Varför behöver växter nervimpulser

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Århundraden gamla ekar, frodigt gräs, färska grönsaker - på något sätt är vi inte vana vid att betrakta växter som levande varelser, och förgäves. Experiment visar att växter har en slags komplex analog till nervsystemet och, precis som djur, kan fatta beslut, lagra minnen, kommunicera och till och med ge varandra gåvor.

Professor vid Oakwood University Alexander Volkov hjälpte till att förstå växternas elektrofysiologi mer i detalj.

Journalist: Jag skulle aldrig ha trott att någon höll på med växtelektrofysiologi förrän jag stötte på dina artiklar

Alexander Volkov:Du är inte ensam. Allmänheten är van vid att se växter som mat eller landskapselement utan att ens inse att de lever. En gång gjorde jag en rapport i Helsingfors om växters elektrofysiologi, och då blev mina kollegor mycket förvånade: "Jag brukade ta itu med ett allvarligt ämne - oblandbara vätskor, men nu hade jag att göra med någon slags frukt och grönsaker". Men så var inte alltid fallet: de första böckerna om växters elektrofysiologi publicerades på 1700-talet, och sedan fortgick studiet av djur och växter på nästan parallella sätt. Darwin var till exempel övertygad om att roten är en sorts hjärna, en kemisk dator som bearbetar signaler från hela växten (se t.ex. "Movement in Plants"). Och så kom första världskriget och alla resurser kastades in i studiet av djurens elektrofysiologi, eftersom människor behövde nya läkemedel.

W: Det verkar logiskt: laboratoriemöss är fortfarande mycket närmare människor än violer

A. V:I verkligheten är skillnaderna mellan växter och djur inte alls så enorma, och inom elektrofysiologi är de i allmänhet minimala. Växter har en nästan komplett analog av en neuron - floem ledande vävnad. Den har samma sammansättning, storlek och funktion som neuroner. Den enda skillnaden är att hos djur används natrium- och kaliumjonkanaler i neuroner för att överföra aktionspotentialer, medan i växtfloem används klorid- och kaliumjonkanaler. Det är hela skillnaden i neurofysiologi. Tyskarna har nyligen hittat kemiska synapser i växter, vi är elektriska och i allmänhet har växter samma signalsubstanser som djur. Det verkar för mig att detta till och med är logiskt: om jag skapade världen och jag är en lat person, skulle jag göra allt likadant så att allt är kompatibelt.

Varför behöver växter nervimpulser?

Vi tänker inte på det, men växter bearbetar i sitt liv ännu fler typer av signaler från den yttre miljön än människor eller något annat djur. De reagerar på ljus, värme, gravitation, jordens saltsammansättning, magnetfält, olika patogener och ändrar flexibelt sitt beteende under påverkan av den mottagna informationen. Till exempel, i laboratoriet av Stefano Mancuso vid universitetet i Florens, utfördes experiment med två klättrande bönskott. Forskare etablerade ett gemensamt stöd mellan växterna, och skotten började rasa mot det. Men så snart den första plantan klättrade upp på stödet, verkade den andra genast känna igen sig som besegrad och slutade växa i denna riktning. Den förstod att kampen om resurser är meningslös och att det är bättre att leta efter lyckan någon annanstans.

W: Växter rör sig inte, växer långsamt och lever i allmänhet lugnt. Det verkar som att deras nervimpulser också borde fortplanta sig mycket långsammare

Alexander Volkov: Detta är en vanföreställning som har funnits länge inom vetenskapen. På 70-talet av XIX-talet mätte britterna att aktionspotentialen hos Venus flugfällan sprider sig med en hastighet av 20 centimeter per sekund, men detta var ett misstag. De var biologer och kunde inte alls tekniken för elektriska mätningar: i sina experiment använde britterna långsamma voltmetrar, som registrerade nervimpulser ännu långsammare än de fortplantade sig, vilket är helt oacceptabelt. Nu vet vi att nervimpulser kan löpa genom växter med väldigt olika hastigheter, beroende på platsen för signalexcitation och på dess natur. Den maximala hastigheten för utbredning av aktionspotentialer i växter är jämförbar med samma indikatorer hos djur, och relaxationstiden efter passagen av aktionspotentialen kan variera från millisekunder till flera sekunder.

W: Vad använder växter dessa nervimpulser till?

A. V: Ett läroboksexempel är Venusflugfällan, som jag redan har nämnt. Dessa växter lever i områden med mycket fuktig jord, som är svår för luft att tränga in, och följaktligen finns det lite kväve i denna jord. Flugsnappare får bristen på detta väsentliga ämne genom att äta insekter och små grodor, som de fångar med en elektrisk fälla - två kronblad, som var och en har tre piezomekaniska sensorer inbyggda i sig. När en insekt sitter på något av kronbladen och vidrör dessa receptorer med sin tass, genereras en aktionspotential i dem. Om en insekt vidrör mekanosensorn två gånger inom 30 sekunder, stängs fällan igen på en bråkdel av en sekund. Vi kontrollerade det här systemets funktion - vi applicerade en konstgjord elektrisk signal på fällan av Venus flugfällan, och allt fungerade på samma sätt - fällan stängdes. Sedan upprepade vi dessa experiment med mimosa och andra växter och så visade vi att det är möjligt att tvinga växter att öppna, stänga, röra sig, böja sig ner - i allmänhet gör vad du vill, med hjälp av elektriska signaler. I detta fall genererar externa excitationer av en annan karaktär aktionspotentialer i växter, som kan skilja sig åt i amplitud, hastighet och varaktighet.

W: Vad mer kan växter reagera på?

A. V: Om du klipper gräset i ditt hus på landet, kommer aktionspotentialer omedelbart att gå till växternas rötter. Uttrycket av vissa gener kommer att börja på dem, och syntesen av väteperoxid aktiveras på skären, vilket skyddar växter från infektion. På samma sätt, om du ändrar ljusets riktning, kommer växten under de första 100 sekunderna inte att reagera på det på något sätt, för att avbryta alternativet för en skugga från en fågel eller ett djur, och sedan elektriska signaler kommer igen att gå, enligt vilka anläggningen kommer att vända på några sekunder på ett sådant sätt att det maximerar fånga ljusflödet. Samma sak kommer att hända, och när du börjar droppa kokande vatten, och när du tar upp en brinnande tändare och när du lägger plantan i is - reagerar växter på alla stimuli med hjälp av elektriska signaler som styr deras reaktioner på förändrad miljö betingelser.

Växtminne

Växter vet inte bara hur de ska reagera på den yttre miljön och, uppenbarligen, beräkna sina handlingar, utan binder också upp vissa sociala relationer sinsemellan. Den tyske jägmästaren Peter Vollebens observationer visar till exempel att träd har en slags vänskap: partnerträd är sammanflätade med rötter och övervakar noggrant att deras kronor inte stör varandras tillväxt, medan slumpmässiga träd inte har några speciella känslor för till sina grannar försöker de alltid skaffa sig mer bostadsyta. Samtidigt kan vänskap också uppstå mellan träd av olika slag. Så, i experimenten från samma Mancuso, observerade forskare hur det, strax före Douglas död, verkar som om det lämnar ett arv: en gul tall inte långt från den skickade en stor mängd organiskt material genom rotsystemet.

W: Har växter minne?

Alexander Volkov: Växter har alla samma typer av minne som djur. Vi har till exempel visat att Venusflugfällan besitter minne: för att fällan ska fungera måste 10 mikropar elektricitet skickas till den, men det visar sig att detta inte behöver göras i en session. Du kan först servera två mikrocoulomb, sedan ytterligare fem, och så vidare. När summan är 10, kommer det att verka för växten att en insekt har kommit in i den, och den kommer att slå igen. Det enda är att du inte kan ta pauser på mer än 40 sekunder mellan sessionerna, annars nollställs räknaren - du får ett sådant korttidsminne. Och växternas långtidsminne är ännu lättare att se: till exempel slog en vårfrost oss den 30 april, och bokstavligen över natten frös alla blommor på fikonträdet, och nästa år blommade den inte förrän den 1 maj, eftersom det kom ihåg vad det var. slutade. Många liknande observationer har gjorts av växtfysiologer under de senaste 50 åren.

W: Var lagras växtminnet?

A. V: En gång träffade jag på en konferens på Kanarieöarna Leon Chua, som vid ett tillfälle förutspådde förekomsten av memristorer - motstånd med minnet av den passerade strömmen. Vi kom in i ett samtal: Chua visste nästan ingenting om jonkanaler och elektrofysiologi hos växter, jag - om memristorer. Som ett resultat bad han mig att försöka leta efter memristorer in vivo, för enligt hans beräkningar borde de förknippas med minne, men hittills har ingen hittat dem i levande varelser. Vi gjorde allt: vi visade att de spänningsberoende kaliumkanalerna av aloe vera, mimosa och samma Venus flugfälla är memristorer av naturen, och i följande arbeten hittades memristiva egenskaper i äpplen, potatis, pumpafrön och olika blommor. Det är mycket möjligt att minnet av växter är knutet just till dessa memristorer, men det är ännu inte känt med säkerhet.

W: Växter vet hur man fattar beslut, har ett minne. Nästa steg är sociala interaktioner. Kan växter kommunicera med varandra?

A. V: Du vet, i Avatar finns ett avsnitt där träd kommunicerar med varandra under jorden. Detta är inte en fantasi, som man kan tro, utan ett etablerat faktum. När jag bodde i Sovjetunionen gick vi ofta för att plocka svamp och alla visste att svampen måste skäras försiktigt med en kniv för att inte skada mycelet. Nu visar det sig att mycelet är en elektrisk kabel genom vilken träd kan kommunicera både med varandra och med svamp. Dessutom finns det gott om bevis för att träd inte bara utbyter elektriska signaler längs mycelet, utan också kemiska föreningar eller till och med farliga virus och bakterier.

W: Vad kan du säga om myten att växter förstår mänskligt tal, och därför behöver du prata med dem vänligt och lugnt så att de växer bättre?

A. V: Detta är bara en myt, inget annat.

W: Kan vi tillämpa termerna "smärta", "tankar", "medvetande" på växter?

A. V: Jag vet ingenting om detta. Detta är redan filosofiska frågor. Förra sommaren i S:t Petersburg var det ett symposium om signaler i växter och dit kom flera filosofer från olika länder på en gång, så det här ämnet börjar nu behandlas. Men jag är van att prata om vad jag experimentellt kan testa eller beräkna.

Växter som sensorer

Växter kan koordinera sina handlingar med hjälp av förgrenade nätverk. Således släpper akacian som växer på den afrikanska savannen inte bara ut ett giftigt ämne i sina blad när giraffer börjar äta det, utan avger också en flyktig "larmgas" som skickar en nödsignal till omgivande växter. Som ett resultat, på jakt efter mat, måste giraffer inte flytta till de närmaste träden, utan att flytta från dem i genomsnitt 350 meter. Idag drömmer forskare om att använda sådana nätverk av levande sensorer, felsökta av naturen, för miljöövervakning och andra uppgifter.

W: Har du försökt omsätta din växtelektrofysiologiska forskning i praktiken?

Alexander Volkov: Jag har patent för att förutsäga och registrera jordbävningar med hjälp av växter. På tröskeln till jordbävningar (i olika delar av världen varierar tidsintervallet från två till sju dagar), orsakar rörelsen av jordskorpan karakteristiska elektromagnetiska fält. En gång föreslog japanerna att fixa dem med hjälp av gigantiska antenner - järnbitar två kilometer höga, men ingen kunde bygga sådana antenner, och det är inte nödvändigt. Växter är så känsliga för elektromagnetiska fält att de kan förutsäga jordbävningar bättre än någon antenn. Till exempel använde vi aloe vera för dessa ändamål - vi kopplade silverkloridelektroder till dess blad, registrerade elektrisk aktivitet och bearbetade data.

W: Låter helt fantastiskt. Varför är detta system fortfarande inte implementerat i praktiken?

A. V: Det uppstod ett oväntat problem här. Titta: låt oss säga att du är borgmästare i San Francisco och ta reda på att det kommer att bli en jordbävning om två dagar. Vad ska du göra? Om du berättar för folk om detta, kan till följd av panik och förkrossning ännu fler människor dö eller skadas än i en jordbävning. På grund av sådana restriktioner kan jag inte ens offentligt diskutera resultaten av vårt arbete i den öppna pressen. I alla fall tror jag att vi förr eller senare kommer att ha en mängd olika övervakningssystem som fungerar på sensoranläggningar. Till exempel, i ett av våra arbeten, har vi visat att med analys av elektrofysiologiska signaler är det möjligt att skapa ett system för omedelbar diagnos av olika sjukdomar hos jordbruksväxter.

Mer om ämnet:

Plant sinne

Växternas språk