Долгое время ботаники полагали, что развитие растений определяется главным образом светом, влагой, температурой, химическим составом почвы. Но за последние годы появилось достаточно данных, которые указали, что растения способны реагировать и на механические воздействия, включая звуковые колебания.
Конечно, они не слышат, как животные, поскольку лишены органов слуха и у них нет нервной системы. Тем не менее выяснилось, что механические колебания могут влиять на работу генов, а также запускать защитные и другие физиологические реакции.
В 2014 году американские ботаники провели эксперимент с резушкой Таля (Arabidopsis thaliana), который показал, насколько избирательно растения реагируют на вибрации. Когда ученые воспроизводили вибрации, возникающие при поедании листьев гусеницей, Arabidopsis thaliana начинала вырабатывать больше глюкозинолатов — защитных веществ, отпугивающих вредителей и многих растительноядных насекомых.
Именно результаты этого эксперимента стали одним из стимулов для дальнейших исследований, посвященных использованию акустических воздействий для управления ростом и развития сельскохозяйственных культур.
Специалисты калифорнийской компании Haivya во главе с Андреа Отт-Даль (Andrea Ott-Dahl) разработали «биоакустический протокол культивирования и коммуникации» (Bioacoustic Cultivation and Communication Protocol, BCCP), который представляет собой систему управления развитием растений с помощью специальных акустических сигналов. По данным разработчиков, эти сигналы создают структурированные звуковые поля, влияющие на процессы роста, физиологии и метаболизма растений без химических веществ или изменения генома.
Технология не связана с музыкой в привычном смысле. Система использует специально сконструированные акустические последовательности — комбинации частот и временных параметров сигнала, которые можно воспроизводить через любой динамик на громкости не выше 80 децибел, примерно так же звучит шумный ресторан.
Разработчики Haivya подчеркнули, что именно точная настройка звуковых последовательностей отличает их метод от предыдущих технологий, используемых в биоакустических экспериментах. Протокол подбирает параметры воздействия под конкретные задачи — например, ускорение роста, повышение урожайности, изменение морфологии растений или регулирование состава вторичных метаболитов.
Акустическая стимуляция начинается сразу после прорастания семян и продолжается весь жизненный цикл растения. При этом звуковые комбинации меняются по мере роста культуры. На раннем этапе акцент делают на развитии корневой системы. Затем программа переключается на стимуляцию вегетативного роста и формирование будущих плодов или соцветий. Для каждой стадии разработчики подбирают конкретный набор частот.
В серии контролируемых экспериментов Отт-Даль и ее коллеги проверили технологию на нескольких видах растений, включая четыре сорта конопли, мелиссу, базилик, мяту, болгарский перец, сою. Каждый опыт проводили на двух группах — контрольной и исследовательской. Растения в обеих группах выращивали при одинаковых освещении, температуре, влажности, поливе и питании. Различие заключалось лишь в том, что исследовательскую группу подвергли звуковой обработке двумя разными протоколами BCCP.
Ученые измеряли у растений скорость прорастания, развитие корневой системы, размеры, количество плодов, расход воды, содержание питательных веществ. По результатам экспериментов, в исследовательской группе выраженный эффект наблюдался у всех видов. Звуковое воздействие приводило к более быстрому прорастанию, более мощным корням, к увеличению количества побегов. Но наибольшее внимание авторов научной работы привлекли показатели урожайности.
Так, один протокол BCCP был связан с повышением урожайности в диапазоне от 34 до 104 процентов. Другой — с ускорением цикла развития некоторых растений на 10-25 процентов и сокращением созревания на несколько дней.
Отдельные эксперименты с коноплей показали еще более заметный эффект. Объем пригодной для продажи биомассы вырос на 90 процентов, а потребление воды снизилось на 34 процента на единицу полученной продукции.
Однако следует отметить, что ученые проводили эксперименты на небольшом количестве растений — от одного до шести саженцев каждого вида, поэтому результаты пока нельзя считать однозначно доказанными. Если ученые проверили технологию только на трех растениях каждого вида и увидели, что они дали лучшую урожайность по сравнению с контрольной группой, это еще не означает, что такой же результат повторится на тысячах растений в поле. Разница могла появиться случайно из-за особенностей конкретных образцов, условий выращивания или других факторов.
Научное сообщество сохраняет осторожность касательно выводов команды Отт-Даль. Исследование пока не прошло независимую экспертную оценку. Специалисты считают, что результаты необходимо проверить в новых экспериментах с большим количеством образцов и воспроизвести опыты в разных лабораторных условиях.
Точный механизм действия протоколов BCCP на растения пока остается плохо изученным. Одно из возможных объяснений связано с механотрансдукцией — способностью растений воспринимать механические воздействия и преобразовывать их в биохимические сигналы. Под действием вибраций могут активироваться механочувствительные каналы клеточных мембран, вызывая изменения концентрации сигнальных ионов, прежде всего кальция, и запуская каскад реакций, связанных с ростом и развитием растений.
Есть и другое возможное объяснение. Звуковые волны могут воздействовать не только непосредственно на растения, но и на окружающую их среду — например, изменять физические свойства почвы и процессы, происходящие в зоне корневой системы.
Выводы исследователей размещены в открытом доступе на платформе ResearchGate в виде препринта.