Неліктен өсімдіктерге жүйке импульсі қажет

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Соңғы өзгертілген: 2023-12-16 16:10

Ғасырлар бойғы емен ағаштары, жайқалған шөптер, жаңа піскен көкөністер – әйтеуір өсімдіктерді тірі жаратылыс деп санауға дағдыланбағанбыз, бекер. Тәжірибе көрсеткендей, өсімдіктердің жүйке жүйесінің күрделі аналогы бар және жануарлар сияқты шешім қабылдауға, есте сақтау қабілетін сақтауға, қарым-қатынас жасауға және тіпті бір-біріне сыйлық беруге қабілетті.

Оквуд университетінің профессоры Александр Волков өсімдіктердің электрофизиологиясын толығырақ түсінуге көмектесті.

Журналист: Мен сіздің мақалаларыңызды көрмейінше біреу өсімдіктердің электрофизиологиясымен айналысады деп ешқашан ойламаған едім

Александр Волков: Сіз жалғыз емессіз. Жалпы жұртшылық өсімдіктерді олардың тірі екенін түсінбестен тамақ немесе ландшафт элементтері ретінде көруге дағдыланған. Бірде мен Хельсинкиде өсімдіктердің электрофизиологиясы туралы баяндама жасап жатқан едім, содан кейін әріптестерім қатты таң қалды: «Мен күрделі тақырыппен - араласпайтын сұйықтықтармен айналысатынмын, ал қазір мен жемістер мен көкөністердің қандай да бір түрімен айналыстым». Бірақ бұл әрқашан болған жоқ: өсімдіктердің электрофизиологиясы туралы алғашқы кітаптар 18 ғасырда жарық көрді, содан кейін жануарлар мен өсімдіктерді зерттеу дерлік параллельді жолмен жүрді. Мысалы, Дарвин тамырдың мидың бір түрі, бүкіл өсімдіктен келетін сигналдарды өңдейтін химиялық компьютер екеніне сенімді болды (мысалы, «Өсімдіктердегі қозғалысты» қараңыз). Содан кейін Бірінші дүниежүзілік соғыс келді және барлық ресурстар жануарлардың электрофизиологиясын зерттеуге тасталды, өйткені адамдарға жаңа препараттар қажет болды.

W: Бұл қисынды сияқты: зертханалық тышқандар күлгінге қарағанда адамдарға әлдеқайда жақын

A. V: Шындығында өсімдіктер мен жануарлар арасындағы айырмашылықтар соншалықты үлкен емес, ал электрофизиологияда олар әдетте минималды. Өсімдіктерде нейронның толық дерлік аналогы - флоэма өткізгіш ұлпа бар. Оның құрамы, көлемі және қызметі нейрондармен бірдей. Жалғыз айырмашылығы жануарларда әрекет потенциалын беру үшін нейрондарда натрий және калий иондық арналары, ал өсімдіктерде флоэма, хлорид және калий иондық арналары қолданылады. Бұл нейрофизиологиядағы барлық айырмашылық. Жақында немістер өсімдіктерде химиялық синапстарды тапты, біз электрлікпіз, ал жалпы өсімдіктерде жануарлар сияқты нейротрансмиттерлер бар. Менің ойымша, бұл тіпті қисынды сияқты: егер мен әлемді жаратсам және мен жалқау болсам, мен бәрі үйлесімді болуы үшін бәрін бірдей етіп жасар едім.

Неліктен өсімдіктерге жүйке импульсі қажет?

Біз бұл туралы ойламаймыз, бірақ өсімдіктер өз өмірінде адамдарға немесе кез келген басқа жануарларға қарағанда сыртқы ортадан сигналдардың көбірек түрлерін өңдейді. Олар жарыққа, жылуға, гравитацияға, топырақтың тұз құрамына, магнит өрісіне, әртүрлі ауру қоздырғыштарына әсер етіп, алынған ақпараттың әсерінен мінез-құлқын икемді түрде өзгертеді. Мысалы, Флоренция университетінің Стефано Манкусо зертханасында екі өрмелейтін бұршақ қашуымен тәжірибелер жүргізілді. Ғалымдар өсімдіктер арасында ортақ тірек орнатып, қашу оған жарыса бастады. Бірақ бірінші өсімдік тірекке көтерілген бойда, екіншісі өзін жеңіліске ұшырағанын бірден мойындап, осы бағытта өсуін тоқтатты. Ол ресурстар үшін күрестің мағынасыз екенін және бақытты басқа жерден іздеген дұрыс екенін түсінді.

Ш: Өсімдіктер қозғалмайды, баяу өседі және әдетте асықпай өмір сүреді. Олардың жүйке импульстары да әлдеқайда баяу таралуы керек сияқты

Александр Волков: Бұл ғылымда бұрыннан бар адасушылық. XIX ғасырдың 70-жылдарында британдықтар Венера шыбынының әрекет потенциалы секундына 20 сантиметр жылдамдықпен таралатынын өлшеген, бірақ бұл қате болды. Олар биологтар болды және электрлік өлшеу техникасын мүлде білмеді: өз тәжірибелерінде британдықтар баяу вольтметрлерді қолданды, олар жүйке импульстарын таратқаннан да баяу жазды, бұл мүлдем қолайсыз. Енді біз жүйке импульстары сигналдың қозу орны мен оның табиғатына байланысты өсімдіктер арқылы өте әртүрлі жылдамдықпен өтетінін білеміз. Өсімдіктердегі әрекет потенциалының таралуының максималды жылдамдығы жануарлардағы бірдей көрсеткіштермен салыстырылады, ал әсер ету потенциалы өткеннен кейінгі релаксация уақыты миллисекундтардан бірнеше секундқа дейін өзгеруі мүмкін.

Ш: Өсімдіктер бұл жүйке импульстарын не үшін пайдаланады?

A. V: Оқулықтағы мысал ретінде мен жоғарыда айтып кеткен Венера шыбын аулағышын келтіруге болады. Бұл өсімдіктер ауаның өтуі қиын, топырақ өте ылғалды жерлерде тұрады, сәйкесінше бұл топырақта азот аз. Шыбын аулаушылар бұл маңызды заттың жетіспеушілігін жәндіктер мен кішкентай бақаларды жеу арқылы алады, олар электр тұзақпен ұстайды - әрқайсысында үш пьезомеханикалық сенсоры бар екі жапырақша. Жәндік гүл жапырақшаларының кез келгеніне отырып, табанымен осы рецепторларға тигенде, оларда әрекет потенциалы пайда болады. Егер жәндік механикалық сенсорға 30 секунд ішінде екі рет тиіп кетсе, қақпан бірнеше секундта жабылады. Біз бұл жүйенің жұмысын тексердік – біз Венера шыбын аулағышының тұзағына жасанды электрлік сигнал бердік, және бәрі бірдей жұмыс істеді – қақпан жабылды. Содан кейін біз бұл тәжірибелерді мимоза және басқа өсімдіктермен қайталадық және осылайша біз өсімдіктерді ашуға, жабуға, жылжытуға, еңкейтуге - жалпы, электр сигналдарын пайдаланып, қалағаныңызды жасауға болатынын көрсеттік. Бұл жағдайда әртүрлі сипаттағы сыртқы қозулар өсімдіктерде амплитудасы, жылдамдығы және ұзақтығы бойынша ерекшеленуі мүмкін әрекет потенциалдарын тудырады.

Ш: Өсімдіктер тағы не әсер ете алады?

A. V: Егер сіз өзіңіздің саяжайыңыздағы шөптерді кесіп алсаңыз, онда әрекет потенциалы өсімдіктердің тамырына бірден түседі. Кейбір гендердің экспрессиясы оларда басталады, ал сутегі асқын тотығының синтезі өсімдіктерді инфекциядан қорғайтын кесінділерде белсендіріледі. Дәл осылай, егер сіз жарықтың бағытын өзгертсеңіз, құстың немесе жануардың көлеңке опциясын кесіп тастау үшін алғашқы 100 секундта өсімдік оған ешқандай реакция жасамайды, содан кейін электр сигналдары қайтадан өтеді, соған сәйкес зауыт жарық ағынын барынша түсіретіндей секундтар ішінде айналады. Сіз қайнаған суды тамыза бастағанда, оттықты көтергенде және өсімдікті мұзға салғанда - өсімдіктер қоршаған ортаның өзгеруіне жауаптарын басқаратын электрлік сигналдардың көмегімен кез келген тітіркендіргіштерге жауап береді. шарттар.

Өсімдік жады

Өсімдіктер сыртқы ортаға қалай әрекет ету керектігін біліп қана қоймайды және, шамасы, өз әрекеттерін есептейді, сонымен қатар кейбір қоғамдық қатынастарды өзара байланыстырады. Мысалы, неміс орманшысы Питер Воллебеннің бақылаулары ағаштардың өзіндік достыққа ие екенін көрсетеді: серіктес ағаштар тамырлармен біріктірілген және олардың тәждерінің бір-бірінің өсуіне кедергі келтірмейтінін мұқият қадағалайды, ал кездейсоқ ағаштар үшін ерекше сезімдер жоқ. көршілеріне, олар әрқашан өздеріне көбірек тұрғын үй алаңын алуға тырысады. Сонымен қатар, достық әртүрлі ағаштар арасында да пайда болуы мүмкін. Сонымен, сол Манкусоның эксперименттерінде ғалымдар Дуглас қайтыс болғанға дейін оның мұра қалдырғанын байқады: одан алыс емес сары қарағай тамыр жүйесі арқылы органикалық заттардың көп мөлшерін жіберді.

Ш: Өсімдіктердің есте сақтау қабілеті бар ма?

Александр Волков: Өсімдіктер жануарлар сияқты есте сақтаудың барлық түрлеріне ие. Мысалы, біз Венера шыбын торының есте сақтау қабілеті бар екенін көрсеттік: тұзақ жұмыс істеуі үшін оған 10 микрожұп электр жіберу керек, бірақ мұны бір сеанста жасаудың қажеті жоқ екен. Алдымен екі микрокулонды, содан кейін тағы бесеуін және т.б. Барлығы 10-ға жеткенде, өсімдікке жәндік кіріп кеткендей болып көрінеді де, ол қатты жабылады. Жалғыз нәрсе - сеанстар арасында 40 секундтан астам үзіліс жасай алмайсыз, әйтпесе есептегіш нөлге дейін қалпына келтіріледі - сіз осындай қысқа мерзімді жадқа ие боласыз. Өсімдіктердің ұзақ мерзімді есте сақтауын көру одан да оңай: мысалы, бір көктемгі аяз бізді 30 сәуірде соқты, ал бір түнде барлық гүлдер інжір ағашында қатып қалды, ал келесі жылы ол 1 мамырға дейін гүлдемейді, өйткені ол не болғанын есіне түсірді. Соңғы 50 жылда өсімдік физиологтары осыған ұқсас көптеген бақылаулар жасады.

Ш: Өсімдік жады қайда сақталады?

A. V: Бірде мен Канар аралдарында өткен конференцияда Леон Чуаны кездестірдім, ол бір кездері өткен токты еске түсіретін мемристорлардың - қарсылықтардың болуын болжады. Біз әңгімеге кірістік: Чуа иондық каналдар мен өсімдіктердің электрофизиологиясы туралы ештеңе білмедім, мен мемристорлар туралы. Нәтижесінде ол мемристорларды in vivo іздеуге тырысуымды өтінді, өйткені оның есептеулері бойынша олар жадымен байланысты болуы керек, бірақ әзірге оларды тірі тіршілік иелерінен ешкім тапқан жоқ. Біз мұның бәрін жасадық: алоэ вера, мимоза және сол Венера шыбын аулағышының кернеуге тәуелді калий арналары табиғаты бойынша мемристорлар екенін көрсеттік және келесі жұмыстарда алма, картоп, асқабақ тұқымдары және әртүрлі гүлдер. Өсімдіктердің жады дәл осы мемристорлармен байланысты болуы әбден мүмкін, бірақ ол әлі анық емес.

Ш: Өсімдіктер шешім қабылдауды біледі, есте сақтау қабілеті бар. Келесі қадам - әлеуметтік өзара әрекеттесу. Өсімдіктер бір-бірімен байланыса ала ма?

A. V: Білесіз бе, Аватарда ағаштар жер астында бір-бірімен байланысатын эпизод бар. Бұл біреу ойлағандай қиял емес, қалыптасқан факт. Мен КСРО-да өмір сүрген кезде, біз саңырауқұлақтарды жинауға жиі баратынбыз және бәрі мицелийге зақым келтірмеу үшін саңырауқұлақты пышақпен мұқият кесу керек екенін білді. Енді мицелия ағаштар бір-бірімен де, саңырауқұлақтармен де байланыса алатын электр кабелі екені белгілі болды. Сонымен қатар, ағаштар мицелий бойымен электр сигналдарын ғана емес, сонымен қатар химиялық қосылыстармен немесе тіпті қауіпті вирустар мен бактериялармен алмасады деген көптеген дәлелдер бар.

W: Өсімдіктер адамның сөзін түсінеді, сондықтан олар жақсы өсу үшін олармен мейірімді және сабырлы сөйлесу керек деген миф туралы не айта аласыз?

A. V: Бұл жай ғана миф, басқа ештеңе жоқ.

Ж: «Ауру», «ой», «сана» терминдерін өсімдіктерге қолдана аламыз ба?

A. V: Мен бұл туралы ештеңе білмеймін. Бұл қазірдің өзінде философияның сұрақтары. Өткен жазда Санкт-Петербургте өсімдіктердегі сигналдар туралы симпозиум өтті, әр түрлі елдерден бірнеше философтар бірден келді, сондықтан бұл тақырып қазір қарастырыла бастады. Бірақ мен эксперименталды түрде нені сынай алатынымды немесе есептей алатынымды айтуға дағдыланғанмын.

Өсімдіктер сенсор ретінде

Өсімдіктер тармақталған желілер арқылы өз әрекеттерін үйлестіре алады. Осылайша, африкалық саваннада өсетін акация жирафтар жей бастағанда жапырақтарына улы зат бөліп қана қоймайды, сонымен қатар қоршаған өсімдіктерге апат сигналын беретін ұшпа «дабыл газын» шығарады. Нәтижесінде жирафтар қорек іздеп жақын маңдағы ағаштарға емес, олардан орта есеппен 350 метр алыстауға мәжбүр. Бүгінгі таңда ғалымдар қоршаған ортаны бақылау және басқа да міндеттер үшін табиғатта түзетілген тірі сенсорлардың осындай желілерін пайдалануды армандайды.

W: Өсімдіктердің электрофизиологиялық зерттеулерін тәжірибеде қолдануға тырыстыңыз ба?

Александр Волков: Менде өсімдіктерді пайдалана отырып, жер сілкінісін болжау және тіркеу үшін патенттерім бар. Жер сілкінісі қарсаңында (әлемнің әртүрлі бөліктерінде уақыт аралығы екіден жеті күнге дейін өзгереді) жер қыртысының қозғалысы тән электромагниттік өрістерді тудырады. Кезінде жапондықтар оларды алып антенналардың көмегімен жөндеуді ұсынды - биіктігі екі шақырым болатын темір кесектер, бірақ мұндай антенналарды ешкім жасай алмады, бұл қажет емес. Өсімдіктердің электромагниттік өрістерге сезімталдығы сонша, олар жер сілкінісін кез келген антеннаға қарағанда жақсы болжай алады. Мысалы, біз осы мақсаттар үшін алоэ вера қолдандық - біз оның жапырақтарына күміс хлоридінің электродтарын қостық, электрлік белсенділікті жазып, деректерді өңдедік.

W: Өте керемет естіледі. Неліктен бұл жүйе әлі күнге дейін тәжірибеге енгізілмейді?

A. V: Бұл жерде күтпеген мәселе болды. Қараңыз: сіз Сан-Франциско қаласының мэрісіз делік және екі күннен кейін жер сілкінісі болатынын біліңіз. Сіз не істейсіз? Бұл туралы халыққа айтсаң, үрей мен жаншудың нәтижесінде жер сілкінісінен де көп адам өлуі немесе жарақат алуы мүмкін. Осындай шектеулердің кесірінен мен жұмысымыздың нәтижесін ашық баспасөзде ашық талқылай да алмаймын. Қалай болғанда да, ерте ме, кеш пе, сенсорлық қондырғыларда жұмыс істейтін әртүрлі бақылау жүйелері болады деп ойлаймын. Мысалы, бір жұмысымызда электрофизиологиялық сигналдарды талдау арқылы ауылшаруашылық өсімдіктерінің әртүрлі ауруларын лезде диагностикалау жүйесін құруға болатынын көрсеттік.

Тақырып бойынша толығырақ:

Өсімдік ақылы

Өсімдіктердің тілі