Prečo rastliny potrebujú nervové impulzy

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Storočné duby, svieža tráva, čerstvá zelenina – akosi nie sme zvyknutí považovať rastliny za živé tvory a márne. Experimenty ukazujú, že rastliny majú akúsi zložitú analógiu nervového systému a rovnako ako zvieratá sa dokážu rozhodovať, ukladať spomienky, komunikovať a dokonca sa navzájom obdarúvať.

Profesor Oakwood University Alexander Volkov pomohol podrobnejšie pochopiť elektrofyziológiu rastlín.

Novinár: Nikdy by som si nepomyslel, že niekto robí elektrofyziológiu rastlín, kým som nenarazil na vaše články

Alexander Volkov:Nie si sám. Široká verejnosť je zvyknutá vnímať rastliny ako potravu alebo krajinné prvky bez toho, aby si vôbec uvedomovala, že sú živé. Raz som robil v Helsinkách reportáž o elektrofyziológii rastlín a vtedy boli moji kolegovia veľmi prekvapení: „Kedysi som sa zaoberal vážnou témou – nemiešateľné tekutiny, ale teraz som sa zaoberal nejakým druhom ovocia a zeleniny“. Ale nebolo to tak vždy: prvé knihy o elektrofyziológii rastlín vyšli v 18. storočí a potom štúdium zvierat a rastlín prebiehalo takmer paralelne. Darwin bol napríklad presvedčený, že koreň je akýmsi mozgom, chemickým počítačom, ktorý spracováva signály z celej rastliny (pozri napr. „Pohyb v rastlinách“). A potom prišla prvá svetová vojna a všetky zdroje sa vrhli do štúdia elektrofyziológie zvierat, pretože ľudia potrebovali nové lieky.

W: Zdá sa to logické: laboratórne myši sú stále oveľa bližšie k ľuďom ako fialky

A. V:V skutočnosti rozdiely medzi rastlinami a živočíchmi nie sú vôbec také obrovské a v elektrofyziológii sú vo všeobecnosti minimálne. Rastliny majú takmer úplný analóg neurónu - vodivého tkaniva floému. Má rovnaké zloženie, veľkosť a funkciu ako neuróny. Jediný rozdiel je v tom, že u zvierat sa sodíkové a draselné iónové kanály používajú v neurónoch na prenos akčných potenciálov, zatiaľ čo u rastlín sa používajú chloridové a draselné iónové kanály. To je celý rozdiel v neurofyziológii. Nemci nedávno našli chemické synapsie v rastlinách, sme elektrickí a vo všeobecnosti rastliny majú rovnaké neurotransmitery ako zvieratá. Zdá sa mi, že je to dokonca logické: keby som tvoril svet a som lenivý človek, urobil by som všetko rovnaké, aby bolo všetko kompatibilné.

Prečo rastliny potrebujú nervové impulzy?

Nemyslíme si to, ale rastliny vo svojom živote spracúvajú ešte viac typov signálov z vonkajšieho prostredia ako ľudia či akékoľvek iné živočíchy. Reagujú na svetlo, teplo, gravitáciu, soľné zloženie pôdy, magnetické pole, rôzne patogény a pod vplyvom prijatých informácií pružne menia svoje správanie. Napríklad v laboratóriu Stefana Mancusa z Florentskej univerzity sa robili pokusy s dvoma výhonkami popínavej fazule. Vedci vytvorili medzi rastlinami spoločnú oporu a výhonky k nej začali uháňať. Ale akonáhle prvá rastlina vyliezla na podperu, druhá sa okamžite zdalo, že je porazená a prestala rásť týmto smerom. Pochopilo, že boj o zdroje nemá zmysel a je lepšie hľadať šťastie niekde inde.

Ž: Rastliny sa nehýbu, rastú pomaly a vo všeobecnosti žijú neunáhlene. Zdá sa, že aj ich nervové vzruchy by sa mali šíriť oveľa pomalšie

Alexander Volkov: Toto je klam, ktorý už dlho existuje vo vede. V 70. rokoch 19. storočia Briti zmerali, že akčný potenciál mucholapky Venuše sa šíri rýchlosťou 20 centimetrov za sekundu, ale to bola chyba. Boli to biológovia a vôbec nepoznali techniku elektrických meraní: Briti pri svojich experimentoch používali pomalé voltmetre, ktoré zaznamenávali nervové impulzy ešte pomalšie, ako sa šírili, čo je úplne neprijateľné. Teraz vieme, že nervové impulzy môžu prechádzať rastlinami veľmi rôznymi rýchlosťami v závislosti od miesta vybudenia signálu a od jeho povahy. Maximálna rýchlosť šírenia akčného potenciálu u rastlín je porovnateľná s rovnakými ukazovateľmi u zvierat a relaxačný čas po prechode akčného potenciálu sa môže pohybovať od milisekúnd až po niekoľko sekúnd.

Ž: Na čo využívajú rastliny tieto nervové impulzy?

A. V: Učebnicovým príkladom je mucholapka Venušina, ktorú som už spomínal. Tieto rastliny žijú v oblastiach s veľmi vlhkou pôdou, do ktorej ťažko preniká vzduch, a preto je v tejto pôde málo dusíka. Nedostatok tejto esenciálnej látky muchári získavajú požieraním hmyzu a malých žabiek, ktoré chytajú pomocou elektrickej pasce – dvoch okvetných lístkov, z ktorých každý má v sebe zabudované tri piezomechanické senzory. Keď si hmyz sadne na niektorý z okvetných lístkov a dotkne sa týchto receptorov labkou, vytvorí sa v nich akčný potenciál. Ak sa hmyz dotkne mechanosensoru dvakrát v priebehu 30 sekúnd, pasca sa v zlomku sekundy zatvorí. Skontrolovali sme fungovanie tohto systému - do pasce mucholapky Venuše sme priviedli umelý elektrický signál a všetko fungovalo rovnako - pasca bola zatvorená. Potom sme tieto pokusy zopakovali s mimózou a inými rastlinami, a tak sme ukázali, že je možné prinútiť rastliny, aby sa otvárali, zatvárali, hýbali, skláňali sa – vo všeobecnosti robte, čo chcete, pomocou elektrických signálov. V tomto prípade vonkajšie excitácie inej povahy vytvárajú akčné potenciály v rastlinách, ktoré sa môžu líšiť v amplitúde, rýchlosti a trvaní.

Ž: Na čo ešte môžu rastliny reagovať?

A. V: Ak pokosíte trávu vo svojom vidieckom dome, akčný potenciál okamžite prejde ku koreňom rastlín. Spustí sa na nich expresia niektorých génov a na rezoch sa aktivuje syntéza peroxidu vodíka, ktorý chráni rastliny pred infekciou. Rovnakým spôsobom, ak zmeníte smer svetla, potom prvých 100 sekúnd rastlina naň nebude nijako reagovať, aby odrezala možnosť tieňa z vtáka alebo zvieraťa a potom opäť pôjdu elektrické signály, podľa ktorých sa rastlina otočí v priebehu niekoľkých sekúnd tak, aby maximalizovala zachytenie svetelného toku. To isté sa stane, a keď začnete kvapkať vriacu vodu a keď zdvihnete horiaci zapaľovač a keď rastlinu vložíte do ľadu, rastliny reagujú na akékoľvek podnety pomocou elektrických signálov, ktoré riadia ich reakcie na zmenené prostredie. podmienky.

Pamäť rastlín

Rastliny nielenže vedia, ako reagovať na vonkajšie prostredie a očividne počítať svoje činy, ale tiež medzi sebou nadväzujú niektoré sociálne vzťahy. Napríklad pozorovania nemeckého lesníka Petra Vollebena ukazujú, že stromy majú akési priateľstvo: partnerské stromy sú prepletené koreňmi a starostlivo sledujú, či si ich koruny navzájom neprekážajú v raste, zatiaľ čo náhodné stromy nemajú žiadne zvláštne city k k svojim susedom sa vždy snažia uchmatnúť si pre seba viac životného priestoru. Priateľstvo môže zároveň vzniknúť aj medzi stromami rôznych typov. Takže v experimentoch toho istého Mancusa vedci pozorovali, ako sa zdá, že krátko pred Douglasovou smrťou zanecháva dedičstvo: žltá borovica neďaleko od nej poslala cez koreňový systém veľké množstvo organickej hmoty.

Ž: Majú rastliny pamäť?

Alexander Volkov: Rastliny majú všetky rovnaké typy pamäte ako zvieratá. Napríklad sme ukázali, že mucholapka Venuša má pamäť: aby pasca fungovala, musí sa do nej poslať 10 mikročlánkov elektriny, ale ukázalo sa, že to nie je potrebné urobiť v jednej relácii. Najprv môžete podávať dva mikrocoulomby, potom ďalších päť atď. Keď je súčet 10, rastline sa bude zdať, že sa do nej dostal hmyz, a zabuchne. Jediná vec je, že medzi reláciami nemôžete robiť prestávky dlhšie ako 40 sekúnd, inak sa počítadlo vynuluje - získate takú krátkodobú pamäť. A dlhodobú pamäť rastlín je vidieť ešte lepšie: napríklad 30. apríla nás zasiahol jeden jarný mráz a doslova cez noc všetky kvety na figovníku zmrzli a na ďalší rok rozkvitol až 1. mája, pretože si pamätalo, čo to bolo.skončilo. Za posledných 50 rokov urobili fyziológovia rastlín veľa podobných pozorovaní.

W: Kde je uložená pamäť rastlín?

A. V: Raz som sa stretol na konferencii na Kanárskych ostrovoch s Leonom Chuom, ktorý svojho času predpovedal existenciu memristorov – odporov s pamäťou prechádzajúceho prúdu. Dali sme sa do rozhovoru: Chua nevedel takmer nič o iónových kanáloch a elektrofyziológii rastlín, ja - o memristoroch. V dôsledku toho ma požiadal, aby som sa pokúsil hľadať memristory in vivo, pretože podľa jeho výpočtov by mali byť spojené s pamäťou, ale zatiaľ ich nikto nenašiel u živých bytostí. Urobili sme všetko: ukázali sme, že napäťovo závislé draselné kanály aloe vera, mimózy a rovnakej mucholapky Venuše sú prirodzene memristory a v nasledujúcich prácach boli memristívne vlastnosti nájdené v jablkách, zemiakoch, tekvicových semenách a rôznych kvety. Je celkom možné, že pamäť rastlín je viazaná práve na tieto memristory, ale zatiaľ to nie je isté.

Ž: Rastliny sa vedia rozhodovať, majú pamäť. Ďalším krokom sú sociálne interakcie. Môžu rastliny medzi sebou komunikovať?

A. V: Viete, v Avatarovi je epizóda, kde stromy medzi sebou komunikujú v podzemí. Toto nie je fantázia, ako by si niekto mohol myslieť, ale overený fakt. Keď som žil v ZSSR, často sme chodili na huby a každý vedel, že hubu treba opatrne krájať nožom, aby sa nepoškodilo mycélium. Teraz sa ukazuje, že mycélium je elektrický kábel, cez ktorý môžu stromy komunikovať medzi sebou aj s hubami. Okrem toho existuje množstvo dôkazov, že stromy si pozdĺž mycélia vymieňajú nielen elektrické signály, ale aj chemické zlúčeniny alebo dokonca nebezpečné vírusy a baktérie.

Ž: Čo poviete na mýtus, že rastliny rozumejú ľudskej reči, a preto sa s nimi treba rozprávať láskavo a pokojne, aby lepšie rástli?

A. V: Toto je len mýtus, nič iné.

Ž: Môžeme použiť výrazy „bolesť“, „myšlienky“, „vedomie“na rastliny?

A. V: O tomto nič neviem. To sú už otázky filozofie. Minulé leto v Petrohrade bolo sympózium o signáloch v rastlinách a prišlo tam viacero filozofov z rôznych krajín naraz, takže teraz sa táto téma začína riešiť. Ale som zvyknutý rozprávať o tom, čo môžem experimentálne otestovať alebo vypočítať.

Rastliny ako senzory

Rastliny sú schopné koordinovať svoje činnosti pomocou rozvetvených sietí. Akácia rastúca v africkej savane teda nielenže uvoľňuje toxickú látku do svojich listov, keď ju začnú požierať žirafy, ale tiež uvoľňuje prchavý „poplachový plyn“, ktorý vysiela núdzový signál do okolitých rastlín. Výsledkom je, že pri hľadaní potravy sa žirafy musia pohybovať nie k najbližším stromom, ale vzdialiť sa od nich v priemere 350 metrov. Dnes vedci snívajú o použití takýchto sietí živých senzorov, odladených prírodou, na monitorovanie životného prostredia a iné úlohy.

W: Pokúsili ste sa uviesť svoj výskum elektrofyziológie rastlín do praxe?

Alexander Volkov: Mám patenty na predpovedanie a registráciu zemetrasení pomocou rastlín. V predvečer zemetrasení (v rôznych častiach sveta sa časový interval pohybuje od dvoch do siedmich dní) spôsobuje pohyb zemskej kôry charakteristické elektromagnetické polia. Svojho času Japonci navrhovali opraviť ich pomocou obrovských antén - kusov železa vysokých dva kilometre, ale nikto nemohol postaviť takéto antény a to nie je potrebné. Rastliny sú tak citlivé na elektromagnetické polia, že dokážu predpovedať zemetrasenia lepšie ako akákoľvek anténa. Na tieto účely sme použili napríklad aloe vera – na jej listy sme pripojili elektródy chloridu strieborného, zaznamenali elektrickú aktivitu a spracovali dáta.

W: Znie to úplne fantasticky. Prečo tento systém stále nie je zavedený v praxi?

A. V: Tu sa vyskytol neočakávaný problém. Pozri: povedzme, že si starosta San Francisca a zistíš, že o dva dni bude zemetrasenie. Čo budeš robiť? Ak o tom poviete ľuďom, potom v dôsledku paniky a tlačenice môže zomrieť alebo byť zranených ešte viac ľudí ako pri zemetrasení. Kvôli takýmto obmedzeniam nemôžem ani verejne diskutovať o výsledkoch našej práce v otvorenej tlači. V každom prípade si myslím, že skôr či neskôr budeme mať rôzne monitorovacie systémy fungujúce na senzorových zariadeniach. Napríklad v jednej z našich prác sme ukázali, že pomocou analýzy elektrofyziologických signálov je možné vytvoriť systém pre okamžitú diagnostiku rôznych chorôb poľnohospodárskych rastlín.

Viac k téme:

Rastlinná myseľ

Jazyk rastlín