Общение между растениями

Язык растений

Обсуждая способность растений к чувственному восприятию, мы обратили внимание на то, что они общаются друг с другом с помощью настоящего языка, сформированного из тысяч химических молекул, выделяемых в воздух и несущих информацию разного рода (глава 3). Выделение этих молекул – излюбленный способ коммуникации растений, как произнесение звуков человеком. Но, кроме того, люди могут объясняться друг с другом с помощью жестов, мимики, манеры держаться и положения тела. Такая система общения, хотя и различается в деталях, существует у многих видов животных, особенно высших.

Еще один пример «коммуникации жестами» – явление «застенчивости кроны», описанное французским ботаником Франсисом Алле (род. в 1938 г.).

А растения? Они тоже могут общаться друг с другом путем прикосновений (обычно посредством корней, но иногда и надземных частей) или путем изменения своего положения относительно соседей. Именно это происходит при реализации программы «выхода из тени», когда растения принимают разные положения по отношению друг к другу, пытаясь выиграть в погоне за светом (глава 3).

Еще один пример «коммуникации жестами» – явление «застенчивости кроны», описанное французским ботаником Франсисом Алле (род. в 1938 г.). Однако такое поведение, при котором даже очень близко растущие деревья стараются не касаться друг друга кронами, демонстрируют не все виды растений. Обычно деревья совсем друг друга не стесняются, но некоторые представители семейств хвойных, миртовых и буковых, а также другие, менее распространенные растения, не приветствуют тесного контакта. Зайдите в сосновый лес, и вы в этом убедитесь. Деревья растут так, чтобы их кроны не соприкасались, а были разделены свободным пространством. Такое нежелание контактировать с соседями мы бы расценили как недоброжелательность. Мы не знаем, какой механизм отвечает за такое поведение, но понятно, что кроны соседних деревьев посылают друг другу сигналы и договариваются о разделе территории (в данном случае речь идет о доступности не только света, но и воздуха), чтобы не мешать друг другу.

Растения узнают родственников

Растения общаются между собой на разном уровне и проявляют в этом общении разный характер. Можно ли сказать, что одни растения более или менее активны в соперничестве или союзничестве, более или менее агрессивны или стыдливы? Безусловно. Но это не все. Хотя на уровне анатомического строения между растениями и животными мало общего, в поведенческом отношении можно обнаружить множество общих черт. И это не удивительно: все живые существа имеют одни и те же базовые задачи и решают их похожими методами. Однако, несмотря на определенное сходство в поведении растений и животных, существует важное исключение – семейные отношения. У растений нет родственников. Нет ничего, что напоминало бы связь между родственными особями одного и того же вида. Или не совсем так?

Мы не рассчитываем обнаружить семейные или клановые отношения в мире растений. Подобный тип отношений в нашем представлении связан с гораздо более развитыми видами, таким как человек или некоторые другие высшие животные, но никак не с растениями. Но на самом деле растения, совершенно определенно, умеют распознавать себе подобных и относятся к ним гораздо более доброжелательно, чем к чужакам. Чтобы понять это свойство растений, нужно задуматься, для чего это может быть полезно. Данный вопрос вполне оправдан, поскольку в природе никакое свойство не возникает без причины, включая и сферу родственных отношений. Способность распознавать особей с близким генетическим строением важна для всех видов организмов и обеспечивает большие возможности в эволюционном, поведенческом и экологическом плане. Например, эта способность позволяет организмам лучше распоряжаться своей территорией, защищая себя от врагов и не тратя силы на борьбу с родственниками. Она также позволяет избегать близкородственного скрещивания и, прежде всего, извлекать выгоду из успехов близких по генетическому строению особей.

Чтобы оценить эти преимущества, следует вспомнить о том, что главная задача любого живого существа в природе заключается в защите своего генетического материала (и, следовательно, генетического материала близких родственников – родителей, детей, братьев и сестер). Соперничество с одним из них означает бессмысленную трату энергии. Гораздо полезнее объединить усилия и одолеть противника, передав свои гены следующему поколению. С этой точки зрения способность распознавать родственников – большое преимущество, но уверены ли мы, что растения ведут себя по-разному по отношению к другим растениям в зависимости от степени родства?

В царстве животных такое распознавание осуществляется с помощью чувств – зрения, слуха, обоняния и иногда вкуса. Растения делают это путем обмена химическими сигналами, исходящими от корней и, возможно, от листьев (на этот счет у нас еще нет строгих доказательств).

Растения неподвижны, как мы уже многократно повторяли и будем повторять, поскольку в этом состоит их главное отличие от животных. Растения не могут покинуть место своего рождения, и поэтому их способность защищать свою территорию должна быть выражена сильнее, чем у любых животных. Растения готовы вести отчаянную борьбу, и понятно почему. Животное, попадающее в невыгодное положение по отношению к другому животному, всегда может отступить и перебраться жить в другое место. Растение не имеет такой возможности и вынуждено делить ресурсы с другими растениями, обитающими на той же территории, иногда на расстоянии всего нескольких сантиметров. Но это не означает, что одно растение просто соглашается с присутствием другого: напротив, это подразумевает бесконечную борьбу за пространство, которое необходимо защищать от всех незваных гостей. Растение защищает территорию, затрачивая энергетические ресурсы на развитие подземной части. Выпуская все больше и больше корней, оно оккупирует почву, как вооруженное войско, и заявляет соседям о своих правах. Но так происходит не всегда: если соседями являются представители той же семьи, нет нужды в конкуренции и можно не выпускать дополнительные корни, а развивать надземную часть.

Растения сначала оценивают противника, прежде чем вступать в борьбу, и если обнаруживают генетическое родство, выбирают не соревнование, а сотрудничество.

В 2007 г. было проведено простое, но показательное исследование, которое позволило пролить свет на данный тип семейных отношений. В одном горшке проращивали 30 семян одного и того же растения, а в другом горшке такого же размера – 30 семян растений разных видов. Наблюдение за поведением растений в двух горшках позволило обнаружить несколько эволюционных механизмов, которые ранее были зарегистрированы только у животных. Растения разных видов вели себя ожидаемым образом – выпускали множество корней, пытаясь завоевать территорию и обеспечить себе достаточно воды и пищи за счет соседей. Однако 30 родственных растений в другом горшке, хотя и росли в таком же ограниченном пространстве, выпускали намного меньше корней и активнее развивали надземную часть. Отсутствие конкуренции в данном случае было связано с генетическим сходством растений. Это очень важное открытие, которое поколебало традиционную точку зрения о том, что растения избирают стереотипную и повторяющуюся стратегию (есть сосед – значит, нужно с ним бороться и отвоевывать территорию), и привело ученых к гораздо более сложной оценке поведения растений, учитывающей различные факторы, в том числе родственные связи. Выходит, что растения сначала оценивают противника, прежде чем вступать в борьбу и, если обнаруживают генетическое родство, выбирают не соревнование, а сотрудничество.

Эгоизм или альтруизм – что выгоднее?

Если рассуждать в рамках эволюционного процесса, что оказывается выгоднее – «эгоизм» или «альтруизм»? В отношении растений этот вопрос до сих пор не рассматривался. Было создано множество моделей, но ни одну из них даже не пытались применить для анализа поведения растений. Открытие альтруистического поведения растений в отношении родственников играет чрезвычайно важную роль, поскольку открывает две возможности, обе революционные. Либо растения являются гораздо более развитыми в эволюционном плане существами, чем мы привыкли думать, и склонны к альтруизму, либо альтруизм и кооперация – примитивные формы жизни, хотя важнейшую роль в природе мы всегда отводили борьбе, в которой выигрывает сильнейший. В любом случае общение между растениями посредством корней должно иметь строго определенное эволюционное назначение – оно позволяет распознавать своих и чужих, друзей и врагов.

Обсуждая поведение корней (их удивительные способности мы подробнее проанализируем в следующей главе), следует заметить, что они умеют общаться не только с корнями других растений, но также со всеми существами, населяющими ризосферу (от греч. rhiza – корень и sphaira — сфера), т. е. ту часть почвы, с которой они контактируют и в которой обитают многие другие организмы. Многие ошибочно воспринимают почву как инертный субстрат. На самом же деле это живая и плотно населенная среда. Бактерии, грибы и насекомые формируют здесь специфический экологический консорциум, находящийся в равновесии благодаря общению и сотрудничеству с растениями.

Распространенный пример – грибокорень, или микориза (от греч. mykes — гриб и rhiza — корень). Это особая форма симбиоза в подстилающем слое почвы между вегетативными частями грибов, которые мы обычно встречаем в лесу, и корнями растений разных видов. Грибы образуют вокруг растения своеобразный чехол и проникают даже внутрь клеток. Такой тип симбиотической связи называют мутуализмом (взаимным симбиозом), поскольку он выгоден обеим сторонам: грибы снабжают корни минеральными веществами, в том числе фосфором (которого всегда не хватает в почве), а взамен получают энергию в виде сахаров, синтезируемых растениями в процессе фотосинтеза.

Однако в этом, казалось бы, взаимовыгодном сотрудничестве бывают неприятные сюрпризы. Проблема в том, что не все грибы имеют добрые намерения; некоторые являются патогенами, прикрепляются к корням, чтобы получить пищу, и разрушают их. Поэтому растения должны уметь различать типы грибов, которые пытаются вступить с ними в контакт, и действовать соответствующим образом. Как же они различают дружественно и враждебно настроенные грибы? Распознавание основано на настоящем диалоге между грибами и корнями, заключающемся в обмене химическими сигналами. Если растение понимает, что гриб настроен враждебно, он отвечает тем же. Напротив, если после предварительного «собеседования» растение распознает доброжелательно настроенный гриб, стремящийся к содружеству, оно вступает в ним в полезный для обоих симбиоз.

Дружественные бактерии

Еще один пример – основанный на обмене информацией взаимовыгодный симбиоз между бобовыми культурами и азотфиксирующими бактериями. Наряду с некоторыми другими бактериями эти микроорганизмы обладают чрезвычайно полезной способностью – они связывают атмосферный азот и превращают его в аммиак (NH₃) путем разрыва связи между двумя атомами азота в газообразной молекуле N₂.

Азот – важнейший элемент, обеспечивающий плодородность почвы (вот почему многие удобрения основаны на соединениях азота). Хотя воздух, которым мы дышим, на 80 % состоит из азота, этот газ инертен и напрямую не может быть использован растениями или другими живыми существами, за исключением некоторых микроорганизмов, таких как азотфиксирующие бактерии. Эти бактерии умеют превращать газообразный азот в различные соединения, такие как аммиак, которые легко поглощаются растениями. Так что эти бактерии – настоящие природные удобрения. Взамен внутри корней они получают идеальную среду для роста и обилие сахаров – еще один пример взаимовыгодного сотрудничества, основанный на коммуникации и распознавании. Однако растения рады далеко не всем бактериям; многие бактерии являются патогенами, против которых растения выстраивают непреодолимый барьер. До начала сотрудничества азотфиксирующие бактерии вступают с корнями в долгий и сложный химический диалог. Эти «переговоры» всегда начинаются с выделения бактериями сигнала, называемого NOD-фактором (от англ, nodulation — клубнеобразование), распознавание которого растением является первым этапом для допуска бактерий к корням.

Описанные выше примеры симбиоза основаны на обмене информацией между симбионтами – участниками симбиотических отношений (бактериями и бобовыми растениями в последнем примере) – и не могут происходить при отсутствии долгосрочной и отработанной практики. На самом деле подобные отношения возникают не только между растениями и низшими организмами. Некоторые симбиотические связи оказались столь важными, что составляют основу и нашей жизни.

Вот один пример. Митохондрии – энергетические станции наших клеток (точнее, всех растительных и животных клеток). Без этих внутриклеточных органелл невозможно существование высших форм жизни. Так вот, исследования показали, что митохондрии возникли в результате симбиоза – в данном случае между клетками и примитивными бактериями с активным окислительным метаболизмом (другими словами, способными производить энергию). Бактерии и эти клетки вступили в симбиотические отношения, выгодные для обеих сторон (клетки получили энергию, а бактерии – все, что им требовалось для жизни), и в какой-то момент бактерии оказались включенными внутрь клеток. Симбиотическое происхождение митохондрий подтверждается многочисленными данными. Прежде всего, митохондрии сохранили многие типичные признаки бактерий, такие как бактериальные мембраны. Кроме того, как и бактерии, они содержат замкнутую кольцевую ДНК. Наконец, и это, пожалуй, является самым важным доказательством, митохондрии реплицируются независимо от хозяйских клеток. В нескольких исследованиях была доказана основополагающая роль этих ранних симбионтов в эволюции сложных форм жизни.

Таким образом, симбиотические отношения имеют чрезвычайно большое значение для всех форм жизни на нашей планете, включая человека. Если бы мы научились воспроизводить некоторые из них, мы достигли бы невероятных результатов. Например, если бы нам удалось перенести симбиотические отношения между азотфиксирующими бактериям и бобовыми растениями (к которым относятся, среди прочих, соя, нут, чечевица, зеленый горошек и бобы) на другие продовольственные культуры, мы бы в корне изменили возможности сельского хозяйства.

Представьте себе: больше нет азотных удобрений, не загрязняются почва, грунтовые воды, реки и океаны, Адриатика не зарастает водорослями, а урожай растет, и население планеты удается прокормить, не заражая атмосферу: в реализацию этой мечты стоит вложить средства, ради этого стоит интенсифицировать исследования, причем сделать это нужно быстро, чтобы избежать необратимых последствий.

С момента окончания Второй мировой войны и до сегодняшнего дня урожайность продовольственных культур и плодородие почв постоянно росли, главным образом благодаря так называемой зеленой революции 1960-х гг. При помощи химических удобрений и создании новых, более урожайных и устойчивых к заболеваниям сортов растений эта модернизация привела к расширению площади культивируемых земель и повышению урожайности ранее использованных земель.

Но сегодня тенденция роста урожайности остановилась. Впервые за 60 лет площадь обрабатываемых земель не только не растет, но сокращается из-за климатических изменений, в то время как население планеты продолжает расти.

Как нам прокормить самих себя? Задача ближайших десятилетий – найти способы осуществления новой зеленой революции, которая вновь позволит повысить урожайность, но без ущерба для окружающей среды. Вот почему перенос симбиотических отношений между азотфиксирующими бактериями и бобовыми культурами на другие продовольственные культуры был бы истинным прорывом в сельском хозяйстве. Способность растений передавать информацию поможет нам прокормить человечество!