Hvorfor trenger planter nerveimpulser

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Flere hundre år gamle eiker, frodig gress, friske grønnsaker - på en eller annen måte er vi ikke vant til å betrakte planter som levende skapninger, og forgjeves. Eksperimenter viser at planter har en slags kompleks analog av nervesystemet og, akkurat som dyr, er i stand til å ta avgjørelser, lagre minner, kommunisere og til og med gi hverandre gaver.

Professor ved Oakwood University Alexander Volkov hjalp til med å forstå plantens elektrofysiologi mer detaljert.

Journalist: Jeg ville aldri trodd at noen drev med planteelektrofysiologi før jeg kom over artiklene dine

Alexander Volkov:Du er ikke alene. Allmennheten er vant til å se planter som mat eller landskapselementer uten engang å innse at de er i live. En gang holdt jeg på med en rapport i Helsingfors om planters elektrofysiologi, og da ble kollegene mine veldig overrasket: "Jeg pleide å håndtere et alvorlig emne - ublandbare væsker, men nå hadde jeg å gjøre med en slags frukt og grønnsaker". Men dette var ikke alltid tilfelle: De første bøkene om planters elektrofysiologi ble utgitt på 1700-tallet, og deretter foregikk studiet av dyr og planter på nesten parallelle måter. Darwin var for eksempel overbevist om at roten er en slags hjerne, en kjemisk datamaskin som behandler signaler fra hele planten (se for eksempel «Bevegelse i planter»). Og så kom første verdenskrig og alle ressursene ble kastet inn i studiet av elektrofysiologien til dyr, fordi folk trengte nye medisiner.

W: Det virker logisk: laboratoriemus er fortsatt mye nærmere mennesker enn fioler

A. V:I virkeligheten er forskjellene mellom planter og dyr slett ikke så store, og i elektrofysiologi er de generelt minimale. Planter har en nesten komplett analog av et nevron - floem-ledende vev. Den har samme sammensetning, størrelse og funksjon som nevroner. Den eneste forskjellen er at hos dyr brukes natrium- og kaliumionekanaler i nevroner for å overføre aksjonspotensialer, mens i plantefloem brukes klorid- og kaliumionekanaler. Det er hele forskjellen i nevrofysiologi. Tyskerne har nylig funnet kjemiske synapser i planter, vi er elektriske, og generelt har planter de samme nevrotransmitterne som dyr. Det virker for meg som om dette til og med er logisk: hvis jeg skapte verden, og jeg er en lat person, ville jeg gjort alt det samme slik at alt er kompatibelt.

Hvorfor trenger planter nerveimpulser?

Vi tenker ikke på det, men planter i livet bearbeider enda flere typer signaler fra det ytre miljø enn mennesker eller andre dyr. De reagerer på lys, varme, tyngdekraft, saltsammensetning av jorda, magnetfelt, forskjellige patogener og endrer fleksibelt sin oppførsel under påvirkning av informasjonen som mottas. For eksempel, i laboratoriet til Stefano Mancuso ved universitetet i Firenze, ble det utført eksperimenter med to klatrende bønneskudd. Forskere etablerte en felles støtte mellom plantene, og skuddene begynte å rase mot den. Men så snart den første planten klatret opp på støtten, syntes den andre umiddelbart å gjenkjenne seg selv som beseiret og sluttet å vokse i denne retningen. Den forsto at kampen om ressursene er meningsløs, og det er bedre å lete etter lykken et annet sted.

W: Planter beveger seg ikke, vokser sakte og lever generelt uten hastverk. Det ser ut til at nerveimpulsene deres også bør forplante seg mye saktere

Alexander Volkov: Dette er en vrangforestilling som lenge har eksistert i vitenskapen. På 70-tallet av XIX århundre målte britene at aksjonspotensialet til Venus-fluefangeren sprer seg med en hastighet på 20 centimeter per sekund, men dette var en feil. De var biologer og kjente ikke til teknikken for elektriske målinger i det hele tatt: I sine eksperimenter brukte britene langsomme voltmetre, som registrerte nerveimpulser enda langsommere enn de forplantet seg, noe som er helt uakseptabelt. Nå vet vi at nerveimpulser kan løpe gjennom planter med svært forskjellige hastigheter, avhengig av stedet for signaleksitasjon og dens natur. Maksimal forplantningshastighet av aksjonspotensialer i planter er sammenlignbar med de samme indikatorene hos dyr, og avspenningstiden etter passering av aksjonspotensialet kan variere fra millisekunder til flere sekunder.

W: Hva bruker planter disse nerveimpulsene til?

A. V: Et lærebokeksempel er Venusfluefangeren, som jeg allerede har nevnt. Disse plantene lever i områder med svært fuktig jord, som er vanskelig for luft å trenge inn, og følgelig er det lite nitrogen i denne jorda. Fluesnappere får mangel på dette essensielle stoffet ved å spise insekter og små frosker, som de fanger med en elektrisk felle - to kronblader, som hver har tre piezomekaniske sensorer innebygd i seg. Når et insekt sitter på noen av kronbladene og berører disse reseptorene med labben, genereres et aksjonspotensial i dem. Hvis et insekt berører mekanosensoren to ganger innen 30 sekunder, lukkes fellen på et brøkdel av et sekund. Vi sjekket driften av dette systemet - vi påførte et kunstig elektrisk signal til fellen til Venus-fluefangeren, og alt fungerte på samme måte - fellen ble lukket. Deretter gjentok vi disse eksperimentene med mimosa og andre planter, og så viste vi at det er mulig å tvinge planter til å åpne, lukke, bevege seg, bøye seg ned - generelt, gjør hva du vil, ved hjelp av elektriske signaler. I dette tilfellet genererer eksterne eksitasjoner av en annen karakter aksjonspotensialer i planter, som kan variere i amplitude, hastighet og varighet.

W: Hva annet kan planter reagere på?

A. V: Hvis du klipper gresset i landstedet ditt, vil handlingspotensialer umiddelbart gå til plantenes røtter. Uttrykket av noen gener vil starte på dem, og syntesen av hydrogenperoksid aktiveres på kuttene, som beskytter plantene mot infeksjon. På samme måte, hvis du endrer retningen på lyset, vil planten de første 100 sekundene ikke reagere på det på noen måte, for å avskjære muligheten for en skygge fra en fugl eller et dyr, og deretter elektriske signaler vil igjen gå, ifølge hvilke anlegget vil snu på sekunder på en slik måte at det maksimerer fange lysstrømmen. Alt det samme vil skje, og når du begynner å dryppe kokende vann, og når du tar opp en brennende lighter, og når du legger planten i is - reagerer plantene på enhver stimuli ved hjelp av elektriske signaler som styrer deres reaksjoner på endrede omgivelser forhold.

Planteminne

Planter vet ikke bare hvordan de skal reagere på det ytre miljøet og tilsynelatende beregne sine handlinger, men også knytte opp noen sosiale relasjoner seg imellom. Observasjonene til den tyske skogvokteren Peter Volleben viser for eksempel at trær har et slags vennskap: partnertrær er sammenvevd med røtter og overvåker nøye at kronene deres ikke forstyrrer hverandres vekst, mens tilfeldige trær ikke har noen spesielle følelser for til sine naboer prøver de alltid å skaffe seg mer boareal. Samtidig kan det også oppstå vennskap mellom trær av ulike typer. Så, i eksperimentene til den samme Mancuso, observerte forskere hvordan det, kort tid før Douglas død, ser ut til at det etterlater en arv: et gult furutre ikke langt fra det sendte en stor mengde organisk materiale gjennom rotsystemet.

W: Har planter minne?

Alexander Volkov: Planter har alle de samme typer hukommelse som dyr. For eksempel har vi vist at Venus-fluefangeren besitter minne: for at fellen skal fungere, må 10 mikropar med elektrisitet sendes til den, men det viser seg at dette ikke må gjøres i én økt. Du kan først servere to mikrocoulomb, deretter ytterligere fem, og så videre. Når totalen er 10, vil det se ut for planten som om et insekt har kommet inn i den, og den vil smelle igjen. Det eneste er at du ikke kan ta pauser på mer enn 40 sekunder mellom øktene, ellers vil telleren tilbakestilles til null – du får et slikt korttidsminne. Og langtidsminnet til planter er enda lettere å se: for eksempel traff en vårfrost oss 30. april, og bokstavelig talt over natten frøs alle blomstene på fikentreet, og neste år blomstret den ikke før 1. mai, fordi den husket hva den var, tok slutt. Mange lignende observasjoner har blitt gjort av plantefysiologer de siste 50 årene.

W: Hvor lagres planteminne?

A. V: En gang møtte jeg på en konferanse på Kanariøyene Leon Chua, som en gang spådde eksistensen av memristorer - motstander med minnet om den passerte strømmen. Vi kom i en samtale: Chua visste nesten ingenting om ionekanaler og elektrofysiologi til planter, jeg - om memristorer. Som et resultat ba han meg om å prøve å lete etter memristorer in vivo, for ifølge hans beregninger skulle de være assosiert med hukommelse, men så langt har ingen funnet dem i levende vesener. Vi gjorde alt: vi viste at de spenningsavhengige kaliumkanalene til aloe vera, mimosa og den samme Venus fluefangeren er memristorer av natur, og i følgende arbeider ble memristive egenskaper funnet i epler, poteter, gresskarfrø og forskjellige blomster. Det er godt mulig at minnet om planter er knyttet nettopp til disse memristorene, men det er ennå ikke kjent med sikkerhet.

W: Planter vet hvordan de skal ta avgjørelser, har et minne. Det neste trinnet er sosiale interaksjoner. Kan planter kommunisere med hverandre?

A. V: Du vet, i Avatar er det en episode der trær kommuniserer med hverandre under jorden. Dette er ikke en fantasi, som man kanskje tror, men et etablert faktum. Da jeg bodde i USSR, dro vi ofte for å plukke sopp, og alle visste at soppen må kuttes forsiktig med en kniv for ikke å skade myceliet. Nå viser det seg at mycelet er en elektrisk kabel der trær kan kommunisere både med hverandre og med sopp. Dessuten er det mange bevis for at trær ikke bare utveksler elektriske signaler langs mycelet, men også kjemiske forbindelser eller til og med farlige virus og bakterier.

W: Hva kan du si om myten om at planter forstår menneskelig tale, og derfor må du snakke med dem vennlig og rolig slik at de vokser bedre?

A. V: Dette er bare en myte, ingenting annet.

W: Kan vi bruke begrepene "smerte", "tanker", "bevissthet" på planter?

A. V: Jeg vet ingenting om dette. Dette er allerede filosofispørsmål. I fjor sommer i St. Petersburg var det et symposium om signaler i planter, og flere filosofer fra forskjellige land kom dit på en gang, så dette temaet begynner nå å bli behandlet. Men jeg er vant til å snakke om hva jeg eksperimentelt kan teste eller beregne.

Planter som sensorer

Planter er i stand til å koordinere sine handlinger ved å bruke forgrenede nettverk. Akasien som vokser i den afrikanske savannen frigjør altså ikke bare et giftig stoff i bladene når sjiraffer begynner å spise den, men sender også ut en flyktig «alarmgass» som sender et nødsignal til omkringliggende planter. Som et resultat, på jakt etter mat, må sjiraffer ikke flytte til de nærmeste trærne, men å bevege seg bort fra dem i gjennomsnitt 350 meter. I dag drømmer forskere om å bruke slike nettverk av levende sensorer, feilsøkt av naturen, til miljøovervåking og andre oppgaver.

W: Har du prøvd å sette din planteelektrofysiologiske forskning i praksis?

Alexander Volkov: Jeg har patenter for å forutsi og registrere jordskjelv ved bruk av planter. På tampen av jordskjelv (i forskjellige deler av verden varierer tidsintervallet fra to til syv dager), forårsaker bevegelsen av jordskorpen karakteristiske elektromagnetiske felt. På en gang foreslo japanerne å fikse dem ved hjelp av gigantiske antenner - jernstykker to kilometer høye, men ingen kunne bygge slike antenner, og dette er ikke nødvendig. Planter er så følsomme for elektromagnetiske felt at de kan forutsi jordskjelv bedre enn noen antenne. For eksempel brukte vi aloe vera til disse formålene - vi koblet sølvkloridelektroder til bladene, registrerte elektrisk aktivitet og behandlet dataene.

W: Høres helt fantastisk ut. Hvorfor er dette systemet fortsatt ikke implementert i praksis?

A. V: Det var et uventet problem her. Se: la oss si at du er ordfører i San Francisco og finner ut at det vil være et jordskjelv om to dager. Hva skal du gjøre? Hvis du forteller folk om dette, kan enda flere mennesker dø eller bli skadet som et resultat av panikk og knusing enn i et jordskjelv. På grunn av slike restriksjoner kan jeg ikke engang offentlig diskutere resultatene av vårt arbeid i den åpne pressen. Uansett tror jeg før eller siden vi vil ha en rekke overvåkingssystemer som opererer på sensoranlegg. For eksempel, i et av våre arbeider, har vi vist at ved å bruke analysen av elektrofysiologiske signaler, er det mulig å lage et system for umiddelbar diagnose av ulike sykdommer i landbruksplanter.

Mer om temaet:

Plant sinn

Språket til planter