Деревья выпрямляются, используя систему, работающую подобно мышцам

Фото из открытых источников

Новое исследование выявило скрытую сенсомоторную систему внутри деревьев, которая контролирует натяжение древесины и помогает им поддерживать вертикальное положение. Результаты исследования опубликованы в журнале New Phytologist.

Деревья способны чувствовать свою форму и использовать это чувство, чтобы выпрямиться после изгиба, используя систему, которая работает на удивление похоже на мышцы, контролирующие осанку у животных.

Новое исследование наконец-то проследило механизм, лежащий в основе этой способности, выявив то, что исследователи описывают как настоящую сенсомоторную петлю, функционирующую внутри самой древесины.

Исследование проводилось группой ученых, в которую входил INRAE. Данное исследование основывается на открытии 2012 года, которое впервые показало, что растения обладают проприоцепцией — чувством ориентации частей собственного тела в пространстве, — свойством, которое долгое время считалось присущим исключительно животным. 

В более ранних работах было установлено, что это чувство позволяет растениям контролировать свою позу и оставаться в максимально вертикальном положении. Загадкой оставался биологический механизм, лежащий в основе такого поведения.

Растения растут не в ответ на какой-то один сигнал. Они реагируют на гравитацию, свет и собственную форму. Это затрудняет выделение и изучение какого-либо одного чувства в отрыве от других. Чтобы вывести проприоцепцию из этого сложного процесса, исследователям потребовалась экспериментальная установка, которая полностью исключала бы воздействие гравитации и направленные сигналы света.

Их решение заключалось в размещении молодых тополей на горизонтальной платформе, которая непрерывно вращалась вокруг своей оси, и всё это внутри сферы, равномерно освещённой со всех сторон одновременно. 

При отсутствии направленного влияния гравитации и равномерном освещении со всех сторон, любое оставшееся самокорректирующее движение может быть связано с внутренним ощущением формы деревьев.

Эксперимент начался с того, что молодые тополя были уложены на бок. Со временем, оставшись в горизонтальном положении, деревья сами собой изогнулись вверх, постепенно возвращая свои верхушки в вертикальное положение. 

Это движение обусловлено так называемой древесиной напряжения, особым видом древесины, которая функционирует подобно мышце. При сокращении оно тянет за верхнюю часть стебля, заставляя всю структуру изгибаться вверх.

Примерно через десять дней, когда деревья достаточно изогнулись, исследователи переместили их в устройство для сенсорной депривации. В течение последующих недель произошло нечто поразительное: стебли постепенно выпрямились, приняв прямоугольную форму, без каких-либо внешних факторов, таких как гравитация или свет, которые могли бы направлять их.

Изучение древесины, образовавшейся в процессе выпрямления, позволило понять, что происходило.

Напряженная древесина в верхней части ствола, та самая древесина, которая изначально заставляет дерево изгибаться вверх, просто перестала формироваться после включения устройства. На его месте на противоположной стороне ствола начала формироваться древесина того же типа.

Новая древесина, по-видимому, действует как антагонист, тянущий в противоположном направлении и постепенно выпрямляющий ствол. Это действительно мышечное взаимодействие, при котором одна сила напрямую противодействует другой, чтобы точно настроить осанку. 

Само по себе образование древесины под напряжением — это сложный биологический процесс, строго регулируемый на клеточном уровне и протекающий через несколько различных стадий. Исследование показывает, что весь процесс регулируется собственным проприоцептивным чувством растения.

До этого исследования ученые предполагали, что древесина, подверженная напряжению, образуется только на верхней стороне наклоненного ствола, изгибая его вверх. Такой узор можно увидеть у основания деревьев, растущих на горных склонах, где ствол изгибается, компенсируя уклон под ним. 

Данное исследование показывает, что древесина, подверженная напряжению, способна на гораздо большее, чем просто выполнять эту единственную функцию. Она может действовать в противоположных направлениях, по сути, функционируя подобно антагонистическим парам мышц у животных, которые работают в скоординированном противодействии для поддержания осанки и обеспечения движения.

В совокупности полученные результаты свидетельствуют о том, что растения сочетают в себе тонкое восприятие окружающей среды, света и гравитации с внутренним ощущением собственной формы. Затем они интегрируют всю эту информацию, чтобы активировать напряженную древесину в том направлении, которое обеспечивает правильное положение дерева. 

Вероятно, эта способность играет важную роль в восстановлении деревьев после штормов, оползней или других внезапных событий, которые смещают их с места произрастания.

Это открытие также открывает новые возможности для селекции сельскохозяйственных культур и деревьев. Отбор растений на основе того, насколько хорошо у них функционирует проприоцепция, может помочь в выращивании культур, которые более надежно сохраняют вертикальное положение. 

Это может стать потенциальным новым инструментом в борьбе с полеганием, проблемой, когда зерновые культуры, такие как пшеница, падают под воздействием ветра или дождя.

«Мы обнаружили подлинную сенсомоторную петлю, функционирующую в древесных частях деревьев! Плохая координация последовательной активации напряженной древесины приводит к чрезмерному внутреннему натяжению, что может повлиять на качество древесины», — сказал Бруно Мулиа, директор по исследованиям INRAE. 

Мулиа заявил, что полученные результаты могут перенаправить прикладные исследования на улучшение качества древесины и разработку деревьев, которые остаются максимально прямыми и раскидистыми, независимо от возникающих проблем.

«Для того чтобы раскрыть удивительные возможности деревьев, требуется немалая изобретательность», — добавил Феликс Хартман, инженер-исследователь из INRAE. «В этом проекте мы достигли цели, объединив исследователей из разных дисциплин, обладающих взаимодополняющими навыками и взглядами. Это требует времени и настойчивости, но эти междисциплинарные открытия показывают, что усилия того стоят».