Исследование, проведенное американскими учеными, показало, что семена растений способны улавливать звуки дождя. Вибрация внутриклеточных датчиков гравитации, вызванная акустическими волнами от падающих капель, информирует растение о наличии влаги на его поверхности. Благодаря этому воздействию, прорастание риса ускоряется на 30%.
Семя, находящееся под землей, определяет свое положение в пространстве благодаря гравитропизму. В специализированных клетках корня содержатся статолиты – тяжелые крахмальные зерна. Под воздействием силы тяжести они опускаются к нижней части клетки, прилегают к мембране и определяют направление роста. Ранее было известно, что интенсивные промышленные вибрации, например, от сельскохозяйственной техники, вызывают колебания статолитов и стимулируют прорастание. Однако способность семян реагировать на естественные звуки, присутствующие в окружающей среде, ранее не подвергалась изучению.
Авторы исследования, опубликованного в журнале Scientific Reports, полагали, что звук падающих капель дождя также воздействует на статолиты и способствует прорастанию семян. В ходе исследований ученые использовали семена риса ( Oryza sativa). Семена разместили на дне резервуаров с водой, воссоздавая естественные условия прорастания в виде луж. Для имитации дождя воду капали сверху на поверхность. Исследователи использовали подводные микрофоны для фиксации акустического давления, после чего сравнили скорость прорастания семян с показателями контрольной группы, находившейся в полной тишине.
На основе проведенных исследований установлено, что шум дождя способствует ускорению прорастания семян на 24–37 процентов. Звук падающих капель, ударяющихся о водную поверхность или влажную почву, формирует мощный акустический импульс под слоем земли, интенсивность давления которого сопоставима с гулом реактивного двигателя.
Наблюдение за перемещением статолитов в живом семени во время дождя не представляется возможным, поэтому инженеры из Массачусетского технологического института использовали биофизическое математическое моделирование. С помощью расчетов была определена кинетическая энергия, передаваемая звуковой волной клеткам растения. Решение системы дифференциальных уравнений продемонстрировало, что одного акустического воздействия от капли достаточно для преодоления вязкости внутриклеточной жидкости.
Под воздействием звуковой волны статолиты начинают колебаться и перемещаются на расстояние от 10 до 600 нанометров. Данные микроскопические колебания вызывают непостоянное взаимодействие крахмальных зерен с рецепторами на клеточной мембране, что инициирует гормональные процессы, способствующие ускоренному росту.
Физическая модель продемонстрировала и существенное ограничение: акустический механизм эффективен лишь на глубине до пяти сантиметров. На большей глубине звуковая волна рассеивается, и она больше не способна перемещать статолиты. Ученые подчеркивают, что это является естественным эволюционным барьером. Если бы семена реагировали на акустические колебания на глубине в полметра, ростки, вероятно, погибали бы, затратив всю имеющуюся энергию на безуспешные попытки пробиться к свету. Мелководье, напротив, обеспечивает наилучшее соотношение влажности, содержания кислорода и расстояния до поверхности.
Согласно новому исследованию, семена не просто бездействуют в ожидании проникновения влаги. Они выступают в роли активных акустических датчиков, анализирующих звуковую среду, чтобы определить оптимальное время для прорастания.