Как растения «чувствуют» свет

Биологические датчики в живой клетке

Растение воспринимает окружающий мир на химическом уровне. Роль сетчатки глаза у него выполняют особые светочувствительные белки, которые учёные называют фоторецепторами. Самые главные из них для поиска света носят названия фототропины и фитохромы. Эти молекулы распределены по живым тканям, но больше всего их сосредоточено в самых молодых частях стебля — в конусе нарастания на верхушке побега и в молодых листочках.

Каждый такой белок настроен на волны строго определённой длины. Фототропины прекрасно улавливают синий спектр солнечного излучения, служащий для ростка главным ориентиром направления. Фитохромы чутко реагируют на красный и дальний красный свет. Когда кванты синего света попадают на молекулу фототропина, её форма меняется, запуская цепь биохимических реакций. Клетка моментально получает сигнал о том, с какого именно бока светит ярче, и передаёт команду соседним зонам стебля.

Гормон ауксин и механика поворота стебля

Сам по себе поворот побега к окну или солнцу называют положительным фототропизмом. Стебель не имеет мышц, поэтому согнуться усилием воли он не способен. Движение происходит исключительно за счёт неравномерного роста разных сторон одного и того же побега.

Руководит этим процессом гормон роста, называемый ауксином или индолилуксусной кислотой. Ауксин постоянно вырабатывается верхушечной почкой и медленно спускается вниз по стеблю. При равномерном освещении со всех сторон гормон стекает ровным потоком, клетки делятся и вытягиваются с одинаковой скоростью, побег тянется строго вертикально вверх.

Когда солнечные лучи падают сбоку, светочувствительные белки активируют специальные мембранные белки-насосы. Они начинают перекачивать ауксин с освещённого бока стебля на противоположный, теневой. В результате концентрация гормона в темноте становится заметно выше. Ауксин размягчает жёсткие клеточные стенки и стимулирует приток воды в вакуоли, заставляя клетки теневой стороны стремительно удлиняться. Освещённая сторона растёт с обычной скоростью или притормаживает, а удлинившаяся теневая сторона буквально выталкивает верхушку побега дугой навстречу солнцу.

Как Чарльз Дарвин раскрыл тайну побегов

Первые строгие опыты по изучению восприятия света растениями поставил Чарльз Дарвин вместе со своим сыном Фрэнсисом в 1880 году. Учёные проводили эксперименты на канареечной траве, наблюдая за проростками в тёмной комнате со слабой лампой с одной стороны.

• Обычный контрольный проросток уверенно сгибался в сторону боковой лампы уже через пару часов наблюдения.
• Проросток с аккуратно срезанным кончиком продолжал медленно расти вертикально и совершенно игнорировал свет.
• Стебель с надетой на верхушку светонепроницаемой шапочкой из оловянной фольги тоже перестал изгибаться, хотя вся нижняя часть оставалась открытой лампе.
• Росток, у которого фольгой закрыли основание стебля, а кончик оставили открытым, изогнулся к свету точно так же, как обычный.

Дарвины доказали, что воспринимающий свет орган и зона непосредственного изгиба пространственно разделены. Сигнал рождается на самом кончике, а само сгибание происходит на несколько миллиметров ниже. Спустя десятилетия другие исследователи подтвердили догадку Дарвина и выделили то самое вещество-посредник — ауксин.

Почему подсолнух поворачивает корзинку

Движение подсолнуха часто путают с обычным фототропизмом, но здесь работает более сложная система, получившая название гелиотропизма. Молодой подсолнух следит за солнцем весь день. Утром его бутон смотрит на восток, в полдень направлен к зениту, к вечеру разворачивается на запад, а за ночь успевает повернуться обратно на восток в ожидании рассвета.

Этот суточный танец регулируется внутренними биологическими часами растения. В течение светового дня ауксин скапливается на восточной стороне стебля, заставляя её удлиняться и наклонять бутон к западу. Ночью включаются внутренние циркадные ритмы, гормон перетекает на западную сторону, и к утру бутон снова глядит на восток.

У этого механизма есть чёткий финал. Когда стебель прекращает рост и бутон раскрывается в большую жёлтую корзинку, вращение полностью останавливается. Цветущие подсолнухи навсегда замирают, глядя строго на восток. Утреннее солнце быстрее прогревает лепестки и соцветие, а тёплые цветы привлекают значительно больше пчёл и других насекомых-опылителей.

Как реагируют на свет корни и листья

Если стебли стремятся к свету, проявляя положительный фототропизм, то корни большинства растений ведут себя с точностью до наоборот. Это явление называют отрицательным фототропизмом. Клетки корня обладают повышенной чувствительностью к ауксину, и его избыток на теневой стороне корневого кончика тормозит рост клеток, а не ускоряет его. В итоге корень изгибается в сторону темноты, спасаясь от гибельного высыхания на открытом воздухе и зарываясь глубже в спасительную почву.

Листья большинства деревьев и трав располагаются под прямым углом к падающим лучам, образуя так называемую листовую мозаику. В черешках листьев работают те же механизмы перераспределения ауксина и изменения давления воды в клетках. Благодаря этому листья разворачивают пластинку максимально широко, не затеняя нижних соседей на одном растении и улавливая максимальное количество энергии для фотосинтеза.