Miks taimed vajavad närviimpulsse

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Sajanditevanused tammed, lopsakas rohi, värsked köögiviljad – millegipärast pole me harjunud taimi elusolendiks pidama ja asjata. Katsed näitavad, et taimedel on omamoodi närvisüsteemi kompleksne analoog ja nad on nagu loomadki võimelised tegema otsuseid, talletama mälestusi, suhtlema ja isegi üksteisele kingitusi tegema.

Oakwoodi ülikooli professor Alexander Volkov aitas täpsemalt mõista taimede elektrofüsioloogiat.

Ajakirjanik: Ma poleks kunagi arvanud, et keegi tegeleb taimede elektrofüsioloogiaga, kuni ma teie artiklitele sattusin

Aleksander Volkov:Sa ei ole üksi. Üldsus on harjunud nägema taimi toidu- või maastikuelementidena, isegi aru saamata, et nad on elus. Kunagi tegin Helsingis ettekande taimede elektrofüsioloogiast ja siis olid kolleegid väga üllatunud: "Varem tegelesin tõsise teemaga - segunematud vedelikud, aga nüüd tegelesin puu- ja juurviljadega". Kuid see ei olnud alati nii: esimesed raamatud taimede elektrofüsioloogiast ilmusid 18. sajandil ning seejärel kulges loomade ja taimede uurimine peaaegu paralleelselt. Näiteks oli Darwin veendunud, et juur on omamoodi aju, keemiline arvuti, mis töötleb kogu taime signaale (vt nt "Liikumine taimedes"). Ja siis tuli Esimene maailmasõda ja kõik ressursid paisati loomade elektrofüsioloogia uurimisse, sest inimesed vajasid uusi ravimeid.

W: Tundub loogiline: laborihiired on inimestele ikka palju lähemal kui kannikesed

A. V:Tegelikkuses pole erinevused taimede ja loomade vahel üldsegi nii suured ning elektrofüsioloogias on need üldiselt minimaalsed. Taimedel on peaaegu täielik neuroni analoog - floem juhtiv kude. Sellel on sama koostis, suurus ja funktsioon nagu neuronitel. Ainus erinevus seisneb selles, et loomadel kasutatakse aktsioonipotentsiaalide edastamiseks neuronites naatriumi- ja kaaliumiioonkanaleid, taimede floeemides aga kloriidi- ja kaaliumiioonkanaleid. See on kogu erinevus neurofüsioloogias. Sakslased on hiljuti leidnud taimedes keemilised sünapsid, meie oleme elektrilised ja üldiselt on taimedel samad neurotransmitterid nagu loomadel. Mulle tundub, et see on isegi loogiline: kui ma looksin maailma ja oleksin laisk inimene, teeksin kõik ühesuguseks, et kõik sobiks.

Miks vajavad taimed närviimpulsse?

Me ei mõtle sellele, kuid taimed töötlevad oma elus veelgi rohkem väliskeskkonnast tulevaid signaale kui inimesed või teised loomad. Nad reageerivad valgusele, soojusele, gravitatsioonile, pinnase soola koostisele, magnetväljale, erinevatele haigustekitajatele ning muudavad saadud teabe mõjul paindlikult oma käitumist. Näiteks Firenze ülikooli Stefano Mancuso laboris tehti katseid kahe roniva oa võrsetega. Teadlased lõid taimede vahel ühise toe ja võrsed hakkasid selle poole jooksma. Kuid niipea, kui esimene taim toele ronis, tundus teine kohe end lüüa saanud ja lõpetas selles suunas kasvamise. See sai aru, et võitlus ressursside pärast on mõttetu ja parem on õnne otsida mujalt.

W: Taimed ei liigu, kasvavad aeglaselt ja üldiselt elavad kiirustamata. Tundub, et ka nende närviimpulsid peaksid palju aeglasemalt levima

Aleksander Volkov: See on teaduses pikka aega eksisteerinud pettekujutelm. XIX sajandi 70ndatel mõõtsid britid, et Veenuse kärbsepüünise aktsioonipotentsiaal levib kiirusega 20 sentimeetrit sekundis, kuid see oli viga. Nad olid bioloogid ega tundnud elektrimõõtmise tehnikat üldse: inglased kasutasid oma katsetes aeglaseid voltmeetreid, mis registreerisid närviimpulsse isegi aeglasemalt, kui need levisid, mis on täiesti lubamatu. Nüüd teame, et närviimpulsid võivad taimede kaudu kulgeda väga erineva kiirusega, olenevalt signaali ergastamise kohast ja selle olemusest. Taimede aktsioonipotentsiaalide leviku maksimaalne kiirus on võrreldav samade näitajatega loomadel ja lõõgastusaeg pärast aktsioonipotentsiaali läbimist võib varieeruda millisekunditest mitme sekundini.

W: Milleks taimed neid närviimpulsse kasutavad?

A. V: Õpikunäide on Veenuse kärbsepüünis, mida juba mainisin. Need taimed elavad piirkondades, kus on väga niiske pinnas, kuhu õhul on raske tungida, ja seetõttu on selles pinnases vähe lämmastikku. Selle hädavajaliku aine puuduse saavad kärbsenäpid, süües putukaid ja väikseid konni, keda nad püüavad elektrilise lõksuga – kahe kroonlehega, millest igaühesse on sisse ehitatud kolm piesomehaanilist andurit. Kui putukas istub mõnel kroonlehel ja puudutab neid retseptoreid oma käpaga, tekib neis aktsioonipotentsiaal. Kui putukas puudutab mehhanosensorit kaks korda 30 sekundi jooksul, suletakse lõks sekundi murdosa jooksul. Kontrollisime selle süsteemi tööd - andsime Veenuse kärbsepüünise lõksule kunstliku elektrisignaali ja kõik toimis samamoodi - lõks oli suletud. Siis kordasime neid katseid mimooside ja teiste taimedega ja nii näitasime, et elektriliste signaalide abil on võimalik sundida taimi avanema, sulgema, liikuma, kummarduma - üldiselt tehke mida tahate. Sel juhul tekitavad erineva iseloomuga välised ergastused taimedes aktsioonipotentsiaale, mis võivad erineda amplituudi, kiiruse ja kestuse poolest.

W: Millele veel saavad taimed reageerida?

A. V: Kui niidate oma maamajas muru, lähevad tegevuspotentsiaalid kohe taimede juurtele. Osade geenide ekspressioon algab nendel ja lõikekohtadel aktiveerub vesinikperoksiidi süntees, mis kaitseb taimi nakatumise eest. Samamoodi, kui muudate valguse suunda, siis esimese 100 sekundi jooksul ei reageeri taim sellele kuidagi, et linnult või loomalt varju võimalus ära lõigata ja siis jälle lähevad elektrilised signaalid, mille järgi taim pöördub sekunditega nii, et valgusvoogu jäädvustab maksimaalne. Kõik juhtub sama ja kui hakkate keeva vett tilkuma ja kui tood põleva tulemasina ja paned taime jäässe - reageerivad taimed igasugustele stiimulitele elektriliste signaalide abil, mis juhivad nende reaktsioone muutunud keskkonnale. tingimused.

Taimede mälu

Taimed mitte ainult ei tea, kuidas reageerida väliskeskkonnale ja ilmselt arvutada oma tegevust, vaid ka seovad omavahel sotsiaalseid suhteid. Näiteks Saksa metsamehe Peter Vollebeni tähelepanekud näitavad, et puudel on omamoodi sõprus: partnerpuud on juurtega läbi põimunud ja jälgivad hoolikalt, et nende võrad ei segaks üksteise kasvamist, samas kui juhuslikel puudel poleks mingeid erilisi tundeid. naabritele püüavad nad alati endale elamispinda juurde krabada. Samas võib sõprus tekkida ka erinevat tüüpi puude vahel. Nii täheldasid teadlased sama Mancuso katsetes, kuidas vahetult enne Douglase surma näib, et see jätab pärandi: tema lähedal asuv kollane mänd saatis juurestiku kaudu suurel hulgal orgaanilist ainet.

W: Kas taimedel on mälu?

Aleksander Volkov: Taimedel on sama tüüpi mälu nagu loomadel. Näiteks oleme näidanud, et Veenuse kärbsepüünis omab mälu: et püünis töötaks, tuleb sinna saata 10 mikropaari elektrit, kuid selgub, et seda ei pea tegema ühe seansi jooksul. Esmalt võite serveerida kaks mikrokuloni, seejärel veel viis ja nii edasi. Kui kogusumma on 10, tundub taimele, et putukas on sellesse sattunud, ja ta läheb kinni. Ainus asi on see, et te ei saa seansside vahel teha üle 40-sekundilisi pause, vastasel juhul lähtestab loendur nulli - saate sellise lühiajalise mälu. Ja taimede pikaajalist mälu on veelgi lihtsam näha: näiteks üks kevadkülm tabas meid 30. aprillil ja sõna otseses mõttes üleöö külmusid viigipuul kõik õied ära ja järgmisel aastal õitses ta alles 1. mail. sest see mäletas, mis see oli. lõppes. Taimefüsioloogid on viimase 50 aasta jooksul teinud palju sarnaseid tähelepanekuid.

W: Kus on taimemälu salvestatud?

A. V: Kord kohtasin Kanaari saartel konverentsil Leon Chua, kes omal ajal ennustas memristorite olemasolu - vastupanuid koos möödunud voolu mälestusega. Saime vestlusse: Chua ei teadnud peaaegu midagi ioonikanalitest ja taimede elektrofüsioloogiast, mina - memristoritest. Sellest tulenevalt palus ta mul proovida memristoreid in vivo otsida, sest tema arvutuste kohaselt peaksid need seostuma mäluga, kuid siiani pole keegi neid elusolenditest leidnud. Tegime seda kõike: näitasime, et aloe vera, mimoosi ja sellesama Veenuse kärbsepüünise pingest sõltuvad kaaliumikanalid on oma olemuselt memristorid ning järgmistes töödes leiti memristivaid omadusi õuntel, kartulitel, kõrvitsaseemnetel jm. lilled. On täiesti võimalik, et taimede mälu on seotud just nende memristidega, kuid seda pole veel kindlalt teada.

W: Taimed teavad, kuidas otsuseid langetada, neil on mälu. Järgmine samm on sotsiaalne suhtlus. Kas taimed saavad omavahel suhelda?

A. V: Teate, Avataris on episood, kus puud suhtlevad omavahel maa all. See pole fantaasia, nagu võiks arvata, vaid kindlaks tehtud fakt. Kui ma NSV Liidus elasin, käisime sageli seenel ja kõik teadsid, et seeni tuleb hoolikalt noaga lõigata, et mitte kahjustada seeneniidistikku. Nüüd selgub, et seeneniidistik on elektrikaabel, mille kaudu puud saavad suhelda nii omavahel kui ka seentega. Veelgi enam, on palju tõendeid selle kohta, et puud ei vaheta piki mütseeli mitte ainult elektrilisi signaale, vaid ka keemilisi ühendeid või isegi ohtlikke viirusi ja baktereid.

W: Mida öelda müüdi kohta, et taimed mõistavad inimkõnet ja seetõttu tuleb nendega sõbralikult ja rahulikult rääkida, et nad paremini kasvaksid?

A. V: See on vaid müüt, ei midagi muud.

W: Kas me saame taimede kohta rakendada mõisteid "valu", "mõtted", "teadvus"?

A. V: Ma ei tea sellest midagi. Need on juba filosoofia küsimused. Eelmisel suvel oli Peterburis sümpoosion signaalidest taimedes ja sinna tulid korraga mitu filosoofi erinevatest riikidest, nii et selle teemaga hakatakse nüüd tegelema. Aga ma olen harjunud rääkima sellest, mida saan katseliselt katsetada või arvutada.

Taimed kui andurid

Taimed suudavad hargnenud võrkude abil oma tegevust koordineerida. Nii ei lase Aafrika savannis kasvav akaatsia lehtedesse mitte ainult mürgist ainet, kui kaelkirjakud seda sööma hakkavad, vaid eraldab ka lenduvat "häiregaasi", mis saadab ümbritsevatele taimedele hädasignaali. Selle tulemusena peavad kaelkirjakud toidu otsimisel liikuma mitte lähimate puude juurde, vaid eemalduma neist keskmiselt 350 meetrit. Tänapäeval unistavad teadlased selliste elavate andurite võrgustike, mis on looduse poolt silutud, kasutamisest keskkonnaseireks ja muudeks ülesanneteks.

W: Kas olete proovinud oma taimede elektrofüsioloogiauuringuid praktikas rakendada?

Aleksander Volkov: Mul on patendid maavärinate ennustamiseks ja registreerimiseks taimede abil. Maavärinate eelõhtul (maailma eri paigus varieerub ajavahemik kahest kuni seitsme päevani) põhjustab maakoore liikumine iseloomulikke elektromagnetvälju. Omal ajal tegid jaapanlased ettepaneku need kinnitada hiiglaslike antennide abil - kahe kilomeetri kõrguste rauatükkidega, kuid keegi ei saanud selliseid antenne ehitada ja see pole vajalik. Taimed on elektromagnetväljade suhtes nii tundlikud, et suudavad maavärinaid ennustada paremini kui ükski antenn. Näiteks kasutasime nendel eesmärkidel aaloed – ühendasime selle lehtedega hõbekloriidelektroodid, registreerisime elektrilise aktiivsuse ja töötlesime andmeid.

W: Kõlab täiesti fantastiliselt. Miks seda süsteemi ikka veel praktikas ei rakendata?

A. V: Siin tekkis ootamatu probleem. Vaadake: oletame, et olete San Francisco linnapea ja saate teada, et kahe päeva pärast toimub maavärin. Mida sa kavatsed teha? Kui sellest inimestele rääkida, võib paanika ja muserdamise tagajärjel hukkuda või vigastada isegi rohkem inimesi kui maavärinas. Selliste piirangute tõttu ei saa ma isegi meie töö tulemusi avalikus ajakirjanduses avalikult arutada. Igal juhul arvan, et varem või hiljem hakkavad meil sensorjaamades töötama mitmesugused seiresüsteemid. Näiteks oleme ühes oma töös näidanud, et elektrofüsioloogiliste signaalide analüüsi kasutades on võimalik luua süsteem põllumajandustaimede erinevate haiguste koheseks diagnoosimiseks.

Teemast lähemalt:

Istuta mõistus

Taimede keel