. хімічних сигналів, які може подавати рослина. Ці «хімічні смс» є реакцією на механічні пошкодження, атаку комах, слину гусені, рідину, що оточує відкладені шкідниками яйця.

«Поширити хімічні речовини – це зрозумілий механізм, – говорить Річард Карбан. – Ми не знаємо, як рослини сприймають ці хімічні сполуки, як рослини збирають їх і «розшифровують». Ми досліджуємо концентрацію та пропорції цих хімічних повідомлень, але на розшифровування підуть роки».

Учений вважає, що його робота може істотно допомогти під час кліматичних змін, що насуваються. Адже зміни можуть порушити комунікацію та спричинити дестабілізацію екосистем, а його дослідження може знадобитися для відновлення інформаційного обміну.

Генетично ідентичні рослини розпізнають хімічні сигнали куди швидше, ніж різновидові. Проте в міжвидових стосунках рослин не все так гладко. Є дослідження іншого американського вченого Еммі Троубріджа, який визначив, що існує жорстка «комунікативна» конкуренція серед деяких видів рослин. Ушкоджена комахою рослина може «спеціально мовчати», якщо поруч росте конкурент, не виділяючи леткі органічні сполуки. Попередити конкурента – означає допомогти йому вижити. Схоже, що бажати смерті сусідовій корові не лише людське, а й загальнобіологічне явище.

Є ще й підземний вид комунікації – «грибний Інтернет». Кореневі системи вищих рослин утворюють тісні симбіотичні асоціації з міцелієм ґрунтових грибів. Між ними відбувається постійний обмін органікою та мінеральними солями, але не лише потік речовин рухається цією мережею. Рослина, чию кореневу систему ізольовано від сусідів, повільніше розвивається та гірше переживає несприятливі умови.

Із такими дивовижними прикладами здатності рослин опрацьовувати інформацію та пристосовуватися до сере­довища, немає потреби намагатися наділяти рослини розумом, свідомістю, пам’яттю або іншими когнітивними здібностями – вони їх не потребують, вони мають свої методи.

Я не наводитиму цитату французького дослідника, який назвав рослини повільними тваринами, бо ми з вами помремо з голоду з етичних міркувань. Давайте поміркуємо, яка практична користь може бути для нас від цих фантастичних досліджень.

Раніше у рослин не було людей. Тепер ми є, і не просто є, а зацікавлені в тому, щоб гусінь та інші почвари не лізли до нашої сої та пшениці. Хімічна промисловість дає змогу ефективно захищати посіви від шкідників, ми готові взяти функцію захисту на себе, тож було б добре, аби генетики «відімкнули» ген, який відповідає за оборонні здібності. Рослина не витрачатиме сил на боротьбу, сконцентрувавшись лише на розвитку.

Те саме стосується і можливості переглянути в найближчому майбутньому норми висіву, зробивши рослини нечутливими для доторків, забезпечивши високорослість за щільного садіння.

Для того аби керувати реакціями рослини на недостатню вологу, хвороби, брак поживних речовин, температурні коливання, потрібно добре вивчити механізми виникнення цих реакцій. Методи мутагенезу та редагування геному – це дієві інструменти, якими можна перекроїти уявлення про врожайність і потенціали культур.

Знання про складність і багатогранність процесів, що відбуваються у рослині та між ними, не лише сповнює оптимізмом від перспектив управління, а й спричиняє глибоку пошану до мудрої будови Царства Рослин та відчуття невпинного еволюційного процесу.

 

Лада­ Олександра Антомонова