Miért van szükségük a növényeknek idegimpulzusokra?

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

Évszázados tölgyek, buja fű, friss zöldségek – valahogy nem szoktuk a növényeket élőlénynek tekinteni, és hiába. A kísérletek azt mutatják, hogy a növények az idegrendszer egyfajta összetett analógjával rendelkeznek, és az állatokhoz hasonlóan képesek döntéseket hozni, emlékeket tárolni, kommunikálni, sőt ajándékokat is adni egymásnak.

Az Oakwood Egyetem professzora, Alexander Volkov segített a növények elektrofiziológiájának részletesebb megértésében.

Újságíró: Soha nem gondoltam volna, hogy valaki növényi elektrofiziológiával foglalkozik, amíg nem találkoztam a cikkeivel

Alekszandr Volkov:Nem vagy egyedül. A nagyközönség hozzászokott ahhoz, hogy a növényeket tápláléknak vagy tájelemnek tekintse anélkül, hogy észrevenné, hogy élnek. Egyszer Helsinkiben készítettem egy riportot a növények elektrofiziológiájáról, és akkor nagyon meglepődtek a kollégáim: „Régebben komoly témával foglalkoztam - nem elegyedő folyadékokkal, most viszont valamilyen gyümölcs-zöldségfélékkel”. De ez nem volt mindig így: a 18. században jelentek meg az első könyvek a növények elektrofiziológiájáról, majd az állatok és növények tanulmányozása szinte párhuzamosan zajlott. Darwin például meg volt győződve arról, hogy a gyökér egyfajta agy, egy kémiai számítógép, amely az egész növény jeleit dolgozza fel (lásd például: „Movement in Plants”). Aztán jött az első világháború, és minden erőforrást az állatok elektrofiziológiájának tanulmányozására fordítottak, mert az embereknek új gyógyszerekre volt szükségük.

W: Logikusnak tűnik: a laboratóriumi egerek még mindig sokkal közelebb állnak az emberhez, mint az ibolya

A. V:A valóságban a növények és állatok közötti különbségek egyáltalán nem olyan óriásiak, az elektrofiziológiában pedig általában minimálisak. A növényeknek szinte teljes analógja van egy neuronnak - floém vezető szövetnek. Összetétele, mérete és funkciója megegyezik a neuronokkal. Az egyetlen különbség az, hogy állatokban a neuronokban nátrium- és káliumioncsatornákat használnak az akciós potenciálok átvitelére, míg a növényekben a klorid- és káliumioncsatornákat. Ez az egész különbség a neurofiziológiában. A németek mostanában kémiai szinapszisokat találtak a növényekben, mi elektromosak vagyunk, és általában a növényekben ugyanazok a neurotranszmitterek, mint az állatokban. Nekem úgy tűnik, ez még logikus is: ha én teremteném a világot, és lusta vagyok, mindent egyformán csinálnék, hogy minden kompatibilis legyen.

Miért van szükségük a növényeknek idegimpulzusokra?

Nem gondolunk rá, de a növények életük során még több fajta jelet dolgoznak fel a külső környezetből, mint az ember vagy bármely más állat. Reagálnak a fényre, hőre, gravitációra, a talaj sóösszetételére, mágneses térre, különféle kórokozókra, és a kapott információk hatására rugalmasan változtatják viselkedésüket. Például Stefano Mancuso, a Firenzei Egyetem laboratóriumában kísérleteket végeztek két kúszóbabhajtással. A tudósok közös támaszt hoztak létre a növények között, és a hajtások versenyezni kezdtek hozzá. De amint az első növény felmászott a támasztékra, a második azonnal legyőzöttnek tűnt, és abbahagyta a növekedést ebben az irányban. Megértette, hogy az erőforrásokért folytatott küzdelem értelmetlen, és jobb a boldogságot máshol keresni.

W: A növények nem mozognak, lassan nőnek és általában sietetlenül élnek. Úgy tűnik, hogy idegimpulzusaiknak is sokkal lassabban kellene terjedniük

Alekszandr Volkov: Ez egy téveszme, amely régóta létezik a tudományban. A XIX. század 70-es éveiben a britek megmérték, hogy a Vénusz légycsapda akciós potenciálja másodpercenként 20 centiméteres sebességgel terjed, de ez tévedés volt. Biológusok voltak, és egyáltalán nem ismerték az elektromos mérések technikáját: a britek kísérleteikben lassú voltmérőket használtak, amelyek még a terjedésüknél is lassabban rögzítették az idegimpulzusokat, ami teljesen elfogadhatatlan. Ma már tudjuk, hogy az idegimpulzusok nagyon különböző sebességgel futhatnak át a növényeken, a jel gerjesztésének helyétől és jellegétől függően. Az akciós potenciál terjedésének maximális sebessége növényekben hasonló az állatokban tapasztalható mutatókhoz, és az akciós potenciál áthaladása utáni relaxációs idő ezredmásodperctől néhány másodpercig változhat.

W: Mire használják a növények ezeket az idegimpulzusokat?

A. V: Tankönyvi példa a Vénusz légycsapda, amit már említettem. Ezek a növények nagyon nedves talajú területeken élnek, ahová a levegő nehezen jut be, és ennek megfelelően ebben a talajban kevés a nitrogén. Ennek az esszenciális anyagnak a hiányát a légykapók úgy kapják meg, hogy rovarokat és kis békákat esznek, amelyeket elektromos csapdával - két szirmával - fognak meg, amelyekbe három-három piezomechanikus érzékelő van beépítve. Amikor egy rovar ráül valamelyik sziromra, és mancsával megérinti ezeket a receptorokat, akciós potenciál keletkezik bennük. Ha egy rovar 30 másodpercen belül kétszer megérinti a mechanoszenzort, akkor a csapda a másodperc töredéke alatt becsapódik. Ellenőriztük ennek a rendszernek a működését - a Vénusz légycsapda csapdájára mesterséges elektromos jelet vittünk, és minden ugyanúgy működött - a csapda zárva volt. Aztán megismételtük ezeket a kísérleteket mimózával és más növényekkel, és így megmutattuk, hogy elektromos jelekkel lehet a növényeket nyitásra, zárásra, mozgásra, lehajlásra kényszeríteni – általában azt csináljon, amit akar. Ebben az esetben a különböző természetű külső gerjesztések akciós potenciálokat generálnak a növényekben, amelyek amplitúdójában, sebességében és időtartamában eltérőek lehetnek.

W: Mire reagálhatnak még a növények?

A. V: Ha levágja a füvet a vidéki házában, akkor az akciós potenciál azonnal a növények gyökereihez megy. Egyes gének expressziója megindul rajtuk, és a vágásokon aktiválódik a hidrogén-peroxid szintézise, amely megvédi a növényeket a fertőzésektől. Ugyanígy, ha megváltoztatja a fény irányát, akkor az első 100 másodpercben a növény semmilyen módon nem reagál rá, hogy elvágja az árnyék lehetőségét egy madártól vagy egy állattól, majd Az elektromos jelek ismét menni fognak, amely szerint az üzem másodpercek alatt megfordul oly módon, hogy maximalizálja a fényáramot. Ugyanez fog megtörténni, és amikor elkezdjük csepegtetni a forrásban lévő vizet, és amikor felhozunk egy égő öngyújtót, és amikor jégbe helyezzük a növényt - a növények minden ingerre elektromos jelek segítségével reagálnak, amelyek szabályozzák a megváltozott környezetre adott reakcióikat. körülmények.

Növényi memória

A növények nem csak tudják, hogyan kell reagálni a külső környezetre, és látszólag kiszámítják cselekedeteiket, hanem bizonyos társadalmi kapcsolatokat is kötnek egymáshoz. Például Peter Volleben német erdész megfigyelései azt mutatják, hogy a fák egyfajta barátságot kötnek: a partnerfák gyökereikkel fonódnak össze, és gondosan figyelik, hogy a koronája ne zavarja egymás növekedését, míg a véletlenszerű fáknak nincs különösebb érzelme. szomszédaiknak mindig igyekeznek több életteret kiharcolni maguknak. Ugyanakkor barátság is létrejöhet a különböző típusú fák között. Tehát ugyanazon Mancuso kísérletei során a tudósok megfigyelték, hogy nem sokkal Douglas halála előtt úgy tűnik, hogy örökséget hagy: egy sárga fenyőfa nem messze tőle nagy mennyiségű szerves anyagot juttatott át a gyökérrendszeren.

W: Van a növényeknek memóriája?

Alekszandr Volkov: A növényeknek ugyanolyan típusú memóriájuk van, mint az állatoknak. Például megmutattuk, hogy a Vénusz légycsapda rendelkezik memóriával: a csapda működéséhez 10 mikropár áramot kell rá küldeni, de kiderül, hogy ezt nem egy munkamenetben kell megtenni. Először tálalhat két mikrokulont, majd újabb ötöt és így tovább. Amikor az összeg eléri a 10-et, a növénynek úgy tűnik, hogy egy rovar került bele, és becsapódik. Az egyetlen dolog, hogy nem tarthat 40 másodpercnél hosszabb szünetet a munkamenetek között, különben a számláló nullára áll vissza - ilyen rövid távú memóriát kap. A növények hosszú távú emlékezete pedig még könnyebben meglátszik: például az egyik tavaszi fagy április 30-án ért minket, és szó szerint egyik napról a másikra lefagyott az összes virág a fügefán, a következő évben pedig csak május 1-jén virágzott ki. mert emlékezett, mi volt. véget ért. A növényfiziológusok sok hasonló megfigyelést tettek az elmúlt 50 évben.

W: Hol tárolják a növény memóriáját?

A. V: Egyszer találkoztam egy konferencián a Kanári-szigeteken Leon Chuával, aki egy időben megjósolta a memrisztorok létezését - ellenállásokat az áthaladt áram emlékével. Beszélgetésbe keveredtünk: Chua szinte semmit sem tudott a növények ioncsatornáiról és elektrofiziológiájáról, én a memrisztorokról. Ennek hatására megkért, hogy próbáljak meg in vivo keresni a memrisztorokat, mert számításai szerint az emlékezettel kellene összefüggésbe hozni őket, de élőlényekben eddig nem találta meg őket. Mindent megtettünk: megmutattuk, hogy az aloe vera, a mimóza és ugyanazon Vénusz légycsapda feszültségfüggő káliumcsatornái természetüknél fogva memrisztorok, és a következő munkákban memristív tulajdonságokat találtunk almában, burgonyában, tökmagban és különböző virágok. Elképzelhető, hogy a növények emléke pontosan ezekhez a memristorokhoz kötődik, de ezt még nem tudni biztosan.

W: A növények tudnak döntéseket hozni, van memóriájuk. A következő lépés a szociális interakciók. Tudnak-e kommunikálni egymással a növények?

A. V: Tudod, az Avatarban van egy epizód, ahol a fák a föld alatt kommunikálnak egymással. Ez nem fantázia, mint gondolná az ember, hanem megalapozott tény. Amikor a Szovjetunióban éltem, gyakran mentünk gombát szedni, és mindenki tudta, hogy a gombát óvatosan késsel kell vágni, hogy ne sértse meg a micéliumot. Most kiderült, hogy a micélium egy elektromos kábel, amelyen keresztül a fák egymással és a gombákkal is kommunikálhatnak. Sőt, rengeteg bizonyíték van arra, hogy a fák nemcsak elektromos jeleket cserélnek a micélium mentén, hanem kémiai vegyületeket vagy akár veszélyes vírusokat és baktériumokat is.

W: Mit tud mondani arról a mítoszról, hogy a növények megértik az emberi beszédet, és ezért kedvesen és nyugodtan kell velük beszélni, hogy jobban fejlődjenek?

A. V: Ez csak egy mítosz, semmi más.

W: Alkalmazhatjuk a „fájdalom”, „gondolatok”, „tudat” kifejezéseket a növényekre?

A. V: Nem tudok erről semmit. Ezek már filozófiai kérdések. Tavaly nyáron volt Szentpéterváron egy szimpózium a növényekben lévő jelekről, és egyszerre több filozófus érkezett különböző országokból, így most kezdenek foglalkozni ezzel a témával. De én arról szoktam beszélni, hogy mit tudok kísérletileg tesztelni vagy kiszámítani.

Növények, mint érzékelők

Az üzemek elágazó hálózatok segítségével tudják összehangolni tevékenységeiket. Így az afrikai szavannán növő akác nemcsak mérgező anyagot bocsát ki leveleibe, amikor a zsiráfok elkezdik enni, hanem illékony "riasztógázt" is bocsát ki, amely vészjelzést küld a környező növényeknek. Ennek eredményeként a zsiráfoknak táplálékot keresve nem a legközelebbi fákhoz kell költözniük, hanem átlagosan 350 méterrel távolodniuk kell tőlük. Manapság a tudósok arról álmodoznak, hogy ilyen, a természet által hibajavított élő szenzorokból álló hálózatokat használnak környezeti megfigyelésre és egyéb feladatokra.

W: Próbáltad gyakorlatba ültetni növényi elektrofiziológiai kutatásaidat?

Alekszandr Volkov: Szabadalmaim vannak a földrengések előrejelzésére és regisztrálására növények felhasználásával. A földrengések előestéjén (a világ különböző részein az időintervallum két-hét nap között változik) a földkéreg mozgása jellegzetes elektromágneses mezőket okoz. Egy időben a japánok azt javasolták, hogy rögzítsék őket óriási antennák - két kilométer magas vasdarabok - segítségével, de senki sem tudott ilyen antennákat építeni, és erre nincs is szükség. A növények annyira érzékenyek az elektromágneses mezőkre, hogy minden antennánál jobban meg tudják jósolni a földrengéseket. Például aloe verát használtunk ezekre a célokra - ezüst-klorid elektródákat csatlakoztattunk a leveleihez, rögzítettük az elektromos aktivitást, és feldolgoztuk az adatokat.

W: Teljesen fantasztikusan hangzik. Miért nem valósul meg még mindig ez a rendszer a gyakorlatban?

A. V: Itt egy váratlan probléma adódott. Nézze: tegyük fel, hogy Ön San Francisco polgármestere, és megtudja, hogy két napon belül földrengés lesz. Mit fogsz tenni? Ha ezt elmondja az embereknek, akkor a pánik és a zúzás következtében még több ember halhat meg vagy sérülhet meg, mint egy földrengésben. Az ilyen megszorítások miatt még a nyílt sajtóban sem tudom nyilvánosan tárgyalni munkánk eredményeit. Mindenesetre azt gondolom, hogy előbb-utóbb sokféle felügyeleti rendszer fog működni az érzékelő üzemeken. Például egyik munkánkban bemutattuk, hogy elektrofiziológiai jelek elemzésével lehetőség nyílik a mezőgazdasági növények különféle betegségeinek azonnali diagnosztizálására szolgáló rendszer létrehozására.

Bővebben a témáról:

Ültesd be az elmét

A növények nyelve