Miksi kasvit tarvitsevat hermoimpulsseja

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Vuosisatoja vanhat tammet, rehevä ruoho, tuoreet vihannekset - jotenkin emme ole tottuneet pitämään kasveja elävinä olentoina, ja turhaan. Kokeet osoittavat, että kasveilla on eräänlainen monimutkainen hermoston analogi, ja aivan kuten eläimet pystyvät tekemään päätöksiä, tallentamaan muistoja, kommunikoimaan ja jopa antamaan toisilleen lahjoja.

Oakwood Universityn professori Alexander Volkov auttoi ymmärtämään tarkemmin kasvien sähköfysiologiaa.

Toimittaja: En olisi koskaan uskonut, että joku tekee kasvien elektrofysiologiaa, ennen kuin törmäsin artikkeleihisi

Aleksanteri Volkov:Et ole yksin. Suuri yleisö on tottunut näkemään kasveja ravinto- tai maisemaelementteinä edes huomaamatta niiden olevan elossa. Kerran tein Helsingissä raportin kasvien sähköfysiologiasta, ja sitten kollegani olivat hyvin yllättyneitä: "Kävin vakavaa aihetta - sekoittumattomia nesteitä, mutta nyt olin tekemisissä jonkinlaisten hedelmien ja vihannesten kanssa". Mutta näin ei aina ollut: ensimmäiset kirjat kasvien sähköfysiologiasta julkaistiin 1700-luvulla, ja sitten eläinten ja kasvien tutkimus eteni lähes rinnakkain. Esimerkiksi Darwin oli vakuuttunut siitä, että juuri on eräänlainen aivot, kemiallinen tietokone, joka käsittelee signaaleja koko kasvista (katso esimerkiksi "Liike kasveissa"). Ja sitten tuli ensimmäinen maailmansota ja kaikki resurssit heitettiin eläinten sähköfysiologian tutkimukseen, koska ihmiset tarvitsivat uusia lääkkeitä.

W: Vaikuttaa loogiselta: laboratoriohiiret ovat edelleen paljon lähempänä ihmistä kuin orvokit

A. V:Todellisuudessa erot kasvien ja eläinten välillä eivät ole ollenkaan niin suuria, ja sähköfysiologiassa ne ovat yleensä minimaalisia. Kasveilla on lähes täydellinen neuronin analogi - floemi johtava kudos. Sillä on sama koostumus, koko ja toiminta kuin neuroneilla. Ainoa ero on, että eläimissä natrium- ja kalium-ionikanavia käytetään neuroneissa välittämään toimintapotentiaalia, kun taas kasveissa käytetään kloridi- ja kalium-ionikanavia. Se on koko ero neurofysiologiassa. Saksalaiset ovat äskettäin löytäneet kasveista kemiallisia synapseja, me olemme sähköisiä, ja yleensä kasveilla on samat välittäjäaineet kuin eläimillä. Minusta tämä tuntuu jopa loogiselta: jos minä luoisin maailmaa ja olisin laiska, tekisin kaikesta samanlaista, jotta kaikki olisi yhteensopivaa.

Miksi kasvit tarvitsevat hermoimpulssia?

Emme ajattele sitä, mutta kasvit prosessoivat elämässään jopa enemmän signaaleja ulkoisesta ympäristöstä kuin ihmiset tai muut eläimet. Ne reagoivat valoon, lämpöön, painovoimaan, maaperän suolakoostumukseen, magneettikenttään, erilaisiin taudinaiheuttajiin ja muuttavat käyttäytymistään joustavasti saamansa tiedon vaikutuksesta. Esimerkiksi Firenzen yliopiston Stefano Mancuson laboratoriossa tehtiin kokeita kahdella kiipeilypavun versolla. Tiedemiehet loivat yhteisen tuen kasvien välille, ja versot alkoivat kilpailla sitä kohti. Mutta heti kun ensimmäinen kasvi kiipesi tuen päälle, toinen näytti heti tunnistavan itsensä tappiolliseksi ja lakkasi kasvamasta tähän suuntaan. Se ymmärsi, että kamppailu resursseista on turhaa ja onnea on parempi etsiä jostain muualta.

W: Kasvit eivät liiku, kasvavat hitaasti ja elävät yleensä kiireettömästi. Näyttää siltä, että heidän hermoimpulssien pitäisi myös levitä paljon hitaammin

Aleksanteri Volkov: Tämä on harha, joka on ollut tieteessä pitkään. XIX-luvun 70-luvulla britit mittasivat, että Venuksen kärpäsloukun toimintapotentiaali leviää nopeudella 20 senttimetriä sekunnissa, mutta tämä oli virhe. He olivat biologeja eivätkä tienneet sähkömittausten tekniikkaa ollenkaan: britit käyttivät kokeissaan hitaita volttimittareita, jotka tallensivat hermoimpulsseja jopa hitaammin kuin ne etenivät, mikä on täysin mahdotonta hyväksyä. Nyt tiedämme, että hermoimpulssit voivat kulkea kasvien läpi hyvin eri nopeuksilla, riippuen signaalin virityspaikasta ja sen luonteesta. Kasveissa toimintapotentiaalien etenemisen maksiminopeus on verrattavissa samoihin indikaattoreihin eläimillä, ja relaksaatioaika toimintapotentiaalin kulumisen jälkeen voi vaihdella millisekunneista useisiin sekunteihin.

W: Mihin kasvit käyttävät näitä hermoimpulsseja?

A. V: Oppikirjaesimerkki on Venus-kärpäsloukku, jonka olen jo maininnut. Nämä kasvit elävät alueilla, joilla on erittäin kostea maaperä, johon ilman on vaikea tunkeutua, ja näin ollen tässä maaperässä on vähän typpeä. Perhosiepparit saavat tämän välttämättömän aineen puutteen syömällä hyönteisiä ja pieniä sammakoita, jotka ne nappaavat sähköloukun avulla - kahdella terälehdellä, joista jokaisessa on sisäänrakennettu kolme pietsomekaanista anturia. Kun hyönteinen istuu jollakin terälehdellä ja koskettaa näitä reseptoreita tassullaan, niissä syntyy toimintapotentiaali. Jos hyönteinen koskettaa mekanosensoria kahdesti 30 sekunnin sisällä, ansa suljetaan sekunnin murto-osassa. Tarkistimme tämän järjestelmän toiminnan - annoimme keinotekoisen sähkösignaalin Venus-perholoukun ansaan, ja kaikki toimi samalla tavalla - ansa suljettiin. Sitten toistimme nämä kokeet mimoosilla ja muilla kasveilla ja näin osoitimme, että on mahdollista pakottaa kasvit avautumaan, sulkeutumaan, liikkumaan, kumartumaan - yleensä, tee mitä haluat sähkösignaalien avulla. Tällöin erilaiset ulkoiset viritteet synnyttävät kasveissa toimintapotentiaalia, joiden amplitudi, nopeus ja kesto voivat vaihdella.

W: Mihin muuhun kasvit voivat reagoida?

A. V: Jos leikkaat ruohon maalaistalossasi, toimintapotentiaalit menevät välittömästi kasvien juurille. Joidenkin geenien ilmentyminen alkaa niissä, ja leikkauksissa aktivoituu vetyperoksidin synteesi, mikä suojaa kasveja tartunnalta. Samalla tavalla, jos muutat valon suuntaa, niin ensimmäisten 100 sekunnin aikana kasvi ei reagoi siihen millään tavalla leikatakseen varjon mahdollisuuden linnulta tai eläimeltä, ja sitten sähköiset signaalit taas menevät, joiden mukaan laitos kääntyy sekunneissa siten, että valovirran vangitseminen maksimoidaan. Sama tapahtuu, ja kun alat tippua kiehuvaa vettä, ja kun nostat palavan sytyttimen ja kun laitat kasvin jäähän - kasvit reagoivat kaikkiin ärsykkeisiin sähköisten signaalien avulla, jotka ohjaavat heidän reaktioitaan muuttuneeseen ympäristöön. ehdot.

Kasvien muisti

Kasvit eivät vain osaa reagoida ulkoiseen ympäristöön ja ilmeisesti laskea toimintansa, vaan myös sitovat joitain sosiaalisia suhteita keskenään. Esimerkiksi saksalaisen metsänhoitajan Peter Vollebenin havainnot osoittavat, että puilla on eräänlainen ystävyys: kumppanipuut kietoutuvat juuriin ja tarkkailevat tarkasti, etteivät latvut häiritse toistensa kasvua, kun taas satunnaisilla puilla ei ole erityisiä tunteita. naapureilleen, he yrittävät aina napata itselleen lisää asuintilaa. Samaan aikaan ystävyyttä voi syntyä myös erityyppisten puiden välillä. Joten saman Mancuson kokeissa tutkijat havaitsivat, kuinka vähän ennen Douglasin kuolemaa näyttää siltä, että se jättää perinnön: sen lähellä oleva keltainen mänty lähetti suuren määrän orgaanista ainetta juurijärjestelmän läpi.

V: Onko kasveilla muistia?

Aleksanteri Volkov: Kasveilla on samanlainen muisti kuin eläimillä. Olemme esimerkiksi osoittaneet, että Venus-kärpäsloukussa on muistia: jotta anso toimisi, siihen on lähetettävä 10 mikroparia sähköä, mutta käy ilmi, että tätä ei tarvitse tehdä yhdessä istunnossa. Voit tarjoilla ensin kaksi mikrokulonia, sitten vielä viisi ja niin edelleen. Kun kokonaismäärä on 10, kasvi näyttää, että siihen on päässyt hyönteinen, ja se napsahtaa kiinni. Ainoa asia on, että et voi pitää yli 40 sekunnin taukoja istuntojen välillä, muuten laskuri nollautuu - saat niin lyhytaikaisen muistin. Ja kasvien pitkäaikainen muisti on vielä helpompi nähdä: esimerkiksi yksi kevätpakka iski meille 30. huhtikuuta ja kirjaimellisesti yhdessä yössä kaikki kukat jäätyivät viikunapuuhun, ja seuraavana vuonna se kukki vasta 1. toukokuuta, koska se muisti mitä se oli. päättyi. Kasvifysiologit ovat tehneet paljon samanlaisia havaintoja viimeisen 50 vuoden aikana.

W: Mihin kasvin muisti on tallennettu?

A. V: Tapasin kerran Kanariansaarilla konferenssissa Leon Chuan, joka ennusti aikoinaan memristoreiden olemassaoloa - vastustuksia kuluneen virran muistilla. Pääsimme keskusteluun: Chua ei tiennyt melkein mitään kasvien ionikanavista ja sähköfysiologiasta, minä - memristoreista. Tämän seurauksena hän pyysi minua yrittämään etsiä memristoreita in vivo, koska hänen laskelmiensa mukaan niiden pitäisi liittyä muistiin, mutta toistaiseksi kukaan ei ole löytänyt niitä elävistä olennoista. Teimme kaiken: osoitimme, että aloe veran, mimosan ja saman Venuksen kärpäsloukun jänniteriippuvaiset kaliumkanavat ovat luonteeltaan memristoreita, ja seuraavissa töissä muistiominaisuuksia löytyi omenoista, perunoista, kurpitsansiemenistä ja erilaisista kukat. On täysin mahdollista, että kasvien muisti on sidottu juuri näihin memristoreihin, mutta sitä ei vielä tiedetä varmasti.

W: Kasvit osaavat tehdä päätöksiä, niillä on muisti. Seuraava askel on sosiaalinen vuorovaikutus. Voivatko kasvit kommunikoida keskenään?

A. V: Tiedätkö, Avatarissa on jakso, jossa puut kommunikoivat keskenään maan alla. Tämä ei ole fantasia, kuten voisi luulla, vaan todettu tosiasia. Kun asuin Neuvostoliitossa, menimme usein poimimaan sieniä ja kaikki tiesivät, että sieni on leikattava huolellisesti veitsellä, jotta sieni ei vahingoitu. Nyt käy ilmi, että myseeli on sähkökaapeli, jonka kautta puut voivat kommunikoida sekä keskenään että sienten kanssa. Lisäksi on runsaasti todisteita siitä, että puut vaihtavat paitsi sähköisiä signaaleja myseeliä pitkin, myös kemiallisia yhdisteitä tai jopa vaarallisia viruksia ja bakteereja.

W: Mitä voit sanoa myytistä, että kasvit ymmärtävät ihmisen puhetta ja siksi sinun on puhuttava heille ystävällisesti ja rauhallisesti, jotta ne kasvavat paremmin?

A. V: Tämä on vain myytti, ei mitään muuta.

W: Voimmeko soveltaa termejä "kipu", "ajatukset", "tietoisuus" kasveihin?

A. V: En tiedä tästä mitään. Nämä ovat jo filosofian kysymyksiä. Viime kesänä Pietarissa pidettiin symposiumi kasvien signaaleista ja sinne saapui useita filosofeja eri maista, joten tätä aihetta aletaan nyt käsitellä. Mutta olen tottunut puhumaan siitä, mitä voin kokeellisesti testata tai laskea.

Kasvit antureina

Tehtaat pystyvät koordinoimaan toimintaansa haaroittuneiden verkostojen avulla. Siten Afrikan savannissa kasvava akaasia ei ainoastaan vapauta myrkyllistä ainetta lehtiinsä, kun kirahvit alkavat syödä sitä, vaan myös lähettää haihtuvaa "hälytyskaasua", joka lähettää hätäsignaalin ympäröiville kasveille. Tämän seurauksena kirahvit eivät tarvitse ruokaa etsiessään siirtyä lähimpien puiden luo, vaan poistumaan niistä keskimäärin 350 metriä. Nykyään tiedemiehet haaveilevat tällaisten elävien antureiden verkkojen käytöstä, luonnon vianmäärityksestä ympäristön valvontaan ja muihin tehtäviin.

W: Oletko yrittänyt toteuttaa kasvien elektrofysiologian tutkimusta käytännössä?

Aleksanteri Volkov: Minulla on patentteja maanjäristysten ennustamiseen ja rekisteröintiin kasveja käyttämällä. Maanjäristysten aattona (eri puolilla maailmaa aikaväli vaihtelee kahdesta seitsemään päivään) maankuoren liike aiheuttaa ominaisia sähkömagneettisia kenttiä. Kerran japanilaiset ehdottivat niiden korjaamista jättiläisten antennien avulla - kahden kilometrin korkeudet rautapalat, mutta kukaan ei voinut rakentaa sellaisia antenneja, eikä tämä ole välttämätöntä. Kasvit ovat niin herkkiä sähkömagneettisille kentille, että ne pystyvät ennustamaan maanjäristyksiä paremmin kuin mikään antenni. Esimerkiksi käytimme aloe veraa näihin tarkoituksiin - liitimme hopeakloridielektrodit sen lehtiin, rekisteröimme sähköisen toiminnan ja käsittelimme tiedot.

W: Kuulostaa aivan fantastiselta. Miksi tätä järjestelmää ei vieläkään toteuteta käytännössä?

A. V: Tässä oli odottamaton ongelma. Katsotaan: Oletetaan, että olet San Franciscon pormestari ja saat selville, että kahden päivän kuluttua tapahtuu maanjäristys. Mitä aiot tehdä? Jos kerrot tästä ihmisille, niin paniikin ja murskauksen seurauksena jopa enemmän ihmisiä voi kuolla tai loukkaantua kuin maanjäristyksessä. Tällaisten rajoitusten takia en voi edes julkisesti keskustella työmme tuloksista avoimessa lehdistössä. Joka tapauksessa uskon, että ennemmin tai myöhemmin meillä on erilaisia valvontajärjestelmiä, jotka toimivat anturilaitoksissa. Esimerkiksi yhdessä työssämme olemme osoittaneet, että sähköfysiologisten signaalien analyysin avulla on mahdollista luoda järjestelmä erilaisten maatalouskasvien sairauksien välittömään diagnosointiin.

Lisää aiheesta:

Istuta mieli

Kasvien kieli