Из курса школьной биологии все наверняка помнят, что такое фотосинтез. Когда светит солнце, растения синтезируют органические вещества (крахмал и сахар) из углекислого газа и воды. Но когда наступает ночь, растениям приходится нелегко, ведь отлаженный механизм преобразования простых веществ в органику и последующее питание нарушается. Растениям приходится рассчитывать только на свои запасы.
Оказывается, рассчитывают и считают они очень даже неплохо: запасы крахмала распределяются по порциям, которыми они питаются в течение всей ночи до восхода солнца. "Это первый убедительный пример почти разумных арифметических подсчётов на уровне фундаментальных биологических процессов", — говорит соавтор исследования Мартин Говард (Martin Howard), разработчик математических моделей из Центра Джона Иннса.
Говард и его команда построили компьютерную математическую модель, чтобы разобраться в том, как растениям удаётся не просто пережить ночь, но и продолжить расти в тёмное время суток. Для примера они взяли классическое растение — резуховидку, травянистое растение из семейства капустных.
Модель показала, что в ходе фотосинтеза растения делают запасы крахмала и сахара "на чёрный день". В данном случае это выражение стоит понимать буквально: когда наступает ночь, то запасённые вещества пускаются в ход. Растение делит его на чёткие порции, рассчитывая всё так, чтобы ему хватило до утра. Более того, этот механизм работает, даже если ночь наступает раньше обычного или запасов оказывается больше или меньше.
Возникает ощущение, что растение действительно умеет производить арифметическое деление, чтобы избежать голода.
"Способность производить математические вычисления оказывается жизненно необходимой растениям. Понимание этого процесса позволит не только развить различные области ботаники, но и улучшить урожайность культур", — считает эксперт в области метаболизма биолог Элисон Смит (Alison Smith), которая также является одним из авторов исследования.
Когда наступает ночь, включаются специальные процессы внутри каждого листа, которые позволяют растению измерить количество запасов и оставшееся до рассвета время. Затем растение определяет размер порций, которые оно будет пускать в ход в течение всей ночи, да так чётко, что к утру остаётся приблизительно 5% от первоначального количества запасённого крахмала.
"Их расчёты настолько точны, что они не просто способны защитить себя от голода, но и использовать выработанные ими органические вещества с максимальной пользой и эффективностью. Если бы они расходовали запасы слишком быстро, то к утру были бы уже голодными, а если питались бы слишком медленно, то часть еды оказалась бы лишней и произведённой впустую", — рассказывает Смит в пресс-релизе.
Математическая модель также показала, как именно распределяются запасы. Учёные поняли, что "арифметические вычисления" проходят на молекулярном уровне. Процесс распределения по порциям и расходования запасов регулируется двумя типами молекул. Молекула, условно обозначенная учёными как S (starch — крахмал), предоставляет информацию о количестве запасов, а молекула T (time — время) — о том, сколько времени осталось до рассвета. Молекулы S стимулируют поглощение запасов, тогда как T нейтрализуют этот процесс. Таким образом, количество поглощаемых веществ определяется отношением S к T, или же, можно сказать, S мы делим на T.
Модель также учитывала и светлые периоды ночи, когда резуховидка могла возобновлять производства крахмала. При наступлении таких периодов растение корректирует порции потребления питательных веществ, учитывая тот факт, что у него ещё будет возможность пополнить свои запасы днём.
Биологи определили, какие белки задействованы в системе деления S на T, поскольку такие способности могут быть обусловлены лишь специфической структурой генетического кода. Выяснилось, что мутация в гене PWD регулирует процесс поглощения крахмала, а значит, играет существенную роль в арифметических подсчётах растения.
Безусловно, все эти процессы протекают естественно и не могут быть обусловлены реальной математикой. Растения, будучи сложными многоклеточными организмами, имеют свою точно настроенную биологическую систему, которая заточена на обеспечение комфортного и продолжительного существования в биосфере. Тем не менее, создание математических моделей для определения работы биологических процессов — принципиально новый подход, который обеспечит наилучшее понимание жизнедеятельности растений.
Статья, описывающая результаты этого исследования, появится в открытом доступе в журнале eLIFE. Тем временем результаты работы можно посмотреть в статье, опубликованной на сайте препринтов arXiv.org.
Также по теме:
Биологи нашли рыбу, голодающую целый год
Ученые обнаружили ген, ответственный за чувство голода
Следы древнейших форм жизни планеты состарили фотосинтез
Учёные открыли возможный путь самозарождения жизни
Объяснено происхождение механизма клеточного деления
