Verwurzelt, schießt hoch. Aber woher weiß eine Pflanze welche? - Die Wissenschaften - 2020

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Anonim

Wenn eine Lawine einen Berg hinabreißt, beginnt manchmal ein aufschlussreiches, wenn auch unbeabsichtigtes botanisches Experiment. Obwohl Bäume auf dem Pfad des wütenden Schnees oft aus ihren Wurzeln gerissen und unbewusst bergab abgelegt werden, halten sich gelegentlich umgestürzte Bäume fest. Einige Wurzeln dieser teilweise umgedrehten Bäume brechen aus und sterben. Einige bleiben jedoch im Boden stecken. Der Baum überlebt und geht seinem Geschäft nach, wenn auch in einer sehr baumähnlichen Liegeposition. Und fast sofort passiert etwas Faszinierendes.

Der umgestürzte Baum macht eine harte Wende und wächst wieder vertikal. Wenn Sie einem solchen Baum im Wald viele Jahre lang begegnen, wird es wie ein Bäumchen aussehen. Er hat sich entschieden, sich einer rebellischen Baumkultur anzuschließen, und hat dann im jungen Erwachsenenalter plötzlich gemerkt, dass er es ernst nehmen sollte, groß zu werden und Zapfen zu bauen .

Das bedeutet natürlich, dass Bäume die Schwerkraft wahrnehmen können. Und wie sich herausstellt, können auch alle Pflanzen. Sie haben vielleicht nie gedacht, dass Pflanzen diese magische Fähigkeit besitzen könnten, aber sie tun es. Eine Tomaten-Topfpflanze verhält sich wie die Kiefer, wenn sie auf der Seite bleibt. Und wenn Sie umgekehrt sind (und in einem Potting-Medium verwurzelt sind, das nicht auf die Schwerkraft reagiert, indem Sie auf Ihren Schuhen landen), macht die Anlage eine Kehrtwende.

Hier ist ein zeitraubendes Beispiel für eine beliebte Zimmerpflanze Coleus .

Noch erstaunlicher ist, dass umorientierte Wurzelspitzen - die niemals das Tageslicht sehen und vom Boden physisch eingeschränkt werden - auch die Richtung abrupt ändern und wieder in Richtung Erdkern wachsen werden.

Man hätte wahrscheinlich davon ausgehen können, dass Pflanzen die Schwerkraft spüren, wenn Sie nur Bäume betrachten, die an einem steilen Hang wachsen. Sie wachsen nicht senkrecht zum Boden. Sie wachsen senkrecht zum Himmel.

Wissenschaftler haben einen Namen für dieses Phänomen: Gravitropismus. Was ihnen fehlt, ist eine vollständige Erklärung, wie es funktioniert. Wie weiß ein Organismus, der sein ganzes Leben an einem Ort verbleibt, dass er umgestoßen wurde, und wenn so viel festgestellt ist, woher weiß er, in welche Richtung sich das Neue befindet? Sobald es weiß, in welche Richtung es geht, wie geht es darum, es richtig zu machen?

Welche Ideen auch immer Sie zu diesem Thema haben, muss dieser verblüffenden Tatsache Rechnung tragen: Wenn Sie eine Anlage seitlich an einer Maschine montieren, die sie wie ein Schwein auf einem Spieß dreht, wird die Pflanze * nicht * eine harte Wende zum Weltraum machen. Stattdessen wächst es weiter horizontal, als hätte es überhaupt keine Möglichkeit, die Schwerkraft zu erfassen.

Wissenschaftler haben diese Frage lange untersucht, und sie sind ziemlich zuversichtlich, dass sie die Antwort auf den ersten Teil der Frage kennen: Wie Pflanzen wissen, in welche Richtung sie gehen.

Pflanzen spüren die Schwerkraft im Wesentlichen wie eine Schneekugel. Anstelle von Kunstschnee verwenden sie Partikel, sogenannte Statolithen. In Koniferen und Blütenpflanzen sind die Statolithen Vorratsbehälter für die Aufbewahrung von Lebensmitteln, die als Amyloplasten bezeichnet werden. Pflanzen synthetisieren und lagern Stärke (Glukose-Polymere, die Pflanzen in ihren grünen Teilen aus Licht, Wasser und Kohlendioxid herstellen) in diesen Granulaten. In den Amyloplasten der gemeinen Bohne ähneln die Stärkekörner verschieden großen, in einen Ballon gestopften Wattebällchen. Obwohl Amyloplasten normalerweise weiß sind, scheinen die Amyloplasten in dieser Karottenwurzel pigmentiert zu sein - vielleicht sind sie gefärbt:

Von Blancaflor 2012, American Jounal of Botany 100: 1, 143-152. Klicken Sie auf das Bild für den Link.

Unter normalen Umständen sitzen Amyloplasten nur auf dem Boden spezieller Schwerkraftmesszellen in der Mittelsäule (Columella) von Wurzelkappen und in Sprossen neben den Gefäßbündeln, die Wasser und Zucker transportieren. Wenn eine Pflanze umgestoßen wird, rutschen die Amyloplasten von dem Boden der Zelle, der sich kürzlich befand, auf eine ehemals vertikale Wand, wie Sie oben sehen können.

Hier werden die Dinge unscharf. Irgendwie wird diese Bewegung erfasst und an Zellen weitergeleitet, die das wachstumsregulierende Pflanzenhormon Auxin auf den neuen Unterseiten von Wurzel und Trieb absondern. Das Hormon hat an beiden Standorten entgegengesetzte Wirkungen, wodurch eine Unterdrückung des Wachstums an der Unterseite der Wurzeln und eine Wachstumssteigerung an der Unterseite der Triebe ausgelöst wird. Infolgedessen sind die Wurzeln erdwärts gerichtet; schießt in den Himmel. Sobald die Wurzel oder der Spross neu orientiert sind, rutschen die Amyloplasten in ihre ursprüngliche Position herunter und das Auxin-Gleichgewicht wird wiederhergestellt.

Besonders faszinierend an der Art und Weise, wie höhere Pflanzen die Schwerkraft wahrnehmen, besteht darin, dass sich der Bruttomechanismus nicht so sehr von unserem eigenen unterscheidet. Pflanzen und Tiere haben unabhängig voneinander ähnliche Lösungen für ein gemeinsames Problem entwickelt. Dies wird konvergente Evolution genannt und geschieht auf der Erde ziemlich viel.

In der Vorhalle Ihres Innenohrs befinden sich zwei Kammern, die als Utriculus und Sacculus bezeichnet werden. Die Zellen des Futters sind mit Sinneshaaren bestückt. Die Haare wiederum sind in gelatinöser Schleimhaut eingebettet. Und oben auf dem Goo sitzen facettenreiche Kalziumkarbonatkristalle, die Otolithe genannt werden.

Otolithen bewegen sich wie Amyloplasten. Wenn Sie sich nach vorne neigen, rutschen sie und ziehen die Klebrigkeit und die Haare mit nach unten, wie Sie hier sehen können. Das Ziehen der Haare löst Signale an Ihr Gehirn aus, die entsprechend interpretiert werden. Sedimentierende Partikel sind wiederum der Schwerkraftsensor.

In Pflanzen sind Sensor und Effektor jedoch nicht mit einem handlichen Gehirn verbunden. In der Tat ist die Art und Weise, wie sie miteinander verbunden sind, besonders rätselhaft, da das Erkennen und das körperliche Ansprechen oft durch eine gewisse Entfernung voneinander getrennt sind:

Von Blancaflor 2012, American Jounal of Botany 100: 1, 143-152. Klicken Sie auf das Bild für den Link.

Die Entfernung kann einige Millimeter betragen. Sie können das Problem hier sehen.

Die Wissenschaftler sind sich überhaupt nicht sicher, wie das von den Amyloplasten erzeugte Signal die Zellen erreicht, die Auxin erzeugen. Ein kürzlich erschienener Übersichtsartikel von Elison Blancaflor im Amerikanische Zeitschrift für Botanik markierte Experimente, die einige Anhaltspunkte dafür lieferten, wie Pflanzen herabfallende Amyloplasten in ausweichende Extremitäten übersetzen.

Frühe Theorien konzentrierten sich auf Aktin - den Teil des Skeletts der Zelle, der dünne Fasern (Mikrofilamente) bildet - da diese Fasern alle Teile der Zelle stützen und untersuchen und oft Informationen übertragen. Wenn sich Amyloplasten plötzlich verlagerten, schien es wahrscheinlich, dass das Zytoskelett in einer guten Position wäre, um es zu bemerken.

Ursprünglich glaubten Wissenschaftler, dass Aktin die Kraft fallender Statolithen direkt erfassen und weiterleiten könnte. Bei näherer Betrachtung gab es jedoch ein Problem: In Wurzeln waren dies Chemikalien stören Aktin-Mikrofilamente verstärkt - nicht gedämpft - Schwerkraftmessung der Pflanzen. In anderen Experimenten verhinderte auch das Fehlen eines vollständig entwickelten Zytoskeletts in den entsprechenden Wurzelzellen die Schwerkraftmessung nicht. Wie könnte das sein, wenn Aktin Amyloplastbewegungen direkt wahrnimmt?

Actin könnte immer noch an der Regulierung der Schwerkraftmessung beteiligt sein hemmt Dies und die Tatsache, dass die Veränderung des Aktins überhaupt Einfluss auf die Schwerkraftmessung hatte, legt dies nahe. Experimente im Zeitschrift für Botanik legen nahe, dass Aktin-Mikrofilamente ein siebartiges Netzwerk bilden können, das die Bewegung von Amyloplasten reguliert. Sie könnten auch die Erfassung der Schwerkraft regulieren, wenn sie an Amyloplasten vom Boden der Zelle binden oder sie dabei unterstützen, da die Art und Weise, wie Amyloplasten auf ihr Substrat drücken, eine Korrelation mit der Stärke der Schwerkraftreaktion zu sein scheint.

Seltsamerweise werden Experimente mit einer Alge gerufen Chara haben gezeigt, dass zumindest in dieser Anlage das tatsächliche Gewicht der Statolithen liegt nicht was die Zelle benutzt, um die Schwerkraft zu messen.

Im Chara Die Schwerkraftmessung und die Wachstumsreaktion treten alle in denselben Zellen in den wurzelartigen Strukturen der Pflanze auf. Chara verwendet noch ein drittes schweres Teilchen, um die Schwerkraft zu erfassen: mit dem hochdichten chemischen Bariumsulfat gefüllte Vesikel. Jemand interessiert sich für wie Chara Senses Schwerkraft beschloss, einige auf eine lustige Fahrt in einem Vomit Comet zu schicken - ein Flugzeug, das bei Astronauten-Auszubildenden und Stephen Hawking beliebt ist und in Wellen mit hoher Amplitude fliegt, was beim Abstieg die Erfahrung von Schwerelosigkeit erzeugt.

Sie fanden heraus, dass bei funktioneller Schwerelosigkeit die Schwerkraftmessung immer noch wirksam war Chara so lange wie Die Statolithen berührten immer noch die Plasmamembran der Zelle . Die Ermittler schlugen vor, dass der physikalische Kontakt mit der Membran und nicht der durch das Gewicht des Statoliten erzeugte Druck die Schwerkraftmessung auslöst. Auf der Oberfläche von Amyloplasten kann ein Protein exprimiert werden, das an einen Rezeptor am Boden der Zelle bindet. Je mehr der Amyloplast auf die Membran drückt, desto mehr Proteine ​​kommen mit Rezeptoren in Kontakt und desto stärker ist die Wahrnehmung der Schwerkraft. Natürlich müssen wir noch viel darüber lernen, wie Pflanzen die Schwerkraftsignale von Amyloplasten an Auxin produzierende Zellen in weiter Ferne übertragen.

Kehren wir nun zu unserem Rätsel um die Pflanze zurück. Sie können jetzt verstehen, warum sich die Pflanze so verhält, als wüsste sie nicht von unten: Da die Pflanze langsam gedreht wird, sind auch die Amyloplasten wie Steine ​​in einem Tumbler. Das Ergebnis ist ein sich kontinuierlich änderndes Wachstumsrichtungssignal, da sie nacheinander alle Seiten der Zelle stimulieren. Die Summe dieser omnidirektionalen Vektoren ist Null. Für die Anlage ist die Botschaft klar: Volle Kraft voraus.

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Die geäußerten Ansichten sind die des Autors und sind nicht notwendigerweise die.