Инфракрасное излучение может быть одним из древнейших сигналов растений для насекомых-опылителей

Исследователи из Гарварда обнаружили, что саговники — одна из древнейших живых линий семенных растений — нагревают свои репродуктивные органы, чтобы привлечь жуков-опылителей, а насекомые обладают инфракрасными сенсорами для обнаружения этих сигналов.

Сначала мужские особи саговников нагревают пыльцевые шишки, чтобы заманить жуков, а затем женские растения аналогично нагреваются, и насекомые следуют за теплом, распространяя генетический материал и позволяя растениям размножаться.

Новое исследование, опубликованное на обложке журнала Science, впервые идентифицирует инфракрасное излучение как сигнал для опыления — гораздо более древний, чем великолепные цвета, которые позже стали доминировать у цветковых растений.

"Это, по сути, добавляет новое измерение информации, которую растения и животные используют для коммуникации, о котором мы раньше не знали", — сказала ведущий автор Венди Валенсия-Монтойя, Ph.D., младший научный сотрудник Гарвардского общества стипендиатов. "Мы знали о запахе и цвете, но не знали, что инфракрасное излучение может выступать в роли сигнала для опыления".

Более того, тепло может быть одним из древнейших способов коммуникации между животными и растениями, предшествовавшим даже динозаврам. "Задолго до лепестков и ароматов", — сказала Валенсия-Монтойя, — "растения и жуки находили друг друга, ощущая тепло".

Эволюция взаимоотношений растений и опылителей

Результаты проливают новый свет на древний альянс между растениями и опылителями и завершают научный поиск, растянувшийся более чем на дюжину лет с тех пор, как Валенсия-Монтойя начала изучать саговники будучи студенткой в Колумбии.

Давно известно, что многие виды растений нагревают свои шишки или цветы, ускоряя метаболизм. "Но все предполагали, что тепло в основном нужно лишь для испарения ароматических веществ", — сказала Валенсия-Монтойя, которой было непонятно, почему растения тратят так много энергии на выработку тепла.

Биология и история саговников

Как самые древние известные семенные растения, опыляемые животными, саговники иногда называют "живыми ископаемыми". Растения имеют крепкие стволы и кроны из перистых листьев, напоминая пальмы и папоротники, но не состоят с ними в близком родстве.

Саговники появились около 275 миллионов лет назад и достигли пика разнообразия около 150 миллионов лет назад в юрский период. Они были в значительной степени вытеснены с расцветом цветковых растений, которые стали доминирующей группой в последние 70 миллионов лет.

Сегодня сохранилось около 300 видов саговников, большинство из которых занесены в список исчезающих.

Саговники — двудомные растения: мужские и женские особи различаются по репродуктивным шишкам. Мужские шишки производят пыльцу, а женские несут семязачатки, которые при оплодотворении развиваются в семена.

Взаимодействие саговников и жуков

В новом исследовании Валенсия-Монтойя и её коллеги сосредоточились на Zamia furfuracea — саговнике высотой около 1,2 метра, родом из Мексики. Как и каждый саговник, он имеет эксклюзивные симбиотические отношения со своим собственным видом жука-опылителя — долгоносиком Rhopalotria furfuracea.

В отношениях "притяжения-отталкивания" саговники используют комбинацию сигналов, включая тепло, запах и влажность, чтобы привлечь жуков для питания пыльцой в мужских шишках. В определённый момент эти сигналы становятся настолько сильными, что жуки покидают мужские растения и направляются к женским шишкам.

"Это как парень, который надевает одеколон перед свиданием", — объяснила соавтор Наоми Пирс. "Немного — это хорошо, но слишком много — отталкивает". Мигрируя между растениями, жуки переносят мужскую пыльцу и оплодотворяют семязачатки в женских растениях.

Исследование роли тепла

Как тепло вписывается в эти древние отношения? Исследователи сделали тепловые снимки и обнаружили, что выработка тепла у саговников сосредоточена на шишках. Части, несущие репродуктивные органы (спорофиллы), содержали высокие концентрации энергопроизводящих митохондрий. Zamia furfuracea мог нагревать свои шишки на 46 градусов по Фаренгейту (≈25.6 °C) выше температуры окружающего воздуха, но другие саговники могли нагреваться ещё сильнее.

Исследователи изучили 17 видов саговников и обнаружили, что все они следуют циркадному паттерну в конце дня: сначала нагреваются мужские шишки, затем остывают, и примерно через три часа начинают нагреваться женские.

Далее, отслеживая движения жуков с помощью ультрафиолетовых флуоресцентных красителей, учёные увидели, что ночью насекомые привлекаются к самым тёплым частям шишек — сначала мужских, затем женских.

"Это было одним из первых убедительных доказательств того, что это, вероятно, связано с опылением", — сказал соавтор Николас Беллоно. "Мужские и женские растения нагревались контролируемым циркадным ритмом — и мы увидели, что это совпадает с движением жуков".

Как жуки чувствуют инфракрасное тепло

Основные сенсорные органы насекомых — сенсиллы, волосовидные структуры на антеннах. Используя электронную микроскопию, электрофизиологию и анализ экспрессии генов, исследователи обнаружили, что кончики антенн жуков имеют специализированные термочувствительные органы, заполненные теплочувствительными нейронами.

Одним из ключевых молекулярных сенсоров был белок TRPA1, который также используют змеи и комары для обнаружения теплокровной добычи.

Эти органы были настроены на конкретную температуру нагрева саговника. Исследование другого вида жука показало, что его диапазон чувствительности также точно настроен на температуру нагрева его растения-хозяина.

Эволюционное значение тепловых сигналов

Исследователи полагают, что выработка тепла эволюционировала около 275 миллионов лет назад, у истоков появления саговников, и может быть древнейшим известным сигналом для опыления.

До сих пор считалось, что опыление по принципу "притяжения-отталкивания" в основном обусловлено запахом. Новое исследование предполагает, что эти отношения, вероятно, с самого начала также были "горячими".

На близком расстоянии запах становится менее эффективным, и инфракрасное излучение может направлять опылителей к цели.

Теплопродуцирующие растения, как правило, относятся к древним линиям (саговники составляют около половины из них).

В грандиозной схеме эволюции растений важность тепла уменьшилась, а значение цвета возросло. В конечном итоге, невзрачные саговники были вытеснены взрывной радиацией красочных цветковых растений — а их опылители, такие как пчёлы и бабочки, развили более острое зрение. (У большинства жуков только дихроматическое зрение и плохое цветовосприятие, в то время как у пчёл — трихроматическое, а у бабочек — тетрахроматическое.)

Тот факт, что инфракрасный сигнал так долго оставался нераспознанным, вероятно, отражает нашу собственную сенсорную предвзятость.

"Все сенсорные сигналы, которые были распознаны очень быстро, — это те, которые можем воспринимать мы сами", — сказала Валенсия-Монтойя. "Но те, что скрыты, могут быть не менее важны".