Hvorfor har planter brug for nerveimpulser

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

Århundredgamle egetræer, frodigt græs, friske grøntsager - på en eller anden måde er vi ikke vant til at betragte planter som levende væsner og forgæves. Eksperimenter viser, at planter har en slags kompleks analog til nervesystemet og ligesom dyr er i stand til at træffe beslutninger, gemme minder, kommunikere og endda give hinanden gaver.

Professor ved Oakwood University Alexander Volkov hjalp med at forstå planters elektrofysiologi mere detaljeret.

Journalist: Jeg ville aldrig have troet, at nogen lavede planteelektrofysiologi, før jeg stødte på dine artikler

Alexander Volkov:Du er ikke alene. Den brede offentlighed er vant til at se planter som føde- eller landskabselementer uden selv at indse, at de er i live. Engang lavede jeg en rapport i Helsinki om planters elektrofysiologi, og så blev mine kolleger meget overraskede: "Jeg plejede at beskæftige mig med et alvorligt emne - ublandbare væsker, men nu beskæftigede jeg mig med en slags frugt og grøntsager". Men sådan var det ikke altid: De første bøger om planters elektrofysiologi udkom i det 18. århundrede, og derefter forløb studiet af dyr og planter næsten parallelt. For eksempel var Darwin overbevist om, at roden er en slags hjerne, en kemisk computer, der behandler signaler fra hele planten (se f.eks. "Bevægelse i planter"). Og så kom Første Verdenskrig, og alle ressourcerne blev kastet ind i studiet af dyrs elektrofysiologi, fordi folk havde brug for nye lægemidler.

W: Det virker logisk: laboratoriemus er stadig meget tættere på mennesker end violer

A. V:I virkeligheden er forskellene mellem planter og dyr slet ikke så store, og i elektrofysiologien er de generelt minimale. Planter har en næsten komplet analog af et neuron - floem ledende væv. Det har samme sammensætning, størrelse og funktion som neuroner. Den eneste forskel er, at hos dyr bruges natrium- og kaliumionkanaler i neuroner til at overføre aktionspotentialer, mens der i plantefloem anvendes chlorid- og kaliumionkanaler. Det er hele forskellen i neurofysiologi. Tyskerne har for nylig fundet kemiske synapser i planter, vi er elektriske, og generelt har planter de samme neurotransmittere som dyr. Det forekommer mig, at dette endda er logisk: Hvis jeg skabte verden, og jeg er en doven person, ville jeg gøre alt det samme, så alt er kompatibelt.

Hvorfor har planter brug for nerveimpulser?

Vi tænker ikke over det, men planter i deres liv bearbejder endnu flere typer signaler fra det ydre miljø end mennesker eller andre dyr. De reagerer på lys, varme, tyngdekraft, jordens saltsammensætning, magnetfelt, forskellige patogener og ændrer fleksibelt deres adfærd under indflydelse af den modtagne information. I laboratoriet hos Stefano Mancuso fra universitetet i Firenze blev der for eksempel udført eksperimenter med to klatrende bønneskud. Forskere etablerede en fælles støtte mellem planterne, og skuddene begyndte at løbe til den. Men så snart den første plante klatrede op på støtten, syntes den anden straks at genkende sig selv som besejret og holdt op med at vokse i denne retning. Den forstod, at kampen om ressourcer er meningsløs, og at det er bedre at lede efter lykken et andet sted.

W: Planter bevæger sig ikke, vokser langsomt og lever generelt uden hastværk. Det ser ud til, at deres nerveimpulser også burde forplante sig meget langsommere

Alexander Volkov: Dette er en vrangforestilling, der længe har eksisteret i videnskaben. I 70'erne af XIX århundrede målte briterne, at aktionspotentialet for Venus-fluefælden spredes med en hastighed på 20 centimeter i sekundet, men dette var en fejl. De var biologer og kendte slet ikke teknikken til elektriske målinger: I deres eksperimenter brugte briterne langsomme voltmetre, som registrerede nerveimpulser endnu langsommere, end de forplantede sig, hvilket er fuldstændig uacceptabelt. Nu ved vi, at nerveimpulser kan løbe gennem planter med meget forskellige hastigheder, afhængigt af stedet for signalexcitation og dens natur. Den maksimale udbredelseshastighed af aktionspotentialer i planter er sammenlignelig med de samme indikatorer hos dyr, og afslapningstiden efter passagen af aktionspotentialet kan variere fra millisekunder til flere sekunder.

W: Hvad bruger planter disse nerveimpulser til?

A. V: Et lærebogseksempel er Venus-fluefælden, som jeg allerede har nævnt. Disse planter lever i områder med meget fugtig jord, som er vanskelig for luft at trænge ind, og derfor er der lidt nitrogen i denne jord. Fluesnappere får manglen på dette essentielle stof ved at spise insekter og små frøer, som de fanger med en elektrisk fælde - to kronblade, som hver har tre piezomekaniske sensorer indbygget. Når et insekt sidder på et af kronbladene og rører ved disse receptorer med poten, genereres et aktionspotentiale i dem. Hvis et insekt rører mekanosensoren to gange inden for 30 sekunder, smækkes fælden i på et splitsekund. Vi kontrollerede driften af dette system - vi påførte et kunstigt elektrisk signal til Venus-fluefældens fælde, og alt fungerede på samme måde - fælden var lukket. Derefter gentog vi disse eksperimenter med mimosaer og andre planter, og så viste vi, at det er muligt at tvinge planter til at åbne, lukke, bevæge sig, bøje sig ned - i almindelighed, gør hvad du vil, ved hjælp af elektriske signaler. I dette tilfælde genererer eksterne excitationer af forskellig karakter aktionspotentialer i planter, som kan variere i amplitude, hastighed og varighed.

W: Hvad kan planter ellers reagere på?

A. V: Hvis du slår græsset i dit landsted, vil aktionspotentialer straks gå til planternes rødder. Ekspressionen af nogle gener vil starte på dem, og syntesen af brintoverilte aktiveres på udskæringerne, hvilket beskytter planter mod infektion. På samme måde, hvis du ændrer lysets retning, vil planten i de første 100 sekunder ikke reagere på det på nogen måde, for at afskære muligheden for en skygge fra en fugl eller et dyr, og derefter elektriske signaler vil igen gå, ifølge hvilke anlægget vil dreje på få sekunder på en sådan måde, at det opfanger lysstrømmen maksimalt. Det samme vil ske, og når du begynder at dryppe kogende vand, og når du bringer en brændende lighter op, og når du lægger planten i is - reagerer planter på enhver stimuli ved hjælp af elektriske signaler, der styrer deres reaktioner på ændrede omgivelser betingelser.

Plantehukommelse

Planter ved ikke kun, hvordan de skal reagere på det ydre miljø og tilsyneladende beregne deres handlinger, men binder også nogle sociale relationer indbyrdes. For eksempel viser observationerne af den tyske skovfoged Peter Volleben, at træer har en slags venskab: partnertræer er flettet sammen med rødder og overvåger nøje, at deres kroner ikke forstyrrer hinandens vækst, mens tilfældige træer ikke har nogen særlige følelser for til deres naboer forsøger de altid at skaffe sig mere boligareal. Samtidig kan der også opstå venskab mellem træer af forskellige typer. Så i eksperimenterne fra den samme Mancuso observerede videnskabsmænd, hvordan det kort før Douglas død ser ud til, at det efterlader en arv: et gult fyrretræ ikke langt fra det sendte en stor mængde organisk materiale gennem rodsystemet.

W: Har planter hukommelse?

Alexander Volkov: Planter har alle de samme typer hukommelse som dyr. For eksempel har vi vist, at Venus-fluefælden besidder hukommelse: For at fælden skal virke, skal der sendes 10 mikropar elektricitet til den, men det viser sig, at det ikke skal gøres i én session. Du kan først servere to mikrocoulomb, derefter yderligere fem, og så videre. Når det samlede antal er 10, vil det se ud for planten, at der er kommet et insekt ind i den, og den smækker. Det eneste er, at du ikke kan holde pauser på mere end 40 sekunder mellem sessionerne, ellers vil tælleren nulstilles – du får sådan en korttidshukommelse. Og planternes langtidshukommelse er endnu nemmere at se: for eksempel ramte en forårsfrost os den 30. april, og bogstaveligt talt natten over frøs alle blomster på figentræet, og det næste år blomstrede den først den 1. maj, fordi det huskede, hvad det var. endte. En masse lignende observationer er blevet lavet af plantefysiologer i løbet af de sidste 50 år.

W: Hvor er plantehukommelsen gemt?

A. V: Engang mødte jeg til en konference på De Kanariske Øer Leon Chua, som på et tidspunkt forudsagde eksistensen af memristorer - modstande med hukommelsen af den passerede strøm. Vi kom i snak: Chua vidste næsten intet om ionkanaler og planters elektrofysiologi, jeg - om memristorer. Som et resultat bad han mig om at prøve at lede efter memristorer in vivo, for ifølge hans beregninger skulle de være forbundet med hukommelsen, men indtil videre har ingen fundet dem i levende væsener. Vi gjorde det hele: vi viste, at de spændingsafhængige kaliumkanaler i aloe vera, mimosa og den samme Venus fluefælde er memristorer af natur, og i de følgende værker blev memristive egenskaber fundet i æbler, kartofler, græskarfrø og forskellige blomster. Det er meget muligt, at erindringen om planter er bundet netop til disse memristorer, men det vides endnu ikke med sikkerhed.

W: Planter ved, hvordan man træffer beslutninger, har en hukommelse. Det næste skridt er sociale interaktioner. Kan planter kommunikere med hinanden?

A. V: Du ved, i Avatar er der en episode, hvor træer kommunikerer med hinanden under jorden. Dette er ikke en fantasi, som man måske tror, men et etableret faktum. Da jeg boede i USSR, gik vi ofte for at plukke svampe, og alle vidste, at svampen skal skæres omhyggeligt med en kniv for ikke at beskadige myceliet. Nu viser det sig, at myceliet er et elektrisk kabel, hvorigennem træer kan kommunikere både med hinanden og med svampe. Desuden er der masser af beviser for, at træer ikke kun udveksler elektriske signaler langs myceliet, men også kemiske forbindelser eller endda farlige vira og bakterier.

W: Hvad kan du sige om myten om, at planter forstår menneskelig tale, og derfor skal du tale venligt og roligt med dem, så de vokser bedre?

A. V: Dette er bare en myte, intet andet.

W: Kan vi anvende udtrykkene "smerte", "tanker", "bevidsthed" på planter?

A. V: Jeg ved ikke noget om dette. Det er allerede filosofispørgsmål. Sidste sommer i Sankt Petersborg var der et symposium om signaler i planter, og der kom flere filosoffer fra forskellige lande på én gang, så dette emne begynder nu at blive behandlet. Men jeg er vant til at tale om, hvad jeg eksperimentelt kan teste eller beregne.

Planter som sensorer

Planter er i stand til at koordinere deres handlinger ved hjælp af forgrenede netværk. Den akacie, der vokser i den afrikanske savanne, frigiver således ikke kun et giftigt stof i bladene, når giraffer begynder at spise det, men udsender også en flygtig "alarmgas", der sender et nødsignal til de omkringliggende planter. Som et resultat, på jagt efter mad, skal giraffer ikke flytte til de nærmeste træer, men for at bevæge sig væk fra dem i gennemsnit 350 meter. I dag drømmer videnskabsmænd om at bruge sådanne netværk af levende sensorer, fejlrettet af naturen, til miljøovervågning og andre opgaver.

W: Har du prøvet at omsætte din planteelektrofysiologiske forskning i praksis?

Alexander Volkov: Jeg har patenter til at forudsige og registrere jordskælv ved hjælp af planter. På tærsklen til jordskælv (i forskellige dele af verden varierer tidsintervallet fra to til syv dage), forårsager bevægelsen af jordskorpen karakteristiske elektromagnetiske felter. På et tidspunkt foreslog japanerne at reparere dem ved hjælp af gigantiske antenner - jernstykker to kilometer høje, men ingen kunne bygge sådanne antenner, og det er ikke nødvendigt. Planter er så følsomme over for elektromagnetiske felter, at de kan forudsige jordskælv bedre end nogen antenne. For eksempel brugte vi aloe vera til disse formål - vi tilsluttede sølvkloridelektroder til bladene, registrerede elektrisk aktivitet og behandlede dataene.

W: Det lyder helt fantastisk. Hvorfor er dette system stadig ikke implementeret i praksis?

A. V: Der var et uventet problem her. Se: lad os sige, at du er borgmester i San Francisco og finde ud af, at der vil være et jordskælv om to dage. Hvad vil du gøre? Hvis du fortæller folk om dette, kan der som følge af panik og knusning endnu flere mennesker dø eller blive såret end i et jordskælv. På grund af sådanne begrænsninger kan jeg ikke engang offentligt diskutere resultaterne af vores arbejde i den åbne presse. Under alle omstændigheder tror jeg, at vi før eller siden vil have en række forskellige overvågningssystemer i drift på sensoranlæg. For eksempel har vi i et af vores arbejde vist, at ved hjælp af analysen af elektrofysiologiske signaler er det muligt at skabe et system til øjeblikkelig diagnose af forskellige sygdomme i landbrugsplanter.

Mere om emnet:

Plantesind

Planternes sprog