Как венерина мухоловка защищается от огня
Венерина мухоловка выживает в бедных питательными веществами болотах Северной и Южной Каролины, компенсируя нехватку азота, фосфатов и минералов, ловя и поедая насекомых. Она охотится с помощью захлопывающихся ловушек с чувствительными волосками. Если насекомое коснётся этих волосков дважды, ловушка захлопывается и переваривает добычу.
В болотистой местности растение часто скрыто разросшейся травой. Летом трава высыхает и может загореться от частых гроз — типичных для Северной Каролины. Это создаёт опасную ситуацию для венериной мухоловки.
Как растение защищает свои жизненно важные ловушки и сенсорные волоски от огня? Биофизики профессор Райнер Хедрих и доктор Шоугуан Хуан из Университета Юлиуса-Максимилиана (JMU) в Вюрцбурге (Германия) выяснили: для этого венерина мухоловка использует специальные тепловые рецепторы в сенсорных волосках. Результаты исследования опубликованы в журнале Current Biology.
Имитация пожара в лаборатории
Чтобы выяснить поведение растения при горении сухой травы, исследователи пересадили растения с открытыми ловушками из теплицы в открытое поле Ботанического сада JMU, накрыли их сеном и подожгли. После пожара все ловушки закрылись. Неповреждённые ловушки через несколько дней снова открылись и функционировали — они захлопывались после касания сенсорных волосков.
Учёные предположили, что ловушки могут реагировать на тепловую волну ещё до пожара. Их предположение подтвердилось: направленный на ловушку поток горячего воздуха был достаточен для её закрытия.
Механизм теплового сенсора
В лабораторных условиях одну половину ловушки контактировали с элементом Пельтье, что позволило локально задавать разные температуры.
Ключевые результаты:
- При превышении локальной температуры листа 37°C в нагреваемой области генерировался электрический импульс — потенциал действия, распространявшийся по обеим половинам ловушки.
- При дальнейшем повышении температуры до 55°C запускался второй потенциал действия, и ловушка захлопывалась.
Реакция ловушки на 37°C и 55°C срабатывала только при резком, скачкообразном повышении температуры (как при быстрой тепловой волне от огня). При медленном повышении (как в жаркий летний день) ловушки не реагировали.
«В отличие от человека, тепловой сенсор хищного растения срабатывает не при превышении температуры тела, а реагирует на скорость изменения температуры», — поясняет Райнер Хедрих.
Измеряя скорость нагрева своей поверхности и захлопываясь за доли секунды, мухоловка защищает сенсорные волоски от ожогов. Влажная болотистая почва дополнительно защищает их от чрезмерного тепла. Это позволяет растению продолжать охоту после пожара.
Локализация сенсора и роль кальция
Каждая половина ловушки имеет три сенсорных волоска, высокочувствительных к прикосновению и генерирующих потенциалы действия. Потенциалы действия генерируются у основания волосков, где активируемые прикосновением ионные каналы позволяют кальцию поступать в клетки. Этот кальциевый сигнал является триггером и одновременно частью потенциала действия.
Тепловые скачки вызывают в сенсорных волосках те же кальций-зависимые электрические события, что и прикосновение.
Для отслеживания сигнала кальция использовали мухоловок с генетически закодированным кальциевым сенсором внутри. При повышении уровня кальция в клетке этот сенсор начинает флуоресцировать.
«Мы были поражены, что при нагреве первым засветился сенсорный волосок», — говорит Хедрих. — «Это показывает, что волоски работают одновременно как сенсоры прикосновения и тепла».
Гипотеза: Кальциевый канал является неотъемлемой частью теплового сенсора или даже самим сенсором. Если это так, то обнаружен неизвестный ранее у растений тип мембраносвязанного температурного сенсора.
На данный момент науке известны кальциевые каналы из семейства OSCA, которые могут активироваться механически и осмотически. В будущем исследователи планируют проверить, есть ли в сенсорных волосках венериной мухоловки OSCA-каналы, активируемые тепловой энергией, и какие области их белка отвечают на механическое воздействие, а какие — на тепло.