Биологические науки /11.Биоинженерия и биоинформатика

Проф. Аужанова Н.Б.

ЖГУ им. И.Жансугурова, Казахстан

Некоторые примеры изучения электрических явлений у насекомоядных растений

Оказывается, что в семье растений есть отдельные представители, с полным основанием называемые хищниками. Правда, специализированных «электрохищников» подобных знаменитому электрическому скату и электрическому угрю, поражающим свои жертвы сильным электрическим разрядом, в растительном царстве нет. Однако, электрические явления, происходящие в организме растений-хищников, имеют самое прямое отношение к их агрессивному поведению и столь странному для растений образу жизни.

Но растения хищники, как известно, в природе существуют. Их жертвы - чаще всего насекомые. Если говорить о флоре средней полосы, вспоминается росянка. Иногда упоминаются еще и венерина мухоловка (Dionaea muscipula), изредка встречающаяся на болотах штата Северная Каролина в США и нигде более. Именно она была первым растением-хищником, с полной достоверностью описанным професиональным ботаником [3].

В 1769 г. Английский исследователь Джон Эллис сообщил в письме Карлу Линнею об этом странном растении. И хотя этот факт остался не опубликованным долгие годы, именно в 1769 г. считается началом вполне научного исследования немногочисленой, но крайне необычной группы растений, вокруг которой впоследствии развернется столько жарких споров естествоиспытателей. К концу 18 в. было известно несколько видов растений. Вслед за сообщением Джона Эллиса появилось исследование немецкого натуралиста Рета, описавшего ловлю зазевавшихся чересчур любопытных насекомых росянкой (1782 г.). В 1791 г. Бартрам открывает еще один раз насекомоядных растений – саррацении (Sarracenia) род хищных растений семейства Саррацениевые. Род назван в честь канадского естествоиспытателя Мишеля Саррацина. В настоящее время известно примерно 10 видов саррацении [1].

Приглядимся к типичному представителю таких растений - к росянке (Drósera) - род плотоядных растений семейства Росянковые (Droseraceae), встречающихся на болотах, песчаниках, в горах - почти на любых видах почв. Волоски обнимают насекомое и обволакивают слизью. Цветки окрашены в ярко-красный цвет, капельки вязковатого, чрезвычайно аппетитного выделения источают сладостный аромат - словом, редкое насекомое избегает искушения тщательно обследовать такое растение.

Садится растяпа-мушка на листочек, прилипнет лапками к клейкому соку щетинок и попытается освободиться. Но не тут-то было! Щетинки начинают загибаться вовнутрь листа, причем так, что насекомое как раз и оказывается в центре, к которому они склоняются надо отметить, что движения росянки (Drósera) при поимке жертвы крайне экономны. Если попалось небольшое насекомое - его прихватывают лишь несколько щупалец-шетинок; чуть побольше участвует уже половина листа. В особо серьезных случаях пригибаются не только щупальца, но и сами листовая пластинка, как бы обертывая насекомое.

Все эти разумные последовательные движения росянка совершает под действием раздражения - трепыханий и толчков жертвы. Интересно, что реагирует она только на сильные толчки и подергивания: если же щетинки случайно задевают сухой стебелек травы, колеблющийся на ветру, - никакой реакции не последует.

Поимка жертвы - это только первый этап. Как только насекомое крепко захвачено растением, лист начинает обильно выделять муравьинную кислоту и пищеварительные ферменты.

Протеалистические (т.е. растопляющие белки) ферменты листьев росянки сходны с желудочными. Тело насекомого переводится, таким образом, в растворимое состояние и всасывается поверхностью листа. Несъедобные останки через некоторое время освобождаются, росянка расслабляется. На кончиках щупалец щетинок опять появляются капельки ароматного нектара. Лист готов принять очередную жертву.

Венерина-мухоловка   (Dionaea muscipula) - вид хищных растений из монотипного рода Дионея семейства Росянковые (Droseraceae). Она довольно близкий родич росянки, и повадки у нее те же. Лист венериной мухоловки оканчивается утолщенной окружной пластиной, края которой усажены острыми зубцами. На поверхности листа расположены чувствительные щетинки. По скорости реакции венерина мухоловка чемпион растительного царства - стоит насекомому присесть на ее листочек, как снабженные зубьями половинки почти мгновенно схлопываются. Как уже отмечалось, вокруг растений-хищников разгорелись шумные дебаты.

К началу прошлого века существовало несколько вполне серьезных и добротных описаний случаев насекомоядности у растений. В 1835 г. Кортальс пополняет список насекомоядных растений несколькими видами из рода непентесов «Вестник естественных наук» за 1855 г публикует статью профессора Московского университета К. Ф.Рулье «Растения ловящие насекомых».

Вскоре Оже де Ляссю обнаружил, что листья альдрованды пузырчатой (Aldrovanda vesiculosa) под действием механического раздражения совершают хватательные движения, а несколько лет спустя Кэнби неопровержимо доказал, что поверхностные выделения листьев венериной мухоловки обладают «пищеварительным действием».

Примерно в 1860 г. насекомоядные растения привлекли внимание Чарльза Дарвина. Исследования природы движения различных органов растений и было основной сферой научных интересов Дарвина в последние 20 лет его жизни. Результаты этих исследований изложены в двух книгах «Насекомоядные растения» и «Способность к движению у растений». По укоренившимся в биологии XIХ в. взглядам между двумя царствами органического мира - растительным и животным - существовала почти непреодолимая пропасть. Изучение химических и физических механизмов в процессах жизнедеятельности только начиналось; круг экспериментальных наблюдений, на основе которых могли быть созданы некие собирательные образы «типичного животного» и «типичного растения» был довольно ограничен, отсюда преувеличение разрыва, существующего между животными и растениями.

Во-первых, наиболее общий вывод: насекомоядность у растений - способность, выработавшаяся в процессе эволюции для улучшения их азотистого и минерального питания. Насекомоядные - хищники в полном смысле этого слова; насекомые, гибнущие в их ловушках? жертвы не только собственной неосторожности, но и преднамеренного коварства растений-ловцов.

Во-вторых, вывод о том, что растения обладают раздражимостью - способностью скоординированно реагировать на определенное внешнее воздействие, причем эта реакция может передаваться от места раздражения различным органам, более или менее от него удаленным.

Реакция щупалец росянки только на механическое раздражение является слабой и не продолжительной. Дарвин наносил на щупальца мельчайшую каплю раствора фосфорнокислого аммония, содержащую лишь 0,000423 мл. растворенного вещества, и щупальце, немедленно peaгировало изгибом, в то время как такая же капелька чистой воды никакой реакции не вызывает. Как оказалось росянка столь же энергично реагирует на многие другие соединения, содержащие азот, Дарвин показал что раздражения, как механические, так и химические могут воспринимать клетки железок, находящихся на булавовидном утолщении шупальца, а реакция на эти раздражения передается в ткани ножки этого щупальца или даже соседних щупалец.

Поверхностные клетки ножки содержат большую вакуоль, заполнению клеточным соком красного цвета. При раздражении вакуоль разделяется на ряд более мелких вакуолей причудливой формы, как бы переплетенные друг с другом. Через некоторое время после устранения источника раздражения раздельные вакуоли сливаются в одну центральную.

Таким образом, в опытах Дарвина был установлен еще один факт: у растения имеются специализированные клетки, воспринимающие определенный тип внешнего воздействия. По аналогии со сходными клетками органов чувств у животных их можно было бы назвать рецепторами. И что очень важно, раздражение от них может передаваться в другие, значительно от них удаленные ткани и вызвать их специфическую реакцию – сокращения.

Быстрота двигательной реакции венеринной мухоловки (Dionaea muscipula) указывавает на то, что передача возбуждения от осязательной щетинки к центральной жилке должна проходить практически мгновенно.

И вот в 1887 г. Бердон Сандерсон устанавливает уже совершенно удивительные факт: при раздражении в листе венериной мухоловки наблюдаются электрические явления, в точности напоминающие те, которые происходят при распространении и возбуждения в нервномышечных структуpax животных [2].

Можно высказать некоторые вполне определенные заключения по поводу электроуправляемости ловчих органов насекомоядных растений. Очень важные детали механизма «срабатывания» ловчих органов удалось выявить без особого экспериментального ухищрения. Оказалось, что для закрытия листа мухоловки (Dionaea muscipula) необходимо два стимула: либо дважды задеть один и тот же волосок, либо последовательно - два разных волоска, причем интервал между двумя раздражениями должен составить не более 20 сек.

Приспособительный смысл такого способа «срабатывания» ловчих органов очевиден: исключается бесполезные закрытия листа под действием случайных толчков. Установлено, что при сгибании чувствительного волоска в клетках его основания снижается электрический потенциал. Совершенно аналогичное явление имеет место в чувствительных клетках животных - рецепторный потенциал. Снижение величины клеточного потенциала ниже некоторого порогового значения приводят к появлению потенциала действия. Он передается от основания чувствительно го волоска по наружной поверхности листа во все стороны. Если вскоре раздражение повторяется и опять возникает потенциал действия, скорость его существенно увеличивается.

Несколько иной механизм раздражения щупалец росянки (Drósera). Можно предполагать, что любая поверхность клетки щупальца способна реагировать на прикосновение снижением клеточного потенциала, вызывая тем самым потенциал действия, распространяющийся по волоску к основанию.

Под его влиянием происходит изгиб щупальца, воспринявшего раздражение: благодаря передаче потенциала действия через основание на другие щупальца происходит и их изгибание, всегда в направлении щупальца - первоначального источника потенциала действия. Скорость распространения потенциала действия у росянки меньше, чем в листе мухоловки - около 0,5 см/сек.

Если на поверхности листа вблизи друг друга помещали пару электродов, кратковременный импульс вызывал появление первой волны потенциала действия, после которой ловушка мухоловки оставалась открыт той, а закрытие ее достигалось - так же как и при механическом раздражении - вторым импульсом стоит опыт окончательно подтвердил пред положение о том, что в процессе переваривания пойманного насекомого в листе мухоловки самопроизвольно время от времени возникают потенциалы действия. По-видимому, именно благодаря ним лист поддерживается в закрытом состоянии до конца переваривания добычи.

Литература:

1. Галактионов С.Е., В.М.Юрин. Ботаники с гальванометром. - М.: Знание, 1979.

2. Патури Ф. Растения гениальные инженеры природы. - М.: Прогресс, 1979.

3. Аужанова Н.Б. Электрические явления в растениях. Методическое пособие для студентов. – Алматы: Дайыр баспа, 2014. – 29 с., ил.