| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Počujú rastliny?
Vladimír Scholtz
Živé organizmy sa v záujme prežitia naučili vnímať okolitý svet a účelne na neho reagovať. Všeobecne panuje zhoda v tom, že človek má päť základných zmyslov: zrak, sluch, čuch, chuť a hmat. Niektoré iné živočíchy sa naučili vnímať aj ďalšie podnety, napríklad elektrické pole, ako sme o tom písali v bulletine AB 6/2017 a pod. Tieto schopnosti sú u živočíchov síce zaujímavé, ale ich samotná existencia nás zase až tak príliš neprekvapuje. To už pre väčšinu čitateľov neplatí, pokiaľ príde reč na rastliny. A predsa sa zdá, že aj rastliny majú sluch.
Pupalka (Oenothera drummondii).
Foto Yoav Dothan, 2009.
|
Zvuk – mechanické vlnění šířící se v hmotném prostředí. V tekutinách jde o podélné vlnění, v pevných látkách se šíří podélné i příčné módy. Interval frekvencí vlnění, které je schopen vnímat člověk, je přibližně od 16 Hz do 20 000 Hz. Tyto hranice jsou individuální a mění se s věkem. Zvuk s frekvencí nižší než 16 Hz se nazývá infrazvuk, zvuk s frekvencí vyšší než 20 kHz se nazývá ultrazvuk. Frekvence – značíme f, počet opakování sledovaného děje za časovou jednotku. V SI měříme frekvenci v hertzích (Hz, počet dějů za sekundu). Lze ji vypočítat jako převrácenou hodnotu periody děje: f = 1/T. Často se používá také úhlová frekvence, kterou značíme ω. Jde o časovou změnu fáze vlnění. Pro obě frekvence platí převodní vztah ω = 2πf. Exprese – exprese genu, převod genetické informace z DNA do funkční podoby. To může znamenat pouhý přepis do RNA, která sama může mít v buňce funkci, či následný přepis RNA do proteinu. Gen, u něhož právě probíhá exprese, se označuje jako exprimující gen. |
Živočíchy a zvuk
Živočíchy vnímajú zvukyZvuk – mechanické vlnění šířící se v hmotném prostředí. V tekutinách jde o podélné vlnění, v pevných látkách se šíří podélné i příčné módy. Interval frekvencí vlnění, které je schopen vnímat člověk, je přibližně od 16 Hz do 20 000 Hz. Tyto hranice jsou individuální a mění se s věkem. Zvuk s frekvencí nižší než 16 Hz se nazývá infrazvuk, zvuk s frekvencí vyšší než 20 kHz se nazývá ultrazvuk. obvykle prostredníctvom buniek citlivých na jemné periodické vibrácie, ktoré vytvárajú nervové vzruchy spracovávané ďalej nervovou sústavou. Napríklad stavovce majú tieto bunky umiestnené vo vnútornom uchu, octomilky vnímajú zvuk štetinkami (arista) a pod. Rastliny ale nemajú žiadnu nervovú sústavu a ani nemajú na vnímanie zvuku špeciálny orgán. Ukazuje sa však, že zvuk sú schopné vnímať na úrovni buniek a že sa nejedná o vnímanie analogické s mechanickým dráždením. Vhodný zvukový podnet má za následok zmenu exprimovania génovExprese – exprese genu, převod genetické informace z DNA do funkční podoby. To může znamenat pouhý přepis do RNA, která sama může mít v buňce funkci, či následný přepis RNA do proteinu. Gen, u něhož právě probíhá exprese, se označuje jako exprimující gen. a zmenu bunkového metabolizmu. Na tomto mieste nebudeme zabiehať do podrobností, odkážeme čitateľa napríklad na prácu [1], ale ukážeme si niekoľko zaujímavých prípadov.
Mladé klíčky kukurice
Ako prvý si ukážeme príklad uvedený v práci [2], ktorá jasne ukazuje, že rastliny vnímajú a reagujú na zvukZvuk – mechanické vlnění šířící se v hmotném prostředí. V tekutinách jde o podélné vlnění, v pevných látkách se šíří podélné i příčné módy. Interval frekvencí vlnění, které je schopen vnímat člověk, je přibližně od 16 Hz do 20 000 Hz. Tyto hranice jsou individuální a mění se s věkem. Zvuk s frekvencí nižší než 16 Hz se nazývá infrazvuk, zvuk s frekvencí vyšší než 20 kHz se nazývá ultrazvuk.. Mladé klíčky kukurice siatej boli vystavené smerovému pôsobeniu zvuku s definovanou frekvenciouFrekvence – značíme f, počet opakování sledovaného děje za časovou jednotku. V SI měříme frekvenci v hertzích (Hz, počet dějů za sekundu). Lze ji vypočítat jako převrácenou hodnotu periody děje: f = 1/T. Často se používá také úhlová frekvence, kterou značíme ω. Jde o časovou změnu fáze vlnění. Pro obě frekvence platí převodní vztah ω = 2πf. do jednoho kilohertzu. Následkom bola zmena smeru rastu a následné zakrivenie koreňa v smere prichádzajúceho zvuku. Zároveň sa ukazuje, že toto vnímanie zvuku je selektívne k frekvencii a najväčšie zakrivenie je pozorované pre frekvencie medzi 100 až 400 Hz s maximom pre 220 Hz.
Reakcia mladých klíčkov kukurice siatej na zvuk: (a) mladé korene kukurice sa viditeľne zakrivujú v smere prichádzajúceho zvuku; (b) veľkosť zakrivenia je závislá na frekvencii zvuku, najväčšie zakrivenie nastáva pre frekvencie medzi 100 až 400 Hz. Prevzaté z [2].
Pupalka a opeľovače
Druhý prípad [3] ukazuje selektívnu reakciu pupalky (Oenothera drummondii) na zvuk opeľovačov. Kvety pupalky boli vystavené po dobu 10 s zvukom o rôznych frekvenciách alebo zaznamenanému zvuku včely medonosnej (Apis mellifera). Ako ukazuje nasledujúci obrázok, zvuk včely a zvuk s nízkou frekvenciou 50 až 1000 Hz spôsobil do 3 min od pôsobenia zvýšenú tvorbu cukru v nektáre kvetu. Ďalej sa zdá, že samotný kvet funguje ako rezonátor a prijímač zvuku. Pokiaľ sa totiž z kvetu odstráni časť okvetných lístkov, celý efekt veľmi rýchle zaniká. Navyše tento prípad na rozdiel od prvého uvedeného naznačuje aj evolučné vysvetlenie tohto javu. Rastlina je totiž schopná odlíšiť a reagovať iba na príchod potenciálneho opeľovača a neplytvať cukrom pre iných hostí.
Kvety pupalky odpovedajú na zvuky opeľovačov: (a) pre zvuk s frekvenciou 50 až 1000 Hz a pre záznam zvuku včely koncentrácia cukru v nektáre viditeľne vzrástla z približne 16 % až nad 19%; (b) zhrnutie výsledkov, pokiaľ priletí netopier, ktorý neponúka možnosť opelenia, na jeho zvuk rastline nereaguje, taktiež pokiaľ priletí včela, ale rastlina je izolovaná a „nepočuje“, rastlina zvyšuje tvorbu cukru, až keď „začuje“ zvuk blížiaceho sa opeľovača. Prevzaté z [3].
Vplyv na kondíciu rastlín
Tretí príklad prevzatý z práce [4] zahŕňa niekoľko rôznych pozorovaní pôsobenia zvuku na rastliny. Práce [5, 6] popisujú, že pôsobenie zvuku s frekvenciami od 250 Hz do 3000 Hz vedie k celkovému zlepšeniu kondície rastliny a urýchľuje klíčenie. Pravdepodobnou príčinou je aktivácia vlastnej imunity rastlín a produkcia kyseliny salicylovej a jasmínovej a tok vápenatých iónov do rastlinných buniek z okolia. Práca [7] popisuje zvýšenie úrody a zlepšenie odolnosti rastlín voči chorobám. Pôsobenie zvuku s frekvenciami 100 Hz až 1000 Hz malo za následok zvýšenie produkcie papriky, uhoriek, rajčiaku, hlávkového šalátu, špenátu, bavlny, ryže a pšenice o viac ako 10 %. Zároveň sa ukázal významný pokles roztočov, hmyzích škodcov, plesňových a vírových ochorení na rastlinách rajčiaku. Ďalšia práca [8] popisuje zväčšenie odolnosti rastlín ryže voči suchu pri použití zvukov s frekvenciou nad 800 Hz. Zaujímavé taktiež je, že podľa [9] zvuky s frekvenciou 1 kHz spomaľujú v rastlinách rajčiaku produkciu etylénu. To má za následok spomalenie zretia ich plodov. A konečne zvuky s frekvenciami 125 Hz až 250 Hz podľa [10] zvyšujú expresiuExprese – exprese genu, převod genetické informace z DNA do funkční podoby. To může znamenat pouhý přepis do RNA, která sama může mít v buňce funkci, či následný přepis RNA do proteinu. Gen, u něhož právě probíhá exprese, se označuje jako exprimující gen. niektorých génov v ryži, čím zvyšujú výkon jej fotosyntézyFotosyntéza – biochemický pochod, při kterém dochází k přeměně světelného záření na energii chemických vazeb. Při fotosyntéze se takto zpracovává oxid uhličitý a voda na kyslík a cukr..
Zhrnutie vplyvu rôznych zvukov na rastliny: (a) podpora klíčenia semien a rastu mladých rastlín, (b) zvýšenie obranných odpovedí, lepšia odolnosť proti chorobám, (c) zvýšenie odolnosti proti suchu, (d) spomalenie dozrievania plodov, (e) zvýšenie výkonu fotosyntézy, rýchlejšia tvorba cukrov. Prevzaté z [4].
Spomalené dozrievanie plodov rajčiaku spôsobené zvukom 1 kHz v porovnaní s kontrolnou vzorkou: (a) fotografie v jednotlivých dňoch; (b) výsledky vynesené do grafu. Prevzaté z [9].
Záver
Z uvedených príkladov je vidieť, že rastliny reagujú na zvuky prichádzajúce z okolia. Na príjem zvuku nemajú špecializovaný orgán a ani mechanizmus tohto vnímania nie je príliš preskúmaný. Tento mechanizmus pravdepodobne ani nebude jeden, ale podobne ako v prípade živočíchov ich bude niekoľko. Otázkou zostáva aj to, či niektoré pozorované javy sú skutočne adaptáciu rastliny na prostredie, alebo zvuková vlna vyvoláva pozorované deje iba mimochodom. V každom prípade by vegetariáni nemali kvetinkám ubližovať a mali by radšej jesť piesok a kamene.
Odkazy
- R. Ghosh et al.: Expression Analysis of Sound Vibration-Regulated Genes by Touch Treatment in Arabidopsis; Frontiers in Plant Science 8 (2017) 100
- M. Gagliano, S. Mancuso, D. Robert: Towards understanding plant bioacoustics; Trends in Plant Science 17/6 (2012) 323–325
- Marine Veits et al.: Flowers respond to pollinator sound within minutes by increasing nectar sugar concentration; Ecology Letters 22/9 (2019) 1483–1492
- Jihye Jung et al.: Beyond Chemical Triggers: Evidence for Sound-Evoked Physiological Reactions in Plants; Frontiers in plant science 9 (2018) 25
- Wang Bochu et al.: Soundwave stimulation triggers the content change of the endogenous hormone of the Chrysanthemum mature callus; Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 37/3–4 (2004) 107–112
- Ritesh Ghosh et al.: Exposure to Sound Vibrations Lead to Transcriptomic, Proteomic and Hormonal Changes in Arabidopsis; Scientific reports 6 (2016) 33370
- Reda He Hassanien et al.: Advances in Effects of Sound Waves on Plants; Journal of Integrative Agriculture 13/2 (2014) 335–348
- Mi-Jeong Jeong et al.: Sound frequencies induce drought tolerance in rice plant; Pakistan Journal of Botany 46 (2014) 2015–2020
- Joo-Yeol Kim et al.: Sound waves delay tomato fruit ripening by negatively regulating ethylene biosynthesis and signaling genes; Postharvest Biology and Technology 110 (2015) 43–50
- Mi-Jeong Jeong et al.: Plant gene responses to frequency-specific sound signals; Molecular Breeding 21/2 (2008) 217–226
