Jak rośliny ostrzegają się nawzajem? Polscy naukowcy odkryli nowy mechanizm

72
0
Podziel się:

Po przeczytaniu tych wyników badań nie przejdziesz obojętnie obok mlecza. Zespół naukowców kierowany przez prof. Stanisława Karpińskiego z SGGW w Warszawie we współpracy z naukowcami z University of Missouri (USA) po raz pierwszy opisał kwantowo-molekularne i fizjologiczne podstawy nieznanej wcześniej formy komunikacji między roślinami oraz uruchamiany w jej wyniku mechanizm, nazwany Sieciową Nabytą Aklimatyzacją. Wyniki „elektryzującego odkrycia” przedstawiono w „The Plant Cell„, najbardziej prestiżowym czasopiśmie publikującym artykuły z zakresu biologii komórki roślin.

Karolina Gawlik: Naukowcy dowodzili już, że rośliny mają zdolność do komunikacji. Czemu te konkretne badania są na ich tle wyjątkowe?

Prof. Stanisław Karpiński: Komunikacją jest odbiór, przetworzenie informacji i odpowiedź na nią – przy takiej definicji możemy stwierdzić, że rośliny się komunikują i rzeczywiście wiemy to od dłuższego czasu. Po pierwsze, komunikują się chemiczne – ten zapach lasu, który czujemy po wejściu do niego, to właśnie związki i hormony uwalniane w tym celu. Sygnały elektryczne roślin też zostały odkryte dość dawno, bo już w 1873 r opisano elektryczne sygnały przy zamykaniu liści mimozy. My natomiast odkryliśmy, że sygnały elektryczne powodują zmiany w metabolizmie reaktywnych form tlenu (RTF) i zmiany w niefotochemicznym wygaszaniu energii zaabsorbowanej w nadmiarze (NPQ) w fotosystemach. 

Komunikacja roślin jak układ nerwowy człowieka

Czyli?

Czyli odkryliśmy, że sygnały elektryczne roślin umożliwiają komunikację pomiędzy fotosystemami w chloroplastach w obrębie całej rośliny i roślin stykających się ze stymulowaną rośliną. Dzieje się to w celu optymalizowania w danych warunkach przepływu zaabsorbowanej energii dla indukcji mechanizmów aklimatyzacyjnych. 

Jak to działa?

Podobnie jak nasz układ nerwowy. Potencjał elektryczny akcji jest przekazywany przez neurony na połączeniach synaptycznych chemicznie, dzięki czemu mamy czucie; wiemy, że się zraniliśmy, uderzyliśmy, czy oparzyliśmy. Rośliny to robią podobnie za pomocą analogicznego układu komórek pochwy otaczającej wiązki przewodzące liści (tzw. nerwy liści). Te komórki przekazują sygnały elektryczne podobnie jak neurony i regulują mechanizmy aklimatyzacyjne i obronne u roślin. To wykazaliśmy w 2010 roku, opisując w „The Plant Cell” mechanizm świetlnej pamięci komórkowej – czyli jak komórki roślin fizjologicznie zapamiętują warunki natężenia i składu spektralnego absorbowanego światła i dostosowują do tej pamięci fotosyntezę, oddychanie, metabolizm oraz mechanizmy aklimatyzacyjne i obronne. 

Jak przebiega komunikacja roślin? Wysyłają sygnał ostrzegawczy o tym, że trzeba się przygotować na dany rodzaj stresu, typu “zaatakował mnie owad, ułamano mi liść, podjada mnie zwierzę, absorbuję za dużo światła”, fot. Raksan36studio/Shutterstock

Wiadomość rozchodzi się w całym buszu

W najnowszych badaniach mniszka lekarskiego zauważyliście jednak coś więcej.

Tak, bo do tej pory mówiliśmy o wewnętrznej komunikacji rośliny, czyli jak liście przekazują informacje do łodygi, łodyga do korzeni, korzenie do liści i tak dalej. Roślina ma  bowiem swoje własne rozeznanie w sytuacji środowiska zewnętrznego; rozpoznaje, czy brakuje jej wody, jaka jest temperatura, warunki świetlne, w jakim kierunku rosnąć. Ale okazuje się, że te informacje płyną nie tylko wewnątrz rośliny, ale i na zewnątrz, na powierzchni liści. Odkryliśmy, że sygnały elektryczne rozchodzą się po powierzchni liści; jeśli liść stymulowanej rośliny styka się z liśćmi innych roślin i w warunkach dużej wilgotności tworzą zamknięty obwód elektryczny, to stymulowany liść jednej rośliny przekaże powierzchniowy sygnał elektryczny do drugiej. Wówczas ta też uruchomi fizjologiczne i molekularne mechanizmy obronne oraz aklimatyzacyjne. 

Możemy dać przykład, kiedy rośliny to robią?

Wysyłają sygnał ostrzegawczy o tym, że trzeba się przygotować na dany rodzaj stresu, typu “zaatakował mnie owad, ułamano mi liść, podjada mnie zwierzę, absorbuję za dużo światła”. Taka wiadomość rozejdzie się nie tylko w jednej roślinie, ale w całym buszu. To jest zupełne nowum.

Uniwersalny język roślin

Można zatem powiedzieć, że rośliny pomagają sobie nawzajem?

Pod kątem ludzkim i społecznym myślimy, że to pomoc, ale u roślin nie ma altruizmu, lecz konkurencja i przystosowanie darwinowskie. Rośliny muszą tak robić, żeby przetrwać; fascynujące jednak, że taka informacja ma uniwersalny język i nie jest zależna od gatunku. Mniszek może przekazać wiadomość rzodkiewnikowi, a rzodkiewnik mimozie. W nagraniu wideo zarejestrowaliśmy, że gdy pierwszy z mniszków jest delikatnie dotykany drucikiem, po kilku sekundach składają się liście mimozy, połączonej obwodem elektrycznym z liśćmi drugiego mniszka stykającego się z pierwszym stymulowanym mniszkiem.

Czyli zależy im na przetrwaniu międzygatunkowym. 

Życie samo w sobie ma zakodowane rozprzestrzenianie i przetrwanie. Z punktu widzenia genetycznego i molekularnego rośliny mają w sobie ten mechanizm życia i dostosowania do różnych warunków. Nie mogą się przemieszczać, więc zaadaptowały się w inny sposób. Choć nie znajdą sobie jaskini i nie rozpalą w niej ognia, absorbują światło i dużą jego część natychmiast przetwarzają na ciepło. Te sygnały elektryczne, które przeskakują z liścia na liść, regulują między innymi ten proces. 

Ma pan wrażenie, że wciąż odbieramy rośliny zbyt prymitywnie?

Owszem. O sparaliżowanym człowieku mówimy „roślinka”, bo nie może się ruszać, ale w człowieku sparaliżowanym wciąż wiele się dzieje – widzi wszystko, słyszy, chciałby odpowiedzieć, choć nie może. Mózg przetwarza wszelkie informacje, wszystko rozumie. Mniej więcej podobnie się dzieje w roślinie. Nasza komunikacja z nimi jest utrudniona, bo nie mamy wspólnego języka, tak jak z innymi ludźmi, czy chociażby zwierzętami domowymi. To nie wyklucza jednak faktu, że roślina jest żywym organizmem, a na poziomie komórki nawet bardziej skomplikowanym. Komórka roślinna ma trzy genomy, a zwierzęca dwa. Wie Pani ile jest fotosystemów w jednym liściu?

Komunikacja roślin działa podobnie jak nasz układ nerwowy. Dzięki niemu mamy czucie. wiemy, że się zraniliśmy, uderzyliśmy, czy oparzyliśmy. fot. martin.dlugo/Shutterstock

Opowieść niemalże jak z Avatara

Skoro pan pyta, to zakładam, że więcej niż kilka.

W jednym chloroplaście mamy ich kilka tysięcy, w komórce mamy kilkanaście lub kilkadziesiąt chloroplastów, czyli w jednej komórce liścia mamy kilkadziesiąt tysięcy fotosystemów. Jeden liść to kilkanaście tysięcy komórek. Czyli w jednym liściu mamy setki milionów fotosystemów. Te wszystkie fotosystemy komunikują się i wzajemnie ustalają między sobą wartości NPQ i fotosyntezy. W przypadku całej rośliny, czy drzewa z tysiącem liści mówimy o bilionach wirtualnych połączeń elektrycznych i dróg komunikacyjnych, a co dopiero w kilkunastu drzewach rosnących obok siebie i stykających się liśćmi. To opowieść niemalże jak z „Avatara”, która była oparta na tym, że korzenie w lesie Pandory tworzą inteligentną sieć komunikacyjną. Z tym że korzenie drzew w naszych lasach mają pośrednika w postaci grzybni, pod ziemią jest wilgotno, a to ułatwia przekaz elektryczny. Nie przypuszczano, że to samo dzieje się na powierzchni.

Jak wyniki takich badań mogą wpłynąć na każdego z nas?

Przynoszą pytanie o to, czy istnieje świadomość, bądź inteligencja inna niż nasza ludzka, niż zwierzęca. Jeżeli mamy do czynienia z tak skomplikowanymi systemami komunikacyjnymi, z mechanizmem świetlnej pamięci komórkowej oraz z mechanizmem NPQ, który faktycznie reguluje kwantowe wartości fotosystemów, w jakiś sposób musi to być inteligencja. Pisaliśmy o tym wcześniej i my, i inni naukowcy.

Rośliny nie stanęły w miejscu w procesie ewolucji. Około 1,2 miliarda lat temu rośliny i zwierzęta mogły mieć wspólnego przodka. Świat zwierzęcych heterotrofów, czy organizmów zwierzęcych oddychających tlenem, mógł się rozwinąć tylko dzięki fotosyntezie, która produkuje tlen. Fotosynteza tlenowa była pierwsza i jest datowana na ok. 3,5 miliarda lat. Około dwa miliardy lat zajął proces wysycenia oceanów tlenem i wytworzenia atmosfery tlenowej z kilku procentowym udziałem tlenu. Dopiero powstanie atmosfery tlenowej i wytworzenie ozonu w stratosferze, które odcięło twarde promieniowanie UV, stworzyło warunki do rozwoju życia na powierzchni ziemi, poza oceanami. Wiemy, że procesy fotosyntezy i oddychania muszą być globalnie zbalansowane, lecz jednocześnie widzimy, jak współczesny człowiek zakłócił tę równowagę.

O zwierzętach mówimy inteligentne, a o roślinach?

Czy takie badania mogą dać jakiś zastrzyk pokory?

Jak najbardziej. Gdy się rozmawia o inteligencji roślin z niektórymi lekarzami, czy naukowcami pracującymi ze zwierzętami, bywa, że patrzą na nasze badania nieco z przymrużeniem oka. Zapominają jednak o tym, że to fotosynteza była pierwsza i bez fotosyntezy byśmy nie istnieli. Naukowcy specjalizujący się w badaniach zwierząt i ludzi nie zdają sobie sprawy, że rośliny zliczają zaabsorbowaną energię fotonów, zapamiętują fizjologicznie te dane i przetwarzają je w celu optymalizacji mechanizmów aklimatyzacji i odporności na choroby, czyli w celu maksymalizacji swojej darwinowskiej konkurencyjności i wydania potomstwa.

Zwierzęta czynią podobnie, zapamiętują kolory i obrazy, natężenie światła, procesują te informacje w celu zwiększenia szans na przeżycie i wydanie potomstwa. O zwierzętach mówimy inteligentne, a o roślinach? Pamiętajmy też, że oko ludzi i zwierząt nie będzie funkcjonować bez luteiny, karetonoidów, witaminy A, E i bez zeaksantyny, która chroni plamkę żółtą w oku. Te roślinne barwniki zabezpieczające działanie fotosystemów są niezbędne dla mechanizmu NPQ, który też działa w naszym oku. Życie jest w ogóle inteligentne, bo gdyby nie było, nie przetrwałoby we Wszechświecie tylu miliardów lat.

Ciekawe, ilu czytelników tego wywiadu, nie przejdzie już tak obojętnie obok mlecza. 

Myślę, że wielu spojrzy na niego inaczej. Sam sobie przypomniałem, że jak byłem dzieckiem, ścinałem w parku pole mniszków, używając kijka jak “maczety”. A teraz sobie wyobrażam te mniszki przekazujące sobie wzajemnie sygnał, że ich atakuje taki nicpoń! Systemy ostrzegawcze u roślin są niezwykle ciekawe, skomplikowane i naturalnie wyrafinowane. Wie pani, co robią niektóre rośliny w lesie, gdy wybucha pożar? W kilka godzin są w stanie przyspieszyć wytwarzanie nasion, żeby zwiększyć szansę przetrwania. 

Brzmi jak naprawdę fascynujący świat.

To prawda. Uważam, że mam wielkie szczęście jako naukowiec i dziękuję Bogu za ten dar patrzenia na świat.

Zdjęcie: piokal/Shutterstock

Podziel się: