Дървото, което не искаше да работи на дневна смяна
Историята започва с един непослушен лист
През 1800 г. Александър фон Хумболт — известен изследовател и природоизпитател — се разхождал из тропиците и направил нещо съвсем обичайно: пуснал лист във вода, за да види мехурчета. Стандартен тест за фотосинтеза. Логично е — слunce, вода, зелени листа, кислородни мехурчета.
Само че този лист отказал да сътрудничи.
Нищо. Празно. Листът си стоял на дъното и не показвал никакви признаци на живот.
Хумболт сигурно се е почудил дали листът е умрял. Не бил. Просто бил малко по-хитър от очакваното.
Това, което изследователят беше открил без да иска, се оказало една от най-умните оцеляващи стратегии в природата. И учените продължават да разбират колко наистина специална е тя.
Нощна смяна
Повечето растения са дневни животни. През деня улавят слънчева светлина, поемат въглероден диоксид и отделят кислород. Класическият пакет фотосинтеза.
Но има една уловка. За да дишат, растенията отварят малки пори по листата си — наричат се устица. През тях влиза CO2, но през тях излиза и вода. Ситуацията е малко като да държиш прозорците отворени по време на пустинен пясъчен вятър.
Някои растения обаче са намерили заобиколен път. Изчакват нощта.
Тези хитри дървета държат устицата си затворени през горещите дни и ги отварят чак когато стане хладно. Събират въглероден диоксид през нощта, складират го химически (под формата на ябълчена киселина) и после го използват на следващия ден, когато слunцето изгрее.
Учените наричат това стратегия CAM фотосинтеза — съкратено от Crassulacean Acid Metabolism. Да, кръстена е на семейството на растенията Crassula. Не, и аз не разбирам защо растенията винаги получават скучните имена.
Семейството на отличниците
И тук става наистина интересно.
Екип от изследователи от Виенския университет решил да проучи CAM фотосинтезата при конкретно семейство тропически дървета — Clusia. Това, което открили, било доста странно.
Родът Clusia съдържа единствените известни дървета на Земята, които използват CAM. Това само по себе си е доста впечатляващо, но ето къде става наистина любопитно: различните видове Clusia не прилагат CAM по един и същи начин. Едни са фанатици по въпроса. Други използват нощната стратегия само когато нещата станат трудни. А трети правят някаква странна комбинация.
Прилича малко на откритието, че членове на едно семейство говорят един език, но с напълно различни акценти.
Изследователите искали да разберат защо. Затова направили нещо интересно: секвенирали и сравнили геномите на три вида Clusia с различни CAM стратегии.
Еволюция чрез копиране
Това, което открили, било доста вълнуващо от гледна точка на еволюцията.
И трите вида се оказали древни полиплоиди. Това означава, че някъде в миналото нещо е причинило удвояване на геномите им. Представи си го като да копираш цялата си книга с рецепти — и после да го направиш пак. Изведнъж имаш двойно повече генетичен материал, с който да експериментираш.
Само че тук идва нещото: допълнителните копия не си стоят без работа. През милиони години тези удвоени геноми били преподредени, редуцирани и пренасочени. Някои генни копия били загубени. Други — деактивирани. А трети поели напълно нови роли.
„Геномите не просто са се умножили; те са били преподредени, редуцирани и функционално пренасочени през милиони години", обясни ръководителят на изследването Волфрам Векверт.
Това генетично премесване е позволило на различните видове Clusia да развият свои уникални подходи към CAM фотосинтезата. Природата не е измислила CAM веднъж и после го е разпространила — тя го е преоткривала многократно в рамките на един единствен род.
Три дървета, три стратегии
За да разберат наистина какво означават тези генетични различия на практика, изследователите отглеждали дърветата в оранжерийни условия, имитиращи естествената им среда, и ги проследявали денем и нощем.
Ето какво открили:
Clusia rosea е отличникът. Тя залага изцяло на CAM, складирайки огромни количества CO2 като ябълчена киселина всяка нощ. Ясно е, че това дърво е решило, че пестенето на вода е приоритет номер едно — без компромиси.
Clusia minor е от типа „ще видим". Използва обикновена фотосинтеза през повечето време, но когато нещата станат тежки — суша, силна слuнчева светлина — превключва на CAM режим. Умен бюджет.
Clusia major следва средния път с хибриден подход, използвайки и обикновена фотосинтеза, и CAM в зависимост от условията. Тя е като Швейцария сред групата — неутрална и балансирана.
Тези различни поведения не само били наблюдавани — те били видими и в генната активност и метаболизма на дърветата. Изследователите буквално виждали връзката между геномните промени и ежедневното поведение на растенията.
Защо ни пука?
Добре де, имаме няколко тропически дървета с интересни водоспестяващи трикове. Защо това трябва да ни интересува?
Ето голямата картина: CAM растенията се нуждаят от драстично по-малко вода от обикновените растения. Много по-малко. Докато една типична култура може да се налага да поема вода непрекъснато, едно CAM растение се справя с малка част от това количество.
В свят, в който климатичните промени носят повече суши, повече горещи вълни и повече недостиг на вода, това е доста ценна черта.
Новата геномна информация от това изследване може да помогне на учените да идентифицират конкретните метаболитни процеси, които правят CAM растенията толкова ефикасни във водната икономия. В бъдеще това знание може да помогне на изследователите да разработят нови сортове култури, способни да виреят в сухи условия — условия, които стават все по-чести в много селскостопански райони.
Това е дългосрочна цел, разбира се. Но понякога разбирането как природата е решила даден проблем преди милиони години може да ни даде чертежите, от които се нуждаем, за да решим свои собствени проблеми.
Какво да запомним
Растенията са много по-адаптивни, отколкото обикновено им признаваме. Когато условията станат тежки, еволюцията става креативна. Дърветата Clusia са разбрали как да преместят целия си ежедневен ритъм — по същество да работят нощна смяна — за да пестят вода и да оцелеят.
И сега, като разбираме как са еволюирали тази способност, може би ще успеем да помогнем на културите си.
Така че когато следващия път видиш растение, което си почива спокойно на слuнцето, помни: някои от тях запазват истинската си работа за след мръкване. И честно? Това е доста разбираемо.