Навіщо рослинам потрібні нервові імпульси

Вікові дуби, соковита травичка, свіжі овочі - ми якось не звикли вважати рослинами живими істотами, і абсолютно даремно. Експерименти показують, що рослини мають якесь складним аналогом нервової системи і точно так же, як і тварини, здатні приймати рішення, зберігати спогади, спілкуватися і навіть дарувати один одному подарунки.

Детальніше розібратися в електрофізіології рослин допоміг професор Оквудского університету Олександр Волков.

Журналіст: Я ніколи не подумав би, що хтось займається електрофізіологією рослин, поки не наткнувся на ваші статті.

Олександр Волков: Ви не самотні. Широка публіка звикла сприймати рослини як їжу або елементи ландшафту, навіть не розуміючи, що вони живі. Колись я робив в Гельсінкі доповідь по електрофізіології рослин, і тоді колеги дуже здивувалися: «Раніше займався серйозною темою - незмішувані рідини, а тепер якимись фруктами, овочами». Але так було не завжди: перші книги по електрофізіології рослин були опубліковані ще в XVIII столітті, і тоді вивчення тварин і рослин йшло майже паралельними шляхами. Наприклад, Дарвін був упевнений, що корінь - це своєрідний мозок, хімічний комп'ютер, який обробляє сигнали з усього рослини (див., Наприклад, «»). А потім настала Перша світова війна і всі ресурси були кинуті на вивчення електрофізіології тварин, тому що людям потрібні були нові ліки.

Ж: Це виглядає логічним: лабораторні миші все-таки набагато ближче до людей, ніж фіалки.

А.В: Насправді відмінності між рослинами і тваринами зовсім не такі величезні, а в електрофізіології вони взагалі мінімальні. У рослин є майже повний аналог нейрона - провідна тканина. У неї той же самий склад, ті ж розміри і функції, що у нейронів. Єдина відмінність, що у тварин в нейронах для передачі використовуються натрієвий і калієві іонні канали, а в флоеме рослин - хлоридні і калієвий. Ось і вся різниця в нейрофізіології. Німці недавно знайшли хімічні синапси у рослин, ми - електричні, і в цілому у рослин працюють ті ж нейротрансмітери, що і у тварин. Мені здається, це навіть логічно: якби я створював світ, а я людина ледача, я б зробив все однаковим, щоб все було сумісно.

Дарвін вважав коріння рослин своєрідним аналогом головного мозку. Фото: Ammak / Фотодом / Shutterstock

Навіщо рослинам нервові імпульси?

Ми не замислюємося про це, але рослини в своєму житті обробляють навіть більше типів сигналів від зовнішнього середовища, ніж люди або будь-які інші тварини. Вони реагують на світло, тепло, гравітацію, сольовий склад ґрунту, магнітне поле, різні патогени і гнучко змінюють свою поведінку під дією отриманої інформації. Наприклад, в лабораторії Стефано Манкузо (Stefano Mancuso) з Університету Флоренції проводили експерименти з двома кучерявими пагонами квасолі. Вчені встановлювали між рослинами загальну опору, і пагони починали наввипередки до неї тягнутися. Але як тільки перша рослина забиралося на опору, друге відразу ніби визнавало себе переможеним і переставало рости в цьому напрямку. Воно розуміло, що боротьба за ресурси безглузда і краще шукати щастя десь в іншому місці.

Ж: Рослини не рухаються, повільно ростуть і взагалі живуть неквапливо. Здається, що нервові імпульси у них повинні поширюватися теж набагато повільніше.

Олександр Волков: Це помилка, яка довго існувала в науці. У 70-х роках XIX століття англійці поміряли, що потенціал дії у венериної мухоловки поширюється зі швидкістю 20 сантиметрів в секунду, але це була помилка. Вони були біологами і абсолютно не володіли технікою електровимірювань: в своїх експериментах англійці використовували повільні вольтметри, які реєстрували нервові імпульси навіть повільніше, ніж вони поширювалися, що абсолютно неприпустимо. Тепер ми знаємо, що нервові імпульси можуть бігти по рослинам з різними швидкостями в залежності від місця збудження сигналу і від його природи. Максимальна швидкість поширення потенціалів дії у рослин можна порівняти з такими ж показниками у тварин, а час релаксації після проходження потенціалу дії може змінюватися від мілісекунд до декількох секунд.

Ж: Для чого рослини використовують ці нервові імпульси?

А.В: Хрестоматійний приклад - це венерина мухоловка, про яку я вже згадав. Ці рослини живуть в районах з дуже вологим ґрунтом, в яку погано проникає повітря, і, відповідно, в цьому грунті мало азоту. Недолік цього необхідного речовини мухоловки добирають, поїдаючи комах і маленьких жаб, яких вони ловлять за допомогою електричної пастки - двох пелюсток, в кожен з яких вбудовано по три пьезомеханіческіх сенсора. Коли комаха сідає на будь-який з пелюсток і зачіпає своєю лапкою ці рецептори, в них генерується потенціал дії. Якщо комаха зачіпає механосенсор двічі протягом 30 секунд, то пастка закривається за частки секунди. Ми перевіряли роботу цієї системи - прикладали до пастки венериної мухоловки штучний електричний сигнал, і все працювало точно так же - пастка закривалася. Потім ми повторили ці експерименти з мімозою та іншими рослинами і так показали, що можна за рахунок електричних сигналів змушувати рослини відкриватися, закриватися, рухатися, нагинатися - загалом, робити все що завгодно. При цьому зовнішні збудження різної природи генерують у рослин потенціали дії, які можуть відрізнятися амплітудою, швидкістю і тривалістю.

Ж: На що ще можуть реагувати рослини?

А.В: Якщо ви підстрижете травичку у себе на дачі, то в корені рослин відразу підуть потенціали дії. За ним запуститься експресія деяких генів, і на порізах активується синтез перекису водню, що захищає рослини від інфекції. Точно так же якщо ви зміните напрям світла, то перші 100 секунд рослина не стане на це реагувати, для того щоб відсікти варіант тіні від птиці або тварини, а потім знову підуть електричні сигнали, за якими рослина за секунди повернеться таким чином, щоб максимально захопити світловий потік. Все те ж саме буде, і коли ви станете капати киплячою водою, і коли піднесете палаючу запальничку, і коли опустите рослину в лід - на будь-які подразники рослини реагують за допомогою електричних сигналів, які керують їхніми відповідями на зміну умов зовнішнього середовища.

Венерина мухоловка ловить свою здобич за допомогою нервових імпульсів, порушуваних механосенсорамі. Фото: Mark Freeth / Flickr

пам'ять рослин

Рослини не тільки вміють реагувати на зовнішнє середовище і, мабуть, прораховувати свої дії, але ще і зав'язують між собою деякі соціальні відносини. наприклад, спостереження німецького лісничого Петера Воллебена показують, що у дерев буває щось на зразок дружби: дерева-партнери переплітаються корінням і уважно стежать за тим, щоб їх крони не заважали один одному зростати, в той час як випадкові дерева, котрі не мають ніяких особливих почуттів до своїх сусідів, завжди намагаються захопити собі побільше життєвого простору. При цьому дружба може виникати і між деревами різних видів. Так, в дослідах того ж Манкузо вчені спостерігали, як незадовго до смерті дугласия ніби залишає спадок: жовтої сосни неподалік від неї дерево посилало по кореневій системі велику кількість органічних речовин.

Ж: У рослин є пам'ять?

Олександр Волков: У рослин є всі ті ж види пам'яті, що і у тварин. Наприклад, ми показали, що пам'яттю володіє венерина мухоловка: щоб пастка спрацювала, на неї потрібно відправити 10 мікрокулонов електрики, але, виявляється, це не обов'язково робити за один сеанс. Можна спочатку подати два мікрокулона, потім ще п'ять і так далі. Коли в сумі набереться 10, рослині здасться, що в нього потрапила комаха, і воно закриється. Єдине, що між сеансами не можна робити перерви більше, ніж в 40 секунд, інакше лічильник обнулится - виходить така короткострокова пам'ять. А довгострокову пам'ять рослин побачити ще простіше: наприклад, у нас однією навесні на 30 квітня вдарили заморозки, і буквально за одну ніч на інжировим дереві померзли всі квіти, а в наступному році воно вже не розквітало до першого травня, тому що пам'ятало, ніж це закінчилося. Схожих спостережень фізіологами рослин було зроблено чимало за останні 50 років.

Ж: Де зберігається пам'ять рослин?

А.В: Одного разу я зустрів на конференції на Канарських островах Леона Чуа, який свого часу передбачив існування мемристоров - опорів з пам'яттю про минуле струмі. Ми розговорилися: Чуа майже нічого не знав про іонних каналах і електрофізіології рослин, я - про мемрістор. В результаті він попросив, щоб я спробував пошукати мемристори in vivo, тому що за його розрахунками вони повинні бути пов'язані з пам'яттю, але до сих пір в живих істотах їх ніхто не знаходив. У нас же все вийшло: ми показали, що потенціал-залежні калієві канали алое вера, мімози і тієї ж венериної мухоловки - це за своєю природою мемристори, а в наступних роботах мемрістівние властивості знайшли в яблуках, картоплі, насінні гарбуза, різних кольорах. Цілком можливо, що пам'ять рослин зав'язана саме на цих мемрістор, але точно поки це невідомо.

Ж: Рослини вміють приймати рішення, мають пам'ять. Наступний крок - соціальні взаємодії. Чи можуть рослини спілкуватися один з одним?

А.В: Знаєте, в «Аватарі» є такий епізод, де дерева спілкуються між собою під землею. Це не фантазія, як можна подумати, а встановлений факт. Коли я жив в СРСР, ми часто ходили по гриби і все знали, що гриб треба акуратно зрізати ножем, щоб не пошкодити грибницю. Тепер з'ясовується, що грибниця - це електричний кабель, по якому дерева можуть спілкуватися як між собою, так і з грибами. Більш того, є безліч свідчень, що по грибниці дерева обмінюються не тільки електричними сигналами, але ще і хімічними сполуками або навіть небезпечними вірусами і бактеріями.

Ж: А що ви скажете з приводу міфу про те, що рослини розуміють людську мову, і тому з ними треба говорити ласкаво і спокійно, щоб вони краще росли?

А.В: Це тільки міф, більше нічого.

Ж: Чи можемо ми застосовувати до рослин терміни «біль», «думки», «свідомість»?

А.В: Про це я нічого не знаю. Це вже питання філософії. Минулого літа в Петербурзі був симпозіум за сигналами в рослинах, і туди приїхало відразу кілька філософів з різних країн, так що цією темою зараз починають займатися. Але я звик говорити про те, що я можу експериментально перевірити чи розрахувати.

У насінні гарбуза вчені знайшли аналоги мемристоров - резисторів, що володіють пам'яттю. Фото: Shawn Campbell / Flickr

Рослини як сенсори

рослини вміють координувати свої дії за допомогою розгалужених мереж. Так, акація, що виростає в африканській савані, не тільки виділяє в своє листя токсичну речовину, коли її починають їсти жирафи, але ще і випускає летючий «тривожний газ», що передає сигнал лиха оточуючим рослинам. В результаті жирафам в пошуках їжі доводиться переміщатися ні до найближчим деревам, а відходити від них в середньому на 350 метрів. Сьогодні вчені мріють використовувати подібні налагоджені природою мережі живих сенсорів для екологічного моніторингу та інших завдань.

Ж: Ви пробували використовувати ваші дослідження по електрофізіології рослин на практиці?

Олександр Волков: У мене є патенти за передбаченням і реєстрації землетрусів за допомогою рослин. Напередодні землетрусів (в різних частинах світу часовий інтервал змінюється від двох до семи діб) рух земної кори викликає характерні електромагнітні поля. Свого часу японці пропонували їх фіксувати за допомогою гігантських антен - залозок висотою два кілометри, але ніхто такі антени так і не зміг побудувати, та це й не потрібно. Рослини настільки чутливі до електромагнітних полів, що можуть передбачати землетруси краще будь-яких антен. Наприклад, ми використовували для цих цілей алое віру - підключали до її листям хлоросрібні електроди, знімали електричну активність, обробляли дані.

Ж: Звучить абсолютно фантастично. Чому ця система досі не впроваджена в практику?

А.В: Тут виникла несподівана проблема. Дивіться: припустимо, ви мер Сан-Франциско і дізнаєтеся, що через два дні буде землетрус. Що ви будете робити? Якщо ви повідомите про це людям, то в результаті паніки і тисняви ​​може загинути або отримати травми навіть більше людей, ніж під час землетрусу. Через таких обмежень я навіть публічно в пресі не можу обговорювати результати наших робіт. У будь-якому випадку, я думаю, рано чи пізно у нас будуть самі різні системи моніторингу, що працюють на рослинах-сенсорах. Наприклад, ми в одній своїй роботі показали, що за допомогою аналізу електрофізіологічних сигналів можна створити систему миттєвої діагностики різних захворювань сільськогосподарських рослин.

Вчені пропонують передбачати землетруси по електричним сигналам в листі алое вера. Фото: rabiem22 / Flickr

Михайло Петров

Ще по темі:

розум рослин

Мова рослин