Ученые выяснили, когда растения начали "чувствовать" гравитацию

Первая флора Земли отрастила корни и начала ощущать притяжение планеты примерно 500 миллионов лет назад, в конце кембрия, однако по-настоящему эта способность развилась у них лишь в начале каменноугольного периода. К такому выводу пришли ботаники, опубликовавшие статью в журнале Nature Communications.

"Природа намного умнее нас и она может научить нас многому. Теперь мы начали понимать, что именно нужно растениям для того, чтобы закрепиться в почве и достичь нутриентов и воды в ее глубинных слоях. Это может помочь нам выяснить, как создать сорта злаков, способных расти в очень засушливой местности", — рассказывает Ю-чжу Чжан (Yuzhou Zhang) из Института науки и технологий Австрии в Клостернойбурге.

Как сегодня считают ученые, первые деревья появились в середине девонского периода, примерно 400 миллионов лет назад. Их появление резко изменило облик всей планеты – сухопутные растения сделали ее "зеленой", а также породили множество новых видов животных, в том числе сухопутных насекомых, и грибков, питающихся исключительно растительной биомассой.

То, как выглядели эти первые деревья, пока остается загадкой для палеонтологов – известно лишь небольшое число "окаменелых лесов", особого типа отложений этого времени, в которых сохранились полноценные стволы и корневые системы этих деревьев, оказавшиеся под землей благодаря извержениям пепла или лавы.

Их изучение показывает, что флора того времени были очень причудливыми объектами – роль листьев у них исполняла особая фотосинтезирующая кора, а по внешнему виду они были похожи на карликовые деревья из современной тундры.

Относительно недавно ученые начали сомневаться в этой идее. К примеру, три года назад геологи нашли свидетельства того, что первые грибы появились на суше уже 440-460 миллионов лет назад, и они вряд ли могли бы существовать на суше сами по себе, без помощи растений или других источников органики, которой они должны были питаться.

Год назад генетики и палеонтологи показали, что растения и мхи должны были выйти на сушу гораздо раньше, в конце кембрийского или ордовикского периода, объединив данные раскопок и результаты сравнения геномов мхов, папоротников и прочих "древних" растений.

Подобные открытия, как отмечает Чжан, заставляют ученых задуматься о том, как возникли первые сухопутные растения и как именно они приобрели важнейшую черту всех современных представителей флоры – способность "ощущать" притяжение планеты и отращивать корни.

Ответ на этот вопрос получить очень не просто, так как в прошлом ученые детально изучали устройство "датчиков гравитации" только у цветковых растений, а не их примитивных родичей и предшественников. Более того, многие биологи подозревают, что растения могут иметь не один, а несколько подобных регуляторов роста корней, большая часть которых остается неизвестной для нас.

Австрийские исследователи и их коллеги из Китая заполнили этот пробел и раскрыли историю эволюции этой ключевой особенности растений, сравнив то, как ощущают гравитацию мхи, папоротники, плауны, водоросли, а также цветковые и голосеменные растения.

Для этого ученые прорастили семена и споры всех этих представителей флоры, дождались появления у них корня, повернули их на 90 градусов и начали смотреть за тем, в какую сторону он будет расти. Параллельно ученые изучали то, как были устроены клетки их корней и как они реагировали на внезапную перемену вектора гравитации.

Как оказалось, все сухопутные растения, кроме мхов, умели ощущать гравитацию, однако скорость их реакции на подобные сдвиги сильно различалась. Корни цветковых и голосеменных растений начинали поворачивать вниз уже через 4-6 часов после начала эксперимента, тогда как папоротники и мхи меняли вектор роста лишь через несколько дней.

Причина этого скрывалась в различиях в устройстве клеток корней всех этих растений. Во всех них присутствовали особые структуры, так называемые амилопласты. Они представляют собой скопления крахмала, чья плотность несколько выше, чем у окружающей их цитоплазмы клеток.

Благодаря этому, при наличии гравитации они будут "тонуть" и падать вниз, что помогает флоре чувствовать притяжение Земли и корректировать направление роста корней, используя особые гормоны-ауксины.

Чжан и его коллеги обнаружили, что амилопласты были распределены по корням разных растений неодинаковым образом. Они присутствовали только в клетках на кончике корня цветочных и голосеменных представителей флоры, тогда как у папоротников и плаунов эти органеллы были случайным образом разбросаны по всему организму.

Аналогичные расхождения были характерны для того, какие клетки производили ауксины и как они распространялись по корням.

Соответственно, наличие амилопластов почти у всех представителей сухопутной флоры говорит о том, что они научились "чувствовать" гравитацию и отращивать корни практически сразу после выхода на сушу. Это произошло, как предполагают авторы статьи, около 500 миллионов лет назад.


С другой стороны, различия в поведении и распределении этих органелл говорят о том, что полноценная корневая система и способность ощущать вектор притяжения появились у представителей флоры значительно позже, примерно 370 миллионов лет назад. В этот момент появились предки цветочных и голосеменных растений, следы чьего успеха можно увидеть в любом угольном месторождении.

Что именно заставило их приобрести подобную способность, пока не понятно. Как надеются ученые, дальнейшие раскопки и изучение геномов современных растений позволит им найти ответ на этот вопрос.