Tại sao thực vật cần xung thần kinh

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Cây sồi hàng thế kỷ, cỏ tươi tốt, rau tươi - bằng cách nào đó chúng ta không quen coi thực vật là sinh vật sống, và thật vô ích. Các thí nghiệm cho thấy thực vật có một loại hệ thống thần kinh tương tự phức tạp và cũng giống như động vật, có thể đưa ra quyết định, lưu giữ ký ức, giao tiếp và thậm chí tặng quà cho nhau.

Giáo sư Alexander Volkov của Đại học Oakwood đã giúp hiểu chi tiết hơn về điện sinh lý của thực vật.

Nhà báo: Tôi chưa bao giờ nghĩ rằng ai đó đang làm điện sinh lý thực vật cho đến khi tôi xem được các bài báo của anh

Alexander Volkov:Bạn không cô đơn. Công chúng thường coi thực vật là thực phẩm hoặc yếu tố cảnh quan mà không hề nhận ra rằng chúng đang sống. Có lần tôi đang làm báo cáo ở Helsinki về điện sinh lý thực vật, và sau đó các đồng nghiệp của tôi đã rất ngạc nhiên: “Tôi từng đề cập đến một chủ đề nghiêm túc - chất lỏng không thể trộn lẫn, nhưng bây giờ tôi đang giải quyết một số loại trái cây và rau quả”. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng: những cuốn sách đầu tiên về điện sinh lý thực vật được xuất bản vào thế kỷ 18, và sau đó việc nghiên cứu động vật và thực vật được tiến hành theo những cách gần như song song. Ví dụ, Darwin đã thuyết phục rằng rễ là một loại bộ não, một máy tính hóa học xử lý tín hiệu từ toàn bộ thực vật (ví dụ, xem "Chuyển động trong thực vật"). Và rồi Chiến tranh thế giới thứ nhất đến và mọi nguồn lực đều được dồn vào nghiên cứu điện sinh lý của động vật, bởi vì con người cần những loại thuốc mới.

W: Có vẻ hợp lý: chuột trong phòng thí nghiệm vẫn gần với con người hơn nhiều so với hoa violet

A. V:Trên thực tế, sự khác biệt giữa thực vật và động vật không quá lớn, và trong điện sinh lý học, chúng nói chung là rất nhỏ. Thực vật có một chất tương tự gần như hoàn chỉnh của một tế bào thần kinh - mô dẫn truyền phloem. Nó có thành phần, kích thước và chức năng tương tự như tế bào thần kinh. Sự khác biệt duy nhất là ở động vật, các kênh ion natri và kali được sử dụng trong tế bào thần kinh để truyền điện thế hoạt động, trong khi ở phloem thực vật, các kênh ion clorua và kali được sử dụng. Đó là toàn bộ sự khác biệt trong sinh lý học thần kinh. Người Đức gần đây đã tìm thấy các khớp thần kinh hóa học ở thực vật, chúng ta là điện, và nói chung, thực vật có cùng chất dẫn truyền thần kinh như động vật. Đối với tôi dường như điều này thậm chí còn hợp lý: nếu tôi đang tạo ra thế giới và tôi là một người lười biếng, tôi sẽ biến mọi thứ giống nhau để mọi thứ tương thích với nhau.

Tại sao thực vật cần xung thần kinh?

Chúng ta không nghĩ về điều đó, nhưng thực vật trong quá trình sống của chúng thậm chí còn có nhiều loại tín hiệu từ môi trường bên ngoài hơn con người hay bất kỳ loài động vật nào khác. Chúng phản ứng với ánh sáng, nhiệt, trọng lực, thành phần muối của đất, từ trường, các mầm bệnh khác nhau và thay đổi linh hoạt hành vi của chúng dưới ảnh hưởng của thông tin nhận được. Ví dụ, trong phòng thí nghiệm của Stefano Mancuso thuộc Đại học Florence, các thí nghiệm đã được thực hiện với hai chồi đậu leo. Các nhà khoa học đã thiết lập sự hỗ trợ chung giữa các cây và các chồi bắt đầu đua với nó. Nhưng ngay sau khi cây đầu tiên leo lên giá đỡ, cây thứ hai ngay lập tức nhận ra mình đã bị đánh bại và ngừng phát triển theo hướng này. Nó hiểu rằng cuộc đấu tranh giành nguồn lực là vô nghĩa và tốt hơn hết là bạn nên tìm kiếm hạnh phúc ở một nơi khác.

W: Thực vật không di chuyển, phát triển chậm và thường sống không vội vàng. Có vẻ như các xung thần kinh của họ cũng sẽ lan truyền chậm hơn nhiều

Alexander Volkov: Đây là một ảo tưởng đã có từ lâu trong khoa học. Vào những năm 70 của thế kỷ XIX, người Anh đo được rằng điện thế hoạt động của dây bay Venus lan truyền với tốc độ 20 cm / giây, nhưng đây là một sai lầm. Họ là những nhà sinh vật học và hoàn toàn không biết kỹ thuật đo điện: trong các thí nghiệm của họ, người Anh đã sử dụng vôn kế chậm, ghi lại các xung thần kinh thậm chí còn chậm hơn so với cách họ lan truyền, điều này hoàn toàn không thể chấp nhận được. Bây giờ chúng ta biết rằng các xung thần kinh có thể chạy qua thực vật với tốc độ rất khác nhau, tùy thuộc vào nơi kích thích tín hiệu và vào bản chất của nó. Tốc độ lan truyền điện thế hoạt động tối đa ở thực vật có thể so sánh với các chỉ số tương tự ở động vật và thời gian thư giãn sau khi điện thế hoạt động đi qua có thể thay đổi từ mili giây đến vài giây.

W: Thực vật sử dụng những xung thần kinh này để làm gì?

A. V: Một ví dụ trong sách giáo khoa là Venus flytrap, mà tôi đã đề cập. Những loại cây này sống ở những nơi có đất rất ẩm, không khí khó xâm nhập và do đó, có rất ít nitơ trong đất này. Những người bắt ruồi bị thiếu chất thiết yếu này khi ăn côn trùng và ếch nhỏ, chúng bắt bằng bẫy điện - hai cánh hoa, mỗi cánh có ba cảm biến cơ học được tích hợp bên trong. Khi một con côn trùng đậu trên bất kỳ cánh hoa nào và chạm vào các thụ thể này bằng chân của nó, một điện thế hoạt động sẽ được tạo ra trong chúng. Nếu một con côn trùng chạm vào cảm biến cơ học hai lần trong vòng 30 giây, thì cái bẫy sẽ được đóng lại trong tích tắc. Chúng tôi đã kiểm tra hoạt động của hệ thống này - chúng tôi đã áp dụng một tín hiệu điện nhân tạo vào bẫy ruồi của Venus và mọi thứ hoạt động theo cách tương tự - bẫy đã được đóng lại. Sau đó, chúng tôi lặp lại các thí nghiệm này với mai dương và các loài thực vật khác và do đó chúng tôi cho thấy rằng có thể buộc thực vật mở, đóng, di chuyển, cúi xuống - nói chung, làm bất cứ điều gì bạn muốn, sử dụng tín hiệu điện. Trong trường hợp này, các kích thích bên ngoài có bản chất khác tạo ra điện thế hoạt động ở thực vật, có thể khác nhau về biên độ, tốc độ và thời gian.

W: Thực vật có thể phản ứng với điều gì khác?

A. V: Nếu bạn cắt cỏ trong ngôi nhà ở nông thôn của mình, thì điện thế hoạt động sẽ ngay lập tức đi vào rễ của cây. Sự biểu hiện của một số gen sẽ bắt đầu trên chúng, và quá trình tổng hợp hydrogen peroxide được kích hoạt trên các vết cắt, giúp bảo vệ thực vật khỏi bị nhiễm trùng. Tương tự như vậy, nếu bạn thay đổi hướng của ánh sáng, thì trong 100 giây đầu tiên, thực vật sẽ không phản ứng với nó theo bất kỳ cách nào, để loại bỏ tùy chọn bóng của chim hoặc động vật, và sau đó các tín hiệu điện sẽ lại phát đi, theo đó nhà máy sẽ quay trong vài giây sao cho thu được tối đa quang thông. Tất cả điều tương tự sẽ xảy ra, và khi bạn bắt đầu nhỏ nước sôi, và khi bạn mang bật lửa lên và khi bạn đặt cây vào nước đá - cây cối phản ứng với bất kỳ kích thích nào với sự trợ giúp của các tín hiệu điện điều khiển phản ứng của chúng với môi trường thay đổi các điều kiện.

Bộ nhớ thực vật

Thực vật không chỉ biết cách phản ứng với môi trường bên ngoài và dường như biết tính toán hành động của chúng, mà còn gắn kết một số mối quan hệ xã hội giữa chúng với nhau. Ví dụ, quan sát của nhà kiểm lâm người Đức Peter Volleben cho thấy rằng cây cối có một loại tình bạn: những cây đối tác gắn bó với nhau bằng rễ và theo dõi cẩn thận để các tán của chúng không cản trở sự phát triển của nhau, trong khi những cây ngẫu nhiên không có bất kỳ tình cảm đặc biệt nào đối với với những người hàng xóm, họ luôn cố gắng giành lấy không gian sống cho mình. Đồng thời, tình bạn cũng có thể nảy sinh giữa các loại cây khác nhau. Vì vậy, trong các thí nghiệm của cùng một Mancuso, các nhà khoa học đã quan sát cách, không lâu trước khi Douglas qua đời, dường như nó để lại một di sản: một cây thông vàng cách nó không xa đã gửi một lượng lớn chất hữu cơ qua hệ thống rễ.

W: Thực vật có trí nhớ không?

Alexander Volkov: Thực vật có tất cả các loại trí nhớ giống như động vật. Ví dụ, chúng tôi đã chứng minh rằng chiếc flytrap sao Kim sở hữu trí nhớ: để cái bẫy hoạt động, cần phải gửi 10 cặp điện cực nhỏ đến nó, nhưng hóa ra điều này không phải thực hiện trong một phiên. Trước tiên, bạn có thể phục vụ hai microcoulomb, sau đó là năm viên khác, v.v. Khi tổng số là 10, cây sẽ có vẻ như bị côn trùng xâm nhập và nó sẽ đóng sầm lại. Điều duy nhất là bạn không được nghỉ quá 40 giây giữa các phiên, nếu không bộ đếm sẽ đặt lại về 0 - bạn sẽ có một bộ nhớ ngắn hạn như vậy. Và ký ức dài hạn về thực vật thậm chí còn dễ dàng nhìn thấy hơn: ví dụ, một trận sương giá mùa xuân ập đến với chúng ta vào ngày 30 tháng 4, và theo nghĩa đen, tất cả những bông hoa trên cây sung đóng băng qua đêm, và năm sau nó không nở cho đến ngày 1 tháng 5, bởi vì nó đã nhớ nó là gì. đã kết thúc. Nhiều quan sát tương tự đã được thực hiện bởi các nhà sinh lý học thực vật trong 50 năm qua.

W: Bộ nhớ thực vật được lưu trữ ở đâu?

A. V: Một lần tôi gặp tại một hội nghị ở quần đảo Canary, Leon Chua, người đã có lúc dự đoán sự tồn tại của memristor - điện trở với ký ức về dòng điện chạy qua. Chúng tôi bắt đầu trò chuyện: Chua hầu như không biết gì về các kênh ion và điện sinh lý của thực vật, tôi - về memristor. Do đó, anh ấy yêu cầu tôi cố gắng tìm kiếm các memristor in vivo, vì theo tính toán của anh ấy, chúng nên gắn liền với trí nhớ, nhưng cho đến nay vẫn chưa ai tìm thấy chúng trong sinh vật sống. Chúng tôi đã làm được tất cả: chúng tôi đã chỉ ra rằng các kênh kali phụ thuộc vào điện thế của lô hội, mai dương và cùng một dây bay Venus là những chất tạo màng tự nhiên, và trong các công trình sau đây, các đặc tính ghi nhớ được tìm thấy trong táo, khoai tây, hạt bí ngô, và các chất khác những bông hoa. Rất có thể ký ức về thực vật gắn liền với những ký ức này, nhưng nó vẫn chưa được biết chắc chắn.

W: Cây biết ra quyết định, có trí nhớ. Bước tiếp theo là tương tác xã hội. Thực vật có thể giao tiếp với nhau không?

A. V: Bạn biết đấy, trong Avatar có một đoạn mà cây cối giao tiếp với nhau dưới lòng đất. Đây không phải là một điều viển vông như người ta vẫn nghĩ, mà là một sự thật đã được chứng minh. Khi tôi sống ở Liên Xô, chúng tôi thường đi hái nấm và ai cũng biết rằng nấm phải được cắt cẩn thận bằng dao để không làm hỏng sợi nấm. Bây giờ hóa ra sợi nấm là một sợi cáp điện mà qua đó cây cối có thể giao tiếp với nhau và với nấm. Hơn nữa, có rất nhiều bằng chứng cho thấy cây cối không chỉ trao đổi tín hiệu điện dọc theo sợi nấm mà còn cả các hợp chất hóa học hoặc thậm chí cả vi rút và vi khuẩn nguy hiểm.

W: Bạn có thể nói gì về huyền thoại rằng thực vật hiểu được lời nói của con người, và do đó bạn cần nói chuyện với chúng một cách tử tế và bình tĩnh để chúng phát triển tốt hơn?

A. V: Đây chỉ là một huyền thoại, không có gì khác.

W: Chúng ta có thể áp dụng các thuật ngữ "đau đớn", "suy nghĩ", "ý thức" cho thực vật không?

A. V: Tôi không biết gì về điều này. Đây đã là những câu hỏi của triết học. Mùa hè năm ngoái ở St. Petersburg có một hội nghị chuyên đề về các tín hiệu trong thực vật, và một số triết gia từ các quốc gia khác nhau đã đến đó cùng một lúc, vì vậy chủ đề này hiện đang bắt đầu được xử lý. Nhưng tôi đã quen nói về những gì tôi có thể kiểm tra hoặc tính toán bằng thực nghiệm.

Thực vật làm cảm biến

Thực vật có thể điều phối các hành động của chúng bằng cách sử dụng các mạng nhánh. Vì vậy, cây keo mọc ở xavan châu Phi không chỉ tiết ra một chất độc hại vào lá của chúng khi hươu cao cổ bắt đầu ăn nó, mà còn phát ra một loại "khí báo động" dễ bay hơi gửi tín hiệu báo động đến các loài thực vật xung quanh. Do đó, để tìm kiếm thức ăn, hươu cao cổ không phải di chuyển đến những cái cây gần nhất mà phải di chuyển ra xa chúng trung bình 350 mét. Ngày nay, các nhà khoa học mơ ước sử dụng các mạng lưới cảm biến sống như vậy, được gỡ lỗi bởi tự nhiên, để giám sát môi trường và các nhiệm vụ khác.

W: Bạn đã thử đưa nghiên cứu điện sinh lý thực vật của mình vào thực tế chưa?

Alexander Volkov: Tôi có bằng sáng chế để dự đoán và đăng ký các trận động đất bằng cách sử dụng thực vật. Vào đêm trước của các trận động đất (ở các vùng khác nhau trên thế giới, khoảng thời gian thay đổi từ hai đến bảy ngày), sự chuyển động của vỏ trái đất gây ra các trường điện từ đặc trưng. Có lần, người Nhật đề xuất sửa chúng với sự trợ giúp của những chiếc ăng-ten khổng lồ - những mảnh sắt cao hai km, nhưng không ai có thể chế tạo những chiếc ăng-ten như vậy, và điều này là không cần thiết. Thực vật rất nhạy cảm với trường điện từ nên chúng có thể dự đoán động đất tốt hơn bất kỳ ăng-ten nào. Ví dụ, chúng tôi đã sử dụng lô hội cho những mục đích này - chúng tôi kết nối các điện cực bạc clorua với lá của nó, ghi lại hoạt động điện và xử lý dữ liệu.

W: Nghe thật tuyệt vời. Tại sao hệ thống này vẫn chưa được triển khai trên thực tế?

A. V: Có một vấn đề không mong muốn ở đây. Hãy nhìn xem: giả sử bạn là thị trưởng của San Francisco và biết rằng sẽ có một trận động đất trong hai ngày tới. Bạn định làm gì? Nếu bạn nói với mọi người về điều này, thì hậu quả của sự hoảng loạn và suy sụp, thậm chí nhiều người có thể chết hoặc bị thương hơn trong một trận động đất. Vì những hạn chế như vậy, tôi thậm chí không thể công khai thảo luận về kết quả công việc của chúng tôi trên báo chí công khai. Trong mọi trường hợp, tôi nghĩ sớm hay muộn chúng ta sẽ có nhiều loại hệ thống giám sát hoạt động trên các nhà máy cảm biến. Ví dụ, trong một nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã chỉ ra rằng bằng cách sử dụng phân tích các tín hiệu điện sinh lý, có thể tạo ra một hệ thống chẩn đoán tức thời các bệnh khác nhau của cây nông nghiệp.

Thêm về chủ đề:

Tâm thực vật

Ngôn ngữ của thực vật