Waarom hebben planten zenuwimpulsen nodig?

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Eeuwenoude eiken, weelderig gras, verse groenten - op de een of andere manier zijn we niet gewend planten als levende wezens te beschouwen, en tevergeefs. Experimenten tonen aan dat planten een soort complexe analogie van het zenuwstelsel hebben en net als dieren beslissingen kunnen nemen, herinneringen kunnen opslaan, communiceren en zelfs elkaar geschenken kunnen geven.

Professor van Oakwood University Alexander Volkov hielp de elektrofysiologie van planten beter te begrijpen.

Journalist: Ik had nooit gedacht dat iemand plantenelektrofysiologie deed totdat ik uw artikelen tegenkwam

Alexander Volkov:Je bent niet alleen. Het grote publiek is gewend om planten als voedsel of landschapselementen te zien zonder zelfs maar te beseffen dat ze leven. Ik deed ooit een rapport in Helsinki over de elektrofysiologie van planten, en toen waren mijn collega's zeer verrast: "Vroeger hield ik me bezig met een serieus onderwerp - niet mengbare vloeistoffen, maar nu had ik te maken met een soort fruit en groenten". Maar dit was niet altijd het geval: de eerste boeken over de elektrofysiologie van planten werden gepubliceerd in de 18e eeuw, en daarna verliep de studie van dieren en planten op bijna parallelle manieren. Darwin was er bijvoorbeeld van overtuigd dat de wortel een soort brein is, een chemische computer die signalen van de hele plant verwerkt (zie bijvoorbeeld "Beweging in Planten"). En toen kwam de Eerste Wereldoorlog en werden alle middelen gegooid in de studie van de elektrofysiologie van dieren, omdat mensen nieuwe medicijnen nodig hadden.

W: Het lijkt logisch: laboratoriummuizen staan nog steeds veel dichter bij de mens dan viooltjes

AV:In werkelijkheid zijn de verschillen tussen planten en dieren helemaal niet zo groot, en in de elektrofysiologie zijn ze over het algemeen minimaal. Planten hebben een bijna volledig analoog van een neuron - floëem geleidend weefsel. Het heeft dezelfde samenstelling, grootte en functie als neuronen. Het enige verschil is dat bij dieren natrium- en kaliumionkanalen worden gebruikt in neuronen om actiepotentialen door te geven, terwijl bij planten floëem, chloride- en kaliumionkanalen worden gebruikt. Dat is het hele verschil in neurofysiologie. De Duitsers hebben onlangs chemische synapsen gevonden in planten, we zijn elektrisch en over het algemeen hebben planten dezelfde neurotransmitters als dieren. Het lijkt mij dat dit zelfs logisch is: als ik de wereld zou creëren, en ik ben een lui persoon, zou ik alles hetzelfde maken, zodat alles compatibel is.

Waarom hebben planten zenuwimpulsen nodig?

We staan er niet bij stil, maar planten verwerken in hun leven nog meer soorten signalen uit de externe omgeving dan mensen of andere dieren. Ze reageren op licht, warmte, zwaartekracht, zoutsamenstelling van de bodem, magnetisch veld, verschillende ziekteverwekkers en veranderen flexibel hun gedrag onder invloed van de ontvangen informatie. In het laboratorium van Stefano Mancuso van de Universiteit van Florence werden bijvoorbeeld experimenten uitgevoerd met twee klimbonenscheuten. Wetenschappers zorgden voor een gemeenschappelijke steun tussen de planten en de scheuten begonnen ernaartoe te racen. Maar zodra de eerste plant op de steun klom, leek de tweede zichzelf onmiddellijk als verslagen te herkennen en stopte met groeien in deze richting. Het begreep dat de strijd om hulpbronnen zinloos is en dat het beter is om het geluk ergens anders te zoeken.

W: Planten bewegen niet, groeien langzaam en leven over het algemeen rustig. Het lijkt erop dat hun zenuwimpulsen zich ook veel langzamer zouden moeten voortplanten

Alexander Volkov: Dit is een waanidee die al lang bestaat in de wetenschap. In de jaren 70 van de 19e eeuw maten de Britten dat de actiepotentiaal van de Flytrap van Venus zich verspreidt met een snelheid van 20 centimeter per seconde, maar dit was een vergissing. Ze waren biologen en kenden de techniek van elektrische metingen helemaal niet: in hun experimenten gebruikten de Britten langzame voltmeters, die zenuwimpulsen nog langzamer registreerden dan ze zich voortplantten, wat volkomen onaanvaardbaar is. Nu weten we dat zenuwimpulsen met zeer verschillende snelheden door planten kunnen gaan, afhankelijk van de plaats van signaalopwekking en van de aard ervan. De maximale voortplantingssnelheid van actiepotentialen in planten is vergelijkbaar met dezelfde indicatoren bij dieren, en de relaxatietijd na het passeren van de actiepotentiaal kan variëren van milliseconden tot enkele seconden.

W: Waar gebruiken planten deze zenuwimpulsen voor?

AV: Een schoolvoorbeeld is de Flytrap van Venus, die ik al noemde. Deze planten leven in gebieden met een zeer vochtige grond, waar lucht moeilijk doorheen kan dringen, en dienovereenkomstig is er weinig stikstof in deze grond. Vliegenvangers krijgen het gebrek aan deze essentiële stof door insecten en kleine kikkers te eten, die ze vangen met een elektrische val - twee bloembladen, die elk drie piëzomechanische sensoren hebben ingebouwd. Wanneer een insect op een van de bloembladen gaat zitten en deze receptoren met zijn poot aanraakt, wordt er een actiepotentiaal in gegenereerd. Als een insect binnen 30 seconden twee keer de mechanosensor aanraakt, wordt de val in een fractie van een seconde dichtgeslagen. We hebben de werking van dit systeem gecontroleerd - we hebben een kunstmatig elektrisch signaal toegepast op de val van de Venus-vliegenval, en alles werkte op dezelfde manier - de val was gesloten. Daarna herhaalden we deze experimenten met mimosa en andere planten en zo lieten we zien dat het mogelijk is om planten te dwingen te openen, sluiten, bewegen, bukken - in het algemeen, doe wat je wilt, met behulp van elektrische signalen. In dit geval genereren externe excitaties van een andere aard actiepotentialen in planten, die kunnen verschillen in amplitude, snelheid en duur.

W: Waar kunnen planten nog meer op reageren?

AV: Als je het gras in je landhuis maait, gaan actiepotentialen direct naar de wortels van de planten. De expressie van sommige genen zal op hen beginnen en de synthese van waterstofperoxide wordt geactiveerd op de snijwonden, wat planten tegen infectie beschermt. Op dezelfde manier, als u de richting van het licht verandert, zal de plant de eerste 100 seconden er op geen enkele manier op reageren, om de optie van een schaduw van een vogel of een dier af te snijden, en dan elektrische signalen zullen weer gaan, volgens welke de plant in seconden zal draaien op een zodanige manier dat de lichtstroom maximaal wordt opgevangen. Hetzelfde zal gebeuren, en wanneer je kokend water begint te druppelen, en wanneer je een brandende aansteker tevoorschijn haalt, en wanneer je de plant in ijs legt, reageren planten op elke prikkel met behulp van elektrische signalen die hun reacties op veranderde omgevingsfactoren regelen. conditie.

Plant geheugen

Planten weten niet alleen hoe ze moeten reageren op de externe omgeving en berekenen blijkbaar hun acties, maar leggen ook sociale relaties met elkaar vast. Zo laten de observaties van de Duitse boswachter Peter Volleben zien dat bomen een soort vriendschap hebben: partnerbomen zijn verweven met wortels en letten zorgvuldig op dat hun kronen elkaars groei niet belemmeren, terwijl willekeurige bomen geen speciale gevoelens hebben voor voor hun buren proberen ze altijd meer woonruimte voor zichzelf te grijpen. Tegelijkertijd kan er ook vriendschap ontstaan tussen verschillende soorten bomen. Dus, in de experimenten van dezelfde Mancuso, observeerden wetenschappers hoe, kort voor de dood van Douglas, het lijkt alsof het een erfenis achterlaat: een gele dennenboom niet ver daarvandaan stuurde een grote hoeveelheid organisch materiaal door het wortelstelsel.

W: Hebben planten een geheugen?

Alexander Volkov: Planten hebben allemaal hetzelfde soort geheugen als dieren. Zo hebben we laten zien dat de Venus-vliegenvanger over geheugen beschikt: om de val te laten werken, moeten er 10 microkoppels elektriciteit naar toe worden gestuurd, maar dat blijkt niet in één sessie te hoeven. Je kunt eerst twee microcoulomb serveren, dan nog eens vijf, enzovoort. Wanneer het totaal 10 is, zal het voor de plant lijken alsof er een insect in is gekomen, en het zal dichtslaan. Het enige is dat je tussen de sessies geen pauzes van meer dan 40 seconden kunt nemen, anders wordt de teller op nul gezet - je krijgt zo'n kortetermijngeheugen. En het langetermijngeheugen van planten is nog gemakkelijker te zien: een lentevorst trof ons bijvoorbeeld op 30 april en letterlijk 's nachts bevroor alle bloemen aan de vijgenboom, en het volgende jaar bloeide het pas op 1 mei omdat het zich herinnerde wat het was. De afgelopen 50 jaar zijn door plantenfysiologen veel soortgelijke waarnemingen gedaan.

W: Waar wordt het fabrieksgeheugen opgeslagen?

AV: Een keer ontmoette ik op een conferentie op de Canarische Eilanden Leon Chua, die ooit het bestaan van memristors voorspelde - weerstanden met de herinnering aan de voorbijgaande stroom. We raakten in gesprek: Chua wist bijna niets over ionkanalen en elektrofysiologie van planten, ik - over memristors. Als gevolg daarvan vroeg hij me om te proberen om in vivo naar memristors te zoeken, omdat ze volgens zijn berekeningen geassocieerd zouden moeten worden met het geheugen, maar tot nu toe heeft niemand ze gevonden in levende wezens. We hebben het allemaal gedaan: we hebben aangetoond dat de spanningsafhankelijke kaliumkanalen van aloë vera, mimosa en dezelfde Flytrap van Venus van nature memristors zijn, en in de volgende werken werden memristieve eigenschappen gevonden in appels, aardappelen, pompoenpitten en verschillende bloemen. Het is heel goed mogelijk dat het geheugen van planten precies aan deze memristors is gekoppeld, maar het is nog niet zeker.

W: Planten weten hoe ze beslissingen moeten nemen, hebben een geheugen. De volgende stap is sociale interactie. Kunnen planten met elkaar communiceren?

AV: Weet je, in Avatar is er een aflevering waarin bomen ondergronds met elkaar communiceren. Dit is geen fantasie, zoals men zou denken, maar een vaststaand feit. Toen ik in de USSR woonde, gingen we vaak paddenstoelen plukken en iedereen wist dat de paddenstoel zorgvuldig met een mes moest worden gesneden om het mycelium niet te beschadigen. Nu blijkt dat het mycelium een elektrische kabel is waardoor bomen zowel met elkaar als met paddenstoelen kunnen communiceren. Bovendien is er voldoende bewijs dat bomen niet alleen elektrische signalen langs het mycelium uitwisselen, maar ook chemische verbindingen of zelfs gevaarlijke virussen en bacteriën.

W: Wat kun je zeggen over de mythe dat planten menselijke spraak begrijpen en dat je daarom vriendelijk en rustig met ze moet praten zodat ze beter groeien?

AV: Dit is slechts een mythe, niets anders.

W: Kunnen we de termen "pijn", "gedachten", "bewustzijn" toepassen op planten?

AV: Ik weet hier niets van. Dit zijn al vragen van de filosofie. Afgelopen zomer was er in St. Petersburg een symposium over signalen in planten, en daar kwamen meerdere filosofen uit verschillende landen tegelijk, dus dit onderwerp wordt nu opgepakt. Maar ik ben gewend te praten over wat ik experimenteel kan testen of berekenen.

Planten als sensoren

Planten kunnen hun acties coördineren via vertakte netwerken. Dus de acacia die in de Afrikaanse savanne groeit, geeft niet alleen een giftige stof af in zijn bladeren wanneer giraffen het beginnen te eten, maar zendt ook een vluchtig "alarmgas" uit dat een noodsignaal naar omringende planten stuurt. Als gevolg hiervan moeten giraffen, op zoek naar voedsel, niet naar de dichtstbijzijnde bomen gaan, maar gemiddeld 350 meter van hen vandaan gaan. Tegenwoordig dromen wetenschappers ervan om dergelijke netwerken van levende sensoren te gebruiken, die door de natuur zijn gedebugd, voor milieumonitoring en andere taken.

W: Heb je geprobeerd om je plantenelektrofysiologisch onderzoek in de praktijk te brengen?

Alexander Volkov: Ik heb patenten voor het voorspellen en registreren van aardbevingen met behulp van planten. Aan de vooravond van aardbevingen (in verschillende delen van de wereld varieert het tijdsinterval van twee tot zeven dagen), veroorzaakt de beweging van de aardkorst karakteristieke elektromagnetische velden. Ooit stelden de Japanners voor om ze te repareren met behulp van gigantische antennes - stukken ijzer van twee kilometer hoog, maar niemand kon dergelijke antennes bouwen, en dit is niet nodig. Planten zijn zo gevoelig voor elektromagnetische velden dat ze aardbevingen beter kunnen voorspellen dan welke antenne dan ook. We gebruikten bijvoorbeeld aloë vera voor deze doeleinden - we hebben zilverchloride-elektroden op de bladeren aangesloten, elektrische activiteit geregistreerd en de gegevens verwerkt.

W: Klinkt absoluut fantastisch. Waarom wordt dit systeem in de praktijk nog steeds niet geïmplementeerd?

AV: Er was hier een onverwacht probleem. Kijk: stel dat je de burgemeester van San Francisco bent en ontdek dat er over twee dagen een aardbeving zal zijn. Wat ga je doen? Als je mensen hierover vertelt, kunnen er door paniek en verbrijzeling nog meer mensen overlijden of gewond raken dan bij een aardbeving. Vanwege dergelijke beperkingen kan ik de resultaten van ons werk niet eens publiekelijk in de open pers bespreken. Hoe dan ook, ik denk dat we vroeg of laat verschillende monitoringsystemen op sensorinstallaties zullen hebben. In een van onze werken hebben we bijvoorbeeld aangetoond dat het met behulp van de analyse van elektrofysiologische signalen mogelijk is om een systeem te creëren voor de onmiddellijke diagnose van verschillende ziekten van landbouwgewassen.

Meer over het onderwerp:

Plant geest

Taal van planten