Cum au devenit unele plante pradatori carnivori. Evolutie in 140 de milioane de ani, sunt peste 800 de specii de plante carnivore

Spre sfarsitul secolului al XIX-lea, au inceput sa apara pretutindeni povesti infioratoare despre plante ucigase. Copaci teribili, cu tentacule care se miscau, smulgeau si inghiteau calatorii neatenti in tinuturi indepartate. Profesori nebuni au crescut plante monstruoase cu friptura cruda, pana cand creatiile lor vorace s-au intors si i-au „mancat”si pe ei, transmite Big Think.

Pana in zilele lui  Charles Darwin, majoritatea oamenilor refuzau sa creada ca plantele mananca animale. Era impotriva ordinii naturale a lucrurilor. Plantele erau hrana animalelor si nu se puteau misca. Darwin a petrecut 16 ani efectuand experimente meticuloase care au dovedit contrariul. El a aratat ca frunzele unor plante s-au transformat in structuri ingenioase care nu numai ca prindeau insectele si alte creaturi mici, dar le si digerau si absorbeau substantele nutritive eliberate de cadavrele lor.

In 1875, Darwin a publicat „Plante insectivore”, detaliind tot ceea ce descoperise. In 1880, a publicat o alta carte care spulbera mituri, „Puterea miscarii la plante”. Realizarea faptului ca plantele puteau sa se miste, dar si sa ucida, a inspirat nu doar un gen extrem de popular de povesti de groaza, ci si generatii de biologi dornici sa inteleaga plantele cu astfel de obiceiuri improbabile.

Astazi, plantele carnivore traiesc un alt moment important, deoarece cercetatorii incep sa primeasca raspunsuri la una dintre marile enigme nerezolvate ale botanicii: Cum au evoluat plantele cu flori, de obicei blande, in carnivore criminale?

De la descoperirile lui Darwin, botanistii, ecologistii, entomologii, fiziologii si biologii moleculari au explorat fiecare aspect al acestor plante care ineaca prada in recipienti plini de lichid, o imobilizeaza cu frunze sau o intemniteaza in capcane de tip „snap-trap” si capcane de aspiratie subacvatice. Ei au detaliat ce prind plantele si cum – plus ceva despre beneficiile si costurile stilului lor de viata ciudat.

Mai recent, progresele in stiinta moleculara au ajutat cercetatorii sa inteleaga mecanismele-cheie care stau la baza stilului de viata carnivor: de exemplu, cum se transforma o capcana de muste intr-un „stomac” care stoarce insecte si apoi intr-un „intestin” pentru a absorbi resturile prazii sale. Dar marea intrebare a ramas: Cum a reusit evolutia sa le ofere acestor nonconformisti din punct de vedere alimentar mijloacele de a manca carne?

Fosilele nu au oferit aproape niciun indiciu. Sunt foarte putine, iar fosilele nu pot arata detalii moleculare care ar putea sugera o explicatie, spune biofizicianul Rainer Hedrich de la Universitatea din Wurzburg.

Nu exista nicio dovada ca plantele carnivore au dobandit obiceiurile lor bestiale prin deturnarea genelor de la victimele lor animale, spune Hedrich, desi genele trec uneori de la un tip de organism la altul. In schimb, o serie de descoperiri recente arata ca genele existente, care au functii vechi, omniprezente la plantele cu flori, au fost cooptate si reutilizate.

„Evolutia este vicleana si flexibila. Ea profita de instrumentele preexistente”, spune Victor Albert, biolog specializat in genomul plantelor la Universitatea din Buffalo. „Este mai simplu in evolutie sa refolosesti ceva decat sa creezi ceva nou”.

Drumul spre pradator

Oricat de ciudata ar fi, carnivoria a evoluat in mod repetat de-a lungul celor peste 140 de milioane de ani de cand exista plantele cu flori. Adaptarea a aparut independent de cel putin 12 ori, spune Tanya Renner, biolog evolutionist la Penn State.

De fiecare data, forta motrice a evolutiei a fost aceeasi: nevoia de a gasi o sursa alternativa de nutrienti vitali. Plantele carnivore cresc in mlastini, in ochiuri de apa sarace in nutrienti sau pe soluri tropicale subtiri, toate acestea fiind habitate cu deficit de azot si fosfor, esentiale pentru crestere. Insectele si alte nevertebrate mici, pline de proteine, sunt surse bogate in ambele, precum si in alte elemente de care plantele au nevoie pentru a inflori. „O capcana Venus poate trai timp de trei saptamani cu o singura insecta mare”, spune Hedrich. „Daca captureaza multe insecte, produce mai multe frunze si mai multe capcane”.

In prezent, se cunosc aproximativ 800 de specii de plante carnivore. Unele, cum ar fi plantele de tip ulcior si multe dintre ele, sunt receptoare pasive de prada – desi cu adaptari ingenioase, cum ar fi marginile alunecoase si firele de par cu varfuri lipicioase care ajuta la asigurarea mesei. Altele sunt mai active: unele plante de soare se incolacesc spre interior, impingand prada in centrul mai lipicios al capcanei, in timp ce cateva au un inel exterior de tentacule rapide care arunca victimele spre pieire. Cea mai sofisticata dintre toate este capcana de Venus, Dionaea muscipula, cu firele sale de par sensibile de declansare si cu capcanele sale care pot distinge atingerea unei insecte de o picatura de ploaie sau de o frunza moarta care cade si pot judeca marimea prazii si raspunde in consecinta.

In ciuda diferentelor uriase in ceea ce priveste forma si modul de ucidere, toate capcanele sunt frunze sau parti de frunze modificate. „Asta inseamna ca aceste plante nu numai ca isi obtin nutrientii dintr-o sursa diferita, dar si pe o cale diferita, in primul rand prin frunze si nu prin radacini”, a declarat Renner.

Cum au ajuns sa indeplineasca functii atat de putin asemanatoare cu cele ale frunzelor? Pentru a afla, cercetatorii au apelat la un amestec de tehnici „omice” – genomica, transcriptomica si proteomica. Acestia compara genomurile plantelor carnivore si non-carnivore; secventiaza transcriptele ARN care poarta instructiunile unei gene pentru a vedea ce gene sunt activate unde si cand; si intocmesc inventare de proteine pentru a afla care sunt cele pe care le produc capcanele la masa.

Noi locuri de munca pentru genele vechi

Multe trasaturi ale stilului de viata carnivor nu si-au dezvaluit inca secretele genetice. Dar studiile asupra a doua dintre elementele sale mai macabre – digestia si absorbtia – dezvaluie modul in care evolutia a reprofilat genele existente, punandu-le pe unele la lucru in locuri noi si dandu-le altora functii noi si modificari ciudate pentru a le adapta mai bine la noile lor roluri.

Inca din anii 1970, cercetatorii au recunoscut ca lichidul digestiv pe care l-au gasit in capcane continea enzime care functionau in moduri foarte asemanatoare cu multe dintre armele chimice pe care plantele le folosesc impotriva bacteriilor daunatoare, a ciupercilor si a insectelor erbivore infometate. Initial, nu era clar daca plantele carnivore produceau ele insele enzimele sau daca microbii care traiau in capcanele lor le produceau. De atunci, botanistii au confirmat faptul ca plantele carnivore produc multe dintre aceste enzime si au descoperit alte zeci de enzime.

Tendinta evolutiei de a adopta si de a adapta instrumentele existente merge dincolo de digestie. Pe masura ce chitina, proteinele si ADN-ul sunt rupte in molecule mai mici, capcana trebuie sa le mute din lumea exterioara in interiorul plantei. La plantele obisnuite, absorbtia nutrientilor este sarcina unei radacini, unde proteinele transportoare ii transporta continuu din sol in planta. „S-ar putea sa nu va asteptati sa gasiti aceste proteine lucrand intr-o frunza”, a adaugat Renner.

Si totusi, tocmai acest lucru a fost descoperit de colegul lui Hedrich, Sonke Scherzer, la Venus flytrap in timp ce proceseaza prada: el a identificat recent transportatori pentru doi dintre cei mai importanti nutrienti pentru plante, azotul si potasiul. Se pare ca, pentru a permite unei frunze sa absoarba nutrienti, evolutia a cooptat genele radacinilor si le-a pus la lucru intr-un loc nou. Diferenta consta in faptul ca genele transportoare sunt intotdeauna active in radacini, dar in capcane ele sunt activate doar atunci cand nutrientii incep sa curga de la prada in descompunere.

Musca in unguent

Pe masura ce continua sa exploreze carnivorele, cercetatorii identifica mult mai multe enzime. „Dar, de fiecare data, constatam ca acestea au functii similare la specii inrudite la distanta”, spune Renner, care conduce o investigatie majora asupra rolului cooptarii in aparitia carnivorelor. Cu toate acestea, in timp ce acest lucru intareste ideea ca plantele carnivore si-au dobandit noile abilitati digestive in acelasi mod, exista o suspiciune tot mai mare ca nu acelasi lucru ar putea fi valabil pentru mecanismul extrem de important care controleaza intreaga operatiune prin activarea genelor potrivite la momentul potrivit.

Lantul evenimentelor din cadrul capturarii si digestiei este cel mai bine inteles in cazul capcanei Venus, cea mai analizata dintre plantele carnivore. Daca o insecta neatenta se aseaza pe una dintre capcanele sale si atinge un fir de par senzorial, aceasta declanseaza un semnal electric. Daca atinge un al doilea fir de par – dovada ca este o prada si nu o bucata de pamant sau o frunza moarta – atunci capcana se inchide brusc.

Pe masura ce insecta se lupta si declanseaza mai multe semnale electrice, capcana incepe sa produca si substante chimice numite jasmonate, care furnizeaza semnalul pentru a sigila marginile capcanei si pentru a incepe sa o umple cu enzime. Pe masura ce cadavrul insectei se descompune, capcana isi mareste productia de enzime si incepe sa produca transportatori de nutrienti, din nou sub controlul jasmonatelor. Este un furt direct de la sistemul de aparare al plantelor, care raspunde la un atac al insectelor prin trimiterea de semnale electrice pentru a da alarma in celulele vecine – care apoi sintetizeaza jasmonate, care activeaza productia de proteine defensive.

Pinguicula (Pinguicula) este o planta cu mici rozete de frunze acoperite de glande mici care supureaza mucilagiu lipicios si enzime digestive. Majoritatea acestor plante sunt in intregime pasive, desi cateva dintre ele isi pot incovoia marginile frunzelor spre interior, acoperind o mai mare parte din insecte cu un lichid letal. In 2020, Pinguicula a inceput sa atraga mult mai multa atentie in urma unui raport al laboratorului de biofizica al lui Andrej Pavlovic de la Universitatea Palacky din Republica Ceha.

Pavlovic si colegii sai au descoperit ca, atunci cand au hranit Pinguicula cu o portie generoasa de muste de fructe, plantele au raspuns prin producerea de enzime, multe dintre ele identice cu cele identificate la alte plante carnivore. Pana acum, totul este similar. Dar cand a venit vorba de rolul jasmonatelor in activarea productiei de enzime, povestea a fost foarte diferita.

La fel ca la alte plante cu flori, jasmonatele orchestreaza apararea plantei  impotriva dusmanilor sai. Inteparea frunzelor de 10 sau 15 ori cu un ac pentru a imita atacul unei insecte a determinat o mare crestere a jasmonatelor in frunze. Pe de alta parte, prada, in schimb, nu a declansat aproape niciun raspuns. Echipa a incercat o alta tactica, pulverizand jasmonat direct pe frunze: In Venus flytrap si Sundews actiunea produce un val de enzime digestive. In Pinguicula – nimic.

Daca Darwin ar fi fost aici astazi, s-ar fi ingramadit sa rezolve misterele ramase ale „celor mai minunate plante” ale sale. El nu ar recunoaste tehnicile pe care le au la dispozitie investigatorii moderni si ar fi uimit de cantitatile de date care pot fi procesate in cateva secunde. Dar cand vine vorba de conceperea unor modalitati elegante de testare a teoriilor, ar fi pe un teren familiar. „Secventierea genomurilor, numararea si analizarea genelor nu sunt suficiente”, spune Renner. „Inca trebuie sa faci experimente pentru a afla ce fac genele si cum functioneaza.”

Iar asta inseamna sa hranesti plantele infometate. Darwin le-a hranit pe ale sale cu carne prajita si oua fierte tari, branza, mazare si alte bucatele pline de proteine. Astazi, meniul consta mai des in „substrat” cu aspect mai putin apetisant, dozat cu cantitati precis masurate de azot – dar nu exista nicio indoiala ca Darwin s-ar fi simtit ca acasa.