Наука від кактусів: Як пустельні рослини допоможуть у майбутньому інженерії
Джерело: nationalgeographic.com
У яскравий весняний день самотній кактус висотою 8,5 метрів здіймався над сухою рослинністю в Національному парку Сагуаро в Аризоні. Незважаючи на безхмарне небо і спекотне повітря, цей колючий гігант виглядав здоровим і міцним. Нещодавно в парку пройшов дощ, і складчасті стебла рослини розширилися, утримуючи сотні літрів води всередині.
Такі внутрішні резервуари допомагають кактусам процвітати там, де інші рослини миттєво зів’яли б. Але вид сагуаро (Carnegiea gigantea), що є рідним для пустелі Сонора в США і Мексиці, має ще одну еволюційну хитрість. Щоб зафіксувати її, біолог парку на ім’я Дон Свонн взяв спеціальний телескопічний стрижень і систему кріплення для камери, яку він витягнув до самої верхівки гіганта. Потім він зробив кілька цифрових знімків — найновіші в серії зображень, які він робив протягом кількох тижнів. Пізніше того дня Свонн переглянув серію таймлапсів і зазначив, що відбувається щось “чудесне”.
Сухий ландшафт пустелі
Пустеля Сонора розташована як у Сполучених Штатах, так і в Мексиці; її 140 видів кактусів піддаються дедалі гарячішим і сухішим умовам.
На знімках було видно низку щільно закритих білих і жовтих квітів, що кільцем охоплювали верхівку рослини. Квіти сагуаро розцвітають лише раз, зазвичай уночі, щоб захистити свою ніжну внутрішню структуру від тривалих годин інтенсивного сонця. Але при перегляді фотографій у послідовності з’явилося дещо інше: здавалося, що бутони рухаються. З середини квітня до середини червня квіти повільно переміщувалися проти годинникової стрілки, рухаючись радіально від східного боку рослини до її північної сторони, де є більш постійна тінь.
“Це може дозволити сагуаро скористатися перевагами більш високих температур і більшої кількості сонця в прохолодніші періоди ранньої весни, водночас зменшуючи шкідливі наслідки спеки пізніше в сезоні”, — припустив Свонн.
Протягом останніх п’яти років Свонн та інші вчені парку співпрацювали з групою добровольців, щоб фотографувати 55 сагуаро, ставши першими дослідниками, які підтвердили візуальні докази того, що ця міграція квітів відбувається щорічно. Це лише одна з характеристик одного виду: загалом відомо понад 1500 видів кактусів, які, хоча й залишаються під загрозою через непередбачуваність змін клімату та людське втручання, продовжують існувати в одних із найсуворіших умов на Землі.
“Багато історій про кактуси виглядають лякаючими і негативними”, — каже еколог пустельних рослин Бен Вайлдер, директор організації Next Generation Sonoran Desert Researchers, яка об’єднує експертів по обидва боки кордону між Мексикою і США. “Для мене кактуси — це красива історія адаптації до посушливих середовищ і всі ці різноманітні стратегії стійкості та процвітання”.
Для дослідників кактуси тепер є новим рубежем виживання, що пропонує несподівані уроки, які, якщо їх правильно використати, можуть бути застосовані до світу далеко за межами пустель.
Вчені виявляють, що колючки кактусів сагуаро містять інформацію про минулі кліматичні умови, подібно до річних кілець дерев.
Біологічна родина Cactaceae, яка еволюціонувала 35 мільйонів років тому в Америці, є однією з найбільш різноманітних і незвичайних груп рослин на планеті. Вони можуть зростати як величезні дерева, досягати 18 метрів у висоту, набувати форми товстих кульок або навіть поміститися на монеті в один цент. Деякі з них нагадують “живе каміння” і можуть рости в ґрунтах, які висушили б будь-яку іншу рослину, а інші вирощують білі “шуби”, щоб захиститися від екстремальних умов у холодних висотах Анд.
Жодна з цих форм не існувала б, якби не основний еволюційний прорив: кактуси та інші сукуленти розробили унікальний підхід до фотосинтезу. Кожного разу, коли рослина відкриває пори, щоб поглинути вуглекислий газ, необхідний для перетворення енергії, втрачається частина води. Якщо це відбувається часто вдень, високі температури призводять до швидкого випаровування води.
Щоб запобігти цьому, пустельні рослини не відкривають свої пори до заходу сонця. Потім вони поглинають атмосферний газ і перетворюють його на яблучну кислоту, яка зберігається у великих клітинах для використання наступного дня. Цей процес називається кислотним метаболізмом красуляцез, або CAM.
Джон Кушман, професор біохімії та молекулярної біології з Університету Невади в Ріно, мріє виростити цю генетичну рису в більшій кількості рослин. У сільському господарстві це може призвести до ефективніших культур, які втрачають менше води під час посухи. Хоча цей прорив може відбутися через кілька років або навіть десятиліть, дослідники вже знайшли спосіб зробити некактусові рослини трохи більше схожими на кактуси.
Щоб виростити CAM у нових рослинах, вчені мають змінити анатомію їхніх листків, щоб зберігати яблучну кислоту та забезпечувати більші клітини, які стають обробними “фабриками” для цього процесу. Один з побічних ефектів полягає в тому, що рослини з більшими клітинами можуть також утримувати більше води, сприяючи соковитості, тобто здатності їхніх тканин утримувати більше вологи. У статті 2018 року Кушман продемонстрував, як створити соковиті тканини в маленькій рослині з білими квітами під назвою зірочник (Arabidopsis thaliana). Наступне дослідження, опубліковане в 2020 році, показало, що листя експериментальної рослини стали на 40% товщими.
Це захоплива адаптація, яку ми ще не до кінця розуміємо, — каже Кушман.
На його думку, якщо рослина зможе збільшити кількість води в своїх тканинах, вона зможе розбавляти надмірні солі, які мають тенденцію накопичуватися в ґрунті під час посух. Кушман застосовує цю науку до сої, другої за величиною сільськогосподарської культури в США, сподіваючись радикально покращити продовольчу безпеку.
Розробка розумніших культур із кактусоподібними властивостями — це великий крок уперед. Але дослідники також ідентифікують інші «суперсили», які можна застосовувати до інновацій, що не вимагають використання рослин взагалі, наприклад, нові будівельні матеріали.