Bakit kailangan ng mga halaman ang nerve impulses

2024 May -akda: Seth Attwood | [email protected]. Huling binago: 2023-12-16 16:18

Mga siglong gulang na oak, malago na damo, sariwang gulay - kahit papaano hindi tayo sanay na isaalang-alang ang mga halaman bilang mga nabubuhay na nilalang, at walang kabuluhan. Ipinakikita ng mga eksperimento na ang mga halaman ay may isang uri ng kumplikadong analogue ng sistema ng nerbiyos at, tulad ng mga hayop, ay nakakagawa ng mga desisyon, nag-iimbak ng mga alaala, nakikipag-usap, at kahit na nagbibigay ng mga regalo sa isa't isa.

Ang Propesor ng Oakwood University na si Alexander Volkov ay tumulong na maunawaan nang mas detalyado ang electrophysiology ng mga halaman.

Journalist: Hindi ko akalain na may gumagawa ng plant electrophysiology hanggang sa makita ko ang iyong mga artikulo

Alexander Volkov:Hindi ka nag-iisa. Ang pangkalahatang publiko ay ginagamit upang makita ang mga halaman bilang mga elemento ng pagkain o landscape nang hindi man lang napagtatanto na sila ay buhay. Minsan ay gumagawa ako ng isang ulat sa Helsinki tungkol sa electrophysiology ng mga halaman, at pagkatapos ay ang aking mga kasamahan ay nagulat: "Dati akong nakikitungo sa isang seryosong paksa - hindi maihahambing na mga likido, ngunit ngayon ay nakikipag-ugnayan ako sa ilang uri ng prutas at gulay". Ngunit hindi ito palaging nangyayari: ang mga unang libro sa electrophysiology ng mga halaman ay nai-publish noong ika-18 siglo, at pagkatapos ay ang pag-aaral ng mga hayop at halaman ay nagpatuloy sa halos magkatulad na paraan. Halimbawa, kumbinsido si Darwin na ang ugat ay isang uri ng utak, isang kemikal na computer na nagpoproseso ng mga signal mula sa buong halaman (tingnan, halimbawa, "Movement in Plants"). At pagkatapos ay dumating ang Unang Digmaang Pandaigdig at ang lahat ng mga mapagkukunan ay itinapon sa pag-aaral ng electrophysiology ng mga hayop, dahil ang mga tao ay nangangailangan ng mga bagong gamot.

W: Mukhang lohikal: ang mga daga ng laboratoryo ay mas malapit pa rin sa mga tao kaysa sa mga violet

A. V:Sa katotohanan, ang mga pagkakaiba sa pagitan ng mga halaman at hayop ay hindi gaanong kalaki, at sa electrophysiology sa pangkalahatan ay minimal ang mga ito. Ang mga halaman ay may halos kumpletong analogue ng isang neuron - phloem conductive tissue. Ito ay may parehong komposisyon, laki at pag-andar bilang mga neuron. Ang pagkakaiba lamang ay sa mga hayop, ang mga channel ng sodium at potassium ion ay ginagamit sa mga neuron upang magpadala ng mga potensyal na pagkilos, habang sa mga phloem ng halaman, ang mga channel ng chloride at potassium ion ay ginagamit. Iyan ang buong pagkakaiba sa neurophysiology. Kamakailan ay natagpuan ng mga Germans ang mga chemical synapses sa mga halaman, tayo ay mga electrical, at sa pangkalahatan, ang mga halaman ay may parehong neurotransmitters tulad ng mga hayop. Para sa akin, ito ay lohikal pa: kung ako ay lumilikha ng mundo, at ako ay isang tamad na tao, gagawin ko ang lahat ng pareho upang ang lahat ay magkatugma.

Bakit kailangan ng mga halaman ang nerve impulses?

Hindi namin iniisip ang tungkol dito, ngunit ang mga halaman sa kanilang buhay ay nagpoproseso ng higit pang mga uri ng signal mula sa panlabas na kapaligiran kaysa sa mga tao o anumang iba pang mga hayop. Tumutugon sila sa liwanag, init, gravity, komposisyon ng asin ng lupa, magnetic field, iba't ibang mga pathogen at nababaluktot na baguhin ang kanilang pag-uugali sa ilalim ng impluwensya ng impormasyong natanggap. Halimbawa, sa laboratoryo ni Stefano Mancuso ng Unibersidad ng Florence, isinagawa ang mga eksperimento sa dalawang climbing bean shoots. Ang mga siyentipiko ay nagtatag ng isang karaniwang suporta sa pagitan ng mga halaman, at ang mga shoots ay nagsimulang makipagkarera dito. Ngunit sa sandaling ang unang halaman ay umakyat sa suporta, ang pangalawa ay tila nakilala ang sarili bilang natalo at tumigil sa paglaki sa direksyong ito. Naunawaan nito na ang pakikibaka para sa mga mapagkukunan ay walang kabuluhan at mas mahusay na maghanap ng kaligayahan sa ibang lugar.

W: Ang mga halaman ay hindi gumagalaw, mabagal na lumalaki at karaniwang nabubuhay nang hindi nagmamadali. Tila ang kanilang mga nerve impulses ay dapat ding lumaganap nang mas mabagal

Alexander Volkov: Ito ay isang maling akala na matagal nang umiral sa agham. Noong 70s ng XIX na siglo, sinukat ng British na ang potensyal ng pagkilos ng Venus flytrap ay kumakalat sa bilis na 20 sentimetro bawat segundo, ngunit ito ay isang pagkakamali. Sila ay mga biologist at hindi alam ang pamamaraan ng mga pagsukat ng elektrikal: sa kanilang mga eksperimento, ang mga British ay gumamit ng mga mabagal na voltmeter, na nagtala ng mga impulses ng nerve kahit na mas mabagal kaysa sa kanilang pinalaganap, na ganap na hindi katanggap-tanggap. Ngayon alam na natin na ang mga nerve impulses ay maaaring tumakbo sa mga halaman sa iba't ibang bilis, depende sa lugar ng signal excitation at sa kalikasan nito. Ang maximum na bilis ng pagpapalaganap ng mga potensyal na pagkilos sa mga halaman ay maihahambing sa parehong mga tagapagpahiwatig sa mga hayop, at ang oras ng pagpapahinga pagkatapos ng pagpasa ng potensyal na pagkilos ay maaaring mag-iba mula sa millisecond hanggang ilang segundo.

W: Para saan ginagamit ng mga halaman ang mga nerve impulses na ito?

A. V: Ang isang halimbawa ng aklat-aralin ay ang Venus flytrap, na nabanggit ko na. Ang mga halaman na ito ay naninirahan sa mga lugar na may napakabasa-basa na lupa, na mahirap para sa hangin na tumagos, at, nang naaayon, mayroong maliit na nitrogen sa lupang ito. Nakukuha ng mga flycatcher ang kakulangan ng mahalagang sangkap na ito sa pamamagitan ng pagkain ng mga insekto at maliliit na palaka, na hinuhuli nila gamit ang isang electric trap - dalawang petals, na bawat isa ay may tatlong piezomechanical sensor na nakapaloob dito. Kapag ang isang insekto ay umupo sa alinman sa mga petals at hinawakan ang mga receptor na ito gamit ang kanyang paa, isang potensyal na aksyon ang nabuo sa kanila. Kung ang isang insekto ay humipo sa mechanosensor ng dalawang beses sa loob ng 30 segundo, pagkatapos ay ang bitag ay sasarado sa loob ng ilang segundo. Sinuri namin ang pagpapatakbo ng sistemang ito - inilapat namin ang isang artipisyal na signal ng kuryente sa bitag ng Venus flytrap, at lahat ay nagtrabaho sa parehong paraan - ang bitag ay sarado. Pagkatapos ay inulit namin ang mga eksperimento na ito sa mimosa at iba pang mga halaman at kaya ipinakita namin na posible na pilitin ang mga halaman na buksan, isara, ilipat, yumuko - sa pangkalahatan, gawin ang anumang gusto mo, gamit ang mga de-koryenteng signal. Sa kasong ito, ang mga panlabas na paggulo ng ibang kalikasan ay bumubuo ng mga potensyal na pagkilos sa mga halaman, na maaaring mag-iba sa amplitude, bilis at tagal.

W: Ano pa ang maaaring maging reaksyon ng mga halaman?

A. V: Kung pinutol mo ang damo sa bahay ng iyong bansa, ang mga potensyal na aksyon ay agad na mapupunta sa mga ugat ng mga halaman. Ang pagpapahayag ng ilang mga gene ay magsisimula sa kanila, at ang synthesis ng hydrogen peroxide ay isinaaktibo sa mga hiwa, na nagpoprotekta sa mga halaman mula sa impeksyon. Sa parehong paraan, kung babaguhin mo ang direksyon ng ilaw, pagkatapos ay sa unang 100 segundo ang halaman ay hindi tutugon dito sa anumang paraan, upang maputol ang pagpipilian ng isang anino mula sa isang ibon o isang hayop, at pagkatapos ang mga de-koryenteng signal ay muling pupunta, ayon sa kung saan ang planta ay liliko sa ilang segundo sa paraang ma-maximize ang pagkuha ng maliwanag na pagkilos ng bagay. Ang lahat ng parehong ay mangyayari, at kapag nagsimula kang tumulo ng kumukulong tubig, at kapag naglabas ka ng isang nasusunog na lighter, at kapag inilagay mo ang halaman sa yelo - ang mga halaman ay tumutugon sa anumang stimuli sa tulong ng mga de-koryenteng signal na kumokontrol sa kanilang mga tugon sa nabagong kapaligiran. kundisyon.

Memorya ng halaman

Ang mga halaman ay hindi lamang alam kung paano tumugon sa panlabas na kapaligiran at, tila, kalkulahin ang kanilang mga aksyon, ngunit din itali ang ilang mga panlipunang relasyon sa kanilang sarili. Halimbawa, ang mga obserbasyon ng German forester na si Peter Volleben ay nagpapakita na ang mga puno ay may isang uri ng pagkakaibigan: ang mga puno ng kasosyo ay magkakaugnay sa mga ugat at maingat na sinusubaybayan na ang kanilang mga korona ay hindi makagambala sa paglago ng bawat isa, habang ang mga random na puno ay walang anumang espesyal na damdamin para sa. sa kanilang mga kapitbahay, palagi nilang sinisikap na kunin para sa kanilang sarili ang mas maraming lugar na tirahan. Kasabay nito, ang pagkakaibigan ay maaari ding lumitaw sa pagitan ng mga puno ng iba't ibang uri. Kaya, sa mga eksperimento ng parehong Mancuso, napagmasdan ng mga siyentipiko kung paano, sa ilang sandali bago ang pagkamatay ni Douglas, tila nag-iiwan ito ng isang pamana: isang dilaw na puno ng pino na hindi kalayuan dito ay nagpadala ng isang malaking halaga ng organikong bagay sa pamamagitan ng root system.

W: May memorya ba ang mga halaman?

Alexander Volkov: Ang mga halaman ay may parehong mga uri ng memorya tulad ng mga hayop. Halimbawa, ipinakita namin na ang Venus flytrap ay nagtataglay ng memorya: para gumana ang bitag, 10 microcouples ng kuryente ang dapat ipadala dito, ngunit lumalabas na hindi ito kailangang gawin sa isang session. Maaari ka munang maghatid ng dalawang microcoulomb, pagkatapos ay isa pang lima, at iba pa. Kapag ang kabuuan ay 10, tila sa halaman ay may napasok na insekto, at ito ay sasarado. Ang tanging bagay ay hindi ka maaaring magpahinga ng higit sa 40 segundo sa pagitan ng mga session, kung hindi man ay magre-reset ang counter sa zero - makakakuha ka ng ganoong panandaliang memorya. At ang pangmatagalang memorya ng mga halaman ay mas madaling makita: halimbawa, isang spring frost ang tumama sa amin noong Abril 30, at literal na magdamag ang lahat ng mga bulaklak ay nagyelo sa puno ng igos, at sa susunod na taon ay hindi ito namumulaklak hanggang Mayo 1, dahil naalala nito kung ano iyon.natapos. Maraming katulad na obserbasyon ang ginawa ng mga physiologist ng halaman sa nakalipas na 50 taon.

W: Saan nakaimbak ang memorya ng halaman?

A. V: Minsan nakilala ko sa isang kumperensya sa Canary Islands si Leon Chua, na minsan ay hinulaan ang pagkakaroon ng memristors - mga pagtutol na may memorya ng lumipas na kasalukuyang. Napunta kami sa isang pag-uusap: Si Chua ay halos walang alam tungkol sa mga channel ng ion at electrophysiology ng mga halaman, ako - tungkol sa mga memristor. Bilang isang resulta, hiniling niya sa akin na subukang maghanap ng mga memristor sa vivo, dahil ayon sa kanyang mga kalkulasyon, dapat silang maiugnay sa memorya, ngunit sa ngayon ay walang nakahanap sa kanila sa mga nabubuhay na nilalang. Ginawa namin ang lahat: ipinakita namin na ang mga channel ng potassium na umaasa sa boltahe ng aloe vera, mimosa, at parehong Venus flytrap ay likas na memristor, at sa mga sumusunod na gawa, ang mga katangian ng memristive ay matatagpuan sa mga mansanas, patatas, buto ng kalabasa, at iba't ibang mga bulaklak. Posible na ang memorya ng mga halaman ay tiyak na nakatali sa mga memristor na ito, ngunit hindi pa ito sigurado.

W: Alam ng mga halaman kung paano gumawa ng mga desisyon, may memorya. Ang susunod na hakbang ay ang pakikipag-ugnayan sa lipunan. Maaari bang makipag-usap ang mga halaman sa isa't isa?

A. V: Alam mo, sa Avatar mayroong isang episode kung saan ang mga puno ay nakikipag-usap sa bawat isa sa ilalim ng lupa. Ito ay hindi isang pantasya, tulad ng maaaring isipin ng isa, ngunit isang itinatag na katotohanan. Noong nanirahan ako sa USSR, madalas kaming pumulot ng mga kabute at alam ng lahat na ang kabute ay dapat na maingat na gupitin ng isang kutsilyo upang hindi makapinsala sa mycelium. Ngayon ay lumalabas na ang mycelium ay isang de-koryenteng cable kung saan ang mga puno ay maaaring makipag-usap sa isa't isa at sa mga kabute. Bukod dito, maraming katibayan na ang mga puno ay nagpapalitan hindi lamang ng mga de-koryenteng signal sa kahabaan ng mycelium, kundi pati na rin ng mga kemikal na compound o kahit na mapanganib na mga virus at bakterya.

W: Ano ang masasabi mo sa mito na naiintindihan ng mga halaman ang pagsasalita ng tao, at samakatuwid kailangan mo silang kausapin nang mabait at mahinahon upang sila ay lumaki?

A. V: Ito ay isang gawa-gawa lamang, wala nang iba pa.

W: Maaari ba nating ilapat ang mga katagang "sakit", "kaisipan", "kamalayan" sa mga halaman?

A. V: Wala akong alam dito. Ito ay mga tanong na ng pilosopiya. Noong nakaraang tag-araw sa St. Petersburg mayroong isang simposyum sa mga senyales sa mga halaman, at maraming mga pilosopo mula sa iba't ibang mga bansa ang dumating doon nang sabay-sabay, kaya ang paksang ito ay nagsisimula na ngayong pag-usapan. Ngunit nakasanayan kong pag-usapan kung ano ang maaari kong subukan o kalkulahin sa eksperimento.

Mga halaman bilang sensor

Nagagawa ng mga halaman na i-coordinate ang kanilang mga aksyon gamit ang mga branched network. Kaya, ang akasya na tumutubo sa African savanna ay hindi lamang naglalabas ng nakakalason na substansiya sa mga dahon nito kapag sinimulan itong kainin ng mga giraffe, ngunit naglalabas din ng pabagu-bagong "alarm gas" na nagpapadala ng signal ng pagkabalisa sa mga nakapaligid na halaman. Bilang isang resulta, sa paghahanap ng pagkain, ang mga giraffe ay kailangang lumipat hindi sa pinakamalapit na mga puno, ngunit upang lumayo mula sa kanila sa average na 350 metro. Ngayon ang mga siyentipiko ay nangangarap na gumamit ng mga naturang network ng mga nabubuhay na sensor, na na-debug ng kalikasan, para sa pagsubaybay sa kapaligiran at iba pang mga gawain.

W: Nasubukan mo na bang isagawa ang iyong pananaliksik sa electrophysiology ng halaman?

Alexander Volkov: Mayroon akong mga patent para sa paghula at pagrehistro ng mga lindol gamit ang mga halaman. Sa bisperas ng mga lindol (sa iba't ibang bahagi ng mundo, ang pagitan ng oras ay nag-iiba mula dalawa hanggang pitong araw), ang paggalaw ng crust ng lupa ay nagdudulot ng mga katangian ng electromagnetic field. Sa isang pagkakataon, iminungkahi ng mga Hapon na ayusin ang mga ito sa tulong ng mga higanteng antenna - mga piraso ng bakal na dalawang kilometro ang taas, ngunit walang makakagawa ng gayong mga antenna, at hindi ito kinakailangan. Napakasensitibo ng mga halaman sa mga electromagnetic field na mas mahulaan nila ang mga lindol kaysa sa alinmang antenna. Halimbawa, gumamit kami ng aloe vera para sa mga layuning ito - ikinonekta namin ang mga electrodes ng silver chloride sa mga dahon nito, naitala ang aktibidad ng kuryente, at pinoproseso ang data.

W: Napakaganda ng tunog. Bakit hindi pa rin ipinatupad ang sistemang ito sa praktika?

A. V: Nagkaroon ng hindi inaasahang problema dito. Tingnan: sabihin nating ikaw ang alkalde ng San Francisco at alamin na magkakaroon ng lindol sa loob ng dalawang araw. Ano ang gagawin mo? Kung sasabihin mo sa mga tao ang tungkol dito, bilang resulta ng gulat at crush, mas maraming tao ang maaaring mamatay o masugatan kaysa sa isang lindol. Dahil sa gayong mga paghihigpit, hindi ko man lang matalakay sa publiko ang mga resulta ng aming trabaho sa bukas na pamamahayag. Sa anumang kaso, sa palagay ko ay magkakaroon tayo ng iba't ibang mga sistema ng pagsubaybay na tumatakbo sa mga planta ng sensor. Halimbawa, sa isa sa aming trabaho, ipinakita namin na gamit ang pagsusuri ng mga electrophysiological signal, posible na lumikha ng isang sistema para sa agarang pagsusuri ng iba't ibang mga sakit ng mga halamang pang-agrikultura.

Higit pa sa paksa:

Magtanim ng isip

Wika ng mga halaman