Ростки подсолнечника стали жертвами оптической иллюзии

Биофизики выяснили, что растения интегрируют пространственно распределенные световые сигналы нелинейно, из-за чего направление их роста может иногда не совпадать с направлением максимальной освещенности. Исследователи разработали модель на основе физики и геометрии распределенного восприятия и подтвердили ее экспериментально на проростках подсолнечника при одностороннем, двустороннем и трехстороннем освещении. Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Многие организмы не имеют централизованной системы для обработки сигналов из окружающего мира, поэтому ориентируются в пространстве за счет так называемой локальной интеграции стимулов. Так работает, например, хемотаксис бактерий: после попадания молекулы на рецептор местный кластер рецепторов производит локальную интеграцию (суммирование) сигналов — во времени для сглаживания и в пространстве для вычисления алгебраической суммы сигналов всех типов (от стимула пищи до стимула опасности). После таких локальных «вычислений» движение бактерии корректируется в соответствии со стимулами.

В этом смысле растения представляют собой удобную модель для изучения подобного распределенного восприятия: они растут по направлению к свету благодаря фототропизму, при этом свет может приходить с разных сторон и с разной интенсивностью, а светочувствительные рецепторы распределены по поверхности побега.

Физики из Израиля, Великобритании и Франции под руководством Ясмины Мероз (Yasmine Meroz) из Тель-Авивского университета предположили, что фототропическая трансдукция следует степенному закону. Такое нелинейное преобразование происходит отдельно в каждом участке побега, поэтому векторная сумма световых сигналов, преобразованных локально, гипотетически может привести к тому, что растение вырастет не в направлении наибольшей освещенности.

Для проверки своей гипотезы физики сначала облучили проростки подсолнечника однолетнего (Helianthus annuus) синим светом с длиной волны 450 нанометров при интенсивностях от 0,7 до 7 ватт на квадратный метр. Показатель степени фототропической трансдукции составил примерно 0,3, то есть преобразование оказалось сжимающим, что в свою очередь позволило растению отреагировать на широкий диапазон интенсивностей. Затем исследователи поместили проростки между двумя противоположными источниками света с разной мощностью и обнаружили, что угол поворота зависит от разности интенсивностей нелинейно, что снова подтвердило векторную модель.

После этого экспериментаторы добавили третий, более слабый, источник света перпендикулярно плоскости двух сильных. В итоге, несмотря на то, что два противоположных излучателя имели почти одинаковую интенсивность (3,86 и 3,85 ватта на квадратный метр), а третий был заметно слабее (1,74 ватта на квадратный метр), растения выросли именно в сторону слабого источника, который нарушил симметрию. Такой результат показал, что растения не достигли максимума физической освещенности, а последовали ложному пути, который сформировался из-за локальной и нелинейной интеграции световых сигналов.

Авторы работы отметили, что это нелинейное локальное преобразование света можно назвать своеобразной оптической иллюзией на уровне внутреннего восприятия у растений. Исследователи подчеркнули, что их подход можно применить и к другим децентрализованным биологическим системам, а еще — к инженерным системам с распределенными датчиками (например, в так называемой мягкой робототехнике).

Физики и математики очень любят растения. Например, мы писали о том, как ученые выяснили, что лепестки роз не поместились в евклидово пространство.

Реклама: АНО ДПО «Т-Образование», ИНН 7743270426, erid: 2W5zFJ7ScAd