Хищные растения: комарам не сбежать
Растения, привязанные к конкретному месту, вынуждены искать особые способы получения жизненно важных питательных веществ. Большинство из них развило корневую систему для поглощения питательных веществ из почвы. Но что делать, если почва бедна? Хищные растения, такие как венерина мухоловка (Dionaea muscipula), нашли выход из этой дилеммы.
Венерина мухоловка родом из водно-болотных угодий Северной и Южной Каролины на восточном побережье США. Помимо поглощения питательных веществ корнями, это хищное растение ловит добычу листьями, которые могут захлопнуться за доли секунды. Растение способно чувствовать добычу с помощью чувствительных триггерных волосков на внутренней стороне листьев-ловушек. Поскольку насекомые-жертвы бывают разного размера, мухоловка развила ловушки различной величины.
Исследователи из Вюрцбургского и Кембриджского университетов обнаружили, что тактильные сенсоры в этих ловушках реагируют на минимальное давление, преобразуя его в электрические сигналы, которые заставляют ловушку закрываться. Результаты опубликованы в журнале Nature Plants.
Триггерный волосок преобразует прикосновение в электричество
Каждая доля ловушки имеет три-четыре многоклеточных волоска, устойчивых к скручиванию, кроме выемки у основания. Когда насекомое, привлеченное запахом, цветом или нектаром, касается волоска, он изгибается в области непрочного основания. Это растягивает сенсорные клетки с одной стороны и сжимает с другой.
При такой деформации тактильные сенсоры преобразуют механическую энергию в электрические сигналы, запуская потенциал действия, который быстро распространяется от основания волоска по всей ловушке. Если волосок коснутся второй раз в течение короткого промежутка времени, процесс повторится — и только тогда ловушка закроется.
Минимальное отклонение запускает электрическую стимуляцию
Чтобы измерить, насколько насекомое отклоняет волосок, и определить минимальный размер и вес жертвы, ученые использовали муравьев-листорезов. Одиночные ловушки разместили на тропе муравьиной колонии, а контакты записали высокоскоростной камерой. Анализ показал минимальное и максимальное отклонение триггерного волоска на 3,5 и 7,5 градусов соответственно.
Затем муравьев заменили компьютерными микроманипуляторами с датчиками силы, которые постепенно меняли угол отклонения. Ученые обнаружили, что детекторы напряжения регистрируют потенциал действия уже при отклонении около 2,9 градусов. Это означает, что венерина мухоловка обнаруживает даже самое слабое прикосновение муравья-листореза.
Ловушка на каждый размер мухи
Сила, создаваемая при ходьбе муравья или мухи, примерно эквивалентна их весу. Так, муха весом 10 мг способна генерировать 100 микроньютонов — силы, достаточной для срабатывания большой ловушки. Однако, если в такую большую ловушку попадет комар весом всего 3 мг, триггерные волоски не отклонятся.
Но поскольку комар тоже может быть важным источником питательных веществ, венерина мухоловка в ходе эволюции развила и мини-ловушки. Эти маленькие ловушки также реагируют на меньшие силы, создаваемые легким комаром. «Эта зависимость чувствительности триггерных волосков от размера ловушки критически важна для ее экономической эффективности», — поясняет профессор Хедрих. Ведь растению требуется гораздо больше энергии, чтобы вновь открыть большую ловушку, чем маленькую.
Когда триггерные волоски устают
После закрытия ловушки пойманное насекомое обычно пытается вырваться. В панике оно постоянно касается тактильных волосков, вызывая до 100 потенциалов действия за два часа. Венерина мухоловка учитывает эти электрические сигналы и инициирует соответствующий ответ — от производства и выделения пищеварительных ферментов до поглощения питательных веществ из разложившейся добычи.
В другом эксперименте ученые определили, как часто один триггерный волосок можно стимулировать в течение часа. Результат: «Начиная с частоты 0,1 Гц (одна стимуляция каждые 10 секунд), волосок начинает проявлять признаки усталости», — говорит Сёнке Шерцер. При более высоких частотах потенциал действия возникал не при каждой стимуляции, а в итоге электрические события прекращались совсем. Когда ученые прерывали повторяющуюся стимуляцию на минуту, волосок полностью восстанавливал свои механо-электрические свойства.
Сенсорные клетки под микроскопом
В дальнейшем исследователи планируют выяснить, как мухоловка «считает» удары, и почему тактильный волосок перестает реагировать на высокочастотную стимуляцию. Для этого они изолируют триггерные волоски и сенсорные клетки, чтобы изучить такие свойства, как усталость и восстановление ионных каналов, преобразующих тактильный стимул в электрическое событие.