Почуття рослин - що і як вони бачать

Це переклад розділів з книги Даніеля Шамовиця "What a plant knows", який допоможе нам краще зрозуміти рослини. «Виходить, що поряд з нами, у нас під носом, існує світ, до якого не додумався жоден, навіть найвинахідливіший

Це переклад розділів з книги Даніеля Шамовиця "What a plant knows", який допоможе нам краще зрозуміти рослини.

«Виходить, що поряд з нами, у нас під носом, існує світ, до якого не додумався жоден, навіть найвинахідливіший письменник-фантаст. Світ безсмертних істот, які рухаються без м'язів, «їдять» сонячне світло, думають не мозком, «нервуються» без нервової системи, та ще й усе тіло у яких різного віку».

Цимбал В.А. Рослини. Паралельний світ

Тільки уявіть: рослини можуть вас бачити! Рослини можуть побачити, коли ви наближаєтеся до них, вони знають, коли ви стоїте над ними. Вони навіть знають чи носите ви синю або червону сорочку. Вони знають кольори вашої оселі або розуміють, що їх горщик перенести з одного місця кімнати в іншу. Звичайно, вони бачать не так, як ми. Рослини не відрізнять лисого чоловіка середнього віку в окулярах від дівчинки з каштановими кучерями. Але вони бачать світло багато в чому різноманітніше, ніж ми. Рослини бачать ультрафіолетове світло, яке дає нам засмагу, та інфрачервоне світло, яке ми відчуваємо як тепло. Рослини знають про освітленість навколо — чи це світло від свічки чи полуденне сонце. Рослини знають де знаходиться джерело світла - ліворуч, праворуч чи зверху. Вони розуміють, що інша рослина, що виросла вище, загородила їм світло. Чи можна вважати це «зором»?

Словник Merriam-Webster визначає «зір» як «фізичне почуття, при якому світлові подразники, отримані рецепторами ока, інтерпретуються мозком і формуються уявлення про становище,формі, яскравості та кольорі об'єктів у просторі». Ми бачимо світло так званого "видимого спектра". Світло є зрозумілим синонімом електромагнітних хвиль видимого діапазону. Тобто. світло має властивості, спільні для інших типів електричних сигналів, таких як мікро-і радіо-хвилі. Радіохвилі для радіо AM дуже довгі, майже півмилі завдовжки. Тоді як рентгенівські хвилі дуже короткі, в трильйон менше радіохвиль, і саме тому вони так легко проходять крізь наше тіло. Світлові хвилі десь посередині: між 0,0000004 і 0,0000007 м. Синє світло є найкоротшим, у той час як червоне є найдовшим, зелене, жовте і помаранчеве розташоване посередині (згадайте веселку). Ми бачимо ці електромагнітні хвилі тому, що наші очі мають спеціальні білки, які називаються фоторецепторами, які знають як сприймати цю енергію, поглинути її, схожим чином антена ловить радіохвилі. Сітківка нашого ока покрита рядами цих рецепторів, подібно до рядів світловипромінюючих діодів (LED) плоских телевізорів або сенсорів у цифрових камерах. Кожна точка сітківки має фоторецептори палички, які чутливі до світла, та колбочки, які реагують на колір. Сітківка ока людини містить близько 125 млн паличок та 6 млн колб на області, подібної за розміром з фотографією на паспорт. Це еквівалентно цифровій фотокамері з роздільною здатністю 130 мегапікселів. Така велика кількість фоторецепторів на такій невеликій площі дає нам високу чіткість зображення. Палички, чутливі до світла, дають нам змогу бачити вночі в умовах низького освітлення. Колбочки дозволяють нам бачити різні кольори при яскравому світлі, також вони бувають трьох видів, що розрізняються по світлі, що сприймається - червоному, зеленому і синьому. Основна відмінність між цими фоторецепторами – хімічніречовини, які у них. Ці речовини називаються родопсини (в паличках) та фотопсини (у колбочках) мають певну структуру, що дозволяє їм поглинати світло з різними довжинами хвиль. Синє світло поглинається родопсином та синім фотопсином, червоне – родопсином та червоним фотопсином. Фіолетове світло поглинається родопсином, синім фотопсином, червоним фотопсином, але з зеленим тощо. Як тільки палички чи колбочки поглинають світло, вони надсилають сигнал у мозок, який обробляє всі сигнали від мільйонів фоторецепторів в одну цільну картину. Що тоді відбувається у рослин?

Дарвін-ботанік

Не всі знають, що Дарвін, крім робіт з еволюції тварин, також провів ряд дослідів, які й досі впливають на дослідження рослин. Дарвін був зачарований ефектом, який справляє світло на зростання рослин, як і його син Френк. У своїй останній книзі «Сила руху у рослин» Дарвін писав «Існує дуже мало рослин, які не нахиляються у бік світла». Ми й самі можемо побачити, як це відбувається у кімнатних рослин чи цибулі, що повертаються у бік променів сонця з вікна. Така поведінка називається фототропізмом. У 1864 р сучасник Дарвіна - Юліус фон Сакс - виявив, що синє світло є основним світлом, яке викликає фототропізм у рослин, у той час як до інших кольорів рослини, як правило, сліпі і не нахиляються або повертаються в їх бік. Але ніхто не знав у той час, як і чим рослини бачать світло.

У дуже простому експерименті Дарвін та його син показали, що ці рухи були обумовлені не фотосинтезом, процесом, за допомогою якого рослини перетворюють світло на енергію, а скоріше завдяки вродженій чутливості рухатися до світла. У своєму експерименті Дарвін посадив у горщик канарковий і помістив його взовсім темну кімнату на кілька днів. Потім вони запалили дуже маленький газовий ліхтар за 3,5 метри від горщика настільки тьмяно, що вони «не могли бачити самі рослини чи олівцеву лінію на папері». Вже через 3 години рослини були вигнуті у напрямку джерела світла. Вигин завжди знаходився в одній і тій же частині молодої рослини — близько 2 см нижче за верхівку. Це наштовхнуло їх на думку про те, яка частина рослини бачить світло. Вони припустили, що «очі» рослини розташовувалися на кінчику рослини, а не на тій частині, що згинається. Вони провели досліди з фототропізмом у п'яти різних саджанців:

Перший саджанець був незайманий і показує, як проявляється фототропізм.
У другої рослини відрізали верхній кінчик.
Третій кінчик накрили світлонепроникною кришкою.
Четвертий накрили прозорим ковпачком.
У п'ятого середню частину закрили світлонепроникною трубкою.

Мерілендський мамонт: тютюн, який продовжував рости

Через кілька десятиліть, у долині південного Меріленду виникло цікаве явище біля тютюну. У цих долинах розташовувалися кілька найбільших тютюнових ферм Америки з тих часів, коли перші поселенці прибули з Європи наприкінці XVII століття. Тютюнові фермери, навчаючись у місцевих племен (таких як Саскуеханнокі), які вирощують тютюн протягом століть, садили його навесні і збирали врожай наприкінці літа. Деякі рослини залишали для насіння для наступного сезону. У 1906 р. фермери стали помічати новий варіант тютюну, який, здавалося, ніколи не перестає рости. Він міг досягати 4 м завдовжки, виробляючи майже сотню листя, і переставав рости, коли приходили морози. Здається, що такі рослини, що постійно ростуть, були б благом для тютюнових фермерів. Але,як це часто буває, новий сорт, названий Мерілендський мамонт, був схожим на дволикого римського бога Януса. З одного боку він ніколи не переставав рости, а з іншого ці рослини рідко цвіли, через що фермери не могли зібрати насіння для наступного сезону.

У 1918 р. Вігтман В. Гарнер і Гаррі А. Аллард - вчені з Міністерства сільського господарства США, вирішили визначити, чому мерілендський мамонт не розумів, коли потрібно припинити рости і почати цвісти і давати насіння. Вони посадили цей тютюн у горщики та залишили деякі рослини у полі. Інша група рослин була на вулиці вдень, а на ніч їх щодня переносили в темний сарай. Просте обмеження кількості світла було достатнім, щоб викликати у мерілендського мамонта зупинку зростання та початок цвітіння. Іншими словами, якщо цей тютюн потрапляв в умови довгих літніх днів, то продовжував зростати, але якщо штучно створювати йому умови короткого дня, то починав цвісти.

Це явище - фотоперіодизм - дав нам перші свідчення того, що рослини можуть "виміряти", скільки світла вони отримують. Інші багаторічні експерименти показали, що багато рослин, як ці мамонти, цвітуть лише тоді, коли світловий день короткий, вони називаються рослини короткого дня. До них, наприклад, відносяться хризантеми та соя. Інші ж рослини потребують цвітіння у довгому світловому дні, як, наприклад, іриси та ячмінь — вони вважаються рослинами довгого дня. Це відкриття дозволило фермерам керувати цвітінням за допомогою зміни часу, за який рослина отримувала світло.

Що відбувається у короткий світловий день?

Концепція фотоперіодизму викликала хвилю активності серед учених, які порушили нові питання: Чи вимірюють рослини довжину дня чи ночі? І який колір світла вони бачать?

Під час Другої Світової війни вчені виявили, що вони можуть впливати на цвітіння рослин, просто включаючи світло посеред ночі. Вони могли взяти рослину короткого дня, наприклад, сою, і не дати їй зацвісти в короткі світлові дні, лише включаючи світло на кілька хвилин серед ночі. З іншого боку, вчені можуть змусити цвісти рослину довгого дня, як ірис, навіть у середині зими (коли день короткий і в нормі ці рослини не цвітуть), включаючи світло вночі. Ці експерименти показали, що рослини вимірюють не довжину дня, а тривалість темряви.

Використовуючи ці знання, фермери можуть захищати хризантеми від цвітіння до Дня Матері (друга субота травня), щоб отримати максимальний прибуток. Так, вирощуючи хризантеми в теплицях, вони включають світло посеред ночі восени та взимку, і припиняють це робити за два тижні до свята. Тоді… бум… усі рослини починають відразу цвісти.

Іншим ученим стало цікаво, світ якого кольору орієнтуються рослини? Те, що вони виявили, було дивно: рослини, не різниці які, відповідали тільки на спалах червоного світла вночі. Блакитні, зелені спалахи не впливали на цвітіння рослин, але лише кілька секунд червоного – і диво! Таким чином, можна сказати, що рослини розрізняють кольори: вони використовують синій колір, щоб знати, в якому напрямку схилитися і червоний для вимірювання довжини ночі.

Потім, на початку 1950-х, Гаррі Босвік (Harry Borthwick) із колегами їхньої лабораторії Міністерства сільського господарства США (там, де мерілендський мамонт був уперше вивчений) зробили ще одне дивовижне відкриття: далеке червоне світло — тобто. червоне світло з трохи довшою довжиною хвилі (ніж у яскраво-червоного) і ледве помітне в сутінках, може скасувати дію червоного світла на рослини. Тобто. якщо ви берете іриси,які зазвичай не цвітуть при довгих ночах, робите їм спалах червоного світла в середині ночі, вони зацвітуть. Але якщо ви присвітите далеким червоним світлом на них одразу після спалаху яскраво-червоного – вони не зацвітуть. Якщо потім знову присвітити яскраво-червоним – цвітіння буде. І так далі. Для цього не потрібне багато світла, вистачає буквально кілька секунд. Це як вимикач: яскраво-червоний активує цвітіння, а далекий червоний вимикає його. Якщо перемикати світло швидко – нічого не станеться. У результаті рослини запам'ятовують останнє світло, яке вони побачили.

Уоррен Л. Батлер з колегами показали, що одні фоторецептори у рослин сприймає обидва червоні світла. Вони назвали його "фітохром". У спрощеному вигляді фітохром і є вимикач. Яскраво-червоне світло активує фітохром, а далеке інактивує. Екологічно це має значення. У природі останнє світло, видиме будь-якою рослиною — червоне, що дає рослині команду «вимикання». Вранці вони бачать червоне світло і прокидаються. Таким чином, рослина вимірює, як давно вона востаннє бачила червоне світло, і регулює свій ріст відповідно.

Яка саме частина рослини бачить червоне світло для регулювання цвітіння? З досліджень фототропізму Дарвіна ми знаємо, що «очі» рослин розташовуються з його кінчику, тоді як у світ відбувається у стеблі. Можна було б припустити, що «очі» для фотоперіодизму знаходяться там же. Однак це не так. Якщо висвітлювати різні частини рослини вночі червоним світлом, ви виявите, що достатньо висвітлити лише один будь-який лист для регулювання цвітіння всієї рослини. З іншого боку, якщо обрізати все листя рослини, залишивши тільки стебло і верхівку, рослина «сліпне», навіть якщо висвітлити її повністю. Таким чином, фітохром,розташований у листі, отримує світлові сигнали та ініціює мобільний сигнал, який поширюється по всій рослині та провокує цвітіння.