Растения сообщают о своем плохом самочувствии ультразвуковыми щелчками

Ученые записывают «голос» любимого кактуса. Фото с сайта israel21c.org

«Что?! Не верю!» или «Ха-ха: дорогая, полей свою Алоэ Веру, а то она разоралась!» — такие комментарии я услышала по поводу недавней статьи, опубликованной в журнале Cell. В ней ученые из Тель-Авивского университета экспериментально доказывают, что растения, когда им плохо, издают особые звуки, которые передаются в воздушной среде. Это серии щелчков в ультразвуковом диапазоне. Для каждого растения и для каждого вида повреждений звуки-щелчки имеют особые акустические характеристики, по которым удается с высокой степенью надежности различать, когда растение засыхает, а когда у него поврежден стебель.

Многие животные передают информацию с помощью различных сигналов — зрительных, химических, тактильных, а также звуковых. О растениях в этом смысле мало что известно. Работают, скорее, зрительные признаки: по внешнему виду растения нетрудно определить, здоровое оно или в угнетенном состоянии. В последние годы появлялись научные публикации, в которых утверждалось, что растения могут «сообщать» окружающему миру о своем состоянии с помощью химических сигналов. В ответ на нашествие гусениц, тлей, клопов и других растительноядных потребителей, а также при паразитарных инфекциях растения испускают особые летучие вещества — своего рода химическая сигнализация. В эти сигнальные коктейли входит специфичный набор молекул: в присутствии листоядных вредителей — один, при механических повреждениях — другой. При этом у разных видов растений наборы сигнальных веществ не похожи, хотя, по-видимому, биохимическая основа таких реакций могла быть общей для всех растений (P. Pare et al., 1999. Plant Volatiles as a Defense against Insect Herbivores).

Интересны также исследования коммуникации у растений с помощью контактных химических сигналов. Например, у зеленого горошка информация о недостатке влаги передается от растения к растению по корневой системе. Если растение не поливать, то у него для предотвращения испарения быстро закрываются устьица. При этом и у хорошо политого соседа через короткое время тоже закроются устьица, хотя с ним пока все в порядке. Так растение-сосед заранее страхуется — на случай, если и у него образуется дефицит влаги. Но если корневые системы соседних растений разъединить, как это было проделано в эксперименте, то устьица политого горошка остаются открытыми, — значит, никакой информации он не получил (O. Falik et al., 2011. Rumor Has It...: Relay Communication of Stress Cues in Plants).

Такие исследования никого не удивляют, потому что известно, что растения мастера по части запахов и летучих молекул. Но звуковую сигнализацию у растений заподозрить трудно. Эту тему ученые начали зондировать более полустолетия назад. Их заинтересовало, что растения определенным образом вибрируют за счет кавитации, когда им не хватает воды. Кавитация в этом случае, видимо, может возникать, когда вода, насыщенная пузырьками газов, движется по сосудам проводящей ткани (ксилемы). Доказывали это, прикрепляя к стволам чувствительные датчики и регистрируя акустические сигналы. Выяснилось, что эти сигналы c частотами в диапазоне 100–300 кГц распространены среди растений очень широко.

Ствол сосны, к которому прикреплен датчик, улавливающий вибрации в диапазоне 100–300 кГц. Датчик прилегает непосредственно к древесине (ксилеме) через просверленное сквозь кору и луб отверстие. Так изучали акустическую эмиссию растений до конца прошлого века. Теперь технические возможности для подобных исследований модернизировались весьма и весьма существенно. Фото из статьи G. Jackson, J. Grace, 1996. Field measurements of xylem cavitation: are acoustic emissions useful?

Рассуждения о «растительных» звуках не шли дальше кавитационной гипотезы по двум причинам. Первая — техническая: очень трудно доказать, что звуки, которые издают растения, не являются побочным шумом записывающей системы. Кроме того, открепив датчик от коры, технически непросто выделить из фоновой записи щелчки конкретного растения. Вторая — идеологическая: трудно доказать, что звуковая сигнализация растениям для чего-то нужна, является для них значимой адаптацией, а не просто вибрацией подсыхающего сосуда ксилемы или шумом леса и луга. В этом смысле показательны названия статей, в которых романтически настроенные ботаники встречаются со скепсисом ученой братии. Например, «Акустическая коммуникация у растений: правда ли, что леса поют?» (C. ten Cate, 2013. Acoustic communication in plants: do the woods really sing?) или «Зеленые симфонии или ветер в ивах?» (N. W. Bailey et al., 2013. Green symphonies or wind in the willows? Testing acoustic communication in plants).

Ученым из различных лабораторий и институтов Тель-Авивского университета удалось решить первую задачу — техническую. Для этого специально изобретать ничего не потребовалось: нужно было лишь со всей аккуратностью использовать современное оборудование и статистические методы обработки больших массивов данных.

Для экспериментов были выбраны два вида растений — помидор и табак. Горшочки с растениями устанавливали в специально сделанный звукоизолирующий ящик из толстого дерева, изнутри со всех сторон обшитый внушительным 6-сантиметровым слоем звукопоглощающей пены. В двух углах были проделаны дырочки для проводков, ведущих к чувствительным микрофонам. По два микрофона устанавливались в 10 см от каждого растения и были сфокусированы на основании стебля. Микрофоны улавливали все шумы в ящике, однако значимыми сигналами считались только те, которые регистрировали два микрофона, направленные на стебель. Таким образом отсекался технический шум от записывающих устройств. В качестве контроля микрофоны записывали звучание горшка без растений.

Эксперимент в звукоизолирующем ящике. A — схема эксперимента. B — число звуков за час записи. C — амплитудный спектр звукового сигнала: анализировали сигнал за 1 мс до и через 1 мс после пика. D — спектр частот звуковых сигналов; частотный диапазон растительных «сообщений» — 20–100 кГц. Рисунок из обсуждаемой статьи в Cell

В экспериментальный ящик ставили по три растения: одно поливали своим порядком, второе не поливали, имитируя стрессовое состояние при дефиците влаги, а у третьего подрезали стебель, что тоже, очевидно, является для растения стрессовым негативным фактором. В обеих стрессовых ситуациях было записано «звучание» стеблей, затем массив данных сравнивали по всем возможным направлениям: стресс1-норма, стресс2-норма, стресс1-стресс2, растение1-растение2 в норме и при стрессах. Благодаря этим сопоставлениям удалось выявить специфичный аудиосигнал растений в ответ на тот или иной стресс.

В следующей серии экспериментов те же растения при тех же видах стресса помещали в теплицу, где звукоизоляции и звукоподавления не было, а шум вокруг был обычным, повседневным. В этих условиях теми же направленными микрофонами записывали звуки, которые растения издавали. Этот эксперимент был призван дать ответ на такой вопрос: можно ли по характерному звучанию, выверенному в условиях звукоизоляции, выявить в теплице угнетенное растение? Но у тепличного эксперимента был и более глубокий смысл: будет ли голос отдельного растения слышен на общем шумовом фоне?

Угнетенные растения, как показали эксперименты, издают звуки в ультразвуковом диапазоне, на частотах 20–100 кГц. В нормальном состоянии растение «молчит», то есть количество зарегистрированных сигналов-щелчков в норме составляет 1–2 за час. Но если растения попадают в бедственное положение, то количество сигналов резко возрастает. Чаще всего подает сигналы не политый помидор: раз в 1–2 минуты (в дополнительных материалах к обсуждаемой статье есть аудиозапись сигналов помидора; часовую запись ускорили до 36 секунд и понизили частоту сигналов, чтобы человеческое ухо могло их различить). В полтора раза реже сигналит подрезанный табак. Два других варианта стресса вызывают ультразвуковые сигналы раз в пять-шесть минут. Акустические характеристики этих стрессов — спектры громкости и частоты — позволяют различить и растения между собой, и варианты стресса. Точность узнавания специфичных сигналов составила 70–75%, при этом от микрофонных шумов эти звуки отличаются со стопроцентной точностью. Это показали эксперименты в тепличных условиях.

Теперь нет никаких сомнений, что растения могут «говорить», издавая особые ультразвуки, если неважно себя чувствуют. Ученые проверили, и другие растения в своей лаборатории: кактус, ростки винограда, кукурузу, пшеницу, яснотку. Оказалось, что все они звучат по-своему, если их вовремя не полить. Своеобразно озвучивает свое состояние табак при вирусном заражении: этот сигнал отличается от щелчков, вызванных стрессом и от засухи, и от надрезания.

Получив такие доказательства, можно переходить к решению второй проблемы, — объяснению, зачем растениям акустические сигналы и нужны ли они вообще. Авторы публикации замечают, что человек и не слышит растения, так как его ухо не приспособлено к ультразвуковому диапазону, но зато другие обитатели планеты их прекрасно слышат. Это, в частности, насекомые и некоторые млекопитающие (летучие мыши и грызуны), играющие важную роль в растительном мире. По оценкам авторов, звуки «растительной» частоты и громкости грызуны и чешуекрылые могут слышать на расстоянии 3–5 метров. Этими подсчетами, по идее, закрывается сомнение о различимости этих звуков на общем шумовом фоне, и, следовательно, о безосновательности рассуждений об адаптивном значении растительной акустической сигнализации. Однако сами авторы подчеркивают, что данных об акустических сигналах растений пока слишком мало, так что рано говорить как об их адаптивной роли, так и о том, каким образом растение издает свои щелчки. Кавитационная гипотеза в обсуждаемом исследовании не получила четкого подтверждения.

Источник: Itzhak Khait, Ohad Lewin-Epstein, Raz Sharon, Kfir Saban, Revital Goldstein, Yehuda Anikster, Yarden Zeron, Chen Agassy, Shaked Nizan, Gayl Sharabi, Ran Perelman, Arjan Boonman, Nir Sade, Yossi Yovel, Lilach Hadany. Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative // Cell. March 30, 2023. №186. P 1328–1336. DOI: 10.1016/j.cell.2023.03.009.

См. также:
Eric D. Brenner, Rainer Stahlberg, Stefano Mancuso, Jorge Vivanco, Frantisek Baluska, Elizabeth Van Volkenburgh. Plant neurobiology: an integrated view of plant signaling // Trends in Plant Science. 2006. DOI: 10.1016/j.tplants.2006.06.009. — интересный обзор на близкую тему «нейробиология растений».

Елена Наймарк