Dlaczego rośliny potrzebują impulsów nerwowych

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Wielowiekowe dęby, bujna trawa, świeże warzywa – jakoś nie jesteśmy przyzwyczajeni do traktowania roślin jako żywych stworzeń i to na próżno. Eksperymenty pokazują, że rośliny są swego rodzaju złożonym odpowiednikiem układu nerwowego i podobnie jak zwierzęta potrafią podejmować decyzje, przechowywać wspomnienia, komunikować się, a nawet dawać sobie nawzajem prezenty.

Profesor Oakwood University Alexander Volkov pomógł bardziej szczegółowo zrozumieć elektrofizjologię roślin.

Dziennikarz: Nigdy bym nie pomyślał, że ktoś zajmuje się elektrofizjologią roślin, dopóki nie natknąłem się na twoje artykuły

Aleksander Wołkow:Nie jesteś sam. Opinia publiczna jest przyzwyczajona do postrzegania roślin jako pokarmu lub elementów krajobrazu, nawet nie zdając sobie sprawy, że są one żywe. Kiedyś robiłem w Helsinkach referat z elektrofizjologii roślin, a potem koledzy byli bardzo zaskoczeni: „kiedyś zajmowałem się poważnym tematem – niemieszającymi się płynami, a teraz miałem do czynienia z jakimś rodzajem owoców i warzyw”. Ale nie zawsze tak było: pierwsze książki o elektrofizjologii roślin zostały opublikowane w XVIII wieku, a następnie badania zwierząt i roślin przebiegały prawie równolegle. Na przykład Darwin był przekonany, że korzeń jest rodzajem mózgu, komputera chemicznego, który przetwarza sygnały z całej rośliny (patrz np. „Ruch w roślinach”). A potem nadeszła I wojna światowa i wszystkie środki zostały rzucone na badania nad elektrofizjologią zwierząt, ponieważ ludzie potrzebowali nowych leków.

W: Wydaje się logiczne: myszy laboratoryjne są nadal znacznie bliższe ludziom niż fiołki

AV:W rzeczywistości różnice między roślinami a zwierzętami wcale nie są tak duże, a w elektrofizjologii są na ogół minimalne. Rośliny mają prawie kompletny analog neuronu - łyka tkanki przewodzącej. Ma taki sam skład, wielkość i funkcję jak neurony. Jedyna różnica polega na tym, że u zwierząt kanały jonowe sodowe i potasowe są wykorzystywane w neuronach do przekazywania potencjałów czynnościowych, podczas gdy w łyku roślinnym kanały jonowe chlorkowe i potasowe. Na tym polega cała różnica w neurofizjologii. Niemcy odkryli niedawno synapsy chemiczne w roślinach, jesteśmy elektryczni i ogólnie rośliny mają te same neuroprzekaźniki co zwierzęta. Wydaje mi się, że to jest nawet logiczne: gdybym tworzył świat, a jestem leniwą osobą, wszystko bym tak samo, żeby wszystko było kompatybilne.

Dlaczego rośliny potrzebują impulsów nerwowych?

Nie myślimy o tym, ale rośliny w swoim życiu przetwarzają jeszcze więcej rodzajów sygnałów ze środowiska zewnętrznego niż ludzie czy jakiekolwiek inne zwierzęta. Reagują na światło, ciepło, grawitację, skład soli gleby, pole magnetyczne, różne patogeny i elastycznie zmieniają swoje zachowanie pod wpływem otrzymywanych informacji. Na przykład w laboratorium Stefano Mancuso z Uniwersytetu we Florencji przeprowadzono eksperymenty z dwoma pnącymi pędami fasoli. Naukowcy ustanowili wspólne wsparcie między roślinami, a pędy zaczęły do niego ścigać. Ale gdy tylko pierwsza roślina wspięła się na podporę, druga natychmiast zdawała się rozpoznać, że została pokonana i przestała rosnąć w tym kierunku. Zrozumiał, że walka o zasoby nie ma sensu i lepiej szukać szczęścia gdzie indziej.

W: Rośliny nie poruszają się, rosną powoli i generalnie żyją niespiesznie. Wydaje się, że ich impulsy nerwowe również powinny rozchodzić się znacznie wolniej

Aleksander Wołkow: To złudzenie, które od dawna istnieje w nauce. W latach 70. XIX wieku Brytyjczycy zmierzyli, że potencjał działania muchołówki rozprzestrzenia się z prędkością 20 centymetrów na sekundę, ale był to błąd. Byli biologami iw ogóle nie znali techniki pomiarów elektrycznych: w swoich eksperymentach Brytyjczycy używali wolnych woltomierzy, które rejestrowały impulsy nerwowe jeszcze wolniej niż się rozchodziły, co jest całkowicie nie do przyjęcia. Teraz wiemy, że impulsy nerwowe mogą przebiegać przez rośliny z bardzo różną prędkością, w zależności od miejsca wzbudzenia sygnału i jego charakteru. Maksymalna prędkość propagacji potencjałów czynnościowych w roślinach jest porównywalna z tymi samymi wskaźnikami u zwierząt, a czas relaksacji po przejściu potencjału czynnościowego może wahać się od milisekund do kilku sekund.

W: Do czego rośliny wykorzystują te impulsy nerwowe?

AV: Podręcznikowym przykładem jest muchołówka Wenus, o której już wspomniałem. Rośliny te żyją na obszarach o bardzo wilgotnej glebie, która jest trudna do przeniknięcia powietrzem, a zatem w tej glebie jest mało azotu. Brak tej niezbędnej substancji muchołówki czerpią z jedzenia owadów i małych żabek, które łapią na pułapkę elektryczną – dwa płatki, z których każdy ma wbudowane trzy czujniki piezomechaniczne. Kiedy owad usiądzie na którymkolwiek z płatków i dotknie tych receptorów łapą, w nich generowany jest potencjał czynnościowy. Jeśli owad dotknie mechanosensora dwa razy w ciągu 30 sekund, pułapka zostaje zatrzaśnięta w ułamku sekundy. Sprawdziliśmy działanie tego systemu - zaaplikowaliśmy sztuczny sygnał elektryczny do pułapki na muchołówkę i wszystko działało w ten sam sposób - pułapka była zamknięta. Potem powtórzyliśmy te eksperymenty z mimozą i innymi roślinami i tak pokazaliśmy, że można zmusić rośliny do otwierania, zamykania, poruszania się, schylania się - generalnie rób co chcesz, używając sygnałów elektrycznych. W tym przypadku wzbudzenia zewnętrzne o innym charakterze generują potencjały czynnościowe w roślinach, które mogą różnić się amplitudą, szybkością i czasem trwania.

W: Na co jeszcze mogą reagować rośliny?

AV: Jeśli skosisz trawę w swoim wiejskim domu, potencjały czynnościowe natychmiast trafią do korzeni roślin. Rozpocznie się na nich ekspresja niektórych genów, a na nacięciach aktywowana zostanie synteza nadtlenku wodoru, co chroni rośliny przed infekcją. W ten sam sposób, jeśli zmienisz kierunek światła, to przez pierwsze 100 sekund roślina w żaden sposób nie zareaguje, aby odciąć opcję cienia ptakowi lub zwierzęciu, a następnie ponownie pójdą sygnały elektryczne, zgodnie z którymi elektrownia w ciągu kilku sekund obróci się w taki sposób, aby zmaksymalizować wychwytywanie strumienia świetlnego. To samo się wydarzy, a kiedy zaczniesz kapać wrzącą wodą, i kiedy przyniesiesz płonącą zapalniczkę i kiedy włożysz roślinę do lodu - rośliny reagują na wszelkie bodźce za pomocą sygnałów elektrycznych, które kontrolują ich reakcje na zmienione środowisko warunki.

Pamięć roślin

Rośliny nie tylko wiedzą, jak reagować na środowisko zewnętrzne i najwyraźniej kalkulują swoje działania, ale także wiążą między sobą pewne relacje społeczne. Na przykład obserwacje niemieckiego leśniczego Petera Vollebena pokazują, że drzewa łączą w sobie swego rodzaju przyjaźń: drzewa partnerskie są splecione z korzeniami i bacznie obserwują, czy ich korony nie przeszkadzają sobie nawzajem we wzroście, a przypadkowe drzewa nie mają specjalnych uczuć do dla swoich sąsiadów zawsze starają się zdobyć dla siebie więcej przestrzeni życiowej. Jednocześnie między drzewami różnych typów może powstać przyjaźń. Tak więc w eksperymentach tego samego Mancuso naukowcy zaobserwowali, jak na krótko przed śmiercią Douglasa wydaje się, że pozostawia on spuściznę: żółta sosna niedaleko niej wysłała dużą ilość materii organicznej przez system korzeniowy.

W: Czy rośliny mają pamięć?

Aleksander Wołkow: Rośliny mają wszystkie te same typy pamięci co zwierzęta. Na przykład pokazaliśmy, że muchołówka posiada pamięć: aby pułapka zadziałała, trzeba do niej przesłać 10 mikropar prądu, ale okazuje się, że nie trzeba tego robić w jednej sesji. Możesz najpierw podać dwa mikrokulomby, potem kolejne pięć i tak dalej. Gdy suma wyniesie 10, roślinie będzie się wydawało, że dostał się do niej owad i zatrzaśnie się. Jedyną rzeczą jest to, że nie możesz robić przerw dłuższych niż 40 sekund między sesjami, w przeciwnym razie licznik zresetuje się do zera - dostajesz taką krótkotrwałą pamięć. A pamięć długotrwała roślin jest jeszcze łatwiej widoczna: na przykład jeden wiosenny przymrozek uderzył nas 30 kwietnia i dosłownie w nocy wszystkie kwiaty na drzewie figowym zamarzły, a w następnym roku nie zakwitło aż do 1 maja, bo pamiętało, co to było. Wiele podobnych obserwacji zostało dokonanych przez fizjologów roślin w ciągu ostatnich 50 lat.

W: Gdzie jest przechowywana pamięć roślin?

AV: Kiedyś spotkałem na konferencji na Wyspach Kanaryjskich Leona Chua, który kiedyś przepowiedział istnienie memrystorów - oporów z pamięcią przepływającego prądu. Wdaliśmy się w rozmowę: Chua prawie nic nie wiedział o kanałach jonowych i elektrofizjologii roślin, ja - o memrystorach. W rezultacie poprosił mnie, abym spróbował poszukać memrystorów in vivo, bo według jego obliczeń powinny one kojarzyć się z pamięcią, ale do tej pory nikt ich nie znalazł w żywych istotach. Zrobiliśmy to wszystko: wykazaliśmy, że zależne od napięcia kanały potasowe aloesu, mimozy i tej samej muchołówki są z natury memrystorami, a w kolejnych pracach właściwości memrystyczne odkryto w jabłkach, ziemniakach, pestkach dyni i innych kwiaty. Jest całkiem możliwe, że pamięć roślin związana jest właśnie z tymi memrystorami, ale nie jest to jeszcze pewne.

W: Rośliny potrafią podejmować decyzje, mają pamięć. Następnym krokiem są interakcje społeczne. Czy rośliny mogą się ze sobą komunikować?

AV: Wiesz, w Avatarze jest odcinek, w którym drzewa komunikują się ze sobą pod ziemią. Nie jest to fantazja, jak mogłoby się wydawać, ale ustalony fakt. Kiedy mieszkałem w ZSRR, często jeździliśmy po grzyby i wszyscy wiedzieli, że grzyba trzeba starannie kroić nożem, żeby nie uszkodzić grzybni. Teraz okazuje się, że grzybnia to kabel elektryczny, przez który drzewa mogą komunikować się zarówno ze sobą, jak iz grzybami. Co więcej, istnieje wiele dowodów na to, że drzewa wymieniają nie tylko sygnały elektryczne wzdłuż grzybni, ale także związki chemiczne, a nawet niebezpieczne wirusy i bakterie.

W: Co można powiedzieć o micie, że rośliny rozumieją ludzką mowę i dlatego trzeba z nimi uprzejmie i spokojnie rozmawiać, żeby lepiej rosły?

AV: To tylko mit, nic więcej.

W: Czy możemy zastosować terminy „ból”, „myśli”, „świadomość” do roślin?

AV: Nic o tym nie wiem. To już są pytania filozoficzne. Zeszłego lata w Petersburgu odbyło się sympozjum na temat sygnałów w roślinach i kilku filozofów z różnych krajów przyjechało tam jednocześnie, więc teraz zaczyna się zajmować ten temat. Ale jestem przyzwyczajony do mówienia o tym, co mogę eksperymentalnie przetestować lub obliczyć.

Rośliny jako czujniki

Rośliny są w stanie koordynować swoje działania za pomocą rozgałęzionych sieci. Tak więc akacja rosnąca na afrykańskiej sawannie nie tylko uwalnia toksyczną substancję do liści, gdy żyrafy zaczynają ją zjadać, ale także emituje lotny „gaz alarmowy”, który wysyła sygnał o niebezpieczeństwie do otaczających roślin. W rezultacie żyrafy w poszukiwaniu pożywienia muszą przemieszczać się nie do najbliższych drzew, ale oddalać się od nich średnio 350 metrów. Dziś naukowcy marzą o wykorzystaniu takich sieci żywych czujników, debugowanych przez naturę, do monitorowania środowiska i innych zadań.

W: Czy próbowałeś zastosować w praktyce swoje badania elektrofizjologii roślin?

Aleksander Wołkow: Posiadam patenty na przewidywanie i rejestrowanie trzęsień ziemi przy użyciu roślin. W przeddzień trzęsień ziemi (w różnych częściach świata odstęp czasu waha się od dwóch do siedmiu dni) ruch skorupy ziemskiej powoduje powstanie charakterystycznych pól elektromagnetycznych. Kiedyś Japończycy zaproponowali naprawienie ich za pomocą gigantycznych anten - kawałków żelaza o wysokości dwóch kilometrów, ale nikt nie mógł zbudować takich anten, a to nie jest konieczne. Rośliny są tak wrażliwe na pola elektromagnetyczne, że potrafią przewidzieć trzęsienia ziemi lepiej niż jakakolwiek antena. Na przykład do tych celów używaliśmy aloesu - podłączaliśmy do jego liści elektrody z chlorku srebra, rejestrowaliśmy aktywność elektryczną i przetwarzaliśmy dane.

W: Brzmi absolutnie fantastycznie. Dlaczego ten system wciąż nie jest wdrożony w praktyce?

AV: Wystąpił tu nieoczekiwany problem. Spójrz: powiedzmy, że jesteś burmistrzem San Francisco i dowiesz się, że za dwa dni będzie trzęsienie ziemi. Co zamierzasz zrobić? Jeśli powiesz o tym ludziom, to w wyniku paniki i zmiażdżenia może umrzeć lub odnieść obrażenia nawet więcej ludzi niż podczas trzęsienia ziemi. Z powodu takich ograniczeń nie mogę nawet publicznie omawiać wyników naszej pracy w otwartej prasie. W każdym razie myślę, że prędzej czy później będziemy mieli różne systemy monitorujące działające na roślinach czujnikowych. Na przykład w jednej z naszych prac pokazaliśmy, że wykorzystując analizę sygnałów elektrofizjologicznych można stworzyć system do błyskawicznej diagnostyki różnych chorób roślin rolniczych.

Więcej na ten temat:

Umysł roślin

Język roślin