Канадські зоологи з'ясували, що слюняві пінниці, дрібні комахи з підзряду цикадових, під час всмоктування деревного соку створюють тиск більше одного мегапаскаля. Цього вистачило б, щоб всмоктати рідину за допомогою трубочки для коктейлю висотою сто метрів. Незвичайна навичка пінниць дозволяє їм харчуватися соком ксилеми, який рухається по провідній системі рослин від коренів до листя і знаходиться під сильним негативним тиском. Результати дослідження опубліковані в статті для журналу.
Багато видів комах харчуються соками рослин, висмоктуючи їх за допомогою хоботків. У більшості випадків вони споживають багатий органікою флоемний сік, що рухається від листя до нефотосинтезуючих органів. Лише в підряді цикадових () є види, раціон яких складається виключно з соку ксилеми - рідини, яка піднімається від коріння до листя і складається в основному з води і розчинених в ній неорганічних сполук. Поживність такого корму дуже низька, так що цикадовим довелося обзавестися складним фільтрувальним апаратом в кишечнику, який дозволяє виділяти з ксилемного соку понад 99 відсотків цукрів і амінокислот, що містяться в ньому. Тим не менш, ця рідина настільки бідна органікою, що комахам доводиться за день висмоктувати, відфільтровувати і виділяти в 100-1000 разів більше соку, ніж вони важать. Не дивно, що зазвичай вони цілими днями годуються і мочаться.
Додаткова проблема полягає в тому, що ксилемний сік знаходиться під сильним негативним тиском до 1,1 мегапаскаля - завдяки цьому він і піднімається вгору по стеблю. Щоб висмоктувати його з судин, по яких він циркулює, тим більше в таких обсягах, як це роблять цикадові, потрібно прикладати величезні зусилля (для порівняння, флоемний сік знаходиться під позитивним тиском, так що комахам досить просто дістатися до судини, пробити його стінку хоботком і почати пити). Хоча у цикадових є потужний м'язовий (цибаріальний) насос, який допомагає всмоктувати рідини, попередні підрахунки, засновані на будові ротового апарату кровососучих клопів, показували, що він не може створювати тиск понад 0,3-0,4 мегапаскалів - а цього явно недостатньо, щоб подолати тиск у судинах ксилеми. У спробі дозволити цей парадокс деякі фахівці навіть висловлювали думку, що негативний тиск всередині ксилеми не такий значний, як вважалося раніше.
Команда зоологів на чолі з Філіпом Метьюсом (Philip G. D. Matthews) з Університету Британської Колумбії вирішила підійти до даної проблеми з іншого боку і більш ретельно вивчити анатомію і метаболізм цикадових. Вони зосередили увагу на пінниці слинявої (), яка поширена в Північній Африці і Євразії і завезена до Північної Америки. Дослідники зловили кілька дорослих особин цього виду, обезголовили їх і проаналізували будову цибаріального насоса за допомогою мікрокомп'ютерної томографії. Вимірявши довжину саркомерів у м'язах-розширювачах, дослідники дійшли висновку, що пінниця, яка всмоктує сік, створює тиск у 1,3 0,2 мегапаскалю. Це вище, ніж тиск у судинах ксилеми, а значить, достатньо, щоб висмоктувати з них сік. За словами авторів, якби людина створювала такий самий тиск, вона могла б всмоктувати рідину за допомогою трубочки для коктейлю висотою сто метрів.
Скориставшись проточною респірометрією декількох пінниць і проаналізувавши відеозаписи їх годування на бобових рослинах, Метьюс і його співавтори розрахували рівень метаболізму цих комах. Він склав у середньому 48,7 мікроват. Потім дослідники збільшили рівень негативного тиску всередині судин ксилеми, обробивши коріння рослини поліетиленгліколем. В результаті частота роботи цибариального насоса трохи збільшилася з 0,89 до 0,97 герца, а середній рівень метаболізму в цибаріальному насосі пінниць зріс з 25,5 до 39,3 мікровата. Це означає, що чим сильніше негативний тиск в ксилемі, тим більше зусиль доводиться прикладати пінницям, щоб його подолати.
Ксилемний сік - одна з найменш поживних рідин в організмі рослини. Наприклад, щільність енергії в рідині з ксилеми томата становить 12,3-39,9 джоуля на кубічний сантиметр. Проте розрахунки показують, що пінниця може задовольнити свої енергетичні потреби більш ніж на сто відсотків, навіть якщо витрачає значну частину енергії на роботу цибаріального насоса.
Більше дізнатися про систему рослин і спроби фахівців відтворити принцип її дії ви можете з нашого матеріалу «Інспіровано буком».