Kodėl augalams reikia nervinių impulsų

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Šimtamečiai ąžuolai, vešli žolė, šviežios daržovės – kažkaip nesame įpratę augalų laikyti gyvais padarais ir veltui. Eksperimentai rodo, kad augalai turi savotišką kompleksinį nervų sistemos analogą ir, kaip ir gyvūnai, geba priimti sprendimus, kaupti prisiminimus, bendrauti, net dovanoti vieni kitiems dovanas.

Oukvudo universiteto profesorius Aleksandras Volkovas padėjo išsamiau suprasti augalų elektrofiziologiją.

Žurnalistas: Niekada nebūčiau pagalvojęs, kad kažkas užsiima augalų elektrofiziologija, kol nepamačiau jūsų straipsnių

Aleksandras Volkovas:Tu nesi vienas. Plačioji visuomenė įpratusi matyti augalus kaip maistą ar kraštovaizdžio elementus, net nesuvokdama, kad jie gyvi. Kartą Helsinkyje kūriau pranešimą apie augalų elektrofiziologiją, o tada kolegos labai nustebo: „Anksčiau sprendžiau rimtą temą - nesimaišančius skysčius, o dabar užsiėmiau kažkokiais vaisiais ir daržovėmis“. Tačiau taip buvo ne visada: pirmosios knygos apie augalų elektrofiziologiją buvo išleistos XVIII amžiuje, o tada gyvūnų ir augalų tyrimai vyko beveik lygiagrečiai. Pavyzdžiui, Darvinas buvo įsitikinęs, kad šaknis yra savotiškos smegenys, cheminis kompiuteris, apdorojantis viso augalo signalus (žr., pavyzdžiui, „Judėjimas augaluose“). Ir tada atėjo Pirmasis pasaulinis karas ir visi resursai buvo išmesti į gyvūnų elektrofiziologijos studijas, nes žmonėms reikėjo naujų vaistų.

W: Atrodo logiška: laboratorinės pelės vis dar yra daug arčiau žmogaus nei žibuoklės

A. V:Tiesą sakant, skirtumai tarp augalų ir gyvūnų nėra tokie didžiuliai, o elektrofiziologijoje jie paprastai yra minimalūs. Augalai turi beveik pilną neurono analogą – floeminį laidų audinį. Jis turi tokią pačią sudėtį, dydį ir funkciją kaip ir neuronai. Vienintelis skirtumas yra tas, kad gyvūnams natrio ir kalio jonų kanalai naudojami neuronuose veikimo potencialui perduoti, o augalų floemuose – chlorido ir kalio jonų kanalai. Tai yra visas neurofiziologijos skirtumas. Vokiečiai neseniai augaluose rado chemines sinapses, mes – elektriniai, ir apskritai augalai turi tokius pat neuromediatorius, kaip ir gyvūnai. Man atrodo, kad tai netgi logiška: jei kurčiau pasaulį, o būčiau tinginys, viską daryčiau vienodą, kad viskas derėtų.

Kodėl augalams reikia nervinių impulsų?

Mes apie tai negalvojame, bet augalai savo gyvenime apdoroja net daugiau signalų iš išorinės aplinkos nei žmonės ar bet kurie kiti gyvūnai. Jie reaguoja į šviesą, šilumą, gravitaciją, dirvožemio druskų sudėtį, magnetinį lauką, įvairius patogenus ir, veikiami gaunamos informacijos, lanksčiai keičia savo elgesį. Pavyzdžiui, Stefano Mancuso iš Florencijos universiteto laboratorijoje buvo atlikti eksperimentai su dviem vijoklinių pupelių ūgliais. Mokslininkai nustatė bendrą augalų atramą, o ūgliai pradėjo lenktyniauti. Tačiau kai tik pirmasis augalas užlipo ant atramos, antrasis iš karto atpažino save nugalėtu ir nustojo augti šia kryptimi. Tai suprato, kad kova dėl išteklių yra beprasmiška ir geriau laimės ieškoti kur nors kitur.

W: Augalai nejuda, auga lėtai ir paprastai gyvena neskubiai. Atrodo, kad jų nerviniai impulsai taip pat turėtų sklisti daug lėčiau

Aleksandras Volkovas: Tai jau seniai moksle egzistuojantis kliedesys. XIX amžiaus aštuntajame dešimtmetyje britai išmatavo, kad Veneros muselinių spąstų veikimo potencialas plinta 20 centimetrų per sekundę greičiu, tačiau tai buvo klaida. Jie buvo biologai ir visiškai neišmanė elektrinių matavimų technikos: britai savo eksperimentuose naudojo lėtus voltmetrus, kurie nervinius impulsus fiksavo net lėčiau nei jie sklinda, o tai visiškai nepriimtina. Dabar žinome, kad nerviniai impulsai gali tekėti per augalus labai skirtingu greičiu, priklausomai nuo signalo sužadinimo vietos ir jo pobūdžio. Maksimalus veikimo potencialo plitimo greitis augaluose yra panašus į tuos pačius gyvūnų rodiklius, o atsipalaidavimo laikas po veikimo potencialo gali svyruoti nuo milisekundžių iki kelių sekundžių.

W: Kam augalai naudoja šiuos nervinius impulsus?

A. V: Vadovėlinis pavyzdys – Veneros muselinė, kurią jau minėjau. Šie augalai gyvena vietose, kuriose yra labai drėgnas dirvožemis, į kurį sunkiai prasiskverbia oras, todėl šioje dirvoje yra mažai azoto. Šios esminės medžiagos trūkumo muselininkai gauna valgydami vabzdžius ir mažas varlytes, kurias gaudo elektrine gaudykle – dviem žiedlapiais, kurių kiekviename yra įmontuoti po tris pjezomechaninius jutiklius. Kai vabzdys atsisėda ant kurio nors iš žiedlapių ir paliečia šiuos receptorius savo letena, juose sukuriamas veikimo potencialas. Jei vabzdys du kartus paliečia mechaninį jutiklį per 30 sekundžių, spąstai užsidaro per sekundės dalį. Patikrinome šios sistemos veikimą – pritaikėme dirbtinį elektrinį signalą Veneros muselinių gaudyklių gaudyklei ir viskas veikė taip pat – gaudyklė buvo uždaryta. Tada pakartojome šiuos eksperimentus su mimoza ir kitais augalais ir taip parodėme, kad galima priversti augalus atsidaryti, užsidaryti, judėti, pasilenkti – apskritai daryti ką nori, naudojant elektrinius signalus. Šiuo atveju skirtingo pobūdžio išoriniai sužadinimai augaluose sukuria veikimo potencialą, kuris gali skirtis amplitude, greičiu ir trukme.

W: Į ką dar gali reaguoti augalai?

A. V: Jei nupjausite žolę savo sodyboje, tada veiksmų potencialas iš karto pateks į augalų šaknis. Ant jų prasidės kai kurių genų raiška, o pjūviuose suaktyvėja vandenilio peroksido sintezė, kuri apsaugo augalus nuo infekcijos. Lygiai taip pat, jei pakeisite šviesos kryptį, tada pirmąsias 100 sekundžių augalas niekaip į tai nereaguos, kad pašalintų paukščio ar gyvūno šešėlio galimybę, o tada vėl eis elektriniai signalai, pagal kuriuos gamykla apsisuks per sekundes taip, kad maksimaliai užfiksuotų šviesos srautą. Viskas atsitiks ir kai pradėsite lašinti verdantį vandenį, ir kai pakelsite degantį žiebtuvėlį, ir kai įdėsite augalą į ledą - augalai reaguoja į bet kokius dirgiklius elektros signalų pagalba, kurie kontroliuoja jų reakciją į pasikeitusią aplinką. sąlygos.

Augalų atmintis

Augalai ne tik moka reaguoti į išorinę aplinką ir, matyt, skaičiuoti savo veiksmus, bet ir susieja tam tikrus socialinius santykius tarpusavyje. Pavyzdžiui, vokiečių miškininko Peterio Vollebeno pastebėjimai rodo, kad medžius sieja savotiška draugystė: medžiai partneriai yra susipynę su šaknimis ir atidžiai stebi, kad jų lajos netrukdytų vienas kitam augti, o atsitiktiniai medžiai nejaučia jokių ypatingų jausmų. kaimynams jie visada stengiasi patraukti sau daugiau gyvenamojo ploto. Tuo pačiu metu draugystė gali užmegzti ir tarp skirtingų rūšių medžių. Taigi to paties Mancuso eksperimentuose mokslininkai pastebėjo, kaip prieš pat Douglaso mirtį atrodo, kad jis palieka palikimą: netoli nuo jo esanti geltona pušis per šaknų sistemą išsiuntė didelį kiekį organinių medžiagų.

W: Ar augalai turi atmintį?

Aleksandras Volkovas: Augalai turi tokią pačią atmintį kaip ir gyvūnai. Pavyzdžiui, mes parodėme, kad Veneros muselpąstas turi atmintį: kad spąstai veiktų, į jį reikia nusiųsti 10 mikroporų elektros energijos, bet pasirodo, kad tai nebūtina padaryti per vieną seansą. Pirmiausia galite patiekti du mikrokulonus, tada dar penkis ir pan. Kai iš viso bus 10, augalui atrodys, kad į jį pateko vabzdys, ir jis užsitrenks. Vienintelis dalykas yra tai, kad tarp seansų negalite daryti ilgesnių nei 40 sekundžių pertraukų, kitaip skaitiklis nusistatys iki nulio - gausite tokią trumpalaikę atmintį. O ilgalaikę augalų atmintį įžvelgti dar lengviau: pavyzdžiui, balandžio 30 dieną mus užklupo vienos pavasarinės šalnos, o tiesiog per naktį sušalo visos gėlės ant figmedžio, o kitais metais jis pražydo tik gegužės 1 d. nes prisiminė, kas tai buvo.baigė. Per pastaruosius 50 metų augalų fiziologai atliko daug panašių stebėjimų.

W: Kur saugoma augalų atmintis?

A. V: Kartą konferencijoje Kanarų salose sutikau Leoną Chua, kuris vienu metu išpranašavo memristorių egzistavimą – pasipriešinimus su prabėgusios srovės atmintimi. Įsitraukėme į pokalbį: Chua beveik nieko nežinojo apie jonų kanalus ir augalų elektrofiziologiją, aš – apie memristorius. Dėl to jis paprašė pabandyti ieškoti memristorių in vivo, nes pagal jo skaičiavimus jie turėtų būti siejami su atmintimi, tačiau iki šiol jų niekas nerado gyvose būtybėse. Mes padarėme viską: parodėme, kad nuo įtampos priklausomi alijošiaus, mimozos ir tos pačios Veneros muselinės gaudyklės kalio kanalai iš prigimties yra memristoriai, o tolesniuose darbuose memristinių savybių rasta obuoliuose, bulvėse, moliūgų sėklose ir kt. gėlės. Visai įmanoma, kad augalų atmintis yra susieta būtent su šiais memristoriais, tačiau tai dar nėra tiksliai žinoma.

W: Augalai moka priimti sprendimus, turi atmintį. Kitas žingsnis – socialinė sąveika. Ar augalai gali bendrauti tarpusavyje?

A. V: Žinote, „Avatare“yra epizodas, kai medžiai bendrauja vienas su kitu po žeme. Tai ne fantazija, kaip galima pamanyti, o nustatytas faktas. Kai gyvenau SSRS, dažnai eidavome grybauti ir visi žinojo, kad grybą reikia atsargiai pjaustyti peiliu, kad nepažeistume grybienos. Dabar paaiškėjo, kad grybiena yra elektros kabelis, kuriuo medžiai gali bendrauti ir tarpusavyje, ir su grybais. Be to, yra daugybė įrodymų, kad medžiai grybienoje keičiasi ne tik elektriniais signalais, bet ir cheminiais junginiais ar net pavojingais virusais ir bakterijomis.

W: Ką galite pasakyti apie mitą, kad augalai supranta žmogaus kalbą, todėl reikia su jais maloniai ir ramiai kalbėtis, kad jie geriau augtų?

A. V: Tai tik mitas, nieko daugiau.

W: Ar galime augalams pritaikyti terminus „skausmas“, „mintys“, „sąmonė“?

A. V: Nieko apie tai nežinau. Tai jau filosofijos klausimai. Praėjusią vasarą Sankt Peterburge vyko simpoziumas apie signalus augaluose, į kurį vienu metu atvyko keli filosofai iš įvairių šalių, tad ši tema dabar pradedama nagrinėti. Bet aš įpratęs kalbėti apie tai, ką galiu eksperimentiškai išbandyti ar apskaičiuoti.

Augalai kaip jutikliai

Augalai gali koordinuoti savo veiksmus naudodami šakotus tinklus. Taigi, Afrikos savanoje auganti akacija ne tik išskiria nuodingą medžiagą į savo lapus, kai žirafos pradeda ją ėsti, bet ir išskiria lakias „pavojaus dujas“, kurios siunčia nelaimės signalą aplinkiniams augalams. Dėl to žirafos, ieškodamos maisto, turi persikelti ne prie artimiausių medžių, o nuo jų nutolti vidutiniškai 350 metrų. Šiandien mokslininkai svajoja tokius gyvų jutiklių tinklus, kuriuos gamta derina, panaudoti aplinkos stebėjimui ir kitoms užduotims.

W: Ar bandėte savo augalų elektrofiziologijos tyrimus pritaikyti praktikoje?

Aleksandras Volkovas: Turiu patentus numatyti ir registruoti žemės drebėjimus naudojant augalus. Žemės drebėjimų išvakarėse (skirtingose pasaulio vietose laiko intervalas svyruoja nuo dviejų iki septynių dienų) žemės plutos judėjimas sukelia būdingus elektromagnetinius laukus. Vienu metu japonai siūlė jas taisyti milžiniškomis antenomis – dviejų kilometrų aukščio geležies gabalais, tačiau tokių antenų niekas negalėjo sukonstruoti, o tai ir nebūtina. Augalai yra tokie jautrūs elektromagnetiniams laukams, kad gali geriau nei bet kuri antena numatyti žemės drebėjimus. Pavyzdžiui, šiems tikslams naudojome alaviją – prie jo lapų prijungėme sidabro chlorido elektrodus, fiksavome elektrinį aktyvumą, apdorojome duomenis.

W: Skamba visiškai fantastiškai. Kodėl ši sistema vis dar neįdiegta praktiškai?

A. V: Čia iškilo netikėta problema. Pažiūrėkite: tarkime, kad esate San Francisko meras ir sužinokite, kad po dviejų dienų įvyks žemės drebėjimas. Ką ketini daryti? Jei apie tai pasakysite žmonėms, dėl panikos ir sugniuždymo gali žūti ar būti sužeista dar daugiau žmonių nei per žemės drebėjimą. Dėl tokių apribojimų net negaliu viešai aptarti mūsų darbo rezultatų atviroje spaudoje. Bet kokiu atveju, manau, anksčiau ar vėliau turėsime įvairių stebėjimo sistemų, veikiančių sensorinėse gamyklose. Pavyzdžiui, viename iš savo darbų parodėme, kad naudojant elektrofiziologinių signalų analizę, galima sukurti įvairių žemės ūkio augalų ligų momentinės diagnostikos sistemą.

Plačiau apie temą:

Augalų protas

Augalų kalba