Почуття рослин-що і як вони бачать
Це переклад глав з книги Даніеля Шамовіца «What a plant knows», який допоможе нам краще зрозуміти рослини.
«Виходить, що поруч з нами, у нас під носом, існує світ, до якого не додумався жоден, навіть самий винахідливий письменник-фантаст. Світ безсмертних істот, які рухаються без м'язів, «їдять» сонячне світло, думають не мозком, «нервують» без нервової системи, та ще й все тіло у яких різного віку «.
Цимбал В.А. Рослини. Паралельний світ
Тільки уявіть: рослини можуть бачити вас! Рослини можуть побачити, коли ви наближаєтеся до них, вони знають, коли ви стоїте над ними. Вони навіть знають носите ви синю або червону сорочку. Вони знають кольору вашого будинку або розуміють, що їх горщик перенести з одного місця кімнати в інший. Звичайно, вони бачать не так як ми. Рослини не відрізнять лисого чоловіка середніх років в окулярах від дівчинки з каштановими кучерями. Але вони бачать світ багато в чому різноманітніше, ніж ми. Рослини бачать ультрафіолетове світло, який дає нам загар, і інфрачервоне світло, який ми відчуваємо як тепло. Рослини знають про освітленість навколо - то це світло від свічки чи полуденне сонце. Рослини знають де знаходиться джерело світла - ліворуч, праворуч або зверху. Вони розуміють, що інша рослина, яке виросло вище, перегородила їм світло. Чи можна вважати це «зором»?
Словник Merriam-Webster визначає «зір» як «фізичне відчуття, при якому світлові подразники, отримані рецепторами очі, інтерпретуються мозком і формуються в уявлення про становище, формі, яскравість і колір об'єктів в просторі». Ми бачимо світло так званого «видимого спектру». Світло є зрозумілим синонімом електромагнітних хвиль видимого спектру. Тобто світло має властивості, загальними для інших типів електричних сигналів, таких як мікро- і радіо-хвилі. Радіохвилі для радіо AM дуже довгі, майже півмилі в довжину. Тоді як рентгенівські хвилі дуже короткі, в трильйон разів 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, в той час як червоний є найдовшим, зелений, жовтий і оранжевий розташовані посередині (згадайте веселку). Ми бачимо ці електромагнітні хвилі тому, що наші очі мають спеціальні білки, звані фоторецептори, які знають як сприймати цю енергію, поглинути її, схожим чином антена ловить радіо-хвилі. Сітківка нашого ока покрита рядами цих рецепторів, подібно рядах світловипромінювальних діодів (LED) плоских телевізорів або сенсорів в цифрових камерах. Кожна точка сітківки має фоторецептори палички, які чутливі до світла, і колбочки, які реагують на колір. Сітківка ока людини містить близько 125 млн паличок і 6 млн колбочок на області, схожою за розміром з фотографією на паспорт. Це еквівалентно цифровому фотоапараті з дозволом 130 мегапікселів. Така величезна кількість фоторецепторів на такій невеликій площі дає нам високу чіткість зображення. Палички, чутливі до світла, дозволяють нам бачити вночі в умовах низької освітленості. Колбочки дозволяють нам бачити різні кольори при яскравому світлі, також вони бувають трьох видів, що розрізняються по сприймається світу - червоному, зеленому і синьому. Основна відмінність між цими фоторецепторами - хімічні речовини, що містяться в них. Ці речовини називаються родопсином (в паличках) і фотопсіни (в колбочках) мають певну структуру, що дозволяє їм поглинати світло з різними довжинами хвиль. Синє світло поглинається родопсином і синім фотопсіном, червоний - родопсином і червоним фотопсіном. Фіолетовий світло поглинається родопсином, синім фотопсіном, червоним фотопсіном, але не зеленим і т.д. Як тільки палички або колбочки поглинають світло, вони посилають сигнал в мозок, який обробляє всі сигнали від мільйонів фоторецепторів в одну цільну картину. Що ж тоді відбувається у рослин?
Дарвін-ботанік
Не всі знають, що Дарвін, крім робіт по еволюції тварин, також провів ряд дослідів, які і до цього дня впливають на дослідження рослин. Дарвін був зачарований ефектом, який виробляє світло на ріст рослин, як і його син Френсіс. У своїй останній книзі «Сила руху у рослин» Дарвін писав «Існує вкрай мало рослин, які ... не нахиляються в сторону світла». Ми і самі можемо побачити, як це відбувається у кімнатних рослин або цибулі, які повертаються в бік променів сонця з вікна. Така поведінка називається фототропізм. У 1864 р сучасник Дарвіна - Юліус фон Сакс - виявив, що синє світло є основним світлом, який викликає фототропізм у рослин, в той час як до решти квітам рослини, як правило, сліпі і не нахиляються або повертаються в їх сторону. Але ніхто не знав в той час як і чим рослини бачать світло.
У дуже простому експерименті Дарвін і його син показали, що ці рухи були обумовлені не фотосинтезом, процесом, за допомогою якого рослини перетворюють світло в енергію, а скоріше завдяки вродженій чутливості рухатися до світла. У своєму експерименті Дарвін посадив в горщик канареечник і помістив його в абсолютно темну кімнату на кілька днів. Потім вони запалили дуже маленький газовий ліхтар в 3,5 метрах від горщика настільки тьмяно, що вони «не могли бачити самі рослини або олівцеву лінію на папері». Вже через 3 години рослини були зігнуті у напрямку до джерела світла. Вигин завжди знаходився в одній і тій же частині молодого рослини - близько 2 см нижче верхівки. 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, яка згинається. Вони провели досліди з фототропізм у п'яти різних саджанців:
- Перший саджанець був незайманий і показує як виявляється фототропізм.
- У другого рослини відрізали верхній кінчик.
- Третьому кінчик накрили світлонепроникної кришкою.
- Четвертий накрили прозорим ковпачком.
- У п'ятого середню частину закрили світлонепроникної трубкою.
Мерілендського мамонт: тютюн, який продовжував зростати
Кілька десятиліть потому, в долині південного Меріленда виникло цікаве явище у тютюну. У цих долинах розташовувалися декілька найбільших тютюнових ферм Америки з тих часів, як перше поселенці прибули з Європи в кінці XVII століття. Тютюнові фермери, навчаючись у місцевих племен (таких як Саскуеханнокі), які вирощують тютюн протягом століть, садили його навесні і збирали урожай в кінці літа. Деякі рослини залишали для виробництва насіння для наступного сезону. У 1906 р фермери стали помічати новий варіант тютюну, який, здавалося, ніколи не перестає рости. Він міг досягати 4 м в довжину, виробляючи майже сотню листя, і переставав рости, коли приходили морози. Здається, що такі постійно зростаючі рослини були б благом для тютюнових фермерів. Але, як це часто буває, новий сорт, названий Мерілендського мамонт, був схожий 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 Мерілендського мамонт не розумів, коли потрібно припинити зростати і почати цвісти і давати насіння. Вони посадили цей тютюн в горщики і залишили деякі рослини в поле. Інша група рослин перебувала 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 і 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 - фотопериодизм - дав нам перші свідчення того, що рослини можуть «виміряти», скільки світла вони отримують. Інші багаторічні експерименти показали, що багато рослин, як ці мамонти, цвітуть тільки тоді, коли світловий день короткий, вони називаються «рослини короткого дня». До них, наприклад, відносяться хризантеми і соя. Інші ж рослини потребують для цвітіння в довгому світловому дні, як, наприклад, іриси і ячмінь - вони вважаються рослинами довгого дня. Це відкриття дозволило фермерам управляти цвітінням за допомогою зміни часу, за яке рослина отримувала світло.
Що відбувається в короткий світловий день?
Концепція фотопериодизма викликало хвилю активності серед вчених, які поставили нові питання: Чи вимірюють рослини довжину дня або 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 рослина 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 рослина довгого дня, як ірис, навіть в середині зими (коли день короткий і в нормі ці рослини не цвітуть), включаючи світло вночі. Ці експерименти показали, що рослини вимірюють довжину дня, а тривалість періоду темряви.
Використовуючи ці знання, фермери можуть охороняти хризантеми від цвітіння до Дня Матері (другої суботи травня), щоб отримати максимальний прибуток. Так, вирощуючи хризантеми в теплицях, вони вмикають світло посеред ночі восени і взимку, і припиняють це робити за два тижні до свята. Тоді ... бум ... все рослини починають відразу цвісти.
Іншим вченим стало цікаво, на світло якого кольору орієнтуються рослини? Те, що вони виявили, було дивно: рослини, без 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) з колегами їх лабораторії Міністерства сільського господарства США (там, де Мерілендського мамонт був вперше вивчений) зробили ще одне дивне відкриття: дальній червоне світло - тобто червоне світло з трохи довшою довжиною хвилі (чим у яскраво-червоного) і ледве помітний 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 посвітити далеким червоним світлом на них відразу після спалаху яскраво-червоного - вони не зацвітуть. Якщо потім знову посвітити яскраво-червоним - цвітіння буде. І так далі. Для цього не потрібно багато світла, вистачає буквально кілька секунд. Це як вимикач: яскраво-червоний активує цвітіння, а дальній червоний - вимикає його. Якщо перемикати світло швидко - нічого не станеться. В результаті рослини запам'ятовують останнє світло, який вони побачили.
Уоррен Л. Батлер з колегами показали, що одні фоторецептор у рослин сприймає обидва червоних світла. Вони назвали його «фітохром». У спрощеному вигляді фітохром і є цей вимикач. Яскраво-червоне світло активує фітохром, а дальній - інактивує. Екологічно це має велике значення. У природі останній світло, видимий будь-якою рослиною - червоний, що дає рослині команду "виключення". Вранці вони також бачать червоне світло і прокидаються. Таким чином рослина вимірює, як давно воно в останній раз бачила червоне світло, і регулює своє зростання відповідно.
Яка ж саме частина рослини бачить червоне світло для регулювання цвітіння? З досліджень фототропізму Дарвіна ми знаємо, що «очі» рослин розташовуються на його кінчику, в той час як відповідь на світло відбувається в стеблі. Можна було б припустити, що «очі» для фотопериодизма знаходяться там же. Однак, це не так. Якщо висвітлювати різні частини рослини вночі червоним світлом, ви виявите, що досить освітити всього один будь-який лист для регулювання цвітіння всього рослини. З іншого боку, якщо обрізати все листя рослини, залишивши тільки стебло і верхівку, рослина «осліпне», навіть якщо висвітлити його повністю. Таким чином, фітохром, розташований в листі, отримує світлові сигнали і ініціює мобільний сигнал, який поширюється по всій рослині і провокує цвітіння.