Математическая модель объясняет, как резуховидка Таля "выстреливает" семенами в воздух

Растения используют множество стратегий для распространения семян, и одна из самых удивительных — взрывающиеся стручки. Учёные предполагали, что энергия для этих взрывов генерируется за счёт деформации высыхающих стручков, но в случае резуховидки Таля (Cardamine hirsuta) это оказалось не так. Исследователи из Института селекции растений Макса Планка в Кёльне (Германия) выяснили, что стручки этого растения взрываются, не дожидаясь высыхания.

Поскольку у растений нет мышц, быстрые движения, подобные взрыву стручков резуховидки, редки в растительном мире. Учёные разных дисциплин под руководством генетика растений Анджелы Хей выяснили механизм этого взрыва.

Взрывное растрескивание стручков происходит так быстро, что для его наблюдения требуются высокоскоростные камеры. Как объясняет Ричард Бомфри из Королевского ветеринарного колледжа Лондонского университета: «Из-за малого размера семян аэродинамическое сопротивление немедленно их замедляет». Чтобы компенсировать это, семена разгоняются от плода чрезвычайно быстро. Фактически они ускоряются с нуля до десяти метров в секунду примерно за полмиллисекунды.

Клетки сокращаются

Команда Хей обнаружила, что секрет взрывного ускорения резуховидки — эволюционное новшество: стенка плода, способная накапливать упругую энергию в процессе роста и расширения и быстро высвобождать её на нужной стадии развития. Ранее считалось, что напряжение создаётся за счёт разной степени сокращения внутреннего и внешнего слоев стручка при высыхании. Исследователей озадачивало, как стручки резуховидки взрываются, будучи зелёными и гидратированными, а не сухими и коричневыми. Неожиданным открытием стало то, что гидратированные клетки внешнего слоя стручка используют своё внутреннее давление для сокращения и генерации напряжения. Авторы использовали вычислительную модель трёхмерных растительных клеток, чтобы показать, что при повышении давления эти клетки расширяются в глубину, сокращаясь в длину, — «подобно тому, как надувной матрас расширяется в толщину при накачивании, но сжимается в ширину», — объясняет компьютерный специалист Института Макса Планка Ричард Смит.

Клеточная стенка формирует шарнир

Другое неожиданное открытие касалось высвобождения этой энергии. Авторы обнаружили, что стенка плода стремится свернуться в спираль по длине, чтобы снять напряжение, но этому мешает её изогнутое поперечное сечение. «Такое же геометрическое ограничение есть в игрушке под названием "браслет-хлопушка"», — объясняет Дерек Моултон из Математического института Оксфордского университета. И в игрушке, и в стручке поперечное сечение сначала должно распрямиться, прежде чем напряжение внезапно высвободится за счёт скручивания. Неожиданно оказалось, что этот механизм основан на уникальной геометрии клеточной стенки в стручке. Как поясняет Моултон: «Эта стенка имеет форму шарнира, который может открываться», что заставляет стенку плода распрямляться в сечении и взрывным образом скручиваться.

По словам Хей, самым захватывающим открытием стала эволюционная новизна этой шарнирной клеточной стенки. У них были генетические и математические доказательства её необходимости для взрывного растрескивания, «но тот факт, что мы нашли этот шарнир только у растений со взрывным рассеиванием семян, стал решающим доказательством», — говорит Хей.

Разобравшись в механизме взрыва стручков, учёные поняли, что он эволюционировал путём изменения формы уже существующих клеточных компонентов. Одно из следствий их открытия — другие движения растений, ранее приписываемые пассивному сокращению при высыхании, могут на самом деле быть активными процессами, «особенно в зелёных, гидратированных тканях», — отмечает Смит.

Это исследование — пример потенциала междисциплинарной работы. Учёные составили комплексную картину взрывного рассеивания семян, связав наблюдения на уровне растения с клеточным и генетическим уровнями и систематически соединив эти масштабы. Как говорит Ален Горили из Математического института Оксфордского университета: «Такой подход стал возможен только благодаря сочетанию передовых методов моделирования с биофизическими измерениями и биологическими экспериментами».