De ce plantele au nevoie de impulsuri nervoase

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Stejari vechi de secole, iarbă luxuriantă, legume proaspete - cumva nu suntem obișnuiți să considerăm plantele ca ființe vii și în zadar. Experimentele arată că plantele au un fel de analog complex al sistemului nervos și, la fel ca animalele, sunt capabile să ia decizii, să păstreze amintiri, să comunice și chiar să-și facă cadouri reciproc.

Profesorul de la Universitatea Oakwood Alexander Volkov a ajutat la înțelegerea mai detaliată a electrofiziologiei plantelor.

Jurnalist: N-aș fi crezut niciodată că cineva face electrofiziologie vegetală până nu am dat peste articolele tale

Alexander Volkov:Nu ești singur. Publicul larg este obișnuit să vadă plantele ca hrană sau elemente de peisaj fără să-și dea seama că sunt vii. Odată făceam un reportaj la Helsinki despre electrofiziologia plantelor, iar apoi colegii mei au fost foarte surprinși: „Obișnuiam să mă ocup de un subiect serios - lichide nemiscibile, dar acum aveam de-a face cu un fel de fructe și legume”. Dar nu a fost întotdeauna cazul: primele cărți despre electrofiziologia plantelor au fost publicate în secolul al XVIII-lea, iar apoi studiul animalelor și plantelor a decurs în moduri aproape paralele. De exemplu, Darwin era convins că rădăcina este un fel de creier, un computer chimic care procesează semnale de la întreaga plantă (vezi, de exemplu, „Mișcarea plantelor”). Și apoi a venit primul război mondial și toate resursele au fost aruncate în studiul electrofiziologiei animalelor, pentru că oamenii aveau nevoie de noi medicamente.

W: Pare logic: șoarecii de laborator sunt încă mult mai aproape de oameni decât violetele

A. V: În realitate, diferențele dintre plante și animale nu sunt deloc atât de mari, iar în electrofiziologie sunt în general minime. Plantele au un analog aproape complet al unui țesut conductor neuron - floem. Are aceeași compoziție, dimensiune și funcție ca și neuronii. Singura diferență este că la animale, canalele ionice de sodiu și potasiu sunt folosite în neuroni pentru a transmite potențialele de acțiune, în timp ce în floemul vegetal se folosesc canalele ionice de clorură și potasiu. Aceasta este toată diferența în neurofiziologie. Germanii au descoperit recent sinapse chimice la plante, noi suntem electrici și, în general, plantele au aceiași neurotransmițători ca și animalele. Mi se pare că acest lucru este chiar logic: dacă aș crea lumea și aș fi leneș, aș face totul la fel ca totul să fie compatibil.

De ce plantele au nevoie de impulsuri nervoase?

Nu ne gândim la asta, dar plantele în viața lor procesează chiar mai multe tipuri de semnale din mediul extern decât oamenii sau orice alte animale. Ele reacționează la lumină, căldură, gravitație, compoziția de sare a solului, câmpul magnetic, diferiți agenți patogeni și își schimbă flexibil comportamentul sub influența informațiilor primite. De exemplu, în laboratorul lui Stefano Mancuso de la Universitatea din Florența, au fost efectuate experimente cu doi lăstari de fasole cățărătoare. Oamenii de știință au stabilit un suport comun între plante, iar lăstarii au început să alerge spre el. Dar de îndată ce prima plantă a urcat pe suport, a doua a părut să se recunoască imediat ca învinsă și a încetat să crească în această direcție. A înțeles că lupta pentru resurse este lipsită de sens și este mai bine să cauți fericirea altundeva.

W: Plantele nu se mișcă, cresc încet și, în general, trăiesc fără grabă. Se pare că și impulsurile lor nervoase ar trebui să se propage mult mai încet

Alexander Volkov: Aceasta este o amăgire care există de mult timp în știință. În anii 70 ai secolului XIX, britanicii au măsurat că potențialul de acțiune al capcanei de muște Venus se răspândește cu o viteză de 20 de centimetri pe secundă, dar aceasta a fost o greșeală. Erau biologi și nu cunoșteau deloc tehnica măsurătorilor electrice: în experimentele lor, britanicii au folosit voltmetre lente, care înregistrau impulsurile nervoase chiar mai încet decât se propagau, ceea ce este complet inacceptabil. Acum știm că impulsurile nervoase pot trece prin plante cu viteze foarte diferite, în funcție de locul de excitare a semnalului și de natura acestuia. Viteza maximă de propagare a potențialului de acțiune la plante este comparabilă cu aceiași indicatori la animale, iar timpul de relaxare după trecerea potențialului de acțiune poate varia de la milisecunde la câteva secunde.

W: La ce folosesc plantele aceste impulsuri nervoase?

A. V: Un exemplu de manual este capcana pentru muște Venus, despre care am menționat-o deja. Aceste plante trăiesc în zone cu sol foarte umed, care este greu pentru aer să pătrundă și, în consecință, există puțin azot în acest sol. Muștele obțin lipsa acestei substanțe esențiale mâncând insecte și broaște mici, pe care le prind cu o capcană electrică - două petale, fiecare având trei senzori piezomecanici încorporați în ea. Când o insectă se așează pe oricare dintre petale și atinge acești receptori cu laba sa, în ele se generează un potențial de acțiune. Dacă o insectă atinge mecanosenzorul de două ori în decurs de 30 de secunde, capcana este închisă într-o fracțiune de secundă. Am verificat funcționarea acestui sistem - am aplicat un semnal electric artificial capcanei capcanei Venus și totul a funcționat în același mod - capcana a fost închisă. Apoi am repetat aceste experimente cu mimoza și alte plante și așa am arătat că este posibil să forțați plantele să se deschidă, să se închidă, să se miște, să se aplece - în general, fă ce vrei, folosind semnale electrice. În acest caz, excitațiile externe de natură diferită generează potențiale de acțiune la plante, care pot diferi ca amplitudine, viteză și durată.

W: La ce altceva pot reacționa plantele?

A. V: Dacă tăiați iarba în casa dvs. de țară, atunci potențialele de acțiune vor merge imediat la rădăcinile plantelor. Pe ele va începe expresia unor gene, iar pe tăieturi se activează sinteza peroxidului de hidrogen, care protejează plantele de infecție. În același mod, dacă schimbați direcția luminii, atunci în primele 100 de secunde planta nu va reacționa la ea în niciun fel, pentru a tăia opțiunea unei umbre de la o pasăre sau un animal, și apoi vor merge din nou semnale electrice, conform cărora planta se va întoarce în câteva secunde astfel încât să maximizeze captarea fluxului luminos. La fel se va întâmpla și atunci când începeți să picurați apă clocotită și când aduceți o brichetă care arde și când puneți planta în gheață - plantele reacţionează la orice stimul cu ajutorul semnalelor electrice care le controlează răspunsurile la schimbările de mediu. conditii.

Memoria plantelor

Plantele nu numai că știu să reacționeze la mediul extern și, aparent, să-și calculeze acțiunile, dar și leagă unele relații sociale între ele. De exemplu, observațiile pădurarului german Peter Volleben arată că copacii au un fel de prietenie: copacii parteneri sunt împletite cu rădăcini și monitorizează cu atenție ca coroanele lor să nu interfereze cu creșterea celuilalt, în timp ce copacii la întâmplare nu au sentimente speciale pentru vecinilor lor, ei încearcă întotdeauna să-și ia mai mult spațiu de locuit. În același timp, prietenia poate apărea și între copaci de diferite tipuri. Așadar, în experimentele aceluiași Mancuso, oamenii de știință au observat cum, cu puțin timp înainte de moartea lui Douglas, se pare că acesta lasă o moștenire: un pin galben nu departe de el a trimis o mare cantitate de materie organică prin sistemul radicular.

W: Au plantele memorie?

Alexander Volkov: Plantele au aceleași tipuri de memorie ca și animalele. De exemplu, am arătat că capcana Venus posedă memorie: pentru ca capcana să funcționeze, trebuie să îi fie trimise 10 microcupluri de electricitate, dar se dovedește că acest lucru nu trebuie făcut într-o singură sesiune. Puteți servi mai întâi doi microcoulombi, apoi încă cinci și așa mai departe. Când totalul este de 10, plantei i se va părea că o insectă a intrat în ea și se va trânti. Singurul lucru este că nu puteți face pauze de mai mult de 40 de secunde între sesiuni, altfel contorul se va reseta la zero - obțineți o astfel de memorie pe termen scurt. Și memoria pe termen lung a plantelor este și mai ușor de văzut: de exemplu, un îngheț de primăvară ne-a lovit pe 30 aprilie și literalmente peste noapte toate florile au înghețat pe smochin, iar anul următor nu a înflorit până la 1 mai, pentru că și-a amintit ce era.sfârșit. O mulțime de observații similare au fost făcute de fiziologii plantelor în ultimii 50 de ani.

W: Unde este stocată memoria plantelor?

A. V: Odată l-am întâlnit la o conferință în Insulele Canare pe Leon Chua, care la un moment dat a prezis existența memristorilor - rezistențe cu memoria curentului trecut. Am intrat într-o conversație: Chua nu știa aproape nimic despre canalele ionice și electrofiziologia plantelor, eu - despre memristori. Drept urmare, mi-a cerut să încerc să caut memristori in vivo, pentru că, conform calculelor sale, ar trebui să fie asociate cu memoria, dar până acum nimeni nu i-a găsit la ființele vii. Am făcut totul: am arătat că canalele de potasiu dependente de tensiune ale aloe vera, mimoza și aceeași capcană de muște Venus sunt memristori prin natură, iar în lucrările următoare, proprietăți memristive au fost găsite în mere, cartofi, semințe de dovleac și diferite flori. Este foarte posibil ca memoria plantelor să fie legată tocmai de acești memristori, dar încă nu se știe cu siguranță.

W: Plantele știu să ia decizii, au memorie. Următorul pas este interacțiunile sociale. Pot plantele să comunice între ele?

A. V: Știi, în Avatar există un episod în care copacii comunică între ei în subteran. Aceasta nu este o fantezie, așa cum s-ar putea crede, ci un fapt stabilit. Când locuiam în URSS, mergeam adesea să culegem ciuperci și toată lumea știa că ciuperca trebuie tăiată cu grijă cu un cuțit pentru a nu deteriora miceliul. Acum se dovedește că miceliul este un cablu electric prin care copacii pot comunica atât între ei, cât și cu ciupercile. Mai mult, există o mulțime de dovezi că copacii schimbă nu numai semnale electrice de-a lungul miceliului, ci și compuși chimici sau chiar viruși și bacterii periculoase.

W: Ce poți spune despre mitul că plantele înțeleg vorbirea umană și, prin urmare, trebuie să vorbești cu ele cu amabilitate și calm, pentru ca acestea să crească mai bine?

A. V: Acesta este doar un mit, nimic altceva.

W: Putem aplica termenii „durere”, „gânduri”, „conștiință” la plante?

A. V: Nu știu nimic despre asta. Acestea sunt deja întrebări de filozofie. Vara trecută la Sankt Petersburg a avut loc un simpozion privind semnalele în plante și mai mulți filozofi din diferite țări au venit deodată acolo, așa că acest subiect începe acum să fie tratat. Dar sunt obișnuit să vorbesc despre ceea ce pot testa sau calcula experimental.

Plantele ca senzori

Plantele sunt capabile să-și coordoneze acțiunile folosind rețele ramificate. Astfel, salcâmul care crește în savana africană nu numai că eliberează o substanță toxică în frunzele sale atunci când girafele încep să-l mănânce, dar emite și un „gaz de alarmă” volatil care trimite un semnal de primejdie plantelor din jur. Drept urmare, în căutarea hranei, girafele trebuie să se deplaseze nu la cei mai apropiați copaci, ci să se îndepărteze de ei în medie la 350 de metri. Astăzi oamenii de știință visează să folosească astfel de rețele de senzori vii, depanați de natură, pentru monitorizarea mediului și alte sarcini.

W: Ați încercat să vă puneți în practică cercetările în domeniul electrofiziologiei plantelor?

Alexander Volkov: Am brevete pentru prezicerea și înregistrarea cutremurelor folosind plante. În ajunul cutremurelor (în diferite părți ale lumii, intervalul de timp variază de la două la șapte zile), mișcarea scoarței terestre provoacă câmpuri electromagnetice caracteristice. La un moment dat, japonezii au propus să le repare cu ajutorul unor antene gigantice - bucăți de fier de doi kilometri înălțime, dar nimeni nu putea construi astfel de antene, iar acest lucru nu este necesar. Plantele sunt atât de sensibile la câmpurile electromagnetice încât pot prezice cutremure mai bine decât orice antenă. De exemplu, am folosit aloe vera în aceste scopuri - am conectat electrozi de clorură de argint la frunzele sale, am înregistrat activitatea electrică și am procesat datele.

W: Sună absolut fantastic. De ce acest sistem încă nu este implementat în practică?

A. V: A fost o problemă neașteptată aici. Uite: să presupunem că ești primarul San Francisco și află că va fi un cutremur în două zile. Ce ai de gand sa faci? Dacă le spui oamenilor despre asta, atunci ca urmare a panicii și a zdrobirii, chiar mai mulți oameni pot muri sau fi răniți decât într-un cutremur. Din cauza unor astfel de restricții, nici măcar nu pot discuta public rezultatele muncii noastre în presa deschisă. În orice caz, cred că mai devreme sau mai târziu vom avea o varietate de sisteme de monitorizare care funcționează pe instalațiile de senzori. De exemplu, într-una dintre lucrările noastre, am arătat că, folosind analiza semnalelor electrofiziologice, este posibil să se creeze un sistem pentru diagnosticarea instantanee a diferitelor boli ale plantelor agricole.

Mai multe despre subiect:

Plantează mintea

Limbajul plantelor