МОСКВА, 5 авг - РИА Новости. Подсолнухи обладают удивительным умением постоянно "смотреть" на Солнце благодаря мутации, поменявшей работу их "внутренних часов" таким образом, что они крайне необычно дирижируют ростом его клеток, заставляя соцветие вращаться с востока на запад в светлое время суток, говорится в статье, опубликованной в журнале Science .

"То, что растение имеет представление о том, когда и откуда взойдет Солнце, заставило меня предположить, что существует связь между "биочасами" и той цепочкой белков и генов, которые управляют ростом подсолнухов. Помимо того, что так цветок получает больше света, он еще и больше привлекает пчел, так как они любят теплые поверхности", — заявила Стэйси Хармер (Stacey Harmer) из университета Калифорнии в Дэвисе (США).

Опираясь на это предположение, Хармер и ее коллеги раскрыли одну из самых старых и интересных загадок ботаники, изучая работу так называемых циркадных ритмов, управляющих всеми процессами внутри клеток растений и животных в зависимости от времени суток, и их влияния на работу оксина - белка-стимулятора роста.

Для этого авторы статьи вырастили несколько подсолнухов, часть из которых высадили в лаборатории, где постоянно был включен свет, а другие - на обычном поле. Часть растений ученые закрепили в кадках таким образом, что они не могли поворачиваться за Солнцем, что позволило им оценить последствия отказа от подобного эволюционного приспособления.

В раскрытии принципов этого движения им помог остроумный прием, придуманный одним из авторов статьи - биологи взяли маркер и нанесли на стебель подсолнуха несколько точек, за которыми они следили при помощи видеокамеры. Если расстояние между ними менялось, это означало, что стебель цветка рос там, где были нарисованы эти точки.

Как показали наблюдения, "мотором" в движении цветка были внутренние часы растения - набор светочувствительных белков и "подключенных" к ним генов, управляющих различными жизненными процессами, связанными с наступлением дня, ночи, утра и вечера.

Если длительность дня менялась искусственным образом, то подсолнухи теряли способность ориентироваться на Солнце, даже если искусственный источник света двигался по "небосводу" так же, как и реальное светило. Это сразу же негативно сказывалось на скорости роста цветка, наборе биомассы и развитии семечек.

Фломастерные "точки" рассказали о том, как именно это происходит - оказалось, что эти часы влияют на движение цветка двумя путями: контролируя скорость роста и заставляя одну сторону стебля расти быстрее, чем другую. Благодаря этому, подсолнечник постепенно поворачивается в светлое время суток, следуя за Солнцем.

У такой черты подсолнуха может быть один неожиданный эволюционный плюс - как выяснили Хармер и ее коллеги, пчелам нравятся теплые цветы, особенно в утреннее время, и поворот в сторону Солнца помогает цветку быстрее прогреваться и привлекать больше опылителей.

Давным-давно люди заметили, что молодые цветы подсолнуха в течение дня поворачиваются вслед за солнцем, а ночью возвращаются на исходную позицию, чтобы утром снова встретить его на востоке. Но до сих пор учёные не могли раскрыть эту загадку: что заставляет растения совершать свой ежедневный ритуал и почему со временем "поклонение" светилу прекращается?

В поисках ответа Стейси Хармер (Stacey Harmer) из Калифорнийского университета в Дэвисе и её коллеги провели серию экспериментов.

На первом этапе подсолнухам, росшим в естественной среде, изменили условия. Одну группу учёные "обездвижили", чтобы растения вообще не могли поворачиваться, а другую зафиксировали таким образом, чтобы подсолнухи на восходе оказались повёрнуты на запад. Когда цветы подросли, оказалось, что листья в обеих группах были на 10% меньше, чем у "свободных" растений. Это подтвердило догадку о том, что наблюдение за солнцем необходимо подсолнухам для более эффективного роста.

Затем учёные решили проверить, чем обусловлены ритмичные "танцы" подсолнухов - внутренними часами или условиями окружающей среды.

Они перенесли растения, росшие на улице, в помещение с постоянным верхним освещением и обнаружили, что подсолнухи на протяжении нескольких дней продолжали поворачиваться из стороны в сторону точно так, как делали раньше.

Затем учёные поместили растения в специальную комнату с вереницей ламп, которые включались по очереди, имитируя движение солнца. Когда исследователи запрограммировали искусственное освещение на тридцатичасовой цикл смены "дня" и "ночи", растения поворачивались из стороны в сторону без регулярного расписания. Но когда световой режим снова стал нормальным, подсолнухи строго следовали за искусственным "солнцем", показывая, что внутренние циркадные ритмы играют важную роль в движении цветка.

Но больше всего биологов интересовал вопрос, почему после цветения подсолнухи перестают поворачиваться из стороны в строну и замирают, "глядя" в сторону восхода. Тогда команда Хармер повернула часть растений на запад, а потом подсчитала количество пчёл и других опылителей, которые садились на цветки, обращённые к разным сторонам света.

Оказалось, что в утренние часы насекомые в пять раз чаще посещали цветки, обращённые на восток, чем повёрнутые в противоположном направлении.

"Вы можете убедиться, что пчёлы просто сходят с ума по цветкам, смотрящим на восток, и практически не обращают внимания на растения, повёрнутые на запад", - отмечает Стейси Хармер.

Предыдущие исследования показали, что опылители предпочитают более тёплые цветы, поэтому подсолнухи, получившие большую дозу первых утренних лучей, оказываются более популярными.

"Я постоянно удивлялась, как сложно устроены растения,- продолжает Хармер. - Они действительно мастерски приспосабливаются к условиям окружающей среды".

Результаты исследования , опубликованные в издании Science, поднимают более сложные вопросы. Например, как растения определяют время и как они находят правильное направление, когда в темноте поворачиваются туда, где взойдёт солнце?

Но, по мнению специалистов, сам факт того, что подсолнухи обладают внутренними часами и руководствуются собственными ритмами, является "Священным Граалем" в изучении их сложного поведения. И, как подчёркивается в пресс-релизе университета, это первый пример временной синхронизации у растений, обитающих в естественной среде, которая оказывает прямое влияние на эффективность роста.

Hagop Atamian / U.C. Davis

Американские ученые выяснили, какие механизмы отвечают за ориентацию масличного подсолнечника (Helianthus annuus ) на Солнце и какое эволюционное значение это имеет. Оказалось, что способность поворачиваться под действием солнечного света (гелиотропизм) связана с согласованной работой светочувствительных механизмов и циркадианных ритмов растения. Результаты работы опубликованы в журнале Science .

Молодые подсолнечники в течение светового дня поворачиваются вслед за Солнцем с востока на запад, а ночью - обратно, чтобы с утра снова встречать солнечный свет. Расцветшие растения прекращают это движение и всегда обращены на восток. Чтобы понять, за счет чего это происходит, сотрудники Университетов Калифорнии и Виргинии провели ряд экспериментов в поле и закрытом помещении.

На первом этапе работы они искусственно фиксировали часть подопытных подсолнечников, не давая им следовать за Солнцем. Общая биомасса и площадь листьев таких растений оказалась в среднем на 10 процентов меньше, чем у росших без ограничений. Таким образом, поворот за Солнцем необходим молодым растениям для более интенсивного роста.

Обратный поворот на восток в течение ночи указывает на то, что в этом процессе задействованы механизмы регуляции циркадных ритмов. Ученые подтвердили это, внося подсолнечники с поля в помещение с постоянным освещением (растения еще несколько суток продолжали вращение) и навязывая им искусственный 30-часовой цикл освещения (ритм поворотов растений сбивался, возвращаясь к норме при 24-часовом цикле).

У подсолнечника нет листовых подушечек - специальных двигательных органов, которые обеспечивают гелиотропизм у некоторых видов растений. Учитывая то, что амплитуда движений подсолнечника убывает по мере роста вплоть до полного отсутствия у зрелых растений, ученые предположили, что повороты подсолнечника за Солнцем обеспечивает неравномерное удлинение стебля в течение суток. Эксперименты с растениями, лишенными гормона роста гиббереллина, а также изучение активности генов в западной и восточной сторонах стебля подтвердило эту гипотезу. Причем оказалось, что рост западной стороны стебля, более интенсивный ночью, происходит «по умолчанию», а необходимый днем рост восточной - регулируется светочувствительными механизмами (в частности перераспределением гормона ауксина под действием фототропинов).

Изменения температуры цветка в течение суток

Evan Brown / University of Virginia

Когда подсолнечник прекращает расти и зацветает, циркадианные и светочувствительные механизмы утрачивают свое значение, оставляя растение ориентированным на восток. Разворачивая часть подопытных подсолнечников к западу, ученые убедились, что такими растениями, в отличие от повернутых на восток, практически не интересуются насекомые-опылители. Круглосуточная регистрация температуры показала, что ориентированные на восток цветы значительно лучше и быстрее прогреваются, привлекая насекомых. Когда повернутые к западу цветы нагревали искусственно, интерес опылителей к ним возвращался.

Таким образом, повороты молодых подсолнечников за Солнцем обеспечены совместной работой циркадианных и светочувствительных механизмов, они служат для интенсивного набора биомассы. Ориентация взрослых растений на восток необходима для их прогревания, которое привлекает насекомых-опылителей.

August 5th, 2016 , 05:59 pm

Уже давно люди заметили, что молодые цветы подсолнуха в течение дня поворачиваются вслед за Солнцем, а ночью возвращаются на исходную позицию, чтобы утром снова встретить его на востоке. Что же заставляет растения совершать свой ежедневный ритуал и почему со временем «поклонение» светилу прекращается и зрелые цветки подсолнуха не поворачиваются за Солнцем, а остаются направленными только на восток.

В поисках ответа Стейси Хармер из Калифорнийского университета в Дэвисе и ее коллеги провели серию экспериментов, которые подтвердили догадку о том, что наблюдение за Солнцем необходимо подсолнухам для более эффективного роста. Ученые фиксировали растения, не давая им повернуться, или, наоборот, вращали горшки, нарушая естественный ход движений. И в том, и в другом случае листья растений оказывались примерно на 10% меньше, чем у соседей, которые спокойно поворачивались за Солнцем.

Кроме того, специалисты ставили на стебле несколько точек маркером, чтобы изучить, как движется подсолнух за Солнцем. За точками ученые следили с помощью видеокамеры. Если расстояние между ними менялось, это означало, что стебель цветка рос там, где были нарисованы эти точки.
Когда днем растения поворачивались вслед за Солнцем, восточная сторона стебля росла более быстрыми темпами, чем западная, в результате сам цветок поворачивался к Солнцу. А в ночное время западная сторона росла быстрее, и стебель поворачивался в другую сторону.

Движение растения осуществляется при помощи специальных моторных клеток, участвующих в механизме роста и находящихся в гибком основании цветка. Выяснилось, что это движение зависело от внутренних часов растения – циркадных ритмов, которые управляют различными жизненными процессами, связанными с наступлением дня, ночи, утра и вечера. «Часы» контролируют скорость роста и заставляют одну сторону стебля расти быстрее, чем другую. Благодаря этому подсолнечник постепенно поворачивается вслед за Солнцем.

По мере того как подсолнечник созревает и цветок раскрывается, общий рост замедляется и растения прекращают движение в течение дня, оставаясь ориентированными на восток. Дело в том, что растение реагирует сильнее на солнечный свет рано утром, чем во второй половине дня, поэтому оно постепенно прекращает движение к западу в течение дня.

Серия экспериментов показала: движение подсолнечника соответствует 24-часовому циркадному ритму. Ученые попытались «обмануть» растения, искусственно поменяв длительность движения источника освещения до 30 часов. Однако в этом случае подсолнухи двигались неравномерно, что отразилось на их росте, наборе биомассы и урожайности

Известно, что соцветия подсолнечника поворачиваются вслед за солнцем в течение дня, а ночью снова меняют свое положение, чтобы с рассветом «смотреть» на восток. После того как подсолнухи отцветают, они прекращают поворачиваться в сторону солнца.

Ученые объясняют, что движение соцветия подсолнечника возникает из-за неравномерного роста растения. Одна сторона стебля растет быстрее другой, в результате чего соцветие поворачивается.

В другом эксперименте ученые искусственно ограничивали движение растений. Они привязали некоторые соцветия, чтобы те не могли вращаться, либо разворачивали горшки так, чтобы утром растения не были обращены к солнцу. Выяснилось, что листья обеих групп подсолнечника были на 10% меньше, чем у растений, следовавших за солнцем.

Помимо накопления большей биомассы, подсолнухи приобрели еще одно преимущество: обращенные к солнцу растения гораздо привлекательнее для насекомых. К цветам, обращенным утром на восток, подлетало в пять раз больше пчел.

«Пчелы сходят с ума от растений, которые повернуты на восток, игнорируя при этом соцветия, повернутые на запад, — говорит Стэйси Хармер из Университета Калифорнии в Дэвисе. — На солнечной стороне растения прогреваются быстрее, и теплые цветы привлекают больше опылителей».

Анна Хотеева

В цветке подсолнечника обнаружена последовательность Фибоначчи

По мнению биологов, крупные цветы являются одной из самых очевидных и красивых демонстраций последовательности Фибоначчи. Эта числовая последовательность представляет собой ряд натуральных чисел, где каждое последующее число равно сумме двух предыдущих. Последовательность может выглядеть так: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144…

Исследователи выяснили, что семечки упорядочены в два ряда спиралей, один из которых идет по часовой стрелке, другой — против. По словам ученых, в большинстве соцветий подсолнечника можно обнаружить сочетание цифр, входящих в последовательность Фибоначчи — например, 34 и 55 или 55 и 89. А если перед вами очень большой подсолнух, то можно насчитать 89 и 144 семечки.

В 2012 году Музей науки и промышленности в Манчестере (Великобритания) в честь столетия со дня рождения математика запустил необычный проект — «Подсолнухи Тьюринга», предложив всем желающим вырастить подсолнечник и принести цветок в музей (либо отправить фотографию растения).

Этот проект позволил собрать 657 фотографий, на обработку и анализ которых ушло почти четыре года. Поскольку в соцветии подсолнечника обычно хорошо просматриваются семена, ученые смогли подсчитать их количество и подтвердить, что в цветах действительно прослеживается закономерность Фибоначчи.

Биологи пока не могут понять механизм, с которым связана «приверженность» тех или иных растений к числовым последовательностям. Проблема в том, что растения не всегда демонстрируют подобную закономерность. В случае с исследуемыми цветами подсолнуха, узоры семян, соответствующие последовательности Фибоначчи, обнаружили примерно у 80% растений. Остальные соцветия продемонстрировали более сложные узоры.

Анна Хотеева

Справка

Британский математик Алан Тьюринг интересовался подобными закономерностями еще в первой половине прошлого века. Ученый прославился тем, что во время Второй мировой войны разработал метод, который помог взломать код немецкой шифровальной машины Enigma. Кроме того, Тьюринг оказал существенное влияние на развитие информатики и искусственного интеллекта. После войны ученый увлекся математическими закономерностями в растениях.