Растения могут распознавать и издавать звук

В 1986 году, когда он был ещё принцем, король Чарльз, британский монарх-эколог, сказал в телевизионном интервью, что очень важно разговаривать со своими растениями. Его слова вызвали бурные насмешки. Но, похоже, эта монархическая мудрость опередила своё время, поскольку сегодня существует множество доказательств того, что растения способны улавливать звук, реагировать на него и даже, возможно, производить его.

Учёные экспериментируют с воспроизведением звуков на растениях, по крайней мере, с 1960-х годов, и за это время они успели услышать всё - от Бетховена до Майкла Джексона. С годами доказательств того, что подобное воздействие может иметь эффект, становилось всё больше.

В одной из работ, опубликованной в 2018 году, утверждается, что вечнозелёный азиатский кустарник, известный как Кодариокалис двигающийся или телеграфное растение, вырастил значительно больше листьев, когда его 56 дней подвергали воздействию буддийских песнопений, но не при воздействии западной поп-музыки или тишины.

В другом исследовании, опубликованном в прошлом году, было обнаружено, что ноготки и шалфей, подвергавшиеся воздействию шума от оживлённой автомагистрали, отставали в росте и вырабатывали ряд стрессовых соединений.

Остальные исследования, в основном проведенные в Китае, показывают, что определённые частоты, воспроизводимые в акустически контролируемой среде, например в теплицах, могут влиять на прорастание семян и даже повышать урожайность. Растения тоже могут издавать звуки, хотя и не специально.

В начале этого года группа исследователей из Тель-Авивского университета опубликовала в журнале Cell Press статью, в которой сообщалось, что несколько видов растений издают различные звуки в ответ на различные стрессы, хотя и не на тех частотах, которые слышит человек.

Звук несёт в себе полезную информацию о среде обитания организма. С эволюционной точки зрения нет никаких причин ожидать, что эту информацию будут использовать только животные.

Растения эволюционировали вместе с насекомыми, которые их опыляют и поедают, на протяжении сотен миллионов лет. Учитывая это, Хайди Аппель, ботаник из Хьюстонского университета, и Реджинальд Кокрофт, энтомолог из Университета Миссури, задались вопросом, могут ли растения быть чувствительны к звукам, издаваемым животными, с которыми они чаще всего взаимодействуют.

Исследователи записали вибрации, издаваемые некоторыми видами гусениц, когда они грызут листья. Эти колебания недостаточно мощные, чтобы создавать звуковые волны в воздухе. Однако они способны распространяться по листьям и ветвям, а также по соседним растениям, если их листва соприкасается.

Затем исследователи подвергли кресс-салат Thale - вариант лабораторной мыши для биологов - воздействию записанных вибраций, при этом гусеницы не присутствовали. Позже они поместили на растения настоящих гусениц, чтобы проверить, не заставило ли воздействие гусениц подготовиться к нападению насекомых. Результаты оказались поразительными.

В листьях салата, подвергшихся воздействию, было значительно выше содержание защитных химических веществ, таких как глюкозинолаты и антоцианы, что значительно затрудняло поедание их гусеницами. Листья контрольных растений, не подвергавшихся воздействию вибрации, не показали такой реакции. Другие виды вибрации, например, вызванные ветром или другими насекомыми, которые не питаются листьями, не оказывали никакого влияния.

Доктор Аппель и доктор Кокрофт опубликовали свои результаты в 2014 году. С тех пор они были многократно повторены как на кресс-салате, так и на табаке, другом распространённом лабораторном организме, а также на различных гусеницах. Хотя вибрации, создаваемые разными насекомыми, жующими разные листья, отличаются, растения неизменно распознают их как угрозу и защищаются соответствующим образом.

В 2019 году исследователи более детально изучили, что именно происходит с биохимической точки зрения с растениями, подвергающимися воздействию звуков, которые создаются при поедании их насекомыми. Оказалось, что многие химические вещества, выделяемые для борьбы с насекомыми, совпадают с теми, которые вырабатываются для того, чтобы лучше переносить холодную погоду. Исследователи Аппель и Кокрофт предполагают, что в обеих ситуациях активизируются сходные сигнальные пути, связанные со стрессом.

Исследование может иметь и практические последствия. «Дроны, оснащённые динамиками и правильными звуковыми файлами, могли бы предупреждать сельскохозяйственные культуры о необходимости действовать, когда вредители обнаружены, но ещё не получили широкого распространения, - говорит Кокрофт. В отличие от химических пестицидов, звуковые волны не оставляют токсичных следов. С помощью прогнозов погоды эта система может даже использоваться для подготовки сельскохозяйственных культур к похолоданию».

Если эволюционно логично, что некоторые растения способны услышать насекомых, то не менее логичны являются и другие способны «слышать» шум, от которого зависят все растения: шум воды. В 2017 году Моника Гаглиано, эколог из Университета Западной Австралии, опубликовала данные, свидетельствующие о том, что они могут это делать.

Из предыдущих работ Гаглиано было известно, что корни растений чувствительны даже к незначительному количеству воды в почве и следуют за градиентами влажности. Однако оказалось, что семена способны посылать корни к близлежащей воде даже тогда, когда почва в непосредственной близости от них была сухой. Доктор Гаглиано предположила, что корни могут определять наличие грунтовых вод по звуку, и проверила свою теорию на горохе (выбор пал именно на горох, так как ранее на этом же виде исследовали способность растений к поиску воды с помощью градиента влажности).

Растения выращивались в Y-образных горшочках, которые могли быть одновременно заполнены как сухой, так и влажной почвой. Как и ожидалось, корни оказались очень чувствительны к наличию влаги и охотно росли в её сторону. Затем доктор Гаглиано добавила изюминку. В одну из трубок горшка помещали небольшие пластиковые ёмкости, наполненными водой, которые создавали водяной шум, но оставались недоступными для корней. Когда же в качестве альтернативы использовалась трубка, наполненная сухой почвой, эти звуки оказались для растущих корней столь же привлекательными, как и сама вода.

Гаглиано и её коллеги поместили небольшие динамики в основания некоторых трубок и воспроизводили либо записанный звук воды, либо белый шум, либо ничего. Удивительно, но растения, казалось, могли понять, что их обманывают. Даже если альтернативой была пересохшая почва, почти все растения предпочитали расти вдали от динамика. Убедить их расти в сторону динамика можно было только в том случае, если приходилось выбирать из двух, и тогда они выбирали тот, который воспроизводил водяные звуки.

Доктор Гаглиано подозревает, но пока не может доказать, что за такое различающее поведение отвечают небольшие магниты, обнаруженные в динамиках. В нескольких старых работах было высказано предположение, что растения могут обнаруживать магнитные поля.

Тем не менее, полученные результаты свидетельствуют о том, что в отсутствие влаги в почве растения гороха могут определять звук воды в трубах и следовать за ней до её источника. Это тоже может оказаться ценной информацией.

В Германии ежегодные затраты на удаление корней и ремонт труб составляют около 28 млн. евро. Раньше предполагалось, что корни растений появляются из-за утечек. Результаты, полученные Гаглиано, свидетельствуют о том, что даже водонепроницаемые трубы могут подвергаться атаке корней. Решением проблемы, по её мнению, может стать инвестирование в трубы, которые не шумят, когда по ним течёт вода.

Хотя растения способны распознавать звуки, некоторые из них также издают их, хотя и непреднамеренно. Это было продемонстрировано в апреле группой специалистов из Тель-Авивского университета. Лилах Хадани, руководитель группы, знала, что растения иногда можно заставить вибрировать. Это может происходить, когда им не хватает воды. При этом в ксилеме - специализированной ткани, транспортирующей воду от корней растения к его листьям, - образуются пузырьки воздуха. Когда эти пузырьки схлопываются, они передают небольшие ударные волны в окружающие ткани.

Предыдущие работы показали, что эти колебания можно измерить с помощью устройств, прикреплённых к самим растениям. Хадани задалась вопросом, можно ли их услышать на более далёком расстоянии.

Поэтому исследователи поместили растения томатов и табака в коробку с микрофоном. Половина растений была полита, а половина оставлена без полива. Исследователи повторили эксперимент с другим набором растений, у половины из которых были срезаны стебли, а половина осталась без повреждений.

Микрофоны уловили очень мало звуков от здоровых растений. Но те, которым не хватало воды или которые были срезаны, издавали довольно сильный шум, хотя и на слишком высоких для человека частотах. Различные виды стресса вызывали разные звуки. Когда записи были переданы алгоритму машинного обучения, он смог отличить звуки, издаваемые растениями, испытывающими жажду, от звуков, издаваемых повреждёнными растениями.

Когда эксперимент был повторён в теплице с «кричащими» растениями, Хадани обнаружила, что микрофоны по-прежнему могут распознавать звуки на расстоянии 10 см. Аналогичные результаты дали эксперименты с кактусами, кукурузой, виноградными лозами и пшеницей, а также с растениями томатов, поражёнными вирусом мозаики - распространённым патогеном, который может снижать урожайность.

Фермеры следят за состоянием своих посевов на глаз (вирус мозаики, например, назван так из-за пёстрого рисунка на листьях поражённых растений). Это трудно сделать на всём поле. Но если растения передают слуховые сигналы о неблагополучии, то оснащение поля микрофонами может помочь фермерам быть начеку.

То, что растения живут в мире, полном звуков, уже не вызывает сомнений. Но остаётся много вопросов. Один из них - влияние человеческой цивилизации. Известно, что шум городской жизни затрудняет восприятие птичьих криков, заставляя животных петь громче.

Поскольку струйки воды, голодные гусеницы и страдающие растения ведут себя очень тихо, стоит выяснить, сталкиваются ли растения с подобными проблемами. Исследователи могут даже обратиться к королю Чарльзу с просьбой о финансировании.