Влажность управляет уникальным временем рассеивания спор у папоротника Onoclea sensibilis

Чувствительный папоротник (Onoclea sensibilis) — широко распространенный в восточной части Северной Америки и Восточной Азии вид. Он диморфен: имеет два типа листьев — для фотосинтеза и для размножения. В отличие от большинства папоротников умеренных широт, рассеивающих споры летом, O. sensibilis делает это весной. Летом он формирует видоизмененные спороносные вайи, листочки которых плотно обернуты вокруг спорангиев. Эти вайи отмирают, но сохраняются над землей всю зиму. Весной их листочки раскрываются, высвобождая споры. Хотя это явление наблюдали более 120 лет, структурный механизм, лежащий в его основе, оставался неизвестным.

Новое исследование, опубликованное в Annals of Botany, показывает, что уникальное время рассеивания спор определяется структурным механизмом движения в ответ на влажность в мертвых спороносных листьях.

Исследователь Джейкоб Суисса обнаружил, что мертвые зрелые листочки раскрываются при высыхании и закрываются при увлажнении. Этот процесс обратим и может повторяться сотни раз. Движение происходит в неживых тканях, что указывает на структурную, а не физиологическую причину.

Эксперименты в климатических камерах подтвердили: постепенные изменения влажности приводят к пропорциональному открытию листочков.

Исследование под электронным микроскопом выявило разное строение клеток на верхней и нижней стороне листочка. Пучки целлюлозы в клетках верхней стороны ориентированы перпендикулярно длине клетки, а в нижней — параллельно. При увлажнении верхний слой клеток расширяется, как гармошка, а нижний — нет. Это дифференциальное расширение заставляет листочек закрываться во влажном состоянии и открываться в сухом. Впервые этот механизм описан для целого листа папоротника.

Этот механизм демонстрирует конвергентную эволюцию: он идентичен механизму в шишках хвойных, которые также являются мертвыми структурами в зрелом состоянии. Эти линии растений эволюционировали независимо более 300 миллионов лет.

Подобные влагочувствительные структуры встречаются и у цветковых растений (плоды герани, ости пшеницы). Они, вероятно, эволюционировали для регуляции времени рассеивания семян, спор или плодов.

Такие биологические структуры вдохновляют инженеров на создание материалов, имитирующих эту «зеленую инженерию». Ключевой аспект — движение без затрат энергии. Это уже привело к созданию экологичных конструкций (навесов, арт-инсталляций), которые открываются в сухую погоду и закрываются во влажную.