لماذا تحتاج النباتات النبضات العصبية

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

أشجار البلوط التي يبلغ عمرها قرونًا ، والعشب المورق ، والخضروات الطازجة - بطريقة ما لسنا معتادين على اعتبار النباتات كائنات حية ، وعبثًا. تظهر التجارب أن النباتات لديها نوع من التناظرية المعقدة للجهاز العصبي ، ومثلها مثل الحيوانات ، فهي قادرة على اتخاذ القرارات وتخزين الذكريات والتواصل وحتى تقديم الهدايا لبعضها البعض.

ساعد أستاذ جامعة أوكوود ألكسندر فولكوف على فهم الفيزيولوجيا الكهربية للنباتات بمزيد من التفصيل.

الصحفي: لم أكن لأظن أبدًا أن شخصًا ما كان يقوم بعمل الفيزيولوجيا الكهربية للنبات حتى صادفت مقالاتك

الكسندر فولكوف: لست وحدك. اعتاد عامة الناس على رؤية النباتات كغذاء أو عناصر طبيعية دون أن يدركوا أنها على قيد الحياة. ذات مرة كنت أقوم بإعداد تقرير في هلسنكي عن الفيزيولوجيا الكهربية للنباتات ، ثم فوجئ زملائي جدًا: "كنت أتعامل مع موضوع جاد - السوائل غير القابلة للامتزاج ، لكنني الآن أتعامل مع نوع من الفواكه والخضروات". ولكن لم يكن هذا هو الحال دائمًا: نُشرت الكتب الأولى عن الفيزيولوجيا الكهربية للنباتات في القرن الثامن عشر ، ثم استمرت دراسة الحيوانات والنباتات بطرق متوازية تقريبًا. على سبيل المثال ، كان داروين مقتنعًا بأن الجذر هو نوع من الدماغ ، وهو كمبيوتر كيميائي يعالج الإشارات من النبات بأكمله (انظر ، على سبيل المثال ، "الحركة في النباتات"). ثم جاءت الحرب العالمية الأولى وتم تخصيص جميع الموارد لدراسة الفيزيولوجيا الكهربية للحيوانات ، لأن الناس كانوا بحاجة إلى أدوية جديدة.

و: يبدو الأمر منطقيًا: فئران التجارب لا تزال أقرب إلى البشر من البنفسج

ألف: في الواقع ، الاختلافات بين النباتات والحيوانات ليست كبيرة على الإطلاق ، وفي الفيزيولوجيا الكهربية فهي ضئيلة بشكل عام. تمتلك النباتات نظيرًا شبه كامل للأنسجة الموصلة للخلايا العصبية واللحاء. لها نفس التركيب والحجم والوظيفة مثل الخلايا العصبية. الاختلاف الوحيد هو أنه في الحيوانات ، تُستخدم قنوات أيونات الصوديوم والبوتاسيوم في الخلايا العصبية لنقل إمكانات العمل ، بينما تُستخدم قنوات اللحاء والكلوريد وأيون البوتاسيوم في النبات. هذا هو الاختلاف الكامل في فسيولوجيا الأعصاب. وجد الألمان مؤخرًا مشابك كيميائية في النباتات ، فنحن كهربائيون ، وبشكل عام ، تمتلك النباتات نفس الناقلات العصبية مثل الحيوانات. يبدو لي أن هذا منطقي: إذا كنت أصنع العالم ، وكنت شخصًا كسولًا ، فسأجعل كل شيء كما هو حتى يكون كل شيء متوافقًا.

لماذا تحتاج النباتات النبضات العصبية؟

لا نفكر في الأمر ، لكن النباتات في حياتها تعالج أنواعًا أكثر من الإشارات من البيئة الخارجية أكثر من البشر أو أي حيوان آخر. تتفاعل مع الضوء والحرارة والجاذبية وتكوين الملح للتربة والمجال المغناطيسي ومسببات الأمراض المختلفة وتغير سلوكها بمرونة تحت تأثير المعلومات الواردة. على سبيل المثال ، في مختبر Stefano Mancuso من جامعة فلورنسا ، تم إجراء تجارب مع اثنين من براعم الفاصوليا المتسلقة. أنشأ العلماء دعمًا مشتركًا بين النباتات ، وبدأت البراعم تتسابق إليه. ولكن بمجرد أن صعد النبات الأول إلى الدعم ، بدا أن الثاني على الفور أدرك نفسه على أنه مهزوم وتوقف عن النمو في هذا الاتجاه. لقد فهمت أن الصراع على الموارد لا معنى له وأنه من الأفضل البحث عن السعادة في مكان آخر.

و: النباتات لا تتحرك وتنمو ببطء وتعيش بشكل عام دون استعجال. يبدو أن نبضاتهم العصبية يجب أن تنتشر بشكل أبطأ بكثير

الكسندر فولكوف: هذا وهم موجود منذ زمن طويل في العلم. في السبعينيات من القرن التاسع عشر ، قاس البريطانيون أن جهد عمل مصيدة الذباب فينوس ينتشر بسرعة 20 سم في الثانية ، لكن هذا كان خطأ.لقد كانوا علماء أحياء ولم يعرفوا تقنية القياسات الكهربائية على الإطلاق: في تجاربهم ، استخدم البريطانيون مقاييس الفولتميتر البطيئة ، والتي سجلت نبضات عصبية أبطأ من انتشارها ، وهو أمر غير مقبول تمامًا. نحن نعلم الآن أن النبضات العصبية يمكن أن تمر عبر النباتات بسرعات مختلفة جدًا ، اعتمادًا على مكان إثارة الإشارة وطبيعتها. يمكن مقارنة السرعة القصوى لانتشار إمكانات العمل في النباتات مع نفس المؤشرات في الحيوانات ، ويمكن أن يختلف وقت الاسترخاء بعد مرور جهد الفعل من ميلي ثانية إلى عدة ثوانٍ.

و: لماذا تستخدم النباتات هذه النبضات العصبية؟

ألف: مثال على الكتاب المدرسي هو صائدة الذباب فينوس ، التي ذكرتها بالفعل. تعيش هذه النباتات في مناطق ذات تربة رطبة جدًا ، يصعب على الهواء اختراقها ، وبالتالي يوجد القليل من النيتروجين في هذه التربة. يحصل صائدو الذباب على نقص هذه المادة الأساسية عن طريق أكل الحشرات والضفادع الصغيرة ، التي يصطادونها بمصيدة كهربائية - بتلتين ، تحتوي كل منهما على ثلاثة مستشعرات ميكانيكية ضغط مدمجة فيها. عندما تجلس حشرة على أي من البتلات وتلامس هذه المستقبلات بمخلبها ، يتم إنشاء جهد فعل فيها. إذا لامست الحشرة جهاز الاستشعار الميكانيكي مرتين في غضون 30 ثانية ، فسيتم إغلاق المصيدة في جزء من الثانية. قمنا بفحص تشغيل هذا النظام - قمنا بتطبيق إشارة كهربائية اصطناعية على مصيدة فينوس صائدة الذباب ، وعمل كل شيء بنفس الطريقة - تم إغلاق المصيدة. ثم كررنا هذه التجارب مع الميموزا والنباتات الأخرى ، وأظهرنا أنه من الممكن إجبار النباتات على الفتح ، والإغلاق ، والتحرك ، والانحناء - بشكل عام ، تفعل ما تريد ، باستخدام الإشارات الكهربائية. في هذه الحالة ، تولد الإثارات الخارجية ذات الطبيعة المختلفة إمكانات عمل في النباتات ، والتي يمكن أن تختلف في السعة والسرعة والمدة.

و: ما الذي يمكن أن تتفاعل معه النباتات أيضًا؟

ألف: إذا قمت بقص العشب في منزلك الريفي ، فستنتقل إمكانات العمل على الفور إلى جذور النباتات. سيبدأ التعبير عن بعض الجينات عليها ، ويتم تنشيط تخليق بيروكسيد الهيدروجين على الجروح ، مما يحمي النباتات من العدوى. بالطريقة نفسها ، إذا قمت بتغيير اتجاه الضوء ، فلن يتفاعل النبات معه بأي شكل من الأشكال في أول 100 ثانية ، من أجل قطع خيار الظل عن طائر أو حيوان ، ثم ستذهب الإشارات الكهربائية مرة أخرى ، والتي وفقًا لها سيتحول المصنع في ثوانٍ بطريقة تزيد من التقاط التدفق الضوئي. سيحدث نفس الشيء ، وعندما تبدأ في تقطير الماء المغلي ، وعندما تحضر ولاعة مشتعلة ، وعندما تضع النبات في الجليد - تتفاعل النباتات مع أي محفزات بمساعدة الإشارات الكهربائية التي تتحكم في استجاباتها للتغير البيئي الظروف.

ذاكرة النبات

لا تعرف النباتات فقط كيف تتفاعل مع البيئة الخارجية وتحسب أفعالها على ما يبدو ، ولكنها أيضًا تربط بعض العلاقات الاجتماعية فيما بينها. على سبيل المثال ، تُظهر ملاحظات الحراج الألماني Peter Volleben أن الأشجار لها نوع من الصداقة: فالأشجار الشريكة تتشابك مع الجذور وتراقب بعناية أن تيجانها لا تتداخل مع نمو بعضها البعض ، في حين أن الأشجار العشوائية ليس لديها أي مشاعر خاصة تجاهها. لجيرانهم ، يحاولون دائمًا الحصول على مساحة معيشية أكبر لأنفسهم. في الوقت نفسه ، يمكن أن تنشأ الصداقة أيضًا بين الأشجار من أنواع مختلفة. لذلك ، في تجارب نفس مانكوسو ، لاحظ العلماء كيف أنه ، قبل وقت قصير من وفاة دوغلاس ، يبدو أنه يترك إرثًا: شجرة صنوبر صفراء ليست بعيدة عنها ترسل كمية كبيرة من المواد العضوية عبر نظام الجذر.

و: هل للنباتات ذاكرة؟

الكسندر فولكوف: تمتلك النباتات جميع أنواع الذاكرة مثل الحيوانات.على سبيل المثال ، أظهرنا أن مصيدة الذباب فينوس تمتلك ذاكرة: لكي تعمل المصيدة ، يجب إرسال 10 أزواج صغيرة من الكهرباء إليها ، ولكن اتضح أن هذا لا يجب القيام به في جلسة واحدة. يمكنك أولاً إرسال عدد 2 ميكرو كولوم ، ثم خمسة أخرى ، وهكذا. عندما يكون المجموع 10 ، يبدو للنبات أن حشرة قد دخلت فيه ، وسوف تغلق. الشيء الوحيد هو أنه لا يمكنك أخذ فترات راحة تزيد عن 40 ثانية بين الجلسات ، وإلا فسيتم إعادة ضبط العداد إلى الصفر - ستحصل على مثل هذه الذاكرة قصيرة المدى. ومن السهل رؤية الذاكرة طويلة المدى للنباتات: على سبيل المثال ، ضربنا صقيع ربيعي واحد في 30 أبريل ، وتجمدت جميع الأزهار حرفيًا على شجرة التين ، وفي العام التالي لم تتفتح حتى 1 مايو ، لأنه تذكر ما كان عليه. انتهى. تم إجراء الكثير من الملاحظات المماثلة من قبل علماء فسيولوجيا النبات على مدار الخمسين عامًا الماضية.

W: أين يتم تخزين ذاكرة النبات؟

ألف: ذات مرة التقيت في مؤتمر في جزر الكناري ليون تشوا ، الذي توقع في وقت ما وجود memristors - مقاومة مع ذاكرة التيار المتوار. دخلنا في محادثة: لم تكن Chua تعرف شيئًا تقريبًا عن القنوات الأيونية والفيزيولوجيا الكهربية للنباتات ، وأنا - عن memristors. نتيجة لذلك ، طلب مني محاولة البحث عن memristors في الجسم الحي ، لأنه وفقًا لحساباته ، يجب ربطها بالذاكرة ، لكن حتى الآن لم يجدها أحد في الكائنات الحية. لقد فعلنا كل شيء: لقد أظهرنا أن قنوات البوتاسيوم المعتمدة على الجهد لألوة فيرا والميموزا ونفس صائدة الذباب الزهرة هي memristors بطبيعتها ، وفي الأعمال التالية ، تم العثور على خصائص memristive في التفاح والبطاطس وبذور اليقطين ومختلف زهور. من الممكن تمامًا أن تكون ذاكرة النباتات مرتبطة بدقة بهذه الميمريستورات ، لكنها غير معروفة بعد على وجه اليقين.

و: تعرف النباتات كيف تتخذ القرارات ولديها ذاكرة. الخطوة التالية هي التفاعلات الاجتماعية. هل يمكن للنباتات التواصل مع بعضها البعض؟

ألف: كما تعلم ، توجد في Avatar حلقة حيث تتواصل الأشجار مع بعضها البعض تحت الأرض. هذا ليس خيالًا ، كما قد يظن المرء ، ولكنه حقيقة ثابتة. عندما كنت أعيش في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية ، غالبًا ما نذهب لقطف الفطر وكان الجميع يعلم أنه يجب قطع الفطر بعناية بسكين حتى لا يتلف الفطريات. اتضح الآن أن الميسيليوم عبارة عن كابل كهربائي يمكن للأشجار من خلاله التواصل مع بعضها البعض ومع الفطر. علاوة على ذلك ، هناك الكثير من الأدلة على أن الأشجار لا تتبادل الإشارات الكهربائية فقط على طول الميسليوم ، ولكن أيضًا المركبات الكيميائية أو حتى الفيروسات والبكتيريا الخطرة.

و: ماذا يمكنك أن تقول عن الأسطورة القائلة بأن النباتات تفهم كلام الإنسان ، وبالتالي عليك التحدث معهم بلطف وهدوء حتى ينمووا بشكل أفضل؟

ألف: هذه مجرد خرافة ، لا شيء غير ذلك.

و: هل يمكننا تطبيق مصطلحات "ألم" ، "أفكار" ، "وعي" على النباتات؟

ألف: لا أعرف أي شيء عن هذا. هذه بالفعل أسئلة في الفلسفة. في الصيف الماضي في سانت بطرسبرغ ، كانت هناك ندوة حول الإشارات في النباتات ، وحضرها العديد من الفلاسفة من بلدان مختلفة في وقت واحد ، لذلك بدأ التعامل مع هذا الموضوع الآن. لكنني معتاد على الحديث عما يمكنني اختباره أو حسابه تجريبياً.

النباتات كأجهزة استشعار

النباتات قادرة على تنسيق أعمالها باستخدام الشبكات المتفرعة. وهكذا ، فإن نبات الأكاسيا الذي ينمو في السافانا الأفريقية لا يطلق مادة سامة في أوراقه عندما تبدأ الزرافات في أكله فحسب ، بل يطلق أيضًا "غاز إنذار" متطاير يرسل إشارة استغاثة إلى النباتات المحيطة. نتيجة لذلك ، بحثًا عن الطعام ، يتعين على الزرافات الانتقال ليس إلى أقرب الأشجار ، ولكن الابتعاد عنها بمتوسط 350 مترًا. يحلم العلماء اليوم باستخدام مثل هذه الشبكات من أجهزة الاستشعار الحية ، المصححة بطبيعتها ، لرصد البيئة ومهام أخرى.

و: هل حاولت وضع أبحاث الفيزيولوجيا الكهربية للنبات موضع التنفيذ؟

الكسندر فولكوف: لدي براءات اختراع للتنبؤ بالزلازل وتسجيلها باستخدام النباتات.عشية الزلازل (في أجزاء مختلفة من العالم ، الفاصل الزمني يختلف من يومين إلى سبعة أيام) ، تسبب حركة قشرة الأرض مجالات كهرومغناطيسية مميزة. في وقت من الأوقات ، اقترح اليابانيون إصلاحها بمساعدة هوائيات عملاقة - قطع من الحديد يبلغ ارتفاعها كيلومترين ، لكن لا أحد يستطيع بناء مثل هذه الهوائيات ، وهذا ليس ضروريًا. النباتات حساسة جدًا للمجالات الكهرومغناطيسية بحيث يمكنها التنبؤ بالزلازل بشكل أفضل من أي هوائي. على سبيل المثال ، استخدمنا الألوة فيرا لهذه الأغراض - قمنا بتوصيل أقطاب كلوريد الفضة بأوراقها ، وسجلنا النشاط الكهربائي ، وعالجنا البيانات.

و: تبدو رائعة للغاية. لماذا لا يزال هذا النظام غير مطبق في الممارسة؟

ألف: كانت هناك مشكلة غير متوقعة هنا. انظر: لنفترض أنك عمدة سان فرانسيسكو واكتشف أنه سيكون هناك زلزال في غضون يومين. ماالذي ستفعله؟ إذا أخبرت الناس عن هذا ، فنتيجة للذعر والسحق ، قد يموت أو يصاب عدد أكبر من الناس أكثر من الزلزال. بسبب هذه القيود ، لا يمكنني حتى مناقشة نتائج عملنا علنًا في الصحافة المفتوحة. على أي حال ، أعتقد أنه سيكون لدينا عاجلاً أم آجلاً مجموعة متنوعة من أنظمة المراقبة التي تعمل على محطات الاستشعار. على سبيل المثال ، في أحد أعمالنا ، أظهرنا أنه باستخدام تحليل الإشارات الفيزيولوجية الكهربية ، من الممكن إنشاء نظام للتشخيص الفوري لأمراض النباتات الزراعية المختلفة.

المزيد عن هذا الموضوع:

عقل النبات

لغة النباتات