Чувства растений. Что и как они видят? Часть 2

Продолжение. Начало см. Чувства растений. Что и как они видят?

Слепые растения в эпоху генетики

У нас в глазу есть 4 типа фоторецепторов: родопсин для света и тени и три фотопсина для красного, синего и зеленого цветов. Также у нас есть пятый тип рецепторов, называемый криптохром, который регулирует наши внутренние часы. До сих пор мы видели, что растения также имеют несколько фоторецепторов: они видят направленный синий цвет, что означает, что они имеют по крайней мере один синий тип фоторецепторов, известный как фототропин; и они видят красный и дальний красный свет, что также указывает на наличие другого типа рецепторов — фитохрома. Но для того, чтобы определить сколько рецепторов имеют растения, ученым пришлось ждать эпоху молекулярной генетики, которая началась лишь через несколько десятилетий после открытия фитохрома.

Maarten Koornneef

В начале 1980-х Маартен Коорннееф (Maarten Koornneef) из Вагенингенского университета (Нидерланды), использовал генетику, чтобы исследовать зрение у растений. Коорннееф задался простым вопросом: как выглядело бы слепое растение? Растения, выращенные в темноте или при тусклом свете более высокие, чем те, которые росли при ярком свете. Растения в темноте вытягиваются потому что пытаются выйти из почвы на свет, или когда они находятся в тени и пытаются пробиться к солнцу. Если бы Коорннееф смог найти и вырастить растение-мутант, которое бы было высоким даже на ярком свете, то тогда он смог бы определить причину этого.

Он проводил свои опыты с резуховидкой Таля (Arabidopsis thaliana) — небольшим растением, часто используемым в лабораторных опытах, напоминающее полевую горчицу. Он использовал химические вещества, которые вызывают мутацию ДНК (и рак у лабораторных крыс) и затем выращивал обработанные семена под разным светом, разыскивая мутантные растения, которые были бы выше остальных. Он нашел множество таких побегов. Некоторые из этих растений вытянулись под синим светом, но росли нормально под красным. Некоторые наоборот вытянулись под красным, но были нормального размера под синим. Некоторые выросли больше в УФ-свете, тогда как при других условиях были нормальными. Некоторые вытянулись только при тусклом свете, другие — только при ярком.

резуховидка Таля

Многие их этих мутантных растений, слепые к конкретным цветам, имели дефектные фоторецепторы. Растения, не имеющие фитохрома, росли при красном свете как в темноте. При этом выяснилось, что существуют разные рецепторы для яркого красного света и дальнего красного. Также ученые узнали, что у резуховидки есть по крайней мере 11 фоторецепторов: некоторые сообщают растению когда прорастать; другие — куда надо наклониться к свету; некоторые сообщают когда цвести; еще одни сообщают о наступлении темного времени суток; иные — наоборот — о наличии яркого света; еще одни — о тусклом свете; а также те, которые помогают растениям регулировать внутренние часы.

Таким образом зрение растений более сложное, чем у человека, если говорить об уровне восприятия. Действительно, свет для растений означает гораздо больше, чем просто сигнал; свет — это пища. Растения используют свет, чтобы преобразовать воду и углекислый газ в сахара, которые в свою очередь служат пищей животным. Но растения неподвижны, они укореняются в одном месте и не могут мигрировать в поисках пищи. Чтобы компенсировать такую сидячую жизнь растениям необходим способ найти и получить свою «пищу» — свет. Это означает, что они должны знать, где находится свет, и вместо того, чтобы двигаться к еде, подобно животным, растение растет к еде.

Растению необходимо понимать, если другое растение выросло над ним. Если растение чувствует, что находится в тени, то начинает расти быстрее, чтобы пробраться к свету. Также для выживания растению необходимо знать, когда прекращать рост и начинать производить семена, чтобы успеть закончить цикл воспроизводства. Многие растения начинают расти весной, тогда же, когда у многих животных появляются детеныши. Как же растения понимают, что наступила весна? Фитохром сообщает им, что дни постепенно становятся длиннее. Также растения цветут и производят семена ближе к осени, но до выпадения снега. Откуда они знают об осени? Фитохром сообщает им, что ночи становятся длиннее.

Как растения и люди видят?

Растения должны быть осведомлены о динамической визуальной среде вокруг них, чтобы выжить. Им необходимо знать направление, количество, продолжительность и цвет света. Растения, несомненно, воспринимают видимые (и невидимые) электромагнитные волны. В то время как мы можем обнаружить электромагнитные волны в относительно узком спектре. Но при этом, хотя растения и видят гораздо больший спектр, они не видят в картинках. Растения не имеют нервной системы, которая бы переводила световые сигналы в изображения. Вместо этого они переводят световые сигналы в сигналы для роста. Растения не имеют глаз, а у нас нет листьев.

Но мы оба видим свет.

Зрение — это не только способность обнаружить электромагнитные волны, но и способность реагировать на эти волны. Палочки и колбочки в сетчатке глаза обнаруживают световой сигнал и передают эту информацию в мозг, и мы реагируем на эту информацию. Растения также могут перевести визуальный сигнал в физиологические инструкции. В опытах Дарвина растения не просто видели свет, они поглощали его, а затем каким-то образом переводили сигналы в инструкции, которая сообщала стеблю как изгибаться. Им нужно реагировать на свет. Комплекс сигналов, возникающих из нескольких фоторецепторов растения, позволяют оптимально модулировать его рост в изменяющейся среде, так же, как наши четыре вида фоторецепторов позволяют нашему мозгу сделать изображения, интерпретируя которые, мы реагируем на изменяющиеся условия внешней среды.

В более широком смысле фитохром растений и красный фотопсин человека не идентичны друг другу, хотя они оба поглощают красный свет, эти белки имеют различное химическое строение. Ботопсины встречаются только у животных, тогда как фитохромы — только у растений. Но эти фоторецепторы схожи тем, что состоят из белка, имеющих химический краситель, который поглощает свет.

Но и здесь существуют исключения, не смотря на миллиарды лет независимой эволюции растений и животных. И растения, и животные имеют рецепторы синего света, называемые криптохромы. Криптохром не влияет на фототропизм у растений, но по-другому влияет на рост растений, в том числе контролируя внутренние часы. Растения, как и животные, имеют внутренние часы, называемые «циркадные», которые соответствуют нормальному циклу дня и ночи. У людей эти часы регулируют все аспекты нашей жизни: когда мы голодны, когда нам следует пойти в туалет, когда мы устали или, наоборот, полны сил. Эти ежедневные изменения в поведении нашего тела называются «циркадные ритмы», они работают, даже если находиться в закрытом помещении без доступа солнечного света. Именно поэтому также мы ощущаем некоторый сбой в режиме при перелете в другой часовой пояс. Циркадные часы «сориентируются на свет», однако это займет нескольких дней. Таким образом пребывание на улице упростит эту задачу (чем сидение в темной комнате отеля).

Криптохром — рецепторы синего света — в первую очередь отвечает за контроль наших внутренних часов. Он поглощает синий свет и затем передает сигналы клеткам, сообщая, что сейчас день. Растения также имеют внутренние циркадные часы, которые регулируют многие процессы в их организме, в том числе движения листьев и фотосинтез. Если мы искусственно изменим ритм дня и ночи для растения, они также «перейдут» в другой часовой пояс (но не станут сварливыми) и им также потребуется на это несколько дней. Например, если растение закрывает листья на ночь и вновь раскрывает их утром, то при изменении цикла день-ночь, сначала оно будет раскрывать листья ночью (когда раньше был день) и закрывать днем (что раньше было ночью). Эти октрытия-закрытия приспособятся к новому ритму в течение нескольких дней.

Суточный ритм растений интересовал и Чарльза Дарвина. Он изобрёл аппарат для измерения движения листьев. Дарвин характеризовал состояние растения со свёрнутыми листьями как сон и предполагал, что растения складывают листья на ночь, чтобы сохранить тепло и влагу. На странице из книги Ч. Дарвина «Способность к движению у растений» изображена Cassia corimbosa днём и ночью

Суточный ритм растений интересовал и Чарльза Дарвина. Он изобрёл аппарат для измерения движения листьев. Дарвин характеризовал состояние растения со свёрнутыми листьями как сон и предполагал, что растения складывают листья на ночь, чтобы сохранить тепло и влагу. На странице из книги Ч. Дарвина «Способность к движению у растений» изображена Cassia corimbosa днём и ночью

Криптохром растений, как и криптохром дрозофил или мышей, играет важную роль в координации внешних световых сигналов с внутренними часами. Упрощенно у людей и растений циркадные ритмы схожи. Это неудивительно, если вспомнить, что циркадные часы появились еще у одноклеточных организмов, до разделения на растительный и животный мир. Эти часы, вероятно, изначально выполняли функцию защиты от ультрафиолетовых лучей. Ранее эти часы, «наблюдая» за светом, сдвигали деление клеток ближе к ночи. Относительно простые часы имеются также у большинства одноклеточных организмов, включая бактерии и грибы. Эволюция восприятия света продолжается как у растений, так и у животных, разделившись  на две разные системы, необходимые для выживания.