(Разные разности. «ХиЖ» 2023 №12)
Человек обладает тонким обонянием не просто так. Запах — это очень важный фактор, который помогает нам адаптироваться к окружающей среде и выживать. Например, не есть протухшую еду, которая грозит смертельным отравлением. Тончайший запах каких-нибудь гаптенов, то есть индивидуальный запах, источаемый человеком противоположного пола, помогает найти наиболее подходящего полового партнера.
Индивидуальный запах человека настолько тонок, что мы его как будто не чувствуем. Но наше обоняние отлично его слышит. Обонятельные рецепторы в носу выхватывают из воздуха молекулы запах, передают сигналы в мозг. А мозг уже дешифрует их, делая вывод о генетике источника запаха. Этим языком химических сигналов пользуются все животные.
А есть ли обоняние у растений? Да, есть. Мы знаем, что созревшие плоды овощей и фруктов выделяют этилен — фитогормон созревания. Впервые на это обратил внимание русский биолог Дмитрий Николаевич Нелюбов в 1901 году. Он заметил, что на свежем воздухе горох вырастает ровным и большим, а в лаборатории загибается крючком. Ученый предположил, что, видимо, в воздухе лаборатории содержатся какие-то вещества, которые влияют на рост гороха. И оказался прав.
В те времена помещения освещали газом, который использовали и в уличных фонарях. Этот светильный газ получали при пиролизе каменного угля или нефти. Нелюбов выяснил, что в этой смеси горючих газов содержится этилен. Он-то и останавливал рост гороха, то есть поворачивал его процессы в сторону старения. Потом уже выяснилось, что и созревание плодов, и листопад — все это дело рук этилена. И кстати, деревья, растущие рядом с фонарями со светильным газом, желтели и опадали раньше положенного срока.
Этилен, выделяемый созревающими плодами, воспринимают другие растения. Воспринимают как химический сигнал к действию. И если в ящик с зелеными яблоками положить одно спелое, то зеленые яблоки быстро дозреют. Эту технологию используют на плодоовощных базах, где предусмотрена подача этилена в хранилища. Если надо срочно дозреть овощи и фрукты, в камеры подают этилен.
Интересно, что этилен, выделяемый созревшими фруктами, воспринимают и срезанные цветы. Если букет стоит рядом с вазой со спелыми фруктами, то цветы завянут быстрее. Точно так же и с дымом сигарет. Букет цветов, стоящий в комнате, где курят, быстро завянет, потому что сигаретный дым содержит этилен. Впрочем, об этом мы писали.
Но если растения воспринимают этилен, то, возможно, они чувствуют и другие запахи? Сорок лет назад ученые обнаружили, что растения, которые начала кусать гусеница или травоядное животное, выделяют в воздух летучие органические соединения. Тем самым пострадавшее растение посылает сигнал окружающим — «Берегитесь! Пришли убийцы!»
И действительно, ученые выяснили, что у растений, до которых гусеницы еще не добрались, а вот химические сигналы от пострадавших долетели, включаются механизмы защиты от травоядных.
Вообще, механизмов защиты растений от травоядных много, они разные. Например, растения, на которые напали травоядные, начинают выделять горькие и ядовитые вещества, которые делали их листья неаппетитными и несъедобными, чтобы гусеницы подавились и отстали. Или выделяют такие пахучие вещества, которые подают сигнал естественным хищникам, пожирающим гусениц. И они прибегают или прилетают на пир.
Идея «говорящих» растений родилась еще в 1980-х годах. Исследователи экспериментировали с ивой, тополем и кленом. И обнаружилось кое-что любопытное. Оказалось, что здоровые деревья, которые росли на расстоянии 30–40 метров от пораженных насекомыми сородичей и до которых гусеницы еще не добрались, включали внутреннюю химическую защиту, чтобы подготовиться к вторжению гусениц. Как будто знали, что оно вот-вот произойдет.
Передать информацию по корням деревья не могли — они росли слишком далеко друг от друга. Значит, сигналы прилетели по воздуху в виде летучих веществ. Сегодня это явление получило название «подслушивание растений».
За последние четыре десятилетия ученые наблюдали эту эфирную связь у более чем 30 видов растений, включая фасоль, табак, томат, арабидопсис и другие.
Но где же у растений нос? И вообще — как это все происходит? Шаг за шагом исследователи приближаются к разгадке. И вот что мы уже знаем. В ответ на нападение травоядных растения действительно выделяют множество летучих органических соединений, включая летучие вещества зеленых листьев.
Их много — терпеноиды и производные аминокислот, спирты, альдегиды и сложные эфиры. Они образуются в течение нескольких секунд после ранения. И потенциально они могут работать сигналами опасности при общении растений. Но, как выяснилось, не все.
Исследователи установили, что в этом букете легколетучих органических соединений, которые выделяет растение при повреждении, только два альдегида активируют защиту у соседних здоровых растений. Другие летучие вещества, видимо, подают другие сигналы — тем же пожирателям гусениц.
Как эти сигнальные молекулы альдегидов проникают в растение? Теперь мы это знаем точно — через устьица на листьях. Система хорошо работает днем, когда устьица максимально раскрыты, чтобы улавливать углекислый газ для фотосинтеза. Но как запускаются защитные реакции внутри растения?
Чтобы это выяснить, исследователи провели изощренный эксперимент. Они создали генетически модифицированный арабидопсис. Его клетки производили флуоресцентный белок, который в присутствии ионов кальция в клетке начинал светиться. Потом это растение помещали в атмосферу с химическими сигналами опасности от поврежденных растений и смотрели за свечением листьев.
Листья начинали интенсивно светиться уже через несколько секунд после того, как сигнальные молекулы достигали устьиц на листочках арабидопсиса. То есть в клетках открывались ворота, в которые потоком бросались ионы кальция, участвующие в передаче электрических сигналов, то есть информации и команд, по всему растению. А затем свечение от верхних слоев распространялось во внутренние, и клетки начинали вырабатывать защитные белки.
Так ученые установили, что ключевую роль здесь играют ионы кальция. Чтобы подтвердить гипотезу, некоторые экспериментальные растения обработали веществами, блокирующими систему ионов кальция. В результате внутренняя защиты растения не активировалась, то есть они не реагировали на сигналы опасности (Nature Communications).
Теперь мы знаем, что два сигнальных альдегида запускают защитные реакции через активацию движения ионов кальция. Именно ионы кальция распространяют по всем клеткам информацию, что приближается враг. И в клетках увеличивается экспрессия генов, ответственных за производство защитных белков. Горьких и противных, от которых у гусениц сводит скулы и случается диарея.
Согласитесь, потрясающе интересный фундаментальный результат. А можно ли выжать из него чего-нибудь прикладное, полезное для народного хозяйства? Ведь академики не устают повторять вслед за великими Кантом, Кирхгофом и Больцманом: «Нет ничего практичнее хорошей теории».
Конечно, выжать можно. Исследователи полагают, что теперь, когда мы знаем, как запускаются защитные механизмы внутри растения, можно будет проводить своеобразную иммунизацию растений, то есть заранее включать их внутреннюю защиту. Например, воздействовать на растения теми же сигнальными альдегидами, которые сообщат о надвигающейся опасности. Это повысит их защиту, а фермеры смогут использовать меньше пестицидов и инсектицидов, и урожаи увеличатся. Конечно, многих деталей мы еще не знаем. Но уже есть где развернуться.
Л.Н. Стрельникова
Остальные статьи из этой рубрики вы можете найти в подборке «Разные разности».
Купить номер или оформить подписку на «Химию и жизнь»: https://hij.ru/hij_kiosk.shtml
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал.
– Редакция «Химии и жизни»
