Hagop Atamian / U.C. Davis
Американские ученые выяснили, какие механизмы отвечают за ориентацию масличного подсолнечника (Helianthus annuus ) на Солнце и какое эволюционное значение это имеет. Оказалось, что способность поворачиваться под действием солнечного света (гелиотропизм) связана с согласованной работой светочувствительных механизмов и циркадианных ритмов растения. Результаты работы опубликованы в журнале Science .
Молодые подсолнечники в течение светового дня поворачиваются вслед за Солнцем с востока на запад, а ночью - обратно, чтобы с утра снова встречать солнечный свет. Расцветшие растения прекращают это движение и всегда обращены на восток. Чтобы понять, за счет чего это происходит, сотрудники Университетов Калифорнии и Виргинии провели ряд экспериментов в поле и закрытом помещении.
На первом этапе работы они искусственно фиксировали часть подопытных подсолнечников, не давая им следовать за Солнцем. Общая биомасса и площадь листьев таких растений оказалась в среднем на 10 процентов меньше, чем у росших без ограничений. Таким образом, поворот за Солнцем необходим молодым растениям для более интенсивного роста.
Обратный поворот на восток в течение ночи указывает на то, что в этом процессе задействованы механизмы регуляции циркадных ритмов. Ученые подтвердили это, внося подсолнечники с поля в помещение с постоянным освещением (растения еще несколько суток продолжали вращение) и навязывая им искусственный 30-часовой цикл освещения (ритм поворотов растений сбивался, возвращаясь к норме при 24-часовом цикле).
У подсолнечника нет листовых подушечек - специальных двигательных органов, которые обеспечивают гелиотропизм у некоторых видов растений. Учитывая то, что амплитуда движений подсолнечника убывает по мере роста вплоть до полного отсутствия у зрелых растений, ученые предположили, что повороты подсолнечника за Солнцем обеспечивает неравномерное удлинение стебля в течение суток. Эксперименты с растениями, лишенными гормона роста гиббереллина, а также изучение активности генов в западной и восточной сторонах стебля подтвердило эту гипотезу. Причем оказалось, что рост западной стороны стебля, более интенсивный ночью, происходит «по умолчанию», а необходимый днем рост восточной - регулируется светочувствительными механизмами (в частности перераспределением гормона ауксина под действием фототропинов).
Изменения температуры цветка в течение суток
Evan Brown / University of Virginia
Когда подсолнечник прекращает расти и зацветает, циркадианные и светочувствительные механизмы утрачивают свое значение, оставляя растение ориентированным на восток. Разворачивая часть подопытных подсолнечников к западу, ученые убедились, что такими растениями, в отличие от повернутых на восток, практически не интересуются насекомые-опылители. Круглосуточная регистрация температуры показала, что ориентированные на восток цветы значительно лучше и быстрее прогреваются, привлекая насекомых. Когда повернутые к западу цветы нагревали искусственно, интерес опылителей к ним возвращался.
Таким образом, повороты молодых подсолнечников за Солнцем обеспечены совместной работой циркадианных и светочувствительных механизмов, они служат для интенсивного набора биомассы. Ориентация взрослых растений на восток необходима для их прогревания, которое привлекает насекомых-опылителей.
Подсолнухи, под солнцем.
Есть устоявшееся мнение, что головка подсолнечника повораживается вслед за солнцем.
Вчера я убедился, что это миф.
Под катом есть свежие фото подтверждающие, что солнце светит в "затылок" подсолнуха:)
И реальное положение дел
Итак как мы видим, подсолнухи не вращаются за движением солнца.
Но в мифе есть доля правды.
А именно, подсолнух смотрит на солнце в момент восхода.
И он всегода смотрит на восток.
А вот когда солнце идет на закат, то подсолнух не движется за ним.
Он как бы ждет следующего восхода:)
Явление о которм говорится в мифе называется Гелиотропизмом.
Вот что об этом говорится в википедии.
Широко распространено ложное мнение, что подсолнечники "тянутся" к солнцу (гелиотропизм) ] . На самом деле, зрелые цветки подсолнечника обычно направлены на восток и не двигаются.
Листья и почки молодых подсолнечников обладают гелиотропизмом. Они изменяют свою ориентацию с востока на запад в течение дня.
Ученые вырастили несколько подсолнухов, часть из них высадили в лаборатории, где постоянно был включен свет, а другую - на обычном поле, сообщает Science. Некоторые растения исследователи закрепили в кадках, чтобы они не могли поворачиваться за Солнцем.
Как подсолнух поворачивается к Солнцу
Специалисты поставили на стебле несколько точек маркером, чтобы изучить, как движется подсолнух за Солнцем. За точками ученые следили с помощью видеокамеры. Если расстояние между ними менялось, это означало, что стебель цветка рос там, где были нарисованы эти точки.
Выяснилось, что движение растения зависело от его внутренних часов - набора светочувствительных белков и «подключенных» к ним генов, которые управляют различными жизненными процессами, связанными с наступлением дня, ночи, утра и вечера. «Часы» контролируют скорость роста и заставляют одну сторону стебля расти быстрее, чем другую. Благодаря этому, подсолнечник постепенно поворачивается вслед за Солнцем.
В лаборатории, где длительность дня менялась искусственным образом, подсолнухи теряли способность ориентироваться на Солнце, даже когда искусственный источник света двигался, как и реальное светило. Это негативно сказывалось на скорости роста цветка, наборе биомассы и развитии семечек.
За счет того, что подсолнух движется за Солнцем, цветок быстрее прогревается и привлекает больше опылителей, отметили ученые.
Добавим, что способность растений принимать определенное положение под влиянием солнечного света называется гелиотропизм. Гелиотропные цветы отслеживают движение Солнца по небу в течение дня, с востока - на запад. Ночью цветы могут ориентироваться достаточно бессистемно, но с рассветом они поворачиваются на восток, к восходящему светилу. В большей или меньшей степени, почти все цветы являются гелиотропными.
Для начала стоит прояснить одну очень важную вещь. Утверждение о том, что подсолнухи всегда следуют за Солнцем справедливо только в том случае, если мы говорим о молодых, еще не раскрывшихся цветках подсолнечника. Вопреки распространенному мнению, зрелые цветки подсолнуха не поворачиваются за Солнцем и обычно направлены на восток.
Нераскрывшиеся бутоны подсолнечника действительно следуют за Солнцем, меняя свое положение в течение дня. Этот феномен называется гелиотропизмом (см абзац в конце статьи).
Наблюдение за Солнцем необходимо подсолнухам для более эффективного роста. Ученые фиксировали растения, не давая им повернуться, или, наоборот, вращали горшки, нарушая естественный ход движений. И в том, и в другом случае листья растений оказывались примерно на 10% меньше, чем у соседей, которые спокойно поворачивались за Солнцем.
Кроме того, специалисты ставили на стебле несколько точек маркером, чтобы изучить, как движется подсолнух за Солнцем. За точками ученые следили с помощью видеокамеры. Если расстояние между ними менялось, это означало, что стебель цветка рос там, где были нарисованы эти точки.
Когда днем растения поворачивались вслед за Солнцем, восточная сторона стебля росла более быстрыми темпами, чем западная, в результате сам цветок поворачивался к Солнцу. А в ночное время западная сторона росла быстрее, и стебель поворачивался в другую сторону.
Секрет движения подсолнечника кроется в неравномерном росте его стебля. По утверждениям ученых, прямые солнечные лучи убивают содержащиеся в стебле гормоны роста, которые называются ауксинами. Неравномерное распределение этих гормонов по стеблю, заставляет подсолнечник расти медленнее с солнечной стороны и быстрее с теневой, наклоняя таким образом весь стебель к солнцу. С изменением положения солнца, меняется и распределение ауксинов по стеблю, что в свою очередь, ведет к изменению наклона цветка.
Таким образом движение растения осуществляется при помощи специальных моторных клеток, участвующих в механизме роста и находящихся в гибком основании цветка. Выяснилось, что это движение зависело от внутренних часов растения – циркадных ритмов, которые управляют различными жизненными процессами, связанными с наступлением дня, ночи, утра и вечера. «Часы» контролируют скорость роста и заставляют одну сторону стебля расти быстрее, чем другую. Благодаря этому подсолнечник постепенно поворачивается вслед за Солнцем.
По мере того как подсолнечник созревает и цветок раскрывается, общий рост замедляется и растения прекращают движение в течение дня, оставаясь ориентированными на восток. Дело в том, что растение реагирует сильнее на солнечный свет рано утром, чем во второй половине дня, поэтому оно постепенно прекращает движение к западу в течение дня.
Как двигаются подсолнухи ночью?
Как мы все знаем, утром нераскрывшиеся бутоны подсолнечника встречают солнце на востоке, а вечером провожают его на западе. Здесь можно было и закончить нашу статью, если бы не одно «но»: с утра бутоны подсолнечника вновь направлены на восток! Возникает вполне логичный вопрос: «как?» Почему ночью, без какого-либо воздействия Солнца, подсолнечник продолжает движение? Более того, ночью движения подсолнечника происходят с гораздо большей скоростью, чем днем.
К нашему всеобщему разочарованию, ученые пока не могут с уверенностью ответить на этот вопрос. По одной из теорий, ночью клетки подсолнуха выпускают энергию, которая скопилась при наклонении стебля, «отпружинивая» цветок обратно. По другой теории, ночное движение стебля не зависит от солнца и обусловлено «внутренними часами» часами самого подсолнуха.
Почему взрослый цветок подсолнуха всегда смотрит на восток?
С ростом стебля и утяжелением цветка, перераспределение гормонов роста производит все менее заметный эффект. В конце концов, цветок подсолнуха становится слишком тяжелым, чтобы двигаться. Поэтому после созревания подсолнечник больше не следует за Солнцем и всегда направлен на восток. Но почему именно на восток?
У исследователей также нет точного ответа на этот вопрос. Некоторые ученые утверждают, что в одну из ночей цветок «отпружинивает» в восточную сторону и уже больше не способен повторить свое путешествие на запад.
Как бы то ни было, ученые продолжают исследования подсолнечника, который неожиданно для многих оказался чем-то гораздо более сложным, чем просто цветком, постоянно следующим за Солнцем.
Гелиотропизм цветов
Гелиотропные цветы отслеживают движение Солнца по небу в течение дня, с востока - на запад. Ночью цветы могут ориентироваться достаточно бессистемно, но с рассветом они поворачиваются на восток, к восходящему светилу. Движение осуществляется при помощи специальных моторных клеток, находящихся в гибком основании цветка. Данные клетки являются ионными насосами, доставляющими ионы калия в близлежащие ткани, что изменяет их тургор. Сегмент изгибается из-за удлинения моторных клеток, расположенных на теневой стороне (вследствие роста гидростатического внутреннего давления). Гелиотропизм является ответом растения на синий свет. Одним из самых гелиотропных цветов является подсолнух, который наиболее других цветов «ходит» за солнцем, особенно в раннем возрасте, пока его головка не вырастет до большого размера и не станет слишком тяжёлой, чтобы двигаться (в это время все его силы сосредотачиваются на созревании семян). В большей или меньшей степени, почти все цветы являются гелиотропными.
Некоторые следящие за солнцем растения не являются чистыми гелиотропами: их циркадные движения инициализируются солнечным светом, и, зачастую, продолжаются еще некоторое время после его исчезновения.
Широко распространено ложное мнение, что подсолнечники «тянутся» к солнцу (гелиотропизм). На самом деле, зрелые цветки подсолнечника обычно направлены на восток и не двигаются. Однако, бутоны подсолнечника (до зацветания) обладают гелиотропизмом. Они изменяют свою ориентацию с востока на запад в течение дня.
Серия экспериментов показала: движение подсолнечника соответствует 24-часовому циркадному ритму. Ученые попытались «обмануть» растения, искусственно поменяв длительность движения источника освещения до 30 часов. Однако в этом случае подсолнухи двигались неравномерно, что отразилось на их росте, наборе биомассы и урожайности
Известно, что соцветия подсолнечника поворачиваются вслед за солнцем в течение дня, а ночью снова меняют свое положение, чтобы с рассветом «смотреть» на восток. После того как подсолнухи отцветают, они прекращают поворачиваться в сторону солнца.
Ученые объясняют, что движение соцветия подсолнечника возникает из-за неравномерного роста растения. Одна сторона стебля растет быстрее другой, в результате чего соцветие поворачивается.
В другом эксперименте ученые искусственно ограничивали движение растений. Они привязали некоторые соцветия, чтобы те не могли вращаться, либо разворачивали горшки так, чтобы утром растения не были обращены к солнцу. Выяснилось, что листья обеих групп подсолнечника были на 10% меньше, чем у растений, следовавших за солнцем.
Помимо накопления большей биомассы, подсолнухи приобрели еще одно преимущество: обращенные к солнцу растения гораздо привлекательнее для насекомых. К цветам, обращенным утром на восток, подлетало в пять раз больше пчел.
«Пчелы сходят с ума от растений, которые повернуты на восток, игнорируя при этом соцветия, повернутые на запад, — говорит Стэйси Хармер из Университета Калифорнии в Дэвисе. — На солнечной стороне растения прогреваются быстрее, и теплые цветы привлекают больше опылителей».
Анна Хотеева
В цветке подсолнечника обнаружена последовательность Фибоначчи
По мнению биологов, крупные цветы являются одной из самых очевидных и красивых демонстраций последовательности Фибоначчи. Эта числовая последовательность представляет собой ряд натуральных чисел, где каждое последующее число равно сумме двух предыдущих. Последовательность может выглядеть так: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144…
Исследователи выяснили, что семечки упорядочены в два ряда спиралей, один из которых идет по часовой стрелке, другой — против. По словам ученых, в большинстве соцветий подсолнечника можно обнаружить сочетание цифр, входящих в последовательность Фибоначчи — например, 34 и 55 или 55 и 89. А если перед вами очень большой подсолнух, то можно насчитать 89 и 144 семечки.
В 2012 году Музей науки и промышленности в Манчестере (Великобритания) в честь столетия со дня рождения математика запустил необычный проект — «Подсолнухи Тьюринга», предложив всем желающим вырастить подсолнечник и принести цветок в музей (либо отправить фотографию растения).
Этот проект позволил собрать 657 фотографий, на обработку и анализ которых ушло почти четыре года. Поскольку в соцветии подсолнечника обычно хорошо просматриваются семена, ученые смогли подсчитать их количество и подтвердить, что в цветах действительно прослеживается закономерность Фибоначчи.
Биологи пока не могут понять механизм, с которым связана «приверженность» тех или иных растений к числовым последовательностям. Проблема в том, что растения не всегда демонстрируют подобную закономерность. В случае с исследуемыми цветами подсолнуха, узоры семян, соответствующие последовательности Фибоначчи, обнаружили примерно у 80% растений. Остальные соцветия продемонстрировали более сложные узоры.
Анна Хотеева
Справка
Британский математик Алан Тьюринг интересовался подобными закономерностями еще в первой половине прошлого века. Ученый прославился тем, что во время Второй мировой войны разработал метод, который помог взломать код немецкой шифровальной машины Enigma. Кроме того, Тьюринг оказал существенное влияние на развитие информатики и искусственного интеллекта. После войны ученый увлекся математическими закономерностями в растениях.
