О чем думают растения? Тайная жизнь, скрытая от посторонних глаз

Распространенный пример – грибокорень, или микориза (от греч. mykes — гриб и

rhiza — корень). Это особая форма симбиоза в подстилающем слое почвы между вегетативными частями грибов, которые мы обычно встречаем в лесу, и корнями растений разных видов. Грибы образуют вокруг растения своеобразный чехол и проникают даже внутрь клеток. Такой тип симбиотической связи называют мутуализмом (взаимным симбиозом), поскольку он выгоден обеим сторонам: грибы снабжают корни минеральными веществами, в том числе фосфором (которого всегда не хватает в почве), а взамен получают энергию в виде сахаров, синтезируемых растениями в процессе фотосинтеза.

Однако в этом, казалось бы, взаимовыгодном сотрудничестве бывают неприятные сюрпризы. Проблема в том, что не все грибы имеют добрые намерения; некоторые являются патогенами, прикрепляются к корням, чтобы получить пищу, и разрушают их. Поэтому растения должны уметь различать типы грибов, которые пытаются вступить с ними в контакт, и действовать соответствующим образом. Как же они различают дружественно и враждебно настроенные грибы? Распознавание основано на настоящем диалоге между грибами и корнями, заключающемся в обмене химическими сигналами. Если растение понимает, что гриб настроен враждебно, он отвечает тем же. Напротив, если после предварительного «собеседования» растение распознает доброжелательно настроенный гриб, стремящийся к содружеству, оно вступает в ним в полезный для обоих симбиоз.

Дружественные бактерии

Еще один пример – основанный на обмене информацией взаимовыгодный симбиоз между бобовыми культурами и азотфиксирующими бактериями. Наряду с некоторыми другими бактериями эти микроорганизмы обладают чрезвычайно полезной способностью – они связывают атмосферный азот и превращают его в аммиак (NH₃) путем разрыва связи между двумя атомами азота в газообразной молекуле N₂

.

Азот – важнейший элемент, обеспечивающий плодородность почвы (вот почему многие удобрения основаны на соединениях азота). Хотя воздух, которым мы дышим, на 80 % состоит из азота, этот газ инертен и напрямую не может быть использован растениями или другими живыми существами, за исключением некоторых микроорганизмов, таких как азотфиксирующие бактерии. Эти бактерии умеют превращать газообразный азот в различные соединения, такие как аммиак, которые легко поглощаются растениями. Так что эти бактерии – настоящие природные удобрения. Взамен внутри корней они получают идеальную среду для роста и обилие сахаров – еще один пример взаимовыгодного сотрудничества, основанный на коммуникации и распознавании. Однако растения рады далеко не всем бактериям; многие бактерии являются патогенами, против которых растения выстраивают непреодолимый барьер. До начала сотрудничества азотфиксирующие бактерии вступают с корнями в долгий и сложный химический диалог. Эти «переговоры» всегда начинаются с выделения бактериями сигнала, называемого NOD-фактором (от англ, nodulation — клубнеобразование), распознавание которого растением является первым этапом для допуска бактерий к корням.

Описанные выше примеры симбиоза основаны на обмене информацией между симбионтами – участниками симбиотических отношений (бактериями и бобовыми растениями в последнем примере) – и не могут происходить при отсутствии долгосрочной и отработанной практики. На самом деле подобные отношения возникают не только между растениями и низшими организмами. Некоторые симбиотические связи оказались столь важными, что составляют основу и нашей жизни.

Вот один пример. Митохондрии – энергетические станции наших клеток (точнее, всех растительных и животных клеток). Без этих внутриклеточных органелл невозможно существование высших форм жизни. Так вот, исследования показали, что митохондрии возникли в результате симбиоза – в данном случае между клетками[7] и примитивными бактериями с активным окислительным метаболизмом (другими словами, способными производить энергию). Бактерии и эти клетки вступили в симбиотические отношения, выгодные для обеих сторон (клетки получили энергию, а бактерии – все, что им требовалось для жизни), и в какой-то момент бактерии оказались включенными внутрь клеток. Симбиотическое происхождение митохондрий подтверждается многочисленными данными. Прежде всего, митохондрии сохранили многие типичные признаки бактерий, такие как бактериальные мембраны. Кроме того, как и бактерии, они содержат замкнутую кольцевую ДНК. Наконец, и это, пожалуй, является самым важным доказательством, митохондрии реплицируются независимо от хозяйских клеток. В нескольких исследованиях была доказана основополагающая роль этих ранних симбионтов в эволюции сложных форм жизни.