Kāpēc augiem nepieciešami nervu impulsi

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Gadsimtiem veci ozoli, lekna zāle, svaigi dārzeņi - kaut kā mēs neesam pieraduši uzskatīt augus par dzīvu radību, un velti. Eksperimenti liecina, ka augiem ir sava veida sarežģīts nervu sistēmas analogs un tie, tāpat kā dzīvnieki, spēj pieņemt lēmumus, glabāt atmiņas, sazināties un pat apdāvināt viens otru.

Oukvudas universitātes profesors Aleksandrs Volkovs palīdzēja sīkāk izprast augu elektrofizioloģiju.

Žurnālists: Es nekad nebūtu domājis, ka kāds nodarbojas ar augu elektrofizioloģiju, līdz es uzgāju jūsu rakstus

Aleksandrs Volkovs:Tu neesi viens. Plašā sabiedrība ir pieradusi redzēt augus kā pārtikas vai ainavas elementus, pat nenojaušot, ka tie ir dzīvi. Reiz Helsinkos taisīju referātu par augu elektrofizioloģiju, un tad kolēģi bija ļoti pārsteigti: “Kādreiz nodarbojos ar nopietnu tēmu - nesajaucamiem šķidrumiem, bet tagad ar kaut kādiem augļiem un dārzeņiem”. Bet tas ne vienmēr bija tā: pirmās grāmatas par augu elektrofizioloģiju tika izdotas 18. gadsimtā, un pēc tam dzīvnieku un augu izpēte noritēja gandrīz paralēli. Piemēram, Darvins bija pārliecināts, ka sakne ir sava veida smadzenes, ķīmiskais dators, kas apstrādā signālus no visa auga (skat., piemēram, "Kustība augos"). Un tad nāca Pirmais pasaules karš un visi resursi tika izmesti dzīvnieku elektrofizioloģijas pētīšanai, jo cilvēkiem vajadzēja jaunas zāles.

W: Šķiet loģiski: laboratorijas peles joprojām ir daudz tuvāk cilvēkiem nekā vijolītes

A. V:Patiesībā atšķirības starp augiem un dzīvniekiem nemaz nav tik milzīgas, un elektrofizioloģijā tās kopumā ir minimālas. Augiem ir gandrīz pilnīgs neirona analogs - floēmas vadošie audi. Tam ir tāds pats sastāvs, izmērs un funkcija kā neironiem. Vienīgā atšķirība ir tā, ka dzīvniekiem nātrija un kālija jonu kanāli tiek izmantoti neironos darbības potenciālu pārvadīšanai, bet augu floēmā tiek izmantoti hlorīda un kālija jonu kanāli. Tā ir visa atšķirība neirofizioloģijā. Vācieši nesen ir atraduši ķīmiskās sinapses augos, mēs esam elektriski, un vispār augiem ir tādi paši neirotransmiteri kā dzīvniekiem. Man šķiet, ka tas ir pat loģiski: ja es radītu pasauli un būtu slinks cilvēks, es visu taisītu vienādu, lai viss būtu savienojams.

Kāpēc augiem nepieciešami nervu impulsi?

Mēs par to nedomājam, bet augi savā dzīvē apstrādā vēl vairāk signālu no ārējās vides nekā cilvēki vai jebkuri citi dzīvnieki. Viņi reaģē uz gaismu, siltumu, gravitāciju, augsnes sāls sastāvu, magnētisko lauku, dažādiem patogēniem un elastīgi maina savu uzvedību saņemtās informācijas ietekmē. Piemēram, Stefano Mancuso no Florences universitātes laboratorijā tika veikti eksperimenti ar diviem kāpjošu pupu dzinumiem. Zinātnieki izveidoja kopīgu atbalstu starp augiem, un dzinumi sāka skriet uz to. Bet, tiklīdz pirmais augs uzkāpa uz balsta, otrais uzreiz šķita, ka atpazina sevi par sakāvi un pārtrauca augt šajā virzienā. Tā saprata, ka cīņa par resursiem ir bezjēdzīga un laimi labāk meklēt kaut kur citur.

W: Augi nepārvietojas, aug lēni un parasti dzīvo nesteidzīgi. Šķiet, ka arī viņu nervu impulsiem vajadzētu izplatīties daudz lēnāk

Aleksandrs Volkovs: Tas ir malds, kas zinātnē pastāv jau sen. XIX gadsimta 70. gados briti izmērīja, ka Venēras mušu slazda darbības potenciāls izplatās ar ātrumu 20 centimetri sekundē, taču tā bija kļūda. Viņi bija biologi un vispār nepārzināja elektrisko mērījumu tehniku: briti savos eksperimentos izmantoja lēnus voltmetrus, kas nervu impulsus fiksēja pat lēnāk, nekā tie izplatījās, kas ir pilnīgi nepieņemami. Tagad mēs zinām, ka nervu impulsi var skriet cauri augiem ļoti dažādos ātrumos, atkarībā no signāla ierosināšanas vietas un tā rakstura. Maksimālais darbības potenciālu izplatīšanās ātrums augos ir salīdzināms ar tiem pašiem rādītājiem dzīvniekiem, un relaksācijas laiks pēc darbības potenciāla pārejas var svārstīties no milisekundēm līdz vairākām sekundēm.

W: Kam augi izmanto šos nervu impulsus?

A. V: Mācību grāmatas piemērs ir Venēras mušu slazds, ko jau minēju. Šie augi dzīvo vietās ar ļoti mitru augsni, kurā gaisam ir grūti iekļūt, un attiecīgi šajā augsnē ir maz slāpekļa. Mušķērāji šīs būtiskās vielas trūkumu iegūst, ēdot kukaiņus un mazas vardītes, kuras ķer ar elektrisko slazdu – divām ziedlapiņām, kurās katrā ir iebūvēti trīs pjezomehāniskie sensori. Kad kukainis apsēžas uz kādas no ziedlapiņām un ar ķepu pieskaras šiem receptoriem, tajos tiek ģenerēts darbības potenciāls. Ja kukainis 30 sekunžu laikā divreiz pieskaras mehāniskajam sensoram, slazds tiek aizvērts sekundes daļā. Mēs pārbaudījām šīs sistēmas darbību - piedevām mākslīgo elektrisko signālu Venēras mušu slazda slazdam, un viss strādāja tāpat - lamatas tika aizvērtas. Tad atkārtojām šos eksperimentus ar mimozu un citiem augiem un tā parādījām, ka ir iespējams piespiest augus atvērties, aizvērt, kustēties, noliekties - vispār dari ko gribi, izmantojot elektriskos signālus. Šajā gadījumā dažāda rakstura ārējie ierosinājumi augos rada darbības potenciālus, kas var atšķirties pēc amplitūdas, ātruma un ilguma.

W: Uz ko vēl augi var reaģēt?

A. V: Ja pļaujat zāli savā lauku mājā, tad darbības potenciāls nekavējoties nonāks augu saknēs. Uz tiem sāksies dažu gēnu ekspresija, un uz griezumiem tiek aktivizēta ūdeņraža peroksīda sintēze, kas aizsargā augus no infekcijas. Tādā pašā veidā, ja maināt gaismas virzienu, tad pirmās 100 sekundes augs uz to nekādā veidā nereaģēs, lai nogrieztu ēnu no putna vai dzīvnieka, un pēc tam atkal ies elektriskie signāli, saskaņā ar kuriem iekārta sekunžu laikā pagriezīsies tā, lai maksimāli varētu uztvert gaismas plūsmu. Tas pats notiks, un tad, kad jūs sāksit pilēt verdošu ūdeni un kad jūs pacelsit degošu šķiltavu, un kad jūs ieliekat augu ledū - augi reaģē uz jebkādiem stimuliem ar elektrisku signālu palīdzību, kas kontrolē to reakciju uz izmainīto vidi. nosacījumiem.

Augu atmiņa

Augi ne tikai zina, kā reaģēt uz ārējo vidi un, šķiet, aprēķina savu rīcību, bet arī saista savā starpā kaut kādas sociālās attiecības. Piemēram, vācu mežsarga Pētera Vollebena novērojumi liecina, ka kokiem ir sava veida draudzība: partnerkoki ir savīti ar saknēm un rūpīgi uzrauga, lai to vainagi netraucē viens otram augt, savukārt nejaušiem kokiem nav īpašu jūtu pret. saviem kaimiņiem viņi vienmēr cenšas sagrābt sev vairāk dzīves telpas. Tajā pašā laikā draudzība var rasties arī starp dažāda veida kokiem. Tātad tā paša Mancuso eksperimentos zinātnieki novēroja, kā īsi pirms Duglasa nāves šķiet, ka tas atstāj mantojumu: netālu no tā dzeltenā priede caur sakņu sistēmu nosūtīja lielu daudzumu organisko vielu.

W: Vai augiem ir atmiņa?

Aleksandrs Volkovs: Augiem ir tādi paši atmiņas veidi kā dzīvniekiem. Piemēram, esam parādījuši, ka Venēras mušu slazdam piemīt atmiņa: lai slazds darbotos, tam jānosūta 10 mikropāri elektrības, taču izrādās, ka tas nav jādara vienā seansā. Vispirms varat pasniegt divus mikrokulonus, pēc tam vēl piecus un tā tālāk. Kad kopā būs 10, augam šķitīs, ka tajā ir iekļuvis kukainis, un tas aizcirtīsies ciet. Vienīgais ir tas, ka starp sesijām nevarat veikt pārtraukumus, kas ilgāki par 40 sekundēm, pretējā gadījumā skaitītājs tiks atiestatīts uz nulli - jūs saņemat tik īstermiņa atmiņu. Un augu ilgtermiņa atmiņa ir vēl vieglāk saskatāma: piemēram, viena pavasara salna mūs piemeklēja 30. aprīlī, un burtiski pa nakti uz vīģes koka sasala visi ziedi, un nākamajā gadā tas uzziedēja tikai 1. maijā, jo tas atcerējās, kas tas bija. beidzās. Pēdējo 50 gadu laikā augu fiziologi ir veikuši daudz līdzīgu novērojumu.

W: Kur tiek glabāta augu atmiņa?

A. V: Reiz kādā konferencē Kanāriju salās tikos ar Leonu Čua, kurš savulaik pareģoja memristoru eksistenci – pretestības ar atmiņu par pārgājušo straumi. Mēs iesaistījāmies sarunā: Čua gandrīz neko nezināja par jonu kanāliem un augu elektrofizioloģiju, es - par memristoriem. Rezultātā viņš lūdza mēģināt meklēt memristorus in vivo, jo pēc viņa aprēķiniem tiem vajadzētu būt saistītiem ar atmiņu, bet līdz šim neviens dzīvās būtnēs tos nav atradis. Mēs to visu izdarījām: parādījām, ka no sprieguma atkarīgie alvejas, mimozas un tās pašas Venēras mušu slazda kālija kanāli pēc savas būtības ir memristori, un turpmākajos darbos atmiņu saglabājošas īpašības tika konstatētas āboliem, kartupeļiem, ķirbju sēklām un dažādiem. ziedi. Pilnīgi iespējams, ka augu atmiņa ir saistīta tieši ar šiem memristoriem, taču tas vēl nav droši zināms.

W: Augi zina, kā pieņemt lēmumus, viņiem ir atmiņa. Nākamais solis ir sociālā mijiedarbība. Vai augi var sazināties savā starpā?

A. V: Jūs zināt, Avatarā ir epizode, kur koki sazinās viens ar otru pazemē. Tā nav fantāzija, kā varētu domāt, bet gan konstatēts fakts. Kad dzīvoju PSRS, mēs bieži gājām sēņot un visi zināja, ka sēne ir rūpīgi jāgriež ar nazi, lai nesabojātu micēliju. Tagad izrādās, ka micēlijs ir elektrības kabelis, pa kuru koki var sazināties gan savā starpā, gan ar sēnēm. Turklāt ir daudz pierādījumu, ka koki apmainās ne tikai ar elektriskiem signāliem gar micēliju, bet arī ķīmiskiem savienojumiem vai pat bīstamiem vīrusiem un baktērijām.

V: Ko jūs varat teikt par mītu, ka augi saprot cilvēka runu, un tāpēc jums ir jārunā ar viņiem laipni un mierīgi, lai tie augtu labāk?

A. V: Tas ir tikai mīts, nekas cits.

W: Vai mēs varam attiecināt terminus "sāpes", "domas", "apziņa" uz augiem?

A. V: Es par šo neko nezinu. Tie jau ir filozofijas jautājumi. Pagājušajā vasarā Sanktpēterburgā notika simpozijs par signāliem augos, un tur ieradās uzreiz vairāki filozofi no dažādām valstīm, tāpēc ar šo tēmu tagad sāk nodarboties. Bet es esmu pieradis runāt par to, ko es varu eksperimentāli pārbaudīt vai aprēķināt.

Augi kā sensori

Augi spēj koordinēt savu darbību, izmantojot sazarotus tīklus. Tādējādi Āfrikas savannā augošā akācija ne tikai izdala toksisku vielu savās lapās, kad žirafes sāk to ēst, bet arī izdala gaistošu "trauksmes gāzi", kas sūta briesmu signālu apkārtējiem augiem. Rezultātā, meklējot barību, žirafēm ir jāpārvietojas nevis uz tuvākajiem kokiem, bet gan jāattālinās no tiem vidēji 350 metrus. Mūsdienās zinātnieki sapņo par šādu dzīvo sensoru tīklu izmantošanu, kurus dabā atkļūdojusi vides uzraudzība un citi uzdevumi.

W: Vai esat mēģinājis izmantot savu augu elektrofizioloģijas pētījumu praksē?

Aleksandrs Volkovs: Man ir patenti zemestrīču prognozēšanai un reģistrēšanai, izmantojot augus. Zemestrīču priekšvakarā (dažādās pasaules daļās laika intervāls svārstās no divām līdz septiņām dienām) zemes garozas kustība izraisa raksturīgus elektromagnētiskos laukus. Savulaik japāņi ierosināja tos salabot ar milzu antenu palīdzību - divu kilometru augstumu dzelzs gabaliem, taču neviens nevarēja uzbūvēt šādas antenas, un tas nav nepieciešams. Augi ir tik jutīgi pret elektromagnētiskajiem laukiem, ka spēj prognozēt zemestrīces labāk nekā jebkura antena. Piemēram, šiem nolūkiem izmantojām alveju – pievienojām tās lapām sudraba hlorīda elektrodus, reģistrējām elektrisko aktivitāti un apstrādājām datus.

W: Izklausās absolūti fantastiski. Kāpēc šī sistēma joprojām netiek ieviesta praksē?

A. V: Šeit radās neparedzēta problēma. Paskatieties: pieņemsim, ka esat Sanfrancisko mērs un uzzināsiet, ka pēc divām dienām notiks zemestrīce. Ko tu darīsi? Ja jūs par to pastāstīsit cilvēkiem, tad panikas un simpātiju rezultātā var iet bojā vai tikt ievainoti pat vairāk cilvēku nekā zemestrīcē. Šādu ierobežojumu dēļ es pat nevaru publiski apspriest mūsu darba rezultātus atklātajā presē. Jebkurā gadījumā es domāju, ka agrāk vai vēlāk mums būs dažādas uzraudzības sistēmas, kas darbosies sensoru iekārtās. Piemēram, vienā no mūsu darbiem esam parādījuši, ka, izmantojot elektrofizioloģisko signālu analīzi, ir iespējams izveidot sistēmu dažādu lauksaimniecības augu slimību tūlītējai diagnostikai.

Vairāk par tēmu:

Augu prāts

Augu valoda