Proč rostliny potřebují nervové impulsy

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Staleté duby, bujná tráva, čerstvá zelenina – nějak nejsme zvyklí považovat rostliny za živé tvory a marně. Experimenty ukazují, že rostliny mají jakousi složitou obdobu nervového systému a stejně jako zvířata se dokážou rozhodovat, ukládat vzpomínky, komunikovat a dokonce si dávat dárky.

Profesor Oakwood University Alexander Volkov pomohl podrobněji porozumět elektrofyziologii rostlin.

Novinář: Nikdy by mě nenapadlo, že někdo dělá elektrofyziologii rostlin, dokud jsem nenarazil na vaše články

Alexander Volkov:Nejsi sám. Široká veřejnost je zvyklá vnímat rostliny jako potravu nebo krajinné prvky, aniž by si vůbec uvědomovala, že jsou živé. Jednou jsem dělal v Helsinkách reportáž o elektrofyziologii rostlin a pak byli moji kolegové velmi překvapeni: „Dřív jsem řešil vážné téma – nemísitelné tekutiny, ale teď jsem měl co do činění s nějakým druhem ovoce a zeleniny“. Nebylo tomu tak ale vždy: první knihy o elektrofyziologii rostlin vycházely v 18. století a studium zvířat a rostlin pak probíhalo téměř paralelně. Například Darwin byl přesvědčen, že kořen je jakýsi mozek, chemický počítač, který zpracovává signály z celé rostliny (viz např. „Pohyb v rostlinách“). A pak přišla první světová válka a všechny prostředky byly vrženy do studia elektrofyziologie zvířat, protože lidé potřebovali nové léky.

W: Zdá se to logické: laboratorní myši jsou lidem stále mnohem blíže než fialky

AV:Ve skutečnosti nejsou rozdíly mezi rostlinami a zvířaty vůbec tak obrovské a v elektrofyziologii jsou obecně minimální. Rostliny mají téměř úplný analog neuronu - vodivou tkáň floému. Má stejné složení, velikost a funkci jako neurony. Jediný rozdíl je v tom, že u zvířat se sodíkové a draselné iontové kanály používají v neuronech k přenosu akčních potenciálů, zatímco u rostlinného floému se používají chloridové a draselné iontové kanály. To je celý rozdíl v neurofyziologii. Němci nedávno našli chemické synapse u rostlin, jsme električtí a obecně rostliny mají stejné neurotransmitery jako zvířata. Zdá se mi to dokonce logické: kdybych tvořil svět a jsem líný člověk, udělal bych všechno stejné, aby bylo vše kompatibilní.

Proč rostliny potřebují nervové impulsy?

Nepřemýšlíme o tom, ale rostliny ve svém životě zpracovávají ještě více typů signálů z vnějšího prostředí než člověk nebo kterýkoli jiný živočich. Reagují na světlo, teplo, gravitaci, solné složení půdy, magnetické pole, různé patogeny a pod vlivem přijatých informací pružně mění své chování. Například v laboratoři Stefana Mancusa z Florentské univerzity byly provedeny pokusy se dvěma výhonky popínavé fazole. Vědci vytvořili společnou oporu mezi rostlinami a výhonky k ní začaly závodit. Ale jakmile první rostlina vylezla na podpěru, druhá se okamžitě jakoby poznala jako poražená a přestala tímto směrem růst. Pochopilo, že boj o zdroje nemá smysl a je lepší hledat štěstí někde jinde.

W: Rostliny se nepohybují, rostou pomalu a celkově žijí nespěchaně. Zdá se, že i jejich nervové vzruchy by se měly šířit mnohem pomaleji

Alexander Volkov: To je klam, který ve vědě existuje již dlouho. V 70. letech 19. století Britové změřili, že akční potenciál mucholapky Venuše se šíří rychlostí 20 centimetrů za sekundu, ale to byla chyba. Byli biologové a vůbec neznali techniku elektrických měření: Britové při svých experimentech používali pomalé voltmetry, které zaznamenávaly nervové impulsy ještě pomaleji, než se šířily, což je zcela nepřijatelné. Nyní víme, že nervové impulsy mohou procházet rostlinami velmi různou rychlostí v závislosti na místě vybuzení signálu a na jeho povaze. Maximální rychlost šíření akčního potenciálu u rostlin je srovnatelná se stejnými ukazateli u zvířat a doba relaxace po průchodu akčního potenciálu se může pohybovat od milisekund do několika sekund.

W: K čemu rostliny využívají tyto nervové impulsy?

AV: Učebnicovým příkladem je mucholapka Venuše, o které jsem se již zmínil. Tyto rostliny žijí v oblastech s velmi vlhkou půdou, kterou obtížně proniká vzduch, a proto je v této půdě málo dusíku. Nedostatek této základní látky získávají mucholaři pojídáním hmyzu a malých žab, které chytají pomocí elektrické pasti – dvou okvětních lístků, z nichž každý má v sobě zabudované tři piezomechanické senzory. Když hmyz sedne na některý z okvětních lístků a dotkne se těchto receptorů tlapkou, vytvoří se v nich akční potenciál. Pokud se hmyz dotkne mechanosensoru dvakrát během 30 sekund, past se ve zlomku sekundy zabouchne. Zkontrolovali jsme fungování tohoto systému - do pasti mucholapky Venuše jsme přivedli umělý elektrický signál a vše fungovalo stejně - past byla uzavřena. Poté jsme tyto pokusy zopakovali s mimózou a dalšími rostlinami a tak jsme ukázali, že je možné přinutit rostliny, aby se otevíraly, zavíraly, pohybovaly, skláněly - obecně si dělejte, co chcete, pomocí elektrických signálů. V tomto případě vnější excitace různé povahy generují v rostlinách akční potenciály, které se mohou lišit amplitudou, rychlostí a trváním.

W: Na co ještě mohou rostliny reagovat?

AV: Pokud ve svém venkovském domě posekáte trávu, akční potenciály okamžitě přejdou ke kořenům rostlin. Spustí se na nich exprese některých genů a na řezech se aktivuje syntéza peroxidu vodíku, který chrání rostliny před infekcí. Stejně tak, pokud změníte směr světla, pak na něj rostlina prvních 100 sekund nebude nijak reagovat, aby odřízla možnost stínu z ptáka nebo zvířete, a pak opět půjdou elektrické signály, podle kterých se rostlina během sekund otočí tak, aby maximalizovala zachycení světelného toku. Totéž se stane, a když začnete kapat vařící vodu a když zvednete hořící zapalovač a když rostlinu vložíte do ledu, rostliny reagují na jakékoli podněty pomocí elektrických signálů, které řídí jejich reakce na změněné prostředí. podmínky.

Paměť rostlin

Rostliny nejenže vědí, jak reagovat na vnější prostředí a zjevně vypočítat své akce, ale také mezi sebou vážou některé sociální vztahy. Například pozorování německého lesníka Petera Vollebena ukazují, že stromy mají jakési přátelství: partnerské stromy jsou propletené kořeny a pečlivě sledují, aby si jejich koruny navzájem nepřekážely v růstu, zatímco náhodné stromy nemají žádné zvláštní city k ke svým sousedům se vždy snaží urvat pro sebe více životního prostoru. Přátelství přitom může vzniknout i mezi stromy různých typů. Takže při pokusech téhož Mancusa vědci pozorovali, jak se zdá, že krátce před Douglasovou smrtí zanechává dědictví: žlutá borovice nedaleko od ní poslala kořenovým systémem velké množství organické hmoty.

W: Mají rostliny paměť?

Alexander Volkov: Rostliny mají všechny stejné typy paměti jako zvířata. Například jsme ukázali, že mucholapka Venuše má paměť: aby past fungovala, musí do ní poslat 10 mikročlánků elektřiny, ale ukázalo se, že to nemusí být provedeno během jedné relace. Nejprve můžete podávat dva mikrocoulomby, pak dalších pět a tak dále. Když je součet 10, rostlině se bude zdát, že se do ní dostal hmyz, a zabouchne se. Jediná věc je, že mezi sezeními nemůžete dělat přestávky delší než 40 sekund, jinak se počítadlo vynuluje - získáte tak krátkodobou paměť. A dlouhodobá paměť rostlin je vidět ještě lépe: například 30. dubna nás zasáhl jeden jarní mrazík a doslova přes noc na fíkovníku zmrzly všechny květy a další rok vykvetl až 1. května, protože si pamatovalo, co to bylo. skončilo. Za posledních 50 let provedli fyziologové rostlin mnoho podobných pozorování.

W: Kde je uložena paměť rostlin?

AV: Jednou jsem se na konferenci na Kanárských ostrovech setkal s Leonem Chuou, který svého času předpověděl existenci memristorů – odporů s pamětí prošlého proudu. Dali jsme se do rozhovoru: Chua nevěděl téměř nic o iontových kanálech a elektrofyziologii rostlin, já - o memristorech. V důsledku toho mě požádal, abych zkusil hledat memristory in vivo, protože podle jeho výpočtů by měly být spojeny s pamětí, ale zatím je nikdo u živých bytostí nenašel. Udělali jsme to všechno: ukázali jsme, že napěťově závislé draslíkové kanály aloe vera, mimózy a stejné mucholapky Venuše jsou přirozeně memristory a v následujících pracích byly memristivní vlastnosti nalezeny u jablek, brambor, dýňových semen a různých květiny. Je docela možné, že paměť rostlin je vázána právě na tyto memristory, ale zatím to není jisté.

W: Rostliny se umí rozhodovat, mají paměť. Dalším krokem jsou sociální interakce. Mohou spolu rostliny komunikovat?

AV: Víte, v Avataru je epizoda, kde spolu stromy komunikují v podzemí. To není fantazie, jak by si někdo mohl myslet, ale prokázaná skutečnost. Když jsem žil v SSSR, chodili jsme často na houby a každý věděl, že houba se musí opatrně řezat nožem, aby se nepoškodilo podhoubí. Nyní se ukazuje, že mycelium je elektrický kabel, přes který mohou stromy komunikovat jak mezi sebou, tak s houbami. Navíc existuje spousta důkazů, že stromy si podél mycelia vyměňují nejen elektrické signály, ale také chemické sloučeniny nebo dokonce nebezpečné viry a bakterie.

W: Co můžete říci o mýtu, že rostliny rozumí lidské řeči, a proto je třeba s nimi mluvit laskavě a klidně, aby lépe rostly?

AV: To je jen mýtus, nic jiného.

W: Můžeme na rostliny použít termíny „bolest“, „myšlenky“, „vědomí“?

AV: O tomhle nic nevím. To jsou již otázky filozofie. Loni v létě se v Petrohradě konalo sympozium o signálech v rostlinách a přijelo tam několik filozofů z různých zemí najednou, takže toto téma se teď začíná řešit. Ale jsem zvyklý mluvit o tom, co mohu experimentálně testovat nebo vypočítat.

Rostliny jako senzory

Rostliny jsou schopny koordinovat své akce pomocí rozvětvených sítí. Akát rostoucí v africké savaně tedy nejenže uvolňuje toxickou látku do svých listů, když ji začnou požírat žirafy, ale také vydává těkavý „poplachový plyn“, který vysílá nouzový signál okolním rostlinám. Výsledkem je, že při hledání potravy se žirafy musí pohybovat nikoli k nejbližším stromům, ale vzdálit se od nich v průměru 350 metrů. Dnes vědci sní o použití takových sítí živých senzorů, odladěných přírodou, pro monitorování životního prostředí a další úkoly.

W: Zkusili jste svůj výzkum elektrofyziologie rostlin uvést do praxe?

Alexander Volkov: Mám patenty na předpovídání a registraci zemětřesení pomocí rostlin. V předvečer zemětřesení (v různých částech světa se časový interval pohybuje od dvou do sedmi dnů) způsobuje pohyb zemské kůry charakteristická elektromagnetická pole. Svého času je Japonci navrhovali opravit pomocí obřích antén - kusů železa vysokých dva kilometry, ale nikdo takové antény nedokázal postavit a není to nutné. Rostliny jsou tak citlivé na elektromagnetická pole, že dokážou předvídat zemětřesení lépe než jakákoli anténa. Pro tyto účely jsme použili například aloe vera – na její listy jsme připojili elektrody chloridu stříbrného, zaznamenali elektrickou aktivitu a zpracovali data.

W: Zní to naprosto fantasticky. Proč tento systém stále není zaveden v praxi?

AV: Zde došlo k nečekanému problému. Podívejte: řekněme, že jste starosta San Francisca a zjistíte, že za dva dny bude zemětřesení. Co budeš dělat? Pokud o tom řeknete lidem, pak v důsledku paniky a rozdrcení může zemřít nebo být zraněno ještě více lidí než při zemětřesení. Kvůli takovým omezením nemohu ani veřejně diskutovat o výsledcích naší práce v otevřeném tisku. V každém případě si myslím, že dříve nebo později budeme mít různé monitorovací systémy fungující na senzorových rostlinách. V jedné z našich prací jsme například ukázali, že pomocí analýzy elektrofyziologických signálů je možné vytvořit systém pro okamžitou diagnostiku různých chorob zemědělských rostlin.

Více k tématu:

Rostlinná mysl

Jazyk rostlin