Смертельно эффективная ловушка: как венерина мухоловка запоминает, что она поймала добычу +68


AliExpress RU&CIS


Венерина мухоловка — крайне интересное растение. Она захватывает своих жертв (небольших насекомых, паукообразных и т.п.) при помощи видоизмененных листьев. На их поверхности есть специальные волоски, которые реагируют, если на поверхность листа что-то попадает. Края листьев быстро заворачиваются и жертва оказывается в ловушке, которая постепенно превращает мелкое существо в пищу для растения.

Животная пища нужна мухоловке для пополнения запасов азота — обычно она появляется в регионах с болотистой местностью, почва которых бедна азотом. Но как растение, у которого нет мышц и нервной системы, может не только захватывать что-то, но и «запоминать», что внутри листа — жертва, и разворачивать его не стоит?

Как работает механизм захвата


Несколько месяцев назад результаты исследования механизма захвата жертв растением были опубликованы биологами из Вюрцбургского университета. Как оказалось, растение «умеет считать». Дело в том, что чаще всего лист, на котором что-то появилось, срабатывает лишь после второго касания. Дело в том, что венерина мухоловка тратит немало ресурсов на скоростное сгибание листа, поэтому тратить энергию на реагирование на ветер, пыль, камешки и т.п., касающиеся чувствительных волосков, непозволительно.

Венерина мухоловка дожидается второго касания, по только после этого сжимает лист. Эффективнее всего механизм работает в том случае, когда насекомое касается волосков, расположенных на краях листа, а затем появляется в центре. По мнению ученых, у волосков есть накопительный эффект.

Волоски-сенсоры способны воспринимать усилие даже в 0,05 миллиньютона. Время срабатывания ловушки зависит от силы касания и направления приложения усилия.

В итоге мухоловка способна ловить не только медленных насекомых и членистоногих — жуков, гусениц, мокриц, но и быстрых, способных улететь — мух и комаров. При этом чем голоднее растение, тем быстрее реагирует механизм сжимания листа.


И это еще не все


Лист-капкан сразу не закрывается полностью и не начинает вырабатывать пищеварительные ферменты. Для старта этого процесса нужно пять стимулов. Немецкие ученые считают, что такое поведение можно сравнить с элементарным анализом затрат и возможного результата. Чем больше стимулов — тем, скорее всего, больше добыча, а это однозначно стоит усилий. Если же «анализ» показывает, что жертва не стоит затраченных на нее энергии и ферментов, то насекомое или камешек выбрасывается листом через 12 часов.

Все бы хорошо, но возникает вопрос — каким именно образом мухоловка умеет считать? Ладно бы, если лист схлопывался после всего 1 касания. Но он делает это минимум после 2 касаний, а выработка фермента и окончательное сжатие начинается после 5 касаний. А это уже умение «считать» и «анализировать». Немецкие ученые решили выяснить, как этот механизм работает.


Для этого они ввели в растение флуоресцентный датчик кальция. Как оказалось, именно изменение концентрации кальция каким-то образом влияет на «память» растения. Ранее ученым не удалось выяснить, как именно концентрация кальция в ткани коррелирует со «счетом», но теперь все получилось.

Немцам помогли японские ученые, которые разработали специализированный препарат GCaMP6. Это люминесцентное органическое вещество, которое светится зеленым светом, связываясь с кальцием. Именно эта зеленая флуоресценция дала возможность команде отслеживать изменения концентрации кальция в ответ на стимуляцию чувствительных волосков растения иголкой.

До использования флуоресцентного вещества ученые пытались выяснить механизм работы «памяти» растения иными методами, потратив на это 2.5 года. Но лишь сейчас все удалось узнать.

Так что там с кальцием?


Первое касание к чувствительным волоскам мухоловки дает старт механизму высвобождения ионов кальция до определенного уровня. Если в течение 30 секунд будет еще одно прикосновение, концентрация кальция достигнет критического уровня, после чего сработает ловушка. Если через полминуты ничего не произойдет — концентрация кальция начнет снижаться. Можно сказать, что мухоловка «запоминает» события на 30 секунд.


Сейчас ученые планируют довести свое исследование до логического завершения и изучить связь между концентрацией кальция и «нервной системой» мухоловки. Она преобразует движение добычи, в электрические сигналы, распространяющиеся по клеткам.

В итоге исследователи планируют изучить эволюционный процесс растений-хищников, а также больше узнать о механизмах, которые лежат в основе охоты. До сих пор многие биологические особенности растений и животных остаются загадкой, и задача ученых — разгадать ее. Кстати, у всех растений с листьями-капканами — один общий предок — растение, которое не охотилось на животную пищу. Но в его геноме были некоторые участки, которые использовались для обнаружения и усвоения питательных веществ не только корнями, но и листьями, так что эти участки чуть позже эволюционировали в нечто иное. Аналогичный механизм развился и у растений-хищников, которые отращивают капканы-кувшинки без активно реагирующих на жертв элементов.

DOI: Nature Plants, 2020. 10.1038/s41477-020-00773-1.




Комментарии (21):

  1. vladkorotnev
    /#22224856 / +1

    Условно говоря, аппаратная реализация простого onTouch => if (wasTouched) { close(); } else { wasTouched = true; } на химических реакциях, впечатляюще :-)

    • /#22225022 / +1

      Вообще-то, в природе есть намного более впечатляюшие реализации на химических реакциях. Высшие приматы, например.

      • vladkorotnev
        /#22225030

        Это-то понятно, тут эффект масштаба, имхо. Как цифровые часы, собранные из рассыпухи, вызывают желание всё везде потрогать, посмотреть осциллографом, и воскликнуть "Ого, как крууто!", а потом достаёшь ноутбук, чтоб об этом написать, но от него никакой такой радости уже не испытываешь — ну пентиум и пентиум, чё бубнить-то. Хотя по сложности эти часы и рядом с ноутбуком не стояли :-)

        • /#22225434

          Ну да, ардуино с мигающим светодиодом — это гораздо круче любого пентиума.

        • omican
          /#22248956

          У меня так с освоением синтезаторов. Виртуальный аналоговый синтезатор изучать намного интереснее, чем цифровой, потому что можно «потыкать провода» в разные разъемы и прямо увидеть, что происходит. А в цифровом же тот самый «ну пентиум и пентиум» под капотом, ну и шо :-)

      • BubaVV
        /#22232394

        Там еще градиенты концентраций, которые управляют направлением диффузии

    • super-guest
      /#22225116

      Условно говоря, аппаратная реализация простого onTouch => if (wasTouched) { close(); } else { wasTouched = true; } на химических реакциях, впечатляюще :-)

      Вы про таймер в 30 секунд забыли…

      • Max_JK
        /#22226810

        Легко исправить)

        onTouch => if (wasTouched) { close(); } else { wasTouched = true; setTimeout(() => wasTouched = false, 30000) }

        • mactep3230
          /#22226820

          Надо еще с дребезгом что-то решить )

          • isden
            /#22227128

            Дребезг решается аппаратно :)

          • S-trace
            /#22238290

            Ещё и с тем, открываться или не открываться при ложном/истинном срабатывании тоже надо что-нибудь решать)

            • Max_JK
              /#22241812

              ничего не знаю, в тз было только про таймер)

  2. MonkeyD
    /#22224918 / +1

    Потрясающий и интересный пост об интересных растениях. Спасибо.

  3. S404Do
    /#22225118

    Статья стоит времени, чтобы его потратить

  4. VDG
    /#22225698 / +1

    Первое касание к чувствительным волоскам мухоловки дает старт механизму высвобождения ионов кальция до определенного уровня. Если в течение 30 секунд будет еще одно прикосновение, концентрация кальция достигнет критического уровня, после чего сработает ловушка. Если через полминуты ничего не произойдет — концентрация кальция начнет снижаться. Можно сказать, что мухоловка «запоминает» события на 30 секунд.
    Обычный пороговый элемент, в который порционно приходит сигнал, и есть его «утечка». Аналог — компаратор с интегрирующей цепочкой на входе, с потерей заряда конденсатором за ~60 секунд.

    • oq0po
      /#22225734 / +2

      Вот поэтому аналоговые электронщики и зарабатывают в разы меньше программистов. У нас все слишком просто и обычно.

    • Ruins007
      /#22225764

      Забавно насколько такой абстрактный и абсолютно логический элемент настолько близок к практике тем более в такой жизненно важной вещи как питание, тем более в результате случайной мутации у вида не имеющего нейронов и нервной ткани даже у предков.

      Даже страшно в какой момент домашняя фиалка решит вами перекусить, кактус начнёт стрелять своими иглами с людоедскими спорами, а алоэ начнёт по ночам распылять пищеварительные ферменты по всему помещению.

      • VDG
        /#22225806 / +1

        Это очень близко к нейрону. Фактически — это прото-мотонейрон. Внешний кальций смещает мембранный потенциал клетки, и после некоторого порога запускает в ней реакцию. Плюс в статье говорится, что клетка генерирует электрический сигнал. И так же как у нейронов (и любых клеток) там работают ионные насосы для восстановления мембранного потенциала.

  5. /#22226100