Dlaczego rośliny się poruszają? Naukowcy rozwiązują starożytną zagadkę, która zaintrygowała Karola Darwina

Badanie wykazało, że nieregularne ruchy słonecznika pomagają mu zlokalizować światło słoneczne, zapewniając wgląd w zachowanie roślin i potencjalne korzyści dla rolnictwa.

W nowym badaniu fizykom ze Stanów Zjednoczonych i Izraela być może udało się znaleźć wyjaśnienie dziwnego zachowania we wzroście roślin, tajemnica, która intrygowała samego Karola Darwina przez ostatnie dziesięciolecia jego życia.

Wielu osobom rośliny mogą wydawać się statyczne, a nawet nieco matowe. Ale zielone rzeczy naprawdę dużo się poruszają. Jeśli na przykład obejrzysz film poklatkowy przedstawiający sadzonkę słonecznika wyrastającą z gleby, nie wyrośnie ona prosto w górę. Zamiast tego, gdy słonecznik rośnie, jego korona wiruje w kółko, skręca się spiralnie i ogólnie wije się – aczkolwiek bardzo powoli.

Teraz badacze pod kierownictwem Orita Pelega z Uniwersytetu Colorado Boulder i Yasmin Miroz z Uniwersytetu w Tel Awiwie odkryli rolę tych chaotycznych ruchów, znanych również jako „rotacje”. W eksperymentach szklarniowych i symulacjach komputerowych grupa wykazała, że ​​słoneczniki czerpią korzyści z rotacji, aby przeszukiwać otaczające środowisko w poszukiwaniu plam światła słonecznego.

„Wiele osób tak naprawdę nie bierze pod uwagę ruchu roślin, ponieważ my, ludzie, zazwyczaj patrzymy na rośliny z niewłaściwą liczbą klatek na sekundę” – powiedział Peleg, jeden z autorów badania i profesor nadzwyczajny w Instytucie i Wydziale Informatyki BioFrontiers Nauka.

Zespół opublikował swoje wyniki 15 sierpnia w czasopiśmie Przegląd fizyczny X.

Odkrycia te mogą pewnego dnia pomóc rolnikom w opracowaniu nowych strategii uprawy różnych roślin w bardziej efektywnych warunkach.

„Nasz zespół dużo pracuje nad interakcjami społecznymi w rojach owadów i innych grupach zwierząt” – powiedziała Chantal Nguyen, główna autorka i badaczka ze stopniem doktora w BioFrontiers.

„Ale to badanie jest szczególnie interesujące, ponieważ widzimy podobną dynamikę u roślin. Są one zakorzenione w ziemi”.

Wybór Darwina

Nguyen dodał, że rośliny zazwyczaj nie poruszają się jak zwierzęta, ale zamiast tego poruszają się, rosnąc w różnych kierunkach w czasie. Zjawisko to fascynowało Darwina długo po jego powrocie z podróży na okręcie wojennym Beagle. Według przekazów historycznych.

W latach sześćdziesiątych XIX wieku Darwin, który cierpiał wówczas na szereg chorób ograniczających jego mobilność, całymi dniami obserwował rośliny w swoim domu. Sadził nasiona ogórków i innych roślin. KlasyfikowaćNastępnie śledzili, jak ich korony poruszały się z dnia na dzień — i powstałe mapy wyglądały na przypadkowe i szalone.

„Moje loki czerpią dużo przyjemności – to po prostu ten rodzaj uciążliwości, który mi odpowiada”. Napisał do przyjaciela w 1863 roku.

Niezależnie od tego, czy Darwin był rozbawiony, czy nie, nie potrafił wyjaśnić, dlaczego niektóre jego włosy były skręcone.

To zagadka, która intrygowała także Meroza, fizyka z wykształcenia. Jedno badanie przeprowadzone w 2017 r To badanie wskazało jej właściwy kierunek. W ramach tych badań naukowcy pod kierunkiem Uniwersytetu w Buenos Aires uprawiali słoneczniki w rzędach w ciasnych warunkach. Odkryli, że rośliny naturalnie i konsekwentnie układają się w zygzakowaty wzór, prawie jak zęby zamka błyskawicznego. Takie ustawienie prawdopodobnie pomoże roślinom zmaksymalizować dostęp do światła słonecznego jako grupy.

Miroz zastanawiał się, czy wibracje roślin mogą być silnikiem napędzającym takie wzorce wzrostu roślin.

„W przypadku roślin pnących jest to oczywiście kwestia znalezienia podpór, których można się przyczepić” – powiedział Miroz, profesor nauk o roślinach i bezpieczeństwa żywnościowego. „Ale w przypadku innych roślin nie jest jasne, dlaczego warto”.

Nadchodzi słońce

Aby się tego dowiedzieć, ona i jej koledzy posadzili w rzędach pięciotygodniowe słoneczniki. Następnie, podobnie jak wcześniej Darwin, sporządzili mapę przemieszczania się roślin w ciągu tygodnia.

Następnie Nguyen i Bligh opracowali program komputerowy do analizy wzorców rządzących wzrostem słonecznika. Naukowcy byli także w stanie wykorzystać symulacje komputerowe, aby zobaczyć, co by się stało, gdyby słoneczniki poruszały się mniej więcej – innymi słowy, gdyby poruszały się losowo lub w powolny, stały sposób.

Grupa odkryła, że ​​gdyby cyfrowe rośliny w ogóle się nie poruszały, wszystkie odchyliłyby się od siebie w linii prostej. Natomiast jeśli dużo się poruszają, będą rosły w losowy sposób. Ale jeśli poruszają się z odpowiednią dozą losowości, słoneczniki tworzą charakterystyczny zygzakowaty kształt, który u prawdziwych roślin zapewnia duży dostęp do światła słonecznego. Rośliny wydają się wirować, szukając źródła najlepszego światła, a następnie rosną w tym kierunku – wyjaśnił Nguyen.

„Kiedy dodasz trochę szumu do systemu, umożliwi to roślinie zbadanie otoczenia i przystosowanie się do takich konfiguracji, które pozwolą każdej roślinie znaleźć maksymalną ekspozycję na światło. Prowadzi to do tego pięknego zygzakowatego wzoru, który widzimy” – powiedziała .

W przyszłych eksperymentach naukowcy będą sprawdzać, jak słoneczniki rosną w bardziej złożonych układach. Ze swojej strony Miroz jest szczęśliwa, gdy rośliny zyskują uznanie za ich zdolność do poruszania się i wywierania wpływu.

„Gdybyśmy wszyscy żyli w tej samej skali czasu co rośliny, można by spacerować ulicą i zobaczyć, jak się poruszają” – powiedziała. „Prawdopodobnie wszyscy mamy rośliny jako zwierzęta domowe”.

Odniesienie: „Hałasowe kręgi ułatwiają samoregulację unikania cienia u słoneczników” – Chantal Nguyen, Imre Dromi, Ahron Kempinski, Gabriela E. C. Gall, Orit Peleg i Yasmin Meroz, 15 sierpnia 2024 r., Przegląd fizyczny X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031027