Жук за миллиард долларов
— Жук за миллиард долларов прибыл. — Петер Хаук[16], министр сельского хозяйства земли Баден-Вюртемберг, придает своему голосу драматический оттенок, будто вынужден сделать заявление о каком-нибудь ЧП.
Журналисты записывают его слова, камеры включены, кругом расставлены информационные стенды. Пресс-конференция проходит на природе — на краю кукурузного поля в Верхнерейнской низменности. И не случайно поблизости находится автостоянка с рестораном, а также региональный аэропорт Лар.
«Жук за миллиард долларов» — это симпатичное насекомое длиной всего три миллиметра. Только в США он наносит хозяйству миллиардные убытки, подчеркивает министр. И это происходит ежегодно. Официальное название — западный кукурузный корневой жук — описывает, скорее, вред для растений. Личинки этого насекомого грызут корни. Корневой жук — самый опасный кукурузный вредитель из всех существующих. А также самый современный — во всяком случае, в том, что касается способа распространения. Он с удовольствием использует самолеты и грузовики, благодаря чему получил еще одно название — «жук-путешественник». На самолете он прилетел из США в Европу. По крайней мере, так предполагают, потому что впервые в Европе западный кукурузный корневой жук был обнаружен недалеко от военной базы ВВС США под Белградом. Это случилось в 1992 году, и с тех пор жук с легкостью путешествует на грузовиках и пассажирских самолетах. Так он достиг Швейцарии, Польши, Голландии и Франции. А теперь еще и Германии — по автобану, железной дороге и самолетом.
Тридцать четыре экземпляра барахтаются в предусмотрительно расставленных феромонных ловушках, а это означает, что промедление смерти подобно. Никто не знает, сколько жуков обитает в поле. Счет идет на часы, констатирует министр, по обе руки от которого стоят государственные защитники растений. К сожалению, чтобы спасти кукурузу, нужно прибегнуть к опрыскиванию химикатами.
А почему же кукуруза не защищается сама? Корневой жук разом опроверг всю нашу похвалу оборонительным стратегиям растений, их «крикам» о помощи. Видимо, это насекомое можно изгнать лишь при помощи высокотехнологичных приборов. Например, тракторов со специальным оборудованием, которое парит над рядами кукурузы, распыляя сотни тысяч литров инсектицидов. Желательно по нескольку раз. Помимо всего прочего, опрыскивание нужно сделать как можно быстрее. Если самки жучков успеют зарыться в землю и отложить яйца, их уже не достать. И уж тем более не достать вылупившиеся личинки, которые, принявшись за корни, продырявят их. Собственно, они и есть главные вредители. Личинки препятствуют поступлению в растения воды и питательных веществ. Чем и вызывают миллиардные убытки.
Кукурузу захватывают с самых корней, атакуют из глубины. И против подземной стратегии нападения она как будто беспомощна. Как же кукуруза защитит свои подземные органы, когда к ним подползут личинки? Целое полчище червячков — ведь каждая самка кукурузного жука откладывает до тысячи яиц — в непосредственной близости от корней.
Однако, вспомнив все предыдущие уловки растений, мы очень удивились бы, если бы обнаружили, что слабость одного из них — в корнях. В тех самых корнях, которые жизненно необходимы для всего растительного организма. Наверное, их можно считать головой растения. На первый взгляд это утверждение кажется несколько противоречивым — в качестве «разноцветных головок» мы обычно представляем себе именно цветки. Но еще Чарлз Дарвин предложил перевернуть картинку. Верхушка корня — это голова растения, напоминающая мозг беспозвоночных. И действительно, верхушка корня исследует свое окружение на предмет наличия влаги и минеральных веществ, она распознает препятствия, ощущает свет и силу тяжести. На основе этих разнообразных данных она определяет, как быстро и куда нужно расти, извиваться или вытягиваться. Вопрос о том, можно ли на этом основании говорить о «корневом мозге», как это делают некоторые ученые, пока остается нерешенным, но без множества расчетных действий корни никогда не смогли бы столь успешно ориентироваться и передвигаться в почве.
Следует исходить из того, что растения всеми средствами защищают свой ценнейший орган — в этом абсолютно уверен профессор Тед Терлингс из Нёвшательского университета (Швейцария). Он доказал, что кукуруза рассылает ароматные сигналы так же, как и дикий табак, когда его листья кто-то пожирает. Разве уничтожение корней не может повлечь за собой подобные «крики»?
Университет располагается в красивом современном здании, возвышающемся над Нёвшательским озером, а строение, где работают с опасными организмами, выполнено прямо-таки в футуристическом стиле. Здесь Тед Терлингс держит своих кукурузных корневых жуков под надежной охраной. И здесь же хочет продемонстрировать, что им не так-то просто продырявливать подземную часть кукурузы. Потому что корни этого растения тоже умеют посылать сигналы бедствия. На их «зов» спешит целая армия крошечных хищников — малюсеньких круглых червей-нематод, которые в больших количествах обитают в пахотной земле.
На столе лаборатории выстроена своего рода полоса препятствий. В центре находится стакан с землей. Это — миниатюрная пашня с тысячами нематод. От нее, словно лучи, отходят шесть рукавов — они тоже наполнены землей, и из них можно снова попасть в центральный стакан с пахотной почвой.
Нематоды могут выбрать один из шести путей, войти в любой из шести рукавов, то есть, извиваясь, пробраться по влажной почве. Заканчиваются эти дороги по-разному: три рукава приводят в сосуды с землей, а другие три — в сосуды с кукурузой, при этом одно из растений намеренно заражено личинками.
Что же, начнем. Куда направятся нематоды, если они вообще отважатся на путешествие? Снаружи ничего не видно, все происходит в земле. Но через сутки червячки, все как один, — на пути к пораженному растению, а некоторые уже добрались туда. Единственное объяснение: нематоды последовали на активный призыв, посылаемый корнями, потому что во всех остальных контрольных рукавах червей практически нет.
Тед Терлингс даже сумел расшифровать этот сигнальный код: после нападения личинок корни кукурузы выделяют газ, называемый «бета-кариофиллен». Он проходит под землей, находя нематод, а они, похоже, считают его привлекательным. Червячки, извиваясь, двигаются на встречу запаху. И будут за это вознаграждены. В корневой системе эти организмы обнаружат личинок, которые, правда, существенно превосходят их размерами, но здесь нематоды берут числом. При помощи ротового отверстия и глотки червячки высасывают все соки из своих жертв.
Растения — единственные существа, живущие одновременно внутри почвы и над землей. И в обоих мирах они посылают сигналы вспомогательным войскам. Компенсируя свою собственную неподвижность, растения призывают двигаться другие организмы.
Тед Терлингс даже научился имитировать сигнал о помощи. Если в какой-нибудь участок почвы запустить искусственный бета-кариофиллен, нематоды незамедлительно явятся туда. Правда, они останутся без вознаграждения и уйдут ни с чем, но само появление червячков доказывает, что Тед выбрал правильный привлекающий сигнал.
Что ж, хорошо. Похоже, честь кукурузы спасена. Остается вопрос: почему в лаборатории Теда это получается, а на полях Верхнерейнской низменности — нет?
На самом деле большинство сортов кукурузы «онемели». В постоянных попытках вывести урожайные варианты растения «химический голос» кукурузы был по недосмотру утерян, а соответствующие гены — выключены. Сэкономленные минеральные вещества и ресурсы кукуруза — что полностью устраивает селекционеров — вкладывает в образование плодов.
Команда Теда Терлингса работает над тем, чтобы вновь активировать «замолчавшие» гены и вернуть культурной кукурузе ее «голос». Идея восстановить природные защитные силы растения заслуживает понимания и поддержки, однако вопрос, удастся ли таким образом сократить опрыскивание, вызывает большие сомнения. Собственные защитные средства зеленых организмов могут не сработать на огромных полях с монокультурами, где из года в год высаживают одни и те же растения. Но вероятно, их будет достаточно, если мы помимо этого вернемся к старой, испытанной системе севооборота. Если кукурузный корневой жук в следующем году не найдет кукурузы и обнаружит вместо нее, к примеру, пшеницу, это нанесет ему больший ущерб, чем опрыскивание химикатами, которое поддерживается на государственном уровне. Швейцария уже ступила на этот путь, и в результате «жук за миллиард долларов» действительно снова исчез.
Яблочная кислота полезна для здоровья
Призывы о помощи оказались настолько успешной стратегией, что растения стали применять ее и над, и под землей. При нападении на листья зеленые организмы отдают приказания клопам и летающим насекомым, а в случае нападения на корни — нематодам. Растения справляются в обоих мирах — и в атмосфере, и в ризосфере (так ботаники называют верхние слои почвы — мир корней). Однако недавно профессор Харш Бейс из Делавэрского университета обнаружил, что растения могут комбинировать эти защитные системы. Маленькая резуховидка Таля, по-научному называемая «арабидопсис», отражает нападения на листья с помощью защитников из почвы.
Трудно представить, как это происходит. Но у Харша Бейса нашлись точные документальные подтверждения, а также потрясающие «фотодоказательства». Вот краткое изложение событий.
Листья резуховидки Таля заболевают. Возбудители болезни — бактерии псевдомоны. Они вызывают мягкую бактериальную гниль, и уже через несколько дней листья арабидопсиса желтеют. Если, конечно, он бездействует.
Однако чаще всего арабидопсис наказывает обидчиков, посылая сигнальные вещества в корни, которые, в свою очередь, производят яблочную кислоту, а затем переправляют ее в почву. Кислота служит сигналом для почвенных бактерий бациллус субтилис (Bacillus subtilis) — их также называют сенными палочками. Целое войско этих организмов отправляется в путь. Обросшие жгутиками палочки плывут навстречу питательной яблочной кислоте и тонкой пленкой облепляют корни растения. Обычно это незаметно, однако Харш Бейс и его коллеги заставили бактерии светиться и таким образом смогли их сфотографировать.
Бациллус субтилис — почвенная бактерия с хорошей репутацией. Фермеры и садовники часто насыщают этими палочками почву, так как они производят антибиотики и целый ряд веществ, укрепляющих защитную силу растений. Как именно это происходит, до сих пор точно не известно. Однако в случае с резуховидкой Таля действие сенной палочки нельзя не заметить: мягкая гниль остановлена. Вещества, производимые «хорошей» почвенной бактерией, попали в корни, а затем и в листья, победив «плохие» организмы.
Похоже, жизнь в двух мирах — это вовсе не плохо. Из каждого можно взять лучшее. Однако в каждом из миров нужно еще утвердиться, победив не только вражеские организмы, но и растущую конкуренцию среди собратьев.
Размолвка между соседями
Растения не ссорятся. Не влюбляются. Не изгоняют друг друга. И не травят никого из собратьев. На первый взгляд это именно так. Например, деревья мирно растут рядышком, образуя зеленую общину в лесу или на лугу и оставляя место для нежных травок и цветов. Кажется, агрессивная конкуренция присуща только людям и животным.
Однако еще две тысячи лет назад римский писатель-эрудит Плиний Старший подметил, что ореховые деревья не подпускают к себе другие растения. Под крышей из ореховых листьев нет почти никаких других представителей флоры — как будто присутствие чужаков запрещено. Тень деревьев, должно быть, опасна, считал Плиний, и он не так уж сильно ошибался. Все дело в листьях, отбрасывающих эту тень. Они отравляют почву — конечно, после того, как опадут и подвергнутся разложению. При этом возникает вещество под названием «юглон», препятствующее проращиванию и затрудняющее появление других растений.
Ядовитая защита собственного «дома» привычна для многих растений. Под эвкалиптами земля остается на удивление голой, да и хвойные деревья защищают свое место обитания от назойливых выскочек. Но, как это часто случается с ядами, со временем они становятся менее эффективными. Отвергнутые соседи приспосабливаются к ним и вырабатывают противоядие. Конкуренты не спят.
Надземная часть растения следит за своим «карьерным ростом» — чтобы никто не обогнал его по пути наверх. Оно защищается, если сосед стремиться поставить его в тень. Сражается за место под солнцем и даже пытается убрать всех соперников. Растения поочередно стремятся вверх, борясь за свет и пространство.
В принципе, уже известно, что при этом происходит, известно, как соперники воспринимают друг друга и каким образом влияют друг на друга. Однако ключевую роль в гонке роста играет специальный фоторецептор — присутствующий в растительной клетке пигмент фитохром. Он опознает тончайшие оттенки цвета и «понимает», какой солнечный свет попадает на растение — натуральный или тот, что просочился сквозь другие листья. Именно таким образом деревья, изо всех сил стремящиеся вытянуться вверх, узнают об опасности оказаться в тени и, переработав эту информацию, начинают расти более серьезными темпами. Как именно это происходит, какая цепочка сигналов, запущенная фитохромом, приводит к росту растения, пока еще не исследовано. Но, судя по всему, представители флоры из последних сил пытаются не уступать конкурентам.
Оказывается, подземная борьба, разгорающаяся между корнями, еще более драматична, хоть и менее заметна. Получается, что растения часто промахиваются и вредят себе лишь потому, что не желают счастья своим конкурентам. Подобное гипертрофированное соперничество встречается и в мире людей.
Корни заботятся о снабжении растительного организма водой и питательными веществами. Каждому виду необходимо особое соотношение азота, серы, фосфора и многих других минеральных веществ и микроэлементов. В общей сложности потребность в них, конечно же, увеличивается по мере того, как зеленый организм растет, образует новые листья, плоды или семена. При этом под землей корневая система должна подобающим образом вырасти и уплотниться, чтобы освоить новую территорию с новыми ресурсами. Но, как правило, это непросто. Потому что в большинстве случаев у растений есть соседи, оспаривающие «подземные сокровища». И тогда речь уже не совсем о том, сколько на самом деле нужно зеленому организму, а скорее о том, сколько он может завоевать и на что может претендовать. Иными словами, под землей растения только и делают, что ведут бои. Не уделяя особого внимания надземным органам (листьям, цветам и плодам), они занимаются расширением корневой системы. Как можно быстрее, разумеется. Сначала корни осваивают свободное пространство, затем вторгаются на «суверенную территорию» соседнего растения и наконец заполняют промежутки изящным корневым плетением. Тут нужно действовать проворней, поскольку соперники используют ту же стратегию. Оба распознают, какой корень перед ними — собственный или принадлежащий противнику, и оба пытаются отхватить у соседа как можно больше пространства, пока он их не опередил. Захватывающая шахматная партия, протекающая особенно остро, когда противники — растения одного вида с одинаковыми потребностями в питательных веществах. К примеру, конкурирующие соевые бобы образуют в среднем на восемьдесят пять процентов больше корневой массы, чем отдельно стоящие растения, однако при этом количество их плодов и семян сокращается более чем на треть. Конкурентная битва под землей стоит им потомства. Но кто откажется от нее, тот вскоре и вовсе выйдет из игры.
Могут ли растения как-нибудь объединиться, по-братски поделить почву и прекратить изматывающую корневую войну? На самом деле такие случаи бывают. Не так давно Сьюзан Дадли из Макмастерского университета (Канада) удалось сделать, на мой взгляд, сенсационное открытие. Объект ее исследования растет и цветет неподалеку от лаборатории, на песчаных берегах озера Онтарио. Это морская горчица. Понаблюдать за ее корневой конкуренцией нетрудно. Если растения выращивают отдельно в маленьких горшках, они образуют нормальные клубки корней. Если же, напротив, они попадают в общий горшок, подходящий им по размеру, корни распознают конкурентную ситуацию и растут, как и ожидалось, быстрее и гуще, чтобы опередить соседа.
Когда Сьюзан Дадли устроила противостояние брата и сестры, то есть ростков, произошедших от одного материнского растения, ситуация стала развиваться еще интересней. Поведение растений в общем горшке вдруг стало более терпимым, родственники как будто начали обходиться друг с другом великодушнее и миролюбивее: интенсивный корневой рост существенно снизился или вовсе прекратился. Родственники — таковы результаты — уступают друг другу больше пространства и питательных веществ. И это, как предполагает Сьюзан Дадли, бывает не только у морской горчицы.
Итак, на пашне, на клумбе или в цветочной кадке разворачивается безумная борьба. Там происходят подземные поединки и позиционные битвы, растения четко различают свои и чужие корни и даже узнают родственников. Семейные кланы держатся вместе. Пока еще неясно, как именно это удается корням, и здесь ученым открывается огромное поле для исследований. Нам гораздо больше известно об обитателях океанов и морей, чем о растительной жизни, протекающей у нас под ногами, хотя мы год от года кормимся зелеными организмами.
Я бы с огромным удовольствием запечатлел битву корней в своем фильме. Ускорил бы ее, чтобы острота борьбы могла воздействовать на наши эмоции. Стратегия завоевания пространства в ризосфере. Но, к сожалению, мир корней скрыт от глаз и камер. Стоит попробовать понаблюдать за соперничающими растениями из водных культур — в прозрачный резервуар, который не будет создавать преград для камеры с замедленной покадровой съемкой. Сьюзан Дадли работает над этим.