Как растения узнают, который час? – фундаментальные науки

Карлос Такеши Хотта

Выполняя небольшие вычисления, они обеспечивают выживание

*

Растения – очень недооцененные существа. Однако за кажущейся простотой они способны выполнять сложные операции, настолько, что есть те, кто путает это умение с интеллектом. Чтобы остановиться только на одном примере этой сложности, достаточно сказать, что, чтобы не голодать в одночасье, они могут выполнять простые вычисления.

У растений есть «распорядок дня». Как и у других живых существ, у них есть внутренние часы, циркадные часы, которые генерируют суточные ритмы, чтобы синхронизировать их тела с ритмами окружающей среды. Они готовятся собрать солнечный свет перед рассветом; издавать запахи, чтобы привлечь опылителей, когда они наиболее активны; они избегают потери воды днем, когда влажность воздуха ниже, а ночью питаются запасами энергии, произведенными в течение дня.

Рассвет и закат – предсказуемые явления, и овощи это знают. Другими словами: они знают, который час.

В течение дня растения фотосинтезируют и производят углеродные скелеты, необходимые для их выживания, роста и воспроизводства. Одна из создаваемых ими молекул – крахмал, полисахарид, который служит накопителем энергии. Именно этот сахар дает им энергию в ночное время, позволяя им расти и готовиться к новому рассвету.

Динамика крахмала кажется простой: на рассвете он становится дефицитным. С течением времени его количество увеличивается в десять-двадцать раз из-за ассимиляции углерода в процессе фотосинтеза. Ночью количество молекулы линейно уменьшается, пока не достигнет низких начальных уровней. Если по какой-то причине этот полисахарид отсутствует, растение испытывает энергетический стресс и его рост нарушается.

Исследовательская группа под руководством доктора Элисон Смит из Центра Джона Иннеса в Англии провела эксперимент, чтобы лучше понять динамику крахмала. Исследователи перенесли сумерки растений, выращенных в камере для выращивания, на четыре часа вперед и, к своему удивлению, заметили, что они начали использовать молекулу медленнее, чтобы заставить подвой расти до рассвета. Несмотря на резкую ночь, энергетического напряжения не было. На следующий день растения начали быстрее накапливать крахмал, так что за более короткий четырехчасовой день они достигли более высоких уровней резервного полисахарида, чтобы выжить более длительными ночами. Что интересно, мы до сих пор точно не знаем, как они это делают.

Чтобы растения могли нормировать крахмал, им необходимо знать, сколько у них есть, и оценить, сколько времени у них осталось до следующего рассвета, а затем рассчитать скорость использования молекулы. Мы знаем, как оцениваются часы дня: внутренние часы растений имеют ритм, подобный окружающим ритмам света и тьмы. Те же циркадные часы используются для определения сокращения суточного периода, знаменующего зиму, или ее удлинения перед летом.

В своих экспериментах доктор Смит также использовал растения с неисправными циркадными часами. Когда эти часы показывали день меньше 24 часов, то есть это были нажатые часы, резервирование прекращалось до прихода солнца, продлевались как обычные дни, так и ночи. Другими словами: когда меняется восприятие времени растениями, они не могут правильно рационировать молекулу ночью и страдают от энергетического стресса. Растения с поврежденными биологическими часами меньше фотосинтезируют, потребляют больше воды и меньше растут.

Математические модели, разработанные, чтобы попытаться лучше понять, как происходит нормирование крахмала, подчеркивают важность циркадных часов в этом процессе и показывают, что растениям нужны механизмы, чтобы знать, сколько у них этого полисахарида, сколько они потребляют или их уровень энергии. . Мы до сих пор не знаем, как они это делают и как интегрируют эту информацию. Понимание того, как растения управляют своей энергией с течением времени, – один из главных вопросов в этой области. Ответ не только расширяет наши базовые знания об этих сложных организмах, но также может помочь нам сделать их больше и лучше для нашей же пользы.

*

Карлос Хотта изучает биологические часы растений и является доцентом Института химии Университета Сан-Паулу.

Мы знаем, что дети задают самые лучшие вопросы и что наука может дать им правильные ответы. Каждый месяц серия «Детские вопросы, ответы на вопросы науки» предлагает ученым ответить на один из этих фундаментальных вопросов. У вас есть предложенный вопрос или рассказ для блога? Вот как сотрудничать.

Back to top button