Общение растений: как растения научились говорить
Растения имеют не самое удобное положение. Поскольку они не могут просто встать и уйти или начать кричать, когда находятся в опасности. Мы часто считаем, что растения пассивно принимают все, что бросает против них окружающая среда. Как отметила одна группа авторов:
«Растения немы и глухи, а общение между ними противоречит здравому смыслу человека».1
Однако растения далеко не пассивны. На самом деле, они очень активны и общительны. Растительная коммуникация проявляется во многих формах и встречается во многих семьях этой группы живых существ. Но могут ли ученые объяснить, как и почему растения развили эту сложную систему?
Краткий обзор
- Растения, несмотря на неподвижность и безмолвие, свободно общаются с соседними растениями, включая представителей других видов.
- Растения также могут общаться с хищными насекомыми, привлекая их к атаке на травоядных животных, которые угрожают растению.
- Общение происходит с использованием химических веществ, называемых летучими веществами.
- Летучие вещества часто являются реакцией на ту или иную ситуацию, как правило, хищничество.
- У эволюционистов нет хорошего объяснения, почему происходит общение межу растениями, особенно между разными видами.
Связь растений: тот же вид
Общение между растениями впервые продемонстрировали на деревьях в 1983 году, и до сих пор этот процесс окутан тайной.2 Обнаруженные данные указывает на то, что растения общаются несколькими способами. Данная статья будет посвящена наземной связи, но растения также общаются под землей. При общении над землей растения используют специальные химические вещества, называемые летучими веществами. Эти вещества выбрасываются в воздух и принимаются близлежащими растениями. Было идентифицировано более двадцати летучих соединений.3
Было показано, что растения одного вида «помогают» своим ближайшим родственникам. В одном исследовании ученые позволяли вредителю-травоядному свободно питаться только набором лимской фасоли. Затем они проверили близлежащие растения фасоли, которые не были съедены, и обнаружили, что те показали повышенную устойчивость к нападению травоядных.4
Еще одним примером были скрученные сосны, на которые напал травоядный жук. Атакованные сосны посылали изменчивый сигнал монотерпенов так, что соседние сосны были в состоянии подготовиться к нападению.5 Если растения могут общаться, то в эволюционном мировоззрении можно ожидать, что они будут общаться только с представителями своего вида, используя одинаковые химические соединения и рецепторы.
Для креациониста эта связь также имеет смысл, учитывая, что члены одного вида по умолчанию являются членами одного рода.
Общение с хищниками
Другие исследования труднее согласовать с эволюционным мировоззрением. Ученые обнаружили, что выбросы летучих веществ не только влияют на другие растения для защиты травоядных; они также могут привлекать естественных хищников травоядных, чтобы те съедали вредителем. В одном исследовании растения фасоли, зараженные тлей, были посажены в один горшок вместе с образцами без тли. Затем было показано, что незараженные растения выделяют те же соединения, которые делают их привлекательными для паразитической осы. Эта оса в свою очередь охотится на тлю, которой растения заражены.
То же самое происходило, когда неинфицированные образцы выращивались в гидропонном растворе, который ранее содержал зараженные растения.6 Это, по-видимому, указывает на то, что летучие вещества передаются от растения к растению через почву, поскольку передача происходит даже тогда, когда корни не соприкасаются или не делят одновременно один и тот же контейнер.
Растение кресс-салат, распространенный модельный организм в ботанике, выделяет летучие вещества в ответ на хищничество гусениц капустных белых бабочек. Когда гусеницы жуют кресс-салат, растение выпускает летучие вещества, которые привлекают осу-паразита. Осы-паразиты больше реагировали на растения, поврежденные гусеницами, хотя их также привлекали растения, которые были повреждены вручную или действием травоядных.7
Такой результат может свидетельствовать о том, что кресс-салат смог распознать травоядное, которое ему угрожает, и настроить свои летучие вещества, привлекая нужного хищника для борьбы с угрозой.
Еще один очень умный эксперимент был проведен с лимской фасолью, кукурузой и табаком. Вместо того, чтобы предположить, что неинфицированные растения, которые чувствовали летучие вещества, имели лучшую защиту от травоядных животных, эти ученые проверили данную идею, поместив неинфицированные табачные растения в аэродинамическую трубу и поместив растения фасоли против ветра. Затем лимская фасоль была заражена травоядными клещами, а табачные растения удалены.
Далее были введены новые, неинфицированные растения лимской фасоли. Через несколько дней травоядные клещи перешли в неинфицированные растения. Тот же процесс применили к образцам кукурузы, но с использованием другой комбинации травоядных и хищников.
Было обнаружено, что в лабораторной среде с воздушным потоком неинфицированные растения были более устойчивы к своим травоядным животным, в то время как в тепличной среде без воздушного потока не было никакой разницы.8 Это ожидаемо, поскольку растительные летучие вещества переносятся ветром над землей и обычно имеют диапазон в несколько сантиметров даже в самых лучших условиях.
Защита грунтовкой
Исследование, проведенное на обыкновенном сорняке золотарнике, выявило некоторые интересные данные в серии из пяти экспериментов. При воздействии мобильного хищника, такого как жук, которого использовали в исследовании, золотарники смогли выделить летучие вещества как для предупреждения других близлежащих золотарников, так и для поощрения личинок жука к переходу на другое, соседнее растение.9
Золотарники находящиеся в непосредственной близости от поврежденных растений, поврежденные жуками и неповрежденные, проявляли очень схожие реакции, хотя и изменялись со временем. Результат показывает, что летучие вещества не всегда служат простым предупреждением для других растений. Исследователи называют эту подготовительную способность грунтовкой. Грунтовка позволяет растениям реагировать на потенциальную атаку травоядных животных, производя химические вещества, которые делают растения менее привлекательными для травоядного, производя токсины или делая себя непривлекательными.10
Не все грунтовки происходят между представителями одного вида или даже одного рода. Образцы табака продемонстрировали способность получать сигналы от растений полыни, которые предупреждали табак о потенциальном появлении травоядных.11
Хлопковые растения продемонстрировали способность усиливать защитные силы как клевера, так и люцерны. В этом конкретном эксперименте растения хлопчатника, поврежденные червем, испускали летучие вещества, которые предупреждали близлежащий клевер и люцерну о предстоящей опасности как в лабораторных, так и в полевых исследованиях. Однако процесс не происходил в обратном направлении.12
Ни клевер, ни люцерна не защищают хлопок, когда их повреждают травоядные животные. Это означает, что летучие вещества не являются универсальным растительным языком. Некоторые растения могут «понимать» представителей других видов, но не всегда в обратном направлении.
Интересно, что оказывается растения могут запоминать грунтовку, по крайней мере, на короткое время. Тесты на образцах кукурузы с использованием обычного заражающего червя определили, что грунтовка длится минимум пять дней и, возможно, дольше.13 Такие изменения обусловлены эпигенетически.
Поскольку ученые продемонстрировали, что эпигенетические изменения могут передаваться по наследству в течение нескольких поколений, вполне возможно, что эта грунтовка может передаваться семенам, произведенным во время грунтования растения.14 Данная идея была продемонстрирована на примере кресс-салата и помидоров. Было обнаружено, что оба вида способны передавать устойчивость к травоядным, по крайней мере, следующему поколению растений.15
Хотя грунтовка не так уж удивительна как для эволюциониста, так и для креациониста, тот факт, что неродственные виды могут грунтоваться одним и тем же сигналом, вызывает удивление. Нет никакой эволюционной причины, чтобы полынь предупреждала такое «родственно» отдаленное табачное растение. Это не дает никакого эволюционного преимущества. Во всяком случае, полыни было бы выгодно, чтобы травоядные животны нападали на табак вместо других представителей вида полыни.
Таким образом, межвидовая грунтовка не подходит под эволюционную парадигму. Однако если смотреть через призму сотворения, межвидовая грунтовка имеет гораздо больше смысла. В идеальном мире, до грехопадения, травоядные так же питались бы растениями. Но поскольку проклятия еще не было, вполне возможно, что растения были предназначены для сотрудничества друг с другом и обмена информацией о деятельности травоядных через обмен летучими веществами.
Химия растительных коммуникаций
Большинство исследований связи растений были проведены в лабораторных условиях, что привело некоторых исследователей к вопросу о том, может ли связь между растениями или между растениями и насекомыми происходить в природе. В ходе обзора этой темы было высказано предположение о том, что коммуникация между растениями будет такой же «в полевых условиях», но при этом было предостережение против резких заявлений с небольшим количеством имеющихся доказательств.16
С креационной точки зрения ожидается, что растения должны быть способны общаться в естественных и в лабораторных условиях, если Бог встроил в них эту способность.
Ученые проанализировали химический состав летучих веществ некоторых растений и опубликовали собранные данные. Одним из примеров является резуха. Было выявлено более ста летучих соединений.17
Другим примером является полынь, которая, как было установлено, имеет два очень разных «хемотипа» внутри одного и того же вида, которые наследуются.18 Большинство летучих веществ считаются липидофильными, то есть они привлекают природные жири.19 Из-за этого факта, а также потому, что клеточные мембраны состоят из фосфолипидного бислоя, летучие вещества способны быстро улетучиваться из растительных клеток в атмосферу при повреждении растения.20
Однако метод, с помощью которого получающее летучие вещества растение «понимает» их, до сих пор в значительной степени неизвестен.21 Хотя недавно было несколько намеков, что связывание белка участвует в получении летучих веществ.22
Существует четыре распространенных типа химических соединений в летучих веществах растений.23 Первыми являются терпеноидные соединения, которые могут выполнять ряд функций. Было идентифицировано более 22 000 терпеноидов.24 Терпеноиды синтезируются из изопентенил пирофосфата с образованием строительных блоков. Эти строительные блоки служат субстратами для специальных ферментов, называемых ферментами терпен-синтазы, которые затем катализируют производство терпеноидных летучих веществ.25 Одним из примеров терпеноида, участвующего в коммуникации растений, является (Е,Е)-α-фарнезен, который содержится в огурцах.26
Второй класс летучих веществ — производные жирных кислот. В зависимости от используемой жирной кислоты, путь биосинтеза различен. Однако, как правило, он включает в себя окисление жирных кислот, прежде чем они высвобождаются в виде летучих веществ.27 Вероятно, наиболее распространенными производными жирных кислот являются жасмонаты. Было показано, что одно из таких химических веществ, метил-жасмонат, помогает инициировать защиту на нескольких растениях при получении его из воздуха, даже если эти растения не принадлежат к одному виду.28
Третий тип растительных летучих веществ — ароматические соединения. В химии это соединения, которые включают молекулу бензольного кольца (C6H6). В растениях такие соединения часто образуются из аминокислоты L-фенилаланина.29 Ароматические вещества не так распространены, как терпеноиды, но они появляются в растительных летучих веществах с регулярностью. Бензиловый спирт — один из примеров, который был обнаружен в резухе.30
Производные аминокислот представляют собой четвертый тип растительных летучих веществ, исключая вышеупомянутые производные L-фенилаланина. Различные аминокислоты будут расщеплены с образованием разных растительных летучих веществ, а некоторые из них образуют более одного вещества. Например, метионин может быть расщеплен на диметилдисульфид и различные тиоэфиры.31
Происхождение растительных коммуникаций
Объяснение происхождения растительной коммуникации стало проблемой для эволюционистов. Очень немногие статьи пытались обратиться к этой теме. В одной работе, опубликованной в престижном журнале Proceedings of the Royal Society B, утверждалось, что растения лучше реагируют на сигналы близких родственников. Такой ответ соответствует недавним исследованиям на скрученных соснах, упомянутых выше.32
Исследователи утверждают в заключении, что признание родства «делает такую эволюцию более вероятной».33 Однако, хотя распознавание родства может объяснить, почему некоторые растения понимают летучие выбросы своего родственника, оно не объясняет, почему растения вообще производят летучие вещества или почему они могут реагировать на летучие вещества других видов.34
Ученые признают, что растения, которые выпускают вещества, не «знают», что они делают это для родственников, поэтому эволюция не объясняется.35
Неспособность эмпирически объяснить, как и почему растения общаются, оставила многих эволюционистов разочарованными. В одной из статей признавалось:
«В целом, есть под рукой теории, которые могли бы объяснить эволюцию испускаемых по воздуху сигналов, но не хватает эмпирических данных для их проверки. Опытным путем известно, что растения могут воспринимать ЛОС (летучие органические соединения), но нет никаких теоретических моделей, чтобы понять эволюционное происхождение этой способности, и не совсем понятно, как летучие вещества воспринимаются и преобразуются в сигналы».36
Общение растений — это чудо Божьего замысла. В мире до грехопадения растения, возможно, могли свободно обмениваться информацией не ограничиваясь пределами вида, предупреждая своих соседей о приближающемся травоядном животном. Возможно, способность общаться с насекомыми, которые охотятся на травоядных, является адаптацией после грехопадения. Возможно, она проявилась из-за разблокирования генов при грехопадении либо из-за видообразования и генетического дрейфа.
Химическая сложность летучих веществ и тот факт, что мы до сих пор не знаем, как именно растения понимают получаемые ими сигналы, говорят о сложности замысла Бога, встроенного в Его совершенное творение. И большая радость для ученого-креациониста иметь возможность продолжать изучать больше о Творце через сложную работу Его творений.
-
[^1]: Martin Heil and Richard Karban, “Explaining Evolution of Plant Communication by Airborne Signals” Trends in Ecology & Evolution 25, no. 3 (2010): 137–144.
[^2]: Ian T. Baldwin and Jack C. Shultz, “Rapid Changes in Tree Leaf Chemistry Induced by Damage: Evidence for Communication Between Plants” Science 221, no. 4607 (1983): 277–279.
[^3]: Günther Witzany, “The Biosemiotics of Plant Communication” The American Journal of Semiotics 24, no. 1–3 (2008): 39–56.
[^4]: C. Kost and M. Heil, “Herbivore‐induced Plant Volatiles Induce an Indirect Defense in Neighbouring Plants” Journal of Ecology 94, no. 3 (2006): 619–628.
[^5]: Altaf Hussain, Jean C. Rodriguez-Ramos, and Nadir Erbilgin, “Spatial Characteristics of Volatile Communication in lodgepole Pine Trees: Evidence of Kin Recognition and Intra-species Support” Science of the Total Environment 692 (2019): 127–135.
[^6]: Guerrieri, et al., “Plant-To-Plant Communication Mediating In-Flight Orientation of Aphidius ervi” Journal of Chemical Ecology 28, no. 9 (2002): 1703–1715.
[^7]: Remco M. P. Van Poecke, Maarten A. Posthumus, and Marcel Dicke, “Herbivore-Induced Volatile Production by Arabidopsis thaliana Leads to Attraction of the Parasitoid Cotesia rubecula: Chemical, Behavioral, and Gene-Expression Analysis” Journal of Chemical Ecology 27, no. 10 (2001): 1911–1928.
[^8]: Atsushi Muroi et al., “The Composite Effect of Transgenic Plant Volatiles for Acquired Immunity to Herbivory Caused by Inter-Plant Communications” PLOS One (2011).
[^9]: Kimberly Morrell and Andre Kessler, “Plant Communication in a Widespread Goldenrod: Keeping Herbivores on the Move” Functional Ecology 31, no. 5 (2017): 1049–1061.
[^10]: Morrell and Kessler, 2017.
[^11]: Andre Kessler et al., “Priming of Plant Defense Responses in Nature by Airborne Signaling between Artemisia tridentata and Nicotiana attenuate” Oecologia 148, no. 2 (2006): 280–292.
[^12]: Ali Zakir et al., “Herbivore-induced Plant Volatiles Provide Associational Resistance against an Ovipositing Herbivore” Journal of Ecology 101, no.2 (2013): 410–417.
[^13]: Mohamed Ali et al., “Memory of Plant Communications for Priming Anti-herbivore Responses” Nature Communications3 (2013).
[^14]: Rebecca S. Moore, Rachel Kaletsky, and Coleen T. Murphy, “Piwi/PRG-1 Argonaute and TGF-β Mediate Transgenerational Learned Pathogenic Avoidance” Cell 177 (2019): 1827–1841, https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.05.024.
[^15]: Sergio Rasmann et al., “Herbivory in the Previous Generation Primes Plants for Enhanced Insect Resistance” Plant Physiology 158, no. 2 (2012): 854–863.
[^16]: Andrea Clavijo McCormick, “Can Plant-natural Enemy Communication Withstand Disruption by Biotic and Abiotic Factors?” Ecology and Evolution 6, no. 23 (2016): 8569–8582.
[^17]: Jens Rohloff and Atle M. Bones, “Volatile Profiling of Arabidopsis thaliana – Putative Olfactory Compounds in Plant Communication” Phytochemistry 66, no. 16 (2005): 1941–1955.
[^18]: Richard Karban, “Deciphering the Language of Plant Communication: Volatile Chemotypes of Sagebrush” New Phytologist 204 (2016): 380–385.
[^19]: Eran Pichersky, Joseph P. Noel, and Natalia Dudareva, “Biosythesis of Plant Volatiles: Nature’s Diversity and Ingenuity” Science 311, no. 5762 (2006): 808–811.
[^20]: Ian T. Baldwin, “Plant Volatiles” Current Biology 20, no. 9 (2010): R392–R397.
[^21]: Karban et al., 2013.
[^22]: Ayumi Nagashima et al., “Transcriptional Regulators Involved in Responses to Volatile Organic Compounds in Plants” Journal of Biological Chemistry 294 (2019): 2256–2266.
[^23]: Baldwin, 2010.
[^24]: Douglas L. McGarvey and Rodney Croteau, “Terpenoid Metabolism” The Plant Cell 7, no. 7 (1995): 1015–1026.
[^25]: Baldwin, 2010.
[^26]: Asaph Aharoni, Maarten A. Jongsma, and Harro J. Bouwmeester, “Volatile science? Metabolic engineering of terpenoids in plants.” TRENDS in Plant Science 10, no. 12 (2005): 594–602.
[^27]: Baldwin, 2010.
[^28]: Edward E. Farmer and Clarence A. Ryan, “Interplant Communication: Airborne Methyl Jasmonate Induces Synthesis of Proteinase Inhibitors in Plant Leaves” Proceedings of the National Academy of Sciences 87, no. 19 (1990): 7713–7716.
[^29]: Baldwin, 2010.
[^30]: Rohloff and Bones, 2005.
[^31]: Abdul Rashid War et al., “Herbivore Induced Plant Volatiles: Their Role in Plant Defense for Pest Management.” Plant Signaling & Behavior 6, no. 12 (2011): 1973–1978.
[^32]: Hussain et al., 2019.
[^33]: Richard Karban et al., “Kin Recognition Affects Plant Communication and Defence” Proceedings of the Royal Society B280, no. 1756 (2013).
[^34]: Kessler et al., 2016.
[^35]: Karban et al., 2013.
[^36]: Heil and Karban, 2010.
