Zakaj rastline potrebujejo živčne impulze

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Stoletja stari hrasti, bujna trava, sveža zelenjava - nekako nismo navajeni, da rastline obravnavamo kot živa bitja in zaman. Poskusi kažejo, da imajo rastline nekakšen kompleksen analog živčnega sistema in so tako kot živali sposobne sprejemati odločitve, shranjevati spomine, komunicirati in si celo podariti darila.

Profesor Univerze Oakwood Alexander Volkov je pomagal podrobneje razumeti elektrofiziologijo rastlin.

Novinar: Nikoli si ne bi mislil, da se nekdo ukvarja z elektrofiziologijo rastlin, dokler nisem naletel na vaše članke

Aleksander Volkov:Nisi sam. Širša javnost je navajena na rastline kot hrano ali krajinske elemente, ne da bi se sploh zavedala, da so žive. Nekoč sem v Helsinkih delal poročilo o elektrofiziologiji rastlin, potem pa so bili moji kolegi zelo presenečeni: »Včasih sem se ukvarjal z resno temo – nemešljivimi tekočinami, zdaj pa sem se ukvarjal z nekakšnim sadjem in zelenjavo«. A ni bilo vedno tako: prve knjige o elektrofiziologiji rastlin so izšle v 18. stoletju, nato pa je preučevanje živali in rastlin potekalo skoraj vzporedno. Darwin je bil na primer prepričan, da je koren neke vrste možgani, kemični računalnik, ki obdeluje signale iz celotne rastline (glej na primer "Gibanje rastlin"). In potem je prišla prva svetovna vojna in vsa sredstva so bila vržena v študij elektrofiziologije živali, saj so ljudje potrebovali nova zdravila.

W: Zdi se logično: laboratorijske miši so ljudem še vedno veliko bližje kot vijolice

A. V:V resnici razlike med rastlinami in živalmi sploh niso tako velike, v elektrofiziologiji pa so praviloma minimalne. Rastline imajo skoraj popoln analog prevodnega tkiva nevrona - floema. Ima enako sestavo, velikost in funkcijo kot nevroni. Edina razlika je v tem, da se pri živalih za prenos akcijskih potencialov v nevronih uporabljajo natrijevi in kalijevi ionski kanali, pri rastlinskem floemu pa kloridni in kalijevi ionski kanali. To je vsa razlika v nevrofiziologiji. Nemci so pred kratkim našli kemične sinapse v rastlinah, mi smo električni in na splošno imajo rastline enake nevrotransmiterje kot živali. Zdi se mi, da je to celo logično: če bi ustvarjal svet in sem lenuh, bi naredil vse enako, da bi bilo vse kompatibilno.

Zakaj rastline potrebujejo živčne impulze?

O tem ne razmišljamo, a rastline v svojem življenju predelajo celo več vrst signalov iz zunanjega okolja kot ljudje ali katera koli druga žival. Odzovejo se na svetlobo, toploto, gravitacijo, solno sestavo tal, magnetno polje, različne patogene in fleksibilno spreminjajo svoje obnašanje pod vplivom prejetih informacij. Na primer, v laboratoriju Stefana Mancusa z univerze v Firencah so bili izvedeni poskusi z dvema poganjkoma plezajočega fižola. Znanstveniki so med rastlinami vzpostavili skupno oporo in poganjki so začeli dirkati k njej. Toda takoj, ko se je prva rastlina povzpela na oporo, se je zdelo, da se je druga takoj prepoznala kot poražena in je prenehala rasti v tej smeri. Razumelo se je, da je boj za vire nesmiseln in je bolje iskati srečo nekje drugje.

W: Rastline se ne premikajo, rastejo počasi in na splošno živijo brez naglice. Zdi se, da bi se tudi njihovi živčni impulzi morali širiti veliko počasneje

Aleksander Volkov: To je zabloda, ki v znanosti že dolgo obstaja. V 70. letih XIX stoletja so Britanci izmerili, da se akcijski potencial venerine muholovke širi s hitrostjo 20 centimetrov na sekundo, vendar je bila to napaka. Bili so biologi in sploh niso poznali tehnike električnih meritev: Britanci so v svojih poskusih uporabljali počasne voltmetre, ki so snemali živčne impulze celo počasneje, kot so se širili, kar je povsem nesprejemljivo. Zdaj vemo, da lahko živčni impulzi tečejo skozi rastline z zelo različnimi hitrostmi, odvisno od mesta vzbujanja signala in njegove narave. Največja hitrost širjenja akcijskih potencialov v rastlinah je primerljiva z enakimi kazalniki pri živalih, čas sprostitve po prehodu akcijskega potenciala pa se lahko giblje od milisekund do nekaj sekund.

W: Za kaj rastline uporabljajo te živčne impulze?

A. V: Učbeniški primer je venerina muholovka, ki sem jo že omenil. Te rastline živijo na območjih z zelo vlažno zemljo, v katero je težko prodreti zrak, zato je v tej zemlji malo dušika. Pomanjkanje te esencialne snovi muharji dobijo z uživanjem žuželk in majhnih žab, ki jih ujamejo z električno pastjo – dvema cvetnima listkoma, od katerih ima vsak vgrajen po tri piezomehanske senzorje. Ko žuželka sede na katerega od cvetnih listov in se s šapo dotakne teh receptorjev, se v njih ustvari akcijski potencial. Če se žuželka dvakrat dotakne mehanosenzorja v 30 sekundah, se past zaklene v delčku sekunde. Preverili smo delovanje tega sistema – na past venerine muholovke smo dali umetni električni signal in vse je delovalo na enak način – past je bila zaprta. Nato smo te poskuse ponovili z mimozo in drugimi rastlinami in tako smo pokazali, da je mogoče rastline prisiliti, da se odprejo, zaprejo, premikajo, upognejo – na splošno delaj, kar hočeš, z električnimi signali. V tem primeru zunanja vzbujanja drugačne narave generirajo v rastlinah akcijske potenciale, ki se lahko razlikujejo po amplitudi, hitrosti in trajanju.

W: Na kaj se še lahko odzovejo rastline?

A. V: Če kosite travo v svoji podeželski hiši, bodo akcijski potenciali takoj šli v korenine rastlin. Na njih se bo začela ekspresija nekaterih genov, na rezih pa se aktivira sinteza vodikovega peroksida, ki ščiti rastline pred okužbo. Na enak način, če spremenite smer svetlobe, se rastlina prvih 100 sekund ne bo na noben način odzvala nanjo, da bi odrezala možnost sence od ptice ali živali, nato pa spet bodo šli električni signali, po katerih se bo naprava v nekaj sekundah obrnila tako, da bo maksimalno zajela svetlobni tok. Vse enako se bo zgodilo, in ko začnete kapljati vrelo vodo, in ko dvignete goreč vžigalnik in ko rastlino postavite v led - rastline reagirajo na kakršne koli dražljaje s pomočjo električnih signalov, ki nadzorujejo njihove odzive na spremenjeno okolje. pogoji.

Rastlinski spomin

Rastline se ne znajo samo odzvati na zunanje okolje in očitno izračunati svoja dejanja, ampak tudi med seboj povezujejo nekatere družbene odnose. Opažanja nemškega gozdarja Petra Vollebena na primer kažejo, da imajo drevesa nekakšno prijateljstvo: partnerska drevesa so prepletena s koreninami in skrbno pazijo, da njihove krošnje ne motijo drug drugega v rasti, naključna drevesa pa nimajo posebnih občutkov za svojim sosedom vedno poskušajo zagrabiti zase več življenjskega prostora. Hkrati pa lahko nastane prijateljstvo tudi med drevesi različnih vrst. Tako so znanstveniki v poskusih istega Mancusa opazili, kako se tik pred Douglasovo smrtjo zdi, da pušča zapuščino: rumeni bor nedaleč od njega je skozi koreninski sistem poslal veliko količino organske snovi.

W: Ali imajo rastline spomin?

Aleksander Volkov: Rastline imajo vse enake vrste spomina kot živali. Pokazali smo na primer, da ima venerina muholovka spomin: da bi past delovala, ji je treba poslati 10 mikroparov električne energije, a se izkaže, da tega ni treba storiti v eni seji. Najprej lahko postrežete dva mikrokulona, nato še pet itd. Ko je skupno 10, se bo rastlini zdelo, da je vanjo zašla žuželka, in se bo zaprla. Edina stvar je, da si med sejami ne morete vzeti odmorov, daljših od 40 sekund, sicer se bo števec ponastavil na nič - tako dobite kratkoročni spomin. In dolgotrajni spomin rastlin je še lažje videti: ena spomladanska pozeba nas je na primer prizadela 30. aprila in dobesedno čez noč so na smokvi zmrznili vsi cvetovi, naslednje leto pa je zacvetela šele 1. maja, ker se je spomnilo, kaj je bilo. končalo. V zadnjih 50 letih so rastlinski fiziologi naredili veliko podobnih opažanj.

W: Kje je shranjen rastlinski spomin?

A. V: Nekoč sem na konferenci na Kanarskih otokih srečal Leona Chua, ki je nekoč napovedal obstoj memristorjev - uporov s spominom na pretečeni tok. Zapletli smo se v pogovor: Chua skoraj nič ni vedel o ionskih kanalih in elektrofiziologiji rastlin, jaz - o memristorjih. Posledično me je prosil, naj poskusim poiskati memristorje in vivo, saj bi jih po njegovih izračunih morali povezati s spominom, a jih do zdaj še nihče ni našel v živih bitjih. Naredili smo vse: pokazali smo, da so napetostno odvisni kalijevi kanalčki aloe vere, mimoze in iste venerine muholovke po naravi memristorji, v naslednjih delih pa so memristivne lastnosti odkrili pri jabolkih, krompirju, bučnih semenih in različnih rože. Povsem možno je, da je spomin rastlin vezan prav na te memristorje, vendar še ni zanesljivo znano.

W: Rastline se znajo odločati, imajo spomin. Naslednji korak so socialne interakcije. Ali lahko rastline komunicirajo med seboj?

A. V: Veste, v Avatarju je epizoda, kjer drevesa komunicirajo med seboj pod zemljo. To ni domišljija, kot bi kdo mislil, ampak ugotovljeno dejstvo. Ko sem živel v ZSSR, smo pogosto hodili nabirat gobe in vsi so vedeli, da je treba gobo previdno rezati z nožem, da ne poškodujemo micelija. Zdaj se izkaže, da je micelij električni kabel, prek katerega lahko drevesa komunicirajo med seboj in z gobami. Poleg tega obstaja veliko dokazov, da drevesa ne izmenjujejo le električnih signalov vzdolž micelija, temveč tudi kemične spojine ali celo nevarne viruse in bakterije.

W: Kaj lahko rečete o mitu, da rastline razumejo človeški govor, zato se morate z njimi prijazno in umirjeno pogovarjati, da bodo bolje rasle?

A. V: To je samo mit, nič drugega.

W: Ali lahko za rastline uporabimo izraze "bolečina", "misli", "zavest"?

A. V: Ne vem nič o tem. To so že vprašanja filozofije. Lani poleti je bil v Sankt Peterburgu simpozij o signalih v rastlinah in tja je prišlo naenkrat več filozofov iz različnih držav, tako da se ta tema zdaj začenja ukvarjati. Toda navajen sem govoriti o tem, kaj lahko eksperimentalno preizkusim ali izračunam.

Rastline kot senzorji

Rastline lahko usklajujejo svoja dejanja z uporabo razvejanih omrežij. Tako akacija, ki raste v afriški savani, ne izpusti le strupene snovi v svoje liste, ko jo žirafe začnejo jesti, ampak oddaja tudi hlapljiv »alarmni plin«, ki okoliškim rastlinam pošilja signal za stisko. Posledično se morajo žirafe v iskanju hrane premakniti ne do najbližjih dreves, ampak se od njih oddaljiti v povprečju 350 metrov. Danes znanstveniki sanjajo o uporabi takšnih omrežij živih senzorjev, ki jih je narava razhroščevala, za spremljanje okolja in druge naloge.

W: Ste poskušali svoje raziskave o elektrofiziologiji rastlin prenesti v prakso?

Aleksander Volkov: Imam patente za napovedovanje in registracijo potresov z uporabo rastlin. Na predvečer potresov (v različnih delih sveta se časovni interval giblje od dveh do sedmih dni) gibanje zemeljske skorje povzroča značilna elektromagnetna polja. Nekoč so Japonci predlagali, da bi jih popravili s pomočjo orjaških anten - kosov železa, visokih dva kilometra, a takšnih anten nihče ni mogel zgraditi in to ni potrebno. Rastline so tako občutljive na elektromagnetna polja, da lahko napovedujejo potrese bolje kot katera koli antena. Za te namene smo na primer uporabili aloe vero – na njene liste smo priklopili srebrove kloridne elektrode, zabeležili električno aktivnost in obdelali podatke.

W: Sliši se popolnoma fantastično. Zakaj se ta sistem še vedno ne izvaja v praksi?

A. V: Tukaj je prišlo do nepričakovane težave. Poglejte: recimo, da ste župan San Francisca in ugotovite, da bo čez dva dni potres. Kaj boš naredil? Če ljudem poveste o tem, potem lahko zaradi panike in stiskanja umre ali se poškoduje celo več ljudi kot v potresu. Zaradi takšnih omejitev ne morem niti javno razpravljati o rezultatih našega dela v odprtem tisku. Vsekakor pa mislim, da bomo slej ko prej imeli na senzorskih napravah delovati različni nadzorni sistemi. Na primer, v enem od naših del smo pokazali, da je z analizo elektrofizioloških signalov mogoče izdelati sistem za takojšnjo diagnostiko različnih bolezni kmetijskih rastlin.

Več na temo:

Rastlinski um

Jezik rastlin