Все мы испытывали дискомфорт от того, что наш циркадный ритм бьет в несколько иной барабан, чем мы привыкли - может быть, после особенно поздней ночи или перелета, в результате которого мы оказались в новом часовом поясе. И все мы знаем, что требуется некоторое время, чтобы прийти в норму с графиком сна, еды и даже мочеиспускания.
Но люди - не единственные живые существа с внутренними часами, они есть и у растений. И понимание их ритмов может сделать наши продовольственные системы более устойчивыми и продуктивными в долгосрочной перспективе, говорится в новом исследовании британских и бельгийских ученых. Поскольку наш климат меняется, население растет, и требуются более устойчивые и рациональные продукты питания, переосмысление методов работы сельского хозяйства является абсолютно необходимым для устойчивого и свободного от голода мира.
Сейчас, утверждают авторы, настало время активизировать исследования, которые могут превратить то, что мы уже знаем о циркадных ритмах растений, в простой, доступный и легкий способ повышения урожайности и обеспечения устойчивости фермерских хозяйств по всему миру.
Исследования показали, что клеточные часы растений могут контролировать экспрессию почти 30 процентов генов растения. Это означает, что чем больше мы узнаем об их внутреннем расписании, тем больше вероятность того, что мы сможем воспользоваться этим преимуществом для получения более высоких урожаев продовольствия, использования меньшего количества пестицидов и выяснения того, как сделать некоторые культуры более устойчивыми к изменению климата.
Как работают циркадные часы растений
Когда речь идет о циркадном ритме человека, большая часть калибровки происходит в тысячах клеток нашего мозга, говорит ведущий автор исследования, биолог растений из Кембриджского университета Алекс Уэбб. Но, конечно, у растений нет мозга, поэтому каждая их клетка имеет индивидуальные часы, которые контролируют, когда открывать стоматы для всасывания углекислого газа, когда запускать механизмы фотосинтеза и когда закрывать магазин после захода солнца.
Еще в 1700-х годах ученые обратили внимание на то, как растения двигают своими листьями в 24-часовом цикле, даже если они находятся под воздействием источника света круглые сутки. "Это была первая демонстрация того, что это свободно бегущие часы, на любом организме", - говорит Уэбб. Сегодня исследователи могут определить длительность циркадного ритма с помощью таких методов, как визуализация флуоресценции с задержкой, чтобы узнать о внутренних часах практически любого растения, о котором вы можете подумать, включая такие культуры, как пшеница.
За последние несколько десятилетий было проведено все больше исследований, чтобы выяснить, как циркадный ритм растения влияет на такие вещи, как его размер, фотосинтез, образование и использование сахара. Все это, плюс борьба с холодной погодой и вредителями, сводится к горстке генов, которые являются общими для основных видов флоры.
Еще до того, как мы полностью поняли, что происходит с циркадными ритмами растений, мы уже случайно изменили их в некоторых случаях. Например, фермеры в Северной Америке, возможно, случайно вывели для своих культур немного более медленный циркадный ритм, чем у томатов в Южной Америке. Так что если сельское хозяйство смогло так много выяснить просто методом проб и ошибок, то сегодня, учитывая достижения науки, существует гораздо больший потенциал для использования преимуществ этих внутренних часов.
"Последние 25 лет в этой области были посвящены фундаментальной биологии, и сейчас мы находимся на этапе понимания биологии основных сельскохозяйственных культур", - говорит Уэбб.
Где устойчивое развитие вступает в свои права
В то время как люди более или менее выяснили, как должен выглядеть наш график сна, для растений это не так просто. Будь то растение-змея на вашем столе или ферма с пшеничными полями, очень часто, когда мы поливаем эти экземпляры, мы больше думаем о том, что подходит нам, чем о том, что действительно нужно и важно нашим растениям.
"Знание того, какие процессы находятся под контролем в растении, окажет огромное влияние на то, когда фермеры будут применять те или иные методы на своих культурах", - говорит Ханна Рис, исследователь циркадной биологии в Эрлхэмском институте в Англии.
В одном из исследований, опубликованном в 2019 году, Энтони Додд, биолог растений из Центра Джона Иннеса, и его соавторы обнаружили, что при применении в соответствии с их циркадным ритмом, растения Arabidopsis thaliana более чувствительны к гербицидам в утренние часы, а это означает, что небольшое количество гербицида в этот период времени может принести много пользы.
Мы подумали, что понимание того, как часы влияют на реакцию растений, позволит нам уменьшить количество химикатов, которые распыляются на них, что может сэкономить деньги и время фермеров", - говорит Додд. "Это также уменьшит количество химикатов, попадающих в окружающую среду".
В этом есть большой смысл, если задуматься. Применение гербицида утром, когда растение уже активизируется, чтобы защитить себя от голодных вредителей на рассвете, может быть гораздо более эффективным, чем применение его ночью, когда те же самые вредители, возможно, не являются такой большой проблемой.
Теоретически, добавляет Вебб, ученые могли бы проводить подобные исследования практически по любой культуре и ее потребностям - воде, удобрениям и так далее, чтобы точно определить, сколько каждого из них нужно применять. А в мире, где 70% пресной воды используется в сельском хозяйстве, а чрезмерное использование удобрений и пестицидов наносит серьезный вред окружающей среде, сокращение использования этих ресурсов может иметь решающее значение для повышения устойчивости.
Распространение вертикального земледелия также позволяет производителям регулировать, когда, где и насколько сильно изменять среду обитания растений, говорит Уэбб. Подобно тому, как мы случайно вывели помидоры с более медленными часами, изучение вариаций циркадных ритмов растений может помочь им расти на разных высотах, в разных климатических условиях и даже в специализированных закрытых помещениях, которые дают более высокие урожаи при меньших потерях.
Еще многое предстоит сделать, прежде чем кто-то сможет сказать, какое влияние окажет следование циркадным ритмам на сельское хозяйство. Но в мире, где устойчивые технологии и мышление переходят от человека к промышленности, есть что сказать о возможной технике, которая просто следует естественному порядку жизни, которую мы хотим вырастить. Все, что для этого потребуется, - изменить наши собственные часы.