30 Июля 2018

Секреты хищных растений

Опубликовал А.А. Алексеенко

С образом зловещих плотоядных растений знакомы многие современные люди – хищная флора встречается в кинофильмах, фантастических книгах и компьютерных играх. И всем известно, что такие растения не являются плодом фантазии писателей и сценаристов – на нашей планете живут около 600 видов флоры, которая не прочь перекусить живыми организмами.

Но задумывались ли вы, как организм без нервов, мышц, зубов, когтей и прочего вооружения научился эффективной охоте? Растениям не от хорошей жизни пришлось становиться хищными – ученые насчитывают шесть различных линий эволюции хищной флоры, каждая из которых привела к уникальному механизму ловли жертв. И даже при сегодняшнем уровне развития науки, некоторые аспекты жизнедеятельности зеленых хищников остаются тайной. В этой статье мы расскажем о самых интересных аспектах жизнедеятельности растительных хищников.

История изучения плотоядных растений

До 18-го века европейская наука не занималась изучением хищников из растительного мира. Первое подробное описание получила венерина мухоловка, о которой поведал британский натуралист Джон Эллисон в своей переписке с Карлом Линнеем. После этого плотоядная флора периодически вызывала интерес у ученых-естествоиспытателей, но настоящий резонанс в научном кругу вызвал Чарльз Дарвин, который отложил в сторону теорию эволюции и с головой погрузился в изучение хищной растительности. В 1860 он начал наблюдение за росянками, в ходе которого изучал меню растений, их способность молниеносно хватать и переваривать пищу и т.д. Итогом наблюдений стал объемный научный труд, который неоднозначно был принят научным сообществом. Например, директор петербургского ботанического сада Э. Ревель вообще публично выразил сомнение в существовании растений, способных поедать насекомых, и решил, что рассуждения Дарвина имеют сугубо теоретический характер.

Современная наука не выражает сомнений в существовании плотоядных растений и активно занимается их изучением. Многие механизмы их жизнедеятельности были тщательно изучены, но, тем не менее, у них осталось немало загадок. Так до сих пор не ясна среда эволюционных преобразований, благодаря которым появились современные виды насекомоядных растений. Связанно это с тем, что все известные виды имеют травянистое строение, без плотных структур, из-за чего практически не сохранилось окаменелых остатков, которые хоть что-то рассказали бы об их эволюционном прошлом.

Стоит отметить, что для всех хищных растений охота не является необходимым условием для выживания. Они прекрасно могут жить, используя фотосинтез. Охота позволяет им скомпенсировать недостаток азота в болотистых почвах, на которых произрастают хищники. И это одна из самых больших загадок. Не понятно, зачем нужно было запускать такой сложный эволюционный механизм, вместо того, чтобы просто сменить ареал обитания. Для поддержания ловушек в рабочем состоянии, растению приходится тратить громадное количество энергии, которую можно было бы использовать для более активного роста. Единственное объяснение такой эволюции – это использование для жизни территорий, на которых не могут выжить другие конкуренты из растительного мира.

Современные исследования показали, что при увеличении содержания азота в почве, растения перестают вести активную охоту. Этот факт установила исследовательская группа во главе с доктором Джонатаном Миллетом, в процессе изучения влияния богатых азотом осадков на болотистую почву Швеции. В тех местах, где содержится максимальное количество азота, получение питательных веществ из насекомых падало до 20%. Такое изменение состава почвы может сослужить плохую службу хищным растениям, так как болота станут доступными для произрастания тех видов, которые смогут выиграть конкурентную борьбу. Сейчас специалисты даже начали говорить о необходимости спасения хищных растений от вымирания. Основная проблема заключается в том, что насекомоядные растения мало изучены, и ученые не знают, каким образом можно вести их культивацию в заповедниках. Так что, будущее хищной флоры находится под реальной угрозой.

Как растения ловят своих жертв

Хищные растения обитают практически во всех уголках планеты, от тропиков до полярных областей. В зависимости от мест обитания, они выработали два типа охотничьих механизмов – активный и пассивный. В первом случае растения ловят жертв движущимися частями своего организма. Каким образом они это делают, еще не до конца понятно исследователям. В случае пассивной ловли, растения приманивают жертв с помощью запахов и цвета в емкости с пищеварительными ферментами, из которых невозможно выбраться наружу.

Для эффективной охоты растения выработали несколько типов ловушек:

  • Листья с липкой поверхностью.
  • Подвижные «капканы».
  • Засасывающие пузыри.
  • Ловушки в виде кувшинов.
  • Ловчие листья в форме «клешни краба».

Долгое время механизмы ловли растениями насекомых ставили в тупик исследователей. Было абсолютно непонятно, как без нервной системы, мышц и сухожилий растения совершают быстрые движения для охоты на своих жертв. Но современные технологии дали возможность ученым заглянуть глубже в те процессы, которые происходят внутри растений, и получить ответы на часть вопросов.

Ловчие листы венериной мухоловки

Способность венериной мухоловки быстро реагировать на прикосновение насекомого и захватывать его в смертельный капкан в свое время привела в восторг Чарльза Дарвина. И долгое время наука не могла объяснить, как растение способно производить такие стремительные движения. Решение этой загадки привлекло специалистов из трёх университетов: Кембриджа, Гарварда и Прованса. Ученые установили механизм срабатывания ловушки. Сигнал для закрытия створок подают волоски, посылающие электрический импульс. От ложного срабатывания уберегает защитный механизм – насекомому нужно задеть два волоска одновременно или с интервалом не больше 0,75 секунды. Движение происходит за счет перекачивания жидкости из клеток внутренней поверхности листа в клетки наружной поверхности. Изменение тургора приводит лис т в движение, но скорость срабатывания этим механизмом не объясняется. Для объяснения эффекта ученые произвели скоростную видеосъемку, которая показала, что захлопывание ловушки происходит в три фазы:

  • Первый этап длится 1/3 секунды, и за это время происходит 20% закрытия.
  • Второй этап происходит стремительно – 1/10 секунды, за это время ловушка закрывается на 60%.
  • На третьем этапе скорость снова снижается – полное закрытие занимает 1/3 секунды.

Для выяснения причины резкого повышения скорости, на лист были нанесены метки, которые помогли измерить изменение геометрии листа и смещение областей напряжения. На основании полученных данных даже была создана модель листа в виде эластичной, слабоизогнутой раковины. В вогнутых створках накоплена упругая энергия. В открытом положении створки находятся в устойчивом состоянии, но после получения сигнала от волосков, начинается перемещение жидкости, которое искривляет лист, пока он не выйдет из устойчивой позиции. Упругая энергия высвобождается, и лист быстро искривляется в другую сторону, оказываясь в новом устойчивом положении. Движение жидкости внутри клеток продолжается, что тормозит движение. Благодаря этому, последний этап проходит медленно, не травмируя ткань листа. Принцип действия настолько понравился ученым, что специалисты Массачусетского университета начали создавать быстродействующий переключатель на основе напряженной вогнутой пленки.

Катапульта от росянки

В отличие от венериной мухоловки, росянка неспешно окручивает свою жертву длинным листом, и иногда этот процесс может длиться несколько часов. Насекомое приманивается клейкими капельками, похожими на росу, к которым оно и приклеивается. И для того, чтобы удержать крупную жертву, нужно, чтобы она прилипла к нескольким капелькам одновременно.

Австралийская росянка Drosera glanduliger обзавелась приспособлением, которое в разы повысило эффективность охоты. Этот вид обзавелся сухими чувствительными волосками, которые срабатывают как мощная катапульта, забрасывающая жертву в гущу клейких капелек. Точный механизм срабатывания ловушки не выяснен, но ученые предполагают, что это происходит благодаря резкой потере жидкости в некоторых клетках. Ловушка срабатывает за 75 миллисекунд, что на 25 миллисекунд быстрее движения венериной мухоловки. Действие катапульты одноразовое – у растения нет механизма приведения волоска в обратное положение. Такой механизм позволяет растению ловить крупные жертвы, которые отрываются от 1-2 капелек клея.

Вакуумные ловушки пузырчатки

Это хищное растение отличается тем, что живет под водой. И для ловли жертв оно выработало уникальный тип ловушек. У пузырчатки имеются листы с полостями и специальными клапанами. Растение создает вакуум внутри листа. И при открытии клапана внутрь листа на большой скорости втягивается вода вместе с микроскопическими формами жизни. Все внутренние стенки покрыты железами, ответственными за выработку пищеварительных ферментов и всасывание питательных веществ. Правда, ученые еще не выяснили, какие именно железы за что отвечают. Выкачивание воды из пузырька для создания отрицательного давления длится около часа, и точный механизм этого процесса еще не установлен. Срабатывание ловушки происходит после того, как жертва задевает сигнальные волоски. В отличие от вышеописанных ловушек, система ловли пузырчатки работает много раз подряд и не требует отращивать новые листы после каждой успешной охоты.

Ударная крышечка ловчего кувшинчика

Растение Nepenthes gracilis произрастает в Азии, и оно научилось использовать дождь для ловли насекомых. Растения из семейства непентес используют листья в форме кувшинчика, часть которого смазана нектаром для ловли насекомых и мелких животных. Самые крупные представители способны даже поймать мышей и ящериц. А описываемое нами растение использует ежедневные тропические дожди для повышения эффективности охоты. Крышечка кувшинчика имеет такую форму, что при попадании на нее дождевой капли, она делает молниеносный удар, и, если в этот момент под крышечкой находится насекомое, то оно сбивается прямо в пищеварительную жидкость внутри кувшинчика. К тому же, листы покрыты воском, который во время дождя обволакивается тонкой пленкой воды, что делает ее очень скользкой, и выбраться наружу не представляется возможным. Зато во время сухой погоды кувшинчик абсолютно безопасен, и насекомые приходят полакомиться нектаром. Эффективность работы крышечки довольно высока – 40% насекомых сбивается внутрь. А за счет повышенной жесткости и оптимального размера, крышечка бьет так, что влетает внутрь кувшина и может сбить не только муравьев, но и крупных жуков.

Наличие на нашей планете хищных растений показывает то, что живые организмы способны на любые превращения для того, чтобы выживать в сложных условиях. Будем надеяться, что деятельность человека не создаст такие изменения в окружающей среде, что хищные растения вымрут. И у науки еще будет время для полного изучения всех тайн насекомоядных растений.