Дослідники виявили генетичний механізм, який відповідає за неприємний запах як захисний механізм дикого імбиру.

Японські біологи виявили, як рослина роду Asarum генетично модифікувала власний фермент, щоб виробляти неприємний запах для приваблення мух-запилювачів

Дослідники з Японії розкрили дивовижний механізм виживання дикого імбиру (Asarum), який використовує неприємний запах як стратегію запилення. Ця непримітна на вигляд рослина з оксамитовими червоними пелюстками приховує неочікувану таємницю -- вона навмисно виділяє сильний сірчаний сморід, що нагадує гниле м'ясо, неприємний подих та брудні шкарпетки.

Команда еволюційних біологів під керівництвом Юдая Окуями з Національного музею природи та науки в Токіо встановила точний генетичний механізм, завдяки якому рослина створює цей відразливий запах. На відміну від більшості квітів, які приваблюють запилювачів -- бджіл, метеликів та птахів -- солодким нектаром та приємними ароматами, Asarum обрав інший шлях еволюції, заснований на обмані.

Квіти цієї рослини не просто мають аромат, схожий на запах розкладеного м'яса — вони точно відтворюють його хімічний склад. Це робиться з метою залучення специфічних запилювачів — падальних мух, які звикли відкладати свої яйця в трупах тварин. Коли ці мухи виявляють квітку Asarum, вони потрапляють у пастку обману — повзають усередині, покриваються пилком і, навіть не усвідомлюючи цього, стають запилювачами.

Основною сполукою, що викликає цей специфічний запах, є диметилдисульфід (DMDS). Цей газ настільки агресивний, що може спровокувати блювотний рефлекс навіть при концентрації всього кількох частин на мільярд. Саме цю речовину ми відчуваємо, коли їжа псується, або коли у когось є сильний неприємний запах з рота.

Хоча науковці вже давно знали про використання DMDS рослинами, японська дослідницька група вперше змогла відстежити походження цього запаху до його генетичних основ. Вони ідентифікували конкретні амінокислоти, що відіграють роль у формуванні цієї "фабрики неприємного аромату". Важливим стало вражаюче перетворення: ген, який зазвичай відповідає за видалення небажаних хімічних сполук, зазнав незначної мутації і почав їх самостійно продукувати.

Для того щоб зрозуміти це перетворення, вчені спершу зосередили увагу на амінокислоті метіонін. Метіонін і DMDS пов’язані через їхню участь у сірковому метаболізмі. Метіонін розпадається на газ метантіол, який є сірчистою сполукою з характерним запахом гниття яєць. У людському організмі ця речовина швидко нейтралізується, зокрема завдяки білку, відомому як селен-зв'язуючий білок 1 (SBP1), який допомагає уникнути неприємного аромату.

Проте у певних видів Asarum спостерігається зміна в SBP1. Команда Окуями розробила модифіковану версію, яку вони назвали дисульфід-синтазою (DSS). Ця нова форма більше не виконує функцію нейтралізації метантіолу. Натомість вона з'єднує дві молекули метантіолу, в результаті чого утворюється значно більш неприємний DMDS. Тепер рослина не лише запобігає виникненню неприємного запаху, а навпаки — активно його генерує.

Цікаво, що для такої трансформації знадобилася заміна лише двох-трьох амінокислот у потрібних місцях. Кількох мутацій виявилося достатньо, щоб перетворити дезодоратор на імітатор запаху смерті.

Крім того, дослідницька група виявила аналогічні гени DSS у ще двох родах рослин: Eurya та Symplocarpus. Ці рослини не мають близького родинного зв'язку і еволюційно віддалені одна від одної. Однак, незалежно одна від одної, вони виробили однаковий смердючий механізм, що є яскравим прикладом конвергентної еволюції.

Природа має безліч способів, щоб зробити квітку неприємно пахнучою. Відомий під назвою Amorphophallus titanum або "квітка-труп", цей вид випромінює аромат, здатний заповнити цілу кімнату. Проте команда дослідників під керівництвом Окуями виявила, що ці рослини не застосовують той самий фермент DSS. Швидше за все, вони розвинули свій характерний запах, використовуючи інший хімічний шлях — все ще на основі сірки, але з використанням іншого набору молекул.

Якщо смердюча версія SBP1 виникла незалежно щонайменше тричі в абсолютно різних родинах рослин, це свідчить про її високу ефективність. Кожного разу модифікований фермент сприяв рослинам у залученні мух, викликаючи виробництво DMDS. Проте така стратегія має свої ризики. Лише в межах роду Asarum команда виявила, що виробництво DMDS еволюціонувало та зникало більше ніж 18 разів.

Це, напевно, сталося тому, що в окремих умовах запилення за допомогою мух не є економічно виправданим. Коли обставини змінюються, така стратегія перестає бути ефективною. У ситуаціях з високою конкуренцією за бджіл і метеликів використання мух з неприємним ароматом може бути доцільним рішенням. Однак, коли бджіл вистачає, це вже не має сенсу.

Розуміння DMDS виходить далеко за межі земних лісів і садів. Це одна з сірковмісних сполук, яку астрономи активно шукають в атмосферах інших планет. У 2023 році космічний телескоп Джеймса Вебба виявив речовини, схожі на DMDS, в атмосфері K2-18b — екзопланети, яка потенційно може підтримувати життя. Виявлення таких молекул може слугувати біосигнатурою, вказуючи на можливість існування життя в інших частинах宇宙.

Отже, аналогічний запах, що притягує мух до штучного м'яса, може стати важливим інструментом для виявлення життя поза межами нашої Сонячної системи. Ці результати були опубліковані в науковому журналі Science.