Zašto su biljkama potrebni nervni impulsi

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Stoljetni hrastovi, bujna trava, svježe povrće - nekako nismo navikli da biljke smatramo živim bićima, i to uzalud. Eksperimenti pokazuju da biljke imaju neku vrstu složenog analoga nervnog sistema i, baš kao i životinje, u stanju su da donose odluke, pohranjuju uspomene, komuniciraju, pa čak i daju jedni drugima darove.

Profesor Univerziteta Oakwood Aleksandar Volkov pomogao je da se detaljnije razumije elektrofiziologija biljaka.

Novinar: Nikada ne bih pomislio da se neko bavi elektrofiziologijom biljaka dok nisam naišao na vaše članke

Aleksandar Volkov:Nisi sam. Šira javnost je navikla da biljke vidi kao hranu ili elemente pejzaža, a da ni ne zna da su žive. Jednom sam u Helsinkiju radio reportažu o elektrofiziologiji biljaka, a onda su se moje kolege jako iznenadile: „Ranije sam se bavio ozbiljnom temom – tečnostima koje se ne mešaju, a sada sam se bavio nekakvim voćem i povrćem“. Ali to nije uvijek bio slučaj: prve knjige o elektrofiziologiji biljaka objavljene su u 18. vijeku, a zatim se proučavanje životinja i biljaka odvijalo gotovo paralelno. Na primjer, Darwin je bio uvjeren da je korijen neka vrsta mozga, hemijski kompjuter koji obrađuje signale iz cijele biljke (vidi, na primjer, "Kretanje biljaka"). A onda je došao Prvi svjetski rat i svi resursi su bačeni u proučavanje elektrofiziologije životinja, jer su ljudima bili potrebni novi lijekovi.

W: Čini se logičnim: laboratorijski miševi su ipak mnogo bliži ljudima od ljubičica

A. V:U stvarnosti, razlike između biljaka i životinja uopće nisu tako velike, a u elektrofiziologiji su općenito minimalne. Biljke imaju gotovo potpuni analog provodnog tkiva neurona - floema. Ima isti sastav, veličinu i funkciju kao neuroni. Jedina razlika je u tome što se kod životinja natrijum i kalijum jonski kanali koriste u neuronima za prenošenje akcionih potencijala, dok se u biljnom floemu koriste hloridni i kalijum ionski kanali. To je sva razlika u neurofiziologiji. Nemci su nedavno pronašli hemijske sinapse u biljkama, mi smo električni, i generalno, biljke imaju iste neurotransmitere kao životinje. Čini mi se da je to čak i logično: da ja stvaram svijet, a ja sam lijenčina, sve bih učinio isto tako da je sve kompatibilno.

Zašto su biljkama potrebni nervni impulsi?

Ne razmišljamo o tome, ali biljke u svom životu procesuiraju čak više vrsta signala iz vanjskog okruženja nego ljudi ili bilo koje druge životinje. Reaguju na svjetlost, toplinu, gravitaciju, sastav soli tla, magnetsko polje, razne patogene i fleksibilno mijenjaju svoje ponašanje pod utjecajem primljenih informacija. Na primjer, u laboratoriji Stefana Mancusa sa Univerziteta u Firenci, izvedeni su eksperimenti sa dva izdanka graha penjača. Naučnici su uspostavili zajedničku potporu između biljaka i izdanci su počeli juriti prema njoj. Ali čim se prva biljka popela na oslonac, druga je odmah kao da se prepoznala kao poražena i prestala je rasti u ovom smjeru. Shvatio je da je borba za resurse besmislena i da je bolje tražiti sreću negdje drugdje.

W: Biljke se ne kreću, rastu sporo i uglavnom žive bez žurbe. Čini se da bi se i njihovi nervni impulsi trebali širiti mnogo sporije

Aleksandar Volkov: Ovo je zabluda koja dugo postoji u nauci. Sedamdesetih godina XIX vijeka Britanci su izmjerili da se akcioni potencijal Venerine muhovke širi brzinom od 20 centimetara u sekundi, ali to je bila greška. Bili su biolozi i uopće nisu poznavali tehniku električnih mjerenja: Britanci su u svojim eksperimentima koristili spore voltmetre, koji su bilježili nervne impulse čak i sporije nego što su se oni širili, što je potpuno neprihvatljivo. Sada znamo da nervni impulsi mogu prolaziti kroz biljke vrlo različitim brzinama, ovisno o mjestu pobuđenog signala i njegovoj prirodi. Maksimalna brzina širenja akcionih potencijala u biljkama je uporediva sa istim pokazateljima kod životinja, a vrijeme relaksacije nakon prolaska akcionog potencijala može varirati od milisekundi do nekoliko sekundi.

W: Za šta biljke koriste ove nervne impulse?

A. V: Primer iz udžbenika je Venerina muholovka, koju sam već spomenuo. Ove biljke žive u područjima sa vrlo vlažnim tlom, u koje je teško prodirati zrak, te, shodno tome, u ovom tlu ima malo dušika. Muharice nedostatak ove esencijalne supstance dobijaju jedući insekte i male žabe, koje hvataju električnom zamkom - dvije latice od kojih svaka ima ugrađena tri piezomehanička senzora. Kada insekt sjedne na bilo koju od latica i dodirne ove receptore svojom šapom, u njima se stvara akcioni potencijal. Ako insekt dotakne mehanosenzor dva puta u roku od 30 sekundi, tada se zamka zatvara u djeliću sekunde. Proverili smo rad ovog sistema - primenili smo veštački električni signal na zamku Venerine muhovke i sve je funkcionisalo na isti način - zamka je zatvorena. Zatim smo ponovili ove eksperimente sa mimozom i drugim biljkama i tako smo pokazali da je moguće natjerati biljke da se otvore, zatvore, pomjere, sagnu – općenito, radite šta god želite, koristeći električne signale. U ovom slučaju vanjske ekscitacije različite prirode stvaraju u biljkama akcione potencijale, koji se mogu razlikovati po amplitudi, brzini i trajanju.

W: Na šta još biljke mogu da reaguju?

A. V: Ako pokosite travu u svojoj seoskoj kući, tada će akcioni potencijali odmah otići u korijenje biljaka. Na njima će početi ekspresija nekih gena, a na posjekotinama se aktivira sinteza vodikovog peroksida koji štiti biljke od infekcije. Na isti način, ako promijenite smjer svjetlosti, tada prvih 100 sekundi biljka neće reagirati ni na koji način, kako bi odsjekla mogućnost sjene od ptice ili životinje, a zatim opet će ići električni signali prema kojima će se postrojenje za nekoliko sekundi okrenuti na način da maksimalno uhvati svjetlosni tok. Sve će se isto dogoditi, i kada počnete kapati kipuću vodu, i kada podignete zapaljeni upaljač, i kada biljku stavite u led - biljke reagiraju na bilo koji podražaj uz pomoć električnih signala koji kontroliraju njihove reakcije na promijenjenu okolinu. uslovima.

Biljno pamćenje

Biljke ne samo da znaju kako reagirati na vanjsko okruženje i, po svemu sudeći, proračunati svoje postupke, već i međusobno povezuju neke društvene odnose. Na primjer, zapažanja njemačkog šumara Petera Vollebena pokazuju da drveće ima neku vrstu prijateljstva: partnerska stabla su isprepletena korijenjem i pažljivo prate da njihove krošnje ne ometaju rast jedno drugom, dok nasumična stabla nemaju nikakva posebna osjećanja prema svojim komšijama uvek pokušavaju da prigrabe sebi više životnog prostora. Istovremeno, prijateljstvo može nastati i između stabala različitih vrsta. Dakle, u eksperimentima istog Mancusa, naučnici su primijetili kako se, neposredno prije Douglasove smrti, čini da ostavlja naslijeđe: žuti bor nedaleko od njega poslao je veliku količinu organske tvari kroz korijenski sistem.

W: Da li biljke imaju memoriju?

Aleksandar Volkov: Biljke imaju sve iste vrste pamćenja kao životinje. Na primjer, pokazali smo da Venerina muholovka posjeduje memoriju: da bi zamka funkcionirala, potrebno joj je poslati 10 mikroparova električne energije, ali se ispostavilo da to ne mora biti urađeno u jednoj sesiji. Prvo možete poslužiti dva mikrokulona, zatim još pet i tako dalje. Kada je ukupno 10, biljci će se činiti da je u nju ušao insekt i ona će se zalupiti. Jedina stvar je da ne možete praviti pauze duže od 40 sekundi između sesija, inače će se brojač vratiti na nulu - tako ćete dobiti kratkoročno pamćenje. A dugotrajno pamćenje biljaka još je lakše uočiti: na primjer, jedan proljetni mraz nas je pogodio 30. aprila, i doslovno preko noći svo cvijeće se smrzlo na smokvi, a sljedeće godine nije procvjetala do 1. maja, jer je zapamtilo šta je bilo. Mnogo sličnih zapažanja izveli su biljni fiziolozi u proteklih 50 godina.

W: Gdje se pohranjuje biljna memorija?

A. V: Jednom sam sreo na konferenciji na Kanarskim otocima Leona Chua, koji je svojedobno predvidio postojanje memristora - otpora sa sjećanjem na propuštenu struju. Ušli smo u razgovor: Čua nije znao skoro ništa o jonskim kanalima i elektrofiziologiji biljaka, ja - o memristorima. Kao rezultat toga, zamolio me je da pokušam potražiti memristore in vivo, jer bi prema njegovim proračunima trebali biti povezani s pamćenjem, ali ih do sada niko nije pronašao u živim bićima. Učinili smo sve: pokazali smo da su naponsko zavisni kalijumovi kanali aloe vere, mimoze i iste venerine muholovke po prirodi memristori, a u narednim radovima pronađena su memristivna svojstva u jabukama, krompiru, sjemenkama bundeve i različitim cveće. Sasvim je moguće da je sjećanje biljaka vezano upravo za ove memristore, ali to još nije pouzdano.

W: Biljke znaju kako da donose odluke, imaju pamćenje. Sljedeći korak su društvene interakcije. Mogu li biljke komunicirati jedna s drugom?

A. V: Znate, u Avataru postoji epizoda u kojoj drveće komunicira jedno s drugim pod zemljom. Ovo nije fantazija, kako bi se moglo pomisliti, već utvrđena činjenica. Kada sam živio u SSSR-u, često smo išli u branje gljiva i svi su znali da se gljiva mora pažljivo rezati nožem kako se ne bi oštetio micelij. Sada se ispostavilo da je micelij električni kabel kroz koji drveće može komunicirati i jedno s drugim i s gljivama. Štoviše, postoji mnogo dokaza da drveće razmjenjuje ne samo električne signale duž micelija, već i kemijske spojeve ili čak opasne viruse i bakterije.

W: Šta možete reći o mitu da biljke razumiju ljudski govor, te da s njima treba razgovarati ljubazno i smireno kako bi bolje rasle?

A. V: Ovo je samo mit, ništa drugo.

W: Možemo li primijeniti termine "bol", "misli", "svijest" na biljke?

A. V: Ne znam ništa o ovome. To su već pitanja filozofije. Prošlog ljeta u Sankt Peterburgu je bio simpozijum o signalima u biljkama i tamo je odjednom došlo nekoliko filozofa iz različitih zemalja, tako da se ova tema sada počinje baviti. Ali navikao sam da pričam o onome što mogu eksperimentalno testirati ili izračunati.

Biljke kao senzori

Biljke su u stanju da koordiniraju svoje akcije koristeći razgranate mreže. Dakle, bagrem koji raste u afričkoj savani ne samo da ispušta otrovnu tvar u svoje lišće kada je žirafe počnu jesti, već emituje i hlapljivi "alarmni plin" koji šalje signal opasnosti okolnim biljkama. Kao rezultat toga, u potrazi za hranom, žirafe se moraju kretati ne do najbližeg drveća, već se udaljiti od njih u prosjeku 350 metara. Danas naučnici sanjaju o korištenju takvih mreža živih senzora, otklonjenih po prirodi, za praćenje okoliša i druge zadatke.

W: Jeste li pokušali svoje istraživanje elektrofiziologije biljaka provesti u praksi?

Aleksandar Volkov: Imam patente za predviđanje i registraciju potresa pomoću biljaka. Uoči potresa (u različitim dijelovima svijeta vremenski interval varira od dva do sedam dana), kretanje zemljine kore uzrokuje karakteristična elektromagnetna polja. Svojevremeno su Japanci predlagali da ih popravi uz pomoć divovskih antena - komada željeza visine dva kilometra, ali niko nije mogao napraviti takve antene, a to nije ni potrebno. Biljke su toliko osjetljive na elektromagnetna polja da mogu predvidjeti potrese bolje od bilo koje antene. Na primjer, koristili smo aloe veru u ove svrhe – na njene listove smo spajali elektrode srebrnog klorida, bilježili električnu aktivnost i obrađivali podatke.

W: Zvuči apsolutno fantastično. Zašto se ovaj sistem još uvijek ne primjenjuje u praksi?

A. V: Ovdje je došlo do neočekivanog problema. Gledajte: recimo da ste gradonačelnik San Francisca i saznajte da će za dva dana biti zemljotres. šta ćeš da radiš? Ako kažete ljudima o ovome, onda od posljedica panike i zgnječenja, čak i više ljudi može poginuti ili biti povrijeđeno nego u zemljotresu. Zbog ovakvih ograničenja ne mogu ni javno da raspravljam o rezultatima našeg rada u otvorenoj štampi. U svakom slučaju, mislim da ćemo prije ili kasnije imati različite sisteme praćenja koji rade na senzorskim postrojenjima. Na primjer, u jednom svom radu smo pokazali da je analizom elektrofizioloških signala moguće kreirati sistem za trenutnu dijagnostiku različitih bolesti poljoprivrednih biljaka.

Više na temu:

Plant mind

Jezik biljaka