Hagop Atamian / U.C. Davis

Amerykańscy naukowcy odkryli, jakie mechanizmy odpowiadają za orientację słonecznika oleistego ( Helianthus annuus) na Słońcu i jakie ma ono znaczenie ewolucyjne. Okazało się, że zdolność obracania się pod wpływem światła słonecznego (heliotropizm) wiąże się ze skoordynowaną pracą mechanizmów światłoczułych i rytmów dobowych rośliny. Wyniki prac zostały opublikowane w czasopiśmie Nauki ścisłe.

Młode słoneczniki w ciągu dnia skręcają za Słońcem ze wschodu na zachód, a nocą zawracają, by rano ponownie spotkać się ze słońcem. Kwitnące rośliny zatrzymują ten ruch i zawsze zwracają się na wschód. Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, pracownicy uniwersytetów Kalifornii i Wirginii przeprowadzili serię eksperymentów w terenie i w pomieszczeniach.

W pierwszym etapie pracy sztucznie utrwalili niektóre z eksperymentalnych słoneczników, uniemożliwiając im podążanie za Słońcem. Całkowita biomasa i powierzchnia liści takich roślin okazała się średnio o 10 proc. mniejsza niż roślin uprawianych bez ograniczeń. Tak więc odwrócenie się za Słońce jest konieczne dla młodych roślin dla bardziej intensywnego wzrostu.

Odwrotny zwrot na wschód w nocy wskazuje, że w proces ten zaangażowane są mechanizmy regulacji rytmów okołodobowych. Naukowcy potwierdzili to, przynosząc słoneczniki z pola do pomieszczenia ze stałym oświetleniem (rośliny wirowały jeszcze przez kilka dni) i nakładając na nie sztuczny 30-godzinny cykl oświetlenia (rytm rotacji roślin zbłądził, powrót do normy w cyklu 24-godzinnym).

Słonecznik nie posiada poduszek liściowych – specjalnych narządów ruchu, które zapewniają heliotropizm niektórym gatunkom roślin. Biorąc pod uwagę, że amplituda ruchów słonecznika zmniejsza się w miarę dorastania, aż do całkowitego braku dojrzałych roślin, naukowcy zasugerowali, że rotacja słonecznika za Słońcem zapewnia nierównomierne wydłużenie łodygi w ciągu dnia. Eksperymenty z roślinami pozbawionymi gibereliny hormonu wzrostu, a także badania aktywności genów po zachodniej i wschodniej stronie łodygi potwierdziły tę hipotezę. Ponadto okazało się, że wzrost po zachodniej stronie łodygi, który jest intensywniejszy w nocy, następuje „domyślnie”, a niezbędny w dzień wzrost po stronie wschodniej jest regulowany mechanizmami światłoczułymi ( w szczególności redystrybucja hormonu auksyny pod wpływem fototropin).

Zmiany temperatury kwiatów w ciągu dnia

Evan Brown / Uniwersytet Wirginii

Kiedy słonecznik przestaje rosnąć i kwitnie, mechanizmy dobowe i światłoczułe tracą na znaczeniu, pozostawiając roślinę zorientowaną na wschód. Skręcając niektóre z eksperymentalnych słoneczników na zachód, naukowcy byli przekonani, że takie rośliny, w przeciwieństwie do tych zwróconych na wschód, praktycznie nie są zainteresowane zapylaniem owadów. Całodobowe rejestrowanie temperatury wykazało, że kwiaty zorientowane na wschód nagrzewają się znacznie lepiej i szybciej, wabiąc owady. Po sztucznym podgrzaniu kwiatów skierowanych na zachód powróciło zainteresowanie nimi zapylaczy.

Skręty młodych słoneczników za Słońcem są więc zapewnione przez wspólną pracę mechanizmów okołodobowych i światłoczułych, służą do intensywnego przyrostu biomasy. Orientacja dorosłych roślin na wschód jest niezbędna do ich ocieplenia, co przyciąga owady zapylające.

Seria eksperymentów wykazała, że ​​ruch słonecznika odpowiada 24-godzinnemu rytmowi dobowemu. Naukowcy próbowali „oszukać” rośliny, sztucznie zmieniając czas trwania ruchu źródła światła do 30 godzin. Jednak w tym przypadku słoneczniki poruszały się nierównomiernie, co wpłynęło na ich wzrost, przyrost biomasy i plon.

Wiadomo, że kwiatostany słonecznika obracają się po słońcu w ciągu dnia, a nocą ponownie zmieniają swoje położenie, aby o świcie „patrzyć” na wschód. Po zniknięciu słoneczników przestają zwracać się w stronę słońca.

Naukowcy wyjaśniają, że ruch kwiatostanu słonecznika następuje z powodu nierównomiernego wzrostu rośliny. Jedna strona łodygi rośnie szybciej niż druga, powodując obracanie się kwiatostanu.

W innym eksperymencie naukowcy sztucznie ograniczyli ruch roślin. Związali niektóre pąki, aby nie mogły się obracać, lub obrócili doniczki, aby rośliny nie patrzyły rano na słońce. Okazało się, że liście obu grup słoneczników były o 10% mniejsze niż roślin podążających za słońcem.

Oprócz gromadzenia większej ilości biomasy słoneczniki zyskały jeszcze jedną zaletę: rośliny zwrócone ku słońcu są znacznie bardziej atrakcyjne dla owadów. Pięć razy więcej pszczół podleciało rano do kwiatów zwróconych na wschód.

„Pszczoły szaleją na punkcie roślin skierowanych na wschód, ignorując kwiaty skierowane na zachód”, mówi Stacey Harmer z University of California w Davis. „Po słonecznej stronie rośliny szybciej się nagrzewają, a ciepłe kwiaty przyciągają więcej zapylaczy”.

Anna Chotejewa

Sekwencja Fibonacciego odkryta w kwiatku słonecznika

Według biologów duże kwiaty są jednym z najbardziej oczywistych i najpiękniejszych przykładów ciągu Fibonacciego. Ten ciąg liczb jest ciągiem liczb naturalnych, gdzie każda kolejna liczba jest równa sumie dwóch poprzednich. Sekwencja może wyglądać tak: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144…

Naukowcy odkryli, że nasiona są ułożone w dwa rzędy spiral, z których jeden biegnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara, a drugi przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Według naukowców w większości kwiatostanów słonecznika można znaleźć kombinację liczb zawartych w ciągu Fibonacciego - na przykład 34 i 55 lub 55 i 89. A jeśli masz przed sobą bardzo duży słonecznik, możesz liczyć 89 i 144 nasiona.

W 2012 roku Muzeum Nauki i Przemysłu w Manchesterze (Wielka Brytania), na cześć stulecia urodzin matematyka, uruchomiło niezwykły projekt – Turing Sunflowers, zapraszając wszystkich do uprawy słonecznika i przyniesienia kwiatu do muzeum (lub wyślij zdjęcie zakładu).

Efektem tego projektu jest zebranie 657 fotografii, których przetworzenie i analiza zajęły prawie cztery lata. Ponieważ nasiona są zwykle wyraźnie widoczne w kwiatostanie słonecznika, naukowcy byli w stanie policzyć ich liczbę i potwierdzić, że wzór Fibonacciego jest rzeczywiście widoczny w kwiatach.

Biolodzy wciąż nie mogą zrozumieć mechanizmu, z którym wiąże się „zaangażowanie” niektórych roślin w sekwencje liczbowe. Problem polega na tym, że rośliny nie zawsze pokazują ten wzór. W przypadku badanych kwiatów słonecznika układy nasienne odpowiadające sekwencji Fibonacciego stwierdzono u około 80% roślin. Pozostałe kwiatostany wykazywały bardziej złożone wzory.

Anna Chotejewa

Odniesienie

Brytyjski matematyk Alan Turing interesował się takimi prawidłowościami w pierwszej połowie ubiegłego wieku. Naukowiec zasłynął opracowaniem w czasie II wojny światowej metody, która pomogła złamać kod niemieckiej maszyny szyfrującej Enigma. Ponadto Turing miał znaczący wpływ na rozwój informatyki i sztucznej inteligencji. Po wojnie naukowiec zainteresował się wzorami matematycznymi w roślinach.

Dawno temu ludzie zauważyli, że młode kwiaty słonecznika w ciągu dnia obracają się po słońcu, a nocą wracają do swojej pierwotnej pozycji, aby rano ponownie spotkać go na wschodzie. Ale do tej pory naukowcy nie potrafili rozwiązać tej zagadki: co sprawia, że ​​rośliny wykonują swój codzienny rytuał i dlaczego „kult” z czasem ustaje?

W poszukiwaniu odpowiedzi Stacey Harmer z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis i jej koledzy przeprowadzili serię eksperymentów.

W pierwszym etapie zmieniono warunki dla słoneczników rosnących w ich naturalnym środowisku. Naukowcy „unieruchomili” jedną grupę, aby rośliny w ogóle nie mogły się obracać, a drugą unieruchomiono w taki sposób, że słoneczniki skręcały na zachód o wschodzie słońca. Gdy kwiaty dorosły okazało się, że liście w obu grupach były o 10% mniejsze niż u roślin „wolnych”. Potwierdziło to przeczucie, że ekspozycja na słońce jest konieczna, aby słoneczniki rosły bardziej efektywnie.

Wtedy naukowcy postanowili sprawdzić, co powodowało rytmiczne „tańce” słoneczników – wewnętrzny zegar czy warunki środowiskowe.

Przenieśli rośliny rosnące na zewnątrz do pomieszczenia ze stałym oświetleniem nad głową i odkryli, że słoneczniki przez kilka dni obracały się z boku na bok, tak jak to robili wcześniej.

Następnie naukowcy umieścili rośliny w specjalnym pomieszczeniu z ciągiem lamp, które włączały się kolejno, symulując ruch słońca. Kiedy naukowcy zaprogramowali sztuczne oświetlenie na trzydziestogodzinny cykl „dzień” i „noc”, rośliny obracały się z boku na bok bez regularnego harmonogramu. Ale kiedy reżim świetlny powrócił do normy, słoneczniki ściśle przestrzegały sztucznego „słońca”, pokazując, że wewnętrzne rytmy dobowe odgrywają ważną rolę w ruchu kwiatu.

Ale przede wszystkim biologów interesowało pytanie, dlaczego po kwitnieniu słoneczniki przestają kręcić się na boki i zamarzają, „patrząc” w kierunku wschodu słońca. Następnie zespół Harmera skierował część roślin na zachód, a następnie policzył liczbę pszczół i innych zapylaczy, które wylądowały na kwiatach w różnych częściach świata.

Okazało się, że w godzinach porannych owady pięciokrotnie częściej odwiedzały kwiaty skierowane na wschód niż te zwrócone w przeciwnym kierunku.

„Widać, że pszczoły po prostu szaleją na punkcie kwiatów skierowanych na wschód i prawie nie zwracają uwagi na rośliny skierowane na zachód” – zauważa Stacey Harmer.

Wcześniejsze badania wykazały, że zapylacze preferują cieplejsze kwiaty, dlatego bardziej popularne są słoneczniki, które otrzymują większą dawkę porannych promieni.

„Zawsze zdumiewało mnie, jak złożone są rośliny", kontynuuje Harmer. „Są naprawdę biegli w adaptacji do swojego środowiska".

Wyniki badania, opublikowane w Science, stawiają bardziej złożone pytania. Na przykład, w jaki sposób rośliny informują o czasie i jak znajdują właściwy kierunek, gdy skręcają w ciemności do miejsca, w którym wschodzi słońce?

Jednak zdaniem ekspertów sam fakt, że słoneczniki mają wewnętrzny zegar i kierują się własnym rytmem, jest „Świętym Graalem” w badaniu ich złożonego zachowania. I, jak podkreślono w komunikacie prasowym z uczelni, jest to pierwszy przykład synchronizacji czasu u roślin żyjących w środowisku naturalnym, która ma bezpośredni wpływ na efektywność wzrostu.

Na początek warto wyjaśnić jedną bardzo ważną rzecz. Stwierdzenie, że słoneczniki zawsze podążają za Słońcem, jest prawdziwe tylko wtedy, gdy mówimy o młodych, jeszcze nierozwiniętych kwiatach słonecznika. Wbrew powszechnemu przekonaniu, dojrzałe kwiaty słonecznika nie podążają za Słońcem i zwykle kierują się na wschód.
Nieotwarte pąki słonecznika naprawdę podążają za słońcem, zmieniając swoją pozycję w ciągu dnia. Zjawisko to nazywa się heliotropizmem (patrz akapit na końcu artykułu).

Oglądanie słońca jest niezbędne, aby słoneczniki rosły bardziej efektywnie. Naukowcy naprawili rośliny, uniemożliwiając im obracanie się lub odwrotnie, obracali doniczki, zakłócając naturalny bieg ruchu. W obu przypadkach liście roślin okazały się o około 10% mniejsze niż u sąsiadów, którzy spokojnie odwrócili się po Słońcu.

Ponadto eksperci umieścili kilka kropek na łodydze za pomocą markera, aby zbadać, jak słonecznik porusza się za Słońcem. Naukowcy monitorowali kropki za pomocą kamery wideo. Jeśli odległość między nimi się zmieniła, oznaczało to, że łodyga kwiatu rosła w miejscu narysowania tych punktów.
Kiedy w ciągu dnia rośliny podążały za Słońcem, wschodnia strona łodygi rosła szybciej niż zachodnia, powodując, że sam kwiat zwracał się w kierunku Słońca. A w nocy strona zachodnia rosła szybciej, a łodyga obróciła się w drugą stronę.

Sekret ruchu słonecznika tkwi w nierównomiernym wzroście jego łodygi. Według naukowców bezpośrednie światło słoneczne zabija hormony wzrostu zawarte w łodydze, zwane auksynami. Nierównomierne rozmieszczenie tych hormonów w łodydze powoduje, że słonecznik rośnie wolniej po stronie słonecznej i szybciej po stronie zacienionej, przechylając w ten sposób całą łodygę w stronę słońca. Wraz ze zmianą położenia słońca zmienia się również rozkład auksyn wzdłuż łodygi, co z kolei prowadzi do zmiany nachylenia kwiatu.

W ten sposób ruch rośliny odbywa się za pomocą specjalnych komórek motorycznych zaangażowanych w mechanizm wzrostu i znajdujących się w elastycznej podstawie kwiatu. Okazało się, że ruch ten zależny był od wewnętrznego zegara rośliny – rytmów dobowych, które kontrolują różne procesy życiowe związane z nadejściem dnia, nocy, poranka i wieczoru. „Zegar” kontroluje tempo wzrostu i powoduje, że jedna strona łodygi rośnie szybciej niż druga. Z tego powodu słonecznik stopniowo obraca się po Słońcu.

Gdy słonecznik dojrzewa, a kwiat się otwiera, ogólny wzrost spowalnia, a rośliny przestają się poruszać w ciągu dnia, pozostając zorientowane na wschód. Faktem jest, że roślina silniej reaguje na światło słoneczne wczesnym rankiem niż po południu, więc w ciągu dnia stopniowo przestaje poruszać się na zachód.

Jak poruszają się słoneczniki w nocy?
Jak wszyscy wiemy, nieotwarte pąki słonecznika spotykają się rano ze słońcem na wschodzie i widzą je wieczorem na zachodzie. Tutaj można by dokończyć nasz artykuł, gdyby nie jedno „ale”: rano pąki słonecznika znów kierowane są na wschód! Powstaje logiczne pytanie: „jak?” Dlaczego słonecznik porusza się w nocy, bez wpływu słońca? Co więcej, w nocy ruchy słonecznika zachodzą ze znacznie większą prędkością niż w ciągu dnia.
Ku naszemu przerażeniu naukowcy nie mogą jeszcze odpowiedzieć na to pytanie z całą pewnością. Według jednej z teorii, w nocy komórki słonecznika uwalniają energię, która nagromadziła się, gdy łodyga jest pochylona, ​​„odbijając” kwiat z powrotem. Według innej teorii ruch łodygi w nocy nie zależy od słońca i wynika z „wewnętrznego zegara” samego słonecznika.
Dlaczego dorosły słonecznik zawsze zwraca się na wschód?
Wraz ze wzrostem łodygi i ciężarem kwiatu redystrybucja hormonów wzrostu ma coraz mniej zauważalny efekt. W końcu kwiat słonecznika staje się zbyt ciężki, aby go ruszyć. Dlatego po dojrzeniu słonecznik nie podąża już za Słońcem i zawsze wskazuje na wschód. Ale dlaczego na wschód?
Naukowcy również nie mają dokładnej odpowiedzi na to pytanie. Niektórzy uczeni twierdzą, że pewnej nocy kwiat „wiśnie” na wschód i nie jest już w stanie powtórzyć swojej wędrówki na zachód.
Tak czy inaczej, naukowcy nadal badają słonecznik, który niespodziewanie dla wielu okazał się czymś znacznie bardziej złożonym niż tylko kwiat, który stale podąża za Słońcem.

Heliotropizm kwiatów
Kwiaty heliotropowe śledzą ruch Słońca po niebie w ciągu dnia, ze wschodu na zachód. W nocy kwiaty mogą orientować się dość chaotycznie, ale o świcie kierują się na wschód, w stronę wschodzącego słońca. Ruch odbywa się za pomocą specjalnych komórek motorycznych umieszczonych w elastycznej podstawie kwiatu. Komórki te są pompami jonowymi, które dostarczają jony potasu do pobliskich tkanek, co zmienia ich turgor. Segment ugina się na skutek wydłużenia komórek motorycznych znajdujących się po stronie cienia (ze względu na wzrost hydrostatycznego ciśnienia wewnętrznego). Heliotropizm to odpowiedź rośliny na niebieskie światło. Jednym z najbardziej heliotropowych kwiatów jest słonecznik, który podąża za słońcem większość innych kwiatów, zwłaszcza w młodym wieku, aż jego głowa rośnie do dużych rozmiarów i staje się zbyt ciężka, aby się poruszać (w tym czasie wszystkie jego siły koncentrują się na dojrzewanie nasion ). W mniejszym lub większym stopniu prawie wszystkie kwiaty są heliotropowe.
Niektóre rośliny podążające za słońcem nie są czystymi heliotropami: ich dobowe ruchy są inicjowane przez światło słoneczne i często trwają przez jakiś czas po jego zniknięciu.
Istnieje powszechne błędne przekonanie, że słoneczniki „rozciągają się” w kierunku słońca (heliotropizm). W rzeczywistości dojrzałe kwiaty słonecznika zwykle są skierowane na wschód i nie poruszają się. Jednak pąki słonecznika (przed kwitnieniem) mają heliotropizm. W ciągu dnia zmieniają swoją orientację ze wschodu na zachód.

Naukowcy wyhodowali kilka słoneczników, niektóre z nich posadziły w laboratorium, gdzie światło było stale włączone, a inne - na zwykłym polu, donosi Nauka. Naukowcy umieścili niektóre rośliny w donicach, aby nie mogły obracać się w kierunku Słońca.

Jak słonecznik zamienia się w słońce

Specjaliści umieszczają kilka kropek na łodydze markerem, aby zbadać, jak słonecznik porusza się za Słońcem. Naukowcy monitorowali kropki za pomocą kamery wideo. Jeśli odległość między nimi się zmieniła, oznaczało to, że łodyga kwiatu rosła w miejscu narysowania tych punktów.

Okazało się, że ruch rośliny zależny jest od jej wewnętrznego zegara – zestawu światłoczułych białek i „połączonych” z nimi genów, które kontrolują różne procesy życiowe związane z nadejściem dnia, nocy, poranka i wieczoru. „Zegar” kontroluje tempo wzrostu i powoduje, że jedna strona łodygi rośnie szybciej niż druga. Z tego powodu słonecznik stopniowo obraca się po Słońcu.

W laboratorium, gdzie sztucznie zmieniano długość dnia, słoneczniki traciły zdolność orientacji względem Słońca, nawet gdy sztuczne źródło światła poruszało się jak prawdziwa gwiazda. Wpłynęło to negatywnie na tempo wzrostu kwiatów, rekrutację biomasy i rozwój nasion.

Naukowcy zauważyli, że dzięki temu, że słonecznik porusza się za Słońcem, kwiat szybciej się nagrzewa i przyciąga więcej zapylaczy.

Dodajemy, że zdolność roślin do zajmowania określonej pozycji pod wpływem światła słonecznego nazywa się heliotropizmem. Kwiaty heliotropowe śledzą ruch Słońca po niebie w ciągu dnia, ze wschodu na zachód. W nocy kwiaty mogą orientować się dość chaotycznie, ale o świcie kierują się na wschód, w stronę wschodzącego słońca. W mniejszym lub większym stopniu prawie wszystkie kwiaty są heliotropowe.