ทำไมพืชถึงต้องการแรงกระตุ้นเส้นประสาท

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

ต้นโอ๊กอายุหลายร้อยปี หญ้าเขียวชอุ่ม ผักสด เราไม่คุ้นเคยกับการพิจารณาพืชเป็นสิ่งมีชีวิตและเปล่าประโยชน์ การทดลองแสดงให้เห็นว่าพืชมีระบบประสาทที่คล้ายคลึงกันที่ซับซ้อน และเช่นเดียวกับสัตว์ ก็สามารถตัดสินใจ เก็บความทรงจำ สื่อสาร และแม้กระทั่งให้ของขวัญแก่กันและกัน

อเล็กซานเดอร์ โวลคอฟ ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยโอ๊ควูด ช่วยให้เข้าใจรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับสรีรวิทยาไฟฟ้าของพืช

นักข่าว: ฉันไม่เคยคิดเลยว่าจะมีใครทำสรีรวิทยาไฟฟ้าของพืช จนกว่าฉันจะเจอบทความของคุณ

อเล็กซานเดอร์ โวลคอฟ: คุณไม่ได้อยู่คนเดียว ประชาชนทั่วไปมักชินกับการมองพืชเป็นอาหารหรือองค์ประกอบภูมิทัศน์โดยไม่ได้ตระหนักว่าพวกมันยังมีชีวิตอยู่ เมื่อฉันทำรายงานในเฮลซิงกิเกี่ยวกับไฟฟ้าสรีรวิทยาของพืช และจากนั้นเพื่อนร่วมงานของฉันก็ประหลาดใจมาก: “ฉันเคยจัดการกับหัวข้อที่จริงจัง - ของเหลวที่ผสมไม่ได้ แต่ตอนนี้ฉันกำลังจัดการกับผลไม้และผักบางชนิด” แต่นี่ไม่ใช่กรณีเสมอไป: หนังสือเล่มแรกเกี่ยวกับอิเล็กโทรสรีรวิทยาของพืชได้รับการตีพิมพ์ในศตวรรษที่ 18 จากนั้นการศึกษาสัตว์และพืชก็ดำเนินไปในลักษณะคู่ขนานกันเกือบ ตัวอย่างเช่น ดาร์วินเชื่อว่ารากคือสมองชนิดหนึ่ง ซึ่งเป็นคอมพิวเตอร์เคมีที่ประมวลผลสัญญาณจากพืชทั้งหมด (ดู ตัวอย่างเช่น "การเคลื่อนไหวในพืช") แล้วสงครามโลกครั้งที่หนึ่งก็มาถึง และทรัพยากรทั้งหมดก็ถูกทุ่มลงไปในการศึกษาด้านอิเล็กโตรสรีรวิทยาของสัตว์ เพราะผู้คนต้องการยาตัวใหม่

ว: มันดูสมเหตุสมผลนะ หนูทดลองยังอยู่ใกล้มนุษย์มากกว่าหนูไวโอเล็ต

AV: ในความเป็นจริง ความแตกต่างระหว่างพืชและสัตว์นั้นไม่ใหญ่นัก และโดยทั่วไปแล้ว ในทางสรีรวิทยาไฟฟ้ามีน้อย พืชมีเซลล์ประสาทที่คล้ายคลึงกันเกือบสมบูรณ์ - เนื้อเยื่อที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าของโฟลเอ็ม มีองค์ประกอบ ขนาด และหน้าที่เหมือนกับเซลล์ประสาท ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือในสัตว์ ช่องโซเดียมและโพแทสเซียมไอออนถูกใช้ในเซลล์ประสาทเพื่อส่งผ่านศักยภาพในการดำเนินการ ในขณะที่ช่องโฟลเอ็มของพืช ใช้ช่องคลอไรด์และโพแทสเซียมไอออน นั่นคือความแตกต่างทั้งหมดในสรีรวิทยา เมื่อเร็ว ๆ นี้ชาวเยอรมันได้พบสารเคมีที่ไซแนปส์ในพืช เราเป็นไฟฟ้า และโดยทั่วไปแล้ว พืชมีสารสื่อประสาทเช่นเดียวกับสัตว์ สำหรับฉันแล้วดูเหมือนว่าเรื่องนี้จะสมเหตุสมผล: ถ้าฉันกำลังสร้างโลก และฉันเป็นคนเกียจคร้าน ฉันจะทำให้ทุกอย่างเหมือนเดิมเพื่อให้ทุกอย่างเข้ากันได้

ทำไมพืชถึงต้องการกระแสประสาท?

เราไม่ได้คิดเกี่ยวกับมัน แต่พืชในชีวิตของพวกมันประมวลผลสัญญาณจากสภาพแวดล้อมภายนอกมากกว่ามนุษย์หรือสัตว์อื่นๆ พวกเขาตอบสนองต่อแสง ความร้อน แรงโน้มถ่วง องค์ประกอบของเกลือของดิน สนามแม่เหล็ก เชื้อโรคต่างๆ และเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมได้อย่างยืดหยุ่นภายใต้อิทธิพลของข้อมูลที่ได้รับ ตัวอย่างเช่น ในห้องปฏิบัติการของ Stefano Mancuso แห่งมหาวิทยาลัยฟลอเรนซ์ ทำการทดลองโดยใช้ยอดถั่วปีนเขาสองอัน นักวิทยาศาสตร์ได้ให้การสนับสนุนร่วมกันระหว่างพืชและหน่อก็เริ่มวิ่งเข้าหามัน แต่ทันทีที่พืชต้นแรกปีนขึ้นไปบนฐานรองรับ พืชต้นที่สองดูเหมือนจะรับรู้ทันทีว่าพ่ายแพ้และหยุดเติบโตไปในทิศทางนี้ เข้าใจว่าการต่อสู้เพื่อทรัพยากรนั้นไร้ความหมายและควรมองหาความสุขที่อื่นดีกว่า

ก: พืชไม่เคลื่อนไหว เติบโตช้า และโดยทั่วไปมีชีวิตอยู่ไม่เร่งรีบ ดูเหมือนว่าแรงกระตุ้นของเส้นประสาทควรแพร่กระจายช้ากว่ามาก

อเล็กซานเดอร์ โวลคอฟ: นี่เป็นความเข้าใจผิดที่มีมาช้านานในวิทยาศาสตร์ ในยุค 70 ของศตวรรษที่ XIX ชาวอังกฤษวัดว่าศักยภาพในการทำงานของ Flytrap ของ Venus แพร่กระจายด้วยความเร็ว 20 เซนติเมตรต่อวินาที แต่นี่เป็นความผิดพลาดพวกเขาเป็นนักชีววิทยาและไม่รู้เทคนิคการวัดทางไฟฟ้าเลย: ในการทดลองของพวกเขา ชาวอังกฤษใช้โวลต์มิเตอร์แบบช้า ซึ่งบันทึกแรงกระตุ้นของเส้นประสาทได้ช้ากว่าการแพร่กระจายซึ่งเป็นที่ยอมรับไม่ได้โดยสิ้นเชิง ตอนนี้เรารู้แล้วว่าแรงกระตุ้นของเส้นประสาทสามารถวิ่งผ่านพืชด้วยความเร็วที่แตกต่างกันมาก ขึ้นอยู่กับตำแหน่งของการกระตุ้นสัญญาณและธรรมชาติของมัน ความเร็วสูงสุดของการแพร่กระจายของศักยภาพในการดำเนินการในพืชนั้นเทียบได้กับตัวบ่งชี้เดียวกันในสัตว์ และเวลาผ่อนคลายหลังจากผ่านไปของศักยภาพในการดำเนินการอาจแตกต่างกันไปจากมิลลิวินาทีถึงหลายวินาที

W: พืชใช้แรงกระตุ้นของเส้นประสาทเหล่านี้เพื่ออะไร?

AV: ตัวอย่างหนังสือเรียนคือ Venus flytrap ที่ผมได้กล่าวไปแล้ว พืชเหล่านี้อาศัยอยู่ในพื้นที่ที่มีดินชื้นมาก ซึ่งอากาศจะเข้าไปได้ยาก ดังนั้นจึงมีไนโตรเจนในดินเพียงเล็กน้อย นักจับแมลงวันขาดสารสำคัญนี้จากการกินแมลงและกบตัวเล็ก ๆ ซึ่งพวกมันจับด้วยกับดักไฟฟ้า - กลีบสองกลีบซึ่งแต่ละกลีบมีเซ็นเซอร์ piezomechanical สามตัวติดตั้งอยู่ภายใน เมื่อแมลงนั่งบนกลีบดอกใด ๆ และสัมผัสตัวรับเหล่านี้ด้วยอุ้งเท้าของมัน ศักยภาพในการดำเนินการจะเกิดขึ้นในตัวพวกมัน หากแมลงสัมผัสกลไกเซ็นเซอร์สองครั้งภายใน 30 วินาที กับดักจะถูกกระแทกปิดในเสี้ยววินาที เราตรวจสอบการทำงานของระบบนี้ - เราใช้สัญญาณไฟฟ้าเทียมกับกับดักของ flytrap ของ Venus และทุกอย่างทำงานในลักษณะเดียวกัน - กับดักถูกปิด จากนั้นเราก็ทำการทดลองซ้ำกับผักกระเฉดและพืชชนิดอื่นๆ ดังนั้นเราจึงแสดงให้เห็นว่าเป็นไปได้ที่จะบังคับให้พืชเปิด ปิด เคลื่อนที่ ก้มลง โดยทั่วไป ทำทุกอย่างที่คุณต้องการ โดยใช้สัญญาณไฟฟ้า ในกรณีนี้ การกระตุ้นจากภายนอกที่มีลักษณะแตกต่างกันทำให้เกิดศักยภาพในการดำเนินการในพืช ซึ่งอาจแตกต่างกันไปตามแอมพลิจูด ความเร็ว และระยะเวลา

W: พืชสามารถตอบสนองต่ออะไรได้อีก?

AV: หากคุณตัดหญ้าในบ้านในชนบท ศักยภาพในการดำเนินการจะไปถึงรากของต้นไม้ทันที ยีนบางตัวจะเริ่มแสดงออก และการสังเคราะห์ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์จะถูกกระตุ้นบนบาดแผล ซึ่งช่วยปกป้องพืชจากการติดเชื้อ ในทำนองเดียวกัน หากคุณเปลี่ยนทิศทางของแสง ในช่วง 100 วินาทีแรก พืชจะไม่ตอบสนองต่อมัน แต่อย่างใด เพื่อตัดตัวเลือกของเงาจากนกหรือสัตว์ออกไป สัญญาณไฟฟ้าจะกลับมาอีกครั้ง ตามที่โรงงานจะเปิดในไม่กี่วินาทีในลักษณะที่จะจับฟลักซ์การส่องสว่างให้ได้มากที่สุด สิ่งเดียวกันทั้งหมดจะเกิดขึ้น และเมื่อคุณเริ่มหยดน้ำเดือด และเมื่อคุณนำไฟแช็กที่จุดไฟขึ้นมา และเมื่อคุณใส่ต้นไม้ในน้ำแข็ง พืชจะตอบสนองต่อสิ่งเร้าใดๆ ด้วยความช่วยเหลือของสัญญาณไฟฟ้าที่ควบคุมการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของสิ่งแวดล้อม เงื่อนไข.

หน่วยความจำพืช

พืชไม่เพียง แต่รู้วิธีตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมภายนอกและคำนวณการกระทำของพวกเขาเท่านั้น แต่ยังเชื่อมโยงความสัมพันธ์ทางสังคมบางอย่างเข้าด้วยกัน ตัวอย่างเช่น การสังเกตของ Peter Volleben ผู้พิทักษ์ป่าชาวเยอรมัน แสดงให้เห็นว่าต้นไม้มีมิตรภาพชนิดหนึ่ง: ต้นไม้คู่พันพันกันด้วยรากและดูแลอย่างระมัดระวังว่าครอบฟันของพวกมันไม่รบกวนการเจริญเติบโตของกันและกัน ในขณะที่ต้นไม้สุ่มไม่มีความรู้สึกพิเศษใดๆ สำหรับเพื่อนบ้านพวกเขามักจะพยายามคว้าพื้นที่ใช้สอยมากขึ้น ในเวลาเดียวกัน มิตรภาพสามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างต้นไม้ประเภทต่างๆ ดังนั้น ในการทดลองของ Mancuso เดียวกัน นักวิทยาศาสตร์สังเกตว่า ไม่นานก่อนการตายของดักลาส ดูเหมือนว่ามันจะทิ้งมรดกไว้: ต้นสนสีเหลืองซึ่งอยู่ไม่ไกลจากมันส่งอินทรียวัตถุจำนวนมากผ่านระบบราก

W: พืชมีความจำหรือไม่?

อเล็กซานเดอร์ โวลคอฟ: พืชมีหน่วยความจำประเภทเดียวกับสัตว์ตัวอย่างเช่น เราได้แสดงให้เห็นว่า flytrap ของ Venus มีหน่วยความจำ: เพื่อให้กับดักทำงาน ต้องส่งกระแสไฟฟ้า 10 ไมโครคัปเปิลไปที่นั่น แต่ปรากฎว่าไม่จำเป็นต้องทำในเซสชันเดียว คุณสามารถให้บริการไมโครคูลอมบ์สองอันก่อน ตามด้วยอีกห้าไมโครคูลอมบ์ เป็นต้น เมื่อรวมเป็น 10 ดูเหมือนว่าพืชที่มีแมลงเข้าไปและจะปิดตัวลง สิ่งเดียวคือคุณไม่สามารถหยุดพักเกิน 40 วินาทีระหว่างเซสชัน มิฉะนั้น ตัวนับจะรีเซ็ตเป็นศูนย์ - คุณจะได้รับหน่วยความจำระยะสั้นดังกล่าว และความจำระยะยาวของพืชนั้นมองเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น น้ำค้างแข็งในฤดูใบไม้ผลิครั้งหนึ่งกระทบเราในวันที่ 30 เมษายน และดอกไม้ทั้งหมดก็แข็งตัวบนต้นมะเดื่อในชั่วข้ามคืน และในปีหน้าก็ไม่บานจนถึงวันที่ 1 พฤษภาคม เพราะมันจำได้ว่ามันคืออะไร จบลงแล้ว นักสรีรวิทยาพืชได้สังเกตลักษณะคล้ายคลึงกันมากมายในช่วง 50 ปีที่ผ่านมา

W: หน่วยความจำของพืชถูกเก็บไว้ที่ไหน?

AV: เมื่อฉันพบกันในการประชุมในหมู่เกาะคานารี Leon Chua ซึ่งครั้งหนึ่งเคยทำนายการมีอยู่ของ memristors - การต่อต้านด้วยความทรงจำของกระแสที่ผ่าน เราได้พูดคุยกัน: ชัวแทบไม่รู้อะไรเลยเกี่ยวกับช่องไอออนและสรีรวิทยาไฟฟ้าของพืช ฉัน - เกี่ยวกับเมมริสเตอร์ เป็นผลให้เขาขอให้ฉันพยายามค้นหา memristors ใน vivo เพราะตามการคำนวณของเขาพวกเขาควรจะเกี่ยวข้องกับหน่วยความจำ แต่จนถึงขณะนี้ยังไม่มีใครพบพวกมันในสิ่งมีชีวิต เราทำทั้งหมด: เราแสดงให้เห็นว่าช่องโพแทสเซียมที่ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของว่านหางจระเข้ ผักกระเฉด และแมลงวัน Venus เดียวกันนั้นเป็นเยื่อเมือกโดยธรรมชาติ และในงานต่อไปนี้ พบคุณสมบัติในการช่วยจำในแอปเปิ้ล มันฝรั่ง เมล็ดฟักทอง และอื่นๆ ดอกไม้. มีความเป็นไปได้ค่อนข้างมากที่ความทรงจำของพืชจะถูกผูกไว้อย่างแม่นยำกับ memristors เหล่านี้ แต่ก็ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด

ว: พืชรู้วิธีตัดสินใจ มีความทรงจำ ขั้นตอนต่อไปคือการปฏิสัมพันธ์ทางสังคม พืชสามารถสื่อสารซึ่งกันและกันได้หรือไม่?

AV: คุณรู้ไหม ใน Avatar มีตอนที่ต้นไม้สื่อสารกันใต้ดิน นี่ไม่ใช่จินตนาการอย่างที่ใคร ๆ ก็คิด แต่เป็นความจริงที่เป็นที่ยอมรับ เมื่อฉันอาศัยอยู่ในสหภาพโซเวียต เรามักจะไปเก็บเห็ดและทุกคนรู้ว่าเห็ดจะต้องใช้มีดอย่างระมัดระวังเพื่อไม่ให้เกิดความเสียหายกับไมซีเลียม ตอนนี้ปรากฎว่าไมซีเลียมเป็นสายไฟฟ้าที่ต้นไม้สามารถสื่อสารกันและกับเห็ดได้ นอกจากนี้ยังมีหลักฐานมากมายที่แสดงว่าต้นไม้ไม่เพียงแลกเปลี่ยนสัญญาณไฟฟ้าตามไมซีเลียมเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารประกอบทางเคมี หรือแม้แต่ไวรัสและแบคทีเรียที่เป็นอันตราย

ว: คุณพูดอะไรเกี่ยวกับตำนานที่ว่าพืชเข้าใจคำพูดของมนุษย์ได้ ดังนั้นคุณต้องคุยกับพวกเขาอย่างใจเย็นและใจเย็นเพื่อให้พวกมันเติบโตดีขึ้น

AV: นี่เป็นเพียงตำนาน ไม่มีอะไรอื่น

ว: เราใช้คำว่า "เจ็บปวด" "ความคิด" "สติ" กับพืชได้ไหม?

AV: ฉันไม่รู้อะไรเกี่ยวกับเรื่องนี้เลย นี่เป็นคำถามของปรัชญาอยู่แล้ว ฤดูร้อนปีที่แล้วที่เซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก มีการประชุมสัมมนาเรื่องสัญญาณในพืช และนักปรัชญาหลายคนจากประเทศต่างๆ มาที่นี่พร้อมกัน ดังนั้นหัวข้อนี้จึงเริ่มที่จะได้รับการแก้ไข แต่ฉันเคยพูดถึงสิ่งที่ฉันสามารถทดสอบหรือคำนวณในการทดลองได้

พืชเป็นเซ็นเซอร์

พืชสามารถประสานการกระทำของพวกเขาโดยใช้เครือข่ายที่แตกแขนง ดังนั้น อะคาเซียที่เติบโตในทุ่งหญ้าสะวันนาของแอฟริกาไม่เพียงแต่ปล่อยสารพิษเข้าสู่ใบของมันเมื่อยีราฟเริ่มกินมัน แต่ยังปล่อย "ก๊าซเตือน" ที่ระเหยได้ซึ่งส่งสัญญาณความทุกข์ไปยังพืชโดยรอบ ส่งผลให้ในการค้นหาอาหาร ยีราฟต้องไม่ย้ายไปที่ต้นไม้ที่ใกล้ที่สุด แต่ให้ย้ายออกจากพวกมันโดยเฉลี่ย 350 เมตร ทุกวันนี้ นักวิทยาศาสตร์ใฝ่ฝันที่จะใช้เครือข่ายเซ็นเซอร์ที่มีชีวิตดังกล่าว ซึ่งถูกดีบั๊กโดยธรรมชาติ เพื่อการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อมและงานอื่นๆ

ว: คุณได้พยายามนำการวิจัยทางไฟฟ้าสรีรวิทยาของพืชไปปฏิบัติหรือไม่?

อเล็กซานเดอร์ โวลคอฟ: ฉันมีสิทธิบัตรสำหรับการทำนายและการลงทะเบียนแผ่นดินไหวโดยใช้พืชก่อนเกิดแผ่นดินไหว (ในส่วนต่างๆ ของโลก ช่วงเวลาจะแตกต่างกันไปตั้งแต่สองถึงเจ็ดวัน) การเคลื่อนที่ของเปลือกโลกทำให้เกิดสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีลักษณะเฉพาะ ครั้งหนึ่งชาวญี่ปุ่นเสนอให้แก้ไขด้วยความช่วยเหลือของเสาอากาศยักษ์ - ชิ้นส่วนเหล็กสูงสองกิโลเมตร แต่ไม่มีใครสามารถสร้างเสาอากาศดังกล่าวได้และไม่จำเป็น พืชมีความไวต่อสนามแม่เหล็กไฟฟ้ามากจนสามารถทำนายแผ่นดินไหวได้ดีกว่าเสาอากาศใดๆ ตัวอย่างเช่น เราใช้ว่านหางจระเข้เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้ เราเชื่อมต่ออิเล็กโทรดซิลเวอร์คลอไรด์กับใบของมัน บันทึกกิจกรรมทางไฟฟ้า และประมวลผลข้อมูล

W: ฟังดูยอดเยี่ยมมาก เหตุใดระบบนี้จึงยังไม่นำไปใช้ในทางปฏิบัติ

AV: เกิดปัญหาที่ไม่คาดคิดที่นี่ ดู: สมมติว่าคุณเป็นนายกเทศมนตรีซานฟรานซิสโกและพบว่าจะเกิดแผ่นดินไหวในสองวัน คุณกำลังจะทำอะไร? ถ้าคุณบอกคนอื่นเกี่ยวกับเรื่องนี้ อันเป็นผลมาจากความตื่นตระหนกและถูกบดขยี้ ผู้คนจำนวนมากอาจเสียชีวิตหรือได้รับบาดเจ็บมากกว่าแผ่นดินไหว เนื่องจากข้อจำกัดดังกล่าว ข้าพเจ้าจึงไม่สามารถพูดคุยเกี่ยวกับผลงานของเราในที่สาธารณะได้ ไม่ว่าในกรณีใด ฉันคิดว่าไม่ช้าก็เร็วเราจะมีระบบตรวจสอบที่หลากหลายที่ทำงานในโรงงานเซ็นเซอร์ ตัวอย่างเช่น ในงานชิ้นหนึ่งของเรา เราได้แสดงให้เห็นว่าการใช้การวิเคราะห์สัญญาณไฟฟ้าทางกายภาพ สามารถสร้างระบบสำหรับการวินิจฉัยโรคต่างๆ ของพืชทางการเกษตรได้ทันที

เพิ่มเติมในหัวข้อ:

พืชใจ

ภาษาของพืช