Я год сжимал листья, чтобы измерить их влажность. Вот что я узнал
Как понять, что растениям нужна вода? Недавно я задал этот вопрос группе из примерно 40 биологов в Австралийском национальном университете.
Большинство ответили, что проверяют пальцем влажность почвы. Более научный подход, по мнению многих садоводов, — взвешивать горшок, чтобы определить количество воды в нём.
У меня другой взгляд. После создания специальных инструментов для измерения «пульса» растений я больше склонен ощупывать листья.
Тактильный контакт не только может стать новым способом отслеживать движение воды через клетки растений, но и открыть новые возможности для мониторинга и ухода за ними.
Ритм растений
У растений есть естественный ритм, подобный очень медленному сердцебиению, вызванный изменением водного давления внутри их клеток.
Растения «бьются» примерно раз в сутки, обезвоживаясь днём и восстанавливая водный баланс ночью. Этот процесс слишком медленный, чтобы его наблюдать, за исключением самых терпеливых исследователей.
Давление внутри растительных клеток называется тургорным и обычно составляет от 5 до 20 атмосфер (в 10 раз больше давления в автомобильной шине). Но хотя это давление велико, растительные клетки имеют размер всего в доли миллиметра.
По этой причине измерение тургорного давления традиционно было сложным и проводилось только в лабораторных условиях. Проще говоря, у нас нет готового метода для мониторинга «сердцебиения» растений.
Сжатие листьев
Измерение водного статуса растений очень важно. В глобальном масштабе через растения проходит больше воды, чем через реки, и значительная часть этого потока регулируется изменениями тургорного давления в листьях.
Сельское хозяйство использует около 70% всей воды, управляемой человеком, а многие леса по всему миру страдают от засухи. Сейчас ключевое время для изучения «биения» растений. Но с чего начать?
Во время работы над докторской диссертацией по движению воды в растениях я искал простой способ измерения тургорного давления и содержания воды.
Хотя тургор — это свойство отдельных клеток, я предположил, что могу отслеживать группу клеток, аккуратно сжимая лист.
Мои идеи были просты:
- Листья толще, когда содержат больше воды, поэтому я могу отслеживать содержание воды, измеряя толщину листа, сжимая его с постоянным усилием.
- Чтобы отследить давление воды внутри клеток листа, я могу измерить усилие, которое оказывает лист, будучи сжатым до заданной толщины.
Как оказалось, эти две идеи не были новыми — только для меня и, возможно, для науки о растениях. Материаловеды постоянно используют такие тесты: испытание с постоянной силой называется экспериментом на ползучесть (creep), а с постоянной толщиной — экспериментом на релаксацию напряжения (stress relaxation).
Как это работает
Год проб и размышлений над этой проблемой позволил мне проверить свои идеи очень простым способом. Я купил микрометр (инструмент для точного измерения расстояний), соединил его с мотором, датчиком силы и системой компьютерного управления, и посвятил себя сжатию листьев.
Предварительные тесты прошли хорошо, и я не мог остановиться!
В течение следующих шести месяцев я заменил последнюю главу своей диссертации этим случайным проектом. Мы с коллегами успешно подтвердили и опубликовали этот простой метод мониторинга водного статуса растений.
Прикосновение к растениям
Измерение «биения» растений важно, но это не единственный захватывающий аспект проекта.
В более широком смысле, тактильные измерения могут открыть новое богатство информации о жизни растений. Это начинание может помочь нам понять климат, экономить воду и, надеюсь, справиться с «растительной слепотой».
Растения — очень адаптивные организмы. Большая часть их адаптивности исходит из способности изменять свой план строения в соответствии с разными условиями.
Будучи модульными организмами, состоящими из множества разных клеток, растения часто меняют структуру клеток и тканей, прочность своих стенок и концентрацию водоудерживающих соединений внутри клеток. Все эти свойства, как и тургор, трудно измерить.
Прикосновение даёт учёным простой инструмент для изучения этих механических свойств растительных тканей.
Простая роботизированная система, которая могла бы оставаться на дереве и постоянно «ощупывать», как со временем меняются свойства его листьев (а также стеблей, плодов и корней), имела бы широкое применение в исследованиях и промышленности.