Подсолнухи раскрывают удивительную тайну о том, как растения воспринимают свет

Фото из открытых источников

Новое исследование объясняет, почему подсолнечники иногда стремятся к более слабым источникам света, а не к более ярким, что ставит под сомнение существующие представления о поведении растений. Результаты исследования были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Растения стремятся к свету, поэтому кажется естественным, что они всегда будут наклоняться к тому, что светит ярче всего. Молодые подсолнухи не всегда следуют этому правилу. Когда на них светили две одинаково сильные лампы с противоположных сторон, саженцы росли в направлении третьей, более слабой лампы.

Исследователи пришли к выводу, что растения не просто растут там, где больше всего света. Разные стороны стебля подсолнечника реагируют на получаемый свет. Эти сигналы объединяются, направляя рост, позволяя двум одинаково сильным источникам света, идущим с противоположных направлений, эффективно компенсировать друг друга.

Исследование было проведено Ясмин Мероз, профессором Тель-Авивского университета, совместно с Ароном Кемпински, Амиром Поратом и Матье Ривьером. Все четверо являются сотрудниками Центра физики и химии живых систем университета.

«Удивительно, что растения способны интегрировать сложную информацию об окружающей среде без мозга или центральной системы обработки информации», — сказал Мероз. «Вычисления происходят исходя из того, как свет воспринимается и обрабатывается локально по всей длине стебля».

Команда работала только с недельными саженцами подсолнечника, выращенными и протестированными в помещении под синими лампами. Как взрослые растения реагируют на свет, поступающий с разных сторон на открытом воздухе, не изучалось.

У многих животных органы чувств, такие как кожа, собирают сигналы, а мозг обрабатывает их. У растений нет мозга для выполнения этой работы. Вместо этого светочувствительные белки, управляющие изгибом стебля, находятся в основном во внешнем слое клеток стебля. Каждый участок поверхности стебля реагирует на падающий на него свет.

Часть света также проходит насквозь. Используя напечатанный на 3D-принтере чехол для удержания стеблей саженцев перед люксметром, команда провела 31 измерение.

В среднем, около 10% света, попадающего на стебель, проходит сквозь него, давая датчикам на противоположной стороне слабый сигнал, направленный в противоположную сторону. Стебель изгибается, потому что растет быстрее с одной стороны, чем с другой. Разработанная командой модель суммирует световые сигналы со всех сторон, чтобы определить, в каком направлении будет расти стебель.

Известно, что молодые подсолнухи следят за движением солнца по небу. В данном исследовании использовались гораздо более молодые подсолнухи, выращенные при температуре 25°C и собранные, когда их высота достигала 1–3 см. Команда нанесла две флуоресцентные точки возле кончика каждого саженца под слабым зеленым светом, чтобы растения не начали реагировать на свет слишком рано.

Затем ленты синих светодиодов подсвечивали по пять саженцев за раз, в то время как растения фотографировали сбоку в течение как минимум 21 часа. Угол между двумя точками показывал, насколько сильно изогнулся каждый кончик. Примерно через 16 часов сеянцы приняли устойчивое положение под заданным углом.

При использовании одной лампы более яркий свет заставлял саженцы сильнее изгибаться. Но при десятикратном увеличении яркости изгиб не успевал за этим изменением. Измерения команды показали закономерность, согласно которой свет, вдвое более яркий, дает сигнал, значительно меньший, чем вдвое более сильный.

Органы чувств многих видов работают именно так, реагируя на то, насколько сильно изменяется сигнал по сравнению с его исходным состоянием. Исследователи сравнивают эту реакцию с человеческим слухом, где увеличение на 10 децибел обычно воспринимается как примерно вдвое более громкий звук.

Подобное сжатие позволяет растению реагировать в широком диапазоне освещенности, от тени под другими листьями до прямых солнечных лучей, написали исследователи. Затем команда поместила саженцы между двумя лампами, направленными друг на друга и имеющими разную мощность.

Сеянцы наклонялись в сторону более яркой лампы, и чем больше разница в яркости, тем сильнее был изгиб, хотя и не по прямой линии.

Разработанная командой модель, основанная на измерении компрессии с помощью одной лампы, предсказала, где именно приживутся эти саженцы. Она хорошо совпала с измерениями, за исключением одного небольшого расхождения, которое команда объяснила слегка неравномерным освещением.

Согласно логике модели, две лампы одинаковой мощности, расположенные по разные стороны, должны взаимно компенсировать друг друга. Результаты экспериментов с двумя лампами уже подтвердили это, поскольку почти одинаковые лампы практически не смещали рассаду из вертикального положения.

Поэтому команда добавила третью лампу, расположенную под прямым углом к первым двум. Две мощные лампы были установлены почти на одинаковом уровне яркости, а третья светила менее чем вдвое слабее любой из них. Команда снимала 34 саженца сверху в течение 21 часа, а компьютерная программа, обученная распознавать листья, отслеживала местоположение каждого растения.

В среднем, рассада росла почти прямо в сторону слабой лампы, отклоняясь менее чем на 1 градус, хотя отдельные растения сильно различались вокруг этого среднего значения. Исследователи написали, что этот результат не является интуитивно понятным для растения, которому нужен свет для производства пищи. По их мнению, это открытие показывает, что растения растут не для того, чтобы собирать как можно больше света.

Те же самые математические расчеты предсказывают нечто более странное. Если две лампы расположены под прямым углом, одна ярче другой, то наибольшее количество света будет исходить из направления между ними, ближе к более яркой лампе.

Однако в разработанной командой модели растение сжимает сигнал каждой лампы перед тем, как сложить их, что изменяет силу двух сигналов по сравнению друг с другом. Поэтому растение выбирает направление, немного отличающееся от направления, где больше всего света.

Исследователи называют это своего рода оптической иллюзией, хотя это не означает, что растение что-либо видит. По их расчетам, разница составляет максимум около 6 градусов и исчезает, когда обе лампы светят с одинаковой яркостью или когда включена только одна.

«Наша работа показывает, как физическая организация сенсорной системы может определять, как организм воспринимает окружающую среду и реагирует на нее», — сказал Мероз.

Команда не смогла измерить эффект иллюзии на своих живых саженцах. Стебли подсолнечника, растущие в течение эксперимента, описывают круговые движения , и в последние три часа эксперимента с тремя лампами направление роста саженца обычно менялось примерно на 17 градусов.

Смещение на 6 градусов слишком мало, чтобы его можно было заметить на фоне такого сильного движения. Анализ команды показал, что вращение не компенсирует искажение за счет усреднения.

В лаборатории Мероза в Школе растениеводства и продовольственной безопасности университета уже изучалось подобное круговое движение в густо растущих подсолнухах . В данном случае это движение ограничило возможности эксперимента по обнаружению подобных явлений.

В модели также была упущена одна деталь движения. Настоящие саженцы изгибались за пределы своего конечного угла, а затем плавно возвращались в исходное положение, а смоделированные этого не делали.

Группа исследователей предположила, что причиной может быть неравномерный рост вдоль стебля или провисание стебля под собственным весом. Бактерии и некоторые другие одноклеточные организмы также воспринимают окружающую среду по всей своей поверхности, не имея при этом никакого «мозга» для управления.

«Этот принцип может распространяться далеко за пределы растений, на клетки, бактерии и другие живые системы, которые полагаются на распределенное зондирование», — сказал Мероз.

На данный момент оптическая иллюзия остается лишь математическим предсказанием. Для ее подтверждения потребуются измерения, достаточно точные, чтобы отличить этот едва заметный эффект от естественных круговых движений саженцев.