jak świadome są rośliny? To jest główne pytanie stojące za fascynującą nową książką, „co wie roślina”, autorstwa Daniela Chamovitza, dyrektora Manna Center for Plant Biosciences na Uniwersytecie w Tel Awiwie. Roślina, przekonuje, może widzieć, wąchać i czuć. Może on zamontować obronę, gdy jest oblężony, i ostrzec swoich sąsiadów o kłopotach na drodze. Można nawet powiedzieć, że roślina ma pamięć. Ale czy to oznacza, że rośliny myślą-lub że można mówić o „neuronauce” kwiatu? Chamovitz odpowiedział na pytania redaktora Mind Matters Garetha Cooka.
1. Jak zainteresowałeś się tym tematem?
moje zainteresowanie paralelami między zmysłami roślinnymi i ludzkimi zaczęło się, gdy byłem młodym Postdoctoral fellow w laboratorium Xing-Wang Deng na Uniwersytecie Yale w połowie 1990 roku. byłem zainteresowany studiowaniem procesu biologicznego, który byłby specyficzny dla roślin i nie byłby połączony z biologią człowieka (prawdopodobnie jako odpowiedź na sześciu innych „lekarzy” w mojej rodzinie, z których wszyscy są lekarzami). Tak więc przyciągnęło mnie pytanie, w jaki sposób rośliny wyczuwają światło, aby regulować ich rozwój.
od dziesięcioleci wiadomo, że rośliny wykorzystują światło nie tylko do fotosyntezy, ale także jako sygnał, który zmienia sposób wzrostu roślin. W moich badaniach odkryłem unikalną grupę genów niezbędnych dla rośliny, aby określić, czy jest w świetle, czy w ciemności. Kiedy zgłosiliśmy nasze odkrycia, okazało się, że te geny są unikalne dla królestwa roślin, co dobrze pasuje do mojego pragnienia, aby uniknąć jakichkolwiek rzeczy dotykających ludzkiej biologii. Ale ku mojemu zaskoczeniu i wbrew wszystkim moim planom, odkryłem później, że ta sama grupa genów jest również częścią ludzkiego DNA.
doprowadziło to do oczywistego pytania, co te pozornie „specyficzne dla roślin” geny robią u ludzi. Wiele lat później wiemy, że te same geny są ważne u zwierząt dla czasu podziału komórek, wzrostu aksonalnego neuronów i prawidłowego funkcjonowania układu odpornościowego.
ale co najdziwniejsze, geny te regulują również reakcje na światło u zwierząt! Chociaż nie zmieniamy naszej formy w odpowiedzi na światło, tak jak rośliny, mamy wpływ na laboratorium na poziomie naszego wewnętrznego zegara. Nasze wewnętrzne zegary dobowe utrzymują nas w rytmie 24 godzin, dlatego podróżując po połowie świata doświadczamy jet lag. Ale ten zegar można zresetować światłem. Kilka lat temu, we współpracy z Justinem Blau z NYU, pokazałem, że zmutowane muszki owocowe, którym brakowało niektórych genów, straciły zdolność reagowania na światło. Innymi słowy, jeśli zmieniliśmy ich zegary, pozostali w jetlag.
to doprowadziło mnie do uświadomienia sobie, że genetyczna różnica między roślinami a zwierzętami nie jest tak znacząca, jak kiedyś naiwnie wierzyłem. Nie badając aktywnie tej dziedziny, zacząłem kwestionować podobieństwa między biologią roślin i ludzi, nawet gdy moje własne badania ewoluowały od badania reakcji roślin na światło do białaczki u muszek owocowych.
2. Jak ludzie powinni zmienić sposób myślenia o roślinach?
ludzie muszą zdawać sobie sprawę, że rośliny to złożone organizmy, które żyją bogatym, zmysłowym życiem. Wiesz, że wielu z nas odnosi się do roślin jako przedmiotów nieożywionych, niewiele różniących się od kamieni. Nawet fakt, że wiele osób zastępuje jedwabne kwiaty prawdziwymi lub sztuczne choinki żywymi, jest przykładem na pewnym poziomie tego, jak odnosimy się do roślin. Wiesz, nie znam nikogo, kto trzyma wypchanego psa zamiast prawdziwego!
ale jeśli zdamy sobie sprawę, że cała Biologia roślin wynika z ewolucyjnego zwężenia „zakorzenienia”, które utrzymuje rośliny w bezruchu, wtedy możemy zacząć doceniać bardzo wyrafinowaną biologię zachodzącą w liściach i kwiatach. Jeśli się nad tym zastanowić, zakorzenienie jest ogromnym ograniczeniem ewolucyjnym. Oznacza to, że rośliny nie mogą uciec przed złym środowiskiem, nie mogą migrować w poszukiwaniu pożywienia lub partnera. Rośliny musiały więc wytworzyć niezwykle wrażliwe i złożone mechanizmy sensoryczne, które pozwoliłyby im przetrwać w ciągle zmieniających się środowiskach. Jeśli jesteś głodny lub spragniony, możesz dojść do najbliższego wodopoju (lub baru). Jeśli jesteś gorący, możesz przenieść się na północ, Jeśli szukasz kumpla, możesz wyjść na imprezę. Ale rośliny są nieruchome. Muszą zobaczyć, gdzie jest ich jedzenie. Muszą czuć pogodę i czuć niebezpieczeństwo. A potem muszą być w stanie zintegrować wszystkie te bardzo dynamiczne i zmieniające się informacje. To, że nie widzimy poruszających się roślin, nie oznacza, że w roślinie nie ma zbyt bogatego i dynamicznego świata.
3. Mówisz, że rośliny mają węch?
pewnie. Aby jednak na to odpowiedzieć musimy sami zdefiniować czym jest „zapach”. Kiedy czujemy coś, czujemy lotną substancję chemiczną, która rozpuszcza się w powietrzu i w jakiś sposób reaguje na ten zapach. Najczystszym przykładem w roślinach jest to, co dzieje się podczas dojrzewania owoców. Być może słyszałeś, że jeśli umieścisz dojrzały i niedojrzały owoc razem w tym samym worku, niedojrzały dojrzeje szybciej. Dzieje się tak, ponieważ dojrzały uwalnia dojrzewający feromon w powietrzu, a zielony owoc pachnie nim, a następnie zaczyna dojrzewać. Dzieje się tak nie tylko w naszych kuchniach, ale także, a nawet przede wszystkim, w naturze. Kiedy jeden owoc zaczyna dojrzewać, uwalnia ten hormon, zwany etylenem, który jest wyczuwany przez sąsiednie owoce, aż całe drzewa i gaje dojrzeją mniej lub bardziej synchronicznie.
Innym przykładem rośliny używającej zapachu jest sposób, w jaki pasożytnicza roślina o nazwie dodder znajduje swoje pożywienie. Dodder nie może robić fotosyntezy, więc musi żyć z innych roślin. Sposób, w jaki znajduje swoją roślinę żywicielską, polega na zapachu. Dodder może wykryć niewielkie ilości substancji chemicznych uwalnianych w powietrzu przez sąsiednie rośliny i wybierze ten, który uzna za najsmaczniejszy! W jednym z klasycznych eksperymentów naukowcy wykazali, że dodder woli pomidora od pszenicy, ponieważ woli zapach.
3B. a może słuch?
jest to nieco trudniejsze, ponieważ podczas gdy wiele badań popiera ideę, że rośliny widzą, wąchają, smakują i czują, wsparcie dla zdolności słuchowych roślin jest pośrednio proporcjonalne do ilości anegdotycznych informacji, które mamy na temat sposobów, w jakie muzyka może wpływać na to, jak roślina rośnie. Wielu z nas słyszało historie o roślinach kwitnących w pomieszczeniach przy muzyce klasycznej. Zazwyczaj jednak większość badań nad muzyką i roślinami nie była, delikatnie mówiąc, prowadzona przez badaczy opierających się na metodzie naukowej. Nic dziwnego, że w większości tych badań rośliny rozwijały się w muzyce, którą eksperymentator również preferował.
z ewolucyjnego punktu widzenia może też być tak, że rośliny tak naprawdę nie muszą słyszeć. Przewaga ewolucyjna wynikająca ze słuchu u ludzi i innych zwierząt służy jako jeden ze sposobów, w jaki nasze ciała ostrzegają nas przed potencjalnie niebezpiecznymi sytuacjami. Nasi wcześni przodkowie słyszeli prześladującego ich przez las niebezpiecznego drapieżnika, a dziś słyszymy silnik nadjeżdżającego samochodu. Słuch umożliwia również szybką komunikację między osobnikami i zwierzętami. Słonie mogą odnajdywać się na dużych odległościach, wokalizując fale subsoniczne, które krążą wokół obiektów i przemierzają mile. Kapsuła delfina może znaleźć delfina zagubionego w oceanie poprzez jego ćwierkanie. We wszystkich tych sytuacjach powszechne jest to, że dźwięk umożliwia szybką komunikację informacji i reakcję, która często jest ruchem-ucieczka przed ogniem, ucieczka przed atakiem, znalezienie rodziny.
ale rośliny są zakorzenione, siedzące organizmy. Choć mogą rosnąć ku słońcu i Pochylać się z grawitacją, nie mogą uciekać. Nie mogą uciec. Nie migrują z porami roku. Jako takie, być może sygnały dźwiękowe, do których jesteśmy przyzwyczajeni w naszym świecie, są nieistotne dla rośliny.
wszystko to jest powiedziane, muszę zakryć się usłyszeć, wskazując, że niektóre bardzo niedawne badania wskazują, że rośliny mogą reagować na Dźwięki. Nie dla muzyki, co nie ma znaczenia dla rośliny, ale dla pewnych wibracji. To będzie bardzo interesujące zobaczyć, jak to się układa.
4. Czy rośliny komunikują się ze sobą?
na poziomie podstawowym, tak. Ale myślę, że skupia się na tym, jak definiujesz komunikację. Nie ma wątpliwości, że rośliny reagują na sygnały z innych roślin. Na przykład, jeśli klon jest atakowany przez robaki, uwalnia feromon do powietrza, który jest odbierany przez sąsiednie drzewa. Powoduje to, że drzewa odbiorcze zaczynają wytwarzać chemikalia, które pomogą im odeprzeć zbliżający się atak robaków. Tak więc na pierwszy rzut oka, to jest zdecydowanie komunikacja.
ale myślę, że musimy też Zadać pytanie o intencję (czy możemy w ogóle użyć tego słowa przy opisywaniu roślin, ale śmiej mnie, gdy antropomorfizuję). Czy drzewa komunikują się, co oznacza, że zaatakowane drzewo ostrzega swoich otaczających? Czy może to być bardziej subtelne? Może bardziej sensowne jest to, że zaatakowana gałąź komunikuje się z innymi gałęziami tego samego drzewa w celu przetrwania, podczas gdy sąsiednie drzewa po prostu podsłuchują i czerpią korzyści z sygnału.
istnieją również inne przykłady tego typu komunikacji. Na przykład bardzo niedawne badania wykazały, że rośliny również komunikują się poprzez sygnały przekazywane z korzenia do korzenia. W tym przypadku „gadająca” roślina została podkreślona przez suszę i „powiedziała” sąsiednim roślinom, aby przygotowały się na brak wody. Wiemy, że sygnał przeszedł przez korzenie, ponieważ nigdy nie miało to miejsca, Jeśli dwie rośliny były po prostu w sąsiednich doniczkach. Musieli mieć sąsiednie korzenie.
5. Czy rośliny mają pamięć?
rośliny zdecydowanie mają kilka różnych form pamięci, tak jak ludzie. Mają pamięć krótkotrwałą, odpornościową, a nawet transgeneracyjną! Wiem, że jest to trudna do uchwycenia koncepcja dla niektórych ludzi, ale jeśli pamięć pociąga za sobą tworzenie pamięci (kodowanie informacji), zachowanie pamięci (przechowywanie informacji) i przypominanie pamięci (pobieranie informacji), to rośliny zdecydowanie pamiętają. Na przykład Pułapka na muchy Wenus musi mieć dwa włosy na liściach dotknięte przez robaka, aby się zamknąć, więc pamięta, że pierwszy został dotknięty. Ale to trwa tylko około 20 sekund, a potem zapomina. Sadzonki pszenicy pamiętają, że przeszły zimę, zanim zaczną kwitnąć i tworzyć nasiona. Niektóre zestresowane rośliny rodzą potomstwo, które jest bardziej odporne na ten sam stres, rodzaj pamięci transpokoleniowej, która została ostatnio pokazana również u zwierząt. Podczas gdy pamięć krótkotrwała w pułapce na muchy Wenus jest oparta na elektryczności, podobnie jak aktywność neuronowa, wspomnienia długoterminowe są oparte na epigenetyce — zmianach w aktywności genów, które nie wymagają zmian w kodzie DNA, tak jak robią to mutacje, które nadal są przekazywane z rodzica na potomstwo.
6. Czy można powiedzieć, że rośliny „myśleć”?
Nie, Nie zrobiłbym tego, ale może właśnie tam wciąż jestem ograniczony we własnym myśleniu! Dla mnie myślenie i przetwarzanie informacji to dwie różne konstrukcje. Muszę być tutaj ostrożny, ponieważ to naprawdę graniczy z filozofią, ale myślę, że celowe myślenie wymaga wysoko rozwiniętego mózgu i autonoetycznej, a przynajmniej noetycznej świadomości. Rośliny wykazują elementy świadomości anoetycznej, która w moim rozumieniu nie obejmuje zdolności myślenia. Tak jak roślina nie może cierpieć subiektywnego bólu przy braku mózgu, tak też nie sądzę, że myśli.
7. Czy widzisz jakąś analogię między tym, co robią rośliny, a tym, co robi ludzki mózg? Czy może istnieć neuronauka roślin, bez neuronów?
po pierwsze, i ryzykując obrażenie najbliższych przyjaciół, myślę, że termin neurobiologia roślin jest równie śmieszny, jak powiedzmy, ludzka Biologia kwiatowa. Rośliny nie mają neuronu, tak jak ludzie nie mają kwiatów!
ale nie potrzebujesz neuronów, aby mieć komunikację między komórkami i przechowywanie i przetwarzanie informacji. Nawet u zwierząt nie wszystkie informacje są przetwarzane lub przechowywane tylko w mózgu. Mózg dominuje w przetwarzaniu wyższego rzędu u bardziej złożonych zwierząt, ale nie u prostych. Różne części rośliny komunikują się ze sobą, wymieniając informacje o stanach komórkowych, fizjologicznych i środowiskowych. Na przykład wzrost korzeni zależy od sygnału hormonalnego generowanego na końcach pędów i transportowanego do rosnących korzeni, podczas gdy rozwój pędów jest częściowo zależny od sygnału generowanego w korzeniach. Liście wysyłają sygnały na czubek pędów, nakazując im robienie kwiatów. W ten sposób, jeśli naprawdę chcesz wykonać duże machanie ręką, cała roślina jest analogiczna do mózgu.
ale podczas gdy rośliny nie mają neuronów, rośliny produkują i są dotknięte neuroaktywnymi chemikaliami! Na przykład receptor glutaminianu jest neuroreceptorem w ludzkim mózgu niezbędnym do tworzenia pamięci i uczenia się. Podczas gdy rośliny nie mają neuronów, mają receptory glutaminianowe i fascynujące jest to, że te same leki, które hamują ludzki receptor glutaminianowy, również wpływają na rośliny. Badając te białka w roślinach, naukowcy dowiedzieli się, w jaki sposób receptory glutaminianowe pośredniczą w komunikacji z komórki do komórki. Więc może pytanie powinno być postawione neurobiologowi, czy może być botanika ludzi, bez kwiatów!
Darwin, jeden z wielkich badaczy roślin, zaproponował to, co stało się znane jako hipoteza „korzeń-mózg”. Darwin zaproponował, że czubek korzenia, część, którą nazywamy merystem, działa jak mózg u niższych zwierząt, odbierając bodźce zmysłowe i kierując ruchem. Kilka współczesnych grup badawczych śledzi tę linię badań.
jesteś naukowcem specjalizującym się w neurologii, kognitywistyce lub psychologii? Czytałeś ostatnio recenzowaną pracę, o której chciałbyś napisać? Proszę wysłać sugestie do Redakcji Mind Matters Garetha Cooka, dziennikarza nagrodzonego Pulitzerem w Boston Globe. Można do niego dotrzeć w garethideas w gmail.com lub Twitter @ garethideas .