ей и врагов.
Обсуждая поведение корней (их удивительные способности мы подробнее проанализируем в следующей главе), следует заметить, что они умеют общаться не только с корнями других растений, но также со всеми существами, населяющими ризосферу (от греч. rhiza – корень и sphaira — сфера), т. е. ту часть почвы, с которой они контактируют и в которой обитают многие другие организмы. Многие ошибочно воспринимают почву как инертный субстрат. На самом же деле это живая и плотно населенная среда. Бактерии, грибы и насекомые формируют здесь специфический экологический консорциум, находящийся в равновесии благодаря общению и сотрудничеству с растениями.
Распространенный пример – грибокорень, или микориза (от греч. mykes — гриб и rhiza — корень). Это особая форма симбиоза в подстилающем слое почвы между вегетативными частями грибов, которые мы обычно встречаем в лесу, и корнями растений разных видов. Грибы образуют вокруг растения своеобразный чехол и проникают даже внутрь клеток. Такой тип симбиотической связи называют мутуализмом (взаимным симбиозом), поскольку он выгоден обеим сторонам: грибы снабжают корни минеральными веществами, в том числе фосфором (которого всегда не хватает в почве), а взамен получают энергию в виде сахаров, синтезируемых растениями в процессе фотосинтеза.
Однако в этом, казалось бы, взаимовыгодном сотрудничестве бывают неприятные сюрпризы. Проблема в том, что не все грибы имеют добрые намерения; некоторые являются патогенами, прикрепляются к корням, чтобы получить пищу, и разрушают их. Поэтому растения должны уметь различать типы грибов, которые пытаются вступить с ними в контакт, и действовать соответствующим образом. Как же они различают дружественно и враждебно настроенные грибы? Распознавание основано на настоящем диалоге между грибами и корнями, заключающемся в обмене химическими сигналами. Если растение понимает, что гриб настроен враждебно, он отвечает тем же. Напротив, если после предварительного «собеседования» растение распознает доброжелательно настроенный гриб, стремящийся к содружеству, оно вступает в ним в полезный для обоих симбиоз.
Еще один пример – основанный на обмене информацией взаимовыгодный симбиоз между бобовыми культурами и азотфиксирующими бактериями. Наряду с некоторыми другими бактериями эти микроорганизмы обладают чрезвычайно полезной способностью – они связывают атмосферный азот и превращают его в аммиак (NH3) путем разрыва связи между двумя атомами азота в газообразной молекуле N2.
Азот – важнейший элемент, обеспечивающий плодородность почвы (вот почему многие удобрения основаны на соединениях азота). Хотя воздух, которым мы дышим, на 80 % состоит из азота, этот газ инертен и напрямую не может быть использован растениями или другими живыми существами, за исключением некоторых микроорганизмов, таких как азотфиксирующие бактерии. Эти бактерии умеют превращать газообразный азот в различные соединения, такие как аммиак, которые легко поглощаются растениями. Так что эти бактерии – настоящие природные удобрения. Взамен внутри корней они получают идеальную среду для роста и обилие сахаров – еще один пример взаимовыгодного сотрудничества, основанный на коммуникации и распознавании. Однако растения рады далеко не всем бактериям; многие бактерии являются патогенами, против которых растения выстраивают непреодолимый барьер. До начала сотрудничества азотфиксирующие бактерии вступают с корнями в долгий и сложный химический диалог. Эти «переговоры» всегда начинаются с выделения бактериями сигнала, называемого NOD-фактором (от англ, nodulation — клубнеобразование), распознавание которого растением является первым этапом для допуска бактерий к корням.
Описанные выше примеры симбиоза основаны на обмене информацией между симбионтами – участниками симбиотических отношений (бактериями и бобовыми растениями в последнем примере) – и не могут происходить при отсутствии долгосрочной и отработанной практики. На самом деле подобные отношения возникают не только между растениями и низшими организмами. Некоторые симбиотические связи оказались столь важными, что составляют основу и нашей жизни.
Вот один пример. Митохондрии – энергетические станции наших клеток (точнее, всех растительных и животных клеток). Без этих внутриклеточных органелл невозможно существование высших форм жизни. Так вот, исследования показали, что митохондрии возникли в результате симбиоза – в данном случае между клетками[7] и примитивными бактериями с активным окислительным метаболизмом (другими словами, способными производить энергию). Бактерии и эти клетки вступили в симбиотические отношения, выгодные для обеих сторон (клетки получили энергию, а бактерии – все, что им требовалось для жизни), и в какой-то момент бактерии оказались включенными внутрь клеток. Симбиотическое происхождение митохондрий подтверждается многочисленными данными. Прежде всего, митохондрии сохранили многие типичные признаки бактерий, такие как бактериальные мембраны. Кроме того, как и бактерии, они содержат замкнутую кольцевую ДНК. Наконец, и это, пожалуй, является самым важным доказательством, митохондрии реплицируются независимо от хозяйских клеток. В нескольких исследованиях была доказана основополагающая роль этих ранних симбионтов в эволюции сложных форм жизни.
Таким образом, симбиотические отношения имеют чрезвычайно большое значение для всех форм жизни на нашей планете, включая человека. Если бы мы научились воспроизводить некоторые из них, мы достигли бы невероятных результатов. Например, если бы нам удалось перенести симбиотические отношения между азотфиксирующими бактериям и бобовыми растениями (к которым относятся, среди прочих, соя, нут, чечевица, зеленый горошек и бобы) на другие продовольственные культуры, мы бы в корне изменили возможности сельского хозяйства.
Представьте себе: больше нет азотных удобрений, не загрязняются почва, грунтовые воды, реки и океаны, Адриатика не зарастает водорослями, а урожай растет, и население планеты удается прокормить, не заражая атмосферу: в реализацию этой мечты стоит вложить средства, ради этого стоит интенсифицировать исследования, причем сделать это нужно быстро, чтобы избежать необратимых последствий.
С момента окончания Второй мировой войны и до сегодняшнего дня урожайность продовольственных культур и плодородие почв постоянно росли, главным образом благодаря так называемой зеленой революции 1960-х гг. При помощи химических удобрений и создании новых, более урожайных и устойчивых к заболеваниям сортов растений эта модернизация привела к расширению площади культивируемых земель и повышению урожайности ранее использованных земель.
Но сегодня тенденция роста урожайности остановилась. Впервые за 60 лет площадь обрабатываемых земель не только не растет, но сокращается из-за климатических изменений, в то время как население планеты продолжает расти.
Как нам прокормить самих себя? Задача ближайших десятилетий – найти способы осуществления новой зеленой революции, которая вновь позволит повысить урожайность, но без ущерба для окружающей среды. Вот почему перенос симбиотических отношений между азотфиксирующими бактериями и бобовыми культурами на другие продовольственные культуры был бы истинным прорывом в сельском хозяйстве. Способность растений передавать информацию поможет нам прокормить человечество!
Общение между растениями и животными
Внутренние коммуникации в мире растений, как их назвали бы в деловом мире, действуют весьма эффективно. Но как растения общаются с другими существами?
Поскольку растения не могут покинуть место своего рождения, им нужна помощь в приеме внешней информации и отправлении сообщений, а также мелких частиц, таких как пыльца, обратно во внешний мир. Поэтому они разработали своеобразную систему почтовых отправлений. Иногда почтальоном служит ветер, иногда вода, но чаще всего в этой роли выступают животные, особенно это касается таких деликатных функций, как защита или размножение. Решился бы кто-нибудь из нас отправить важное сообщение в закупоренной бутылке или на бумажном самолетике? Гораздо надежнее поручить это дело животному (вспомните о почтовых голубях, которые служили людям для этой цели на протяжении многих столетий). Но как растениям удается убедить насекомых и других животных выступить в роли «Пони-экспресс»?
Ниже в разделе «Честные и нечестные растения» мы подробно обсудим способы спаривания растений и те средства, с помощью которых они убеждают растения помочь им в опылении и размножении. Однако сначала давайте рассмотрим другие ситуации, когда растения прибегают к помощи животных. Начнем с самой распространенной задачи – с защиты.
(Система защиты растений, основанная на коммуникации)
Представьте себе насекомое, которое усаживается на лист растения с намерением его съесть. Растение замечает это и немедленно выстраивает систему защиты. Сначала оно идентифицирует агрессора, и лишь потом, поняв, кто на него нападает, может успешно себя защитить.
Чаще всего растения применяют химическое оружие – вырабатывают специфические вещества, которые делают его невкусным, несъедобным или даже ядовитым для насекомого. Чтобы избежать лишних энергетических затрат, производство этих средств устрашения осуществляется только в листьях, подвергшихся нападению, и в соседних листьях, в расчете на то, что это отпугнет агрессора. Зачем тратить много энергии, если можно обойтись местными средствами?
Каждое принимаемое растениями решение основано на таком расчете: какой минимальный расход ресурсов позволит решить конкретную проблему? Чаще всего этот расчет и эта стратегия оправдываются. В нашем примере насекомое попробует один или два листа, а затем улетит, привлеченное запахом другого растения. Победа!