Чувства растений— что и как они видят

 





Это перевод глав из книги Даниеля Шамовица «What a plant knows», который поможет нам лучше понять растения.

«Получается, что рядом с нами, у нас под носом, существует мир, до которого не додумался ни один, даже самый изобретательный писатель-фантаст. Мир бессмертных существ, которые двигаются без мышц, «едят» солнечный свет, думают не мозгом, «нервничают» без нервной системы, да ещё и все тело у которых разного возраста«.

Цимбал В.А. Растения. Параллельный мир

Только представьте: растения могут видеть вас! Растения могут увидеть, когда вы приближаетесь к ним, они знают, когда вы стоите над ними. Они даже знают носите ли вы синюю или красную рубашку. Они знают цвета вашего дома или понимают, что их горшок перенести из одного места комнаты в другой. Конечно, они видят не так как мы. Растения не отличат лысого мужчину средних лет в очках от девочки с каштановыми кудрями. Но они видят свет во многом разнообразнее, чем мы. Растения видят ультрафиолетовый свет, который дает нам загар, и инфракрасный свет, который мы чувствуем как тепло. Растения знают об освещенности вокруг — то ли это свет от свечи или полуденное солнце. Растения знают где находится источник света — слева, справа или сверху. Они понимают, что другое растение, выросшее выше, загородило им свет. Можно ли считать это «зрением»?

Словарь Merriam-Webster определяет «зрение» как «физическое чувство, при котором световые раздражители, полученные рецепторами глаза, интерпретируются мозгом и формируются в представление о положении, форме, яркости и цвете объектов в пространстве». Мы видим свет так называемого «видимого спектра». Свет является понятным синонимом электромагнитных волн видимого спектра. Т.е. свет обладает свойствами, общими для других типов электрических сигналов, таких как микро- и радио-волны. Радиоволны для радио AM очень длинные, почти полмили в длину. Тогда как рентгеновские волны очень короткие, в триллион раз меньше радиоволн,  и именно поэтому они так легко проходят сквозь наше тело. Световые волны где-то посередине: между 0,0000004 и 0,0000007 м. Синий свет является самым коротким, в то время как красный является самым длинным, зеленый, желтый и оранжевый расположены посередине (вспомните радугу). Мы видим эти электромагнитные волны потому, что наши глаза имеют специальные белки, называемые фоторецепторы, которые знают как воспринимать эту энергию, поглотить ее, похожим образом антенна ловит радио-волны. Сетчатка нашего глаза покрыта рядами этих рецепторов, подобно рядам светоизлучающих диодов (LED) плоских телевизоров или сенсоров в цифровых камерах. Каждая точка сетчатки имеет фоторецепторы палочки, которые чувствительны к свету, и колбочки, которые реагируют на цвет. Сетчатка глаза человека содержит около 125 млн палочек и 6 млн колбочек на области, сходной по размеру с фотографией на паспорт. Это эквивалентно цифровой фотокамере с разрешением 130 мегапикселей. Такое огромное количество фоторецепторов на такой небольшой площади дает нам высокую четкость изображения. Палочки, чувствительные к свету, позволяют нам видеть ночью в условиях низкой освещенности. Колбочки позволяют нам видеть разные цвета при ярком свете, также они бывают трех видов, различающиеся по воспринимаемому свету — красному, зеленому и синему. Основное различие между этими фоторецепторами — химические вещества, содержащиеся в них. Эти вещества называются родопсины (в палочках) и фотопсины (в колбочках) имеют определенную структуру, позволяющую им поглощать свет с различными длинами волн. Синий свет поглощается родопсином и синим фотопсином, красный — родопсином и красным фотопсином. Фиолетовый свет поглощается родопсином, синим фотопсином, красным фотопсином, но не зеленым и т.д. Как только палочки или колбочки поглощают свет, они посылают сигнал в мозг, который обрабатывает все сигналы от миллионов фоторецепторов в одну цельную картину. Что же тогда происходит у растений?

Дарвин-ботаник

Не все знают, что Дарвин, помимо работ по эволюции животных, также провел ряд опытов, которые и по сей день влияют на исследования растений. Дарвин был очарован эффектом, который производит свет на рост растений, как и его сын Френсис. В своей последней книге «Сила движения у растений» Дарвин писал «Существует крайне мало растений, которые… не наклоняются в сторону света». Мы и сами можем увидеть, как это происходит у комнатных растений или лука, которые поворачиваются в сторону лучей солнца из окна. Такое поведение называется фототропизм. В 1864 г современник Дарвина — Юлиус фон Сакс — обнаружил, что синий свет является основным светом, который вызывает фототропизм у растений, в то время как к остальным цветам растения, как правило, слепы и не наклоняются или поворачиваются в их сторону. Но никто не знал в то время как и чем растения видят свет.

В очень простом эксперименте Дарвин и его сын показали, что эти движения были обусловлены не фотосинтезом, процессом, посредством которого растения превращают свет в энергию, а скорее благодаря врожденной чувствительности двигаться к свету. В своем эксперименте Дарвин посадил в горшок канареечник и поместил его в совершенно темную комнату на несколько дней. Затем они зажгли очень маленький газовый фонарь в 3,5 метрах от горшка настолько тускло, что они «не могли видеть сами растения или карандашную линию на бумаге». Уже через 3 часа растения были изогнуты по направлению к источнику света. Изгиб всегда находился в одной и той же части молодого растения — около 2 см ниже верхушки. Это натолкнуло их на мысль о том, какая часть растения видит свет. Они предположили, что «глаза» растения располагались на кончике растения, а не на той части, которая изгибается. Они провели опыты с фототропизмом у пяти различных саженцев:





Первый саженец был нетронутый и показывает как проявляется фототропизм. У второго растения отрезали верхний кончик. Третьему кончик накрыли светонепроницаемой крышкой. Четвертый накрыли прозрачным колпачком. У пятого среднюю часть закрыли светонепроницаемой трубкой. Они провели с этими саженцами эксперимент. Первый саженец, контрольный, согнулся по направлению к источнику света. Также повел себя и саженец, у которого закрыли среднюю часть светонепроницаемой трубкой. Но если удалить верхушку побега или закрыть его светонепроницаемым наконечником, растения «слепли» и не наклонялись к свету. Если же накрыть кончик прозрачным колпачком — растение к свету все-таки наклонялось. В этом простом эксперименте, опубликованном в 1880 г, Дарвины доказали, что фототропизм является результатом ощущения света, попадающего на верхушку побега, которая видит свет и передает информацию в среднюю часть, сообщая ей, что необходимо согнуться в этом направлении. Так Дарвин успешно продемонстрировал рудиментарное зрение у растений.

Мерилендский мамонт: табак, который продолжал расти

Несколько десятилетий спустя, в долине южного Мериленда возникло интересное явление у табака. В этих долинах располагались несколько самых больших табачных ферм Америки с тех времен, как первых поселенцы прибыли из Европы в конце XVII века. Табачные фермеры, учась у местных племен (таких как Саскуэханноки), выращивающих табак на протяжении веков, сажали его весной и собирали урожай в конце лета. Некоторые растения оставляли для производства семян для следующего сезона. В 1906 г фермеры стали замечать новый вариант табака, который, казалось, никогда не перестает расти. Он мог достигать 4 м в длину, производя почти сотню листьев, и переставал расти, когда приходили морозы. Кажется, что такие постоянно растущие растения были бы благом для табачных фермеров. Но, как это часто бывает, новый сорт, названный Мерилендский мамонт, был похож на двуликого римского бога Януса. С одной стороны он никогда не переставал расти, а с другой эти растения редко цвели, из-за чего фермеры не могли собрать семена для следующего сезона.

В 1918 г Вигтман В. Гарнер и Гарри А. Аллард — ученые из Министерства сельского хозяйства США, решили определить, почему мерилендский мамонт не понимал, когда нужно прекратить расти и начать цвести и давать семена. Они посадили этот табак в горшки и оставили некоторые растения в поле. Другая группа растений находилась на улице днем, а на ночь их ежедневно переносили в темный сарай. Простое ограничение количества света было достаточным, чтобы вызвать у мерилендского мамонта остановку роста и начало цветения. Другими словами, если этот табак попадал в условия длинных летних дней, то продолжал расти, но если искусственно создавать ему условия короткого дня — то начинал цвести.

Это явление — фотопериодизм — дал нам первые свидетельства того, что растения могут «измерить», сколько света они получают. Другие многолетние эксперименты показали, что многие растения, как эти мамонты, цветут только тогда, когда световой день короткий, они называются «растения короткого дня». К ним, например, относятся хризантемы и соя.  Другие же растения нуждаются для цветения в длинном световом дне, как, например, ирисы и ячмень — они считаются растениями длинного дня. Это открытие позволило фермерам управлять цветением с помощью изменения времени, за которое растение получало свет.

Что происходит в короткий световой день?

Концепция фотопериодизма вызвало волну активности среди ученых, которые поставили новые вопросы: Измеряют ли растения длину дня или ночи? И какой цвет света они видят?

Во время Второй Мировой войны ученые обнаружили, что они могут влиять на цветение растений просто включая свет посреди ночи. Они могли взять растение короткого дня, например, сою, и не дать ей зацвести в короткие световые дни лишь включая свет на несколько минут среди ночи. С другой стороны ученые могут заставить цвести растение длинного дня, как ирис, даже в середине зимы (когда день короткий и в норме эти растения не цветут), включая свет ночью. Эти эксперименты показали, что растения измеряют не длину дня, а продолжительность периода темноты.

Используя эти знания, фермеры могут предохранять хризантемы от цветения до Дня Матери (второй субботы мая), чтобы получить максимальную прибыль.  Так, выращивая хризантемы в теплицах, они включают свет посреди ночи осенью и зимой, и прекращают это делать за две недели до праздника. Тогда… бум… все растения начинают сразу цвести.





Другим ученым стало интересно, на свет какого цвета ориентируются растения? То, что они обнаружили, было удивительно: растения, без разницы какие, отвечали только на вспышку красного света ночью. Голубые, зеленые вспышки не влияли на цветение растений, но лишь несколько секунд красного — и чудо! Таким образом, можно сказать, что растения различают цвета: они используют синий цвет, чтобы знать в каком направлении склониться и красный для измерения длины ночи.

Затем, в начале 1950-х, Гарри Босвик (Harry Borthwick) с коллегами их лаборатории Министерства сельского хозяйства США (там, где мерилендский мамонт был впервые изучен) сделали еще одно удивительное открытие: дальний красный свет — т.е. красный свет с немного более длинной длиной волны (чем у ярко-красного) и еле заметный в сумерках, — может отменить действие красного света на растения. Т.е. если вы берете ирисы, которые обычно не цветут при длинных ночах, делаете им вспышку красного света в середине ночи, они зацветут. Но если вы посветите дальним красным светом на них сразу после вспышки ярко-красного — они не зацветут. Если затем опять посветить ярко-красным — цветение будет. И так далее. Для этого не нужно много света, хватает буквально несколько секунд. Это как выключатель: ярко-красный активирует цветение, а дальний красный — выключает его. Если переключать свет быстро — ничего не произойдет. В итоге растения запоминают последний свет, который они увидели.

Уоррен Л. Батлер с коллегами показали, что одни фоторецептор у растений воспринимает оба красных света. Они назвали его «фитохром». В упрощенном виде фитохром и есть этот выключатель. Ярко-красный свет активирует фитохром, а дальний — инактивирует. Экологически это имеет большое значение. В природе последний свет, видимый любым растением — красный, что дает растению команду «выключение». Утром они также видят красный свет и просыпаются. Таким образом растение измеряет, как давно оно в последний раз видело красный свет, и регулирует свой рост соответственно.

Какая же именно часть растения видит красный свет для регулирования цветения? Из исследований фототропизма Дарвина мы знаем, что «глаза» растений располагаются на его кончике, в то время как ответ на свет происходит в стебле. Можно было бы предположить, что «глаза» для фотопериодизма находятся там же. Однако, это не так. Если освещать разные части растения ночью красным светом, вы обнаружите, что достаточно осветить всего один любой лист для регулирования цветения всего растения. С другой стороны, если обрезать все листья растения, оставив только стебель и верхушку, растение «ослепнет», даже если осветить его полностью. Таким образом, фитохром, расположенный в листьях, получает световые сигналы и инициирует мобильный сигнал, который распространяется по всему растению и провоцирует цветение.

(Продолжение следует)

 

Источник: brukva.net