Растения «моргают»: осторожность на солнце

Растения обладают механизмами регулирования, напоминающими человеческие органы чувств. Согласно новому исследованию Института науки Вейцмана, растения адаптируют фотосинтез к быстрым изменениям освещённости с помощью сложной сенсорной системы, подобно тому, как человеческий глаз реагирует на колебания интенсивности света. Это сенсороподобное регулирование работает при низкой интенсивности света, когда аппарат фотосинтеза наиболее эффективен, но и наиболее уязвим к внезапным вспышкам света.

Распространённым было мнение, что фотосинтез должен пропорционально увеличиваться с ростом интенсивности солнечного света, поскольку чем больше света поглощает растение, тем больше энергии получает для роста. Только при достижении уровня, когда избыточное излучение вызывает повреждающий «солнечный ожог», растение включает механизмы репарации и снижает фотосинтез. Профессор Авихай Данон и его коллеги изучили флуоресценцию растений (свет, переизлучаемый в результате непродуктивного фотосинтеза, используемый как косвенный показатель уровня фотосинтеза) при слабом освещении и с удивлением обнаружили колебательный паттерн.

Команда — Авихай Тендлер, доктора Бат-Хен Вольф и Вивекананд Тивари — подвергала растения Arabidopsis thaliana серии ступенчатых 10-минутных увеличений интенсивности света в низком и умеренном диапазоне (примерно эквивалентном утреннему уличному свету), то есть ниже уровня, вызывающего стресс у растений.

Как сообщается в iScience, учёные увидели, что флуоресценция не росла стабильно с усилением света, а резко подскакивала на короткое время на каждом шаге, затем падала обратно до исходного уровня. Каждый раз её пик был меньше, чем на предыдущем шаге. Это происходило потому, что при усилении света к реакционному центру фотосинтеза растения прибывало меньше фотонов, чем можно было бы ожидать от увеличения интенсивности света. Каждый раз исследователям приходилось удваивать интенсивность света, чтобы получить тот же пик флуоресценции, что и на предыдущем шаге — паттерн, типичный для сенсорных механизмов у бактерий, животных и людей.

Эти данные свидетельствуют, что в условиях слабого освещения механизмы контроля фотосинтеза напоминают те, что действуют в сенсорных системах, например, в человеческом зрении. Когда зрачки адаптируются к яркости света, эти настройки не только защищают сетчатку, но и обеспечивают чувствительность к окружающему миру при меняющихся условиях освещения. Подобно зрачкам, фотосинтетические антенны — светособирающие комплексы из белков и молекул хлорофилла в растении — уменьшаются при ярком свете и увеличиваются в условиях слабого освещения. Когда антенны становятся больше, они улавливают свет эффективнее и становятся чувствительнее к малым изменениям интенсивности света, но также и более уязвимыми к переменам, особенно внезапным.

«Растения управляют фотосинтезом осторожно, жертвуя краткосрочной эффективностью ради долгосрочной стабильности, — говорит Данон. — Фотосинтетический аппарат в каком-то смысле "ощущает" среду, быстро регулируя количество "собранного" света, прежде чем ситуация выйдет из-под контроля, вместо того чтобы наращивать активность бесконтрольно, пока не получит повреждения».

Вновь обнаруженные механизмы контроля включаются быстро, выигрывая время для более медленных механизмов, которые подстраивают фотосинтез под меняющиеся условия. Эта изысканная стратегия адаптации — один из способов, с помощью которых растения максимально эффективно используют солнечный свет в быстро меняющихся условиях, например, когда облака приходят и уходят или когда ветер меняет угол падения света на листья.