Вековые дубы, сочная травка, свежие овощи — мы как-то не привыкли считать растениями живыми существами, и совершенно зря. Эксперименты показывают, что растения обладают неким сложным аналогом нервной системы и точно так же, как и животные, способны принимать решения, хранить воспоминания, общаться и даже дарить друг другу подарки.
Подробнее разобраться в электрофизиологии растений помог профессор Оквудского университета Александр Волков.
Журналист: Я никогда не подумал бы, что кто-то занимается электрофизиологией растений, пока не наткнулся на ваши статьи.
Александр Волков: Вы не одиноки. Широкая публика привыкла воспринимать растения как еду или элементы ландшафта, даже не понимая, что они живые. Когда-то я делал в Хельсинки доклад по электрофизиологии растений, и тогда коллеги очень удивились: «Раньше занимался серьезной темой — несмешиваемыми жидкостями, а теперь какими-то фруктами, овощами». Но так было не всегда: первые книги по электрофизиологии растений были опубликованы еще в XVIII веке, и тогда изучение животных и растений шло почти параллельными путями. К примеру, Дарвин был уверен, что корень — это своеобразный мозг, химический компьютер, обрабатывающий сигналы со всего растения (см., например, «Способность к движению у растений»). А потом наступила Первая мировая война и все ресурсы были брошены на изучение электрофизиологии животных, потому что людям нужны были новые лекарства.
Ж: Это выглядит логичным: лабораторные мыши все-таки гораздо ближе к людям, чем фиалки.
А.В: В действительности различия между растениями и животными совсем не такие громадные, а в электрофизиологии они вообще минимальные. У растений есть почти полный аналог нейрона — проводящая ткань флоэма. У нее тот же самый состав, те же размеры и функции, что у нейронов. Единственное отличие, что у животных в нейронах для передачи потенциалов действия используются натриевый и калиевые ионные каналы, а в флоэме растений — хлоридный и калиевый. Вот и вся разница в нейрофизиологии. Немцы недавно нашли химические синапсы у растений, мы — электрические, и в целом у растений работают те же нейротрансмиттеры, что и у животных. Мне кажется, это даже логично: если бы я создавал мир, а я человек ленивый, я бы сделал все одинаковым, чтобы все было совместимо.
Дарвин считал корни растений своеобразным аналогом головного мозга. Фото: Ammak / Фотодом / Shutterstock
Зачем растениям нервные импульсы?
Мы не задумываемся об этом, но растения в своей жизни обрабатывают даже больше типов сигналов от внешней среды, чем люди или любые другие животные. Они реагируют на свет, тепло, гравитацию, солевой состав почвы, магнитное поле, различные патогены и гибко меняют свое поведение под действием полученной информации. К примеру, в лаборатории Стефано Манкузо (Stefano Mancuso) из Университета Флоренции проводили эксперименты с двумя вьющимися побегами фасоли. Ученые устанавливали между растениями общую опору, и побеги начинали наперегонки к ней тянуться. Но как только первое растение забиралось на опору, второе сразу будто признавало себя побежденным и переставало расти в этом направлении. Оно понимало, что борьба за ресурсы бессмысленна и лучше искать счастье где-нибудь в другом месте.
Ж: Растения не двигаются, медленно растут и вообще живут неторопливо. Кажется, что нервные импульсы у них должны распространяться тоже гораздо медленнее.
Александр Волков: Это заблуждение, которое долго бытовало в науке. В 70-х годах XIX века англичане померили, что потенциал действия у венериной мухоловки распространяется со скоростью 20 сантиметров в секунду, но это была ошибка. Они были биологами и совершенно не владели техникой электроизмерений: в своих экспериментах англичане использовали медленные вольтметры, которые регистрировали нервные импульсы даже медленнее, чем они распространялись, что совершенно недопустимо. Теперь мы знаем, что нервные импульсы могут бежать по растениям с самыми разными скоростями в зависимости от места возбуждения сигнала и от его природы. Максимальная скорость распространения потенциалов действия у растений сравнима с такими же показателями у животных, а время релаксации после прохождения потенциала действия может меняться от миллисекунд до нескольких секунд.
Ж: Для чего растения используют эти нервные импульсы?
А.В: Хрестоматийный пример — это венерина мухоловка, о которой я уже упомянул. Эти растения живут в районах с очень влажной почвой, в которую плохо проникает воздух, и, соответственно, в этой почве мало азота. Недостаток этого необходимого вещества мухоловки добирают, поедая насекомых и маленьких лягушек, которых они ловят с помощью электрической ловушки — двух лепестков, в каждый из которых встроено по три пьезомеханических сенсора. Когда насекомое садится на любой из лепестков и задевает своей лапкой эти рецепторы, в них генерируется потенциал действия. Если насекомое задевает механосенсор дважды в течение 30 секунд, то ловушка захлопывается за доли секунды. Мы проверяли работу этой системы — прикладывали к ловушке венериной мухоловки искусственный электрический сигнал, и все работало точно так же — ловушка закрывалась. Потом мы повторили эти эксперименты с мимозой и другими растениями и так показали, что можно за счет электрических сигналов заставлять растения открываться, закрываться, двигаться, нагибаться — в общем, делать все что угодно. При этом внешние возбуждения разной природы генерируют у растений потенциалы действия, которые могут различаться амплитудой, скоростью и продолжительностью.
Ж: На что еще могут реагировать растения?
А.В: Если вы подстрижете травку у себя на даче, то в корни растений сразу пойдут потенциалы действия. По ним запустится экспрессия некоторых генов, и на порезах активируется синтез перекиси водорода, защищающей растения от инфекции. Точно так же если вы измените направление света, то первые 100 секунд растение никак не будет на это реагировать, для того чтобы отсечь вариант тени от птицы или животного, а потом снова пойдут электрические сигналы, по которым растение за секунды повернется таким образом, чтобы максимально захватить световой поток. Все то же самое будет, и когда вы станете капать кипящей водой, и когда поднесете горящую зажигалку, и когда опустите растение в лед — на любые раздражители растения реагируют с помощью электрических сигналов, которые управляют их ответами на изменившиеся условия внешней среды.
Венерина мухоловка ловит свою добычу с помощью нервных импульсов, возбуждаемых механосенсорами. Фото: Mark Freeth / Flickr
Память растений
Растения не только умеют реагировать на внешнюю среду и, по-видимому, просчитывать свои действия, но еще и завязывают между собой некоторые социальные отношения. Например, наблюдения немецкого лесничего Петера Воллебена показывают, что у деревьев бывает нечто вроде дружбы: деревья-партнеры переплетаются корнями и внимательно следят за тем, чтобы их кроны не мешали друг другу расти, в то время как случайные деревья, не питающие никаких особых чувств к своим соседям, всегда стараются захватить себе побольше жизненного пространства. При этом дружба может возникать и между деревьями разных видов. Так, в опытах того же Манкузо ученые наблюдали, как незадолго до смерти дугласия будто оставляет наследство: желтой сосне неподалеку от нее дерево посылало по корневой системе большое количество органических веществ.
Ж: У растений есть память?
Александр Волков: У растений есть все те же виды памяти, что и у животных. Например, мы показали, что памятью обладает венерина мухоловка: чтобы ловушка сработала, на нее нужно отправить 10 микрокулонов электричества, но, оказывается, это не обязательно делать за один сеанс. Можно сначала подать два микрокулона, потом еще пять и так далее. Когда в сумме наберется 10, растению покажется, что в него попало насекомое, и оно захлопнется. Единственное, что между сеансами нельзя делать перерывы больше, чем в 40 секунд, иначе счетчик обнулится — получается такая краткосрочная память. А долгосрочную память растений увидеть еще проще: например, у нас одной весной на 30 апреля ударили заморозки, и буквально за одну ночь на инжирном дереве померзли все цветы, а в следующем году оно уже не расцветало до первого мая, потому что помнило, чем это закончилось. Похожих наблюдений физиологами растений было сделано немало за последние 50 лет.
Ж: Где хранится память растений?
А.В: Однажды я встретил на конференции на Канарских островах Леона Чуа, который в свое время предсказал существование мемристоров — сопротивлений с памятью о прошедшем токе. Мы разговорились: Чуа почти ничего не знал о ионных каналах и электрофизиологии растений, я — о мемристорах. В результате он попросил, чтобы я попробовал поискать мемристоры in vivo, потому что по его расчетам они должны быть сопряжены с памятью, но до сих пор в живых существах их никто не находил. У нас же все получилось: мы показали, что потенциал-зависимые калиевые каналы алоэ вера, мимозы и той же венериной мухоловки — это по природе своей мемристоры, а в следующих работах мемристивные свойства нашли в яблоках, картофеле, семенах тыквы, разных цветах. Вполне возможно, что память растений завязана именно на этих мемристорах, но точно пока это неизвестно.
Ж: Растения умеют принимать решения, обладают памятью. Следующий шаг — социальные взаимодействия. Могут ли растения общаться друг с другом?
А.В: Знаете, в «Аватаре» есть такой эпизод, где деревья общаются между собой под землей. Это не фантазия, как можно подумать, а установленный факт. Когда я жил в СССР, мы часто ходили за грибами и все знали, что гриб надо аккуратно срезать ножичком, чтобы не повредить грибницу. Теперь выясняется, что грибница — это электрический кабель, по которому деревья могут общаться как между собой, так и с грибами. Более того, есть множество свидетельств, что по грибнице деревья обмениваются не только электрическими сигналами, но еще и химическими соединениями или даже опасными вирусами и бактериями.
Ж: А что вы скажете по поводу мифа о том, что растения понимают человеческую речь, и поэтому с ними надо говорить ласково и спокойно, чтобы они лучше росли?
А.В: Это только миф, больше ничего.
А.В: Об этом я ничего не знаю. Это уже вопросы философии. Прошлым летом в Петербурге был симпозиум по сигналам в растениях, и туда приехало сразу несколько философов из разных стран, так что этой темой сейчас начинают заниматься. Но я привык говорить о том, что я могу экспериментально проверить или рассчитать.
В семенах тыквы ученые нашли аналоги мемристоров — резисторов, обладающих памятью. Фото: Shawn Campbell / Flickr
Растения как сенсоры
Растения умеют координировать свои действия с помощью разветвленных сетей. Так, акация, произрастающая в африканской саванне, не только выделяет в свои листья токсическое вещество, когда ее начинают есть жирафы, но еще и испускает летучий «тревожный газ», передающий сигнал бедствия окружающим растениям. В результате жирафам в поисках пищи приходится перемещаться не к ближайшим деревьям, а отходить от них в среднем на 350 метров. Сегодня ученые мечтают использовать подобные отлаженные природой сети живых сенсоров для экологического мониторинга и других задач.
Ж: Вы пробовали использовать ваши исследования по электрофизиологии растений на практике?
Александр Волков: У меня есть патенты по предсказанию и регистрации землетрясений с помощью растений. В преддверии землетрясений (в разных частях света временной интервал меняется от двух до семи суток) движение земной коры вызывает характерные электромагнитные поля. В свое время японцы предлагали их фиксировать с помощью гигантских антенн — железок высотой два километра, но никто такие антенны так и не смог построить, да это и не нужно. Растения настолько чувствительны к электромагнитным полям, что могут предсказывать землетрясения лучше любых антенн. Например, мы использовали для этих целей алоэ веру — подключали к ее листьями хлорсеребряные электроды, снимали электрическую активность, обрабатывали данные.
Ж: Звучит абсолютно фантастически. Почему эта система до сих пор не внедрена в практику?
А.В: Здесь возникла неожиданная проблема. Смотрите: допустим, вы мэр Сан-Франциско и узнаете, что через два дня будет землетрясение. Что вы будете делать? Если вы сообщите об этом людям, то в результате паники и давки может погибнуть или получить травмы даже больше людей, чем при землетрясении. Из-за таких ограничений я даже публично в открытой печати не могу обсуждать результаты наших работ. В любом случае, я думаю, рано или поздно у нас будут самые разные системы мониторинга, работающие на растениях-сенсорах. Например, мы в одной своей работе показали, что с помощью анализа электрофизиологических сигналов можно создать систему мгновенной диагностики различных заболеваний сельскохозяйственных растений.
Ученые предлагают предсказывать землетрясения по электрическим сигналам в листьях алоэ вера. Фото: rabiem22 / Flickr
Михаил Петров