Арифметика бамбука

В конце 1960-х листоколосник бамбуковый (Phyllostachys bambusoides) зацвел по всему миру – в Китае, считающемся его родиной, и в других субтропических и тропических регионах Азии, Европы, Африки и Америки, куда он был когда-то завезен. Несмотря на расстояния, цветение было удивительно синхронным. Неброские цветки производили пыльцу, ветер радостно подхватывал ее и опылял, сформировавшиеся семена с оптимизмом падали на землю. Вскоре эти величественные злаки, способные вырастать выше 20 метров, умирали, а из семян прорастало новое поколение – сейчас ему под 50. Большинству из нас не довелось наблюдать этого всемирного цветения и, скорее всего, не доведется в будущем – первые цветки нового поколения стоит ожидать лишь ближе к 2090 году.

Об этом можно уверенно говорить благодаря китайцам и японцам, которые вели записи цветений листоколосника на протяжении многих столетий. Китайские ученые наблюдали феномен в 999 году, затем в 1114-м. После того как растение завезли в Японию, цветение зафиксировали там в 1720-х, потом в 1844–1847 годах. Конец 1960-х ознаменовал собой начало очередного 120-летнего цикла. И это не единственный бамбук, чьи жизненные циклы длятся десятилетия. Как эволюция позволила такое?

Phyllostachys bambusoides
Листоколосник бамбуковый (Phyllostachys bambusoides) – один из самых быстрорастущих видов бамбука. Именно для него зафиксирована рекордная скорость роста – 120 см за сутки. Фото: Emmanuel Lattes.

В 1976 году американский эколог Дэниэл Дженсен предложил следующее объяснение синхронному цветению бамбуков. Он заметил, что крысы, свиньи и другие животные пожирают огромное количество бамбуковых семян. С такими аппетитами они в состоянии уничтожить все потенциальное потомство одного растения, потом другого, третьего, стопицотого… Прощай, бамбуковая роща. Однако если все растения будут цвести одновременно, то смогут буквально завалить ненасытных тварей семенами – все не сожрут, иначе из щелей полезет, и что-то в любом случае останется, даст всходы. Однажды пойдя на такую хитрость, бамбуки уже не могут позволить себе нарушать установленный порядок: если какие-то дерзкие растения осмелятся зацвести годом раньше, их гены будут устранены из популяции зубастыми любителями семян. Отбор благоприятствует бамбукам-конформистам, которые чтят правила и отслеживают календарь.

Как же возникли эти спасительные циклы и почему многие из них столь долги? Биолог Карл Веллер и его коллеги из Гарвардского университета (США) заинтересовались феноменом и, изучив его, пришли к выводу, что бамбуки знают арифметику.

арифметика для бамбуков

Ученые разработали математическую модель на основе сведений о биологии бамбуков. В качестве отправной точки была взята популяция, цветущая каждый год, как это до сих пор делают некоторые виды бамбуков. Конечно, в семье не без мутантов, и у некоторых мутации затрагивают гены, определяющие время цветения: такие растения теперь цветут раз в два года, одни – по четным, другие – по нечетным. В удлиненных циклах есть выгода – больше времени на то, чтобы запасти солнечную энергию, которую можно потратить на производство большего количества семян или на разработку механизмов их защиты от зубастиков. Так что двулетних бамбуков постепенно становится больше, а вот однолетних, напротив, меньше. Наконец наступает момент, когда однолетние не могут произвести достаточного количества семян, чтобы противостоять натиску животных, и их потомство в одночасье выедается. Заодно страдают и семена тех двулетних бамбуков, которым мутантные гены предписали плодоносить в этот ненастный год, – эти бедолаги тоже могут закончить свое существование. Таким образом, в роще остаются только двулетники-счастливчики, которые собрались синхронно цвести на следующий год и далее каждые два года.

Мутации могут приводить и к цветению раз в три года или больше. В математической модели Веллера и коллег такие растения также могут получить преимущество. Какой именно цикл в итоге возобладает – дело случая, поскольку на количество семян, производимое в конкретный год, влияет погода и другие непредсказуемые факторы. Но так или иначе, роща постепенно синхронизируется, а те растения, что не вписываются в сложившиеся устои, устраняются отбором.

За исключением того случая, когда новая мутация порождает цикл, кратный исходному. Так, бамбук, цветущий раз в четыре года, превосходно себя чувствует среди своих двулетних собратьев, к тому же имеет больше времени, которое можно потратить с пользой для себя и своего потомства. При определенных условиях такие «високосные» растения могут широко распространиться в популяции за несколько столетий, и затем вся популяция постепенно переключится на четырехлетний цикл. В обратную сторону отбор не пускает: если в четырехлетнем лесу родится двулетний мутант, его никто не сможет прикрыть, когда ему внезапно приспичит цвести. Циклы могут только удлиняться.

Эту модель можно проверить, резонно предположив, что бамбуки умножают свои циклы маленькими шагами. В конце концов, чтобы разом переключиться с двухлетнего цикла на двухсотлетний, нужно претерпеть какие-то безумные пертурбации в собственной биологии. Посмотрим на реальные виды бамбука: 120-летний цикл Phyllostachys bambusoides можно расписать как 5 x 3 x 2 x 2 x 2; цикл Phyllostachys nigra f. henonis – 5 x 3 x 2 x 2 = 60 лет; у Bambusa bambos – 2 x 2 x 2 x 2 x 2 = 32 года. Что интересно, в пользу модели говорят и данные по эволюции бамбуков. На схеме справа показаны близкородственные виды бамбуков и их возможная арифметическая генеалогия, восходящая к таинственному предку с пятилетним циклом.

Вообще Веллер и коллеги провели анализ хорошо задокументированных бамбуковых циклов и выяснили, что их можно разложить на небольшие простые числа. Статистический тест предъявляет крепкий, как бамбук, довод в пользу того, что умножение действительно имело место, отмечают ученые. Конечно, если когда-нибудь будет обнаружен вид, скажем, с 53-летним циклом, его сложно будет подвести к предку с 2-, 3- или 5-летним циклом – придется, видимо, признать слабость некоторых бамбуков к двузначным простым числам. По многим видам бамбука аккуратных данных о циклах нет в принципе. Ученым предстоит долгая работа по выяснению математических пристрастий этих удивительных растений. И когда мы говорим «долгая», счет может идти на столетия.


Текст: Виктор Ковылин. По материалам: National Geographic
Научная статья: Ecology Letters (Veller et al., 2015)

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Если вы хотите поделиться с друзьями и подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на эту статью – мы будем рады. С уважением, Батрахоспермум.

arabidopsis-brain

Вас также могут заинтересовать статьи:
В семени растения найден аналог размышляющего мозга
Для лишайника третий не лишний
Календарная синестезия: обруч и галочка


Комментарии:

Высказать свое мудрое мнение