Wie bewusst sind Pflanzen? Dies ist die zentrale Frage hinter einem faszinierenden neuen Buch „What a Plant Knows“ von Daniel Chamovitz, Direktor des Manna Center for Plant Biosciences an der Universität Tel Aviv. Eine Pflanze, argumentiert er, kann sehen, riechen und fühlen. Es kann eine Verteidigung aufbauen, wenn es belagert wird, und seine Nachbarn vor Schwierigkeiten auf dem Weg warnen. Man kann sogar sagen, dass eine Pflanze ein Gedächtnis hat. Aber bedeutet das, dass Pflanzen denken – oder dass man von einer „Neurowissenschaft“ der Blume sprechen kann? Chamovitz beantwortete Fragen von Mind Matters Redakteur Gareth Cook.
1. Wie haben Sie sich zum ersten Mal für dieses Thema interessiert?
Mein Interesse an den Parallelen zwischen pflanzlichen und menschlichen Sinnen begann Mitte der 1990er Jahre als junger Postdoktorand im Labor von Xing-Wang Deng an der Yale University. Ich war daran interessiert, einen biologischen Prozess zu untersuchen, der spezifisch für Pflanzen ist und nicht mit der Humanbiologie in Verbindung steht (wahrscheinlich als Antwort auf die sechs anderen „Ärzte“ in meiner Familie, die alle Ärzte sind). So zog es mich zu der Frage, wie Pflanzen Licht wahrnehmen, um ihre Entwicklung zu regulieren.
Es war seit Jahrzehnten bekannt, dass Pflanzen Licht nicht nur für die Photosynthese nutzen, sondern auch als Signal, das die Art und Weise verändert, wie Pflanzen wachsen. In meiner Forschung entdeckte ich eine einzigartige Gruppe von Genen, die für eine Pflanze notwendig sind, um festzustellen, ob sie im Licht oder im Dunkeln ist. Als wir über unsere Ergebnisse berichteten, schienen diese Gene einzigartig für das Pflanzenreich zu sein, was gut zu meinem Wunsch passte, alles zu vermeiden, was die menschliche Biologie berührt. Aber sehr zu meiner Überraschung und gegen alle meine Pläne entdeckte ich später, dass dieselbe Gruppe von Genen auch Teil der menschlichen DNA ist.
Dies führte zu der offensichtlichen Frage, was diese scheinbar „pflanzenspezifischen“ Gene beim Menschen bewirken. Viele Jahre später wissen wir jetzt, dass dieselben Gene bei Tieren für den Zeitpunkt der Zellteilung, das axonale Wachstum von Neuronen und das reibungslose Funktionieren des Immunsystems wichtig sind.
Aber erstaunlicherweise regulieren diese Gene auch die Reaktionen auf Licht bei Tieren! Während wir unsere Form nicht als Reaktion auf Licht ändern, wie es Pflanzen tun, sind wir von Veränderungen auf der Ebene unserer inneren Uhr betroffen. Unsere inneren zirkadianen Uhren halten uns in einem 24-Stunden-Rhythmus, weshalb wir Jetlag erleben, wenn wir um die halbe Welt reisen. Aber diese Uhr kann durch Licht zurückgesetzt werden. Vor einigen Jahren habe ich in Zusammenarbeit mit Justin Blau an der NYU gezeigt, dass mutierte Fruchtfliegen, denen einige dieser Gene fehlten, die Fähigkeit verloren, auf Licht zu reagieren. Mit anderen Worten, wenn wir ihre Uhren änderten, blieben sie im Jetlag.
Dies führte mich zu der Erkenntnis, dass der genetische Unterschied zwischen Pflanzen und Tieren nicht so signifikant ist, wie ich einst naiv geglaubt hatte. Während ich also nicht aktiv auf diesem Gebiet forschte, begann ich, die Parallelen zwischen Pflanzen- und Humanbiologie in Frage zu stellen, selbst als sich meine eigene Forschung von der Untersuchung pflanzlicher Reaktionen auf Licht bis zur Leukämie bei Fruchtfliegen entwickelte.
2. Wie denken die Menschen sollten ändern, wie sie über Pflanzen denken?
Die Menschen müssen erkennen, dass Pflanzen komplexe Organismen sind, die ein reiches, sinnliches Leben führen. Sie wissen, dass viele von uns Pflanzen als leblose Objekte betrachten, die sich nicht wesentlich von Steinen unterscheiden. Sogar die Tatsache, dass viele Menschen Seidenblumen durch echte oder künstliche Weihnachtsbäume durch lebende ersetzen, ist beispielhaft für unsere Beziehung zu Pflanzen. Weißt du, ich kenne niemanden, der einen ausgestopften Hund anstelle eines echten hält!
Aber wenn wir erkennen, dass die gesamte Pflanzenbiologie aus der evolutionären Verengung der „Verwurzelung“ entsteht, die Pflanzen unbeweglich hält, dann können wir beginnen, die sehr anspruchsvolle Biologie zu schätzen, die in Blättern und Blüten vor sich geht. Wenn Sie darüber nachdenken, ist Verwurzelung eine große evolutionäre Einschränkung. Es bedeutet, dass Pflanzen einer schlechten Umgebung nicht entkommen können, nicht auf der Suche nach Nahrung oder einem Partner wandern können. Pflanzen mussten also unglaublich sensible und komplexe sensorische Mechanismen entwickeln, die sie in sich ständig verändernden Umgebungen überleben ließen. Ich meine, wenn Sie hungrig oder durstig sind, können Sie zur nächsten Wasserstelle (oder Bar) gehen. Wenn du heiß bist, kannst du nach Norden ziehen, wenn du einen Partner suchst, kannst du auf eine Party gehen. Aber Pflanzen sind unbeweglich. Sie müssen sehen, wo ihr Essen ist. Sie müssen das Wetter spüren und die Gefahr riechen. Und dann müssen sie in der Lage sein, all diese sehr dynamischen und sich ändernden Informationen zu integrieren. Nur weil wir keine Pflanzen in Bewegung sehen, bedeutet das nicht, dass in der Pflanze keine sehr reiche und dynamische Welt vor sich geht.
3. Sie sagen, dass Pflanzen einen Geruchssinn haben?
Sicher. Aber um dies zu beantworten, müssen wir selbst definieren, was „Geruch“ ist. Wenn wir etwas riechen, spüren wir eine flüchtige Chemikalie, die in der Luft gelöst ist, und reagieren dann irgendwie auf diesen Geruch. Das klarste Beispiel in Pflanzen ist, was während der Fruchtreife passiert. Sie haben vielleicht gehört, dass, wenn Sie eine reife und eine unreife Frucht zusammen in den gleichen Beutel legen, die unreife schneller reifen wird. Dies geschieht, weil der Reife ein reifendes Pheromon in die Luft freisetzt und die grüne Frucht es riecht und dann selbst zu reifen beginnt. Dies geschieht nicht nur in unseren Küchen, sondern auch oder sogar in erster Linie in der Natur. Wenn eine Frucht zu reifen beginnt, setzt sie dieses Hormon namens Ethylen frei, das von benachbarten Früchten wahrgenommen wird, bis ganze Bäume und Haine mehr oder weniger synchron reifen.
Ein weiteres Beispiel für eine Pflanze, die Geruch verwendet, ist, wie eine parasitäre Pflanze namens Dodder ihre Nahrung findet. Dodder kann keine Photosynthese betreiben und muss daher von anderen Pflanzen leben. Die Art und Weise, wie es seine Wirtspflanze findet, ist durch Riechen. Ein Dodder kann winzige Mengen von Chemikalien erkennen, die von benachbarten Pflanzen in die Luft freigesetzt werden, und wählt tatsächlich diejenige aus, die er am schmackhaftesten findet! In einem klassischen Experiment zeigten Wissenschaftler, dass Dodder Tomaten Weizen vorzieht, weil er den Geruch bevorzugt.
3B. Wie wäre es mit Hören?
Das ist ein bisschen kniffliger, denn während viele Forschungen die Idee unterstützen, dass Pflanzen sehen, riechen, schmecken und fühlen, ist die Unterstützung für Pflanzengehörfähigkeiten indirekt proportional zu der Menge an anekdotischen Informationen, die wir über die Art und Weise haben, wie Musik beeinflussen kann, wie eine Pflanze wächst. Viele von uns haben Geschichten über Pflanzen gehört, die in Räumen mit klassischer Musik blühen. Typischerweise wurde jedoch ein Großteil der Forschung über Musik und Pflanzen, gelinde gesagt, nicht von Forschern durchgeführt, die auf der wissenschaftlichen Methode beruhten. Es überrascht nicht, dass die Pflanzen in den meisten dieser Studien in Musik gediehen, die der Experimentator ebenfalls bevorzugte.
Aus evolutionärer Sicht könnte es auch sein, dass Pflanzen nicht wirklich hören mussten. Der evolutionäre Vorteil, der durch das Hören bei Menschen und anderen Tieren entsteht, dient als eine Möglichkeit, wie unser Körper uns vor potenziell gefährlichen Situationen warnt. Unsere frühen menschlichen Vorfahren konnten ein gefährliches Raubtier hören, das sie durch den Wald verfolgte, während wir heute den Motor eines sich nähernden Autos hören. Das Hören ermöglicht auch eine schnelle Kommunikation zwischen Individuen und zwischen Tieren. Elefanten können sich über große Entfernungen finden, indem sie Unterschallwellen aussprechen, die um Objekte rumpeln und kilometerweit reisen. Eine Delfinkapsel kann einen Delfinwelpen finden, der durch sein Notgezwitscher im Ozean verloren gegangen ist. Allen diesen Situationen gemeinsam ist, dass Klang eine schnelle Kommunikation von Informationen und eine Reaktion ermöglicht, die oft Bewegung ist — Flucht vor einem Feuer, Flucht vor Angriffen, Suche nach Familie.
Aber Pflanzen sind verwurzelte, sitzende Organismen. Während sie zur Sonne wachsen und sich mit der Schwerkraft beugen können, können sie nicht fliehen. Sie können nicht entkommen. Sie wandern nicht mit den Jahreszeiten. Daher sind die hörbaren Signale, an die wir in unserer Welt gewöhnt sind, für eine Pflanze möglicherweise irrelevant.
Alles in allem muss ich mich mit dem Hinweis bedecken, dass einige neuere Forschungen darauf hindeuten, dass Pflanzen auf Geräusche reagieren können. Wohlgemerkt nicht zur Musik, die für eine Pflanze irrelevant ist, sondern zu bestimmten Schwingungen. Es wird sehr interessant sein zu sehen, wie sich das entwickelt.
4. Kommunizieren Pflanzen miteinander?
Auf einer grundlegenden Ebene, ja. Aber ich denke, es dreht sich darum, wie Sie Kommunikation definieren. Es besteht kein Zweifel, dass Pflanzen auf Hinweise anderer Pflanzen reagieren. Wenn beispielsweise ein Ahornbaum von Käfern befallen wird, setzt er ein Pheromon in die Luft frei, das von den benachbarten Bäumen aufgenommen wird. Dies veranlasst die empfangenden Bäume, Chemikalien herzustellen, die ihnen helfen, den bevorstehenden Insektenangriff abzuwehren. Also auf den ersten Blick, Das ist definitiv Kommunikation.
Aber ich denke, wir müssen auch die Frage der Absicht stellen (wenn wir dieses Wort sogar verwenden können, wenn wir Pflanzen beschreiben, aber Humor mich, während ich anthropomorphisiere). Kommunizieren die Bäume, was bedeutet, dass der angegriffene Baum seine Umgebung warnt? Oder könnte es subtiler sein? Vielleicht macht es mehr Sinn, dass der angegriffene Zweig mit den anderen Zweigen desselben Baumes kommuniziert, um sich selbst zu überleben, während die benachbarten Bäume nur lauschen und vom Signal profitieren.
Es gibt auch andere Beispiele für diese Art der Kommunikation. Eine kürzlich durchgeführte Studie hat beispielsweise gezeigt, dass Pflanzen auch über Signale kommunizieren, die von Wurzel zu Wurzel weitergegeben werden. In diesem Fall war die „sprechende“ Pflanze durch Dürre gestresst und „sagte“ ihren Nachbarpflanzen, sie sollten sich auf Wassermangel vorbereiten. Wir wissen, dass das Signal durch die Wurzeln ging, weil dies nie passiert ist, wenn die beiden Pflanzen einfach in benachbarten Töpfen waren. Sie mussten benachbarte Wurzeln haben.
5. Haben Pflanzen ein Gedächtnis?
Pflanzen haben definitiv verschiedene Formen des Gedächtnisses, genau wie Menschen. Sie haben Kurzzeitgedächtnis, Immungedächtnis und sogar generationenübergreifendes Gedächtnis! Ich weiß, dass dies für manche Menschen ein schwer zu fassendes Konzept ist, aber wenn das Gedächtnis das Bilden des Gedächtnisses (Codieren von Informationen), das Beibehalten des Gedächtnisses (Speichern von Informationen) und das Abrufen des Gedächtnisses (Abrufen von Informationen) beinhaltet, dann erinnere ich mich definitiv daran. Zum Beispiel muss eine Venusfliegenfalle zwei der Haare auf ihren Blättern haben, die von einem Käfer berührt werden, um sich zu schließen, damit sie sich daran erinnert, dass das erste berührt wurde. Aber das dauert nur etwa 20 Sekunden, und dann vergisst es. Weizensetzlinge denken Sie daran, dass sie den Winter überstanden haben, bevor sie anfangen zu blühen und Samen zu bilden. Und einige gestresste Pflanzen führen zu Nachkommen, die resistenter gegen den gleichen Stress sind, eine Art transgenerationelles Gedächtnis, das kürzlich auch bei Tieren gezeigt wurde. Während das Kurzzeitgedächtnis in der Venusfliegenfalle auf Elektrizität basiert, ähnlich wie die neuronale Aktivität, basieren die längerfristigen Erinnerungen auf Epigenetik — Veränderungen in der Genaktivität, die keine Veränderungen im DNA-Code erfordern, wie es Mutationen tun, die immer noch von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben werden.
6. Würden Sie also sagen, dass Pflanzen „denken“?
Nein, würde ich nicht, aber vielleicht bin ich da noch in meinem eigenen Denken eingeschränkt! Denken und Informationsverarbeitung sind für mich zwei verschiedene Konstrukte. Ich muss hier vorsichtig sein, da dies wirklich an das Philosophische grenzt, aber ich denke, zielgerichtetes Denken erfordert ein hoch entwickeltes Gehirn und autonoetisches oder zumindest noetisches Bewusstsein. Pflanzen weisen Elemente des anoetischen Bewusstseins auf, die nach meinem Verständnis die Fähigkeit zu denken nicht einschließen. So wie eine Pflanze ohne Gehirn keinen subjektiven Schmerz erleiden kann, denke ich auch nicht, dass sie denkt.
7. Sehen Sie eine Analogie zwischen dem, was Pflanzen tun, und dem, was das menschliche Gehirn tut? Kann es eine Neurowissenschaft der Pflanzen geben, abzüglich der Neuronen?
Zunächst einmal, und auf die Gefahr hin, einige meiner engsten Freunde zu beleidigen, denke ich, dass der Begriff Pflanzenneurobiologie so lächerlich ist wie etwa die menschliche Blumenbiologie. Pflanzen haben kein Neuron, so wie Menschen keine Blumen haben!
Aber Sie brauchen keine Neuronen, um Zell-zu-Zell-Kommunikation und Informationsspeicherung und -verarbeitung zu haben. Selbst bei Tieren werden nicht alle Informationen nur im Gehirn verarbeitet oder gespeichert. Das Gehirn ist dominant in der Verarbeitung höherer Ordnung in komplexeren Tieren, aber nicht in einfachen. Verschiedene Teile der Pflanze kommunizieren miteinander und tauschen Informationen über zelluläre, physiologische und Umweltzustände aus. Zum Beispiel hängt das Wurzelwachstum von einem hormonellen Signal ab, das in den Spitzen der Triebe erzeugt und zu den wachsenden Wurzeln transportiert wird, während die Triebentwicklung teilweise von einem Signal abhängt, das in den Wurzeln erzeugt wird. Blätter senden Signale an die Spitze des Triebes, die ihnen sagen, dass sie anfangen sollen, Blumen zu machen. Auf diese Weise, wenn Sie wirklich einige große Hand winken wollen, ist die gesamte Pflanze analog zum Gehirn.
Aber während Pflanzen keine Neuronen haben, produzieren Pflanzen neuroaktive Chemikalien und sind davon betroffen! Zum Beispiel ist der Glutamatrezeptor ein Neurorezeptor im menschlichen Gehirn, der für die Gedächtnisbildung und das Lernen notwendig ist. Während Pflanzen keine Neuronen haben, haben sie Glutamatrezeptoren und was faszinierend ist, ist, dass die gleichen Medikamente, die den menschlichen Glutamatrezeptor hemmen, auch Pflanzen beeinflussen. Durch die Untersuchung dieser Proteine in Pflanzen haben Wissenschaftler gelernt, wie Glutamatrezeptoren die Kommunikation von Zelle zu Zelle vermitteln. Vielleicht sollte die Frage an einen Neurobiologen gestellt werden, ob es eine Botanik des Menschen geben könnte, abzüglich der Blumen!
Darwin, einer der großen Pflanzenforscher, schlug vor, was als „Wurzel-Gehirn“ -Hypothese bekannt geworden ist. Darwin schlug vor, dass die Wurzelspitze, der Teil, den wir Meristem nennen, wie das Gehirn bei niederen Tieren wirkt, sensorischen Input empfängt und Bewegung lenkt. Mehrere moderne Forschungsgruppen verfolgen diese Forschungslinie.
Sind Sie ein Wissenschaftler, der sich auf Neurowissenschaften, Kognitionswissenschaften oder Psychologie spezialisiert hat? Und haben Sie kürzlich ein Peer-Review-Papier gelesen, über das Sie gerne schreiben würden? Bitte senden Sie Vorschläge an den Redakteur von Mind Matters, Gareth Cook, einen mit dem Pulitzer-Preis ausgezeichneten Journalisten beim Boston Globe. Er kann bei garethideas UNTER erreicht werden gmail.com oder Twitter @garethideas.