Ученые приблизились к разгадке одной из величайших загадок ботаники К концу XIX в. повсюду стали появляться жуткие истории о растениях-убийцах. Ужасные деревья в далеких странах хватали своими извивающимися щупальцами неосторожных путешественников и затем глотали их. Безумные профессора выращивали чудовищных размеров росянки и насекомоядные растения, откармливая их бифштексами, пока прожорливые творения не съедали своих создателей. Молодой Артур Конан Дойл опирался на научные данные, рассказывая о любимом всеми пожирателе плоти — венериной мухоловке. Опираясь на тогда еще совсем свежие ботанические открытия, он точно описал двухлопастные ловушки и то, как они захватывают насекомых и как тщательно переваривают свою добычу. Но даже он сильно преувеличивал размер мухоловок — по его мнению, они были достаточно большими, чтобы укусить или поглотить человека целиком. Хищные растения переживали тогда свой миг славы, и за это можно поблагодарить Чарльза Дарвина. До открытий Дарвина большинство людей отказывались верить в то, что растения едят животных. Это противоречило естественному порядку вещей. Съесть животное могло только другое подвижное животное, растения были пищей и не могли двигаться — если они и убивали насекомое или зверя, то только в целях самообороны или случайно. Дарвин в течение 16 лет тщательно проводил эксперименты, которые доказали обратное. Он показал, что листья некоторых растений превратились в хитроумные инструменты, которые не только могли удерживать насекомых и других мелких существ, но и переваривать их, поглощая питательные вещества из их тел. В 1875 г. Дарвин опубликовал книгу «Насекомоядные растения», в которой подробно описал все свои открытия. В 1880 г. он опубликовал еще одну книгу «Сила движения растений», разрушающую мифы. Осознание того, что растения могут не только убивать, но и двигаться, вдохновило не только популярный жанр рассказов ужасов, но и целые поколения биологов, стремящихся понять растения с такими необычными возможностями. Сегодня плотоядные растения переживают очередной звездный час, когда исследователи начинают раскрывать одну из величайших загадок ботаники: как нежные цветковые растения превратились в кровожадных мясоедов? Со времен открытий Дарвина ботаники, экологи, энтомологи, физиологи и молекулярные биологи изучили все аспекты этих растений, использующих широкий арсенал для охоты за насекомыми: наполненные жидкостью кувшинчики, чтобы топить жертв, липкие листья для обездвиживания, ловушки с защелками и подводные всасывающие ловушки. Они подробно описали, кого и как ловят эти растения, а также преимущества и недостатки, связанные с их причудливым образом жизни. Совсем недавно достижения молекулярной науки помогли исследователям понять ключевые механизмы, лежащие в основе плотоядного образа жизни: например, как мухоловка так быстро защелкивается, и как она превращается в «желудок», переваривающий жертву, а затем в «кишечник» для поглощения остатков своей добычи. Но главный вопрос остается открытым: как эволюция снабдила эти растения инструментами для употребления животной пищи? «Археологические находки почти не дают подсказок, их очень мало, и окаменелости не могут дать молекулярные детали, которые могли бы намекнуть на объяснение», — говорит биофизик Райнер Хедрих из Вюрцбургского университета в Германии, который исследует происхождение плотоядности. Инновации в технологии секвенирования ДНК теперь позволяют исследователям подойти к этому вопросу с другой стороны: найти гены, связанные с плотоядностью, определить, когда и где эти гены включаются, и проследить их происхождение. «Нет никаких доказательств того, что плотоядные растения приобрели свои звериные повадки, перехватив гены у своих жертв животных, хотя гены иногда переходят от одного вида организмов к другому», — говорит Хедрих . Вместо этого целый ряд недавних находок указывает на кооптацию и перепрофилирование существующих генов, которые имеют древние функции, повсеместно распространенные среди цветковых растений. «Эволюция хитра и гибка. Она использует уже существующие инструменты, — поясняет Виктор Альберт, биолог, изучающий геном растений в Университете Буффало. — В эволюции проще перепрофилировать что-то старое, чем создавать что-то новое». При всей своей причудливости плотоядность неоднократно возникала на протяжении более 140 миллионов лет существования цветковых растений. По словам Тани Реннер, эволюционного биолога из Пенсильванского университета, эта адаптация возникала независимо по меньшей мере 12 раз. Каждый раз движущая сила эволюции была одна и та же: необходимость найти альтернативный источник жизненно важных питательных веществ. Плотоядные растения растут на болотах, в трясинах, в водоемах, небогатых питательными веществами, или на тонких тропических почвах — во всех этих средах обитания не хватает азота и фосфора, необходимых для роста. Насекомые и другие мелкие беспозвоночные богаты белком, а также являются источниками других элементов, необходимых растениям для процветания. «Венерина мухоловка может прожить три недели на одном крупном насекомом, — говорит Хедрих, — а если она ловит много насекомых, то может позволить себе больше листьев и больше ловушек». Сегодня известно около 800 видов плотоядных растений. Некоторые из них пассивно захватывают добычу, хотя и имеют хитроумные приспособления, такие как скользкие ободки и волоски с клейкими кончиками. Другие виды более активны: некоторые виды росянки загибаются внутрь, заталкивая добычу глубже к более липкому центру ловушки, а другие имеют внешнее кольцо быстро движущихся щупалец, которые толкают жертву в том же направлении. Самое сложноустроенное плотоядное растение — венерина мухоловка (Dionaea muscipula): она обладает высокочувствительными волосками, которые могут отличить прикосновение насекомого от капли дождя или упавшего листа, а также оценить размер добычи и отреагировать соответствующим образом. Несмотря на большие различия в форме и способе охоты, все ловушки представляют собой видоизмененные листья или части листьев. «Это означает, что такие растения не только получают питательные вещества нетипичным для обычных растением способом, но и передают их другим путем — в основном через листья, а не через корни», — говорит Реннер. Как листья приобрели такие необычные функции? Чтобы выяснить это, ученые обратились к методам исследования сразу нескольких научных дисциплин: геномики, транскриптомики и протеомики. Они сравнивают геномы плотоядных и не плотоядных растений; составляют последовательности РНК-транскриптов, несущих инструкции генов, чтобы понять, какие гены, где и когда включаются; проводят инвентаризацию белков, чтобы выяснить, какие из них ловушки производят во время поглощения пищи. Многие особенности плотоядного образа жизни еще не раскрыли своих генетических секретов. Но изучение двух самых загадочных аспектов — переваривания и поглощения — показывает, как эволюция перепрофилировала существующие гены, одни из них поместив в новые места, а другие наделив новыми функциями и странными приспособлениями, чтобы они лучше соответствовали своей новой роли. Во многих случаях растения, которые развили плотоядность совершенно независимо, перепрофилировали те же гены. «Столкнувшись с проблемой потребления плоти, все они прибегли к одному и тому же решению, и центральное место в этой трансформации заняла старая добрая система защиты», — говорит Альберт. Еще в 1970-х гг. исследователи обнаружили, что пищеварительная жидкость, найденная ими в ловушках, содержит ферменты, которые действуют очень похоже на многие виды «химического оружия», применяемого растениями против вредных бактерий, грибков и голодных травоядных насекомых. Первоначально было неясно, вырабатывают ли плотоядные растения ферменты сами, или это делают микробы, живущие в их ловушках. С тех пор ботаники подтвердили, что плотоядные растения действительно производят многие из этих ферментов, и открыли десятки других. Современные быстрые и дешевые технологии секвенирования позволили ученым идентифицировать многие гены, кодирующие эти пищеварительные ферменты, и проследить за их активностью. В список ферментов входят хитиназы, расщепляющие хитин экзоскелетов насекомых, протеазы, расщепляющие белки, и пурпурная кислая фосфатаза, позволяющая растениям извлекать полезный фосфор из разложившихся тел жертв. Все они на протяжении долгого времени использовались как инструменты защиты растений. «Гены этих ферментов были перепрофилированы, когда растения начали питаться тем, от чего они изначально защищались, — объясняет Альберт. — Хитиназы, скорее всего, были предназначены для защиты от грибков, клеточные стенки которых содержат хитин. Позже, после эволюции членистоногих, они помогали защищаться от них». Весь процесс поимки жертвы и ее переваривания проще всего понять на примере венериной мухоловки, самого изучаемого плотоядного растения. Если неосторожное насекомое садится на одну из ловушек и касается волоска, то возникает электрический сигнал. Если оно касается второго волоска, это воспринимается как подтверждение того, что это добыча, а не кусочек грязи или упавший лист, и ловушка захлопывается. Пока насекомое борется и подает все больше электрических сигналов, ловушка в ответ начинает вырабатывать химические вещества, называемые жасмонатами, которые служат сигналом для запечатывания краев ловушки и наполнения ее ферментами. Когда труп насекомого распадается, ловушка увеличивает выработку ферментов и начинает производство транспортеров питательных веществ, опять же под контролем жасмонатов. Это и есть работа видоизмененной системы защиты, которая реагирует на нападение насекомых, посылая электрические сигналы, чтобы поднять тревогу в соседних клетках, которые затем синтезируют жасмонаты, активирующие производство защитных белков. В природе представлены и другие механизмы охоты у растений. Лютиковые (Pinguicula) — это неприметные растения с небольшими розетками листьев, покрытых крошечными железами, которые сочатся липкой слизью и пищеварительными ферментами. Большинство лютиковых полностью пассивны, хотя некоторые из них могут загибать края листьев внутрь, покрывая смертоносной слизью жертву, попавшую в западню. Если бы Дарвин был здесь сегодня, он бы тут же взялся за разгадку нераскрытых тайн своих «самых замечательных растений». Он бы удивился тем методам, которыми располагают современные исследователи, и был бы поражен количеством данных, которые можно обработать за считанные секунды. Но когда дело дошло бы до разработки оригинальных способов проверки теорий, он точно бы чувствовал себя как рыба в воде. «Секвенирования геномов, подсчета и анализа генов недостаточно, — говорит Реннер, — нужно еще провести эксперименты, чтобы выяснить, что делают гены и как они работают». А это значит кормить голодные растения. Дарвин кормил своих питомцев жареным мясом, вареными яйцами, сыром, горохом и другими богатыми белком продуктами. Сегодня в меню у растений преимущественно менее аппетитно звучащий «субстрат» в строгой дозировке. Однако даже несмотря на это Дарвин наверняка бы чувствовал себя как дома. По материалам статьи «How in the World Did We Get Venus Flytraps?» The Atlantic