Соняшники можуть рости в бік слабшого джерела світла: вчені пояснили незвичну поведінку рослин
Нове дослідження показало, що молоді соняшники не завжди ростуть у напрямку найяскравішого джерела світла. В експериментах рослини поверталися до слабшої лампи, навіть коли з протилежних боків на них світили два значно потужніші джерела. Це відкриття ставить під сумнів просте уявлення про те, що рослини завжди спрямовують ріст туди, звідки надходить найбільше світла.
Дослідження провела команда Тель-Авівського університету під керівництвом професорки Ясмін Мероз. До неї також увійшли Ахрон Кемпінскі, Амір Порат і Матьє Рів’єр. Результати роботи опубліковано в журналі Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Як рослини визначають напрямок світла
На відміну від тварин, рослини не мають мозку чи центральної системи обробки інформації. Світлочутливі білки, які керують вигином стебла, розташовані переважно в його зовнішньому шарі клітин. Кожна ділянка поверхні реагує на світло, яке на неї потрапляє.
Частина світла проходить крізь стебло й досягає протилежного боку. За результатами 31 вимірювання за допомогою спеціального 3D-друкованого тримача та вимірювача освітленості, у середньому крізь стебло проходило близько 10% світла. Таким чином, протилежна сторона отримувала слабкий сигнал із протилежного напрямку.
Різниця в реакції двох боків стебла визначає, з якого боку клітини ростуть швидше. У результаті стебло згинається. Дослідники створили математичну модель, яка підсумовує сигнали від різних ділянок поверхні та прогнозує напрямок росту.
Експерименти з молодими соняшниками
Для дослідів використовували приблизно тижневі сіянці, які вирощували в приміщенні за температури 25 °C. На момент експериментів їхня висота становила від 1 до 3 см. Рослини освітлювали синіми світлодіодами, а їхній рух фотографували щонайменше протягом 21 години.
Коли на соняшники світила одна лампа, яскравіше світло спричиняло сильніший вигин. Однак залежність не була прямо пропорційною: навіть десятикратне збільшення яскравості не призводило до відповідного десятикратного посилення реакції.
Науковці називають це стисненням сенсорного сигналу. Подібний принцип працює і в інших живих організмах: сила реакції залежить не лише від абсолютної інтенсивності сигналу, а й від того, наскільки він змінився порівняно з початковим рівнем. Завдяки цьому рослини можуть реагувати на широкий діапазон освітлення — від затінку до прямого сонячного світла.
Коли дослідники спрямували на сіянці дві лампи з протилежних боків, рослини згиналися в напрямку яскравішої. Що більшою була різниця між джерелами, то сильнішим ставав вигин. Однак за майже однакової яскравості двох ламп рослини залишалися майже вертикальними: сигнали фактично компенсували один одного.
Чому соняшники обрали слабшу лампу
Найцікавіший експеримент передбачав використання трьох джерел світла. Дві майже однакові за потужністю лампи розташували з протилежних боків, а третю, яскравість якої становила менш як половину від потужності кожної з двох інших, — під прямим кутом до них.
У цьому випробуванні дослідники спостерігали за 34 сіянцями протягом 21 години. Комп’ютерна програма відстежувала напрямок росту кожної рослини. У середньому соняшники спрямовувалися майже точно до слабшої лампи — відхилення становило менш як один градус. Водночас окремі рослини демонстрували значні індивідуальні відмінності.
За словами дослідників, цей результат не відповідає інтуїтивному очікуванню щодо рослин, яким потрібне світло для фотосинтезу. Він показує, що напрямок росту не обов’язково визначається прагненням отримати якомога більше світла.
Математична модель передбачає оптичну ілюзію
Модель дослідників передбачає ще один незвичний ефект. Якщо дві лампи розташовані під прямим кутом і одна з них яскравіша, найбільша кількість світла надходить із напрямку між ними, ближче до потужнішого джерела.
Однак рослина спочатку стискає сигнали від кожної лампи, а вже потім підсумовує їх. Через це напрямок, якому вона надає перевагу, трохи відрізняється від напрямку найбільшої освітленості. Учені називають це своєрідною оптичною ілюзією, хоча й не стверджують, що рослина буквально щось бачить.
За розрахунками моделі, максимальне відхилення може становити близько 6 градусів. Ефект зникає, якщо обидві лампи однаково яскраві або якщо працює лише одна з них.
Поки що підтвердити це передбачення на живих рослинах не вдалося. Стебла соняшників під час росту здійснюють кругові рухи, через що напрямок їхнього вигину постійно змінюється. В останні три години експерименту з трьома лампами напрямок росту сіянців зазвичай коливався приблизно на 17 градусів. Це значно більше за прогнозоване відхилення в 6 градусів, тому виявити його на тлі природних рухів було складно.
Модель також не відтворила одну особливість поведінки реальних рослин: сіянці спочатку згиналися сильніше за кінцевий кут, а потім поступово поверталися назад. Дослідники припускають, що це може бути пов’язано з нерівномірним ростом стебла або його провисанням під власною вагою.
Принцип може працювати не лише в рослинах
На думку Ясмін Мероз, результати демонструють, як фізична організація сенсорної системи визначає сприйняття навколишнього середовища та реакцію на нього. Подібний принцип може бути актуальним і для бактерій та інших одноклітинних організмів, які отримують інформацію про довкілля через усю поверхню, не маючи мозку чи центральної системи обробки сигналів.
Однак поки що оптична ілюзія залишається математичним прогнозом. Для її підтвердження потрібні точніші вимірювання, здатні відокремити невеликий ефект від природних коливань напрямку росту соняшників.