Когда мы видим, как тонкая зелёная нить одуванчика или молодой берёзы поднимает асфальт, кажется, что это демонстрация грубой силы природы. Но последние исследования показывают обратное: растения используют не brute force, а продуманную биоинженерную стратегию, отточенную миллионами лет эволюции. Новая работа международной команды биологов раскрывает скрытую механику роста корней и её значение для будущего мирового земледелия. Об этом сообщает Naukatv. ru.
Долгое время учёные объясняли способность растений пробивать почву простым давлением, создаваемым растущими клетками. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature, опровергло эту точку зрения. В действительности растения используют комплексный физико-биологический механизм, который делает разрушение твёрдых поверхностей точным инженерным актом.
Уплотнение почвы — одна из ключевых проблем современного сельского хозяйства. Тяжёлая техника, пастбищная нагрузка и эрозия создают плотную корку, в которую корни культурных растений практически не могут проникнуть. Большинство корней останавливается на глубине 20-30 сантиметров, где доступ к воде минимален. В засушливые годы это приводит к гибели урожая, а экономические потери, по данным FAO, превышают 60 миллиардов долларов ежегодно.
Чтобы понять, как растения адаптируются к плотной среде, британские биологи из Ноттингемского университета изучали корни риса. Под руководством доктора Бипина Панди они выявили молекулярный механизм, который активируется в момент контакта корня с препятствием. Как только корневая ткань "чувствует" невозможность дальнейшего роста, в окружающих клетках резко накапливается гормон этилен. Этот сигнал инициирует перестройку тканей.
"Когда почва уплотняется, вокруг корня накапливается этилен. Корень чувствует этот сигнал и начинает полностью перестраивать свою структуру", — рассказывает доктор Панди.
Резкое увеличение этилена активирует ген OsARF1 — основной "переключатель" реакции. В эндодерме, среднем слое клеток корня, синтез целлюлозы падает, клетки становятся мягкими, тонкими и наполняются водой под высоким тургорным давлением. Такая структура начинает расширяться, создавая давление до 10-15 атмосфер — сравнимое с небольшим гидравлическим устройством.
Внешний же слой клеток — эпидермис и гиподерма — получает противоположный сигнал. В нём усиливается синтез лигнина и целлюлозы, стенки утолщаются и формируют жёсткую защитную оболочку. Комбинация эластичной сердцевины и твёрдой внешней бронеподобной структуры позволяет корню раздвигать плотную почву и продвигаться в глубину.
"Другими словами, корень ведет себя как идеально спроектированный механический объект: чем шире структура и прочнее ее внешняя оболочка, тем лучше он может противостоять изгибу под давлением", — поясняет Бипин Панди.
Профессор Стаффан Перссон подчёркивает, что в этих процессах просматриваются инженерные принципы, используемые в строительстве и механике.
"Удивительно видеть, как растения используют механические стратегии, которые отражают принципы, используемые в гражданском строительстве", — говорит он.
Исследование демонстрирует, что способность пробивать бетон и асфальт — не случайность и не побочный эффект силы роста. Это результат многомиллионной эволюции, позволившей растениям выживать в условиях плотных грунтов, каменистых слоёв и засух.
Учёные обнаружили, что одинаковый биомеханический механизм используется как в природе, так и в городских условиях. Тонкие сорняки, пробивающиеся через тротуары, и рисовые корни в уплотнённой почве запускают одну и ту же программу перестройки тканей. Такой механизм позволяет растениям восстанавливать доступ к воде и питательным веществам в неблагоприятных условиях.
Это открытие имеет решающее значение для селекции. Теперь, когда известна роль гена OsARF1 и механика реакции на этилен, биологи могут использовать эти данные для создания новых сортов. Усиленная чувствительность к этилену или повышение активности гена позволит культурам пробиваться сквозь слои почвы на глубину до метра и более, где сохраняются запасы влаги.
Таким образом, природный механизм превращается в инструмент аграрной устойчивости. Для регионов, страдающих от засухи, деградации почв или недостатка дождей, это может стать стратегическим преимуществом. Площадь уплотнённых почв сегодня превышает 68 миллионов гектаров — а значит, новые знания способны изменить судьбу огромных аграрных территорий.
В природе корни создают давление через тургор и перестройку клеток, сочетая эластичность и жесткость.
В технике аналогичную роль выполняют гидравлические домкраты и расширяющиеся оболочки.
В строительстве используются конструкции с мягким ядром и жёсткой внешней оболочкой — принцип, сходный с механизмом корня.
Такое сравнение показывает, что биологические системы нередко приходят к тем же инженерным решениям, что и человеческие технологии.
Преимущества:
• корни способны проникать глубже и получать влагу в засушливые периоды;
• урожайность становится более стабильной;
• снижается зависимость от орошения;
• расширяются площади пригодных для земледелия земель.
Ограничения:
• чрезмерная чувствительность к этилену может повлиять на другие процессы роста;
• селекция требует длительных испытаний на устойчивость;
• адаптация к конкретным климатическим зонам может отличаться.
Эти факторы важно учитывать при внедрении новых сортов в массовое производство.
Корень фиксирует сопротивление, после чего вокруг него накапливается этилен — гормон, запускающий перестройку клеток.
Жёсткая внешняя оболочка и расширяющаяся сердцевина создают давление до 10-15 атмосфер, позволяя раздвигать плотный материал.
Да. Усиленная способность проникать глубже позволяет корням получать влагу и питательные вещества в период засухи, что стабилизирует урожай.