Канадские зоологи выяснили, что слюнявые пенницы, мелкие насекомые из подотряда цикадовых, во время всасывания древесного сока создают давление более одного мегапаскаля. Этого хватило бы, чтобы всосать жидкость с помощью трубочки для коктейля высотой сто метров. Необычный навык пенниц позволяет им питаться соком ксилемы, который движется по проводящей системе растений от корней к листьям и находится под сильным отрицательным давлением. Результаты исследования опубликованы в статье для журнала Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences.
Многие виды насекомых питаются соками растений, высасывая их с помощью хоботков. В большинстве случаев они потребляют богатый органикой флоэмный сок, движущийся от листьев к нефотосинтезирующим органам. Лишь в подотряде цикадовых (Auchenorrhyncha) есть виды, рацион которых состоит исключительно из сока ксилемы — жидкости, которая поднимается от корней к листьям и состоит в основном из воды и растворенных в ней неорганических соединений. Питательность такого корма очень низкая, так что цикадовым пришлось обзавестись сложным фильтровальным аппаратом в кишечнике, который позволяет выделять из ксилемного сока более 99 процентов содержащихся в нем сахаров и аминокислот. Тем не менее, эта жидкость настолько бедна органикой, что питающимся ей насекомым приходится за день высасывать, отфильтровывать и выделять в 100-1000 раз больше сока, чем они весят. Неудивительно, что обычно они целыми днями кормятся и мочатся.
Дополнительная проблема заключается в том, что ксилемный сок находится под сильным отрицательным давлением до 1,1 мегапаскаля — благодаря этому он и поднимается вверх по стеблю. Чтобы высасывать его из сосудов, по которым он циркулирует, тем более в таких объемах, как это делают цикадовые, нужно прикладывать огромные усилия (для сравнения, флоэмный сок находится под положительным давлением, так что насекомым достаточно просто добраться до сосуда, пробить его стенку хоботком и начать пить). Хотя у цикадовых есть мощный мышечный (цибариальный) насос, который помогает всасывать жидкости, предыдущие подсчеты, основанные на строении ротового аппарата кровососущих клопов Rhodnius prolixus, показывали, что он не может создавать давление свыше 0,3-0,4 мегапаскалей — а этого явно недостаточно, чтобы преодолеть давление в сосудах ксилемы. В попытке разрешить этот парадокс некоторые специалисты даже высказывали мнение, что отрицательное давление внутри ксилемы не такое значительное, как считалось ранее.
Команда зоологов во главе с Филипом Мэтьюсом (Philip G. D. Matthews) из Университета Британской Колумбии решила подойти к данной проблеме с другой стороны и более тщательно изучить анатомию и метаболизм цикадовых. Они сосредоточили внимание на пеннице слюнявой (Philaenus spumarius), которая распространена в Северной Африке и Евразии и завезена в Северную Америку. Исследователи поймали несколько взрослых особей данного вида, обезглавили их и проанализировали строение цибариального насоса с помощью микрокомпьютерной томографии. Измерив длину саркомеров в мышцах-расширителях, исследователи пришли к выводу, что пенница, всасывающая сок, создает давление в 1,3±0,2 мегапаскаля. Это выше, чем давление в сосудах ксилемы, а значит, достаточно, чтобы высасывать из них сок. По словам авторов, если бы человек создавал такое же давление, он мог бы всасывать жидкость с помощью трубочки для коктейля высотой сто метров.
Воспользовавшись проточной респирометрией нескольких пенниц и проанализировав видеозаписи их кормления на бобовых растениях, Мэтьюс и его соавторы рассчитали уровень метаболизма этих насекомых. Он составил в среднем 48,7 микроватт. Затем исследователи увеличили уровень отрицательного давления внутри сосудов ксилемы, обработав корни растения полиэтиленгликолем. В результате частота работы цибариального насоса немного увеличилась с 0,89 до 0,97 герца,, а средний уровень метаболизма в цибариальном насосе пенниц вырос с 25,5 до 39,3 микроватта. Это значит, что чем сильнее отрицательное давление в ксилеме, тем больше усилий приходится прикладывать пенницам, чтобы его преодолеть.
Ксилемный сок — одна из наименее питательных жидкостей в организме растения. Например, плотность энергии в жидкости из ксилемы томата составляет 12,3-39,9 джоуля на кубический сантиметр. Тем не менее, расчеты показывают, что питающаяся ей пенница может удовлетворить свои энергетические потребности более чем на сто процентов, даже если тратит значительную часть энергии на работу цибариального насоса.
Больше узнать о проводящей системе растений и попытках специалистов воспроизвести принцип ее действия вы можете из нашего материала «Инспирировано буком».
Сергей Коленов