Bitkiler neden sinir uyarılarına ihtiyaç duyar?

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Asırlık meşeler, yemyeşil çimenler, taze sebzeler - bir şekilde bitkileri canlı olarak görmeye alışık değiliz ve boşuna. Deneyler, bitkilerin bir tür karmaşık sinir sistemi analoğuna sahip olduklarını ve tıpkı hayvanlar gibi karar verebildiklerini, anılarını saklayabildiklerini, iletişim kurabildiklerini ve hatta birbirlerine hediyeler verebildiklerini gösteriyor.

Oakwood Üniversitesi Profesörü Alexander Volkov, bitkilerin elektrofizyolojisini daha ayrıntılı olarak anlamaya yardımcı oldu.

Gazeteci: Yazılarınızla karşılaşana kadar birinin bitki elektrofizyolojisi yaptığını asla düşünmezdim

Alexander Volkov:Yalnız değilsin. Genel halk, bitkileri canlı olduklarının farkına bile varmadan gıda veya peyzaj öğeleri olarak görmeye alışkındır. Bir keresinde Helsinki'de bitkilerin elektrofizyolojisi hakkında bir rapor hazırlarken meslektaşlarım çok şaşırdılar: “Eskiden ciddi bir konu ile uğraşıyordum - karışmayan sıvılar, ama şimdi bir çeşit meyve ve sebze ile uğraşıyordum”. Ancak durum her zaman böyle değildi: Bitkilerin elektrofizyolojisi üzerine ilk kitaplar 18. yüzyılda yayınlandı ve daha sonra hayvanlar ve bitkiler üzerinde yapılan çalışmalar neredeyse paralel yollardan ilerledi. Örneğin Darwin, kökün bir tür beyin, tüm bitkiden gelen sinyalleri işleyen kimyasal bir bilgisayar olduğuna ikna olmuştu (örneğin bkz. "Bitkilerde Hareket"). Ve sonra Birinci Dünya Savaşı geldi ve tüm kaynaklar hayvanların elektrofizyolojisi çalışmasına atıldı, çünkü insanların yeni ilaçlara ihtiyacı vardı.

W: Mantıklı görünüyor: laboratuvar fareleri hala insanlara menekşelerden çok daha yakın

AV:Gerçekte, bitkiler ve hayvanlar arasındaki farklar o kadar da büyük değildir ve elektrofizyolojide genellikle minimum düzeydedir. Bitkiler, nöron - floem iletken dokusunun neredeyse tam bir analoguna sahiptir. Nöronlarla aynı bileşime, boyuta ve işleve sahiptir. Tek fark, hayvanlarda aksiyon potansiyellerini iletmek için nöronlarda sodyum ve potasyum iyon kanalları kullanılırken, bitki floeminde klorür ve potasyum iyon kanalları kullanılır. Nörofizyolojideki bütün fark bu. Almanlar yakın zamanda bitkilerde kimyasal sinapslar buldular, biz elektriktik ve genel olarak bitkiler hayvanlarla aynı nörotransmitterlere sahipler. Bana öyle geliyor ki bu mantıklı bile: eğer dünyayı yaratıyor olsaydım ve tembel bir insanım, her şeyin uyumlu olması için her şeyi aynı yapardım.

Bitkiler neden sinir uyarılarına ihtiyaç duyar?

Bunu düşünmüyoruz, ancak bitkiler yaşam süreçlerinde, insanlardan veya diğer hayvanlardan daha fazla dış ortamdan gelen sinyal türlerini daha da fazla alıyorlar. Işığa, ısıya, yerçekimine, toprağın tuz bileşimine, manyetik alana, çeşitli patojenlere tepki verirler ve alınan bilgilerin etkisi altında davranışlarını esnek bir şekilde değiştirirler. Örneğin, Floransa Üniversitesi'nden Stefano Mancuso'nun laboratuvarında, iki tırmanan fasulye filizi ile deneyler yapıldı. Bilim adamları bitkiler arasında ortak bir destek kurdular ve sürgünler ona doğru yarışmaya başladı. Ancak ilk bitki desteğe tırmanır tırmanmaz, ikincisi hemen kendini yenilmiş olarak gördü ve bu yönde büyümeyi bıraktı. Kaynaklar için mücadelenin anlamsız olduğunu ve mutluluğu başka yerde aramanın daha iyi olduğunu anladı.

W: Bitkiler hareket etmez, yavaş büyür ve genellikle telaşsız yaşar. Görünüşe göre sinir uyarıları da çok daha yavaş yayılıyor

Alexander Volkov: Bu, bilimde uzun süredir var olan bir yanılsamadır. XIX yüzyılın 70'lerinde İngilizler, Sinek kapanı Venüs'ün aksiyon potansiyelinin saniyede 20 santimetre hızla yayıldığını ölçtüler, ancak bu bir hataydı. Biyologlardı ve elektriksel ölçüm tekniğini hiç bilmiyorlardı: İngilizler deneylerinde sinir uyarılarını yaydıklarından daha yavaş kaydeden yavaş voltmetreler kullandılar ki bu tamamen kabul edilemez. Artık, sinir uyarılarının, sinyal uyarımının yerine ve doğasına bağlı olarak bitkilerde çok farklı hızlarda geçebileceğini biliyoruz. Bitkilerde aksiyon potansiyellerinin maksimum yayılma hızı, hayvanlardaki aynı göstergelerle karşılaştırılabilir ve aksiyon potansiyelinin geçişinden sonraki gevşeme süresi milisaniyeden birkaç saniyeye kadar değişebilir.

W: Bitkiler bu sinir uyarılarını ne için kullanır?

AV: Bir ders kitabı örneği, daha önce bahsettiğim Venüs sinek kapanıdır. Bu bitkiler, havanın nüfuz etmesi zor olan çok nemli toprağa sahip bölgelerde yaşar ve buna bağlı olarak bu toprakta çok az azot bulunur. Sinekkapancılar bu temel maddenin eksikliğini, elektrikli bir tuzakla yakaladıkları böcekleri ve küçük kurbağaları yiyerek alırlar - her biri içinde üç adet piezomekanik sensör bulunan iki yaprak. Bir böcek yaprakların herhangi birinin üzerine oturduğunda ve bu reseptörlere patisiyle dokunduğunda, onlarda bir aksiyon potansiyeli oluşur. Bir böcek 30 saniye içinde mekanik sensöre iki kez dokunursa, tuzak bir saniyede çarparak kapanır. Bu sistemin çalışmasını kontrol ettik - Venüs sinek kapanının tuzağına yapay bir elektrik sinyali uyguladık ve her şey aynı şekilde çalıştı - tuzak kapatıldı. Sonra bu deneyleri mimoza ve diğer bitkilerle tekrarladık ve böylece bitkileri açmaya, kapamaya, hareket etmeye, eğilmeye zorlamanın mümkün olduğunu gösterdik - genel olarak, elektrik sinyallerini kullanarak ne istersen onu yap. Bu durumda, farklı nitelikteki dış uyarmalar, bitkilerde genlik, hız ve süre bakımından farklılık gösterebilen aksiyon potansiyelleri üretir.

W: Bitkiler başka neye tepki verebilir?

AV: Kır evinizdeki çimleri keserseniz, aksiyon potansiyelleri hemen bitkilerin köklerine gidecektir. Bazı genlerin ekspresyonu üzerlerinde başlayacak ve kesiklerde hidrojen peroksit sentezi aktive edilerek bitkileri enfeksiyondan koruyor. Aynı şekilde, ışığın yönünü değiştirirseniz, ilk 100 saniye boyunca bitki, bir kuştan veya bir hayvandan gölge seçeneğini kesmek için ona hiçbir şekilde tepki vermez ve sonra elektrik sinyalleri yine gidecek, buna göre tesis, ışık akısını en üst düzeye çıkaracak şekilde saniyeler içinde dönecek. Hepsi aynı olacak ve kaynar su damlatmaya başladığınızda ve yanan bir çakmak getirdiğinizde ve bitkiyi buza koyduğunuzda - bitkiler değişen çevreye tepkilerini kontrol eden elektrik sinyallerinin yardımıyla herhangi bir uyarana tepki verirler. koşullar.

Bitki hafızası

Bitkiler sadece dış çevreye nasıl tepki vereceklerini bilmekle ve görünüşe göre eylemlerini hesaplamakla kalmaz, aynı zamanda kendi aralarında bazı sosyal ilişkiler kurarlar. Örneğin, Alman ormancı Peter Volleben'in gözlemleri, ağaçların bir tür dostluğa sahip olduğunu göstermektedir: ortak ağaçlar köklerle iç içedir ve taçlarının birbirlerinin büyümesine müdahale etmediğini dikkatle izlerken, rastgele ağaçların herhangi bir özel hisleri yoktur. komşularına her zaman kendilerine daha fazla yaşam alanı kapmaya çalışırlar. Aynı zamanda, farklı türdeki ağaçlar arasında da dostluk ortaya çıkabilir. Böylece, aynı Mancuso'nun deneylerinde, bilim adamları, Douglas'ın ölümünden kısa bir süre önce, bir miras bıraktığını gözlemlediler: ondan çok uzak olmayan bir sarı çam ağacı, kök sisteminden büyük miktarda organik madde gönderdi.

W: Bitkilerin hafızası var mı?

Alexander Volkov: Bitkiler, hayvanlarla aynı türden hafızaya sahiptir. Örneğin, sinekkapan Venüs'ün hafızaya sahip olduğunu göstermiştik: Tuzağın çalışması için ona 10 mikroçift elektrik gönderilmesi gerekiyor, ancak bunun bir seansta yapılması gerekmediği ortaya çıktı. Önce iki mikrokulomb, ardından beş tane daha servis edebilirsiniz ve bu böyle devam eder. Toplam 10 olduğunda, bitkiye bir böcek girmiş gibi görünecek ve kapanacaktır. Tek şey, seanslar arasında 40 saniyeden fazla ara veremezsiniz, aksi takdirde sayaç sıfırlanır - böyle kısa süreli bir hafıza alırsınız. Ve bitkilerin uzun süreli hafızasını görmek daha da kolay: örneğin, 30 Nisan'da bir bahar donu bizi vurdu ve kelimenin tam anlamıyla bir gecede tüm çiçekler incir ağacında dondu ve ertesi yıl 1 Mayıs'a kadar çiçek açmadı, çünkü ne olduğunu hatırladı. sona erdi. Son 50 yılda bitki fizyologları tarafından birçok benzer gözlem yapılmıştır.

W: Bitki hafızası nerede depolanır?

AV: Bir zamanlar Kanarya Adaları'ndaki bir konferansta tanıştım, bir zamanlar memristörlerin varlığını tahmin eden Leon Chua - geçen akımın hafızasıyla dirençler. Bir sohbete girdik: Chua, iyon kanalları ve bitkilerin elektrofizyolojisi hakkında neredeyse hiçbir şey bilmiyordu, ben - memristörler hakkında. Sonuç olarak, benden memristörleri in vivo aramaya çalışmamı istedi, çünkü onun hesaplamalarına göre hafıza ile ilişkilendirilmeleri gerekiyordu, ancak şimdiye kadar kimse onları canlılarda bulamadı. Hepsini yaptık: aloe vera, mimoza ve aynı sinek kapanının voltaja bağlı potasyum kanallarının doğası gereği memristörler olduğunu gösterdik ve sonraki çalışmalarda elma, patates, kabak çekirdeği ve farklı türlerde memristif özellikler bulundu. Çiçekler. Bitkilerin hafızasının tam olarak bu memristörlere bağlı olması oldukça olasıdır, ancak henüz kesin olarak bilinmemektedir.

W: Bitkiler nasıl karar vereceklerini bilirler, hafızaları vardır. Bir sonraki adım sosyal etkileşimlerdir. Bitkiler birbirleriyle iletişim kurabilir mi?

AV: Avatar'da ağaçların yeraltında birbirleriyle iletişim kurduğu bir bölüm var biliyorsunuz. Bu, sanıldığı gibi bir fantezi değil, yerleşik bir gerçektir. SSCB'de yaşadığımda sık sık mantar toplamaya giderdik ve herkes mantarın miselyuma zarar vermemek için dikkatlice bir bıçakla kesilmesi gerektiğini biliyordu. Şimdi miselyumun ağaçların hem birbirleriyle hem de mantarlarla iletişim kurabileceği bir elektrik kablosu olduğu ortaya çıktı. Dahası, ağaçların miselyum boyunca yalnızca elektrik sinyallerini değil, aynı zamanda kimyasal bileşikleri ve hatta tehlikeli virüsleri ve bakterileri de değiştirdiğine dair birçok kanıt var.

W: Bitkilerin insan konuşmasını anladığı ve bu nedenle daha iyi büyümeleri için onlarla nazik ve sakin bir şekilde konuşmanız gerektiği efsanesi hakkında ne söyleyebilirsiniz?

AV: Bu sadece bir efsane, başka bir şey değil.

W: "Acı", "düşünceler", "bilinç" terimlerini bitkilere uygulayabilir miyiz?

AV: Bu konuda hiçbir şey bilmiyorum. Bunlar zaten felsefenin sorularıdır. Geçen yaz St. Petersburg'da bitkilerdeki sinyaller üzerine bir sempozyum vardı ve farklı ülkelerden birçok filozof aynı anda oraya geldi, bu yüzden bu konu şimdi ele alınmaya başlandı. Ama deneysel olarak test edebileceğim veya hesaplayabileceğim şeyler hakkında konuşmaya alışığım.

Sensörler olarak bitkiler

Bitkiler, dallanmış ağları kullanarak eylemlerini koordine edebilir. Böylece Afrika savanasında yetişen akasya, zürafalar onu yemeye başladığında yapraklarına zehirli bir madde salmakla kalmaz, aynı zamanda çevredeki bitkilere tehlike sinyali gönderen uçucu bir "alarm gazı" da yayar. Sonuç olarak, zürafalar yiyecek ararken en yakın ağaçlara değil, onlardan ortalama 350 metre uzaklaşmak zorundadır. Bugün bilim adamları, çevresel izleme ve diğer görevler için doğası gereği hata ayıklanmış bu tür canlı sensör ağlarını kullanmayı hayal ediyor.

W: Bitki elektrofizyolojisi araştırmanızı uygulamaya koymayı denediniz mi?

Alexander Volkov: Bitkileri kullanarak depremleri tahmin etmek ve kaydetmek için patentlerim var. Depremlerin arifesinde (dünyanın farklı yerlerinde, zaman aralığı iki ila yedi gün arasında değişir), yer kabuğunun hareketi karakteristik elektromanyetik alanlara neden olur. Bir zamanlar, Japonlar onları dev antenlerin yardımıyla düzeltmeyi önerdi - iki kilometre yüksekliğindeki demir parçaları, ancak hiç kimse bu tür antenler kuramadı ve bu gerekli değil. Bitkiler elektromanyetik alanlara o kadar duyarlıdır ki depremleri herhangi bir antenden daha iyi tahmin edebilirler. Örneğin, bu amaçlar için aloe vera kullandık - yapraklarına gümüş klorür elektrotları bağladık, elektriksel aktiviteyi kaydettik ve verileri işledik.

W: Kulağa kesinlikle harika geliyor. Bu sistem neden hala pratikte uygulanmıyor?

AV: Burada beklenmedik bir sorun vardı. Bakın: Diyelim ki San Francisco belediye başkanısınız ve iki gün sonra deprem olacağını öğrenelim. Ne yapacaksın? İnsanlara bundan bahsederseniz, panik ve ezilme sonucunda depremden daha fazla insan ölebilir veya yaralanabilir. Bu tür kısıtlamalar nedeniyle, çalışmamızın sonuçlarını açık basında alenen tartışamıyorum bile. Her halükarda, er ya da geç sensör tesislerinde çalışan çeşitli izleme sistemlerine sahip olacağımızı düşünüyorum. Örneğin, bir çalışmamızda, elektrofizyolojik sinyallerin analizini kullanarak, tarımsal bitkilerin çeşitli hastalıklarının anında teşhisi için bir sistem oluşturmanın mümkün olduğunu gösterdik.

Konuyla ilgili daha fazla bilgi:

bitki zihni

Bitkilerin dili