Для чего хищники едят растения
Растения, которые делают «кусь!»
Аборигены, встретившиеся с деревом Я-Те-Вео. Рисунок из книги Джеймса Буля (James William Buel) «Земля и море» (1887 год). Рисунок в большом разрешении.
Автор
Редакторы
Хищные растения всегда привлекали внимание как широкой публики, так и ученых. Одно из первых серьезных исследований хищных растений провел еще Чарльз Дарвин. Он изучал росянку (Drosera) — как устроены ее ловчие листья, чем и как она питается, — и в письме своему другу геологу Чарльзу Лайелю отзывался о ней так: «Сейчас росянка интересует меня больше, чем происхождение всех видов в мире». Ну а широкая публика примерно в те же годы боялась человекоядных деревьев, которых выдумали неизвестные мистификаторы. Итак, кто же они такие — хищные растения — и как дошли до жизни такой?
Об авторе
Автор этой заметки — Мария Логачева (Сколковский институт науки и технологии), специалист по геномике растений. В частности, она с коллегами одной из первых изучила геном насекомоядного растения [1]. Сейчас она хочет рассказать о новых результатах в геномике насекомоядных растений и о возможных путях развития этой тематики.
Всем живым существам необходимы фосфор и азот; большинство растений получают их с помощью корней из растворенных в почве соединений этих элементов. Хищные (еще их называют насекомоядными, но это не совсем правильно — ведь едят они далеко не только насекомых) растения выработали приспособления для получения азота и фосфора из тел насекомых и других мелких животных. Приспособления эти включают структуры для привлечения жертв, их поимки, растворения и всасывания нужных растению соединений. Такая возможность дает этим растениям огромные преимущества для роста на почвах, бедных азотом и/или фосфором, на которых обычные растения расти не могут. Цветковых растений (а хищники встречаются только среди них) около 300 000 видов; из них, по разным оценкам, от 500 до 1000 видов хищных (рис. 1). Способность к хищничеству возникала в эволюционной истории цветковых многократно: так, две крупнейших группы хищных растений — семейства росянковых и пузырчатковых — друг другу не близкородственны.
Рисунок 1а. Хищные растения. Росянка круглолистная (Drosera rotundifolia).
Рисунок 1б. Хищные растения. Пузырчатка обыкновенная (Utricularia vulgaris L.).
Рисунок 1в. Хищные растения. Жирянка крупноцветковая (Pinguicula grandiflora).
Рисунок 1г. Хищные растения. Саррацения (Sarracenia sp.).
Рисунок 1д. Хищные растения. Непентес Макфарлейна (Nepenthes macfarlanei).
Рисунок 1е. Хищные растения. Венерина мухоловка (Dionaea muscipula).
Рисунок 1ж. Хищные растения. Росолист (Drosophyllum).
Иронично, что, хотя хищные растения активно изучал Дарвин — основатель эволюционной биологии, — о них любят говорить креационисты, пытаясь доказать, что эволюции не существует. Такие сложно устроенные новые структуры, как листья-ловушки дарлингтонии или ловчие пузырьки пузырчатки, говорят они, не могли возникнуть иначе как путем творения — ведь никаких промежуточных форм между ними и обычными растениями нет.
Жуки Pameridea roridulae выработали специальный механизм защиты от прилипания — их клетки выделяют на поверхность кутикулы субстанцию, которая может легко отшелушиваться, и таким образом прилипает она, а не само насекомое [2].
Правда, по мере развития методов исследования некоторые факты о таких «недохищных» растениях пересматриваются — так, до недавнего времени считалось, что у дарлингтонии есть ловушки, но нет пищеварительных ферментов, но позже их все-таки обнаружили [3]. Однако вопрос о том, насколько растение использует свои собственные ферментные системы, а насколько полагается на симбионтов, остается открытым. Это само по себе показывает, что между типичными хищными и обычными растениями есть весь спектр переходных форм.
Дело Дарвина живет и побеждает!
Развитие методов геномики позволило изучать насекомоядные растения на принципиально новом уровне. Очевидно, что столь глубокие изменения в морфологии (развитие структур-ловушек) и биохимии (пищеварительные ферменты) растения должны определяться на уровне генома.
В мае 2020 года в журнале Current Biology вышла статья Пальфалви с соавторами, в которой исследовали геномы трех хищных растений [4]. Все они принадлежат к семейству росянковых: венерина мухоловка (Dionaea muscipula) — у нее ловушки — видоизмененные листья напоминают капкан с захлопывающимися створками или челюсти; альдрованда — водное растение с похоже устроенными, но гораздо более миниатюрными ловушками; и собственно, так полюбившаяся Дарвину росянка (но другой вид) — она приманивает жертв яркими листьями с блестящими каплями, к которым они и прилипают.
Размеры геномов у этих видов сильно различаются — у росянки 323, у альдрованды — 509, а у венериной мухоловки — 3180 м.п.н. (миллионов пар нуклеотидов). А теперь внимание, вопрос: «У кого из них недавно произошла полногеномная дупликация?». Если вы ответили — у венериной мухоловки, то вы неправы! На самом деле у альдрованды, а у венериной мухоловки геном такой большой из-за того, что у нее произошло размножение мобильных элементов. Вставки мобильных элементов, особенно недавние — большая проблема для сборки геномов. Поэтому неудивительно, что второй автор статьи, биоинформатик Томас Хакл, начал работу над геномом венериной мухоловки еще в 2011 году, а статья по результатам вышла только в 2020-м.
Но, как бы ни был труден путь, он привел к успеху. Авторы, собрав геномы всех трех растений, обнаружили, что число генов у них уменьшено : 18 тысяч у росянки и 21 у венериной мухоловки (у альдрованды 25 тысяч, но это из-за дупликации). Уменьшение это обусловлено в основном тем, что теряются многокопийные гены. Однако нашлось 279 ортогрупп (то есть групп генов разных видов, соответствующих одному гену их ближайшего общего предка), в которых у хищных растений генов стало не то что не меньше, а наоборот, сильно больше, чем у обычных растений (рис. 2) [4]. И выяснилось, что среди них гораздо больше «хищных» генов — кодирующих транспортеры азотных и фосфорных соединений, сигнальные пептиды, белки, участвующие в производстве слизи, в синтезе сахаров, необходимых для привлечения жертв.
Так же как и у тоже хищной, но совершенно не родственной им генлизеи, геном которой мы с коллегами изучили в 2013 году [1].
Рисунок 2. Увеличение и уменьшение семейств генов у хищных растений. а — Число ортогрупп, в которых стало больше (синий цвет) и меньше (розовый цвет) генов. Оранжевым цветом выделены случаи, когда изменение числа произошло у всех трех видов растений из семейства росянковых, у двух из трех или только у одного. б — Функциональные группы генов, входящих в число 279 семейств, увеличенных у всех росянковых, и их связь с хищным образом жизни. Стрелки указывают последовательность событий в цикле охоты растения.
Лучшая защита — это нападение
Помимо собственно наличия генов важна их активность. Пальфалви с соавторами изучили транскриптомы ловчих листьев на разных стадиях их работы — в спокойном состоянии, в момент контакта с жертвой и в момент переваривания. Первоначально это сделано было в 2016 году, еще без геномной последовательности, по результатам сборки транскриптома [5]. Авторов той работы интересовал прежде всего набор генов, активирующихся при работе ловушки, и динамика их экспрессии. Они нашли, что при контакте с жертвой повышаются экспрессия генов сигнальных путей, активируемых жасмонатом, и синтез самого жасмоната. Затем наступает следующая стадия — экпрессируются гены, продукты которых необходимы для растворения тела жертвы — хитиназы, протеазы. Также вступают в действие гены белков — транспортеров неорганических ионов.
Секвенирование генома позволило расширить и уточнить эти результаты. Сравнив тканевую специфичность генов, экспрессирующихся в ловчей части листа, авторы показали, что после поимки жертвы начинают экспрессироваться гены, ортологи которых у арабидопсиса работают в корнях [6]. Это понятно — обычные растения получают соединения азота и фосфора из почвы с помощью корней, а хищные — из растворенной добычи с помощью листьев. Наличие собранного генома позволило авторам посмотреть на промоторы генов, ассоциированных с хищностью. Выяснилось, что промоторы генов, повышенно экспрессирующиеся после активации ловушки, обогащены сайтами связывания двух транскрипционных факторов — WRKY6 и WRKY29. У обычных растений эти транскрипционные факторы участвуют в ответе на стресс — как абиотический, так и биотический (в том числе защищая от патогенов и травоядных животных). Это подтверждает точку зрения, что плотоядность у растений возникла как модификация защитных механизмов («лучшая защита — это нападение!») [5]. Интересно, что у всех росянковых находится общая и уникальная для них дупликация генов-ортологов WRKY6, а у альдрованды и у венериной мухоловки еще и общая и уникальная для них (но не для росянки) дупликация WRKY29.
Рисунок 3. Реконструкция ключевых этапов в эволюции хищничества у росянковых. WGD — полногеномная дупликация (whole genome duplication); TE — мобильные элементы (transposable elements).
Авторы сравнили полученные ими данные по геномам росянковых с данными по секвенированию транскриптома другого хищного растения — непентеса (хорошо знакомых многим ярко-красных листьев-кувшинов) и нескольких родственных нехищных растений. Непентес принадлежит к семейству непентовых, которые вместе с еще несколькими мелкими семействами являются сестринской группой росянковых. Результаты филогенетического анализа дают основания считать, что ближайший общий предок этих двух групп уже был хищным растением [7]. Однако геномные данные говорят другое: ортогруппы, общие для росянковых и непентовых, не имеют отношения к хищничеству, а ортогруппы, связанные с хищничеством, уникальны. Из этого авторы делают вывод, что эти группы перешли к хищничеству независимо. Впрочем, с этим выводом не все согласны (реплика Виктора Альберта, специалиста по геномике растений, профессора Университета штата Нью-Йорк в Буффало) [8].
Зная то, насколько сложно и не всегда надежно установление ортологов у растений (особенно по транскриптомным данным и на фоне полногеномных дупликаций), я скорее согласна с теми, кто считает, что для вывода о двух независимых возникновениях нужно больше данных. Есть и другие вопросы, которые интересно было бы изучить — и работа Пальфалви с соавторами дает для этого прекрасную основу. Так, помимо перехода обычных растений к хищничеству в эволюции, видимо, был и обратный переход. Такие изменения, предположительно, происходили в семействе Dioncophyllaceae (принадлежат к той же группе растений, что и росянковые и непентовые, но ближе к непентовым). Из трех родов (в каждом из которых по одному виду) этого семейства один хищный — Triphyophyllum peltatum — и два нехищных. Некоторые изменения, такие как паразитический образ жизни, у растений необратимы, поскольку связаны с потерей большого количества генов, у которых нет дублирования. Хищничество, как мы теперь знаем, возникает в результате более тонких изменений, в основном на уровне регуляции генов и вариаций наборов генов в мультигенных семействах. Поэтому тут возможна большая гибкость, позволяющая переходы и от обычного образа жизни к хищному и обратно.
Хищные растения: их названия, виды и питание
Изумительные растения
У цветка-хищника есть отличительная черта — автотрофный обмен веществ, это когда они химические сочетания, преобладающие в грунте и воздухе, превращают в органические вещества. И эти вещества потом используют в пищу другие живые организмы. Плотоядные цветы, наоборот, покрывают недостаток нужных им химических комбинаций с помощью вспомогательной пищи, например, насекомых и иногда даже млекопитающих.
Как правило, эти долголетние цветы могут расти и на небогатом грунте, в составе которого присутствует недостаток азота, фосфора, калия. На территории России и стран бывшего Советского Союза находятся 18 видов хищников, которые входят в состав 4 родов. Многие не знают, что они представляют из себя. Но вот в северо-западных регионах страны на болотной территории можно встретить два вида росянок — английская и круглолистная.
Росянка пользовалась популярностью еще в древние времена. Многие народные целители с ее помощью лечили органы дыхания и избавляли от головной боли.
Виды плотоядных цветов
Относят их к долголетним травянистым растениям. Ученые считают, что настоящие хищные цветы эволюционировали в пяти разных группах цветов.
Чаще всего хищный цветок имеет яркую окраску и сильное благоухание, которые используются для привлечения жуков. У некоторых настолько приятное благовоние, что оно привлекает не только разных жуков. Например, у венериной мухоловки довольно привлекательный запах. В Индии этот цветок считают символом гармонии. А вот, например, от цветка дарлингтония исходит довольно неприятный запах гнили. Этот запах появляется из-за ее пищеварительной активности.
С течением времени у их листьев поменялась форма, они преобразовались в быстросрабатывающий капкан. У росянки листья покрыты каплями липкого вещества.
У жирянки лист не сворачивается. Азот в теле жертвы запускает пищеварительный процесс.
У дарлингтонии и непентеса листья превращаются в кувшинки с пищеварительным соком. И жертва, угодив в западню, соскальзывает на дно, где и гибнет.
Более всего активна венерина мухоловка. Ее листья, похожие на кувшинки, усыпаны чувствительными волосками. И как только к ним притрагиваются, створки захлопываются. Она начинает поедать жертву, а после приема пищи они раскрываются повторно. Переваривать еду они могут как 5 часов, так и несколько месяцев.
Вот самые необычные и интересные виды:
Выращивание в домашних условиях
Даже опытные цветоводы считают, что выращивать такие растения сложно. Для этого нужно соблюдать следующие правила:
Цветение и кормление
Идеальным кормом для них считается то, что они едят в естественной среде обитания. Жирянка и росянка, если не стоят во флорариуме, могут добывать себе питание самостоятельно. Не следует для их кормления использовать насекомых с большим содержанием кальция. Лучше всего для этого использовать плодовых мушек. Из семян нечасто вырастают цветы. Желательно брать домой уже подросшее взрослое растение.
Зачем в природе нужны хищники. Необходимость хищников в природе.
Некоторые не любят хищников, за то что они едят травоядных. Кто-то не понимает всю их важность и необходимость.
Начнем с того, что в природе нет лишнего. Отношения хищник-жертва существовали ещё миллионы лет назад и при этом не один вид не вымирал от клыков хищников. А вот от человека, который появился всего 1 миллион лет назад, успело вымереть приличное количество видов.
В каждой экосистеме для ее гармоничного существования необходим баланс. Хищники выполняют роль санитаров природы. Они уничтожают больных и слабых животных. Хищники регулируют численность травоядных животных, чтобы те в свою очередь не размножились таким образом, что на них не хватит растительности. Хищники поедают больных животных, чтобы те не заразили остальных.
Если бы в 1995 году сюда не привезли из Канады три десятка волков, которые исчезли из местных лесов в 20-х годах прошлого века, здешние тополя погибли бы полностью. Ученым удалось проследить взаимосвязь между резким сокращением хищников и балансом в экосистеме.
Канадские «переселенцы» начали быстро размножаться, и уже через несколько лет в Йеллоустоне наметились первые признаки оздоровления. Волки слегка проредили популяцию прожорливых вапити, а оставшимся пришлось изменить линию поведения, а заодно и места поживы. Если раньше они обгладывали все деревья подряд, то теперь стали избегать крутых склонов, затопленных лесов и густых зарослей, откуда было бы трудно унести ноги от преследователей.
Воронам, орлам и койотам после волчьих трапез достается долгожданная падаль, и это помогает им выживать в суровые зимы. Без волков количество падали в зимнее время более непредсказуемо для животных-санитаров: в мягкие зимы погибает сравнительно мало оленей и других животных.
Биологи всесторонне исследуют, каким образом отсутствие крупных хищников влияет на состояние пищевых цепей на суше, в море и в воздухе. Очевидно, последствия так или иначе определяются особенностями и составом каждой отдельной экосистемы. Часто исчезновение крупного хищника сказывается только на следующем звене пищевой цепи. Иногда же это затрагивает существование как средних хищников и травоядных животных, так и растений и даже мелких водорослей.
10 удивительных хищных растений (10 фото + 1 видео)
Саррацения или Северо-американское насекомоядное растение является родом плотоядных растений, которые встречаются в районах восточного побережья Северной Америки, в Техасе, в Великих озерах, в юго-восточной Канаде, но большая часть находится только в юго-восточных штатах.
Это растение использует ловчие листья в форме кувшинки в качестве ловушки. Листья растения превратились в воронку с образованием, похожим на капюшон, который растет над отверстием, предотвращая попадание дождевой воды, которая может разбавить пищеварительные соки. Насекомых привлекает цвет, запах и секреции, похожие на нектар на краю кувшинки. Скользкая поверхность и наркотическое вещество, окаймляющее нектар, способствуют тому, что насекомые падают внутрь, где они погибают и перевариваются протеазой и другими ферментами.
Непентес, тропическое насекомоядное растение, это другой вид плотоядных растений с ловушкой, при которой используются ловчие листья в форме кувшинки. Существует около 130 видов этих растений, которые широко распространены в Китае, Малайзии, Индонезии, на Филиппинах, Мадагаскаре, Сейшельских островах, в Австралии, Индии, Борнео и Суматре. Это растение также получило прозвище «обезьянья чашка», так как исследователи часто наблюдали, как обезьяны пили из них дождевую воду.
Большинство видов Непентес это высокие лианы, около 10-15 метров, с мелкой корневой системой. Из стебля часто видны листья с усиком, который выступает из кончика листа и часто используется для лазания. На конце усика, кувшинка формирует небольшой сосуд, который затем расширяется и образует чашу.
Ловушка содержит жидкость, выделяемую растением, которая может иметь водянистую или липкую структуру, и в которой тонут насекомые, которых поедает растение. Нижняя часть чаши содержит железы, которые поглощают и распределяют питательные вещества. Большая часть растений является небольшими и они ловят только насекомых, но крупные виды, такие как Nepenthes Rafflesiana и Nepenthes Rajah, могут ловить мелких млекопитающих, таких как крысы.
Скрытые хищники: почему травоядные начинают есть мясо и охотиться?
Оказывается травоядные могут есть мясо, хотя и не испытывают к нему серьезного пристрастия. Обычно им не хватает белка, минеральных веществ и пищевых волокон, которые содержатся в растительной пище. Рассказываем, кто из известных травоядных не против полакомиться мясом.
Читайте «Хайтек» в
Чем питаются панды, пока никто не видит
Большая панда Ailuropoda melanoleuca питается почти исключительно бамбуком. Китайские ученые выяснили, что панды перешли на растительную пищу всего двадцать тысяч лет назад, поэтому их пищеварительный тракт устроен примерно так же, как и у всеядных животных.
Поэтому если бамбука не хватает, то панда может съесть, например, мышь. Также медведи охотятся на пищух, мелких грызунов, рыбу и птиц.
Но у панд есть такая же проблема, как и у черепах — они медлительные, поэтому съедают либо раненых зверей, либо их трупы.
Белки поедают птенцов
В весенний период, когда зимние запасы кончились, а новые еще не выросли, белки могут начать разорять гнезда. Они поедают не только яйца, но и самих птенцов, чтобы выжить.
Также белка от стресса и нехватки продовольствия может съесть своих детенышей. Это самое разумное решение в такой ситуации, самка делает это, чтобы спастись самой и создать потомство повторно.
Черепахи, которые охотятся на птенцов
Вид сухопутных черепах Testudinidae обычно питается растениями, но может разнообразить свой рацион и животным белком. Черепаха может съесть даже живую лягушку, но только в неволе. В дикой природе они обычно не могут догнать потенциальных жертв.
Исследователи отмечают, что это первое доказательство того, что сухопутные черепахи могут охотиться.
Биологи не исключают, что птенцы крачек могут быть важной частью рациона Aldabrachelys gigantea. Наблюдая за колонией пернатых, они заметили у деревьев прямо под птичьими гнездами несколько взрослых рептилий. Некоторые пытались преследовать живых птенцов, правда, в результате остались без добычи.
Олени могут разорять гнезда и есть мышей
По наблюдениям зоологов, олени могут разорять птичьи гнезда, есть пернатых и даже мышей. Такое поведение обнаружили у вида Odocoileus virginianus и его северных собратьев Rangifer tarandus.
А вот белохвостный олень из США, который проживает в штате Северная Дакота, поедает сразу пять видов птиц. Он охотится днем и съедает добычу целиком. А ночью разоряет гнезда, причем делает это быстро и тратит на все не больше 15 секунд.
Биологи отмечают, что так олени могут восполнять дефицит минеральных веществ и белка. В пользу этого говорит факт, что чаще охотой на птиц и грызунов занимаются молодые самцы с растущими рогами.
Зайцы, поедающие сородичей
Еще один растениеядный вид — Lepus americanus — может есть плоть других животных и даже себе подобных.
Для того, чтобы подтвердить свои догадки, ученые три года наблюдали за американскими беляками и раскладывали в различных местах трупы животных и прятали камеры с датчиком движения.
В летний период зайцы игнорировали падаль, но вот зимой съедали ее в 12% случаев. Обычно они поедали млекопитающих, например, канадскую рысь, а иногда птиц, сразу вместе с перьями.
Биологи предположили, что перья либо механически способствуют пищеварению, либо меняют кишечный микробиом, либо же таким образом зайцы восполняют дефицит пищевых волокон в рационе.
Вывод
Это не значит, что теперь нам нужно называть все виды этих животных хищными и кормить их мясом. Охота и поедание падали — это по большей части вынужденная мера для растениеядных. Они идут на нее, чтобы выжить и продолжить род.