Как венерина мухоловка запускает пищеварение

Венерина мухоловка (Dionaea muscipula) переваривает добычу с помощью ферментов, вырабатываемых специальными железами. Впервые международная исследовательская группа под руководством биофизика Райнера Хедриха из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) в Вюрцбурге (Германия) измерила и тщательно проанализировала активность этих желез. Результаты опубликованы в журнале PNAS.

Механизм активации желез

Когда добыча пытается вырваться из закрытой ловушки, она неизбежно касается сенсорных волосков внутри. Любое механическое воздействие на волоски вызывает электрический сигнал, распространяющийся по ловушке волнами:

  • С третьего сигнала растение начинает вырабатывать гормон жасмона́т.
  • После пятого сигнала активируются пищеварительные железы, выстилающие внутреннюю поверхность ловушки.

Секреция кислоты и ферментов

Активированные железы начинают производить мембранные пузырьки (секреторные везикулы), заполненные жидкостью, и высвобождают их содержимое. Этот процесс зависит от кальция и контролируется рядом специфических белков.

Исследователи использовали ионочувствительные электроды и обнаружили:

  1. Повторное касание сенсорных волосков вызывает приток ионов кальция (Ca2+) в железу.
  2. Повышение уровня кальция в цитоплазме заставляет везикулы сливаться с плазматической мембраной (аналогично секреции нейротрансмиттеров в нейронах).
  3. С некоторой задержкой после притока кальция следует отток протонов (H+) и хлорида (Cl-), то есть соляной кислоты.

Анализ содержимого везикул

С помощью углеродных волоконных электродов (метод, адаптированный совместно с лауреатом Нобелевской премии Эрвином Нехером) учёные проанализировали содержимое везикул.

  • Первоначально в них обнаружилась в основном соляная кислота, но не пищеварительные ферменты.
  • Молекулярно-биологический анализ (Инэс Фукс) показал, что растение начинает производить ферменты для разложения добычи только спустя несколько часов после поимки.
  • Первые характерные сигналы появляются через 6 часов, а через 24 часа процесс идёт полным ходом. В этой фазе ловушка полностью закислена и богата пищеварительными ферментами.

Стабилизация ферментов

В секретируемом ферментном коктейле был обнаружен глутатион (GSH). Эта молекула помогает ферментам сохранять функциональность в кислой среде ловушки.

Роль кальция и визуализация

Эксперименты с магнитно-резонансной томографией (Эберхард Мунц, JMU) подтвердили, что если заблокировать приток кальция в железы, ловушка остаётся «сухой». Активация железистых клеток кальцием является решающим этапом.

Идентичная последовательность процессов (секреция кислоты → выработка ферментов) наблюдается как при механической стимуляции волосков, так и при воздействии на ловушку только гормоном жасмонатом. Касание быстро запускает жасмонатный сигнальный путь, но для производства и «загрузки» везикул правильным содержимым под действием гормона требуется время.

Дальнейшие исследования команды будут сосредоточены на биологии кальциевых каналов мухоловки и механизме, который «считает» сигналы от сенсорных волосков и преобразует их в жасмонат-зависимую биологию желез.