Вчені вияснили, коли рослини почали "відчувати" гравітацію

Перша флора Землі відростила коріння і почала відчувати тяжіння планети приблизно 500 мільйонів років тому, в кінці кембрію, проте по-справжньому ця здатність розвинулася у них лише на початку кам'яновугільного періоду. До такого висновку прийшли ботаніки, інформує Ukr.Media.

"Природа набагато розумніша за нас і вона може нас багато чому навчити. Тепер ми почали розуміти, що саме потрібно рослинам для того, щоб закріпитися в ґрунті і досягти нутрієнтів і води в її глибинних шарах. Це може допомогти нам з'ясувати, як створити сорти злаків, здатних рости в дуже посушливій місцевості", — розповідає Ю-чжу Чжан (Yuzhou Zhang) з Інституту науки і технологій Австрії в Клостернойбурзі.

Як сьогодні вважають учені, перші дерева з'явилися в середині девонського періоду, приблизно 400 мільйонів років тому. Їх поява різко змінило вигляд всієї планети — сухопутні рослини зробили її "зеленою", а також породили безліч нових видів тварин, в тому числі сухопутних комах і грибків, що харчуються виключно рослинною біомасою.

Те, як виглядали ці перші дерева, поки залишається загадкою для палеонтологів — відомо лише невелике число "скам'янілих лісів", особливого типу відкладень цього часу, в яких збереглися повноцінні стовбури і кореневі системи цих дерев, які опинилися під землею завдяки виверженню попелу або лави.

Їх вивчення показує, що флора того часу мала вигляд дуже химерних об'єктів — роль листя у неї виконувала особлива кора, в якій відбувався фотосинтез, а на вигляд вони були схожі на карликові дерева з сучасної тундри.

Відносно недавно вчені почали сумніватися в цій ідеї. Приміром, три роки тому геологи знайшли свідчення того, що перші гриби з'явилися на суші вже 440-460 мільйонів років тому, і вони навряд чи могли б існувати на суходолі самі по собі, без допомоги рослин або інших джерел органіки, якою вони мали б харчуватися.

Рік тому генетики і палеонтологи показали, що рослини і мохи мали вийти на сушу набагато раніше, в кінці кембрійського або ордовицького періоду, об'єднавши дані розкопок і результати порівняння геномів мохів, папоротей та інших "древніх" рослин.

Подібні відкриття, як зазначає Чжан, змушують вчених задуматися про те, як виникли перші наземні рослини і як саме вони придбали найважливішу рису всіх сучасних представників флори — здатність "відчувати" тяжіння планети і відрощувати коріння.

Відповідь на це питання отримати дуже не просто, бо у минулому вчені детально вивчали пристрій "датчиків гравітації" тільки у квіткових рослин, а не їх примітивних родичів і попередників. Більш того, багато біологів підозрюють, що рослини можуть мати не один, а кілька подібних регуляторів росту коренів, велика частина яких залишається невідомою для нас.

Австрійські дослідники і їх колеги з Китаю заповнили цю прогалину і розкрили історію еволюції цієї ключової особливості рослин, порівнявши те, як відчувають гравітацію мохи, папороті, плавуни, водорості, а також квіткові і голонасінні рослини.

Для цього вчені зростили насіння і спори всіх цих представників флори, дочекалися появи у них коріння, повернули їх на 90 градусів і почали дивитися за тим, в яку сторону воно буде рости. Паралельно вчені вивчали те, як були влаштовані клітини їх коріння і як вони реагували на раптову зміну вектора гравітації.

Як виявилося, всі сухопутні рослини, крім мохів, вміли відчувати гравітацію, проте швидкість їх реакції на подібні зрушення сильно відрізнялася. Коріння квіткових і голонасінних рослин починало повертати вниз вже через 4-6 годин після початку експерименту, тоді як папороті і мохи міняли вектор зростання лише через кілька днів.

Причина цього крилася в відмінності в пристрої клітин коріння всіх цих рослин. У всіх них були присутні особливі структури, так звані амілопласти. Вони являють собою скупчення крохмалю, чия щільність дещо вища, ніж у навколишньої їх цитоплазми клітин.

Завдяки цьому, при наявності гравітації вони будуть "тонути" і падати вниз, що допомагає флорі відчувати тяжіння Землі і коректувати напрям росту коріння, використовуючи особливі гормони-ауксини.

Чжан і його колеги виявили, що амілопласти були розподілені по корінню різних рослин неоднаковим чином. Вони присутні лише в клітинах на кінчику кореня квіткових і голонасінних представників флори, тоді як у папоротей та плавунів ці органели були випадковим чином розкидані по всьому організму.

Аналогічні розбіжності були характерні для того, які клітини виробляли ауксини і як вони поширювалися по корінню.

Відповідно, наявність амілопластів майже у всіх представників сухопутної флори говорить про те, що вони навчилися "відчувати" гравітацію і відрощувати коріння практично відразу після виходу на сушу. Це сталося, як припускають автори статті, близько 500 мільйонів років тому.

З іншого боку, відмінності в поведінці і розподіл цих органел говорить про те, що повноцінна коренева система і здатність відчувати вектор тяжіння з'явилися у представників флори значно пізніше, приблизно 370 млн. років тому. У цей момент з'явилися предки квіткових і голонасінних рослин, сліди їх успіху можна побачити в будь-якому вугільному родовищі.

Що саме змусило їх придбати таку здатність, поки не зрозуміло. Як сподіваються вчені, подальші розкопки і вивчення геномів сучасних рослин дозволить їм знайти відповідь на це питання.