Саговники (Cycadophyte) — древние голосеменные растения, которые появились на Земле примерно 280–300 миллионов лет назад и особенно широко распространились в мезозое (250–65 миллионов лет назад). Их часто называют «живыми ископаемыми», потому что они сохранили облик и ключевые биологические черты, почти не изменившиеся со времен глубокой древности.

Эти растения похожи на пальмы и размножаются с помощью структур, напоминающих сосновые шишки. Способ, которым они привлекают опылителей, долгое время оставался загадкой для ученых. В отличие от ярких цветковых растений, завлекающих насекомых цветом и ароматом, саговники казались скромными и не примечательными.

Известно, что некоторые растения способны вырабатывать тепло в определенных частях, чаще всего в цветках. Например, у термогенного аморфофаллуса (Amorphophallus) температура цветка может быть существенно выше температуры окружающего воздуха — иногда на десятки градусов Цельсия.

Ботаники предполагали, что способность использовать тепло помогает растениям усилить запах или согреть насекомых. Такие идеи были основаны на наблюдениях, однако долгое время преобладало мнение, что тепло — скорее побочный эффект метаболизма термогенных растений, а не специальный инструмент привлечения опылителей. 

Ученые рассказали, какое влияние на цветковые растения оказала катастрофа, погубившая динозавров

Английские и мексиканские ученые выдвинули гипотезу о том, какое воздействие на цветковые растения оказало массовое вымирание, случившееся 66 миллионов лет назад, и почему они стали доминирующими в экосистеме по всему миру. 

Эволюционный биолог Венди Валенсия-Монтойя (Wendy Valencia Montoya) из Гарвардского университета в США вместе с коллегами провела исследование и опровергла устоявшееся мнение. На примере с саговниками ученые показали, что для этих термогенных растений и их опылителей тепло не просто побочный эффект, а полноценный и, возможно, древнейший язык общения.

Саговники — раздельнополые растения: каждый отдельный экземпляр (мужской или женский) дает лишь один тип репродуктивной структуры. Мужские растения образуют мужские шишки — они продуцируют пыльцу. Женские растения образуют женские шишки — они несут семенные зачатки, которые после опыления развиваются в семена. Размер и форма мужских и женских шишек часто различаются: женские бывают заметно крупнее и плотнее, чем мужские.

Валенсия-Монтойя и ее команда создали искусственные шишки саговников с помощью трехмерной печати. Эти модели могли нагреваться и охлаждаться, но полностью лишились характерного для саговников аромата, цвета и текстуры. Исследователи разместили эти «обманки» рядом с настоящими растениями в дикой природе и результат превзошел ожидания — поддельные шишки привлекли сотни жуков-опылителей.

Дальнейшие эксперименты с настоящими саговниками показали, что цикл нагрева и охлаждения — это четко отлаженный механизм. Пыльцевые мужские шишки производят мощный выброс тепла ближе к вечеру. Примерно через три часа, когда пыльца уже разлетелась, нагреваются женские шишки, готовые к оплодотворению. К наступлению ночи они остывают. Этот цикл буквально ведет насекомых через все этапы размножения растения — от мужской особи к женской.

Более того, ученые выяснили, что разные части шишек нагреваются в разное время. Эта температурная карта работает как навигационная система, подсказывая насекомому, куда именно необходимо попасть. То есть каким-то образом эти сигналы помогают жуку очень быстро оказаться в нужном месте.

Однако главное открытие заключалось не в самом факте выделения тепла (это было известно), а в способе его «подачи». Оказалось, что саговники подают сигнал опылителям с помощью инфракрасного излучения, которое невидимо для человеческого глаза, но хорошо различимо антеннами жуков. Иными словами, насекомые реагируют на инфракрасный след, оставляемый теплом.

Валенсия-Монтойя и ее коллеги проверили, действительно ли насекомые ориентируются именно по излучаемому теплу (ИК‑лучам), а не по тому, что они просто чувствуют теплый воздух или нагретую поверхность цветка. 

Чтобы отделить простое ощущение тепла от восприятия инфракрасного излучения, ученые повторили лабораторный эксперимент. Они покрыли трехмерные модели шишек толстым материалом, пропускающим инфракрасные лучи, но препятствующим контактному переносу тепла. То есть жуки не чувствовали тепло, но могли улавливать инфракрасное излучение. Насекомые все равно летели к накрытым материалом моделям, что показало: важен не тактильный нагрев, а именно инфракрасный «тепловой сигнал», испускаемый нагретыми шишками.

Новые данные навели исследователей на мысль изучить несколько видов жуков, опыляющих разные саговники. Исследователи обнаружили, что у жуков‑опылителей есть гены, которые кодируют инфракрасно‑чувствительные белки (например, TRPA1), и эти белки особенно активны в антеннах. Аналогичные белки есть у змей и комаров, которые позволяют им выслеживать добычу по теплу ее тела. 

Статья по теме: Биологи выяснили, как скрытые вирусы влияют на полет пчел

Сенсоры жуков настроены на специфическую инфракрасную сигнатуру шишек именно тех видов саговников, с которыми они эволюционно связаны. Фактически, у каждого вида жуков есть свой «тепловой ключ» к своему «растительному замку».

Открытие команды Валенсии-Монтойя заставит по-новому взглянуть на историю взаимоотношений растений и насекомых. Саговники составляют половину всех известных науке термогенных растений, и их линии — одни из самых древних среди опыляемых жуками. Это позволяет ученым выдвинуть смелую гипотезу: обмен инфракрасными сигналами мог лежать в основе зарождения опыления как такового миллионы лет назад.

Чтобы проверить гипотезу, команда Валенсии-Монтойя планирует искать подобные механизмы у других опылителей. 

Научная работа опубликована в журнале Science.