Учени разкриват механизма зад движението на венерината мухоловка

Когато Чарлз Дарвин за първи път вижда венерината мухоловка, тя го очарова. Британският естествоизпитател е сред пионерите в научното изучаване на това месоядно растение, вероятно най-известното в света. Способността му да се движи толкова бързо го кара да изглежда почти като животно. Дарвин дори предполага, че трябва да съществува растителен еквивалент на мускулите и нервите. Повече от век по-късно венерината мухоловка продължава да поставя под въпрос представите на учените за движението при растенията. Сега екип от физици и биолози показва, че тайната на нейните щракващи „челюсти“ се крие в способността ѝ почти мигновено да променя механичните свойства на клетъчните си стени – промяна, която предизвиква затварянето на листата около плячката.

Само за няколко секунди клетъчните стени в специфичен слой на листата омекват и освобождават натрупаната еластична енергия. Резултатът е смъртоносен капан за малки и средно големи насекоми, които биват пленени за части от секундата.

Авторите на изследването оспорват досега преобладаващата теория за движението на растението. Смяташе се, че когато насекомо докосне два пъти чувствителните власинки на венерината мухоловка, електрически сигнал, предизвикан от калциеви йони, се разпространява по листата и задейства бързото им затваряне около плячката. Според тази хипотеза механизмът се основава на бързото придвижване на вода между клетките – своеобразна хидравлична система, сравнима с машина, работеща под налягане, пише El País. 

Физикът Йоел Фортер, един от авторите на изследването, публикувано в четвъртък в списание Science, обяснява, че винаги е имало съмнения относно тази теория. По думите му водата може бързо да се придвижва в рамките на една клетка, тъй като трябва да премине само през клетъчната мембрана. Когато обаче трябва да измине по-големи разстояния между различни клетки и тъкани, процесът става значително по-бавен.

Учени възстановиха образа на гигантски праисторически скорпион с размерите на бейзболна бухалка

„Когато водата трябва да премине дълъг път от една клетка до друга през тъканите, това отнема време“, казва изследователят, който изучава растението повече от две десетилетия.

Фортер признава, че не е първият, поставил под съмнение утвърденото обяснение. Предишни изследвания, сред които проучване на германските учени Ходик и Зиверс от 1989 г., насочват вниманието именно в тази посока и вдъхновяват най-новото проучване.

„Много движения при растенията се основават на преместването на вода и мисля, че именно тази аналогия е довела до идеята, че венерината мухоловка функционира по същия начин“, допълва той.

Откритието

Изследователите анализират движението на растението на няколко нива. Първо, те проследяват макроскопичната динамика на затварянето в три измерения. За целта използват стереоскопична система от камери, която позволява прецизно триизмерно проследяване на движението. Благодарение на това учените установяват, че вътрешният „двигател“ на растението остава активен в продължение на около три до четири секунди – време, което е значително по-дълго от самото механично щракване, което виждаме с просто око.

Следващият въпрос е дали движението на водата действително е движещата сила зад този процес. За да проверят това, учените измерват колко време е необходимо на водата да премине през клетките на капана. Според резултатите движението ѝ през цялата тъкан би отнело между 30 и 150 секунди – твърде дълго за механизъм, който се задейства само за няколко секунди.

Освен това, ако водата беше основният двигател на процеса, в различните части на листата би трябвало да се наблюдават закъснения, докато течността се придвижва. Подобни забавяния обаче не са установени.

„Доколкото ми е известно, откритието, че клетъчната стена може да променя механичните си свойства за толкова кратко време, е наистина ново“, посочва Фортер. Според него това е най-бързата механична промяна, наблюдавана досега при растения с клетъчни стени.

Зад кулисите на Мондиала – науката за перфектната тревна настилка

Жак Дюме, биолог със специализация в биомеханиката на растенията, не е участвал в проучването, но високо оценява постигнатото. Според него това изследване предоставя най-солидните доказателства до момента за механизма зад затварянето на венерината мухоловка. Той подчертава, че за първи път успешно се свързва цялата последователност от събития – от засичането на плячката до нейното улавяне.

„Обикновено свързваме бързото движение – танцуването, скачането или бягането – с наличието на мускули“, обяснява той. „Но при растенията не е така.“

Въпреки липсата на мускули венерината мухоловка е способна да улавя паяци и насекоми, които се движат много бързо.

За Дюме, професор по биоинженерство в чилийския университет „Адолфо Ибанес“, именно този феномен заслужава задълбочено проучване. Той изтъква, че растенията притежават коренно различна вътрешна структура от тази на животните, но въпреки това успяват да развият сходна скорост на движение.

Биологът обаче не изключва напълно една от ключовите идеи на първоначалната хипотеза.

„За да функционира механизмът, движението на вода също е необходимо. Всяка промяна в конфигурацията на едно растение в даден момент включва подобен процес“, отбелязва той.

Вдъхновение за инженерството

Венерината мухоловка от години вдъхновява изследователите в областта на роботиката и науката за материалите. Авторите на новото изследване смятат, че откритията им могат да засилят още повече интереса към растението и да отворят нови възможности за разработването на роботи и създаването на изкуствени мускули.

„Вероятно можем да почерпим вдъхновение от този механизъм, за да проектираме бързи и гъвкави роботизирани системи, които да освобождават еластична енергия чрез омекотяване на определени части от конструкцията“, предполага Фортер.

Той уточнява, че макар изследването да идентифицира физическия механизъм, който задейства движението, то все още не дава отговор на молекулярно ниво.

Учени възстановиха образа на гигантски праисторически скорпион с размерите на бейзболна бухалка

Според него калцият вероятно действа като първоначален сигнал. Еднократното докосване не създава достатъчно висока концентрация, но две бързи последователни дразнения достигат необходимото ниво за активиране на капана.

Това обаче не означава, че калцият е пряко отговорен за самото движение.

Физикът признава, че именно това остава последното липсващо звено – отговор, който засега продължава да се крие в капана на венерината мухоловка.