Γιατί τα φυτά χρειάζονται νευρικές ώσεις

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Αιώνων βελανιδιές, πλούσιο γρασίδι, φρέσκα λαχανικά - κατά κάποιο τρόπο δεν έχουμε συνηθίσει να θεωρούμε τα φυτά ως ζωντανά πλάσματα και μάταια. Τα πειράματα δείχνουν ότι τα φυτά έχουν ένα είδος πολύπλοκου αναλόγου του νευρικού συστήματος και, όπως και τα ζώα, είναι σε θέση να λαμβάνουν αποφάσεις, να αποθηκεύουν αναμνήσεις, να επικοινωνούν, ακόμη και να δίνουν δώρα μεταξύ τους.

Ο καθηγητής του Πανεπιστημίου Oakwood Alexander Volkov βοήθησε να κατανοήσουμε λεπτομερέστερα την ηλεκτροφυσιολογία των φυτών.

Δημοσιογράφος: Ποτέ δεν θα πίστευα ότι κάποιος έκανε ηλεκτροφυσιολογία φυτών μέχρι να συναντήσω τα άρθρα σας

Alexander Volkov: Δεν είσαι μόνος. Το ευρύ κοινό έχει συνηθίσει να βλέπει τα φυτά ως τροφή ή στοιχεία τοπίου χωρίς καν να συνειδητοποιεί ότι είναι ζωντανά. Κάποτε έκανα μια έκθεση στο Ελσίνκι για την ηλεκτροφυσιολογία των φυτών και τότε οι συνάδελφοί μου εξεπλάγησαν πολύ: «Παλιά ασχολιόμουν με ένα σοβαρό θέμα - τα μη αναμίξιμα υγρά, αλλά τώρα είχα να κάνω με κάποιο είδος φρούτων και λαχανικών». Αλλά αυτό δεν συνέβαινε πάντα: τα πρώτα βιβλία για την ηλεκτροφυσιολογία των φυτών εκδόθηκαν τον 18ο αιώνα και στη συνέχεια η μελέτη των ζώων και των φυτών προχώρησε με σχεδόν παράλληλους τρόπους. Για παράδειγμα, ο Δαρβίνος ήταν πεπεισμένος ότι η ρίζα είναι ένα είδος εγκεφάλου, ένας χημικός υπολογιστής που επεξεργάζεται σήματα από ολόκληρο το φυτό (βλ., για παράδειγμα, «Κίνηση στα φυτά»). Και μετά ήρθε ο Πρώτος Παγκόσμιος Πόλεμος και όλοι οι πόροι ρίχτηκαν στη μελέτη της ηλεκτροφυσιολογίας των ζώων, γιατί οι άνθρωποι χρειάζονταν νέα φάρμακα.

W: Φαίνεται λογικό: τα εργαστηριακά ποντίκια εξακολουθούν να είναι πολύ πιο κοντά στον άνθρωπο από τις βιολέτες

A. V: Στην πραγματικότητα, οι διαφορές μεταξύ φυτών και ζώων δεν είναι καθόλου τόσο τεράστιες και στην ηλεκτροφυσιολογία είναι γενικά ελάχιστες. Τα φυτά έχουν σχεδόν πλήρες ανάλογο αγώγιμου ιστού νευρώνα - φλοιώματος. Έχει την ίδια σύνθεση, μέγεθος και λειτουργία με τους νευρώνες. Η μόνη διαφορά είναι ότι στα ζώα, οι δίαυλοι ιόντων νατρίου και καλίου χρησιμοποιούνται στους νευρώνες για τη μετάδοση δυναμικών δράσης, ενώ στο φυτικό φλόωμα, χρησιμοποιούνται κανάλια ιόντων χλωρίου και καλίου. Αυτή είναι η όλη διαφορά στη νευροφυσιολογία. Οι Γερμανοί βρήκαν πρόσφατα χημικές συνάψεις στα φυτά, είμαστε ηλεκτρικοί και γενικά τα φυτά έχουν τους ίδιους νευροδιαβιβαστές με τα ζώα. Μου φαίνεται ότι αυτό είναι ακόμη και λογικό: αν δημιουργούσα τον κόσμο, και είμαι τεμπέλης, θα τα έκανα όλα ίδια ώστε όλα να είναι συμβατά.

Γιατί τα φυτά χρειάζονται νευρικές παρορμήσεις;

Δεν το σκεφτόμαστε, αλλά τα φυτά στη ζωή τους επεξεργάζονται ακόμη περισσότερα είδη σημάτων από το εξωτερικό περιβάλλον από τους ανθρώπους ή οποιοδήποτε άλλο ζώο. Αντιδρούν στο φως, τη θερμότητα, τη βαρύτητα, τη σύνθεση αλάτων του εδάφους, το μαγνητικό πεδίο, διάφορα παθογόνα και αλλάζουν ευέλικτα τη συμπεριφορά τους υπό την επίδραση των πληροφοριών που λαμβάνουν. Για παράδειγμα, στο εργαστήριο του Stefano Mancuso του Πανεπιστημίου της Φλωρεντίας, πραγματοποιήθηκαν πειράματα με δύο βλαστούς αναρριχώμενων φασολιών. Οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα κοινό στήριγμα μεταξύ των φυτών και οι βλαστοί άρχισαν να τρέχουν προς αυτό. Αλλά μόλις το πρώτο φυτό ανέβηκε στο στήριγμα, το δεύτερο φάνηκε αμέσως να αναγνωρίζει τον εαυτό του ως ηττημένο και σταμάτησε να αναπτύσσεται προς αυτή την κατεύθυνση. Κατάλαβε ότι ο αγώνας για πόρους δεν έχει νόημα και είναι καλύτερα να αναζητήσεις την ευτυχία κάπου αλλού.

W: Τα φυτά δεν κινούνται, αναπτύσσονται αργά και γενικά ζουν χωρίς βιασύνη. Φαίνεται ότι οι νευρικές τους ώσεις θα πρέπει επίσης να διαδίδονται πολύ πιο αργά

Alexander Volkov: Αυτή είναι μια αυταπάτη που υπάρχει εδώ και πολύ καιρό στην επιστήμη. Στη δεκαετία του '70 του 19ου αιώνα, οι Βρετανοί μέτρησαν ότι το δυναμικό δράσης της μυγοπαγίδας της Αφροδίτης εξαπλώνεται με ταχύτητα 20 εκατοστών ανά δευτερόλεπτο, αλλά αυτό ήταν λάθος. Ήταν βιολόγοι και δεν γνώριζαν καθόλου την τεχνική των ηλεκτρικών μετρήσεων: στα πειράματά τους οι Βρετανοί χρησιμοποιούσαν αργά βολτόμετρα, τα οποία κατέγραφαν νευρικές ώσεις ακόμη πιο αργά από ό,τι διαδίδονταν, κάτι που είναι εντελώς απαράδεκτο. Τώρα γνωρίζουμε ότι τα νευρικά ερεθίσματα μπορούν να διατρέχουν τα φυτά με πολύ διαφορετικές ταχύτητες, ανάλογα με τον τόπο διέγερσης του σήματος και τη φύση του. Η μέγιστη ταχύτητα διάδοσης των δυναμικών δράσης στα φυτά είναι συγκρίσιμη με τους ίδιους δείκτες στα ζώα και ο χρόνος χαλάρωσης μετά το πέρασμα του δυναμικού δράσης μπορεί να ποικίλλει από χιλιοστά του δευτερολέπτου έως αρκετά δευτερόλεπτα.

W: Σε τι χρησιμεύουν τα φυτά αυτές τις νευρικές ώσεις;

A. V: Ένα παράδειγμα σχολικού βιβλίου είναι η μυγοπαγίδα της Αφροδίτης, την οποία έχω ήδη αναφέρει. Αυτά τα φυτά ζουν σε περιοχές με πολύ υγρό έδαφος, το οποίο είναι δύσκολο να διεισδύσει ο αέρας και, κατά συνέπεια, υπάρχει λίγο άζωτο σε αυτό το έδαφος. Οι Flycatchers αντιμετωπίζουν την έλλειψη αυτής της βασικής ουσίας τρώγοντας έντομα και μικρούς βατράχους, τους οποίους πιάνουν με μια ηλεκτρική παγίδα - δύο πέταλα, καθένα από τα οποία έχει τρεις πιεζομηχανικούς αισθητήρες ενσωματωμένους. Όταν ένα έντομο κάθεται σε οποιοδήποτε από τα πέταλα και αγγίζει αυτούς τους υποδοχείς με το πόδι του, δημιουργείται ένα δυναμικό δράσης σε αυτά. Εάν ένα έντομο αγγίξει τον μηχανοαισθητήρα δύο φορές μέσα σε 30 δευτερόλεπτα, τότε η παγίδα κλείνει με δύναμη σε κλάσματα δευτερολέπτου. Ελέγξαμε τη λειτουργία αυτού του συστήματος - εφαρμόσαμε ένα τεχνητό ηλεκτρικό σήμα στην παγίδα της μυγοπαγίδας της Αφροδίτης και όλα λειτουργούσαν με τον ίδιο τρόπο - η παγίδα ήταν κλειστή. Στη συνέχεια επαναλάβαμε αυτά τα πειράματα με μιμόζα και άλλα φυτά και έτσι δείξαμε ότι είναι δυνατό να αναγκάσουμε τα φυτά να ανοίξουν, να κλείσουν, να κινηθούν, να σκύψουν - γενικά, κάνε ό,τι θέλεις, χρησιμοποιώντας ηλεκτρικά σήματα. Σε αυτή την περίπτωση, εξωτερικές διεγέρσεις διαφορετικής φύσης δημιουργούν δυναμικά δράσης στα φυτά, τα οποία μπορεί να διαφέρουν ως προς το πλάτος, την ταχύτητα και τη διάρκεια.

W: Σε τι άλλο μπορούν να αντιδράσουν τα φυτά;

A. V: Εάν κόψετε το γρασίδι στο εξοχικό σας σπίτι, τότε οι δυνατότητες δράσης θα πάνε αμέσως στις ρίζες των φυτών. Η έκφραση ορισμένων γονιδίων θα ξεκινήσει σε αυτά και η σύνθεση υπεροξειδίου του υδρογόνου ενεργοποιείται στα κοψίματα, το οποίο προστατεύει τα φυτά από τη μόλυνση. Με τον ίδιο τρόπο, εάν αλλάξετε την κατεύθυνση του φωτός, τότε για τα πρώτα 100 δευτερόλεπτα το φυτό δεν θα αντιδράσει σε αυτό με κανέναν τρόπο, προκειμένου να αποκόψει την επιλογή μιας σκιάς από ένα πουλί ή ένα ζώο και στη συνέχεια Τα ηλεκτρικά σήματα θα πάνε ξανά, σύμφωνα με τα οποία η μονάδα θα στραφεί σε δευτερόλεπτα με τέτοιο τρόπο ώστε να μεγιστοποιήσει τη λήψη της φωτεινής ροής. Το ίδιο θα συμβεί, και όταν αρχίσετε να στάζετε βραστό νερό, και όταν ανασηκώνετε έναν αναπτήρα που καίει και όταν βάζετε το φυτό σε πάγο - τα φυτά αντιδρούν σε οποιοδήποτε ερέθισμα με τη βοήθεια ηλεκτρικών σημάτων που ελέγχουν τις αποκρίσεις τους στο μεταβαλλόμενο περιβάλλον συνθήκες.

Μνήμη φυτών

Τα φυτά όχι μόνο ξέρουν πώς να αντιδρούν στο εξωτερικό περιβάλλον και, προφανώς, υπολογίζουν τις ενέργειές τους, αλλά και συνδέουν ορισμένες κοινωνικές σχέσεις μεταξύ τους. Για παράδειγμα, οι παρατηρήσεις του Γερμανού δασοφύλακα Peter Volleben δείχνουν ότι τα δέντρα έχουν ένα είδος φιλίας: τα δέντρα συνεργάτες είναι συνυφασμένα με ρίζες και παρακολουθούν προσεκτικά ώστε οι κορώνες τους να μην παρεμβαίνουν το ένα στην ανάπτυξη του άλλου, ενώ τα τυχαία δέντρα δεν έχουν ιδιαίτερα συναισθήματα για στους γείτονές τους, προσπαθούν πάντα να αρπάξουν για τον εαυτό τους περισσότερο χώρο διαβίωσης. Ταυτόχρονα, μπορεί να προκύψει φιλία μεταξύ δέντρων διαφορετικών τύπων. Έτσι, στα πειράματα του ίδιου Mancuso, οι επιστήμονες παρατήρησαν πώς, λίγο πριν από το θάνατο του Douglas, φαίνεται ότι αφήνει μια κληρονομιά: ένα κίτρινο πεύκο όχι μακριά από αυτό έστειλε μεγάλη ποσότητα οργανικής ύλης μέσω του ριζικού συστήματος.

W: Έχουν τα φυτά μνήμη;

Alexander Volkov: Τα φυτά έχουν όλα τα ίδια είδη μνήμης με τα ζώα. Για παράδειγμα, δείξαμε ότι η μυγοπαγίδα της Αφροδίτης διαθέτει μνήμη: για να λειτουργήσει η παγίδα, πρέπει να σταλούν σε αυτήν 10 μικροζευγάρια ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά αποδεικνύεται ότι αυτό δεν χρειάζεται να γίνει σε μία συνεδρία. Μπορείτε να σερβίρετε πρώτα δύο μικροκουλόμπ, μετά άλλα πέντε και ούτω καθεξής. Όταν το σύνολο είναι 10, θα φανεί στο φυτό ότι έχει μπει ένα έντομο και θα κλείσει. Το μόνο πράγμα είναι ότι δεν μπορείτε να κάνετε διαλείμματα άνω των 40 δευτερολέπτων μεταξύ των συνεδριών, διαφορετικά ο μετρητής θα μηδενιστεί - έχετε μια τόσο βραχυπρόθεσμη μνήμη. Και η μακροπρόθεσμη μνήμη των φυτών φαίνεται ακόμα πιο εύκολα: για παράδειγμα, ένας ανοιξιάτικος παγετός μας χτύπησε στις 30 Απριλίου και κυριολεκτικά όλη τη νύχτα πάγωσαν όλα τα λουλούδια στη συκιά και τον επόμενο χρόνο δεν άνθισε μέχρι την 1η Μαΐου, γιατί θυμόταν τι ήταν.τέλειωσε. Πολλές παρόμοιες παρατηρήσεις έχουν γίνει από φυτοφυσιολόγους τα τελευταία 50 χρόνια.

W: Πού αποθηκεύεται η φυτική μνήμη;

A. V: Κάποτε συνάντησα σε ένα συνέδριο στα Κανάρια Νησιά τον Leon Chua, ο οποίος κάποτε προέβλεψε την ύπαρξη memristors - αντιστάσεων με τη μνήμη του περασμένου ρεύματος. Μπήκαμε σε μια κουβέντα: ο Chua δεν ήξερε σχεδόν τίποτα για τα κανάλια ιόντων και την ηλεκτροφυσιολογία των φυτών, εγώ - για τα memristors. Ως αποτέλεσμα, μου ζήτησε να προσπαθήσω να ψάξω για memristors in vivo, γιατί σύμφωνα με τους υπολογισμούς του, θα έπρεπε να συνδέονται με τη μνήμη, αλλά μέχρι στιγμής κανείς δεν τους έχει βρει σε ζωντανά όντα. Τα κάναμε όλα: δείξαμε ότι τα εξαρτώμενα από την τάση κανάλια καλίου της αλόης βέρα, της μιμόζας και της ίδιας μυγοπαγίδας της Αφροδίτης είναι από τη φύση τους μεμρίστορ, και στις ακόλουθες εργασίες, μνημονικές ιδιότητες βρέθηκαν σε μήλα, πατάτες, σπόρους κολοκύθας και διάφορα λουλούδια. Είναι πολύ πιθανό η μνήμη των φυτών να συνδέεται ακριβώς με αυτά τα memristors, αλλά δεν είναι ακόμη γνωστό με βεβαιότητα.

W: Τα φυτά ξέρουν πώς να παίρνουν αποφάσεις, έχουν μνήμη. Το επόμενο βήμα είναι οι κοινωνικές αλληλεπιδράσεις. Μπορούν τα φυτά να επικοινωνούν μεταξύ τους;

A. V: Ξέρετε, στο Avatar υπάρχει ένα επεισόδιο όπου τα δέντρα επικοινωνούν μεταξύ τους υπόγεια. Δεν πρόκειται για φαντασία, όπως μπορεί να σκεφτεί κανείς, αλλά για ένα διαπιστωμένο γεγονός. Όταν ζούσα στην ΕΣΣΔ, πηγαίναμε συχνά για να μαζέψουμε μανιτάρια και όλοι ήξεραν ότι το μανιτάρι πρέπει να κοπεί προσεκτικά με ένα μαχαίρι για να μην καταστρέψει το μυκήλιο. Τώρα αποδεικνύεται ότι το μυκήλιο είναι ένα ηλεκτρικό καλώδιο μέσω του οποίου τα δέντρα μπορούν να επικοινωνούν τόσο μεταξύ τους όσο και με τα μανιτάρια. Επιπλέον, υπάρχουν πολλά στοιχεία ότι τα δέντρα ανταλλάσσουν όχι μόνο ηλεκτρικά σήματα κατά μήκος του μυκηλίου, αλλά και χημικές ενώσεις ή ακόμη και επικίνδυνους ιούς και βακτήρια.

W: Τι μπορείτε να πείτε για τον μύθο ότι τα φυτά κατανοούν την ανθρώπινη ομιλία και ως εκ τούτου πρέπει να τους μιλήσετε ευγενικά και ήρεμα για να αναπτυχθούν καλύτερα;

A. V: Αυτό είναι απλώς ένας μύθος, τίποτα άλλο.

W: Μπορούμε να εφαρμόσουμε τους όρους «πόνος», «σκέψεις», «συνείδηση» στα φυτά;

A. V: Δεν ξέρω τίποτα για αυτό. Αυτά είναι ήδη ερωτήματα της φιλοσοφίας. Το περασμένο καλοκαίρι στην Αγία Πετρούπολη έγινε ένα συμπόσιο για τα σήματα στα φυτά και αρκετοί φιλόσοφοι από διαφορετικές χώρες ήρθαν εκεί ταυτόχρονα, οπότε αυτό το θέμα αρχίζει τώρα να ασχολείται. Αλλά έχω συνηθίσει να μιλάω για το τι μπορώ να δοκιμάσω ή να υπολογίσω πειραματικά.

Τα φυτά ως αισθητήρες

Τα φυτά είναι σε θέση να συντονίζουν τις ενέργειές τους χρησιμοποιώντας διακλαδισμένα δίκτυα. Έτσι, η ακακία που αναπτύσσεται στην αφρικανική σαβάνα όχι μόνο απελευθερώνει μια τοξική ουσία στα φύλλα της όταν αρχίζουν να την τρώνε οι καμηλοπαρδάλεις, αλλά εκπέμπει επίσης ένα πτητικό «αέριο συναγερμού» που στέλνει ένα σήμα κινδύνου στα γύρω φυτά. Ως αποτέλεσμα, σε αναζήτηση τροφής, οι καμηλοπαρδάλεις πρέπει να μετακινηθούν όχι στα πλησιέστερα δέντρα, αλλά να απομακρυνθούν από αυτά κατά μέσο όρο 350 μέτρα. Σήμερα οι επιστήμονες ονειρεύονται να χρησιμοποιήσουν τέτοια δίκτυα ζωντανών αισθητήρων, αποσφαλμωμένων από τη φύση, για περιβαλλοντική παρακολούθηση και άλλες εργασίες.

W: Προσπαθήσατε να κάνετε πράξη την έρευνα ηλεκτροφυσιολογίας των φυτών σας;

Alexander Volkov: Έχω πατέντες για την πρόβλεψη και την καταγραφή σεισμών με χρήση φυτών. Την παραμονή των σεισμών (σε διάφορα μέρη του κόσμου, το χρονικό διάστημα κυμαίνεται από δύο έως επτά ημέρες), η κίνηση του φλοιού της γης προκαλεί χαρακτηριστικά ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Κάποτε, οι Ιάπωνες πρότειναν να τα διορθώσουν με τη βοήθεια γιγάντων κεραιών - κομμάτια σιδήρου ύψους δύο χιλιομέτρων, αλλά κανείς δεν μπορούσε να κατασκευάσει τέτοιες κεραίες και αυτό δεν είναι απαραίτητο. Τα φυτά είναι τόσο ευαίσθητα στα ηλεκτρομαγνητικά πεδία που μπορούν να προβλέψουν τους σεισμούς καλύτερα από οποιαδήποτε κεραία. Για παράδειγμα, χρησιμοποιήσαμε αλόη βέρα για αυτούς τους σκοπούς - συνδέσαμε ηλεκτρόδια χλωριούχου αργύρου στα φύλλα της, καταγράψαμε την ηλεκτρική δραστηριότητα και επεξεργαστήκαμε τα δεδομένα.

W: Ακούγεται απολύτως φανταστικό. Γιατί αυτό το σύστημα δεν εφαρμόζεται ακόμα στην πράξη;

A. V: Υπήρχε ένα απροσδόκητο πρόβλημα εδώ. Κοίτα: ας πούμε ότι είσαι ο δήμαρχος του Σαν Φρανσίσκο και μάθε ότι θα γίνει σεισμός σε δύο μέρες. Τι θα κάνεις? Εάν πείτε στους ανθρώπους για αυτό, τότε ως αποτέλεσμα πανικού και συντριβής, ακόμη περισσότεροι άνθρωποι μπορεί να πεθάνουν ή να τραυματιστούν από ό,τι σε σεισμό. Λόγω τέτοιων περιορισμών, δεν μπορώ καν να συζητήσω δημόσια τα αποτελέσματα της δουλειάς μας στον ανοιχτό τύπο. Σε κάθε περίπτωση, πιστεύω ότι αργά ή γρήγορα θα έχουμε μια ποικιλία συστημάτων παρακολούθησης που θα λειτουργούν σε μονάδες αισθητήρων. Για παράδειγμα, σε μια από τις εργασίες μας, δείξαμε ότι χρησιμοποιώντας την ανάλυση ηλεκτροφυσιολογικών σημάτων, είναι δυνατό να δημιουργηθεί ένα σύστημα για την άμεση διάγνωση διαφόρων ασθενειών των γεωργικών φυτών.

Περισσότερα για το θέμα:

Φυτό μυαλό

Γλώσσα των φυτών