Физически привязанные к определенному месту, растения должны изобретать особые способы обеспечения себя жизненно важными питательными веществами. Большинство растений развили корневую систему для питательных веществ, необходимых им для выживания вне почвы. Но что, если бедные питательными веществами почвы не могут обеспечить все необходимое для жизни? Хищные растения, такие как Венерина мухоловка, нашли выход из этой дилеммы.
Венериная мухоловка родом из водно-болотных угодий Северной и Южной Каролины на восточном побережье США. Вместо того, чтобы получать питательные вещества только через свои корни, это плотоядное растение ловит добычу в своих листьях, которые могут захлопнуться в течение доли секунды. Растение способно чувствовать добычу с помощью тонких триггерных волосков на внутренней стороне его плоских листьев. Поскольку насекомые-жертвы бывают разных размеров, а Венерина мухоловка не может позволить себе быть суетливой, растение выращивает ловушки самых разных размеров.
Теперь исследователи из университетов Вюрцбурга и Кембриджа обнаружили, что тактильные датчики в этих ловушках уже реагируют на мельчайшие стимулы давления, преобразуя их в электрические сигналы, которые заставляют ловушку закрываться. Они опубликовали свои результаты в текущем выпуске журнала Nature Plants.
Триггерные волосы превращают прикосновение в электричество
Каждый лепесток ловушки имеет от трех до четырех многоклеточных волосков, устойчивых к скручиванию, за исключением выемки в основании. Когда насекомое, привлеченное запахом, цветом или нектаром ловушки, касается триггерного волоска, волосы будут деформироваться в области неармированного основания, что приводит к тому, что сенсорные клетки в этой области растягиваются с одной стороны и сжимаются с другой», - объясняет профессор Райнер Хедрих принцип действия венериной мухоловки. Биофизик и исследователь растений, заведующий кафедрой ботаники I в Вюрцбургском университете, уже некоторое время изучает хищные виды растений.
Когда сенсорные клетки деформируются таким образом, тактильные сенсоры реагируют, преобразовывая механическую энергию в электрические сигналы, запуская потенциал действия, который быстро распространяется от основания триггерного волоска по всей ловушке. При повторном касании спускового крючка в течение короткого промежутка времени процесс перезапускается, и только после этого ловушка закрывается.
Но насколько сильно насекомое отклоняет спусковой крючок? Каковы минимальные размеры и вес насекомого, чтобы его могла обнаружить Венерина мухоловка? Профессор Хедрич имел в виду эти вопросы, проводя свое последнее исследование. «С самого начала было ясно, что мы не сможем легко получить ответы, используя летающих насекомых», - объясняет профессор Хедрич. Поэтому, ища подходящую добычу насекомых для своих экспериментов, профессор Хедрич и его команда остановили свой выбор на муравьях. Профессор Вальтер Федерле, эксперт по биомеханике и специалист по муравьям из Кембриджского университета, предоставил необходимый опыт и поддержку экспериментам ученых из Вюрцбурга.
Минимальное отклонение вызывает электрическую стимуляцию
Как заставить муравья коснуться спускового крючка по команде? Чтобы решить эту проблему, специалист по муравьям Федерле выбрал муравьев-листорезов. Этот вид муравьев регулярно перемещается между местом кормления и гнездом. Для эксперимента Федерле установил одинарные лопасти-ловушки на кормовой тропе колонии муравьев-листорезов. Затем он наблюдал за движением муравьев по следу мухоловки, используя высокоскоростную камеру, которая записывала все контакты. Результат: анализ Федерле показал минимальное и максимальное отклонение триггера на 3,5 и 7,5 градуса соответственно.
Теперь, чтобы определить угол и силу, необходимые для срабатывания потенциала действия в венериной мухоловке, ученые заменили муравьев управляемыми компьютером микроманипуляторами, оснащенными специальными преобразователями силы. После того, как микроманипуляторы были нанесены на спусковые крючки, угол отклонения постепенно менялся. «Мы были удивлены, обнаружив, что наши детекторы напряжения уже зафиксировали потенциал действия при отклонении около 2,9 градуса», - говорит доктор Зёнке Шерцер, ведущий автор исследования и научный сотрудник отдела профессора Хедриха. Это означает, что Венерина мухоловка уже улавливает самый слабый контакт с муравьем-листорезом.
Ловушка для каждого размера мухи
Муравей или комнатная муха создают при ходьбе усилие, примерно равное весу его тела. Таким образом, муха весом десять миллиграммов способна генерировать 100 микроньютонов - силу, которой вполне достаточно, чтобы возбудить большую ловушку. Однако если комар весом всего три миллиграмма попадет в такую большую ловушку, триггерные волоски не отклонятся.
Но поскольку комар тоже может быть важным источником питательных веществ, венериная мухоловка также разработала ловушки меньшего размера в ходе эволюции. Эти мини-ловушки также реагируют на меньшие силы, создаваемые легкими комарами. «Эта чувствительность триггерных волосков, основанная на размере ловушки, имеет решающее значение для экономической эффективности ловушек», - объясняет профессор Хедрич. Ведь растению требуется гораздо больше энергии, чтобы открыть большую ловушку, чем маленькую. «Если бы насекомые-жертвы с недостаточным весом и низким содержанием питательных веществ могли запускать большие ловушки, соотношение затрат и выгод оказалось бы отрицательным, и венерина мухоловка в худшем случае медленно умирала бы от голода», - объясняет профессор Хедрич.
Когда триггерные волосы устают
Как только ловушка закрылась, добыча насекомого обычно не просто смиряется со своей участью. Вместо этого он борется и пытается убежать. В панике он постоянно прикасается к тактильным волоскам, вызывая до 100 потенциалов действия за два часа. По словам профессора Хедрича, Венерина мухоловка учитывает эти электрические сигналы и инициирует соответствующую реакцию, которая варьируется от производства и выделения пищеварительных ферментов до поглощения питательных веществ из разложившейся добычи.
Ученые провели еще один эксперимент, чтобы определить, как часто можно стимулировать один триггерный волос в течение одного часа. Результат: «При частоте в десятую долю герца, то есть при одной стимуляции каждые десять секунд, триггерные волосы начинают проявлять признаки усталости», - говорит Зёнке Шерцер. На более высоких частотах потенциал действия больше не запускался каждый раз, когда стимулировался тактильный волос, и, в конце концов, электрические события вообще не происходили. Когда ученые на минуту прервали повторяющуюся последовательность стимуляции, волосы полностью восстановили свои механоэлектрические свойства.
Чувствительные клетки под микроскопом
Чтобы продолжить это исследование, исследователи стремятся выяснить, как считается мухоловка и почему тактильные волосы перестают реагировать на стимуляцию с высокой частотой. С этой целью они будут изолировать триггерные волоски и сенсорные клетки и определять ряд свойств, таких как усталость и восстановление ионных каналов, которые преобразуют тактильный стимул в электрическое событие.