Биоакустика растений
Биоакустика растений относится к созданию звуковых волн растениями. Измеренные уровни звукового излучения растений, а также различные скорости прорастания, темпы роста и изменения поведения в ответ на звук хорошо задокументированы. [1] Растения обнаруживают соседей не только с помощью устоявшихся коммуникативных сигналов, но и с помощью летучих химических веществ, обнаружения света, прямого контакта и передачи корневых сигналов. [2] [3] [4] Поскольку звуковые волны эффективно распространяются через почву и могут производиться с минимальными затратами энергии, растения могут использовать звук как средство интерпретации окружающей среды и окружающей среды. Предварительные данные подтверждают, что растения издают звук в кончиках корней, когда разрушаются клеточные стенки. [5] Поскольку корни растений реагируют только на звуковые волны на частотах, которые соответствуют волнам, излучаемым самими растениями, вполне вероятно, что растения могут воспринимать и преобразовывать звуковые вибрации в сигналы, вызывающие поведенческие изменения как форму подземного общения. [6]
Датчики звука
[ редактировать ]Опыление жужжанием , или обработка ультразвуком, служит примером поведенческой реакции на определенные частоты вибраций растений. Около 20 000 видов растений, [7] включая Dodecatheon и Heliamphora, развилось жужжащее опыление, при котором они выделяют пыльцу из пыльников только при вибрации с определенной частотой, создаваемой исключительно летательными мышцами пчел. Вибрации заставляют гранулы пыльцы набирать кинетическую энергию и выходить из пор пыльников. [8]
Подобно опылению жужжанием, существует разновидность примулы вечерней, которая, как было показано, реагирует на взмахи крыльев пчел и звуки схожих частот, производя более сладкий нектар. Oenothera Drummondii (примула вечерняя пляжная) — многолетний полукустарник, произрастающий на юго-востоке США, но натурализованный почти на всех континентах. [9] Растение растет среди прибрежных дюн и песчаных мест. Было обнаружено, что цветы O. Drummondii производят значительно более сладкий нектар в течение трех минут под воздействием взмахов крыльев пчел и искусственных звуков, содержащих аналогичные частоты. [10] Вероятностью такого поведения является тот факт, что если растение может чувствовать, когда опылитель находится поблизости, существует высокая вероятность того, что другой опылитель на мгновение окажется в этом районе. Чтобы увеличить вероятность опыления, производят нектар с более высокой концентрацией сахара. Была выдвинута гипотеза, что цветок служит «ухом», содержащим механорецепторы на плазматических мембранах клеток для обнаружения механических вибраций. [10] Возможным механизмом этого является активация механорецепторов звуковыми волнами, вызывающая поток кальция. 2+ в растительную клетку, вызывая ее деполяризацию [11] Из-за специфических частот, производимых крыльями опылителей, возможно, только определенное количество Ca 2+ поступает в клетку, что в конечном итоге определяет растительные гормоны и экспрессию генов, участвующих в последующем эффекте. Исследования показали, что существует кальмодулинподобный ген, который может быть сенсором кальция. 2+ концентрации в клетках, следовательно, количество Ca 2+ в растительной клетке может оказывать существенное влияние на реакцию на раздражители. [12] Благодаря гормонам и генам, выраженным в лепестках цветка, транспорт сахара в нектар увеличился примерно на 20%, что придало ему более высокую концентрацию, чем в нектаре цветов, которые подвергались воздействию более высоких частот или не слышали звука при этом. все. [10] LDV (лазерный доплеровский виброметр) использовался, чтобы определить, приведут ли записи к вибрации лепестков. Скорость лепестков была показана в ответ на звуковой сигнал медоносной пчелы и мотылька, а также на низкочастотную обратную связь, но не на высокочастотную обратную связь. [10] Концентрацию сахара в нектаре измеряли до и после воздействия звука на растения; значительное увеличение концентрации сахара наблюдалось только при воспроизведении низких частот (похожих на взмахи крыльев пчелы) и звуков пчел. [10] Чтобы подтвердить, что цветок является органом, воспринимающим вибрацию опылителя, был проведен эксперимент, в котором цветы были накрыты стеклянной банкой, а остальная часть растения была подвергнута воздействию. Концентрация сахара в нектаре не показала существенной разницы до и после воспроизведения низкочастотного звука. [10] Если лепестки действуют как уши растения, то по механическим параметрам цветка должен происходить естественный отбор. Его резонансная частота зависит от размера, формы и плотности. При сравнении признаков растений по их опылителям обнаруживается закономерность между формой цветков с «шумными» опылителями. Пчелы, птицы и бабочки – цветы, которые они опыляют, соответствуют чашеобразным/трубчатым цветкам. [13]
Генерация звука
[ редактировать ]Растения излучают звуковую акустическую эмиссию в диапазоне 10–240 Гц, а также ультразвуковую акустическую эмиссию (ОАЭ) в диапазоне 20–300 кГц. Доказательства механосенсорных способностей растений показаны, когда корни подвергаются однонаправленному звуку частотой 220 Гц и впоследствии растут в направлении источника вибрации. [6] С помощью электрографического вибрационного детектирования были обнаружены структурированные звуковые волны вдоль зоны удлинения кончиков корней растений кукурузы в виде громких и частых щелчков. Когда растения изолированы от контакта, обмена химическими и световыми сигналами с соседними растениями, они все еще способны чувствовать своих соседей и обнаруживать родственников с помощью альтернативных механизмов, среди которых важную роль могут играть звуковые вибрации. Кроме того, на ряде различных предприятий была обнаружена ультразвуковая акустическая эмиссия (ОАЭ), возникающая в результате обрушения столбов воды под высоким напряжением. [14] Исследования ОАЭ показывают разную частоту звуковых излучений в зависимости от того, присутствуют ли засушливые условия. Неизвестно, используются ли ОАЭ растениями в качестве механизма связи. [15]
Хотя явные механизмы создания и обнаружения звукового излучения в растениях неизвестны, существуют теории, проливающие свет на возможные механизмы. Механические вибрации, вызванные заряженными клеточными мембранами и стенками, являются ведущей гипотезой генерации акустической эмиссии. Миозины и другие механохимические ферменты, которые используют химическую энергию в форме АТФ для создания механических колебаний в клетках, также могут способствовать генерации звуковых волн в растительных клетках. Эти механизмы могут приводить к общим наномеханическим колебаниям компонентов цитоскелета, которые могут генерировать как низкочастотные, так и высокочастотные колебания. [6]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Гальяно М., Рентон М., Дувдевани Н., Тимминс М., Манкузо С. (2012). «С глаз долой, но не из головы: альтернативные средства связи в растениях» . ПЛОС ОДИН . 7 (5): e37382. Бибкод : 2012PLoSO...737382G . дои : 10.1371/journal.pone.0037382 . ПМЦ 3358309 . ПМИД 22629387 .
- ^ Смит Х (октябрь 2000 г.). «Фитохромы и восприятие светового сигнала растениями - новый синтез». Природа . 407 (6804): 585–91. Бибкод : 2000Natur.407..585S . дои : 10.1038/35036500 . ПМИД 11034200 . S2CID 4418526 .
- ^ Карбан Р., Сиодзири К. (июнь 2009 г.). «Самораспознавание влияет на связь и защиту растений» . Экологические письма . 12 (6): 502–6. дои : 10.1111/j.1461-0248.2009.01313.x . ПМК 3014537 . ПМИД 19392712 .
- ^ Паре П.В., Тумлинсон Дж.Х. (октябрь 1999 г.). «Летучие вещества растений как защита от травоядных насекомых» . Физиология растений . 121 (2): 325–32. дои : 10.1104/стр.121.2.325 . ПМЦ 1539229 . ПМИД 10517823 .
- ^ Гальяно М (июль 2013 г.). «Зеленые симфонии: призыв к исследованиям акустической коммуникации в растениях» . Поведенческая экология . 24 (4): 789–796. дои : 10.1093/beheco/ars206 . ПМЦ 3677178 . ПМИД 23754865 .
- ^ Jump up to: а б с Гальяно М., Манкузо С., Роберт Д. (июнь 2012 г.). «На пути к пониманию биоакустики растений». Тенденции в науке о растениях . 17 (6): 323–5. doi : 10.1016/j.tplants.2012.03.002 . ПМИД 22445066 .
- ^ «Расцвет биоакустики растений: как и почему» .
... Например, около 20000 видов используют жужжащее опыление...
- ^ Бухманн С.Л., Херли Дж.П. (июнь 1978 г.). «Биофизическая модель активного опыления покрытосеменных». Журнал теоретической биологии . 72 (4): 639–57. Бибкод : 1978JThBi..72..639B . дои : 10.1016/0022-5193(78)90277-1 . ПМИД 672247 .
- ^ «Профиль растений Oenothera Drummondii (примула вечерняя пляжная)» . Plants.usda.gov . Проверено 2 июня 2019 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж Вейтс М, Хаит И, Обольски У, Зингер Э, Бунман А, Гольдштейн А, Сабан К, Бен-Дор У, Эстлейн П, Кабат А, Перец Д (28 декабря 2018 г.). «Цветы реагируют на звук опылителей в течение нескольких минут, увеличивая концентрацию сахара в нектаре.: Дополнительные данные» . биоRxiv . дои : 10.1101/507319 .
- ^ Аппель Х.М., Кокрофт Р.Б. (август 2014 г.). «Растения реагируют на вибрацию листьев, вызванную жеванием травоядных насекомых» . Экология . 175 (4): 1257–66. Бибкод : 2014Oecol.175.1257A . дои : 10.1007/s00442-014-2995-6 . ПМК 4102826 . ПМИД 24985883 .
- ^ Уолли Дж.В., Кофлан С., Хадсон М.Е., Ковингтон М.Ф., Каспи Р., Бану Дж., Хармер С.Л., Дехеш К. (октябрь 2007 г.). «Механический стресс вызывает биотические и абиотические стрессовые реакции посредством нового цис-элемента» . ПЛОС Генетика . 3 (10): 1800–12. дои : 10.1371/journal.pgen.0030172 . ПМК 2039767 . ПМИД 17953483 .
- ^ «Синдромы опылителей» . www.fs.fed.us. Проверено 2 июня 2019 г.
- ^ Лашимке Р., Бургер М., Валлен Х. (октябрь 2006 г.). «Акустико-эмиссионный анализ и эксперименты с физическими модельными системами выявляют своеобразную природу натяжения ксилемы». Журнал физиологии растений . 163 (10): 996–1007. дои : 10.1016/j.jplph.2006.05.004 . ПМИД 16872717 .
- ^ Член парламента Перкса, Ирвин Дж., Грейс Дж. (январь 2004 г.). «Акустические сигналы ксилемы зрелой Pinus sylvestris во время продолжительной засухи» (PDF) . Анналы лесной науки . 61 (1): 1–8. дои : 10.1051/лес: 2003079 .