Долгое время человек и не подозревал, что растения обмениваются сигналами друг с другом. Но оказалось, что у наших зелёных собратьев есть те же средства связи, что и у нас, — в том числе гормоны и электрические импульсы.

I. ВНУТРИ ОДНОГО РАСТЕНИЯ 

Животное в случае опасности убежит, а вот большинство растений не могут целиком передвинуться с места на место (хотя отдельные части их организма способны к перемещениям). Раз уж всё растение не в состоянии избежать пагубного воздействия, то общий урон оно снижает за счёт движения некоторых листьев и ветвей. Но не обязательно убегать от опасности: иногда к ней достаточно подготовиться. Скажем, если личинки бабочек повадились жевать зелень дерева, то каждый его лист передаёт другим частям растения сигнал — выделить отпугивающие или даже ядовитые вещества, чтобы гусеницы ушли. 

Не все внешние воздействия опасные. Если один корень нащупал источник воды, было бы здорово, если бы он мог сообщить об этом соседним корням, чтобы те росли в нужном направлении. Зелёным органам, в которых идёт фотосинтез, важно разворачиваться к источнику света, не заслоняя друг друга. Значит, надо координировать свои действия. Без общения одних клеток с другими не обойтись! Рассмотрим, как клетки в пределах одного организма обмениваются информацией.

КАКИЕ ФАКТОРЫ ДЕЙСТВУЮТ НА РАСТЕНИЕ

• Инфицирование
• Свет
• Тепло
• Повреждение
• Прикосновение
• Инфицирование
• Питательные вещества
• Вода
• Повреждение

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ 

Скорость распространения: 0,2–0,4 мм/с 

Фотосинтез — производство органических веществ из неорганических с помощью солнечного света в присутствии воды. Под действием света вода распадается на кислород, электроны и протоны. Кислород выделяется в окружающую среду, а вот протоны и электроны служат спусковыми крючками для остальных реакций фотосинтеза. Поскольку вода внутри растения постоянно распадается, её столь же непрерывно нужно получать извне. Для этого растению приходится испарять часть молекул через поверхность листьев, а корням — всасывать воду и отправлять в другие органы растения по проводящим тканям. 

Эти ткани бывают двух типов. Ксилема (древесина) переносит воду от корней вверх к другим частям растения. Флоэма (луб) служит трубопроводом в обратном направлении — от зелёных частей к тем, в которых фотосинтез не идёт. В воде, идущей по ксилеме, в основном растворены неорганические вещества, а во флоэмной жидкости — органические. 

Паразиты вгрызаются во флоэму, чтобы отобрать у растения часть питательных веществ. Давление внутри при этом падает, и это воспринимают как гидравлический сигнал специальные каналы в мембранах клеток. В ксилеме давление тоже меняется: увеличивается при избытке влаги и падает при засухе. Все эти события в древесине воспринимаются с помощью клеточных каналов. Их створки открываются, когда растягивается мембрана, в которой они находятся, и схлопываются, когда натяжение падает. Сквозь открытые каналы проходят заряженные частицы — ионы. Направление движения ионов — внутрь клетки или наружу — зависит от их концентрации. Так изменяется мембранный потенциал клетки, рядом с которой прошёл гидравлический сигнал.

КАК УСТРОЕН СТЕБЕЛЬ?

Древесина

Сердцевина

Луб

АКТИВНЫЕ ФОРМЫ КИСЛОРОДА 

Скорость распространения: до 1,4 см/с 

Активные формы кислорода (АФК) — это молекулы, в состав которых входят атомы кислорода со свободными электронами. Они обладают высокой реакционной способностью — «ищут», кому бы эти электроны отдать. АФК провоцируют цепные реакции, которые повреждают клеточные структуры. Но не реже они служат следствием, а не причиной повреждения. Растительные клетки и ткани образуют АФК, когда их кто-то поедает, когда на них падает слишком интенсивный свет (например, при солнечных ожогах — у растений они тоже бывают!), когда им очень холодно, жарко или солёно. 

Ферменты, превращающие обычные вещества в активные формы кислорода, расположены в мембранах растительных клеток. Одна из самых распространённых АФК — пероксид водорода H2O2. Эта молекула может действовать местно, активируя различные переносчики сигнала в родной клетке. Также она способна перемещаться по межклеточному пространству на расстояния в десятки сантиметров, оповещая другие органы о нарушении целостности организма.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ 

Скорость распространения: 0,1 мм/с — 105,5 м/с 

Живые организмы состоят по большей части из воды. Но воды не чистой, а с растворенными в ней минеральными и органическими веществами. При растворении молекулы нередко распадаются на части — подвергаются гидролизу. Итог — появление заряженных частиц — ионов. Клетки живых существ избирательно пропускают ионы, поэтому внутри и снаружи клетки их концентрация неодинакова. Возможна ситуация, когда с одной стороны окажется больше положительно заряженных частиц, а с другой — отрицательно заряженных. Возникнет разность потенциалов — электрический сигнал. 

У растений существует три варианта электрической активности клеток. Вариационные потенциалы — это увеличение концентрации ионов водорода H+ с внутренней стороны клеточной мембраны. Они распространяются по ксилеме со скоростью в несколько сотен микрометров в секунду. Как правило, вариационные потенциалы вызваны изменением атмосферного давления или температуры рядом с растением. Их амплитуда зависит от силы внешнего воздействия (насколько жарче или холоднее стало?). Похоже действует системный потенциал, только при его возникновении концентрация H+ в клетке, наоборот, становится меньше.

Пожалуй, самый интересный из электрических сигналов растений — это потенциал действия (ПД). Этот сигнал есть и у животных, но у растений механизм его работы несколько отличается. У растений ПД распространяется быстрее всех остальных сигналов. Эксперименты с поджиганием живых листьев сои показали, что этот электрический сигнал облетает всё растение за доли секунды, а его скорость при этом составляет 105,5 м/с. Впрочем, чаще этот показатель гораздо скромнее — до нескольких десятков сантиметров в секунду, как и у животных, — но и это значение впечатляет. ПД растений, как и наши с вами, передаются по поверхности клеточных мембран, а не в жидкости, как это происходит у системных и вариационных потенциалов. Сигналы возникают, когда в клетку входят ионы кальция Ca2+ и одновременно с этим выходят ионы хлора Cl−. У животных сигнал генерируется по-другому: ПД в нервных клетках обеспечивает вход ионов натрия Na+, однако в клетках сердечной мышцы потенциал действия зависит от кальция.

Амплитуда ПД не зависит от силы воздействия на растение. Этот сигнал формируется по принципу «всё или ничего»: либо он есть и имеет заданную неизменную величину, либо его нет. Быстроту ПД растения используют, чтобы передавать от одного органа другому сведения, требующие немедленного реагирования, — например о наличии добычи. Да, именно этими электрическими сигналами пользуются хищные растения вроде венериной мухоловки, чтобы захлопывать свои ловушки, когда в них появляется насекомое. А организмы, подобные мимозе стыдливой, не выносят прикосновений и в ответ на них генерируют ПД, распространяющиеся по листу, до которого дотронулись. Лист сворачивается.

Некоторые клетки в черешках листьев мимозы стыдливой способны быстро терять воду, когда получают сигнал в виде потенциала действия. Благодаря этому объём черешков резко падает, и все листики, принадлежащие данному черешку, складываются.

Кончики листьев венериной мухоловки (Dionaea muscipula) несут триггерные волоски. Когда что-то прикасается к ним, генерируются потенциалы действия, «приказывающие» ловчим листьям схлопнуться.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ЛИСТА МИМОЗЫ

Форма потенциала действия (AP) и вариационного потенциала (VP) у растений

ПД складывает листья мимозы за несколько секунд, а чтобы развернуть лист (вернуть в клетки воду), нужны минуты или даже часы.

ФИТОГОРМОНЫ 

Скорость распространения: 1–5×10−6 м/c 

Как и гормоны животных, растительные гормоны способны действовать не только там, где они образовались, но и в других частях организма. Впрочем, перемещаются эти молекулы медленнее многих других.

     Многие фитогормоны координируют рост различных частей растения. Ауксины вызывают рост клеток кончика главного побега в направлении солнца и ветвление корней. Цитокинины действуют в обратном направлении — замедляют рост корней, зато помогают побегам ветвиться и в целом стимулируют деление клеток. Гиббереллины стимулируют прорастание семян и цветение, а абсцизовая кислота, накапливаясь в семенах, обеспечивает им период покоя зимой. Под действием низких температур абсцизовая кислота постепенно разрушается. К весне её запасы в семени иссякают, и семя прорастает. Но среди фитогормонов есть и такие, которые обеспечивают слаженную реакцию всего организма на внешние воздействия. Например, салициловая и жасмоновая кислоты. 

Салициловую кислоту впервые выделили из коры ивы («ива» по-латыни Salix, отсюда и название вещества). Концентрация этой кислоты повышается, когда растение испытывает стресс. Содержание жасмоновой кислоты также увеличивается в ответ на неблагоприятные внешние воздействия. Она стимулирует заживление ран и регулирует увядание. Выделяется жасмоновая кислота не только в месте повреждения, но и в других частях растения, перестраивая его обмен веществ.

Анестезия временно нарушает передачу электрических импульсов. Она действует не только на животных, но и на растения. Насекомоядные растения не закрывают ловушки, если им вколоть новокаин, а мимоза стыдливая перестаёт реагировать на прикосновения.

ВЛИЯНИЕ ФИТОГОРМОНОВ

II. МЕЖДУ СОБОЙ И НЕ ТОЛЬКО 

Понятно, что активность клеток и тканей в составе одного растения необходимо координировать, но чтобы целые зелёные организмы согласовывали действия — звучит как фантастика. Тем не менее в 1980-х вышло несколько научных статей, которые показывали: здоровые ивы, тополя и американские клёны усиленно выделяют вещества, отпугивающие вредителей, если их соседи поражены насекомыми-паразитами (притом эти деревья не были соединены ни корнями, ни стволами, ни кронами). Позже эти исследования опровергали, критиковали, но сейчас большинство специалистов по биологии растений признаёт, что сигналами растения всё же обмениваются. Прежде всего, это летучие вещества. Они выделяются, когда нарушается целостность покровов растения, попадают в воздух и распространяются на десятки метров. 

 Одно из таких соединений — производное жасмоновой кислоты, метилжасмонат. Его образует полынь, когда её грызут кузнечики. Метилжасмонат сигнализирует «родному» растению и его соседям, что надо повысить в листьях и стеблях содержание неприятных на вкус дубильных веществ — фенолов. Ветки полыни с повреждениями покровной ткани провоцируют выделение фенолов не только в растениях своего вида, но и у совершенно других — например у табака. 

От вредителей можно защищаться не только пассивно. Кое-кто способен натравливать их друг на друга — но для этого надо «разговаривать» уже не с растениями, а с животными. Кукуруза, когда на неё нападают гусеницы малой совки, реагирует не на само повреждение листьев, а на соединение, выделяемое пищеварительной системой насекомых, — волиситин. В его присутствии растение выбрасывает в воздух вещества, привлекающие паразитических ос. Осы откладывают яйца в гусениц, и через некоторое время их выедают изнутри личинки паразитов. Жестоко для совок, но спасительно для кукурузы. 

 Диалоги растений человечество могло бы использовать в практических целях — к примеру, располагать на полях и в садах различные сорта так, чтобы они взаимно стимулировали рост и быстро оповещали друг друга о вредителях. Правда, есть предположение, что нашим зелёным друзьям на деле не очень-то нужно кооперироваться. Возможно, летучие вещества при опасности выделяются для отдалённых частей собственного организма, а другие растения только «подслушивают» эти сигналы. Такую точку зрения высказали авторы исследования, проведённого на лимской фасоли в 2010 году. По их данным, большая часть летучих сигнальных веществ этого растения оседает в радиусе 50 см от места выделения, так что если их «почуяли» другие экземпляры фасоли, это скорее случайность, чем закономерность. 

Кому на самом деле нужны растительные сигналы, покажут новые исследования. Одно понятно: растения способны реагировать на окружающий мир.