Сетивата на растенията - какво и как виждат

Това е превод на глави от книгата Какво знае едно растение от Даниел Шамовиц, който ще ни помогне да разберем по-добре растенията. „Оказва се, че до нас, под носа ни, има свят, за който никой, дори и най-изобретателният, не се е сетил.

Това е превод на глави от книгата Какво знае едно растение от Даниел Шамовиц, който ще ни помогне да разберем по-добре растенията.

„Оказва се, че до нас, под носа ни, има свят, за който никой, дори и най-изобретателният писател на научна фантастика, не се е сетил. Светът на безсмъртните същества, които се движат без мускули, "ядат" слънчева светлина, не мислят с мозъка, "нервни" без нервна система и дори цялото тяло на което е на различна възраст.

Цимбал В.А. растения. Един паралелен свят

Само си представете: растенията могат да ви видят! Растенията виждат кога се приближавате до тях, те знаят кога стоите над тях. Те дори знаят дали носиш синя или червена риза. Те познават цветовете на къщата ви или разбират, че саксията им може да се мести от едно място в стаята на друго. Разбира се, те виждат по различен начин от нас. Растенията не различават плешив мъж на средна възраст с очила от момиче с кестеняви къдрици. Но те виждат света по много различни начини от нас. Растенията виждат ултравиолетова светлина, която ни дава тен, и инфрачервена светлина, която усещаме като топлина. Растенията осъзнават светлината около себе си - независимо дали е светлината на свещите или обедното слънце. Растенията знаят къде е източникът на светлина - отляво, отдясно или отгоре. Те разбират, че друго растение, растящо по-високо, е блокирало светлината им. Може ли това да се счита за "видение"?

Речникът на Merriam-Webster определя „зрението“ като „физическо усещане, при което светлинните стимули, получени от рецепторите на окото, се интерпретират от мозъка и се формират в представяне на позициятаформа, яркост и цвят на обектите в пространството. Виждаме светлината от така наречения "видим спектър". Светлината е разбираем синоним на електромагнитните вълни във видимия спектър. Тези. светлината има свойства, общи за други видове електрически сигнали, като микро и радиовълни. Радиовълните за AM радиото са много дълги, дълги почти половин миля. Докато рентгеновите вълни са много къси, трилион пъти по-малки от радиовълните, поради което преминават толкова лесно през тялото ни. Светлинните вълни са някъде по средата: между 0,0000004 и 0,0000007 м. Синята светлина е най-късата, докато червената е най-дългата, зелената, жълтата и оранжевата са в средата (мислете за дъга). Ние виждаме тези електромагнитни вълни, защото очите ни имат специални протеини, наречени фоторецептори, които знаят как да възприемат тази енергия, да я абсорбират, по подобен начин антената улавя радиовълни. Ретината на окото ни е покрита с редици от тези рецептори, подобно на редиците от светодиоди (LED) на телевизори с плосък екран или сензори в цифрови фотоапарати. Всяка точка на ретината има пръчковидни фоторецептори, които са чувствителни към светлина, и конуси, които реагират на цвят. Човешката ретина съдържа около 125 милиона пръчици и 6 милиона колбички в област, подобна по размер на паспортна снимка. Това е еквивалентно на 130-мегапикселова цифрова камера. Такъв огромен брой фоторецептори в такава малка площ ни дава висока яснота на изображението. Пръчките, които са чувствителни към светлина, ни позволяват да виждаме през нощта при условия на слаба светлина. Конусите ни позволяват да виждаме различни цветове при ярка светлина, а освен това биват три вида, различаващи се по възприеманата светлина - червена, зелена и синя. Основната разлика между тези фоторецептори е химикалътвеществата, които съдържат. Тези вещества се наричат родопсини (в пръчици) и фотопсини (в колбички) и имат специфична структура, която им позволява да абсорбират светлина с различна дължина на вълната. Синята светлина се абсорбира от родопсин и син фотопсин, червената светлина се абсорбира от родопсин и червен фотопсин. Виолетовата светлина се абсорбира от родопсин, син фотопсин, червен фотопсин, но не и зелена и т.н. Веднага щом пръчиците или колбичките поемат светлина, те изпращат сигнал до мозъка, който обработва всички сигнали от милиони фоторецептори в една цялостна картина. Какво тогава се случва в растенията?

Дарвин ботаникът

Не всеки знае, че Дарвин, в допълнение към работата си върху еволюцията на животните, също е провел серия от експерименти, които все още оказват влияние върху изследванията на растенията и до днес. Дарвин беше очарован от ефекта, който светлината имаше върху растежа на растенията, както и неговият син Франсис. В последната си книга „Силата на движението при растенията“ Дарвин пише: „Има много малко растения, които... не се накланят към светлината“. Ние сами можем да видим как това се случва със стайни растения или лук, които се обръщат към слънчевите лъчи от прозореца. Това поведение се нарича фототропизъм. През 1864 г. съвременникът на Дарвин, Юлиус фон Сакс, открива, че синята светлина е основната светлина, която причинява фототропизъм в растенията, докато растенията обикновено са слепи за други цветя и не се огъват или обръщат в тяхната посока. Но никой не знаеше по това време как и как растенията виждат светлина.

В един много прост експеримент Дарвин и неговият син показаха, че тези движения не се дължат на фотосинтезата, процесът, чрез който растенията преобразуват светлината в енергия, а по-скоро се дължат на вродена чувствителност да се движат към светлината. В своя експеримент Дарвин засадил растение канарче в саксия и го поставил вътренапълно тъмна стая за няколко дни. След това те запалиха много малък газов фенер на 3,5 метра от саксията толкова слабо, че „не можаха да видят самите растения или линията с молив върху хартията“. Още след 3 часа растенията бяха наведени към източника на светлина. Извивката беше винаги в една и съща част на младото растение - около 2 см под върха. Това ги накарало да помислят коя част от растението вижда светлината. Те предполагат, че "очите" на растението са разположени на върха на растението, а не в частта, която се извива. Те тестваха фототропизма в пет различни разсада:

Първият разсад беше непокътнат и показва как се проявява фототропизмът.
Горният връх на второто растение беше отрязан.
Третият връх беше покрит с непрозрачен капак.
Четвъртият беше покрит с прозрачна капачка.
При петата средната част беше покрита с непрозрачна тръба.

Maryland Mammoth: Тютюнът, който продължава да расте

Няколко десетилетия по-късно в долината на южен Мериленд възниква интересен феномен при тютюна. Тези долини са били дом на някои от най-големите тютюневи ферми в Америка, откакто първите заселници са пристигнали от Европа в края на 17 век. Тютюнопроизводителите, учейки се от местните племена (като Susquehannock), които отглеждат тютюн от векове, го засаждат през пролетта и го събират в края на лятото. Някои растения бяха оставени да произведат семена за следващия сезон. През 1906 г. фермерите започват да забелязват нов вариант на тютюна, който изглежда никога не спира да расте. Можеше да достигне 4 м дължина, произвеждайки почти сто листа и спираше да расте, когато настъпи слана. Изглежда, че такива постоянно растящи растения биха били благодат за тютюнопроизводителите. Но,както често се случва, новата разновидност, наречена мамут от Мериленд, изглеждаше като двуликия римски бог Янус. От една страна, тя никога не спираше да расте, а от друга страна, тези растения рядко цъфтяха, поради което фермерите не можеха да събират семена за следващия сезон.

През 1918 г. учените от Министерството на земеделието на САЩ Уигтман У. Гарнър и Хари А. Алард се заемат да определят защо мамутът от Мериленд не знае кога да спре да расте и да започне да цъфти и да произвежда семена. Те засадиха този тютюн в саксии и оставиха няколко растения на полето. Друга група растения се държат на открито през деня и се преместват ежедневно в тъмна плевня през нощта. Простото ограничаване на количеството светлина беше достатъчно, за да накара мамута от Мериленд да спре да расте и да започне да цъфти. С други думи, ако този тютюн попадне в условията на дълги летни дни, той продължи да расте, но ако изкуствено създаде условия за кратък ден за него, тогава той започна да цъфти.

Това явление - фотопериодизъм - ни даде първото доказателство, че растенията могат да "измерят" колко светлина получават. Други дългосрочни експерименти показват, че много растения, като тези мамути, цъфтят само когато дневната светлина е кратка, те се наричат „растения с къс ден“. Те включват например хризантеми и соя. Други растения изискват дълги дневни часове, за да цъфтят, като ириси и ечемик, които се считат за растения с дълъг ден. Това откритие позволи на фермерите да контролират цъфтежа чрез промяна на времето, през което растението получава светлина.

Какво се случва през късата дневна светлина?

Концепцията за фотопериодизма предизвика вълна от активност сред учените, които повдигнаха нови въпроси: Растенията измерват ли продължителността на деня или нощта? И какъв цвят светлина виждат?

По време на Втората световна война учените открили, че могат да повлияят на растенията да цъфтят просто като включат светлините посред нощ. Те биха могли да вземат растение с къс ден като соята и да го предпазят от цъфтеж през късите светли часове на деня, като включат осветлението само за няколко минути посред нощ. От друга страна, учените могат да накарат растение с дълъг ден, като ириса, дори в средата на зимата (когато денят е къс и тези растения обикновено не цъфтят) да цъфти, като включат осветлението през нощта. Тези експерименти показват, че растенията не измерват продължителността на деня, а продължителността на периода на тъмнина.

Използвайки това знание, фермерите могат да предотвратят цъфтежа на хризантемите до Деня на майката (втората събота на май), за да увеличат максимално своите печалби. Така че, отглеждайки хризантеми в оранжерии, те включват светлината посред нощ през есента и зимата и спират да правят това две седмици преди празника. Тогава... бум... всички растения започват да цъфтят веднага.

Други учени се чудеха по какъв цвят светлина се ориентират растенията? Това, което откриха, беше невероятно: растенията, независимо от всичко, реагираха само на проблясък на червена светлина през нощта. Сини, зелени светкавици не повлияха на цъфтежа на растенията, но само няколко секунди червено - и чудо! По този начин можем да кажем, че растенията разграничават цветовете: те използват синьо, за да знаят в коя посока да се наклонят, и червено, за да измерят продължителността на нощта.

След това, в началото на 50-те години на миналия век, Хари Бортуик и колеги от тяхната лаборатория на Министерството на земеделието (където за първи път е изследван мамутът от Мериленд) направиха друго удивително откритие: далечната червена светлина – т.е. червена светлина с малко по-голяма дължина на вълната (от ярко червената) и едва видима по здрач може да отмени ефекта на червената светлина върху растенията. Тези. ако вземете ириси,които обикновено не цъфтят през дългите нощи, дайте им червена светлина посред нощ и те ще цъфтят. Но ако ги осветите с далечна червена светлина веднага след изблик на ярко червено, те няма да цъфтят. Ако след това отново светите ярко червено, ще има цъфтеж. И така нататък. Това не изисква много светлина, достатъчни са само няколко секунди. Това е като превключвател: ярко червеното активира цъфтежа, а далечното червено го изключва. Ако превключите бързо светлината, нищо няма да се случи. В резултат на това растенията помнят последната светлина, която са видели.

Уорън Л. Бътлър и колеги са показали, че един фоторецептор в растенията възприема и двете червени светлина. Нарекли го "фитохром". В опростена форма, фитохромът е този превключвател. Ярката червена светлина активира фитохрома, докато далечната светлина го инактивира. От екологична гледна точка това е от голямо значение. В природата последната светлина, която растението вижда, е червена, което дава на растението команда „изключено“. На сутринта също виждат червена светлина и се събуждат. По този начин растението измерва преди колко време за последен път е видяло червена светлина и съответно коригира растежа си.

Коя част от растението вижда червена светлина, за да регулира цъфтежа? От изследванията на Дарвин за фототропизма знаем, че "очите" на растенията са разположени на върха му, докато реакцията на светлина се случва в стъблото. Може да се предположи, че "очите" за фотопериодизма са на същото място. Обаче не е така. Ако осветявате различни части на растението през нощта с червена светлина, ще откриете, че е достатъчно да осветите всяко едно листо, за да регулирате цъфтежа на цялото растение. От друга страна, ако отрежете всички листа на растението, оставяйки само стъблото и върха, растението ще "ослепее", дори ако е напълно осветено. По този начин, фитохромразположен в листата, получава светлинни сигнали и инициира мобилен сигнал, който се разпространява в цялото растение и предизвиква цъфтеж.