Storočné duby, svieža tráva, čerstvá zelenina – akosi nie sme zvyknutí považovať rastliny za neživé bytosti, ale tento názor nekorešponduje s realitou. Experimenty ukazujú, že rastliny majú zložitú analógiu nervového systému a rovnako ako zvieratá sa dokážu rozhodovať, ukladať spomienky, komunikovať a dokonca sa navzájom obdarúvať.
Profesor Alexander Volkov z Oakwood University nám pomohol podrobnejšie pochopiť elektrofyziológiu rastlín.
Nikdy by som si nepomyslel, že sa niekto zaoberá elektrofyziológiou rastlín, kým som nenarazil na vaše články.
Nie ste sami. Široká verejnosť si už zvykla vnímať rastliny ako potravu alebo krajinné prvky, pričom si ani neuvedomuje, že sú živé. Raz som podal správu o elektrofyziológii rastlín v Helsinkách a potom boli moji kolegovia veľmi prekvapení. Prvé knihy o elektrofyziológii rastlín boli publikované už v 18. storočí a potom sa štúdium zvierat a rastlín uberalo takmer paralelnými cestami. Napríklad Darwin si bol istý, že koreň je druh mozgu, chemický počítač, ktorý spracováva signály z celej rastliny (pozri napríklad „Schopnosť pohybovať sa v rastlinách“). A potom prišla prvá svetová vojna a všetky zdroje sa vrhli do štúdia elektrofyziológie zvierat, pretože ľudia potrebovali nové lieky.
Zdá sa to logické: laboratórne myši sú stále oveľa bližšie k ľuďom ako fialky.
V skutočnosti rozdiely medzi rastlinami a živočíchmi nie sú vôbec také obrovské a v elektrofyziológii sú vo všeobecnosti minimálne. Rastliny majú takmer úplný analóg neurónu – floém vodivého tkaniva. Má rovnaké zloženie, rovnaké rozmery a funkcie ako neuróny. Jediný rozdiel je v tom, že u zvierat neuróny využívajú sodíkové a draselné iónové kanály na prenos akčných potenciálov, zatiaľ čo u rastlinných floémov využívajú chloridové a draslíkové kanály. To je celý rozdiel v neurofyziológii. Nemci nedávno objavili chemické synapsie v rastlinách, my sme našli elektrické a vo všeobecnosti fungujú v rastlinách rovnaké neurotransmitery ako u zvierat. Zdá sa mi to dokonca logické: keby som tvoril svet a som lenivý človek, urobil by som všetko rovnaké, aby bolo všetko kompatibilné.
Prečo rastliny potrebujú nervové impulzy?
Nemyslíme na to, ale rastliny vo svojom živote spracujú ešte viac typov signálov z prostredia ako ľudia či akékoľvek iné živočíchy. Reagujú na svetlo, teplo, gravitáciu, zloženie pôdnych solí, magnetické pole, rôzne patogény a pod vplyvom prijatých informácií pružne menia svoje správanie. Napríklad laboratórium Stefana Mancusa z Florentskej univerzity robilo experimenty s dvoma výhonkami popínavej fazule. Vedci nainštalovali medzi rastliny spoločnú podperu a výhonky sa k nej začali rútiť. Ale akonáhle prvá rastlina vyliezla na podperu, druhej sa okamžite zdalo, že je porazená a prestala rásť týmto smerom. Pochopila, že boj o zdroje je zbytočný a je lepšie hľadať šťastie niekde inde.
Rastliny sa nepohybujú, rastú pomaly a vo všeobecnosti žijú pokojne. Zdá sa, že aj ich nervové impulzy by sa mali šíriť oveľa pomalšie.
Toto je mylná predstava, ktorá existuje vo vede už dlho. V 70. rokoch 19. storočia Briti namerali, že akčný potenciál mucholapky Venuše sa šíri rýchlosťou 20 centimetrov za sekundu, ale to bola chyba. Boli to biológovia a nemali absolútne žiadne znalosti o elektrických meracích technikách: Briti pri svojich experimentoch používali pomalé voltmetre, ktoré zaznamenávali nervové impulzy ešte pomalšie, ako sa šírili, čo je úplne neprijateľné. Teraz vieme, že nervové impulzy môžu prechádzať rastlinami veľmi rozdielnou rýchlosťou v závislosti od umiestnenia signálu a jeho povahy. Maximálna rýchlosť šírenia akčného potenciálu u rastlín je porovnateľná s rovnakými ukazovateľmi u zvierat a doba relaxácie po prechode akčného potenciálu sa môže pohybovať od milisekúnd až po niekoľko sekúnd.
Prečo rastliny využívajú tieto nervové impulzy?
Učebnicovým príkladom je mucholapka Venušina, ktorú som už spomínal. Tieto rastliny žijú v oblastiach s veľmi vlhkou pôdou, ktorá zle preniká vzduchom, a preto má nízky obsah dusíka. Nedostatok tejto základnej látky sa muchári zbavujú požieraním hmyzu a malých žabiek, ktoré chytajú pomocou elektrickej pasce – dvoch okvetných lístkov, z ktorých každý má v sebe zabudované tri piezomechanické senzory. Keď hmyz pristane na niektorom z okvetných lístkov a dotkne sa týchto receptorov labkou, vytvorí sa v nich akčný potenciál. Ak hmyz zasiahne mechanosensor dvakrát v priebehu 30 sekúnd, pasca sa zavrie v zlomku sekundy. Vyskúšali sme fungovanie tohto systému – do pasce mucholapky Venušy sme priviedli umelý elektrický signál a všetko fungovalo úplne rovnako – pasca sa zatvorila. Potom sme tieto experimenty zopakovali s mimózou a inými rastlinami a ukázali sme, že je možné pomocou elektrických signálov prinútiť rastliny, aby sa otvorili, zatvárali, pohybovali sa, ohýbali – vo všeobecnosti robiť čokoľvek. Vonkajšie excitácie rôzneho charakteru zároveň vytvárajú akčné potenciály v rastlinách, ktoré sa môžu líšiť v amplitúde, rýchlosti a trvaní.
Na čo ešte môžu rastliny reagovať?
Ak pokosíte trávu pri svojej chate, akčné potenciály okamžite prejdú ku koreňom rastlín. Spustia expresiu niektorých génov a rezy aktivujú syntézu peroxidu vodíka, ktorý chráni rastliny pred infekciou. Rovnakým spôsobom, ak zmeníte smer svetla, potom počas prvých 100 sekúnd rastlina naň nebude reagovať žiadnym spôsobom a potom zhasnú elektrické signály a opäť na ich základe sa rastlina v priebehu niekoľkých sekúnd otočí tak, aby maximalizovala zachytenie svetelného toku. Všetko bude rovnaké, keď začnete kvapkať vriacu vodu a keď prinesiete horiaci zapaľovač a keď rastlinu spustíte do ľadu – rastliny reagujú na akékoľvek podnety pomocou elektrických signálov, ktoré riadia ich reakcie na zmenené podmienky prostredia.
Rastliny nielenže vedia, ako reagovať na vonkajšie prostredie a očividne počítať svoje činy, ale aj medzi sebou nadviazať nejaké sociálne vzťahy. Napríklad pozorovania nemeckého lesníka Petra Wohllebena ukazujú, že stromy majú určitý druh priateľstva: partnerské stromy prepletajú svoje korene a starostlivo zabezpečujú, aby si ich koruny navzájom neprekážali v raste, zatiaľ čo náhodné stromy, ktoré nemajú žiadne zvláštne city k ich susedom, sa vždy snažia uchmatnúť si viac životného priestoru pre seba. Zároveň môže vzniknúť priateľstvo medzi stromami rôznych druhov. Pri pokusoch toho istého Mancusa tak vedci pozorovali, ako duglaska akoby zanecháva dedičstvo, že krátko pred smrťou do žltej borovice neďaleko nej poslala pozdĺž koreňa veľké množstvo organických látok.
Majú rastliny pamäť?
Rastliny majú všetky rovnaké typy pamäti ako zvieratá. Napríklad sme ukázali, že mucholapka Venuša má pamäť: aby pasca fungovala, musíte do nej poslať 10 mikrocoulombov elektriny, ale ukázalo sa, že to nemusí byť vykonané v jednej relácii. Najprv môžete odoslať dva mikrocoulomby, potom ďalších päť atď. Keď celkový počet dosiahne 10, rastlina si bude myslieť, že ju zasiahol hmyz a zabuchne. Jediná vec je, že medzi reláciami nemôžete robiť prestávky dlhšie ako 40 sekúnd, inak sa počítadlo vynuluje – to je to, čo sa ukáže ako krátkodobá pamäť. A ešte jednoduchšie je vidieť dlhodobú pamäť rastlín: napríklad jednu jar sme mali 30. apríla mráz a doslova cez noc všetky kvety na figovníku zmrzli a ďalší rok rozkvitol až prvého mája, pretože si pamätal, čo sa stalo. Fyziológovia rastlín urobili za posledných 50 rokov mnoho podobných pozorovaní.
Kde je uložená pamäť rastlín?
Raz som sa na konferencii na Kanárskych ostrovoch stretol s Leonom Chuom, ktorý svojho času predpovedal existenciu memristorov – odporov s pamäťou prechádzajúceho prúdu. Začali sme sa rozprávať: Chua nevedel takmer nič o iónových kanáloch a elektrofyziológii rastlín, ja som vedel o memristoroch. V dôsledku toho ma požiadal, aby som sa pokúsil hľadať memristory in vivo, pretože podľa jeho výpočtov by mali byť spojené s pamäťou, ale zatiaľ ich nikto nenašiel u živých bytostí. Uspeli sme: ukázali sme, že napäťovo závislé draselné kanály aloe vera, mimózy a tej istej mucholapky Venuše sú prirodzene memristory a v nasledujúcich prácach boli memristívne vlastnosti nájdené v jablkách, zemiakoch, tekvicových semenách a rôznych kvetoch. Je celkom možné, že pamäť rastlín je viazaná presne na tieto memristory, ale to ešte nie je isté.
Rastliny sa vedia rozhodovať a majú pamäť. Ďalším krokom sú sociálne interakcie. Môžu rastliny medzi sebou komunikovať?
Viete, v „Avatarovi“ je epizóda, kde stromy medzi sebou komunikujú v podzemí. Toto nie je fantázia, ako by si niekto mohol myslieť, ale overený fakt. Keď som žil v ZSSR, často sme chodili na huby a každý vedel, že hubu treba opatrne krájať nožom, aby sa nepoškodilo mycélium. Teraz sa ukazuje, že mycélium je elektrický kábel, cez ktorý môžu stromy komunikovať medzi sebou aj s hubami. Navyše existuje množstvo dôkazov, že cez mycélium si stromy vymieňajú nielen elektrické signály, ale aj chemické zlúčeniny či dokonca nebezpečné vírusy a baktérie.
Môžeme použiť výrazy „bolesť“, „myšlienky“, „vedomie“ na rastliny?
O tom nič neviem. To sú už otázky filozofie. Minulé leto bolo v Petrohrade sympózium o signáloch v rastlinách a prišlo tam viacero filozofov z rôznych krajín naraz, takže teraz začínajú študovať túto tému. Ale som zvyknutý rozprávať o tom, čo môžem experimentálne overiť alebo vypočítať.
Rastliny sú schopné koordinovať svoje činnosti pomocou rozsiahlych sietí. Akácia rastúca v africkej savane teda nielenže uvoľňuje toxickú látku do svojich listov, keď ju žirafy začnú požierať, ale tiež uvoľňuje prchavý „poplachový plyn“, ktorý vysiela tiesňový signál okolitým rastlinám. Výsledkom je, že žirafy sa pri hľadaní potravy musia presunúť nie k najbližším stromom, ale vzdialiť sa od nich v priemere 350 metrov. Dnes vedci snívajú o použití takýchto sietí živých senzorov, ktoré vytvorila príroda, na monitorovanie životného prostredia a iné úlohy.
Skúšali ste využiť svoj výskum elektrofyziológie rastlín v praxi?
Mám patenty na predpovedanie a zaznamenávanie zemetrasení pomocou rastlín. V predvečer zemetrasení (v rôznych častiach sveta sa časový interval pohybuje od dvoch do siedmich dní) spôsobuje pohyb zemskej kôry charakteristické elektromagnetické polia. Japonci svojho času navrhovali ich upevnenie pomocou obrovských antén – kusov železa vysokých dva kilometre, ale nikto nedokázal takéto antény postaviť a nie je to potrebné. Rastliny sú tak citlivé na elektromagnetické polia, že dokážu predpovedať zemetrasenia lepšie ako akákoľvek anténa. Na tieto účely sme použili napríklad aloe vera – na jej listy sme pripojili elektródy chloridu strieborného, zaznamenali elektrickú aktivitu a spracovali dáta.
Znie to úplne fantasticky. Prečo tento systém ešte nebol zavedený do praxe?
Tu vznikol nečakaný problém. Pozri: povedzme, že si starosta San Francisca a zistíš, že o dva dni bude zemetrasenie. čo budeš robiť? Ak o tom dáte vedieť, v panike a tlačenici môže byť zabitých alebo zranených ešte viac ľudí ako pri zemetrasení. Kvôli takýmto obmedzeniam nemôžem ani verejne diskutovať o výsledkoch našej práce v otvorenej tlači. V každom prípade si myslím, že skôr či neskôr budeme mať rôzne monitorovacie systémy pracujúce na senzorových zariadeniach. Napríklad v jednej z našich prác sme ukázali, že analýzou elektrofyziologických signálov je možné vytvoriť systém na okamžitú diagnostiku rôznych chorôb poľnohospodárskych rastlín…
Preložil: OZ Biosféra www.biosferaklub.info