Сучасні рослини
Категорії / Біологія / Сучасні рослини / Спілкування рослин: як рослини навчилися говорити

Спілкування рослин: як рослини навчилися говорити

Автор:
Джерело: Answers in Genesis

Рослини знаходяться в дещо незручному становищі. Оскільки вони не можуть просто встати й піти або почати кричати, коли знаходяться в небезпеці, ми часто думаємо, що рослини пасивно приймають усе, що кидає проти них навколишнє середовище. Як відзначала одна група авторів: 

«Рослини німі й глухі, а спілкування між ними суперечить людському здоровому глузду».1

Проте рослини далеко не пасивні. Насправді, рослини дуже активні й товариські. Рослинна комунікація проявляється в багатьох формах і зустрічається в багатьох сім’ях цієї форми живих істот. Але чи можуть вчені пояснити, як і чому рослини розвинули таку складну систему зв’язку?

Короткий огляд

  • Хоча рослини не можуть пересуватись і розмовляти, вони вільно спілкуються зі своїми сусідами, включаючи представників інших видів.
  • Рослини також можуть спілкуватися з хижими комахами, спонукаючи їх атакувати травоїдних тварин, які загрожують рослині.
  • Для спілкування використовуються хімічні речовини, які називаються летючими.
  • Летючі речовини часто я реакцією на ту чи іншу ситуацію, як правило, хижацтво.
  • У еволюціоністів немає хорошого пояснення, чому відбувається спілкування між рослинами, особливо між різними видами.

Зв'язок рослин: той самий вид

Хоча вперше спілкування між рослинами було продемонстроване на деревах у 1983 році, ця сфера досі оповита таємницею.2 Виявлені дані показують, що рослини спілкуються кількома способами. Ця стаття буде присвячена наземному зв'язку, але рослини також спілкуються під землею. При спілкуванні над землею рослини використовують спеціальні хімічні речовини, які називаються летючі. Летючі речовини викидаються в повітря й сприймаються сусідніми рослинами. Було ідентифіковано більше двадцяти різних летючих сполук.3

Було показано, що рослини того ж виду «допомагають» своїм найближчим родичам. В одному дослідженні вчені дозволяли травоїдному шкіднику вільно харчуватися тільки набором лімської квасолі. Потім дослідники перевірили прилеглі зразки лімської квасолі, які не були з'їдені, і виявили, що ті показали підвищену стійкість до нападу травоїдних.4 

Ще одним прикладом були скручені сосни, на які напав травоїдний жук. Атаковані сосни посилали мінливий сигнал монотерпенів так, що сусідні сосни були в змозі підготуватися до нападу.5 Якщо рослини можуть спілкуватися, то в еволюційному світогляді можна очікувати, що вони будуть спілкуватися з представниками свого виду, використовуючи ті ж хімічні сполуки й рецептори. 

Для креаціоніста цей зв'язок також має сенс, враховуючи, що члени одного виду за замовчуванням є членами одного роду.

Спілкування з хижаками

Інші дослідження важче узгодити з еволюційним світоглядом. Дослідники виявили, що рослинні летючі викиди не тільки впливають на інші рослини для захисту травоїдних; вони також можуть привабити травоїдних тварин, які харчуються шкідниками. В одному дослідженні зразки квасолі, заражені попелицями, були посаджені в той самий горщик, що й рослини без попелиці. Потім було показано, що незаражені рослини виділяють такі ж самі сполуки — які роблять їх привабливими для паразитичної оси, що полює на попелиць — як і заражені рослини. 

Те саме відбувається, коли неінфіковані рослини вирощувалися в гідропонному розчині, який раніше містив заражені рослини.6 Це, мабуть, вказує на те, що летючі речовини передаються від рослини до рослини через ґрунт, оскільки передача відбувається навіть тоді, коли корені не стикаються чи не ділять одночасно один і той же контейнер.

Зразки крес-салату, який є поширеним модельним організмом у ботаніці, виділяють летючі речовини у відповідь на гусінь капустяних білих метеликів. Коли гусениці жують крес-салат, рослина випускає летючі речовини, які приваблюють осу-паразита. Оси-паразити більше реагували на пошкоджені гусінню зразки, хоча їх також приваблювали рослини, які були пошкоджені вручну, а також дією травоїдних тварин.7 

Такий результат може свідчити, що крес-салат зміг розпізнати травоїдну тварину, що живиться ним, і налаштувати летючі речовини так, щоб привабити потрібного хижака для боротьби з травоїдним.

Ще один дуже розумний експеримент був проведений з лімською квасолею, кукурудзою й тютюном. Замість того, щоб припустити, що неінфіковані рослини, які відчували летючі речовини, мали кращий захист від травоїдних тварин, дослідники перевірили цю ідею, помістивши неінфіковані тютюнові рослини в аеродинамічну трубу та поставивши зразки квасолі проти вітру. Потім лімська квасоля була заражена травоїдними кліщами, а тютюнові рослини видалені. 

Далі були введені нові неінфіковані рослини лімської квасолі. Через кілька днів травоїдні кліщі були потрапили в неінфіковані рослини. Той же процес був застосований до зразків кукурудзи, за винятком різниці у комбінації травоїдних і хижаків. 

Було виявлено, що в лабораторному середовищі з повітряним потоком неінфіковані рослини були більш стійкі до відповідних травоїдних тварин, у той час як в тепличному середовищі без повітряного потоку не було ніякої різниці.8 Це очікувано, оскільки рослинні летючі речовини переносяться вітром над землею й зазвичай мають діапазон у кілька сантиметрів навіть у найкращих умовах.

Підготовка захисту

Дослідження, проведене на звичайному бур'яні золотушнику, виявило деякі цікаві дані в серії з п'яти експериментів. У випадку впливу мобільного хижака, такого як жук, що використовувався в дослідженні, золотушники змогли збільшити свою летючу продукцію як для попередження інших прилеглих золотушників, так і для заохочення личинки жука до переходу на іншу, сусідню рослину.9 

Золотушники, які знаходились в безпосередній близькості від пошкоджених рослин, пошкоджені комахами й неушкоджені, реагували дуже схожим чином, хоча й змінювалися з часом. Результат показує, що летючі речовини не завжди є просто попередженням для інших рослин. Дослідники називають цю підготовчу здатність ґрунтуванням. Ґрунтування дозволяє рослинам реагувати на потенційну атаку травоїдних, виробляючи хімічні речовини, які роблять їх менш привабливими для сусіднього травоїдного шляхом виробництва токсинів, або роблячи себе непривабливими.10

Не все ґрунтування відбувається між представниками одного виду чи навіть одного роду. Тютюнові рослини продемонстрували здатність отримувати сигнали від рослин полину, які готують тютюн до потенційної появи травоїдних.11 

Бавовняні рослини продемонстрували здатність посилювати захисні сили як конюшини, так і люцерни. В цьому конкретному експерименті рослини бавовнику, пошкоджені хробаком, випускали летючі речовини, які попереджали довколишню конюшину і люцерну про майбутню небезпеку як у лабораторних, так і в польових дослідженнях. Проте зворотний процес не відбувався.12 

Ні конюшина, ні люцерна не захищають бавовну, коли вони пошкоджені травоїдними тваринами. Це означає, що летючі речовини не є універсальною рослинною мовою. Деякі рослини можуть «розуміти» представників інших видів, але у звортоньому напрямку це не завжди відбувається.

Цікаво, але виявляється, що рослина може запам'ятати ґрунтування, принаймні, на короткий час. Тести на зразках кукурудзи з використанням звичайного хробака визначили, що ґрунтування триває мінімум п'ять днів, а можливо, і довше.13 Ці зміни опосередковані эпігенетично. 

Оскільки дослідники продемонстрували, що епігенетичні зміни можуть передаватися в спадщину протягом кількох поколінь, цілком можливо, що ґрунтування може бути передане насінню, що утворилось під час дії летючих речовин на рослину.14 Ця ідея була продемонстрована на прикладі крес-салату та помідорів. Було виявлено, що обидва види здатні передавати стійкість до травоїдних, принаймні, в наступне покоління.15

Хоча ґрунтування не така вже дивна річ ні для еволюціоніста, ні для креаціоніста, той факт, що неспоріднені види можуть ґрунтуватись однаковим сигналом, який ґрунтує членів одного й того ж виду, викликає подив. Немає ніякої еволюційної причини для полину захищати такий «родинно» віддалений тютюн. Це не дає ніякої еволюційної переваги. Принаймні, полину було б вигідно, щоб тютюн не мав захисту і був об’єктом нападу травоїдних замість інших членів виду полину. 

Таким чином, міжвидового ґрунтування не повинно бути в еволюційній парадигмі. Проте якщо дивитися через призму створення, міжвидове ґрунтування має набагато більше сенсу. В ідеальному світі, до гріхопадіння, травоїдні їли всіх рослин. Але оскільки прокляття ще не було, цілком можливо, що рослини були призначені для співпраці одна з одною та обміну інформацією про діяльність травоїдних через летючі речовини.

Хімія рослинних комунікацій

Більшість досліджень зв'язку між рослинами були проведені в лабораторних умовах, що викликало у деяких вчених питання про те, чи може зв'язок між рослинами або між рослинами й комахами відбуватися в природі. В ході огляду цієї теми було висловлено припущення, що комунікація між рослинами буде такою ж «в польових умовах», але при цьому було застереження проти різких заяв з невеликою кількістю наявних доказів.16 

З креаційної точки зору очікується, що рослини повинні мати здатність спілкуватися в природних умовах, як і в лабораторних, якщо Бог вбудував у них цю здатність.

Для деяких рослин був проаналізований і опублікований весь хімічний набір їхніх летючих речовин. Одним з таких прикладів є резуха. Було виявлено більше ста таких сполук.17 

Іншим прикладом є полин, який, як було встановлено, має два дуже різних «хемотипа» всередині одного й того ж виду, які були вспадковані.18 Більшість летючих речовин вважають ліпідофільними, тобто такими, що приваблюють природні жири.19 Через цей факт, а також тому, що клітинні мембрани складаються з фосфоліпідного бішару, летючі речовини здатні швидко випаровуватися з рослинних клітин в атмосферу при пошкодженні рослини.20 

Проте метод, за допомогою якого рослина, яка отримує летючі речовини, «розуміє» їх, до цього часу в значній мірі невідомий.21 Але було кілька недавніх натяків, що зв'язування білка бере участь в розумінні летючих речовин.22

Існує чотири поширених типи хімічних сполук у рослинній комунікації.23 Першими є терпеноїдні сполуки, які можуть виконувати ряд функцій. Було ідентифіковано понад 22 000 терпеноїдів.24 Терпеноїди синтезуються з ізопентенілу пірофосфату, утворюючи будівельні блоки. Далі ці блоки служать субстратами для спеціальних ферментів, які називаються ферменти терпен-синтази і які потім каталізують виробництво терпеноїдних летючих речовин.25 Одним з прикладів терпеноїда, який бере участь у комунікації рослин, є (Е,Е)-α-фарнезен, який міститься в огірках.26

Другий клас летючих речовин — похідні жирні кислоти. Залежно від включеної жирної кислоти, шлях біосинтезу різний. Проте, як правило, він включає в себе окиснення жирних кислот, перш ніж вони вивільняються у вигляді летючих речовин.27 Імовірно, найбільш поширеними похідними жирних кислот є жасмонати. Було показано, що одна з таких хімічних речовин, метил-жасмонат, допомагає ініціювати захист рослин на декількох рослинах при отриманні їх з повітря, навіть якщо ці рослини не є тим самим видом.28

Третій тип летючих речовин — ароматичні сполуки. У хімії це сполуки, які містять молекулу бензольного кільця (C6H6). В рослинах такі сполуки часто отримують з амінокислоти L-фенілаланіну.29 Ароматичні речовини не такі поширені, як терпеноїди, але вони з'являються в рослинних летючих речовинах з регулярністю. Бензиловий спирт — один із прикладів, який був знайдений у резухи.30

Похідні амінокислоти являють собою четвертий тип летючих речовин, крім похідних L-фенілаланіну, розглянутих вище. Різні амінокислоти розщеплені з утворенням різних рослинних летючих речовин, а деякі з них утворюють більше однієї сполуки. Наприклад, метіонін може бути розщеплений на диметилдисульфід і різні тіоефіри.31

Походження рослинних комунікацій

Пояснення походження рослинної комунікації стало проблемою для еволюціоністів. Дуже небагато статей намагалися звернутися до цієї теми. В одній статті, опублікованій у престижному журналі Proceedings of the Royal Society B, стверджувалося, що рослини краще реагують на сигнали близьких родичів. Ця відповідь відповідає недавнім дослідженням на скручених соснах, які згадувалися вище.32 

Вчені стверджують у своєму висновку, що визнання спорідненості «робить таку еволюцію більш імовірною».33 Проте хоча розпізнавання споріднення може пояснити, чому деякі рослини розуміють летючі викиди своїх родичів, воно не пояснює, чому рослини виробляють летючі речовини або чому вони можуть реагувати на летючі речовини різних видів.34 

Дослідники визнають, що рослини, які виділяють летючі речовини, не «знають», що вони випускають ці сполуки для родичів, тому еволюція не пояснюється.35

Нездатність емпірично обґрунтувати, як і чому рослини спілкуються, залишила багатьох еволюціоністів розчарованими. В одній із статей визнавалося: 

«В цілому, є під рукою теорії, які могли б пояснити еволюцію сигналів, що випускаються в повітря, але не вистачає емпіричних даних для їхньої перевірки. З досвіду відомо, що рослини можуть сприймати ЛОС (летючі органічні сполуки), але немає ніяких теоретичних моделей, щоб зрозуміти еволюційне походження цієї здатності, і не зовсім зрозуміло, як летючі речовини сприймаються й перетворюються в сигнали».36

Спілкування рослин — це чудо Божого задуму. У світі до гріхопадіння рослини, можливо, могли вільно обмінюватися інформацією, не обмежуючись межами виду, попереджуючи своїх сусідів про наближення травоїдної тварини. Можливо, здатність спілкуватися з комахами, які полюють на травоїдних, є адаптацією після гріхопадіння або через розблокування генів при гріхопадінні чи через видоутворення та генетичний дрейф. 

Хімічна складність летючих речовин і той факт, що ми досі не знаємо, як саме рослини розуміють одержані ними сигнали, говорять про складність задуму Бога, вбудованого в Його досконале творіння. І для вченого-креаціоніста велика радість мати можливість продовжувати вивчати більше про Творця через складну роботу Його творінь.

Вас також може зацікавити:

Посилання:

  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.