Когда растения начали «чувствовать» гравитацию?

«Природа гораздо умнее нас и она может нас многому научить. Теперь мы начали понимать, что нужно растениям для того, чтобы закрепиться в почве и достичь нутриентов и воды в ее глубинных слоях. Это может помочь нам выяснить, как создать сорта злаков, способных расти в очень засушливой местности», — рассказывает Ючжу Чжан из Института науки и технологий Австрии в Клостернойбурге.

Как сегодня считают ученые, первые деревья появились в середине девонского периода, примерно 400 миллионов лет назад. Их появление резко изменило облик всей планеты — сухопутные растения сделали ее «зеленой», а также породили множество новых видов животных, в том числе сухопутных насекомых и грибков, которые питаются исключительно растительной биомассой.

То, как выглядели первые деревья, пока остается загадкой для палеонтологов — известно лишь небольшое число «окаменелых лесов», особого типа отложений этого времени, в которых сохранились полноценные стволы и корневые системы этих деревьев оказались под землей благодаря извержению пепла или лавы.

Исследование показывает, что флора того времени имела вид очень причудливых объектов — роль листьев в нее выполняла особая кора, в которой происходил фотосинтез, а на вид они были похожи на карликовые деревья с современной тундры.

Относительно недавно ученые начали сомневаться в этой идее. К примеру, три года назад геологи нашли свидетельства того, что первые грибы появились на суше уже 440−460 миллионов лет назад, и они вряд ли могли бы существовать на суше сами по себе, без помощи растений или других источников органики, которой они должны были бы питаться.

Год назад генетики и палеонтологи показали, что растения и мхи должны были выйти на сушу гораздо раньше, в конце кембрийского или ордовикского периодов, объединив данные раскопок и результаты сравнения геномов мхов, папоротников и других «древних» растений.

Подобные открытия, как отмечает Чжан, заставляют ученых задуматься о том, как возникли первые наземные растения и как именно они приобрели важнейшую особенность всех современных представителей флоры — способность «чувствовать» притяжение планеты и отращивать корни.

Ответ на этот вопрос получить очень не просто, потому что в прошлом ученые детально изучали устройство «датчиков гравитации» только в цветковых растений, а не их примитивных родственников и предшественников. Более того, многие биологи подозревают, что растения могут иметь не один, а несколько подобных регуляторов роста корней, большая часть которых остается неизвестной для нас.

Австрийские исследователи и их коллеги из Китая заполнили этот пробел и раскрыли историю эволюции этой ключевой особенности растений, сравнив то, как чувствуют гравитацию мхи, папоротники, плауны, водоросли, а также цветковые и голосеменные растения. Для этого ученые прорастили семена и споры всех этих представителей флоры, дождались появления у них корней, повернули их на 90 градусов и начали смотреть за тем, в какую сторону они будут расти. Параллельно ученые изучали то, как были устроены клетки их корни и как они реагировали на внезапное изменение вектора гравитации.

Как оказалось, все сухопутные растения, кроме мхов, умели чувствовать гравитацию, однако скорость их реакции на подобные сдвиги сильно отличалась. Корни цветковых и голосеменных растений начинали поворачиваться вниз уже через 4−6 часов после начала эксперимента, тогда как папоротники и мхи меняли вектор роста лишь через несколько дней.

Причина этого крылась в различиях устройства клеток корней растений. Во всех них присутствовали особые структуры, так называемые амилопласты. Они представляют собой скопление крахмала, чья плотность несколько выше, чем в окружающей их цитоплазмы клеток. Благодаря этому, при наличии гравитации они будут «тонуть» и падать вниз, что помогает флоре чувствовать притяжение Земли и корректировать направление роста корней, используя особые гормоны-ауксины.

Чжан и его коллеги обнаружили, что амилопласты были распределены по корням различных растений неодинаковым образом. Они присутствуют только в клетках на кончике корня цветковых и голосеменных представителей флоры, тогда как у папоротников и плаунов были случайным образом разбросаны по всему организму.

Аналогичные различия были характерны для того, какие клетки производили ауксины и как они распространялись по корням.

Соответственно, наличие амилопластов почти у всех представителей сухопутной флоры говорит о том, что они научились «чувствовать» гравитацию и отращивать корни практически сразу после выхода на сушу. Это произошло, как предполагают ученые, около 500 миллионов лет назад.