Mengapa tumbuhan memerlukan impuls saraf

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Oaks berusia berabad-abad, rumput yang subur, sayur-sayuran segar - entah bagaimana kita tidak biasa menganggap tumbuhan sebagai makhluk hidup, dan sia-sia. Eksperimen menunjukkan bahawa tumbuhan mempunyai sejenis analog kompleks sistem saraf dan, sama seperti haiwan, dapat membuat keputusan, menyimpan kenangan, berkomunikasi, dan juga memberi hadiah antara satu sama lain.

Profesor Universiti Oakwood Alexander Volkov membantu memahami dengan lebih terperinci elektrofisiologi tumbuhan.

Wartawan: Saya tidak pernah menyangka bahawa seseorang melakukan elektrofisiologi tumbuhan sehingga saya menjumpai artikel anda

Alexander Volkov:Anda tidak bersendirian. Masyarakat umum sudah biasa melihat tumbuhan sebagai elemen makanan atau landskap tanpa menyedari ia masih hidup. Pernah saya membuat laporan di Helsinki mengenai elektrofisiologi tumbuhan, dan kemudian rakan sekerja saya sangat terkejut: "Saya pernah berurusan dengan topik yang serius - cecair yang tidak boleh dicampur, tetapi sekarang saya berurusan dengan beberapa jenis buah-buahan dan sayur-sayuran". Tetapi ini tidak selalu berlaku: buku pertama mengenai elektrofisiologi tumbuhan diterbitkan pada abad ke-18, dan kemudian kajian haiwan dan tumbuhan diteruskan dengan cara yang hampir selari. Sebagai contoh, Darwin yakin bahawa akarnya adalah sejenis otak, komputer kimia yang memproses isyarat dari seluruh tumbuhan (lihat, sebagai contoh, "Pergerakan dalam Tumbuhan"). Dan kemudian Perang Dunia Pertama datang dan semua sumber dibuang ke dalam kajian elektrofisiologi haiwan, kerana orang memerlukan ubat baru.

W: Nampaknya logik: tikus makmal masih lebih dekat dengan manusia berbanding ungu

A. V:Pada hakikatnya, perbezaan antara tumbuhan dan haiwan sama sekali tidak begitu besar, dan dalam elektrofisiologi mereka secara amnya adalah minimum. Tumbuhan mempunyai analog hampir lengkap neuron - tisu konduktif floem. Ia mempunyai komposisi, saiz dan fungsi yang sama seperti neuron. Satu-satunya perbezaan adalah bahawa dalam haiwan, saluran ion natrium dan kalium digunakan dalam neuron untuk menghantar potensi tindakan, manakala dalam floem tumbuhan, saluran ion klorida dan kalium digunakan. Itulah keseluruhan perbezaan dalam neurofisiologi. Orang Jerman baru-baru ini menemui sinaps kimia dalam tumbuhan, kita adalah elektrik, dan secara amnya, tumbuhan mempunyai neurotransmitter yang sama seperti haiwan. Nampaknya pada saya ini adalah logik: jika saya mencipta dunia, dan saya seorang yang malas, saya akan membuat semuanya sama supaya semuanya serasi.

Mengapakah tumbuhan memerlukan impuls saraf?

Kami tidak memikirkannya, tetapi tumbuhan dalam kehidupan mereka memproses lebih banyak jenis isyarat dari persekitaran luaran berbanding manusia atau haiwan lain. Mereka bertindak balas terhadap cahaya, haba, graviti, komposisi garam tanah, medan magnet, pelbagai patogen dan secara fleksibel mengubah tingkah laku mereka di bawah pengaruh maklumat yang diterima. Sebagai contoh, di makmal Stefano Mancuso dari Universiti Florence, eksperimen telah dijalankan dengan dua pucuk kacang memanjat. Para saintis mewujudkan sokongan bersama antara tumbuhan, dan pucuk mula berlumba-lumba kepadanya. Tetapi sebaik sahaja tumbuhan pertama memanjat ke atas sokongan, yang kedua serta-merta seolah-olah mengiktiraf dirinya sebagai kalah dan berhenti berkembang ke arah ini. Difahamkan bahawa perjuangan untuk mendapatkan sumber tidak bermakna dan lebih baik mencari kebahagiaan di tempat lain.

W: Tumbuhan tidak bergerak, tumbuh dengan perlahan dan secara amnya hidup tidak tergesa-gesa. Nampaknya impuls saraf mereka juga harus merambat dengan lebih perlahan

Alexander Volkov: Ini adalah khayalan yang telah lama wujud dalam sains. Pada tahun 70-an abad XIX, British mengukur bahawa potensi tindakan perangkap lalat Venus merebak pada kelajuan 20 sentimeter sesaat, tetapi ini adalah satu kesilapan. Mereka adalah ahli biologi dan tidak mengetahui teknik pengukuran elektrik sama sekali: dalam eksperimen mereka, British menggunakan voltmeter perlahan, yang merekodkan impuls saraf lebih perlahan daripada yang disebarkan, yang sama sekali tidak boleh diterima. Sekarang kita tahu bahawa impuls saraf boleh berjalan melalui tumbuhan pada kelajuan yang sangat berbeza, bergantung pada tempat pengujaan isyarat dan sifatnya. Kelajuan maksimum pembiakan potensi tindakan dalam tumbuhan adalah setanding dengan penunjuk yang sama pada haiwan, dan masa kelonggaran selepas laluan potensi tindakan boleh berbeza-beza dari milisaat hingga beberapa saat.

W: Untuk apa tumbuhan menggunakan impuls saraf ini?

A. V: Contoh buku teks ialah perangkap lalat Venus, yang telah saya nyatakan. Tumbuhan ini tinggal di kawasan dengan tanah yang sangat lembap, yang sukar untuk udara menembusi, dan, dengan itu, terdapat sedikit nitrogen dalam tanah ini. Penangkap lalat mendapat kekurangan bahan penting ini dengan memakan serangga dan katak kecil, yang mereka tangkap dengan perangkap elektrik - dua kelopak, setiap satunya mempunyai tiga penderia piezomekanikal yang dibina di dalamnya. Apabila serangga duduk di mana-mana kelopak dan menyentuh reseptor ini dengan kakinya, potensi tindakan terhasil di dalamnya. Jika serangga menyentuh mekanosensor dua kali dalam masa 30 saat, maka perangkap itu ditutup rapat dalam sepersekian saat. Kami menyemak operasi sistem ini - kami menggunakan isyarat elektrik buatan pada perangkap perangkap lalat Venus, dan semuanya berfungsi dengan cara yang sama - perangkap telah ditutup. Kemudian kami mengulangi eksperimen ini dengan mimosa dan tumbuhan lain dan oleh itu kami menunjukkan bahawa adalah mungkin untuk memaksa tumbuhan untuk membuka, menutup, bergerak, membongkok - secara umum, lakukan apa sahaja yang anda mahu, menggunakan isyarat elektrik. Dalam kes ini, pengujaan luaran dengan sifat yang berbeza menjana potensi tindakan dalam tumbuhan, yang boleh berbeza dalam amplitud, kelajuan dan tempoh.

W: Apa lagi tumbuhan boleh bertindak balas?

A. V: Jika anda memotong rumput di rumah negara anda, maka potensi tindakan akan segera pergi ke akar tumbuhan. Ekspresi beberapa gen akan bermula pada mereka, dan sintesis hidrogen peroksida diaktifkan pada luka, yang melindungi tumbuhan daripada jangkitan. Dengan cara yang sama, jika anda menukar arah cahaya, maka untuk 100 saat pertama tumbuhan tidak akan bertindak balas terhadapnya dalam apa cara sekalipun, untuk memotong pilihan bayangan dari burung atau haiwan, dan kemudian isyarat elektrik akan pergi sekali lagi, mengikut mana loji akan bertukar dalam beberapa saat dalam apa-apa cara untuk memaksimumkan menangkap fluks bercahaya. Semua yang sama akan berlaku, dan apabila anda mula menitiskan air mendidih, dan apabila anda mengeluarkan pemetik api yang menyala, dan apabila anda meletakkan tumbuhan di dalam ais - tumbuhan bertindak balas terhadap sebarang rangsangan dengan bantuan isyarat elektrik yang mengawal tindak balas mereka terhadap perubahan persekitaran. syarat.

Memori tumbuhan

Tumbuhan bukan sahaja tahu bagaimana untuk bertindak balas terhadap persekitaran luaran dan, nampaknya, mengira tindakan mereka, tetapi juga mengikat beberapa hubungan sosial di antara mereka. Sebagai contoh, pemerhatian ahli hutan Jerman Peter Volleben menunjukkan bahawa pokok mempunyai sejenis persahabatan: pokok pasangan saling berkait dengan akar dan berhati-hati memantau bahawa mahkota mereka tidak mengganggu pertumbuhan satu sama lain, manakala pokok rawak tidak mempunyai perasaan istimewa untuk kepada jiran mereka, mereka sentiasa cuba untuk merebut lebih banyak ruang kediaman. Pada masa yang sama, persahabatan juga boleh timbul antara pokok yang berlainan jenis. Jadi, dalam eksperimen Mancuso yang sama, saintis memerhatikan bagaimana, sejurus sebelum kematian Douglas, nampaknya ia meninggalkan warisan: pokok pain kuning tidak jauh darinya menghantar sejumlah besar bahan organik melalui sistem akar.

W: Adakah tumbuhan mempunyai ingatan?

Alexander Volkov: Tumbuhan mempunyai semua jenis ingatan yang sama seperti haiwan. Sebagai contoh, kami telah menunjukkan bahawa perangkap lalat Venus mempunyai ingatan: untuk perangkap berfungsi, 10 pasangan mikro elektrik mesti dihantar kepadanya, tetapi ternyata ini tidak perlu dilakukan dalam satu sesi. Anda boleh menghidangkan dua microcoulomb, kemudian lima lagi, dan seterusnya. Apabila jumlahnya ialah 10, nampaknya tumbuhan itu telah dimasuki serangga, dan ia akan menutup rapat. Satu-satunya perkara ialah anda tidak boleh berehat lebih daripada 40 saat antara sesi, jika tidak, kaunter akan ditetapkan semula kepada sifar - anda mendapat ingatan jangka pendek sedemikian. Dan ingatan jangka panjang tumbuhan lebih mudah dilihat: sebagai contoh, satu fros musim bunga melanda kami pada 30 April, dan secara literal dalam semalam semua bunga membeku di pokok ara, dan pada tahun berikutnya ia tidak mekar sehingga 1 Mei, kerana ia ingat apa itu. berakhir. Banyak pemerhatian serupa telah dibuat oleh ahli fisiologi tumbuhan sejak 50 tahun yang lalu.

W: Di manakah memori tumbuhan disimpan?

A. V: Pernah saya bertemu di persidangan di Kepulauan Canary Leon Chua, yang pada satu masa meramalkan kewujudan memristor - rintangan dengan ingatan arus yang dilalui. Kami berbual: Chua hampir tidak tahu tentang saluran ion dan elektrofisiologi tumbuhan, saya - tentang memristor. Akibatnya, dia meminta saya untuk cuba mencari memristor dalam vivo, kerana mengikut pengiraannya, mereka harus dikaitkan dengan ingatan, tetapi setakat ini tiada siapa yang menemuinya dalam makhluk hidup. Kami melakukan semuanya: kami menunjukkan bahawa saluran kalium yang bergantung kepada voltan lidah buaya, mimosa, dan perangkap lalat Venus yang sama adalah memristor secara semula jadi, dan dalam kerja berikut, sifat memristif ditemui dalam epal, kentang, biji labu dan berbeza. bunga. Ada kemungkinan bahawa ingatan tumbuh-tumbuhan terikat dengan tepat pada memristor ini, tetapi ia belum diketahui dengan pasti.

W: Tumbuhan tahu bagaimana membuat keputusan, mempunyai ingatan. Langkah seterusnya ialah interaksi sosial. Bolehkah tumbuhan berkomunikasi antara satu sama lain?

A. V: Anda tahu, dalam Avatar ada episod di mana pokok berkomunikasi antara satu sama lain di bawah tanah. Ini bukan fantasi, seperti yang mungkin difikirkan, tetapi fakta yang telah ditetapkan. Semasa saya tinggal di USSR, kami sering pergi untuk memetik cendawan dan semua orang tahu bahawa cendawan mesti dipotong dengan berhati-hati dengan pisau supaya tidak merosakkan miselium. Kini ternyata miselium adalah kabel elektrik di mana pokok boleh berkomunikasi antara satu sama lain dan dengan cendawan. Selain itu, terdapat banyak bukti bahawa pokok bertukar bukan sahaja isyarat elektrik di sepanjang miselium, tetapi juga sebatian kimia atau bahkan virus dan bakteria berbahaya.

W: Apakah yang anda boleh katakan tentang mitos bahawa tumbuhan memahami pertuturan manusia, dan oleh itu anda perlu bercakap dengan mereka dengan baik dan tenang supaya mereka berkembang dengan lebih baik?

A. V: Ini hanya mitos, tidak ada yang lain.

W: Bolehkah kita menggunakan istilah "sakit", "fikiran", "kesedaran" pada tumbuhan?

A. V: Saya tidak tahu apa-apa tentang ini. Ini sudah menjadi persoalan falsafah. Musim panas lalu di St. Petersburg terdapat simposium mengenai isyarat dalam tumbuhan, dan beberapa ahli falsafah dari negara yang berbeza datang ke sana serentak, jadi topik ini kini mula ditangani. Tetapi saya sudah biasa bercakap tentang perkara yang boleh saya uji atau kira secara eksperimen.

Tumbuhan sebagai penderia

Tumbuhan dapat menyelaraskan tindakan mereka menggunakan rangkaian bercabang. Oleh itu, akasia yang tumbuh di savana Afrika bukan sahaja melepaskan bahan toksik ke dalam daunnya apabila zirafah mula memakannya, tetapi juga mengeluarkan "gas penggera" yang tidak menentu yang menghantar isyarat kecemasan kepada tumbuhan di sekelilingnya. Akibatnya, untuk mencari makanan, zirafah perlu bergerak bukan ke pokok terdekat, tetapi menjauhinya secara purata 350 meter. Hari ini para saintis bermimpi untuk menggunakan rangkaian penderia hidup sedemikian, dinyahpenyah oleh alam semula jadi, untuk pemantauan alam sekitar dan tugas lain.

W: Pernahkah anda cuba mempraktikkan penyelidikan elektrofisiologi tumbuhan anda?

Alexander Volkov: Saya mempunyai paten untuk meramal dan mendaftar gempa bumi menggunakan tumbuhan. Pada malam sebelum gempa bumi (di bahagian yang berlainan di dunia, selang masa berbeza dari dua hingga tujuh hari), pergerakan kerak bumi menyebabkan medan elektromagnet ciri. Pada satu masa, orang Jepun mencadangkan untuk membaikinya dengan bantuan antena gergasi - kepingan besi setinggi dua kilometer, tetapi tiada siapa yang boleh membina antena sedemikian, dan ini tidak perlu. Tumbuhan sangat sensitif terhadap medan elektromagnet sehingga mereka boleh meramalkan gempa bumi lebih baik daripada mana-mana antena. Sebagai contoh, kami menggunakan lidah buaya untuk tujuan ini - kami menyambungkan elektrod perak klorida ke daunnya, merekodkan aktiviti elektrik dan memproses data.

W: Bunyinya sangat hebat. Mengapa sistem ini masih tidak dilaksanakan secara praktikal?

A. V: Terdapat masalah yang tidak dijangka di sini. Lihat: katakan anda ialah Datuk Bandar San Francisco dan ketahui bahawa akan ada gempa bumi dalam masa dua hari. Apa yang awak akan lakukan? Jika anda memberitahu orang tentang perkara ini, maka akibat panik dan remuk, lebih ramai orang mungkin mati atau cedera daripada gempa bumi. Kerana sekatan sedemikian, saya tidak boleh membincangkan secara terbuka hasil kerja kami di akhbar terbuka. Walau apa pun, saya fikir lambat laun kita akan mempunyai pelbagai sistem pemantauan yang beroperasi pada loji sensor. Sebagai contoh, dalam salah satu kerja kami, kami telah menunjukkan bahawa menggunakan analisis isyarat elektrofisiologi, adalah mungkin untuk mencipta sistem untuk diagnosis segera pelbagai penyakit tumbuhan pertanian.

Lebih lanjut mengenai topik:

Tanam minda

Bahasa tumbuhan