"Кукуруза на связи": растения получили возможность предупреждать фермеров о засухе
Инженеры создали миниатюрный датчик, который превращает листья растений в микросхему и может сигнализировать о нехватке воды. Возможно, в будущем с его помощью сельскохозяйственные культуры смогут предупреждать фермеров о надвигающейся засухе.
Фикус на окне зачах, и кукуруза на поле поникла, потому что их снова забыли полить? Скоро растения смогут сообщать незадачливым садоводам и огородникам о том, что им срочно нужна вода. Но, что ещё более важно, миниатюрный датчик, созданный инженерами Массачусетского технологического института, поможет заранее предупреждать фермеров о надвигающейся засухе.
Вода играет ключевую роль в жизни растений, ведь она не только переносит питательные вещества, но и является одним из обязательных элементов фотосинтеза. Поэтому, когда почва высыхает, у растений замедляется рост, снижается биохимическая активность и начинают портиться ткани.
В нормальных условиях движение воды между корнями и листьями осуществляется благодаря так называемой транспирации. При этом на обеспечение метаболических потребностей растения уходит менее одного процента поступающей из почвы влаги, в то время как большая её часть испаряется через устьица – крошечные поры на поверхности листьев. В результате давление в верхней части "трубопроводной системы" снижается, что заставляет воду подниматься по стеблю.
В случае недостатка влаги одни виды сразу начинают увядать, в то время как другие способны достаточно долго переносить тяжёлые времена. В любом случае растения стремятся сохранить жидкость внутри и закрывают устьица. Именно на этот эффект обратили внимание профессор Майкл Страно (Michael Strano) и его коллеги.
Помимо засухи устьица открываются и закрываются в нормальном режиме в течение дня. Кроме того, они реагируют на концентрацию углекислого газа в окружающем воздухе. Но до сих пор (из-за отсутствия надёжных методов измерения) динамика их работы была изучена недостаточно хорошо.
В новой работе, чтобы следить за открытием и закрытием пор, учёные использовали весьма необычный подход. Они создали особые чернила, растворив крошечные проводящие электричество углеродные нанотрубки в лаурилсульфате натрия. Затем тончайшие полоски смеси нанесли прямо на листья растения спатифиллум, превратив их в аналог микросхемы. Пока устьица закрыты, полоски не теряют своей целостности и по цепи течёт ток, который можно измерить с помощью компактного устройства. Когда же поры открываются, цепь размыкается и ток пропадает.
Команда Страно отслеживала открытие и закрытие устьиц в нормальных условиях и при недостатке влаги. Учёные заметили, что при отсутствии негативных факторов поры открывались в течение семи минут после включения света и закрывались через 53 минуты после наступления темноты.
Но во время засухи растения не спешили "просыпаться", и поры открывались лишь через 25 минут. Время закрытия устьиц изменилось не так сильно, но в среднем сократилось на семь минут.
Авторы работы считают, что на данный момент эффективность разработанного ими метода вполне доказана. Более подробно ознакомиться с ним можно, прочитав статью, опубликованную в издании Lab on a Chip.
А в ближайшем будущем Страно и его коллеги планируют найти оптимальный способ нанесения проводящего материала на поверхность листа. В пресс-релизе института они сообщают , что наиболее перспективным вариантом является размещение на растениях особых наклеек, над созданием которых предстоит ещё немало потрудиться.
Кстати, приобщить растения к современным технологиям команда Страно пыталась и ранее. В 2016 году они сообщили об использовании шпината в качестве детектора взрывчатых веществ. Также учёные превратили розу в накопитель энергии . А ещё создали цветок, окраской которого можно управлять с пульта. И даже способность растений к фотосинтезу им удалось улучшить с помощью нанотехнологий.