Чтобы поймать добычу, хищнику часто нужно быть быстрее неё. Но растения обычно не ассоциируются со скоростью.
И всё же венерина мухоловка смогла развить удивительную стратегию выживания. Она приманивает насекомых и паукообразных в ловушку из листьев, а затем резко захлопывает её вокруг жертвы. После этого растение удерживает добычу и спокойно её переваривает.
Долгое время учёные пытались понять, как растение вообще может двигаться так быстро. Теперь команда исследователей под руководством физика Чонгын Рю из Французского национального центра научных исследований заявила, что нашла главный механизм.
Оказалось, перед захлопыванием ловушки растение быстро размягчает клеточные стенки во внешнем слое ловушки. Из-за этого внешняя поверхность начинает легче расширяться, чем внутренняя. Лист изгибается, достигает критической точки — и резко схлопывается.
Исследователи называют это самым быстрым изменением механических свойств клеточной стенки, которое когда-либо фиксировали у растений.
Почему старое объяснение не подходило
Многие растения умеют двигаться достаточно быстро и точно. Например, мимоза стыдливая складывает листья при прикосновении. У многих растений такие движения связаны с перемещением жидкости: давление внутри тканей меняется, и форма растения тоже меняется.
Раньше предполагали, что венерина мухоловка работает примерно так же. По этой версии, вода должна была перемещаться с одной стороны листа на другую, из-за чего одна сторона расширялась сильнее, а ловушка закрывалась.
Но у этой идеи было две проблемы.
Первая — вода движется по тканям растения слишком медленно. Учёные измерили скорость перемещения воды в венериной мухоловке и подсчитали, что перенос воды через толщу ловушки занял бы от 30 до 150 секунд.
Для растения, которое должно успеть схватить добычу, это слишком долго.
На самом деле первые движения перед закрытием происходят примерно за секунду. Это гораздо быстрее, чем вода могла бы пройти через ловушку.
Вторая проблема — если бы механизм был водным, движение должно было бы идти по ловушке с задержкой, как волна. Но исследователи такого рисунка не увидели.
Что происходит на самом деле
В новой работе учёные описали захлопывание как процесс из двух этапов.
Сначала идёт активное изгибание: ловушка начинает сгибаться внутрь и приближается к критической точке. Затем происходит само резкое закрытие, которое занимает всего 0,2 секунды.
Чтобы понять, что запускает первый этап, исследователи провели два теста.
В одном эксперименте ловушки разрезали на тонкие полоски, чтобы помешать механизму резкого схлопывания. Даже в таком виде ловушки всё равно могли изгибаться, но делали это гораздо медленнее.
Во втором тесте ловушки удерживали раскрытыми и подключали датчик силы. Он измерял, какое усилие нужно, чтобы не дать двум половинам сомкнуться. Результат снова показал: перед быстрым захлопыванием есть постепенное изгибание.
Затем учёные посмотрели, что происходит с клеточными стенками во время этой активной фазы. С помощью крошечного зонда они измерили жёсткость клеточных стенок внутри и снаружи ловушки до и после закрытия.
Внутренняя поверхность почти не изменилась. А внешняя стала мягче и потеряла около 40% своей жёсткости.
Как ловушка срабатывает
До срабатывания давление внутри клеток распределено по внутренней и внешней сторонам ловушки примерно равномерно.
Когда насекомое или другое маленькое животное дважды быстро касается чувствительных волосков внутри ловушки, внешняя стенка размягчается.
После этого внешняя поверхность начинает расширяться легче, чем внутренняя. Возникает разница, из-за которой лист изгибается.
Довольно быстро изгиб достигает порога нестабильности — и две половины ловушки резко захлопываются. Так растение успевает отреагировать достаточно быстро, чтобы поймать добычу.
Самое интересное — растение использовало механизм роста
Особенно любопытно, что размягчение клеточных стенок — это по сути один из механизмов, с помощью которых растения растут.
Венерина мухоловка как будто усилила уже имеющийся инструмент и превратила его в способ активнее добывать питательные вещества.
Биоинженер Жак Дюме из Университета Адольфо Ибаньеса в Чили в связанном редакционном материале отметил, что такие точные адаптации поднимают новый вопрос: как они могли возникнуть в ходе эволюционного процесса проб и ошибок?
Теперь учёные лучше понимают, как работает «магия» венериной мухоловки. Но растение от этого не стало менее загадочным: впереди остаются более крупные вопросы о том, как эволюция вообще создала такой точный природный механизм.
Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
