О чем думают растения - Алессандра Виола

В 2007 г. было проведено простое, но показательное исследование, которое позволило пролить свет на данный тип семейных отношений. В одном горшке проращивали 30 семян одного и того же растения, а в другом горшке такого же размера – 30 семян растений разных видов. Наблюдение за поведением растений в двух горшках позволило обнаружить несколько эволюционных механизмов, которые ранее были зарегистрированы только у животных. Растения разных видов вели себя ожидаемым образом – выпускали множество корней, пытаясь завоевать территорию и обеспечить себе достаточно воды и пищи за счет соседей. Однако 30 родственных растений в другом горшке, хотя и росли в таком же ограниченном пространстве, выпускали намного меньше корней и активнее развивали надземную часть. Отсутствие конкуренции в данном случае было связано с генетическим сходством растений. Это очень важное открытие, которое поколебало традиционную точку зрения о том, что растения избирают стереотипную и повторяющуюся стратегию (есть сосед – значит, нужно с ним бороться и отвоевывать территорию), и привело ученых к гораздо более сложной оценке поведения растений, учитывающей различные факторы, в том числе родственные связи. Выходит, что растения сначала оценивают противника, прежде чем вступать в борьбу и, если обнаруживают генетическое родство, выбирают не соревнование, а сотрудничество.

Эгоизм или альтруизм – что выгоднее?

Если рассуждать в рамках эволюционного процесса, что оказывается выгоднее – «эгоизм» или «альтруизм»? В отношении растений этот вопрос до сих пор не рассматривался. Было создано множество моделей, но ни одну из них даже не пытались применить для анализа поведения растений. Открытие альтруистического поведения растений в отношении родственников играет чрезвычайно важную роль, поскольку открывает две возможности, обе революционные. Либо растения являются гораздо более развитыми в эволюционном плане существами, чем мы привыкли думать, и склонны к альтруизму, либо альтруизм и кооперация – примитивные формы жизни, хотя важнейшую роль в природе мы всегда отводили борьбе, в которой выигрывает сильнейший. В любом случае общение между растениями посредством корней должно иметь строго определенное эволюционное назначение – оно позволяет распознавать своих и чужих, друзей и врагов.

Обсуждая поведение корней (их удивительные способности мы подробнее проанализируем в следующей главе), следует заметить, что они умеют общаться не только с корнями других растений, но также со всеми существами, населяющими ризосферу (от греч. rhiza – корень и sphaira — сфера), т. е. ту часть почвы, с которой они контактируют и в которой обитают многие другие организмы. Многие ошибочно воспринимают почву как инертный субстрат. На самом же деле это живая и плотно населенная среда. Бактерии, грибы и насекомые формируют здесь специфический экологический консорциум, находящийся в равновесии благодаря общению и сотрудничеству с растениями.

Распространенный пример – грибокорень, или микориза (от греч. mykes — гриб и rhiza — корень). Это особая форма симбиоза в подстилающем слое почвы между вегетативными частями грибов, которые мы обычно встречаем в лесу, и корнями растений разных видов. Грибы образуют вокруг растения своеобразный чехол и проникают даже внутрь клеток. Такой тип симбиотической связи называют мутуализмом (взаимным симбиозом), поскольку он выгоден обеим сторонам: грибы снабжают корни минеральными веществами, в том числе фосфором (которого всегда не хватает в почве), а взамен получают энергию в виде сахаров, синтезируемых растениями в процессе фотосинтеза.

Однако в этом, казалось бы, взаимовыгодном сотрудничестве бывают неприятные сюрпризы. Проблема в том, что не все грибы имеют добрые намерения; некоторые являются патогенами, прикрепляются к корням, чтобы получить пищу, и разрушают их. Поэтому растения должны уметь различать типы грибов, которые пытаются вступить с ними в контакт, и действовать соответствующим образом. Как же они различают дружественно и враждебно настроенные грибы? Распознавание основано на настоящем диалоге между грибами и корнями, заключающемся в обмене химическими сигналами. Если растение понимает, что гриб настроен враждебно, он отвечает тем же. Напротив, если после предварительного «собеседования» растение распознает доброжелательно настроенный гриб, стремящийся к содружеству, оно вступает в ним в полезный для обоих симбиоз.

Дружественные бактерии

Еще один пример – основанный на обмене информацией взаимовыгодный симбиоз между бобовыми культурами и азотфиксирующими бактериями. Наряду с некоторыми другими бактериями эти микроорганизмы обладают чрезвычайно полезной способностью – они связывают атмосферный азот и превращают его в аммиак (NH3) путем разрыва связи между двумя атомами азота в газообразной молекуле N2.

Азот – важнейший элемент, обеспечивающий плодородность почвы (вот почему многие удобрения основаны на соединениях азота). Хотя воздух, которым мы дышим, на 80 % состоит из азота, этот газ инертен и напрямую не может быть использован растениями или другими живыми существами, за исключением некоторых микроорганизмов, таких как азотфиксирующие бактерии. Эти бактерии умеют превращать газообразный азот в различные соединения, такие как аммиак, которые легко поглощаются растениями. Так что эти бактерии – настоящие природные удобрения. Взамен внутри корней они получают идеальную среду для роста и обилие сахаров – еще один пример взаимовыгодного сотрудничества, основанный на коммуникации и распознавании. Однако растения рады далеко не всем бактериям; многие бактерии являются патогенами, против которых растения выстраивают непреодолимый барьер. До начала сотрудничества азотфиксирующие бактерии вступают с корнями в долгий и сложный химический диалог. Эти «переговоры» всегда начинаются с выделения бактериями сигнала, называемого NOD-фактором (от англ, nodulation — клубнеобразование), распознавание которого растением является первым этапом для допуска бактерий к корням.

Описанные выше примеры симбиоза основаны на обмене информацией между симбионтами – участниками симбиотических отношений (бактериями и бобовыми растениями в последнем примере) – и не могут происходить при отсутствии долгосрочной и отработанной практики. На самом деле подобные отношения возникают не только между растениями и низшими организмами. Некоторые симбиотические связи оказались столь важными, что составляют основу и нашей жизни.

Вот один пример. Митохондрии – энергетические станции наших клеток (точнее, всех растительных и животных клеток). Без этих внутриклеточных органелл невозможно существование высших форм жизни. Так вот, исследования показали, что митохондрии возникли в результате симбиоза – в данном случае между клетками[7] и примитивными бактериями с активным окислительным метаболизмом (другими словами, способными производить энергию). Бактерии и эти клетки вступили в симбиотические отношения, выгодные для обеих сторон (клетки получили энергию, а бактерии – все, что им требовалось для жизни), и в какой-то момент бактерии оказались включенными внутрь клеток. Симбиотическое происхождение митохондрий подтверждается многочисленными данными. Прежде всего, митохондрии сохранили многие типичные признаки бактерий, такие как бактериальные мембраны. Кроме того, как и бактерии, они содержат замкнутую кольцевую ДНК. Наконец, и это, пожалуй, является самым важным доказательством, митохондрии реплицируются независимо от хозяйских клеток. В нескольких исследованиях была доказана основополагающая роль этих ранних симбионтов в эволюции сложных форм жизни.