Waarom bewegen planten? Wetenschappers lossen een oud mysterie op dat Charles Darwin in verwarring bracht

Uit een onderzoek is gebleken dat de grillige bewegingen van een zonnebloem hem helpen zonlicht te lokaliseren, wat inzicht geeft in het gedrag van planten en potentiële landbouwvoordelen.

In een nieuwe studie zijn natuurkundigen uit de Verenigde Staten en Israël er mogelijk in geslaagd een verklaring te vinden voor een vreemd gedrag in de plantengroei, een mysterie dat Charles Darwin zelf de laatste decennia van zijn leven in verwarring bracht.

Voor veel mensen lijken planten statisch en zelfs een beetje saai. Maar het groene spul beweegt eigenlijk veel. Als je bijvoorbeeld een time-lapse-video bekijkt van een zonnebloemzaailing die uit de grond ontspruit, groeit deze niet recht omhoog. In plaats daarvan, als een zonnebloem groeit, draait de kroon in cirkels, draait hij in spiralen en kronkelt hij over het algemeen – zij het heel langzaam.

Nu hebben onderzoekers onder leiding van Orit Peleg van de Universiteit van Colorado Boulder en Yasmin Meroz van de Universiteit van Tel Aviv een rol ontdekt voor deze chaotische bewegingen, ook wel ‘spins’ genoemd. In kasexperimenten en computersimulaties toonde de groep aan dat zonnebloemen baat hebben bij rotatie om in hun omgeving naar plekjes zonlicht te zoeken.

“Veel mensen houden niet echt rekening met de beweging van planten, omdat wij als mensen doorgaans met de verkeerde framesnelheid naar planten kijken”, zegt Peleg, een van de auteurs van het onderzoek en universitair hoofddocent aan het BioFrontiers Institute and Department. van Computerwetenschappen.

Het team publiceerde zijn resultaten op 15 augustus in het tijdschrift Fysieke beoordeling X.

Deze bevindingen kunnen boeren op een dag helpen nieuwe strategieën te bedenken voor het telen van een reeks gewassen op efficiëntere wijze.

“Ons team doet veel werk aan sociale interacties in insectenzwermen en andere groepen dieren”, zegt Chantal Nguyen, hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker bij BioFrontiers.

“Maar dit onderzoek is vooral interessant omdat we een vergelijkbare dynamiek zien bij planten. Ze zijn geworteld in de grond.”

Darwins keuze

Planten bewegen zich doorgaans niet zoals dieren, voegde Nguyen eraan toe, maar bewegen zich in plaats daarvan door in de loop van de tijd in verschillende richtingen te groeien. Dit fenomeen fascineerde Darwin lang na zijn terugkeer van zijn reis op het oorlogsschip Beagle. Volgens historische verslagen.

In de jaren zestig van de negentiende eeuw bracht Darwin, die toen leed aan een reeks ziekten die zijn mobiliteit beperkten, dagenlang door met het observeren van planten in zijn huis. Hij plantte zaden van komkommers en andere planten. ClassificerenVervolgens hielden ze bij hoe hun kronen van dag tot dag bewoog – en de resulterende kaarten zagen er willekeurig en gek uit.

“Ik haal veel plezier uit mijn krullen – het is precies het soort hinder dat bij mij past.” Hij schreef in 1863 aan een vriend.

Of Darwin nu geamuseerd was of niet, hij kon niet verklaren waarom een ​​deel van zijn haar gedraaid was.

Het is een mysterie dat ook Meroz, een natuurkundige van opleiding, in verwarring bracht. Eén onderzoek uit 2017 Dit onderzoek heeft haar in de goede richting gestuurd. In dit onderzoek kweekten wetenschappers onder leiding van de Universiteit van Buenos Aires rijen zonnebloemen onder krappe omstandigheden. Ze ontdekten dat de planten zich op natuurlijke en consistente wijze in een zigzagpatroon rangschikten, bijna als de tanden van een rits. Deze regeling zal de planten waarschijnlijk helpen hun toegang tot zonlicht als groep te maximaliseren.

Miroz vroeg zich af of plantentrillingen de motor zouden kunnen zijn die dergelijke patronen in de plantengroei aandrijft.

“Voor klimplanten is het duidelijk een kwestie van steun vinden om aan vast te houden”, zegt Miroz, hoogleraar plantenwetenschappen en voedselveiligheid. “Maar voor andere planten is het niet duidelijk waarom het de moeite waard is.”

Hier komt de zon

Om daar achter te komen, plantten zij en haar collega’s vijf weken oude zonnebloemen in rijen. Vervolgens brachten ze, net als Darwin vóór hen, in kaart hoe planten zich gedurende de week bewogen.

Vervolgens ontwikkelden Nguyen en Bligh een computerprogramma om de patronen te analyseren die de groei van zonnebloemen bepalen. De onderzoekers konden ook computersimulaties gebruiken om te zien wat er zou gebeuren als de zonnebloemen meer of minder zouden bewegen – met andere woorden, als ze willekeurig of in een langzaam, stabiel patroon zouden bewegen.

De groep ontdekte dat als de digitale planten helemaal niet zouden bewegen, ze allemaal in een rechte lijn van elkaar af zouden leunen. Als ze daarentegen veel bewegen, groeien ze in een willekeurig patroon. Maar als ze met precies de juiste hoeveelheid willekeur bewegen, vormen zonnebloemen die kenmerkende zigzagvorm, die bij echte planten veel toegang tot zonlicht biedt. Planten lijken rond te draaien om te ontdekken waar het beste licht vandaan komt, en groeien dan in die richting, legt Nguyen uit.

“Als je een beetje ruis aan het systeem toevoegt, kan de plant zijn omgeving verkennen en zich in die configuraties nestelen waarin elke plant maximale blootstelling aan licht kan vinden. Dat leidt tot dit prachtige zigzagpatroon dat we zien,” zei ze. .

In toekomstige experimenten zullen de onderzoekers testen hoe zonnebloemen groeien in complexere arrangementen. Miroz van haar kant is blij om te zien dat planten enige waardering krijgen voor hun vermogen om te bewegen en invloed uit te oefenen.

“Als we allemaal op dezelfde tijdschaal zouden leven als planten, zou je over straat kunnen lopen en ze zien bewegen,” zei ze. “We hebben waarschijnlijk allemaal planten als huisdier.”

Referentie: “Luidruchtige cirkels vergemakkelijken zelfregulerende schaduwvermijding bij zonnebloemen” door Chantal Nguyen, Imre Dromi, Ahron Kempinski, Gabriela E.C. Gal, Orit Peleg en Yasmin Meroz, 15 augustus 2024, Fysieke beoordeling.
DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031027