Zašto su biljkama potrebni živčani impulsi

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Stoljetni hrastovi, bujna trava, svježe povrće - nekako nismo navikli smatrati biljke živim bićima, i uzalud. Eksperimenti pokazuju da biljke imaju neku vrstu složenog analoga živčanog sustava i, baš kao i životinje, mogu donositi odluke, pohranjivati sjećanja, komunicirati, pa čak i darivati jedni druge.

Profesor Sveučilišta Oakwood Alexander Volkov pomogao je detaljnije razumjeti elektrofiziologiju biljaka.

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

Aleksandar Volkov:Nisi sam. Šira javnost navikla je vidjeti biljke kao hranu ili elemente krajolika, a da ni ne shvaćaju da su žive. Jednom sam u Helsinkiju radio reportažu o elektrofiziologiji biljaka, a onda su se moji kolege jako iznenadili: “Ranije sam se bavio ozbiljnom temom – tekućinama koje se ne miješaju, a sada sam se bavio nekakvim voćem i povrćem”. Ali to nije uvijek bio slučaj: prve knjige o elektrofiziologiji biljaka objavljene su u 18. stoljeću, a zatim su se proučavanje životinja i biljaka odvijalo gotovo paralelno. Na primjer, Darwin je bio uvjeren da je korijen vrsta mozga, kemijsko računalo koje obrađuje signale iz cijele biljke (vidi, na primjer, "Kretanje u biljkama"). A onda je došao Prvi svjetski rat i sva sredstva su bačena u proučavanje elektrofiziologije životinja, jer su ljudi trebali nove lijekove.

W: Čini se logičnim: laboratorijski miševi su ipak puno 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 vodljivog tkiva neurona - floema. Ima isti sastav, veličinu i funkciju kao i neuroni. Jedina razlika je što se kod životinja koriste natrijevi i kalijevi ionski kanali u neuronima za prijenos akcijskih potencijala, dok se u biljnom floemu koriste kloridni i kalijevi ionski kanali. To je cijela razlika u neurofiziologiji. Nijemci su nedavno pronašli kemijske sinapse u biljkama, mi smo električni, i općenito, biljke imaju iste neurotransmitere kao i životinje. Čini mi se da je to čak i logično: da stvaram svijet, a ja sam lijenčina, sve bih učinio isto tako da sve bude kompatibilno.

Zašto su biljkama potrebni živčani impulsi?

Ne razmišljamo o tome, ali biljke u svom životu procesuiraju čak više vrsta signala iz vanjskog okruženja od ljudi ili bilo koje druge životinje. Oni reagiraju na svjetlost, toplinu, gravitaciju, sastav soli u tlu, magnetsko polje, razne patogene i fleksibilno mijenjaju svoje ponašanje pod utjecajem primljenih informacija. Primjerice, u laboratoriju Stefana Mancusa sa Sveučilišta u Firenci, provedeni su pokusi s dva izdanka graha penjača. Znanstvenici su uspostavili zajedničku potporu između biljaka i izbojci su počeli juriti prema njoj. Ali čim se prva biljka popela na oslonac, činilo se da se druga odmah prepoznala kao poražena i prestala rasti u ovom smjeru. Shvatilo je da je borba za resurse besmislena i da je bolje tražiti sreću negdje drugdje.

W: Biljke se ne kreću, rastu sporo i općenito žive bez žurbe. Čini se da bi se i njihovi živčani impulsi trebali širiti puno sporije

Aleksandar Volkov: Ovo je zabluda koja dugo postoji u znanosti. 70-ih godina XIX stoljeća Britanci su izmjerili da se akcijski potencijal venerine muholovke širi brzinom od 20 centimetara u sekundi, ali to je bila pogreška. Bili su biolozi i uopće nisu poznavali tehniku električnih mjerenja: Britanci su u svojim eksperimentima koristili spore voltmetre, koji su bilježili živčane impulse čak i sporije nego što su se oni širili, što je potpuno neprihvatljivo. Sada znamo da živčani impulsi mogu prolaziti kroz biljke vrlo različitim brzinama, ovisno o mjestu pobuđenog signala i njegovoj prirodi. Maksimalna brzina širenja akcijskih potencijala u biljkama usporediva je s istim pokazateljima kod životinja, a vrijeme opuštanja nakon prolaska akcijskog potencijala može varirati od milisekundi do nekoliko sekundi.

W: Za što biljke koriste te živčane impulse?

A. V: Primjer iz udžbenika je venerina muholovka, koju sam već spomenuo. Ove biljke žive u područjima s vrlo vlažnim tlom, u koje je teško prodirati zrak, te, sukladno tome, u ovom tlu ima malo dušika. Muharice nedostatak ove bitne tvari dobivaju jedući kukce i male žabe koje hvataju električnom zamkom - dvije latice od kojih svaka ima ugrađena tri piezomehanička senzora. Kada kukac sjedne na bilo koju od latica i dodirne te receptore šapom, u njima se stvara akcijski potencijal. Ako kukac dvaput dotakne mehanosenzor unutar 30 sekundi, tada se zamka zatvara u djeliću sekunde. Provjerili smo rad ovog sustava – primijenili smo umjetni električni signal na zamku venerine muholovke i sve je funkcioniralo na isti način – zamka je zatvorena. Zatim smo ponovili ove pokuse s mimozom i drugim biljkama i tako smo pokazali da je moguće natjerati biljke da se otvaraju, zatvaraju, pomiču, sagnu – općenito, radi što god želiš, koristeći električne signale. U tom slučaju vanjske pobude različite prirode stvaraju u biljkama akcijske potencijale koji se mogu razlikovati po amplitudi, brzini i trajanju.

W: Na što još biljke mogu reagirati?

A. V: Ako pokosite travu u svojoj seoskoj kući, tada će akcijski 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. Uvjeti.

Biljna memorija

Biljke ne samo da znaju kako reagirati na vanjsko okruženje i, očito, proračunati svoje postupke, već i međusobno povezuju neke društvene odnose. Primjerice, zapažanja njemačkog šumara Petera Vollebena pokazuju da stabla imaju svojevrsno prijateljstvo: partnerska stabla su isprepletena korijenjem i pažljivo prate da im krošnje ne ometaju rast, dok nasumična stabla nemaju posebne osjećaje za svojim susjedima uvijek nastoje ugrabiti za sebe više životnog prostora. Istodobno, prijateljstvo može nastati i između stabala različitih vrsta. Dakle, u eksperimentima istog Mancusa, znanstvenici 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 sustav.

W: Imaju li biljke pamćenje?

Aleksandar Volkov: Biljke imaju sve iste vrste pamćenja kao i životinje. Primjerice, pokazali smo da Venerina muholovka posjeduje memoriju: da bi zamka funkcionirala, potrebno joj je poslati 10 mikroparova električne energije, no pokazalo se da to ne mora biti učinjeno u jednoj sesiji. Prvo možete poslužiti dva mikrokulona, pa još pet i tako dalje. Kad je ukupno 10, biljci će se činiti da je u nju ušao kukac i ona će se zalupiti. Jedina stvar je da ne možete praviti pauze dulje 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. travnja i doslovno preko noći sve cvijeće smrzlo se na smokvi, a sljedeće godine nije procvjetala sve do 1. svibnja. jer je zapamtilo što je bilo.završio. U posljednjih 50 godina biljni su fiziolozi napravili mnogo sličnih zapažanja.

W: Gdje je pohranjena biljna memorija?

A. V: Jednom sam na konferenciji na Kanarskim otocima susreo Leona Chuu, koji je svojedobno predvidio postojanje memristora - otpora sa sjećanjem na propuštenu struju. Ušli smo u razgovor: Chua nije znao gotovo ništa o ionskim kanalima i elektrofiziologiji biljaka, ja - o memristorima. Zbog toga me zamolio da pokušam potražiti memristore in vivo, jer bi prema njegovim izračunima trebali biti povezani s pamćenjem, ali ih do sada nitko nije pronašao u živim bićima. Učinili smo sve: pokazali smo da su naponsko ovisni kalijevi kanali aloe vere, mimoze i iste venerine muholovke po prirodi memristori, a u sljedećim radovima pronađena su memristivna svojstva u jabukama, krumpiru, sjemenkama bundeve i različitim cvijeće. Sasvim je moguće da je sjećanje biljaka vezano upravo za te memristore, ali to se još pouzdano ne zna.

W: Biljke znaju donositi odluke, imaju pamćenje. Sljedeći korak su društvene interakcije. Mogu li biljke međusobno komunicirati?

A. V: Znate, u Avataru postoji epizoda u kojoj stabla međusobno komuniciraju pod zemljom. Ovo nije fantazija, kako bi se moglo misliti, već utvrđena činjenica. Kad sam živio u SSSR-u, često smo išli brati gljive 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 stabla mogu komunicirati i jedno s drugim i s gljivama. Štoviše, postoji mnogo dokaza da stabla razmjenjuju ne samo električne signale duž micelija, već i kemijske spojeve ili čak opasne viruse i bakterije.

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

A. V: Ovo je samo mit, ništa drugo.

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

A. V: Ne znam ništa o ovome. To su već pitanja filozofije. Prošlog ljeta u Sankt Peterburgu je bio simpozij o signalima u biljkama, a tamo je odjednom došlo nekoliko filozofa iz različitih zemalja, pa se sada počinje baviti ovom temom. Ali navikao sam govoriti o onome što mogu eksperimentalno testirati ili izračunati.

Biljke kao senzori

Biljke su sposobne koordinirati svoje djelovanje koristeći razgranate mreže. Dakle, bagrem koji raste u afričkoj savani ne samo da ispušta otrovnu tvar u svoje lišće kada ga žirafe počnu jesti, već emitira i hlapljiv "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 u prosjeku udaljiti od njih 350 metara. Danas znanstvenici 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 registriranje potresa pomoću biljaka. Uoči potresa (u različitim dijelovima svijeta vremenski interval varira od dva do sedam dana), pomicanje zemljine kore uzrokuje karakteristična elektromagnetska polja. Svojedobno su Japanci predlagali da ih popravi uz pomoć divovskih antena - komada željeza visine dva kilometra, ali nitko nije mogao izgraditi takve antene, a to nije potrebno. Biljke su toliko osjetljive na elektromagnetska polja da mogu predvidjeti potrese bolje od bilo koje antene. Primjerice, u te svrhe koristili smo aloe veru – na njezino lišće smo spojili elektrode srebrnog klorida, bilježili električnu aktivnost i obrađivali podatke.

W: Zvuči apsolutno fantastično. Zašto se ovaj sustav još uvijek ne provodi 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 potres. Što ćeš učiniti? Ako o tome kažete ljudima, tada bi od panike i zgnječenja moglo poginuti ili ozlijediti čak i više ljudi nego u potresu. Zbog takvih ograničenja ne mogu ni javno raspravljati o rezultatima našeg rada u otvorenom tisku. U svakom slučaju, mislim da ćemo prije ili kasnije imati razne sustave nadzora koji će raditi na senzorskim postrojenjima. Primjerice, u jednom svom radu pokazali smo da je analizom elektrofizioloških signala moguće izraditi sustav za trenutnu dijagnostiku različitih bolesti poljoprivrednih biljaka.

Više o temi:

Biljni um

Jezik biljaka