Защо растенията се нуждаят от нервни импулси

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Вековни дъбове, буйна трева, пресни зеленчуци - някак си не сме свикнали да разглеждаме растенията като живи същества и напразно. Експериментите показват, че растенията имат един вид сложен аналог на нервната система и също като животните са в състояние да вземат решения, да съхраняват спомени, да общуват и дори да си дават подаръци.

Професорът от университета Oakwood Александър Волков помогна да се разбере по-подробно електрофизиологията на растенията.

Журналист: Никога не бих си помислил, че някой се занимава с електрофизиология на растенията, докато не попаднах на вашите статии

Александър Волков: Не си сам. Широката публика е свикнала да вижда растенията като храна или елементи на ландшафта, без дори да осъзнава, че са живи. Веднъж правех доклад в Хелзинки за електрофизиологията на растенията и тогава колегите ми бяха много изненадани: „Преди се занимавах със сериозна тема - несмесващи се течности, но сега се занимавах с някакъв вид плодове и зеленчуци“. Но това не винаги е било така: първите книги по електрофизиологията на растенията са публикувани през 18 век, а след това изучаването на животните и растенията протича по почти паралелни начини. Например Дарвин е убеден, че коренът е вид мозък, химически компютър, който обработва сигнали от цялото растение (вижте например „Движение в растенията“). И тогава дойде Първата световна война и всички ресурси бяха хвърлени в изучаването на електрофизиологията на животните, защото хората имаха нужда от нови лекарства.

У: Изглежда логично: лабораторните мишки все още са много по-близо до хората от теменужките

A. V: В действителност разликите между растенията и животните изобщо не са толкова големи, а в електрофизиологията като цяло са минимални. Растенията имат почти пълен аналог на неврон - флоемна проводяща тъкан. Той има същия състав, размер и функция като невроните. Единствената разлика е, че при животните се използват натриеви и калиеви йонни канали в невроните за предаване на потенциали на действие, докато при растителната флоема се използват хлоридни и калиеви йонни канали. Това е цялата разлика в неврофизиологията. Германците наскоро откриха химически синапси в растенията, ние сме електрически и като цяло растенията имат същите невротрансмитери като животните. Струва ми се, че това е дори логично: ако създавах света, а аз съм мързелив човек, щях да направя всичко еднакво, така че всичко да е съвместимо.

Защо растенията се нуждаят от нервни импулси?

Ние не мислим за това, но растенията в своя живот обработват дори повече видове сигнали от външната среда, отколкото хората или всякакви други животни. Те реагират на светлина, топлина, гравитация, солев състав на почвата, магнитно поле, различни патогени и гъвкаво променят поведението си под въздействието на получената информация. Например, в лабораторията на Стефано Манкузо от университета във Флоренция са проведени експерименти с две издънки на катерещи бобове. Учените установиха обща опора между растенията и издънките започнаха да се надпреварват към нея. Но веднага щом първото растение се изкачи на опората, второто веднага сякаш се разпозна като победено и спря да расте в тази посока. Разбра, че борбата за ресурси е безсмислена и е по-добре да търсиш щастието някъде другаде.

W: Растенията не се движат, растат бавно и като цяло живеят небързано. Изглежда, че техните нервни импулси също трябва да се разпространяват много по-бавно

Александър Волков: Това е заблуда, която отдавна съществува в науката. През 70-те години на XIX век британците измерват, че потенциалът за действие на мухоловката на Венера се разпространява със скорост от 20 сантиметра в секунда, но това е грешка. Те били биолози и изобщо не познавали техниката на електрическите измервания: в експериментите си британците използвали бавни волтметри, които регистрирали нервните импулси дори по-бавно, отколкото те се разпространявали, което е напълно неприемливо. Сега знаем, че нервните импулси могат да преминават през растенията с много различни скорости, в зависимост от мястото на възбуждане на сигнала и от неговата природа. Максималната скорост на разпространение на потенциалите на действие в растенията е сравнима със същите показатели при животните, а времето за релаксация след преминаването на потенциала на действие може да варира от милисекунди до няколко секунди.

У: За какво растенията използват тези нервни импулси?

A. V: Пример от учебника е венерината мухоловка, за която вече споменах. Тези растения живеят в райони с много влажна почва, в която въздухът трудно прониква и съответно има малко азот в тази почва. Мухоловките получават липсата на това основно вещество, като ядат насекоми и малки жаби, които улавят с електрически капан – две венчелистчета, всяко от които има вградени в него три пиезомеханични сензора. Когато насекомо седне на някое от венчелистчетата и докосне тези рецептори с лапа, в тях се генерира потенциал за действие. Ако насекомо докосне механосензора два пъти в рамките на 30 секунди, капанът се затваря за части от секундата. Проверихме работата на тази система – подадехме изкуствен електрически сигнал към капана на мухоловката на Венера и всичко заработи по същия начин – капанът беше затворен. След това повторихме тези експерименти с мимоза и други растения и така показахме, че е възможно да принудим растенията да се отварят, затварят, движат, навеждат - общо взето, правете каквото искате, използвайки електрически сигнали. В този случай външни възбуждения от различно естество генерират потенциали на действие в растенията, които могат да се различават по амплитуда, скорост и продължителност.

У: На какво друго могат да реагират растенията?

A. V: Ако косите тревата във вашата селска къща, тогава потенциалът за действие веднага ще отиде в корените на растенията. Върху тях ще започне експресията на някои гени, а върху разрезите се активира синтеза на водороден прекис, който предпазва растенията от инфекция. По същия начин, ако промените посоката на светлината, тогава през първите 100 секунди растението няма да реагира на него по никакъв начин, за да отреже опцията за сянка от птица или животно, а след това отново ще вървят електрически сигнали, според които инсталацията ще се завърти за секунди по такъв начин, че да улови максимално светлинния поток. Все едно ще се случи и когато започнете да капете вряла вода, и когато вдигнете горяща запалка и когато поставите растението в лед - растенията реагират на всякакви стимули с помощта на електрически сигнали, които контролират реакциите им на променена околна среда условия.

Памет на растенията

Растенията не само знаят как да реагират на външната среда и очевидно изчисляват действията си, но и свързват някои социални отношения помежду си. Например наблюденията на германския лесовъд Петер Волебен показват, че дърветата имат един вид приятелство: партньорските дървета са преплетени с корени и внимателно следят дали короните им не пречат на растежа на другия, докато произволните дървета не изпитват специални чувства към на съседите си, те винаги се опитват да грабнат за себе си повече жизнено пространство. В същото време приятелството може да възникне и между дървета от различни видове. И така, в експериментите на същия Манкузо учените наблюдават как малко преди смъртта на Дъглас изглежда, че оставя наследство: жълт бор недалеч от него изпраща голямо количество органична материя през кореновата система.

У: Имат ли растенията памет?

Александър Волков: Растенията имат всички същите видове памет като животните. Например, ние показахме, че мухоловката на Венера притежава памет: за да работи капанът, трябва да му бъдат изпратени 10 микродвойки електричество, но се оказва, че това не трябва да се прави за една сесия. Първо можете да сервирате два микрокулона, след това още пет и т.н. Когато общият брой е 10, на растението ще му се стори, че в него е влязло насекомо и то ще се затвори. Единственото нещо е, че не можете да правите паузи от повече от 40 секунди между сесиите, в противен случай броячът ще се върне на нула - получавате такава краткосрочна памет. А дългосрочната памет на растенията се вижда още по-лесно: например една пролетна слана ни удари на 30 април и буквално за една нощ всички цветя замръзнаха на смокинята, а на следващата година тя не цъфти до 1 май, защото си спомни какво е. приключи. Много подобни наблюдения са направени от физиолози на растенията през последните 50 години.

W: Къде се съхранява паметта на растенията?

A. V: Веднъж се срещнах на конференция на Канарските острови Леон Чуа, който по едно време предсказва съществуването на мемристори - съпротивления с паметта на преминалия ток. Влязохме в разговор: Чуа не знаеше почти нищо за йонните канали и електрофизиологията на растенията, аз - за мемристорите. В резултат на това той ме помоли да се опитам да потърся мемристори in vivo, защото според неговите изчисления те трябва да бъдат свързани с паметта, но досега никой не ги е намирал в живи същества. Направихме всичко: показахме, че зависимите от напрежението калиеви канали на алое вера, мимоза и същата мухоловка на Венера са мемристори по природа и в следващите произведения мемристивни свойства бяха открити в ябълки, картофи, тиквени семки и различни цветя. Напълно възможно е паметта на растенията да е обвързана именно с тези мемристори, но все още не е известно със сигурност.

У: Растенията знаят как да вземат решения, имат памет. Следващата стъпка са социалните взаимодействия. Могат ли растенията да общуват помежду си?

A. V: Знаете ли, в Аватар има епизод, в който дърветата комуникират помежду си под земята. Това не е фантазия, както може да се мисли, а установен факт. Когато живеех в СССР, често ходехме да берем гъби и всички знаеха, че гъбата трябва да се реже внимателно с нож, за да не се повреди мицела. Сега се оказва, че мицелът е електрически кабел, чрез който дърветата могат да комуникират както помежду си, така и с гъбите. Освен това има много доказателства, че дърветата обменят не само електрически сигнали по протежение на мицела, но и химически съединения или дори опасни вируси и бактерии.

У: Какво можете да кажете за мита, че растенията разбират човешката реч и затова трябва да говорите с тях любезно и спокойно, за да растат по-добре?

A. V: Това е просто мит, нищо друго.

У: Можем ли да приложим термините "болка", "мисли", "съзнание" към растенията?

A. V: Не знам нищо за това. Това вече са въпроси на философията. Миналото лято в Санкт Петербург имаше симпозиум за сигналите в растенията и няколко философи от различни страни дойдоха наведнъж, така че тази тема сега започва да се разглежда. Но съм свикнал да говоря за това, което мога експериментално да тествам или изчислим.

Растенията като сензори

Растенията могат да координират действията си с помощта на разклонени мрежи. Така растящата в африканската савана акация не само отделя токсично вещество в листата си, когато жирафите започнат да я ядат, но и излъчва летлив „алармен газ“, който изпраща сигнал за бедствие към околните растения. В резултат на това в търсене на храна жирафите трябва да се движат не до най-близките дървета, а да се отдалечат от тях средно на 350 метра. Днес учените мечтаят да използват такива мрежи от живи сензори, отстранени от природата, за мониторинг на околната среда и други задачи.

W: Опитвали ли сте да приложите изследванията си в областта на електрофизиологията на растенията на практика?

Александър Волков: Имам патенти за прогнозиране и регистриране на земетресения с помощта на растения. В навечерието на земетресенията (в различни части на света интервалът от време варира от два до седем дни) движението на земната кора причинява характерни електромагнитни полета. По едно време японците предложиха да ги оправят с помощта на гигантски антени - парчета желязо с височина два километра, но никой не можеше да построи такива антени и това не е необходимо. Растенията са толкова чувствителни към електромагнитни полета, че могат да предскажат земетресения по-добре от всяка антена. Например използвахме алое вера за тези цели – свързвахме електроди от сребърен хлорид към листата му, записвахме електрическата активност и обработвахме данните.

У: Звучи абсолютно фантастично. Защо тази система все още не се прилага на практика?

A. V: Тук възникна неочакван проблем. Вижте: да кажем, че сте кмет на Сан Франциско и разберете, че след два дни ще има земетресение. Какво ще правиш? Ако кажете на хората за това, тогава в резултат на паника и смазване, дори повече хора могат да загинат или да бъдат ранени, отколкото при земетресение. Заради такива ограничения не мога дори публично да обсъждам резултатите от нашата работа в откритата преса. Във всеки случай, мисля, че рано или късно ще имаме различни системи за наблюдение, работещи на сензорни инсталации. Например в една наша работа показахме, че с помощта на анализа на електрофизиологичните сигнали е възможно да се създаде система за моментална диагностика на различни болести по земеделските растения.

Още по темата:

Растителен ум

Език на растенията