Учёные раскрыли загадку столетней давности о том, как венерина мухоловка захлопывается

ПАРИЖ, 12 июня — Жаль бедную муху, которая садится на венерину мухоловку. Когда насекомое касается волосковидных структур этого удивительного хищного растения, ловушка захлопывается, обрекая жертву на переваривание в выделяемых ферментах в течение нескольких дней. Учёные обнаружили физический механизм, лежащий в основе этого захлопывания.

Исследователи сообщили, что эксперименты показали: закрытие венериной мухоловки инициируется быстрым размягчением клеточных стенок во внешнем слое ловушки растения — сильно видоизменённого листа, разделённого на две шарнирно соединённые доли, напоминающие зубастые челюсти.

На протяжении более чем века господствовала гипотеза о том, что закрытие ловушки обусловлено быстрым перераспределением воды внутри листа: вода перемещается между клетками, вызывая набухание одной стороны листа. Новое исследование указывает на иной биологический механизм.

«Одно из самых известных растений в мире всё ещё способно нас удивить. После более чем века исследований мы по-прежнему открываем принципиально новые вещи о том, как работает венерина мухоловка», — сказал физик Йоэль Фортерр из французского исследовательского агентства CNRS и Университета Экс-Марселя, старший автор исследования, опубликованного вчера в журнале Science.

Венерина мухоловка — небольшое хищное растение, родиной которого является ограниченный регион Северной и Южной Каролины в США. Как и многие хищные растения, оно растёт в бедных питательными веществами средах и восполняет питание за счёт поимки и переваривания насекомых.

В ходе экспериментов, проведённых в Марселе, исследователи использовали высокоскоростную съёмку, механические измерения методом индентации внешнего слоя растения и механическое моделирование. Они также измерили транспорт воды внутри растительной ткани, чтобы исключить его как задействованный механизм.

«Растение использует специализированные волоски-триггеры, расположенные на внутренней поверхности ловушки. Когда насекомое дважды касается этих волосков в течение короткого времени, ловушка закрывается. Закрытие может произойти менее чем за одну десятую секунды», — сказал Фортерр.

«Наша гипотеза состоит в том, что ловушка уже находится в механически нагруженном состоянии до срабатывания — подобно пружине. Когда ловушка стимулируется, клеточные стенки внешнего эпидермального слоя быстро размягчаются примерно на 30–40 процентов, то есть клеточная стенка становится более гибкой. Это высвобождает внутренние напряжения, накопленные в ткани, и заставляет ловушку изгибаться и закрываться. Размягчение развивается примерно за одну секунду», — сказал Фортерр.

Когда ловушка захлопывается, насекомое оказывается запечатано внутри для переваривания.

«Напрямую измеряя механику живой ловушки в момент её реакции, мы определили внутренний «мотор», который приводит лист через порог нестабильности и запускает щелчковое выпучивание, закрывающее его», — сказал физик и ведущий автор исследования Чонгын Рю, работавший над исследованием в качестве постдокторанта в CNRS и Университете Экс-Марселя.

После того как растение поглощает богатую питательными веществами жидкость, образующуюся в процессе пищеварения, ловушка вновь открывается, оставляя за собой пустой экзоскелет насекомого.

«Меня поражает то, что эволюция зачастую не изобретает принципиально новых механизмов, а скорее повторно использует и совершенствует уже существующие. Известно, что растения изменяют механические свойства своих клеточных стенок в процессе роста, однако венерина мухоловка, по всей видимости, доводит этот механизм до крайности, используя его в временном масштабе около одной секунды», — сказал Фортерр.

Известно около 800 видов хищных растений. Они не являются близкородственными, что свидетельствует о том, что плотоядность эволюционировала независимо несколько раз в ходе эволюции растений.

Вопрос о том, как захлопывается венерина мухоловка, давно интересует учёных, в том числе Чарльза Дарвина — натуралиста XIX века, разработавшего теорию эволюции путём естественного отбора. Исследователи видят потенциальные практические применения своих открытий.

«Насколько нам известно, это первый случай, когда столь быстрое изменение механических свойств клеточных стенок было обнаружено у растения», — сказал Рю.

«Это разрешает вопрос, уходящий корнями ко временам Дарвина, — что движет одним из самых быстрых движений в растительном царстве — и указывает на новый способ движения живого существа: не за счёт перекачки жидкости или простого схлопывания, а за счёт активной регулировки жёсткости собственного материала. Этот принцип в конечном счёте может вдохновить на создание мягких роботов или умных материалов, хотя это пока остаётся долгосрочной перспективой», — сказал Рю. — Reuters