Почему растения «покачиваются»? Новое исследование дает ответы
Физики из США и Израиля, возможно, раскрыли причину причудливого поведения растущих растений — загадки, которая интриговала самого Чарльза Дарвина в последние десятилетия его жизни.
Растения постоянно движутся. Например, если наблюдать за ростом проростка подсолнечника в ускоренной съемке, видно, что его верхушка не просто тянется вверх, а описывает круги, закручивается в спирали и в целом «покачивается» — пусть и очень медленно.
Исследователи под руководством Орит Пелег из CU Boulder и Ясмин Мероз из Тель-Авивского университета обнаружили одну из функций этих хаотичных движений, известных как «циркумнутации». В экспериментах в теплице и компьютерном моделировании группа показала, что подсолнечники используют циркумнутации, чтобы «исследовать» окружающую среду в поисках участков солнечного света.
«Многие люди не задумываются о движении растений, потому что мы, люди, обычно смотрим на растения с неправильной частотой кадров», — сказала Пелег.
Результаты были опубликованы 15 августа в журнале Physical Review X. Они могут помочь фермерам разработать новые стратегии для более эффективного выращивания различных культур.
«Это исследование особенно интересно, потому что мы наблюдаем сходную динамику у растений. Они укоренены в земле», — отметила ведущий автор Шанталь Нгуен.
Огурцы Дарвина
Растения двигаются, медленно растя в разных направлениях. Это явление очаровало Дарвина в 1860-х годах, когда он, страдая от недугов, ограничивающих его подвижность, дни напролет наблюдал за растениями у себя дома. Он сажал семена огурцов и других видов и отслеживал, как их верхушки движутся изо дня в день — получившиеся карты выглядели хаотичными.
«Я очень забавляюсь своими усиками — это как раз та кропотливая работа, которая мне подходит», — писал он другу в 1863 году. Однако Дарвин не смог объяснить, почему некоторые его усики закручивались.
Исследование 2017 года подсказало направление: ученые из Университета Буэнос-Айреса выращивали ряды подсолнечников в стесненных условиях и обнаружили, что растения естественным образом выстраиваются в зигзагообразный узор, похожий на зубцы молнии. Такое расположение, вероятно, помогает растениям максимизировать доступ к солнечному свету как группе.
Мероз задалась вопросом, не являются ли «покачивания» растений двигателем, формирующим такие паттерны роста.
«Для вьющихся растений очевидно, что это поиск опоры, чтобы обвиться вокруг нее. Но для других растений неясно, зачем это нужно», — сказала Мероз.
В поисках солнца
Чтобы выяснить это, исследователи вырастили пять недельных подсолнечников в ряд и, подобно Дарвину, нанесли на карту их движения в течение недели.
Затем Нгуен и Пелег разработали компьютерную программу для анализа паттернов роста. Они также использовали компьютерное моделирование, чтобы увидеть, что произойдет, если подсолнечники будут двигаться больше или меньше — то есть хаотично или медленно и равномерно.
Оказалось, что:
- Если цифровые растения совсем не «покачиваются», они все в итоге отклоняются друг от друга, выстраиваясь в прямую линию.
- Если они «покачиваются» слишком сильно, они растут в случайном порядке.
- Если же они движутся с оптимальной долей случайности, подсолнечники формируют характерный зигзагообразный узор, который в реальности обеспечивает максимальный доступ к свету.
Нгуен объяснила, что растения, по-видимому, используют циркумнутации, чтобы найти направление с лучшим освещением, а затем растут в эту сторону.
«Когда вы добавляете немного случайности в систему, это позволяет растению исследовать окружающую среду и приходить к тем конфигурациям, которые позволяют каждому растению получить максимальное воздействие света. Это как раз и приводит к тому красивому зигзагообразному узору, который мы наблюдаем».
В будущих экспериментах исследователи проверят, как подсолнечники растут в более сложных композициях.
«Если бы мы все жили в том же временном масштабе, что и растения, вы могли бы пройтись по улице и увидеть, как они движутся. Может быть, у всех нас были бы растения в качестве домашних питомцев», — заключила Мероз.