چرا گیاهان به تکانه های عصبی نیاز دارند؟

ما در مورد آن فکر نمی کنیم، اما گیاهان در زندگی خود حتی بیشتر از انسان یا هر حیوان دیگری سیگنال های محیط خارجی را پردازش می کنند. آنها به نور، گرما، گرانش، ترکیب نمک خاک، میدان مغناطیسی، پاتوژن های مختلف واکنش نشان می دهند و تحت تأثیر اطلاعات دریافتی رفتار خود را تغییر می دهند. به عنوان مثال، در آزمایشگاه استفانو مانکوسو از دانشگاه فلورانس، آزمایش‌هایی با دو شاخه لوبیا بالارونده انجام شد. دانشمندان یک تکیه گاه مشترک بین گیاهان ایجاد کردند و شاخه ها شروع به رقابت با آن کردند. اما به محض اینکه اولین گیاه بر روی تکیه گاه بالا رفت، به نظر می رسید که گیاه دوم بلافاصله خود را شکست خورده تشخیص داد و رشد خود را در این جهت متوقف کرد. فهمید که مبارزه برای منابع بی معنی است و بهتر است شادی را در جای دیگری جستجو کنید.

W: گیاهان حرکت نمی کنند، به کندی رشد می کنند و عموماً بدون عجله زندگی می کنند. به نظر می رسد که تکانه های عصبی آنها نیز باید بسیار کندتر منتشر شود

الکساندر ولکوف: این یک توهم است که از دیرباز در علم وجود داشته است. در دهه 70 قرن نوزدهم، انگلیسی ها اندازه گرفتند که پتانسیل عمل مگس بند ناهید با سرعت 20 سانتی متر در ثانیه گسترش می یابد، اما این یک اشتباه بود.آنها زیست‌شناس بودند و اصلاً تکنیک اندازه‌گیری الکتریکی را نمی‌دانستند: انگلیسی‌ها در آزمایش‌های خود از ولت مترهای آهسته استفاده می‌کردند که تکانه‌های عصبی را حتی کمتر از انتشارشان ثبت می‌کردند، که کاملاً غیرقابل قبول است. اکنون می دانیم که تکانه های عصبی بسته به مکان تحریک سیگنال و ماهیت آن، می توانند با سرعت های بسیار متفاوتی از گیاهان عبور کنند. حداکثر سرعت انتشار پتانسیل عمل در گیاهان با همین شاخص ها در حیوانات قابل مقایسه است و زمان استراحت پس از گذر از پتانسیل عمل می تواند از میلی ثانیه تا چند ثانیه متغیر باشد.

W: گیاهان از این تکانه های عصبی برای چه استفاده می کنند؟

A. V: نمونه کتاب درسی مگس بند ناهید است که قبلاً به آن اشاره کردم. این گیاهان در مناطقی با خاک بسیار مرطوب زندگی می کنند که هوا به سختی نفوذ می کند و بر این اساس نیتروژن کمی در این خاک وجود دارد. مگس‌گیرها کمبود این ماده ضروری را با خوردن حشرات و قورباغه‌های کوچک دریافت می‌کنند که آنها را با یک تله الکتریکی می‌گیرند - دو گلبرگ که در هر کدام سه حسگر پیزومکانیکی تعبیه شده است. وقتی حشره روی هر یک از گلبرگ ها می نشیند و با پنجه خود این گیرنده ها را لمس می کند، پتانسیل عمل در آنها ایجاد می شود. اگر یک حشره در عرض 30 ثانیه دو بار به مکانیزم حسگر برخورد کند، تله در یک ثانیه بسته می شود. ما عملکرد این سیستم را بررسی کردیم - یک سیگنال الکتریکی مصنوعی به تله مگس بند ناهید اعمال کردیم و همه چیز به همین ترتیب کار کرد - تله بسته شد. سپس این آزمایش ها را با میموزا و گیاهان دیگر تکرار کردیم و به این ترتیب نشان دادیم که می توان گیاهان را مجبور به باز کردن، بسته شدن، حرکت کردن، خم شدن کرد - به طور کلی، با استفاده از سیگنال های الکتریکی هر کاری که می خواهید انجام دهید. در این حالت، برانگیختگی‌های خارجی با طبیعت متفاوت، پتانسیل‌های عملی را در گیاهان ایجاد می‌کنند که می‌توانند در دامنه، سرعت و مدت زمان متفاوت باشند.

W: گیاهان به چه چیز دیگری می توانند واکنش نشان دهند؟

A. V: اگر چمن خانه روستایی خود را قطع کنید، پتانسیل های عمل بلافاصله به ریشه گیاهان می روند. بیان برخی از ژن ها روی آنها شروع می شود و سنتز پراکسید هیدروژن روی بریدگی ها فعال می شود که گیاهان را از عفونت محافظت می کند. به همین ترتیب، اگر جهت نور را تغییر دهید، در 100 ثانیه اول گیاه به هیچ وجه به آن واکنش نشان نمی دهد تا گزینه سایه را از پرنده یا حیوان قطع کند و سپس سیگنال‌های الکتریکی دوباره می‌روند، که بر اساس آن، نیروگاه در چند ثانیه به‌گونه‌ای می‌چرخد که جذب شار نور را به حداکثر برساند. همین اتفاق خواهد افتاد، و هنگامی که شروع به چکاندن آب جوش می کنید، و هنگامی که فندکی در حال سوختن را بالا می آورید، و هنگامی که گیاه را در یخ قرار می دهید، گیاهان به هر محرکی با کمک سیگنال های الکتریکی واکنش نشان می دهند که پاسخ آنها به محیط تغییر یافته را کنترل می کند. شرایط

حافظه گیاهی

گیاهان نه تنها می دانند که چگونه به محیط خارجی واکنش نشان دهند و ظاهراً اعمال خود را محاسبه می کنند، بلکه برخی از روابط اجتماعی را نیز بین خود گره می زنند. به عنوان مثال، مشاهدات پیتر وولبن جنگلبان آلمانی نشان می دهد که درختان نوعی دوستی دارند: درختان شریک با ریشه در هم تنیده شده اند و به دقت نظارت می کنند که تاج آنها در رشد یکدیگر اختلال ایجاد نکند، در حالی که درختان تصادفی هیچ احساس خاصی نسبت به یکدیگر ندارند. برای همسایگان خود، آنها همیشه سعی می کنند فضای زندگی بیشتری را برای خود بگیرند. در همان زمان، دوستی نیز می تواند بین درختان از انواع مختلف ایجاد شود. بنابراین، در آزمایش‌های همان Mancuso، دانشمندان مشاهده کردند که چگونه، اندکی قبل از مرگ داگلاس، به نظر می‌رسد که میراثی از خود بر جای می‌گذارد: یک درخت کاج زرد نه چندان دور از آن مقدار زیادی ماده آلی را از طریق سیستم ریشه ارسال می‌کند.

W: آیا گیاهان حافظه دارند؟

الکساندر ولکوف: گیاهان همه انواع حافظه را مانند حیوانات دارند.به عنوان مثال، ما نشان دادیم که تله مگس ونوس دارای حافظه است: برای اینکه تله کار کند، باید 10 میکروکوپل برق به آن ارسال شود، اما معلوم شد که این کار لازم نیست در یک جلسه انجام شود. می توانید ابتدا دو میکروکولن سرو کنید، سپس پنج عدد دیگر و به همین ترتیب. وقتی مجموع آن 10 شد، به نظر می رسد که گیاه حشره ای وارد آن شده است و به شدت بسته می شود. تنها چیزی که وجود دارد این است که نمی توانید بین جلسات بیش از 40 ثانیه استراحت کنید، در غیر این صورت شمارنده به صفر می رسد - چنین حافظه کوتاه مدتی به دست می آورید. و خاطره دراز مدت گیاهان حتی راحت تر دیده می شود: به عنوان مثال، یک یخبندان بهاری در 30 آوریل به ما رسید و به معنای واقعی کلمه یک شبه همه گل ها روی درخت انجیر یخ زدند و سال بعد تا 1 مه شکوفا نشد. چون به یاد آورد که چه بود. بسیاری از مشاهدات مشابه توسط فیزیولوژیست های گیاهی طی 50 سال گذشته انجام شده است.

W: حافظه گیاهی در کجا ذخیره می شود؟

A. V: یک بار در یک کنفرانس در جزایر قناری لئون چوا را ملاقات کردم که در یک زمان وجود ممریستورها - مقاومت ها را با حافظه جریان عبوری پیش بینی کرد. ما وارد گفتگو شدیم: چوا تقریباً هیچ چیز در مورد کانال های یونی و الکتروفیزیولوژی گیاهان نمی دانست، من - در مورد ممریستورها. در نتیجه او از من خواست که سعی کنم در داخل بدن به دنبال ممریستور بگردم، زیرا طبق محاسبات او باید با حافظه مرتبط باشند، اما تاکنون کسی آنها را در موجودات زنده پیدا نکرده است. ما همه این کارها را انجام دادیم: نشان دادیم که کانال‌های پتاسیم وابسته به ولتاژ آلوئه ورا، میموزا و همان مگس‌تراپ زهره ذاتاً ممریستور هستند و در کارهای زیر، خواص حافظه‌داری در سیب، سیب‌زمینی، تخمه کدو تنبل و انواع مختلف یافت شد. گل ها. کاملاً ممکن است که حافظه گیاهان دقیقاً به این ممریستورها گره خورده باشد، اما هنوز به طور قطعی مشخص نیست.

W: گیاهان می دانند چگونه تصمیم بگیرند، حافظه دارند. مرحله بعدی تعاملات اجتماعی است. آیا گیاهان می توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند؟

A. V: می دانید، در آواتار قسمتی وجود دارد که درختان در زیر زمین با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. این یک خیال نیست، آنطور که ممکن است تصور شود، بلکه یک واقعیت ثابت شده است. زمانی که من در اتحاد جماهیر شوروی زندگی می کردم، اغلب برای چیدن قارچ می رفتیم و همه می دانستند که قارچ باید با دقت با چاقو بریده شود تا به میسلیوم آسیب نرساند. اکنون معلوم می شود که میسلیوم یک کابل الکتریکی است که از طریق آن درختان می توانند هم با یکدیگر و هم با قارچ ها ارتباط برقرار کنند. علاوه بر این، شواهد زیادی وجود دارد که نشان می‌دهد درختان نه تنها سیگنال‌های الکتریکی را در طول میسلیوم، بلکه ترکیبات شیمیایی یا حتی ویروس‌ها و باکتری‌های خطرناک را نیز مبادله می‌کنند.

W: در مورد این افسانه که گیاهان صحبت انسان را درک می کنند، چه می توانید بگویید و بنابراین باید با مهربانی و آرامش با آنها صحبت کنید تا بهتر رشد کنند؟

A. V: این فقط یک افسانه است، نه چیز دیگری.

W: آیا می توانیم اصطلاحات "درد"، "افکار"، "آگاهی" را در مورد گیاهان به کار ببریم؟

A. V: من چیزی در این مورد نمی دانم. اینها قبلاً سؤالات فلسفه هستند. تابستان گذشته در سن پترزبورگ سمپوزیومی در مورد سیگنال ها در گیاهان برگزار شد و چندین فیلسوف از کشورهای مختلف به طور همزمان به آنجا آمدند، بنابراین این موضوع اکنون شروع به پرداختن به آن شده است. اما من عادت دارم در مورد آنچه می توانم آزمایش یا محاسبه کنم صحبت کنم.

گیاهان به عنوان حسگر

گیاهان قادرند اقدامات خود را با استفاده از شبکه های شاخه ای هماهنگ کنند. بنابراین، اقاقیا که در ساوانای آفریقا رشد می‌کند، نه تنها زمانی که زرافه‌ها شروع به خوردن آن می‌کنند، یک ماده سمی در برگ‌های خود آزاد می‌کند، بلکه یک «گاز هشدار» فرار منتشر می‌کند که سیگنال پریشانی را به گیاهان اطراف می‌فرستد. در نتیجه، زرافه ها در جستجوی غذا مجبورند نه به نزدیک ترین درختان، بلکه به طور متوسط 350 متر از آنها دور شوند. امروزه دانشمندان رؤیای استفاده از چنین شبکه‌هایی از حسگرهای زنده را دارند که توسط طبیعت اشکال‌زدایی شده‌اند، برای نظارت بر محیط‌زیست و سایر وظایف.

W: آیا سعی کرده اید تحقیقات الکتروفیزیولوژی گیاهی خود را عملی کنید؟

الکساندر ولکوف: من حق اختراع برای پیش بینی و ثبت زلزله با استفاده از گیاهان دارم.در آستانه زلزله (در نقاط مختلف جهان فاصله زمانی بین دو تا هفت روز متغیر است) حرکت پوسته زمین باعث ایجاد میدان های الکترومغناطیسی مشخص می شود. در یک زمان، ژاپنی ها پیشنهاد کردند که آنها را با کمک آنتن های غول پیکر تعمیر کنند - قطعات آهنی به ارتفاع دو کیلومتر، اما هیچ کس نمی توانست چنین آنتن هایی بسازد، و این ضروری نیست. گیاهان آنقدر به میدان های الکترومغناطیسی حساس هستند که بهتر از هر آنتنی می توانند زلزله را پیش بینی کنند. به عنوان مثال، ما از آلوئه ورا برای این اهداف استفاده کردیم - الکترودهای کلرید نقره را به برگ های آن متصل کردیم، فعالیت الکتریکی را ثبت کردیم و داده ها را پردازش کردیم.

W: کاملاً فوق العاده به نظر می رسد. چرا این سیستم هنوز در عمل پیاده سازی نشده است؟

A. V: اینجا یک مشکل غیرمنتظره وجود داشت. ببینید: فرض کنید شما شهردار سانفرانسیسکو هستید و متوجه می شوید که دو روز دیگر زلزله می آید. چی کار می خوای بکنی؟ اگر این موضوع را به مردم بگویید، در نتیجه وحشت و له شدن، ممکن است افراد بیشتری نسبت به زلزله کشته یا مجروح شوند. به دلیل چنین محدودیت‌هایی، من حتی نمی‌توانم نتایج کارمان را به طور علنی در مطبوعات آزاد مطرح کنم. در هر صورت، من فکر می کنم دیر یا زود ما سیستم های نظارتی متنوعی خواهیم داشت که روی نیروگاه های حسگر کار می کنند. به عنوان مثال، در یکی از کارهایمان نشان داده ایم که با استفاده از تجزیه و تحلیل سیگنال های الکتروفیزیولوژیکی، می توان سیستمی برای تشخیص فوری بیماری های مختلف گیاهان کشاورزی ایجاد کرد.