Naukowcy wyjaśnili mechanizm i cel obracania się słonecznika za słońcem. Dlaczego kwiat słonecznika obraca się za słońcem? Czy słonecznik podąża za słońcem?

Seria eksperymentów wykazała, że ruch słoneczników odpowiada 24-godzinnemu rytmowi dobowemu. Naukowcy próbowali „oszukać” rośliny, sztucznie zmieniając czas ruchu źródła światła na 30 godzin. Jednak w tym przypadku słoneczniki poruszały się nierównomiernie, co miało wpływ na ich wzrost, przyrost biomasy i plon.

Wiadomo, że kwiatostany słonecznika w ciągu dnia obracają się za słońcem, a w nocy ponownie zmieniają swoje położenie, aby o świcie „spojrzeć” na wschód. Po zwiędnięciu słoneczniki przestają zwracać się w stronę słońca.

Naukowcy wyjaśniają, że ruch kwiatostanu słonecznika następuje z powodu nierównomiernego wzrostu rośliny. Jedna strona łodygi rośnie szybciej niż druga, powodując obracanie się kwiatostanu.

W innym eksperymencie naukowcy sztucznie ograniczyli ruch roślin. Część kwiatostanów podwiązywano tak, aby nie mogły się obracać, lub przekręcano doniczki tak, aby rośliny nie były skierowane rano w stronę słońca. Okazało się, że liście obu grup słoneczników były o 10% mniejsze niż u roślin podążających za słońcem.

Oprócz gromadzenia większej ilości biomasy słoneczniki zyskały jeszcze jedną zaletę: rośliny skierowane w stronę słońca są znacznie atrakcyjniejsze dla owadów. Rano pięć razy więcej pszczół przyleciało do kwiatów skierowanych na wschód.

„Pszczoły szaleją za roślinami skierowanymi na wschód, ignorując kwiaty skierowane na zachód” – mówi Stacy Harmer z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis. „Po słonecznej stronie rośliny nagrzewają się szybciej, a ciepłe kwiaty przyciągają więcej zapylaczy”.

Anna Chotejewa

Sekwencja Fibonacciego odkryta w kwiecie słonecznika

Według biologów duże kwiaty są jednym z najbardziej oczywistych i najpiękniejszych przejawów ciągu Fibonacciego. Ten ciąg liczb jest ciągiem liczb naturalnych, gdzie każda kolejna liczba jest równa sumie dwóch poprzednich. Sekwencja może wyglądać następująco: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89, 144…

Naukowcy odkryli, że nasiona ułożone są w dwa rzędy spirali, z których jeden biegnie zgodnie z ruchem wskazówek zegara, drugi przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Według naukowców w większości kwiatostanów słonecznika można znaleźć kombinację liczb zawartych w ciągu Fibonacciego - na przykład 34 i 55 lub 55 i 89. A jeśli masz przed sobą bardzo duży słonecznik, możesz policzyć 89 i 144 nasiona.

W 2012 roku Muzeum Nauki i Przemysłu w Manchesterze (Wielka Brytania) z okazji setnej rocznicy urodzin matematyka uruchomiło niezwykły projekt „Słoneczniki Turinga”, zapraszając wszystkich do uprawy słonecznika i przyniesienia go do muzeum (lub wyślij zdjęcie rośliny).

W ramach tego projektu zebraliśmy 657 fotografii, których obróbka i analiza zajęła prawie cztery lata. Ponieważ nasiona są zwykle wyraźnie widoczne w kwiatostanie słonecznika, naukowcom udało się policzyć ich liczbę i potwierdzić, że wzór Fibonacciego rzeczywiście jest widoczny w kwiatostanach.

Biolodzy nie są jeszcze w stanie zrozumieć mechanizmu stojącego za „przyleganiem” niektórych roślin do sekwencji numerycznych. Problem w tym, że rośliny nie zawsze wykazują ten wzór. W przypadku badanych kwiatów słonecznika u około 80% roślin stwierdzono układy nasion zgodne z ciągiem Fibonacciego. Pozostałe kwiatostany wykazywały bardziej złożone wzory.

Anna Chotejewa

Odniesienie

Brytyjski matematyk Alan Turing interesował się takimi wzorami już w pierwszej połowie ubiegłego wieku. Naukowiec zasłynął dzięki opracowaniu podczas II wojny światowej metody, która pomogła złamać kod niemieckiej maszyny szyfrującej Enigma. Ponadto Turing miał znaczący wpływ na rozwój informatyki i sztucznej inteligencji. Po wojnie naukowiec zainteresował się wzorami matematycznymi występującymi w roślinach.

Na początek warto wyjaśnić jedną bardzo ważną rzecz. Stwierdzenie, że słoneczniki zawsze podążają za Słońcem, jest prawdziwe tylko wtedy, gdy mówimy o młodych, jeszcze nierozwiniętych kwiatach słonecznika. Wbrew powszechnemu przekonaniu, dojrzałe kwiaty słonecznika nie kierują się w stronę Słońca i zwykle są zwrócone na wschód.
Nieotwarte pąki słonecznika faktycznie podążają za Słońcem, zmieniając swoje położenie w ciągu dnia. Zjawisko to nazywa się heliotropizmem (patrz akapit na końcu artykułu).

Aby słonecznik mógł efektywniej rosnąć, konieczna jest obserwacja Słońca. Naukowcy naprawili rośliny, uniemożliwiając im obracanie się, lub odwrotnie, obracali doniczki, zakłócając naturalny tok ruchu. W obu przypadkach liście roślin okazały się o około 10% mniejsze od liści sąsiadów, którzy spokojnie zwrócili się za Słońce.

Ponadto eksperci umieścili na łodydze kilka punktów ze znacznikiem, aby zbadać, w jaki sposób słonecznik przemieszcza się za Słońcem. Naukowcy monitorowali punkty za pomocą kamery wideo. Jeśli odległość między nimi uległa zmianie, oznaczało to, że łodyga kwiatowa rosła w miejscu narysowania tych punktów.
Kiedy w ciągu dnia rośliny zwracały się w stronę Słońca, wschodnia strona łodygi rosła szybciej niż zachodnia, powodując, że sam kwiat zwrócił się w stronę Słońca. A w nocy strona zachodnia rosła szybciej, a łodyga skręcała w przeciwnym kierunku.

Sekret ruchu słonecznika tkwi w nierównomiernym wzroście jego łodygi. Według naukowców bezpośrednie światło słoneczne zabija zawarte w łodydze hormony wzrostu, zwane auksynami. Nierównomierne rozmieszczenie tych hormonów wzdłuż łodygi powoduje, że słonecznik rośnie wolniej po słonecznej stronie i szybciej po zacienionej stronie, w ten sposób przechylając całą łodygę w kierunku słońca. Wraz ze zmianą położenia słońca zmienia się również rozmieszczenie auksyn wzdłuż łodygi, co z kolei prowadzi do zmiany nachylenia kwiatu.

W ten sposób ruch rośliny odbywa się za pomocą specjalnych komórek motorycznych, które biorą udział w mechanizmie wzrostu i znajdują się w elastycznej podstawie kwiatu. Okazało się, że ruch ten zależy od wewnętrznego zegara rośliny – rytmów dobowych, które kontrolują różne procesy życiowe związane z nadejściem dnia, nocy, poranka i wieczora. „Zegar” kontroluje tempo wzrostu i powoduje, że jedna strona łodygi rośnie szybciej niż druga. Dzięki temu słonecznik stopniowo obraca się za Słońcem.

Gdy słonecznik dojrzewa i otwiera się kwiat, ogólny wzrost spowalnia, a rośliny przestają się poruszać w ciągu dnia, pozostając zorientowane na wschód. Faktem jest, że roślina silniej reaguje na światło słoneczne wcześnie rano niż po południu, dlatego w ciągu dnia stopniowo przestaje przemieszczać się na zachód.

Jak słoneczniki poruszają się nocą?
Jak wszyscy wiemy, rano nieotwarte pąki słonecznika spotykają się ze słońcem na wschodzie, a wieczorem odpędzają je na zachodzie. Na tym moglibyśmy zakończyć nasz artykuł, gdyby nie jedno „ale”: rano pąki słonecznika znów skierowane są na wschód! Powstaje całkowicie logiczne pytanie: „jak?” Dlaczego słonecznik nadal porusza się w nocy, bez żadnego wpływu Słońca? Co więcej, w nocy ruchy słonecznika zachodzą ze znacznie większą prędkością niż w ciągu dnia.
Ku naszemu ogólnemu rozczarowaniu naukowcy nie potrafią jeszcze odpowiedzieć na to pytanie z całą pewnością. Według jednej z teorii, w nocy komórki słonecznika uwalniają energię, która zgromadziła się podczas pochylania łodygi, „odbijając” kwiat. Według innej teorii nocny ruch łodygi nie zależy od słońca i jest determinowany przez „wewnętrzny zegar” samego słonecznika.
Dlaczego dorosły słonecznik jest zawsze skierowany na wschód?
W miarę jak łodyga rośnie, a kwiat staje się cięższy, redystrybucja hormonów wzrostu powoduje coraz mniej zauważalny efekt. W końcu słonecznik staje się zbyt ciężki, aby go przenieść. Dlatego po dojrzewaniu słonecznik nie podąża już za Słońcem i jest zawsze skierowany na wschód. Ale dlaczego dokładnie na wschód?
Na to pytanie również badacze nie mają dokładnej odpowiedzi. Niektórzy naukowcy twierdzą, że pewnej nocy kwiat „odskakuje” na wschód i nie jest już w stanie powtórzyć swojej podróży na zachód.
Tak czy inaczej, naukowcy nadal badają słonecznik, który nieoczekiwanie dla wielu okazał się czymś znacznie bardziej złożonym niż tylko kwiatem, który nieustannie podąża za Słońcem.

Heliotropizm kwiatów
Kwiaty heliotropu śledzą ruch Słońca po niebie przez cały dzień, ze wschodu na zachód. W nocy kwiaty mogą orientować się dość przypadkowo, ale o świcie zwracają się na wschód, w stronę wschodzącego światła. Ruch odbywa się za pomocą specjalnych ogniw motorycznych umieszczonych w elastycznej podstawie kwiatu. Komórki te są pompami jonowymi, które dostarczają jony potasu do pobliskich tkanek, co zmienia ich turgor. Segment ugina się na skutek wydłużenia ogniw motorycznych znajdujących się po stronie cienia (w wyniku wzrostu wewnętrznego ciśnienia hydrostatycznego). Heliotropizm to reakcja rośliny na światło niebieskie. Jednym z najbardziej heliotropowych kwiatów jest słonecznik, który bardziej niż jakikolwiek inny kolor „podąża” za słońcem, szczególnie w młodym wieku, aż jego główka urosnie do dużych rozmiarów i stanie się zbyt ciężka, aby ją poruszyć (w tym czasie wszystkie jej siły skupiają się na dojrzewaniu nasion). W większym lub mniejszym stopniu prawie wszystkie kwiaty są heliotropami.
Niektóre rośliny obserwujące słońce nie są czystymi heliotropami: ich ruchy dobowe inicjowane są przez światło słoneczne i często trwają przez jakiś czas po jego zniknięciu.
Powszechnie panuje fałszywe przekonanie, że słoneczniki „sięgają” w stronę słońca (heliotropizm). W rzeczywistości dojrzałe kwiaty słonecznika są zwykle zwrócone na wschód i nie poruszają się. Jednak pąki słonecznika (przed kwitnieniem) mają heliotropizm. W ciągu dnia zmieniają orientację ze wschodu na zachód.

MOSKWA, 5 sierpnia – RIA Nowosti. Słoneczniki mają niesamowitą zdolność ciągłego „patrzenia” na Słońce dzięki mutacji, która zmieniła działanie ich „wewnętrznego zegara” w taki sposób, że w niezwykle nietypowy sposób steruje on wzrostem jego komórek, powodując zakwitnięcie kwiatostanu w ciągu dnia obracają się ze wschodu na zachód” – czytamy w artykule opublikowanym w czasopiśmie Science.

„Fakt, że roślina ma pojęcie o tym, kiedy i gdzie wzejdzie Słońce, skłonił mnie do założenia, że istnieje związek między „biozegarem” a łańcuchem białek i genów kontrolujących wzrost słoneczników fakt, że w ten sposób kwiat otrzymuje więcej światła, bardziej przyciąga to również pszczoły, ponieważ uwielbiają ciepłe powierzchnie” – powiedziała Stacey Harmer z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis (USA).

Opierając się na tym założeniu, Harmer i jej współpracownicy odkryli jedną z najstarszych i najciekawszych tajemnic botaniki, badając działanie tzw. rytmów dobowych, które kontrolują wszystkie procesy zachodzące wewnątrz komórek roślin i zwierząt w zależności od pory dnia. i ich wpływ na pracę oksyny, stymulatora wzrostu białek.

W tym celu autorzy artykułu wyhodowali kilka słoneczników, z których część zasadzono w laboratorium, w którym światło było stale włączone, a inne na zwykłym polu. Naukowcy umocowali część roślin w doniczkach w taki sposób, aby nie mogły obrócić się za Słońce, co pozwoliło im ocenić konsekwencje porzucenia takiej ewolucyjnej adaptacji.

Naukowcy odkryli, że słoneczniki z obrazu Van Gogha mają mutacje genoweJak wynika z artykułu opublikowanego przez naukowców z Uniwersytetu Georgia (USA) w czasopiśmie PLoS Genetics, słoneczniki przedstawione na serii obrazów Van Gogha noszą oznaki mutacji genowych.

W odkryciu zasad tego ruchu pomogła im genialna technika wymyślona przez jednego z autorów artykułu - biolodzy wzięli marker i zaznaczyli kilka punktów na łodydze słonecznika, co monitorowali za pomocą kamery wideo. Jeśli odległość między nimi uległa zmianie, oznaczało to, że łodyga kwiatowa rosła w miejscu narysowania tych punktów.

Jak wykazały obserwacje, „motorem” ruchu kwiatu był wewnętrzny zegar rośliny – zestaw światłoczułych białek i „połączonych” z nimi genów, które kontrolują różne procesy życiowe związane z nadejściem dnia, nocy, poranka i wieczór.

Jeśli długość dnia zmieni się sztucznie, słoneczniki stracą zdolność orientowania się w kierunku Słońca, nawet jeśli sztuczne źródło światła poruszało się po „niebie” w taki sam sposób, jak prawdziwa gwiazda. Miało to natychmiast negatywny wpływ na tempo wzrostu kwiatów, przyrost biomasy i rozwój nasion.

Pędy ogórków owijają się wokół winorośli dzięki komórkom „wiosennym”.Wąsy ogórka nabyły zdolność owijania się i przyczepiania do gałęzi drzew i winorośli w szklarni dzięki komórkom „sprężynowym” złożonym ze specjalnych włókien, które zwijają wąsy w spiralę, gdy komórki te „wysychają”, a następnie ściskają się – twierdzą biolodzy w artykule opublikowanych w czasopiśmie Science.

Znaczące „kropki” ujawniły dokładnie, jak do tego doszło – okazało się, że zegary te wpływają na ruch kwiatu na dwa sposoby: kontrolując tempo wzrostu oraz powodując, że jedna strona łodygi rośnie szybciej niż druga. Dzięki temu słonecznik stopniowo obraca się w ciągu dnia, podążając za Słońcem.

Ta cecha słonecznika może mieć jedną nieoczekiwaną korzyść ewolucyjną – Harmer i jej współpracownicy odkryli, że pszczoły lubią ciepłe kwiaty, szczególnie rano, a zwrócenie się w stronę słońca pomaga kwiatowi szybciej się nagrzać i przyciągnąć więcej zapylaczy.

Dawno, dawno temu ludzie zauważyli, że młode kwiaty słonecznika w ciągu dnia podążają za słońcem, a nocą wracają na swoje pierwotne miejsce, by rano spotkać je ponownie na wschodzie. Jednak do tej pory naukowcom nie udało się rozwiązać tej zagadki: co sprawia, że rośliny wykonują swój codzienny rytuał i dlaczego „kult” luminarza z czasem ustaje?

W poszukiwaniu odpowiedzi Stacey Harmer z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis wraz ze współpracownikami przeprowadziła serię eksperymentów.

W pierwszym etapie zmieniono warunki uprawy słoneczników w ich naturalnym środowisku. Naukowcy „unieruchomili” jedną grupę tak, aby rośliny w ogóle nie mogły się obracać, a drugą unieruchomiono w taki sposób, że słoneczniki o wschodzie słońca były zwrócone na zachód. Kiedy kwiaty wyrosły, okazało się, że liście w obu grupach były o 10% mniejsze niż u roślin „wolnych”. Potwierdziło to przeczucie, że obserwacja słońca jest konieczna, aby słoneczniki mogły wydajniej rosnąć.

Następnie naukowcy postanowili sprawdzić, czy rytmiczny „taniec” słoneczników wynika z wewnętrznych zegarów, czy też warunków środowiskowych.

Przenieśli rośliny rosnące na zewnątrz do pomieszczenia ze stałym oświetleniem od góry i odkryli, że słoneczniki przez kilka dni nadal obracały się z boku na bok dokładnie tak samo, jak wcześniej.

Następnie naukowcy umieścili rośliny w specjalnym pomieszczeniu z ciągiem lamp, które włączały się pojedynczo, imitując ruch słońca. Kiedy naukowcy zaprogramowali sztuczne oświetlenie na trzydziestogodzinny cykl dzień/noc, rośliny obracały się z boku na bok bez regularnego harmonogramu. Kiedy jednak warunki oświetleniowe wróciły do normy, słoneczniki ściśle podążały za sztucznym „słońcem”, co pokazuje, że wewnętrzne rytmy dobowe odgrywają ważną rolę w ruchu kwiatów.

Ale przede wszystkim biologów interesowało pytanie, dlaczego po kwitnieniu słoneczniki przestają się obracać z boku na bok i zamarzają, „patrząc” w stronę wschodu słońca. Następnie zespół Harmera skierował niektóre rośliny na zachód, a następnie policzył liczbę pszczół i innych zapylaczy, które wylądowały na kwiatach zwróconych w różne strony.

Okazało się, że o poranku owady pięć razy częściej odwiedzały kwiaty skierowane na wschód niż te skierowane w stronę przeciwną.

„Widać, że pszczoły szaleją na punkcie kwiatów skierowanych na wschód i nie zwracają uwagi na rośliny skierowane na zachód” – mówi Stacy Harmer.

Poprzednie badania wykazały, że zapylacze preferują cieplejsze kwiaty, więc słoneczniki otrzymujące dużą dawkę porannego światła wydają się być bardziej popularne.

„Nieustannie byłem zdumiony tym, jak złożone są rośliny” – kontynuuje Harmer. „Są naprawdę mistrzowskie w dostosowywaniu się do warunków środowiskowych”.

Badanie opublikowane w czasopiśmie Science stawia bardziej złożone pytania. Na przykład, w jaki sposób rośliny określają czas i jak znajdują właściwy kierunek, skręcając w ciemności do miejsca, w którym wzejdzie słońce?

Jednak zdaniem ekspertów sam fakt, że słoneczniki mają wewnętrzny zegar i kierują się własnym rytmem, jest „Świętym Graalem” w badaniu ich złożonego zachowania. I jak podkreślono w komunikacie prasowym uczelni, jest to pierwszy przykład synchronizacji czasowej u roślin żyjących w środowiskach naturalnych, która ma bezpośredni wpływ na efektywność wzrostu.