Что скрывают растения

«Что ты стоишь, как дерево?», «У меня руки ничего не чувствуют: совсем одеревенели», «Полегче на поворотах — не дрова везете» — в языке много выражений, подчеркивающих, что растения не могут активно реагировать на окружающий мир, а способны лишь пассивно принимать его тяготы. И это неспроста: представители флоры отлично научились скрывать свою истинную сущность, притворяясь безобидными и безучастными. На самом же деле милые цветочки, кустики или деревья — настоящая слаженная банда, которая стремится занять всю доступную территорию. Члены банды внимательно следят за происходящим, общаются и координируют свои действия, моментально реагируя на любые изменения.

Как осиновый лист

Первым, кто заподозрил, что растения что-то скрывают, был американский эколог Дэвид Роудз, изучавший, как гусеницы коконопрядов объедают листья ив. В 1979 году Роудз по обыкновению посадил насекомых на одно растение, а через некоторое время перенес их на соседние саженцы в горшках неподалеку. Часть растений раньше сталкивались с гусеницами, другие были с ними незнакомы. Обычно, если на дереве заводятся паразиты, оно изменяет метаболизм и отращивает новые листья более твердыми и волокнистыми — так насекомым сложнее повредить их. Но, к удивлению Роудза, гусеницы плохо объедали листья всех ив — как тех, которые уже пострадали от паразитов, так и «новичков». Ученый предположил, что поврежденный саженец выделил какие-то вещества, предупредившие соседей об опасности, позволив им заранее подготовиться к возможному нападению и сделать листья более твердыми.

В 1983 году британские исследователи Иан Болдуин и Джек Шульц проверили гипотезу Роудза, проведя более тщательный эксперимент. Они не стали связываться с гусеницами, а просто ободрали с молодого клена листья. Затем ученые соединили камеру, где рос несчастный саженец, с камерой, где обитали неповрежденные деревца. И клены, которых вынудили дышать «чужим» воздухом, начали производить более твердые листья! Результаты исследования Болдуина и Шульца были опубликованы в одном из самых престижных журналов, Science, однако научное сообщество восприняло их в штыки. Ботаники, привыкшие считать растения пассивными и инертными, отказывались верить, что те в состоянии очень живо реагировать на происходящее вокруг, да еще и сообщать об этом товарищам. К тому же у ученых были претензии к методике постановки опытов.

И тем не менее многие исследователи заинтересовались идеей, что растения способны общаться друг с другом. За следующие 20 лет было поставлено несколько десятков качественных экспериментов, и к началу 2000-х стало очевидно: деревья и цветы живут в режиме непрерывной «сходки», в реальном времени обсуждая друг с другом, как лучше противостоять врагам и отвадить их от своей территории.

Тонкости

Помахать дубиной

Когда растения понимают, что своими силами с захватчиками не справиться, они вызывают «киллера» — хищное насекомое. Ученые проследили, как оно помогает зеленым бандитам, проведя «следственный эксперимент» и заразив бобы гороховой тлей. Пораженные растения выделяли не только вещества, предупреждающие соседей, но еще и химикаты, привлекающие ос Aphidius ervi, которые откладывают яйца в тела тлей. Состав коктейлей, приманивающих убийц, неизвестен. Не понимая, как именно растения призывают на помощь суровых товарищей, люди порой разрушают этот канал связи. В 2011 году выяснилось, что гибридные сорта кукурузы не умеют отправлять «письма» дружественным насекомым и страдают от паразитов куда больше диких собратьев.

С ветки на ветку

Один из главных путей передачи «шифровок» — по воздуху. Растения синтезируют огромное количество всевозможных летучих соединений. Назначение большинства из них ученым до сих пор неизвестно, хотя люди научились использовать растительную «химию» для себя, создавая на ее основе лекарства, косметику и духи. Благодаря внимательным «следователям» вроде Роудза, Болдуина и Шульца стало ясно, что как минимум часть синтезируемых деревьями и травами веществ — это сообщения об опасности, предназначенные соседям. Причем, как в 2006 году показали биологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, испускаемые растениями воздушные сигналы «работают» на расстоянии до 60 см.

Сегодня мы понимаем смысл только отдельных растительных посланий. И даже эти скудные знания показывают, насколько четко работает такая воздушная «почта» и как глубоко она меняет метаболизм растений. Если посадить на куст полыни тлей, «пострадавший» начинает выделять метилжасмонат. Как только соседний куст улавливает послание, в его клетках резко возрастает активность гена, продукт которого не дает насекомым нормально усваивать отгрызанные листья. Чтобы облегчить переваривание трудной пищи, паразиты вырабатывают фермент, расщепляющий растительные белки. В листьях атакованных растений и предупрежденных ими соседей начинает синтезироваться белок, блокирующий работу этого фермента. В результате тли и другие насекомые не могут получить из листьев достаточно питательных веществ.

Ученые так плохо расшифровывают растительные сообщения не в последнюю очередь потому, что большинство из них состоят из множества компонентов. Один из примеров такого коктейля — запах свежескошенной травы. Он нравится большинству людей, а вот растения используют его именно как предупреждение о грозящей опасности. В 2011 году японские исследователи по одному убирали из смеси, которую выделяли атакуемые паразитами маргаритки, входящие в нее вещества. И отсутствие любого из них существенно снижало у их соседей активность генов, отвечающих за защиту. Можно сказать, что отдельные вещества, составляющие выделяемую растениями смесь, — это слова, а весь коктейль — предложение.

Грибной канал

Растительная банда хитра и предусмотрительна. В 2011 году исследователи из Университета Бен-Гуриона посадили рядом шесть саженцев гороха, завернув каждый в пленку, чтобы исключить обмен летучими веществами. Затем ученые добавили в почву к одному из саженцев вещество, «вытягивающее» воду, сымитировав засуху. Через 15 минут несчастный ожидаемо закрыл устьица — крошечные отверстия на листьях, через которые растения выделяют воду и газы. Но, к удивлению ученых, устьица закрылись и у соседнего ростка, хотя он не подвергался опасным манипуляциям. Спустя час испарять воду через листья перестали все шесть растений. Хотя летучие вещества передаваться не могли, корни саженцев попарно соприкасались друг с другом. Когда ученые повторили опыт, убрав корневое взаимодействие, устьица закрылись только у растения, которое оказалось «в пустыне».

Самое удивительное, что саженцы не только среагировали на предупреждающий сигнал от «потерпевшего», но и распространили его дальше, обеспечивая коммуникацию на больших расстояниях. Более того, выяснилось, что подземный «интернет» дополнительно расширяют и ускоряют… грибы. Они оплетают корни большинства растений в дикой природе длинными нитями — гифами. Дружба грибов и растений выгодна обеим сторонам. Растения передают грибам углеводы, созданные в ходе фотосинтеза, а грибы в ответ помогают товарищам лучше всасывать из почвы воду и минеральные вещества.

Но это еще не все. По гифам, тянущимся от одной корневой системы к другой, растения передают товарищам сигналы тревоги. В 2013 году британские ботаники показали, что соседи горошка, на которого посадили тлю, начинают выделять вещества, отпугивающие насекомых, уже спустя 24 часа после заражения товарища. Причем сообщение от пострадавшего доходило до соседей, даже когда они были связаны только через гифы, но не через корни. В последние годы появляется все больше доказательств, что грибной «интернет» может объединять все деревья в лесу! Например, в 2009 году канадские геоботаники обнаружили, что при помощи гиф каждое дерево контактирует как минимум с десятком соседей на расстоянии 30 метров. Не каждый город может похвастаться такой плотностью интернет-соединения.

Эксперимент. Тайная связь

Подготовиться заранее

Через 52 часа, после того как ученые повредили саженец, количество твердых веществ, делающих листья трудноусвояемыми, заметно возросло в обоих растениях.

Борьба в одиночку

Поврежденное растение усилило защиту своих листьев и стало «несъедобным», а саженец, не предупрежденный об опасности, оказался беззащитным перед захватчиками.

Яблоко от яблони

Преступники-люди поддерживают членов своей банды и при любом удобном случае стараются убрать членов других банд. Зеленые бандиты ведут себя точно так же. Когда молодые саженцы морской горчицы оказывались рядом с чужими растениями, они отращивали как можно более разветвленные корни, чтобы вытянуть из почвы максимум воды и минералов. Если же соседи были родственниками, корни всех саженцев отрастали умеренно ветвистыми.

Аналогично поступает любимый объект растительных экспериментов — арабидопсис. Цветок недотрога бледная отращивает менее широкие листья, чтобы не затенять соседей, если эти соседи — родня. А вот когда неподалеку оказывается агрессивное чужое растение, стремящееся захватить все полезные вещества, свояки распространяют по подземному «интернету» сигналы, ускоряющие созревание. Но зачем растениям вообще помогать друг другу, пусть даже и родственникам, ведь они все равно конкурируют за ресурсы? Именно это соображение долгие годы мешало ученым поверить, что деревья или кусты в принципе активно коммуницируют. И похоже, дружба эта действительно вынужденная.

Изначально бандиты вовсе не собирались никому помогать, они просто защищались сами. Летучие химические соединения были нужны, чтобы отпугнуть паразитов или сообщить одной части растения о том, что на другую пришла беда, — без кровеносной и нервной систем коммуникация внутри самого растения оказывается не самым простым делом. Научившись воспринимать собственные сигналы, деревья и травы заодно стали ловить сообщения соседей, предназначенные для «внутреннего пользования». Другими словами, растения стали подслушивать, как и положено настоящим бандитам.

Лучше всего они улавливали сообщения от родни, ведь их химический состав максимально похож на состав сигналов самого подслушивающего. Реагируя на эти послания, перехватчики увеличивали свои шансы выжить и оставить потомство, а значит, со временем в популяции становилось все больше растений, умеющих подслушивать. Но так как родственные растения несут сходные гены, подслушивание каждого отдельного деревца повышало шансы на выживание не только его самого, но и племянников, племянниц и прочей непрямой родни. Постепенно эти гены прочно закрепились, и сегодня родственные члены одной банды ведут себя по отношению друг к другу как настоящие альтруисты.

Более того, похоже, что и с членами других банд растения иногда «заключают договоры». Многочисленные эксперименты выявили, что сообщества, состоящие из нескольких видов растений, чувствуют себя лучше, чем моногруппы: отдельные деревья в таких сообществах вырастают больше и быстрее, а общая эффективность фотосинтеза заметно выше. В 2015 году исследователи из Университета Британской Колумбии выяснили, что в смешанных сообществах деревья, богатые азотом, углекислым газом и другими полезными веществами, делятся ими с менее успешными товарищами. Ученые не исключают, что дружить с неродственными бандами растений вынуждают грибы. У них в перемирии свой интерес: чем активнее деревья обмениваются различными веществами, тем больше перепадает грибам. Но окончательно принципы сложных взаимоотношений внутри растительных банд исследователям только предстоит выяснить. И, может быть, когда мы наконец научимся расшифровывать послания деревьев и цветов, они расскажут нам что-то важное о планете.