Конкурс «Био/Мол/Текст»-2024/2025

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2024/2025.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Актуальность, или Как я докатился до сбора какашек грызунов

Многие слышали легенду о том, что дронты, пока были живы и бодры на острове Маврикий, любили поклевать семена пальмы рода кальвария. А вот когда бедняг дронтов безжалостно перебили, кальварии тоже не поздоровилось. Не пройдя пищеварительную систему дронта, семя не прорастало, и популяция пальм начала хиреть [1]. Есть и другие истории о семенах. Например, африканские павианы чакма не могут переварить семена акации, если те не прошли ферментацию в кишечнике слонов. Обезьянкам приходится рыться в поисках вкусняшек в неаппетитном слоновьем навозе. Науке известно много примеров, когда всхожесть семян не уменьшается после путешествия внутри пищеварительного тракта птицы или млекопитающего, давая возможность, например, овсу путешествовать вслед за зубрами. Такой перенос семян животными на расстояния, на которые само растение путешествовать бы вряд ли смогло, называется зоохорией. Если плод прицепился к шкуре или перьям липучками или крючочками — это эпизоохория, если зверушка спрятала себе желудь про запас, а он пророс — синзоохория. В нашем случае семена проглатываются и разносятся внутри животного — такое явление называют эндозоохория [2–4].

Довольно долго я выгуливал своих домашних нутрий в одних и тех же местах, и когда на питерском газоне среди привычных одуванчиков и подорожника вдруг взошел, боязливо озираясь, овес, стало понятно, что часть семян этого злака не переварились и реализовали свою мечту прорасти. Вот я и решил выяснить, как с этой задачей справятся семена разных видов. Смогут ли они выжить, пройдя у нутрии внутри?

Объекты исследования, или Милый, как капибара, с зубами, как у бобра

На «Биомолекуле» уже есть статья о нутриях (Myocastor coypus), о том, что они едят и почему стали домашними любимцами жителей Москвы, Калининграда, Киева и Санкт-Петербурга [5]. Формально объектом исследования были семена четырех всем известных растений — льна, подсолнечника, ячменя и пшеницы. Однако когда автор, подобно павианам чакма, доставал семена из фекалий, он проникся общением с пушистиками, которые эти фекалии любезно предоставили. В двух словах, это крупные доброжелательные околоводные грызуны, убежденные веганы, уроженцы Южной Америки. Среди грызунов (Rodentia) их относят вовсе не к Боброобразным Castorimorpha, как многие думают, а к колючему подотряду Дикобразообразные (Hystricomorpha), семейству Щетинистых крыс (Echimyidae). Внимательный читатель без труда найдет нутрию среди родственников на рисунке 1. Длинные усы, перепончатые лапы и длинный чешуйчатый хвост — вот ее документы. Когда-то нутрий завезли в качестве источника меха и мяса и поселили на фермах. Зверьки оказались проворными и часто сбегали, а когда индустрия меха себя изжила, большинство фермеров повыпускали и оставшихся грызунов на волю. Нутрия вполне освоилась там, где водоемы зимой не замерзают, в том числе в южных регионах России, и на сегодняшний момент прописалась на всех континентах, кроме Австралии и Антарктиды. Это слегка беспокоит МСОП, внесший нутрию в черный список инвазивных видов. В последние годы пронырливая смекалистая приспособленка обжила и городские квартиры в качестве милого питомца [5].

Методы, или Что можно сделать, имея термостат, трех огромных грызунов и много-много чашек имени Петри

На рисунке 2 можно увидеть приключения наших семян. Мы поделили семена каждого растения на две кучки. Одну мы скормили нутриям (опыт — сын ошибок трудных!), другую термостату Захару (контроль и еще раз контроль!). Термостат создавал для семян эффект пребывания в животном — тепло и мокро (во всяком случае, мы поверили физиологам, описавшим пищеварительный тракт нутрии [6] и постарались создать семенам именно такой пятизвездочный отель), но никакого пищеварения!

Потом каждое семя прошло свой путь либо внутри наших Братьев Морковкостругацких (рисунок 3 как раз и показывает непереваренные семена в фекалиях грызуна), либо в термостате Захаре (рис. 4), после чего помылось, высохло и легло проращиваться между слоями бумаги согласно агрометодикам [7].

Наши проростки немного стеснялись, когда мы измеряли им вершки и корешки, взвешивали и так далее, но для фотографий попозировали неплохо (рис. 5). После опыта можно было и выкинуть семена, но из уважения к их вкладу в науку было решено продолжить наблюдения за растениями уже в грунте — пусть растут (рис. 6). На всех этапах мы пытались что-то посчитать, взвесить и измерить [7–9].

Результаты и обсуждение, или Готов к Прорастанию и Обороне

Дальше было страшное. Мы оценивали статистическую значимость различий между группами с помощью критерия Пирсона вручную, а потом еще на всякий случай с таблицей сопряженности Фишера [8], [9]. К счастью, оба математика согласились, что нутрячьи внутренности ячменю даже понравились. Его всхожесть возросла, улучшил он свои результаты, по нашим оценкам, примерно с бронзового значка ГТО на золотой (таблица 1). По остальным семенам обе группы показали примерно равные успехи, но это тоже мощно: нутрия не сделала им хуже, что уже интересно (рис. 7). Самым устойчивым к перевариванию, кстати, оказался лен, а хуже всего прорастал овес, но оказалось, это и до нас было прекрасно известно [7], [9].

Получается, нутрия как-то не особо эффективно переваривает семена. Они выходят настолько неповрежденными, что даже прорастают. Удивлены ли мы? Нет, если сравнить наши данные с работами коллег. Оказывается, нутрия, как и многие другие растительноядные-зайцы, кролики, пищухи, имеют два вида кала [6], [10–12]. В первом много аминокислот и непереваренных компонентов корма, этот кал животное снова съедает: это называется цекотрофией. В кале второго вида — ничего хорошего. Видимо, семена из кала первой категории (первого сорта?) как раз и сохранили себя как целостное растение [10]. (Дорогие читатели, обязательно посмотрите источник 10, он прекрасен!)

Почему ячмень так вдохновился путешествием в грызуне? Если верить коллегам, зерно, находящееся внутри животного или в его фекалиях, окружено совершенно другими грибками и бактериями, нежели зерно, лежащее в мешке на складе. Кто-то из складских бактерий (не все из них доброжелательны и полезны) не пережил встречу с желудочным соком, кто-то из бактерий толстого кишечника нутрии остался жить на зернышке. Все это для семян крайне важно. Прорастание процесс непростой и маленькие помощники не помешают ни покрытосеменным растениям, ни голосеменным [13], [14].

Почему плохо переварился лен? Слизь, покрывающая набухшие семена льна, мешает ферментации [15]. Стоит ли его давать нутрии, если он не переваривается? Стоит, потому что сама по себе слизь семян льна полезна для перистальтики животного и человека и активно применяется в лечении болезней желудка и кишечника [16].

Направления дальнейших исследований, или Работа над ошибками

А потом пришло время самокритики (лично я всегда так делаю — читаю свою работу с позиции критично настроенного оппонента с какой-нибудь конференции). А что именно случилось с микрофлорой ячменя, поименно — кто появился, кто скончался, кто добавился? А учли ли мы семена, которые нутрия раскусила, и они повредились и не взошли? Может, она ячмень просто ленится пережевывать, вот он и сохранился? А вдруг просто в этом корме живучий непобедимый ячмень, а в другом результат был бы иным? А стоило ли нам не только поддерживать в термостате Захаре соответствующие температуру и влажность, но и создать нашим семечкам достойный уровень рН, соответствующую прохождению по разным отделам желудочно-кишечного тракта грызуна? А стандартны ли наши нутрии, нет ли у них какой-нибудь ферментной недостаточности? А если собирать не весь кал, а только кал, прошедший нутрию дважды, там хоть что-нибудь взойдет (и как мы поймем, что это именно тот самый суперкал)? В работе нет ответов на эти вопросы, а жаль.

Но некоторые выводы сделать все же стоит. Во-первых, о нутриях. Расселяясь (а нутрии это умеют и любят), они способны разносить семена проглоченных ими растений. Это приводит к изменениям биоценоза, которые стоит учитывать и прогнозировать. Во-вторых, о семенах. Если ты чувствуешь в себе потенциал к росту, но вокруг некоторые фекалии, темнота и безысходность — не сдавайся, крепись, надейся! Возможно, сейчас ты внутри некой нутрии и она несет тебя в новые места, где ты и не мечтал побывать, и все будет у тебя хорошо, солнце взойдет, и ты взойдешь. Просто не дай им себя переварить.

Вот такая получилась сырая и спорная работа, которой я не очень-то горжусь, и для научной статьи результаты получились неяркие. Но общение с Борисом и Аркадием, а также Степаном (рис. 9) было бесценным. Кроме того, защитив эту работу, автор смог рвануть в Сириус на программу по биотехнологиям, где многому научился и даже сделал там другую работу о том, какие именно гены помогают фасоли восстанавливаться после повреждений (вот там всe уже было по-взрослому).

Литература

1. Бобровская Н.Е. Жил-был дронт, или Книга о птице, которой больше нет. М.: Гос. Дарвин. музей: Радис РРЛ, 2003. — 63 с.;
2. Evstigneev O.I., Korotkov V.N., Murashev I.A., Voevodin P.V. (2017). Zoochory and peculiarities of forest community formation: a review. Russian Journal of Ecosystem Ecology. 1, 1–16, на русском языке;
3. Кошелев В.А., Матрухан Т.И., Яковлева А.С. (2018). Участие птиц в распространении семян плодово-ягодных деревьев и кустарников в условиях северо-западного Приазовья. Біорізноманіття, екологія та експериментальна біологія. 18, 24–37;
4. Солонина О.В. (2017). Особенности влияния зубров на луга в заповеднике Брянский лес. Экология и рациональное природопользование. 146–149;
5. Нутрии внутри!;
6. Шубина Т.П. и Чопорова Н.В. (2015). Сравнительная характеристика органов пищеварения пушных зверей. Научно-методический электронный журнал Концепт. T13, 4076–4080;
7. Алексейчук Г.Н. и Ламан Н.А. Физиологическое качество семян сельскохозяйственных культур и методы его оценки. Минск: Право и экономика, 2005. — 48 с.;
8. Динкова В.С., Казакова В.В., Кабанова Е.М. (2016). Оценка стартовой энергии прорастания семян образцов озимой мягкой пшеницы в неблагоприятных условиях. Научное обеспечение агропромышленного комплекса. 74–75;
9. Левин В.И., Дудин Н. Н., Антипкина Л. А., Ушаков Р. Н. (2020). Состояние стресса у семян хлебных злаков и методика его диагностики. Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 5, 28–38;
10. T. Takahashi, E. Sakaguchi. (1998). Behaviors and nutritional importance of coprophagy in captive adult and young nutrias ( Myocastor coypus ). Journal of Comparative Physiology B: Biochemical, Systemic, and Environmental Physiology. 168, 281-288;
11. E. I. Naumova, G. K. Zharova, T. Yu. Chistova, T. A. Kuznetsova. (2015). The effect of coprophagy on the size of plant fibers in the digestive tract of hares Lepus europaeus and L. timidus (Lagomorpha, Leporidae). Biol Bull Russ Acad Sci. 42, 426-431;
12. E. I. Naumova, G. K. Zharova, T. Yu. Chistova, A. A. Varshavskii, N. A. Formozov. (2015). Reduction of plant fibers in the digestive tract of two pika species (Ochotona pallasi and O. dauurica, Lagomorpha, Ochotonidae). Biol Bull Russ Acad Sci. 42, 124-128;
13. Бызов Б.А. Зоомикробные взаимодействия в почве: дис. ... доктор биол. наук. — Москва, 2003. — 312 с.;
14. Розенфельд В.В. и Гойчук А.Ф. (2011). Бактериальная аутомикрофлора семян сосны обыкновенной и ее влияние на их всхожесть и энергию прорастания. Плодоводство, семеноводство, интродукция древесных растений. 14, 101–104;
15. Зеленцов С.В. и Мошненко Е.В. (2012). Количественная и качественная оценка слизей семян масличных сортов льна Linum usitatissimum L. Масличные культуры. 2, 95–102;
16. Валуй В.Т., Медведев М.Н., Соболева Л.В., Драгун О.В., Дроздова М.С. (2012). Клинико-морфологическое обоснование использования слизи семени льна в лечении и профилактике гастропатий, ассоциированных с применением нестероидных противовоспалительных средств. Вестник фармации. 1, 59–62.