Нейробиологи за то, что растения могут думать. Нейробиология растений
Сравнительная характеристика потенциалов действия у животных и высших растений • С. С. Пятыгин • Журнал общей биологии • Выпуск 1 • Том 69, 2008 г.
Хотя у растений нет ничего похожего на центральную нервную систему, они способны в ответ на различные раздражители генерировать распространяющиеся по организму электрические сигналы, напоминающие нервные импульсы животных. Эти сигналы не несут специфической информации о характере раздражителя и служат, по-видимому, для общей мобилизации защитных сил организма.
Хорошо известно, что у животных координация работы частей организма и целенаправленное поведение обеспечиваются в первую очередь деятельностью нервной системы. В ответ на те или иные стимулы нервные клетки генерируют электрический сигнал – потенциал действия (action potential), быстро распространяющийся по отросткам нейронов и передающийся от одного нейрона к другому при помощи специальных сигнальных молекул – нейромедиаторов – в местах межнейронных контактов (синапсах).
Гораздо меньше известен тот факт, что потенциалы действия (ПД) есть и у высших растений. Впервые их обнаружил около века назад индийский ученый Джагадис Чандра Бозе (Jagadish Chandra Bose), изучавший растение с двигательными реакциями – Mimosa pudica, которую иногда называют «электромимозой». Впоследствии ПД были обнаружены и у других высших растений.
Но у растений нет нервной системы, которая могла бы «анализировать» внешние сигналы и «принимать решения» на основе такого анализа. Нет у растений и специализированных образований, аналогичных аксонам – длинным отросткам нервных клеток, предназначенным для быстрого проведения электрических сигналов. В связи с этим, естественно, возникает вопрос: насколько сопоставимы по своим свойствам (внешним признакам, механизмам возникновения, функциональной роли) ПД у животных и растений.
Статья С. С. Пятыгина посвящена рассмотрению современных взглядов на эту проблему.
1. Общие характеристики ПД у животных и растений.
Сила ПД, то есть амплитуда импульсов, у животных и растений сходна: от нескольких десятков до сотни милливольт.
Генерация ПД и у животных, и у растений происходит по принципу «все или ничего». При возбуждении ниже порогового импульс не возникает совсем, а когда порог возбуждения достигнут, генерируется сразу максимальный по силе импульс. Сходен также и общий принцип распространения импульса: как у животных, так и у растений, распространение ПД основано на явлении «электротона» (возникновение ПД на данном участке клеточной мембраны приводит к самогенерации импульса в соседних покоящихся участках).
По сравнению с животными, у растений ПД «замедлены» на 3-4 порядка. У животных длительность самого ПД и рефрактерного периода измеряется миллисекундами, у растений – секундами и десятками секунд (рефрактерный период – время, в течение которого клетка, сгенерировавшая ПД, остается невосприимчивой к новым стимулам и не может в ответ на них сгенерировать новый ПД). Соответственно и скорость распространения ПД у растений на несколько порядков ниже, чем у животных.
У животных принцип «все или ничего» не лишает нейроны возможности передавать информацию о силе раздражителя. Хотя сами по себе все ПД одинаковы по силе, в ответ на более мощный раздражитель нейрон может выдать серию из множества ПД, быстро следующих один за другим – нечто вроде «пулеметной очереди». У растений, напротив, ПД обычно одиночные, лишь изредка наблюдаются растянутые во времени серии из нескольких импульсов. По-видимому, ПД у растений обычно не несут практически никакой информации о специфике раздражителя. Многие исследователи считают растительные ПД неспецифическими электрическими сигналами.
Правда, недавно в литературе появились сообщения об обнаружении у некоторых растений ритмически повторяющихся ультрабыстрых ПД, скорость распространения которых сопоставима со скоростью распространения нервных импульсов (Volkov A. G., Collins D.J., Mwesigwa J. 2000. Plant Sci. V. 153. P. 185-190). Но С. С. Пятыгин отмечает, что растениям, лишенным нервной системы (как кодирующего и декодирующего органа) просто незачем генерировать серии таких ультрабыстрых ПД, и поэтому данное открытие, скорее всего, представляет собой очередной артефакт (ошибку).
Роль «нервов» у растений играют проводящие пучки, которые по своему строению и «кабельным свойствам» отдаленно напоминают нервы животных. Считалось, что основную роль в проведении нервных импульсов играют клетки пучковой паренхимы, связанные друг с другом при помощи цитоплазматических «мостиков» - плазмодесм. В последнее время появились сведения об участии в проведении импульсов также и клеток флоэмы – ситовидных трубок.
2. Механизмы генерации ПД у животных и растений.
В основе генерации ПД у растений и животных лежит возникновение пассивных ионных потоков через ионные каналы клеточной мембраны. В нервной клетке в «спокойном состоянии» мебрана поляризована: наружная сторона заряжена положительно, внутренняя – отрицательно. При возникновении ПД в мембране открываются ионные каналы, пропускающие ионы натрия. Положительно заряженные ионы натрия устремляются внутрь клетки, что приводит к деполяризации мембраны. Деполяризованный участок мембраны стимулирует такую же деполяризацию соседних участков – так распространяется ПД.
У растений ПД – это тоже деполяризация мембраны, но, в отличие от животных, она возникает не за счет входящего тока ионов натрия, а за счет исходящего тока ионов хлора. Кроме того, в генерации ПД у растений (в отличие от животных) важную роль играет активная работа «протонного насоса», выкачивающего протоны (H+) из клетки.
После деполяризации мембрана снова поляризуется за счет исходящего тока ионов калия – это справедливо как для животных, так и для растений.
3. Функциональная роль ПД у животных и растений.
С животными все более-менее понятно. В ответ на те или иные стимулы нейроны генерируют серии ПД, поступающие в центральную нервную систему. Эти ПД несут информацию о силе стимула, а также о его характере, поскольку разные нейроны реагируют на разные стимулы. В центральной нервной системе эта информация в той или иной степени интерпретируется и анализируется, и в конечном итоге генерируются новые ПД – управляющие команды органам тела, которые обеспечивают адекватную реакцию организма на полученный сигнал. Интерпретация и анализ могут быть предельно просты, однако в целом весь контур должен состоять как минимум из двух частей – «центростремительной» (несет сигнал от рецепторов к ЦНС) и центробежной (передает сигнал от ЦНС к органу, который должен осуществить функциональный ответ на стимул).
У растений цепь событий должна быть радикально короче, поскольку у них нет никаких структур, хотя бы отдаленно соответствующих по своему назначению центральной нервной системе. Нет у растений и специализированных рецепторных клеток, ответственных за различение внешних стимулов.
У растений этап рецепции (восприятия) и эффекторный ответ (реакция организма на сигнал) связаны воедино. Возникает одиночный импульс, который не может нести никакой информации о специфике раздражителя. Этот импульс оказывает неспецифическое модулирующее влияние на ряд физиологических процессов на всем пути распространения по растению. Учитывая большую длительность ПД у растений, а также значительные электрические, ионнные и метаболические сдвиги при его генерации и распространении, можно сказать, что сам ПД является частью инициируемого неспецифического «ответа» растения на раздражитель. По мнению С. С. Пятыгина, растительный ПД может быть эффективным сигналом о стрессирующем факторе, если в процессе распространения по растению он сам ведет себя подобно стрессору, то есть имитирует его влияние.
С. С. Пятыгин отмечает, что развитие стресса у растений, если оно не приводит к истощению ресурсов надежности, завершается переходом организма в состояние повышенной устойчивости к стресс-факторам. Это состояние у растений может развиваться не только под непосредственным влиянием стрессора, но и под влиянием ПД. Это явление получило название «ПД-индуцированной предадаптации».
В целом, несмотря на некоторые черты сходства.с нервным импульсом, ПД у высших растений представляет собой во многом уникальный системный сигнал. Основная роль его, по-видимому, состоит в «имитации неспецифического влияния потенциально значимых для жизнедеятельности факторов за пределами зоны раздражения».
Дальнейшему изучению ПД у растений несомненно будет способствовать недавнее (в самом начале XXI в) появление новой научной дисциплины – нейробиологии растений (Brenner et al. 2006).
elementy.ru
Если бы деревья могли говорить
Знаете ли вы, что такое растительная нейробиология? Непосвященному человеку ее описание может показаться удивительным — это наука, изучающая систему коммуникаций растений, их сенсорные системы и «поведение». Нейробиологи утверждают, что растения умеют слышать, нюхать, общаться и чуть ли не видеть, а также манипулировать другими растениями и даже животными. Эти непривычные утверждения опираются на эксперименты, проведенные в лабораториях по всему миру, десятки лет работы и публикации в серьезных научных изданиях. Недавно в Москву приезжал основатель растительной нейробиологии — итальянский профессор Стефано Манкузо. Он прочел лекцию в рамках «Философского клуба» на «Винзаводе» и ответил на несколько наших вопросов.
Профессор Флорентийского университета Стефано Манкузо (Stefano Mancuso) — основатель и популяризатор направления растительной нейробиологии. Итальянская газета La Repubblica и американский журнал The New Yorker включили его имя в списки ведущих ученых, которые меняют мир. В 2015 году команда под руководством Манкузо получила премию EXPO Milano в области инновационных идей в агробизнесе за проект «Jellyfish Barge», большой плавучий дом в форме медузы, в котором растения могут расти без почвы, свежей воды и удобрений, исключительно за счет солнечной энергии. Манкузо — автор нескольких бестселлеров, к числу которых принадлежат «Бриллиантовый зеленый: чувственность и интеллект в растительном мире» (2013) и «Революция растений: Как растения изобрели наше будущее» (2017).
Свои лекции Манкузо начинает с упоминания Ноева ковчега, где собралось «каждой твари по паре» — это касалось животных и птиц, напоминает профессор, но не растений. Вообще, говорит он, растениям всегда уделялось недостаточно внимания, как со стороны древних ученых и философов, так и в наше время. Манкузо предлагает переосмыслить статус растений, отказавшись от антропоцентричной картины мира, чтобы расширить понятия рациональности и сознательности, которые у растений, по его мнению, имеются, но которые следует изучать, отказавшись от привычных трактовок этих терминов.
Стефано Манкузо
Растения способны воспринимать, как минимум, два десятка разных факторов окружающей среды, включая изменения в силе тяжести, свете, химическом составе воздуха, воды и почвы. Также они умеют «слышать» некоторые звуки и менять свое поведение в зависимости от этих факторов. Манкузо утверждает, что у растений наличествует своего рода интеллект, хотя и не в привычном понимании этого слова. В некоторых экспериментах, о которых он рассказывает, растения буквально «предугадывают будущее». Их система коммуникативных сигналов представляет собой некий альтернативный интернет, охватывающий всю планету.
Интеллект — это умение решать задачи, говорит Манкузо.
Мы привыкли, рассуждая о больших организмах, подразумевать при этом животных. Например, все знают, что самое большое животное на Земле — это синий кит. Но на самом деле секвойя в сто раз больше кита. Если оценивать биомассу планеты, то растения занимают в ней, по разным оценкам, от 80 до 97 процентов. Если мы посмотрим на древо жизни, дарвиновское или любое более современное, мы увидим, что растения еще и гораздо более древние организмы, чем животные. Цветковые растения, например, возникли раньше млекопитающих.
Когда мы пытаемся понять работу организма и его реакции в ответ на внешние воздействия, мы обычно обращаем внимание на его органы. Но у растения нет парных или одиночных органов вроде глаз или легких. Поэтому они, в определенном смысле, лучше защищены — потеряв оба глаза, животное лишается способности видеть и адекватно реагировать на внешнюю среду, а у растения все «органы» представлены во множественном числе. Оно может потерять до 90 процентов всего своего организма и все равно выжить. Если бы у растений, которые почти не могут двигаться, были бы такие же «слабые места», как у животных, то любая гусеница представляла бы для них серьезную опасность.
Движение
Мы привыкли считать, что растения неподвижны, но это не совсем так. Во-первых, растения, конечно же, растут. Интересно, что еще в 1898 году, когда кино только зарождалось, немецкий ботаник Вильгельм Пфейфер проводил серийные съемки с временным интервалом, фиксирующие рост растений, и эти «фильмы» существуют до сих пор.
Во-вторых, растения способны менять положение в пространстве и форму, причем в некоторых случаях даже не расходуют на это собственную энергию. Например, шишки голосеменных растений устроены таким образом, что раскрываются, когда становится сухо. Эту технологию применяют при разработке крыш стадионов. Так же «экономно» раскрывается и одуванчик. При этом он делает 15 разных типов движения, но все они происходят самопроизвольно.
«Темой моей диссертации было исследование движения корней — каким именно образом они обходят препятствия. Это кажется простым процессом, но на самом деле он невероятно сложен. Когда я начал этим заниматься, наука полагала, что корни сначала «дотрагиваются» до препятствий, а потом меняют направление роста. Я же наблюдал совершенно противоположную картину: во-первых, корни заранее огибают препятствия, еще не дотронувшись до них, во-вторых, они всегда выбирают самый короткий и оптимальный путь роста, демонстрируя таким образом своего рода «интеллект». Это послужило для меня первым знаком того, что растение — гораздо более сложный организм, чем кажется».Семена некоторых растений, например Erodium achicutarium, будто бы «танцуют» на земле, выискивая место, куда можно запустить корень, и танец этот выглядит как осмысленный поиск, хотя и на это никакой собственной энергии семя не затрачивает. Подобные механические характеристики строения оболочки и других структур семян ученые пытаются применять при разработке аппаратуры для космических программ.
У растений есть и активные типы движений. Всем известная хищная Венерина мухоловка способна закрываться и переваривать насекомых и даже слизней. Но и менее экзотичные процессы, такие, как раскрытие цветка, — тоже движение, пусть мы его и не видим из-за того, что для нас оно происходит очень медленно.
Существуют и более неожиданные типы движений растений. Например, юные растущие бобовые растения как будто бы «играют» друг с другом, протягивая побеги и листья во все стороны и постоянно толкаясь ими. Хотя слово «играет» здесь кажется неуместным, это в своем роде верное определение — как маленьким животным игра нужна для того, чтобы научиться взаимодействовать с миром, так и растениям необходимо понять свое положение в популяции и установить связи друг с другом. Такие связи бывают критичными — если посадить маленький подсолнух среди взрослых, давно растущих вместе подсолнухов, он с большой вероятностью умрет, потому что не сможет вписаться в систему их связей.
«Слух и голос»
Каждая вершина корня растения способна воспринимать по крайней мере 20 разных типов воздействия. Корни обладают чувствительностью к патогенам, химическим веществам, электрическим импульсам, уровню кислорода и соли, свету, температуре и так далее. Еще Чарльз Дарвин полагал, что кончики корней являются своеобразным «мозгом» растения.
Кроме того, корни умеют еще и сами издавать звуки. Если пытаться передать их словами, то они похожи на очень тихие щелчки, которых, естественно, не слышит человеческое ухо. По мнению ученых, это может быть связано со способностью корней к эхолокации — с помощью этих звуков они, подобно летучим мышам в воздухе, возможно, определяют положение друг относительно друга, а также других препятствий в пространстве.
Люди с давних времен пытались взывать к своим посевам с помощью голоса и музыкальных инструментов. Даже принц Чарльз разговаривает с растениями, чтобы они лучше росли. Но растения совершенно не способны различать голоса или музыку. Зато они способны чувствовать некоторые частоты колебаний воздуха. Это явление называется «фонотропизм». Корни воспринимают частоты в районе 200 герц и начинают расти по направлению к этому звуку. Эти частоты соответствуют шуму воды, и, вероятно, корни таким образом стремятся к ее источнику. То есть, можно сказать, что растениям лучше играть на бас-гитаре, а не на скрипке.Из ответов Стефано Манкузо на вопросы N + 1
«Зрение»
Недавно ученых заинтересовала еще одна, совершенно неожиданная способность растений — о ней даже стали говорить как об их способности «видеть». Эту способность чилийские ботаники нашли у цепляющейся лианы Boquila trifoliolata. Лиана крепится к разным деревьям и с высокой точностью мимикрирует под них. Дорастая до нового дерева, она начинает копировать его листья, и получается, что в разных частях одной и той же лианы ее листья, во-первых, оказываются совершенно разными, а во-вторых, повторяют форму листьев каждой из своих «подпорок».
Мимикрировать у листьев лианы Boquila trifoliolata получается по-разному — иногда очень хорошо, иногда не очень, но они явно пытаются найти свой подход к каждому дереву. Как они опознают форму каждого следующего встреченного листа? И как это знание позволяет им менять форму собственных листьев? В ходе эксперимента один студент подставил лиане пластиковое растение, сделанное в Китае, форма листьев которого была совершенно ненатуральной. Лиана скопировала и эти листья, и это особенно удивительно, учитывая, что ни о каком химическом или физиологическом анализе речи тут не шло.
О том, что у растений якобы есть какие-то «глаза», говорили еще в 1905 году. Тогда немецкий ботаник Готлиб Хаберландт, один из первых ученых, предложивших классификацию растительных тканей, говорил о том, что растения якобы могут воспринимать изображения с помощью эпидермиса. Физиолог Францис Дарвин, сын Чарльза, поддержал его исследование, однако тема эта не получила дальнейшего развития.
Вот что говорит на эту тему Феликс Федорович Литвин, биофизик и доктор биологических наук. Растения с помощью фитохромных систем (фитохром — растительный пигмент в клетках) способны анализировать окружение, ориентируясь на тени и свет, падающие на их собственные побеги. Листья на деревьях, например, растут таким образом, что верхние не загораживают свет нижним — это называется листовой мозаикой. Более того, когда между деревьями по какой-то причине образуется просвет, листья быстро начинают расти именно в этом просвете и занимают его весь (как будто бы «видя» пространство). Таким образом растение охватывает максимальную площадь для поглощения света, а заодно затемняет то, что находится под ним, чтобы другие растения не смогли использовать здесь солнечную энергию и перерасти их самих (такая же система распространения, кстати, встречается и у некоторых кораллов за счет их симбиоза с водорослями). Можно себе представить, что и лиана реагирует на свет и тень от листьев чужих деревьев, и форма ее листа обуславливается такими «оттискам». Поэтому иногда у нее получается хуже, иногда лучше — это зависит от того, насколько четко падают на нее тени.
Чувство пространства
Одним из эффектных экспериментов по анализу чувства пространства у организмов, которые не являются животными, стала работа с грибами-слизевиками, которые не только умеют проходить лабиринты, но и строят оптимальные транспортные системы, полностью имитирующие (только в маленьком масштабе, естественно) систему дорог в Токио, Италии, Голландии или Китае. Иногда гриб прокладывал даже более оптимальные пути между ключевыми точками.
Растения тоже умеют выбирать наиболее оптимальные пути и подходящие цели — так, кускута, паразитическое растение, которому необходимо к кому-то прикрепиться, всегда между двумя растениями, до которых оно еще даже не дотронулось, выберет помидор. Оно ведет себя так, словно заранее знает, что и где вокруг него растет.
Бобовые растения, растущие в лаборатории, тоже как будто бы заранее знают, в какую сторону им расти, чтобы встретить опору. С какой стороны ни поставь от их горшка палку, за которую им нужно зацепиться, они, вначале крутя побегом во все стороны (на ускоренной съемке это видно особенно хорошо), быстро начинают расти целенаправленно по направлению к опоре. Интересно, что когда за опору соревнуются два растения и одно успевает первым, второе тут же «сдается» и начинает расти в другую сторону. Получается, что бобовое растение в курсе всего, что происходит вокруг.
«Поведение растений надо отличать от поведения животных, — оно основано на принципах действия иначе организованного живого существа. Но между ними есть и общее. Посмотрите, например, на конкуренцию растений. Можно взять два одинаковых горшка, и в один посадить два боба одного вида, а в другой — два боба разных видов, и ухаживать за ними совершенно одинаково. Вскоре вы обнаружите две совершенно разные картины. В первом горшке растения вырастут, а во втором они будут очень маленькие и недоразвитые. Зато если вы посмотрите на их корневую систему, то увидите, что во втором горшке она огромная — потому что растения потратили всю энергию на то, чтобы захватывать территорию под землей и бороться друг с другом. В первом же горшке корни будут обычные, друг с другом они не конкурируют. Животные поступают похожим образом, вытесняя чужие виды, но пользуются для этого другими методами.Растения — во многом гораздо более чувствительные организмы, чем животные, хоть это и звучит парадоксально. Животные могут убежать, если почувствуют опасность, например появление дыма в лесу. Растения убежать не могут, поэтому, чтобы лучше приспосабливаться к окружающей среде и предвидеть максимум неприятностей, они выработали гораздо более развитую чувствительность, позволяющую им все предсказывать заранее. У них есть, можно сказать, почти все виды рецепторов. Например, ученые пока не нашли у них терморецепторы, известные человеку, но растения могут реагировать на температуру. Мы просто пока что не знаем, каким образом, но они способны чувствовать малейшие изменения в температуре и менять свою физиологию».
Из ответов Стефано Манкузо на вопросы N + 1
«Вкус и нюх»
Корни некоторых растений способны анализировать почву вокруг себя с высокой точностью и, возвращаясь к теме лабиринтов, не только могут обходить преграды заранее, еще не коснувшись их, но и расти по направлению к полезным веществам и избегать вредных, опять же, не успев даже до них дотронуться. На съемках видно, что некоторые корни одного и того же растения ведут себя «глупо» и растут не туда, куда надо, но огромное большинство прокладывает себе дорогу оптимальным путем.
«Нервная система»
Ранее люди полагали, что электрических импульсов в растениях нет. Однако эксперименты последних лет опровергли эту гипотезу. Слабые электрические импульсы, подобные импульсам, идущим в нервной системе, постоянно возникают в организме растений. На ускоренной съемке электрические импульсы корневой системы риса выглядят как сложнейшая работа нейронов в мозгу.
Движение корней может быть очень синхронизированным. Они могут все одновременно менять направление движения, подобно рыбам в стае, копируя мельчайшие изменения ритма. Получается, что корни обмениваются информацией и меняют свое «поведение» в зависимости от нее.
Лес из «Аватара»
Что еще более интересно (и даже напоминает научную фантастику), так это то, что растения обмениваются подобными импульсами и друг с другом. Так, последние исследования показали, что все деревья в лесу, по-видимому, взаимодействуют друг с другом и находятся в некой постоянной связи.
На примере канадского леса было продемонстрировано, как деревья передавали воду и питательные вещества своему сотоварищу, которому не хватало ресурсов. Манкузо в шутку называет такие системы «Wood-wide web».
«Растения — несравненные эксперты в разработке сетей. Тут уместно привести в пример интернет. Я довольно много писал об этом в книгах, но попробую суммировать суть в двух словах: у растений можно научиться очень многому из того, что необходимо нам, чтобы оптимизировать наши сети. Сюда же относится и умение «предсказывать будущее», которое базируется на умении получать информацию от других растений. Растительный мир — это сеть, похожая на интернет или, скажем, на нервную систему, но с совершенно другими принципами. И система эта беспрецедентна. Причем до недавнего времени этот аспект жизни растений совершенно не изучался. Я люблю приводить в пример википедию, или систему криптовалют, которые так же децентрализованы, как и растения, и поэтому в своем роде непобедимы.Если вызывать стресс у какого-то растения, оно тут же передаст информацию об этом своим соседям, и все они повысят свою резистентность к тем или иным раздражителям. Она не повышена у них постоянно, потому что это было бы слишком энергетически не выгодно. Им нужно знать, когда именно необходимо защищаться от чего-либо. Это можно использовать в сельском хозяйстве. Перестав поливать одно растение, можно добиться большей резистентности к потере влаги у остальных, потому что оно сообщит им о грядущих изменениях. И не нужно применять никаких специальных химикатов или иных препаратов, достаточно использовать собственные инструменты растений».
Из ответов Стефано Манкузо на вопросы N + 1
Контроль над другими царствами
Помимо того, что представители других царств могут быть опасны для растений, они также бывают им необходимы. Всем известно, что насекомые являются опылителями многих видов цветковых. Для того чтобы привлечь насекомых, растения порой идут на удивительные ухищрения. Например, некоторые орхидеи крайне удачно имитируют самок опылителей, чтобы самцы попытались с ними спариться и получили на тело «рог», с помощью которого орхидея распространяет свою пыльцу. Интересно, что самим самцам растения иногда нравятся больше, чем самки, и самки остаются не оплодотворенными. В результате среди таких опылителей бывает распространен партеногенез.
Однако есть случаи и поинтереснее мимикрии — например, мирмекофилия. Этот широкий термин подразумевает плотное взаимодействие с муравьями и свойственен самым разным видам живых существ. Муравьев в природе много, и некоторые растения пользуются их «услугами». Для этого, рассказывает в своей лекции Манкузо, некоторые виды акаций, например, предоставляют муравьям дом, еду и напитки. При этом они вырабатывают гораздо больше нектара, чем нужно, — Дарвин назвал бы это непозволительным расточительством. Однако муравьи, пьющие нектар, защищают растение от других насекомых и даже от других растений — стоит какой-то веточке прорасти поближе, как они тут же срезают ее, чтобы она не мешала фотосинтезу акации.
Оказалось, что таких муравьев нельзя соблазнить хлебом и даже сахаром — они просто скидывают их с листьев, как мусор. Выяснилось, что в нектаре акации содержится своеобразный «наркотик», с помощью которого она манипулирует своими квартирантами. Более того, она меняет уровень содержания наркотика в нектаре в зависимости от обстоятельств, контролируя поведение муравьев на разных жизненных этапах по-разному. Подобным образом некоторые другие растения добавляют в нектар кофеин, если их опылители им нравятся, и убирают его совсем, если опылители не справляются со своей работой.
Получается, что растения, хотя и являются практически неподвижным субъектами без нервной системы и привычных человеку органов чувств, способны с высокой эффективностью анализировать массу параметров окружающей среды, а также реагировать на них, коммуницировать с другими особями и даже контролировать другие виды живых организмов. Учитывая то, что было сказано вначале об абсолютном доминировании растительной биомассы на планете, невольно задумываешься над тем, кого на Земле на самом деле стоит называть хозяином (впрочем, потом вспоминаешь о бактериях и вирусах и отказываешься от попыток устроить конкурс).
Анна Казнадзей
nplus1.ru
Душа растений. Нейробиология растений. - Земледелие, пермакультура - Каталог статей
По статье:С. С. Пятыгин Сравнительная характеристика потенциалов действия у животных и высших растений
Том 69, 2008. № 1, январь-февраль. Стр. 72-77
Александр Марков
Нейробиология растений: нервные импульсы без нервной системы
|
Хотя у растений нет ничего похожего на центральную нервную систему, они способны в ответ на различные раздражители генерировать распространяющиеся по организму электрические сигналы, напоминающие нервные импульсы животных. Эти сигналы не несут специфической информации о характере раздражителя и служат, по-видимому, для общей мобилизации защитных сил организма.
Хорошо известно, что у животных координация работы частей организма и целенаправленное поведение обеспечиваются в первую очередь деятельностью нервной системы. В ответ на те или иные стимулы нервные клетки генерируют электрический сигнал – потенциал действия (action potential), быстро распространяющийся по отросткам нейронов и передающийся от одного нейрона к другому при помощи специальных сигнальных молекул – нейромедиаторов – в местах межнейронных контактов (синапсах).
Гораздо меньше известен тот факт, что потенциалы действия (ПД) есть и у высших растений. Впервые их обнаружил около века назад индийский ученый Джагадис Чандра Бозе (Jagadish Chandra Bose), изучавший растение с двигательными реакциями – Mimosa pudica, которую иногда называют «электромимозой». Впоследствии ПД были обнаружены и у других высших растений.
Но у растений нет нервной системы, которая могла бы «анализировать» внешние сигналы и «принимать решения» на основе такого анализа. Нет у растений и специализированных образований, аналогичных аксонам – длинным отросткам нервных клеток, предназначенным для быстрого проведения электрических сигналов. В связи с этим, естественно, возникает вопрос: насколько сопоставимы по своим свойствам (внешним признакам, механизмам возникновения, функциональной роли) ПД у животных и растений.
Статья С. С. Пятыгина посвящена рассмотрению современных взглядов на эту проблему.
1. Общие характеристики ПД у животных и растений.
Сила ПД, то есть амплитуда импульсов, у животных и растений сходна: от нескольких десятков до сотни милливольт.
Генерация ПД и у животных, и у растений происходит по принципу «все или ничего». При возбуждении ниже порогового импульс не возникает совсем, а когда порог возбуждения достигнут, генерируется сразу максимальный по силе импульс. Сходен также и общий принцип распространения импульса: как у животных, так и у растений, распространение ПД основано на явлении «электротона» (возникновение ПД на данном участке клеточной мембраны приводит к самогенерации импульса в соседних покоящихся участках).
По сравнению с животными, у растений ПД «замедлены» на 3-4 порядка. У животных длительность самого ПД и рефрактерного периода измеряется миллисекундами, у растений – секундами и десятками секунд (рефрактерный период – время, в течение которого клетка, сгенерировавшая ПД, остается невосприимчивой к новым стимулам и не может в ответ на них сгенерировать новый ПД). Соответственно и скорость распространения ПД у растений на несколько порядков ниже, чем у животных.
У животных принцип «все или ничего» не лишает нейроны возможности передавать информацию о силе раздражителя. Хотя сами по себе все ПД одинаковы по силе, в ответ на более мощный раздражитель нейрон может выдать серию из множества ПД, быстро следующих один за другим – нечто вроде «пулеметной очереди». У растений, напротив, ПД обычно одиночные, лишь изредка наблюдаются растянутые во времени серии из нескольких импульсов. По-видимому, ПД у растений обычно не несут практически никакой информации о специфике раздражителя. Многие исследователи считают растительные ПД неспецифическими электрическими сигналами.
Правда, недавно в литературе появились сообщения об обнаружении у некоторых растений ритмически повторяющихся ультрабыстрых ПД, скорость распространения которых сопоставима со скоростью распространения нервных импульсов (Volkov A. G., Collins D.J., Mwesigwa J. 2000. Plant Sci. V. 153. P. 185-190). Но С. С. Пятыгин отмечает, что растениям, лишенным нервной системы (как кодирующего и декодирующего органа) просто незачем генерировать серии таких ультрабыстрых ПД, и поэтому данное открытие, скорее всего, представляет собой очередной артефакт (ошибку).
Роль «нервов» у растений играют проводящие пучки, которые по своему строению и «кабельным свойствам» отдаленно напоминают нервы животных. Считалось, что основную роль в проведении нервных импульсов играют клетки пучковой паренхимы, связанные друг с другом при помощи цитоплазматических «мостиков» - плазмодесм. В последнее время появились сведения об участии в проведении импульсов также и клеток флоэмы – ситовидных трубок.
2. Механизмы генерации ПД у животных и растений.
В основе генерации ПД у растений и животных лежит возникновение пассивных ионных потоков через ионные каналы клеточной мембраны. В нервной клетке в «спокойном состоянии» мебрана поляризована: наружная сторона заряжена положительно, внутренняя – отрицательно. При возникновении ПД в мембране открываются ионные каналы, пропускающие ионы натрия. Положительно заряженные ионы натрия устремляются внутрь клетки, что приводит к деполяризации мембраны. Деполяризованный участок мембраны стимулирует такую же деполяризацию соседних участков – так распространяется ПД.
У растений ПД – это тоже деполяризация мембраны, но, в отличие от животных, она возникает не за счет входящего тока ионов натрия, а за счет исходящего тока ионов хлора. Кроме того, в генерации ПД у растений (в отличие от животных) важную роль играет активная работа «протонного насоса», выкачивающего протоны (H+) из клетки.
После деполяризации мембрана снова поляризуется за счет исходящего тока ионов калия – это справедливо как для животных, так и для растений.
3. Функциональная роль ПД у животных и растений.
С животными все более-менее понятно. В ответ на те или иные стимулы нейроны генерируют серии ПД, поступающие в центральную нервную систему. Эти ПД несут информацию о силе стимула, а также о его характере, поскольку разные нейроны реагируют на разные стимулы. В центральной нервной системе эта информация в той или иной степени интерпретируется и анализируется, и в конечном итоге генерируются новые ПД – управляющие команды органам тела, которые обеспечивают адекватную реакцию организма на полученный сигнал. Интерпретация и анализ могут быть предельно просты, однако в целом весь контур должен состоять как минимум из двух частей – «центростремительной» (несет сигнал от рецепторов к ЦНС) и центробежной (передает сигнал от ЦНС к органу, который должен осуществить функциональный ответ на стимул).
У растений цепь событий должна быть радикально короче, поскольку у них нет никаких структур, хотя бы отдаленно соответствующих по своему назначению центральной нервной системе. Нет у растений и специализированных рецепторных клеток, ответственных за различение внешних стимулов.
У растений этап рецепции (восприятия) и эффекторный ответ (реакция организма на сигнал) связаны воедино. Возникает одиночный импульс, который не может нести никакой информации о специфике раздражителя. Этот импульс оказывает неспецифическое модулирующее влияние на ряд физиологических процессов на всем пути распространения по растению. Учитывая большую длительность ПД у растений, а также значительные электрические, ионнные и метаболические сдвиги при его генерации и распространении, можно сказать, что сам ПД является частью инициируемого неспецифического «ответа» растения на раздражитель. По мнению С. С. Пятыгина, растительный ПД может быть эффективным сигналом о стрессирующем факторе, если в процессе распространения по растению он сам ведет себя подобно стрессору, то есть имитирует его влияние.
С. С. Пятыгин отмечает, что развитие стресса у растений, если оно не приводит к истощению ресурсов надежности, завершается переходом организма в состояние повышенной устойчивости к стресс-факторам. Это состояние у растений может развиваться не только под непосредственным влиянием стрессора, но и под влиянием ПД. Это явление получило название «ПД-индуцированной предадаптации».
В целом, несмотря на некоторые черты сходства.с нервным импульсом, ПД у высших растений представляет собой во многом уникальный системный сигнал. Основная роль его, по-видимому, состоит в «имитации неспецифического влияния потенциально значимых для жизнедеятельности факторов за пределами зоны раздражения».
Дальнейшему изучению ПД у растений несомненно будет способствовать недавнее (в самом начале XXI в) появление новой научной дисциплины – нейробиологии растений (Brenner et al. 2006).
poselenie.ucoz.ru
Нейробиологи за то, что растения могут думать - Общий
Реакция растений
Я думаю, стало быть, существую. Я существую, стало быть, думаю. Все, кто когда-либо выращивал растения, не обязательно каннабис, подтвердят тот факт, что иногда растения выглядят счастливыми, а иногда грустят.
Не значит ли это, что растения в какой-то степени могут мыслить и общаться? В одной из серий “Разрушителей мифов” растение подключили к детектору лжи. Изначально такой эксперимент был описан в книге Питера Томпкинса и Кристофера Берда “Тайная жизнь растений”. В книге авторы рассказывают об эксперименте знаменитого полиграфиста из ЦРУ, который подключил к гальванометру драцену. Он обнаружил, что когда думал о том, чтоб сжечь растение, то полиграф регистрировал реакцию.
“Может ли это значить, что растение читает мои мысли?”, – подумал он.
К гальванометру подключали около десятка растений, и все они давали на аппарате похожую реакцию. Но так как позже другие ученые безуспешно пытались повторить опыт, то эта теория была развенчана. Впрочем, в последнее время споры на эту тему возобновились, потому что появились новые доказательства того, что нейробиология растений может быть сложнее, чем кажется. В статье “Разумное растение” Майкл Поллан рассматривает несколько новых научных исследований, посвященных этой теме.
В одной статье, опубликованной в 2006 г. в журнале Trends in Plant Science, шестеро именитых биологов растений предположили, что у растений может быть более сложная система обработки информации и ответа. Растения могут ощущать незаметные изменения окружающей среды, они общаются электрическими импульсами через корни и микоризу, и ученые предположили существование системы, управляющей этими реакциями и ответами.
Когда определенным растениям ставили звуки гусениц, то те запускали механизм химической защиты. Именно эти функции заставили ученых думать о том, как работают электрическая и химическая сигнальные системы. Профессор философии Нью-Йоркского университета Чонси Махер подошел к вопросу со своей профессиональной точки зрения в статье под названием “Есть ли у растений разум”.
По его словам, он “старается подпитать любопытство к теме и заинтересовать нас ею”. Любой садовод может рассказать о том, что с опытом можно различить, когда растения счастливы, а когда – в печали. Это может звучать излишне антропоморфно, но когда становится светло и растения просыпаются, то можно практически увидеть, как они улыбаются, поднимая листья к солнцу. Точно так же, когда слишком жарко или растениям не хватает воды, то они сбрасывают листья. Мы знаем, что у растений нет мозга, как у млекопитающих, но вдруг у них есть другая система, которая работает по схожему принципу?
По своей сути “разум” – это совокупность когнитивных способностей: сознания, восприятия, мышления и суждения. Присутствуют ли какие-либо из этих признаков у растений? Понимают ли они что-то? Вышеупомянутые эксперименты являют собой интересную стартовую точку для начала изучения всех функций, отвечающих за существование растений. Другой недавний эксперимент под началом Моники Гальяно показал, что мимоза может учиться и запоминать. Из-за спорного характера результаты опыта отказались публиковать в 10 издательствах.
Для эксперимента Гальяно создала машину, которая роняла бы растение мимозы, не нанося ему вреда. Мимоза при стрессе склонна к сбрасыванию листьев, но после 6 вертикальных падений растение поняло, что нисколько не страдает и перестало сбрасывать листья. Гальяно повторила опыт через месяц, и мимоза помнила, что вертикальное падение безопасно. В то же время, когда она встряхивала растение, то оно лишалось листьев, думая, что находится в опасности. Был ли это какой-то механизм, который включало и выключало растение, или что-то похожее на нашу память? По мере того, как этой темой начинает заниматься все больше ученых, мы увидим, что нам расскажет наука.
ganjalive.pro
Новый Аграрный Журнал | Наука: Поле слышит, чувствует и общается
Фермер из небольшого американского города Блейн в штате Миннесота попал в Книгу рекордов Гиннеса. После долгих лет наблюдений и упорной работы Карлсон выяснил, что звуки музыки могут... питать растения! Карлсон добавил пульсирующий звук частотой в 5000 Гц (частота птичьего пения) в качестве фона в записях музыки в стиле барокко. И проигрывал эту «обеденную» музыку растениям, а потом опрыскивал их питательными веществами.
Результат ошеломил. Музыка помогала растениям усваивать питательные вещества с эффективностью в 700% по сравнению с обычной. Музыкальные «удобрения» Карлсона также помогали излечивать серьезно поврежденные растения. Карлсон добился кратного ускорения роста зерновых и уверен, что уход за агрокультурами при помощи питательных веществ и звуков поможет в решении мировой проблемы недостатка питания.
Эксперимент американского фермера — не единственный, который еще раз доказал: растения способны чувствовать, анализировать окружающий мир и изменять свое поведение в соответствии с внешними обстоятельствами. Этот факт сегодня научно подтвержден нейробиологами. Способность растений «чувствовать» может сыграть важную службу для развития медицины, агрономии и даже космонавтики.
Умные травы
Нечто общее между поведением растений и обитателей животного мира было замечено давно. Еще Чарльз Дарвин писал, что «кончики молодого корня выполняют такие же функции, как и мозг малоразвитых животных», целенаправленно устремляясь в соответствии с притяжением Земли, однако меняя направление роста из-за встречаемых на пути препятствий. Корни — лишь один пример из множества. Все растения тянутся к источнику света, упавший на землю стебель пытается подняться в вертикальное положение, а ветви дерева, будто руководствуясь компасом, активнее растут с южной стороны ствола. Усики гороха и других вьющихся культур оплетают опору, которую «нащупывают» и «видят», словно повинуясь осязанию и зрению.
Кроме того, растения умеют защищаться и общаться между собой. В научной литературе описано интересное наблюдение: когда в тополиную рощу забредают косули и начинают поедать молодые тополя, побеги стремительно накапливают танин — горькое, «невкусное» вещество. Причем оно начинает активно выделяться даже у тех деревьев, которые еще не тронуты животными. Оказывается, тополя, которыми полакомились косули, выбрасывают в воздух молекулы этанола — как бы подают сигнал «Защищайтесь! Опасность!».
Еще один факт: растения предсказывают погоду. Еще в древности земледельцы чутко следовали правилам: цветки васильков, клевера и других полевых трав раскрываются к ясной погоде, если цветущие растения (например, акация и сирень) особенно сильно благоухают — скоро начнется дождь. Деревья могут предвидеть погоду даже на несколько месяцев вперед. Народные приметы: если осенью листья начинают желтеть снизу — к поздней весне, береза дает много сока — будет дождливое лето, рябина цветет поздно и обильно — к «рябиновой», т.е. долгой и теплой осени, зацвела черемуха — жди холода в мае и многие другие. Опытные агрономы с давних пор вели книги наблюдений за «зелеными барометрами», чтобы строить планы на урожай.
Такое поведение растений заставило человека обожествлять деревья и травы, приписывать им человеческие свойства и даже — наделять разумом. А когда в XX веке выяснилось, что растения еще и чутко реагируют на музыку, причем «любят» мелодичную классику, у науки не осталось сомнений: у трав, деревьев и кустарников есть свои собственные, растительные «чувства».
У растений есть своя «нервная система»
Думающие и чувствующие растения стали для ученых предметом исследования. Уже в XIX веке известный физиолог Клод Бернар объяснил возможность растений реагировать на окружающую среду свойством раздражимости. Ученый обоснованно предположил, что раздражимость должна быть свойственна всем живым обитателям планеты, включая растения. Как выяснили в начале XX века физиологи, взаимодействие клетки с окружающим миром осуществляется посредством передачи электрохимических импульсов. Индийский врач Яхавендра Бос в 1926 году высказал гипотезу: в организме растений действуют электрохимические механизмы, аналогичные тем, что лежат в основе работы нервной системы человека. Травы, деревья и кустарники с помощью чувствительных рецепторов и системы передачи возбуждения могут реагировать практически на любые раздражители: механические (в том числе и звуковые), электрические, температурные, световые, химические.
О том, как растения делают это, стало понятно в 50-60 гг. прошлого столетия. Тогда исследователи всего мира принялись детально изучать, каким образом организм растения получает сигналы, анализирует их и реагирует морфологическими и химическими изменениями.
Возбуждение в растительной клетке, как и в животной, передается посредством веществ — биомедиаторов, заявили в 1947 году английские фармакологи Эммелин и Фельдберг. Они описали удивительную находку — «животный» нейротрансмиттер ацетилхолин в стрекательных клетках волосков крапивы. Открытие имело эффект взорвавшейся бомбы — до сих пор функции нейротрансмиттеров рассматривались только у организмов, обладающих нервной системой! Ведь нейротрансмиттер передает нервный импульс!.. Правда, скорость передачи импульса у растения гораздо меньше, чем у животного или человека. Позднее в растениях были обнаружены и другие медиаторы — гистамин, адреналин, норадреналин, дофамин и серотонин. Тема попала в центр внимания науки в 1990-х гг., в том числе благодаря ведущему научному сотруднику Института биофизики клетки РАН доктору биологических наук Виктории Владимировне Рощиной. А в 2005 году Флоренция уже принимала первый международный симпозиум по нейробиологии растений.
Новые горизонты
Понимание «нервной системы» растений открывает новые горизонты перед фармакологией, агрономической наукой и даже освоением космоса. Фармацевты заинтересовались получением лекарственных препаратов из обогащенных нейротрансмиттерами растений. Ацетилхолин уменьшает артериальное давление, замедляет сердечный ритм, увеличивают сокращение гладкой мускулатуры внутренних органов. Дофамин и норадреналин используются при шоковых состояниях и острой сердечной недостаточности, адреналин используется как сосудосуживающий и противовоспалительный агент. Серотонин уменьшает кровотечения. Гистамин известен как компонент лекарств против заболеваний суставов. Лекарственные препараты из обогащенных нейротрансмиттерами растений — заманчивая перспектива для развития медицины.
Не менее важное направление — научиться использовать свойства раздражимости растительной клетки в качестве модели для изучения нервной системы животных и людей. Известно, что инсектициды, пестициды и другие средства защиты растений могут быть токсичны. Реакция агрономических культур на «отравление» средствами защиты растений аналогичная: в клетках нарушаются схемы передачи электрохимического импульса, физиологические процессы протекают неправильно, и растение страдает. Возможно, растительный организм реагирует на медикаменты таким же образом, как и животный? Опыт с мимозой стыдливой это подтвердил. Изящный комнатный цветок сворачивает, «прячет» листья при прикосновении. Однако если растение полить раствором обезболивающего препарата, снижается и чувствительность листьев. Таким образом, травы могут стать надежным другом медиков, помогая тестировать действие лекарственных средств.
Огромны перспективы применения знаний из области нейробиологии растений в агрономии. Изменение состава биомедиаторов в клетке, искусственное добавление или уменьшение количества нейротрансмиттеров может значительно влиять на выраженность и сроки развития сельскохозяйственных культур. Так, серотонин — активный регулятор роста побегов и листьев. Дофамин — наоборот, способен замедлять развитие растения. Эксперименты с ацетилхолином показали, что медиатор стимулирует прорастание семян и ускоряет развитие проростков озимой пшеницы. Кроме того, ацетилхолин увеличивает проницаемость клеточных мембран и контролирует раскрытие устьиц. Опытным путем доказано, что при погружении поникшего и увядшего побега в раствор соединения оно достаточно быстро «приходит в форму» и восстанавливается. Нейромедиаторы включаются в обменные процессы растения и становятся предшественниками для формирования других веществ. Следовательно, с их помощью можно контролировать пищевую ценность сельхозкультур.
К XXI веку достижения в области нейробиологии растений вышли из стен научных институтов и лабораторий. В начале XXI века работами ботаников-нейрофизиологов заинтересовалось НАСА (Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства, США). Поскольку растения могут быть незаменимы в продолжительных космических полетах, обеспечивая людям пищу и кислород, детальное понимание физиологии растительного организма — важнейшая задача.
В США сегодня выделяются миллионные гранты на изучение воздействия гравитации и невесомости на злаковые культуры. Помимо этого, исследователи планируют воссоздать точную модель молекулярных «часов», с помощью которых растения узнают, когда зацветать и плодоносить. Искусственное управление жизненными циклами наших зеленых друзей может сделать их надежными спутниками на борту космических аппаратов.
Нейробиология растений сформировала оригинальную концепцию: на планете Земля давно живут и развиваются две параллельные нейронные сети. Одна — над землей, в головах у людей, вторая — под землей, в корнях у растений. Момент, когда эти сети начнут взаимодействовать, станет новым витком в развитии цивилизации на Земле. Концепция — красивая. Но если говорить о науке, то на нейробиологию ученые возлагают серьезные надежды. Без сомнения, уже в ближайшее время она даст массу уникальных и ценных для человечества технологий.
www.newagro.info
