Рослини-скромники, позбавлені відчуттів. Учені спростовують думку про здатність рослин відчувати біль

Раніше рослинні нейробіологи припускали, що сигнальні механізми, які задіяні в захисних реакціях, схожі на ті, що використовуються в нервовій системі тварин. Однак Девід Робінсон, учений-рослинник із Гейдельберзького університету, в кількох роботах розвінчав цю теорію, заявивши, що твердження рослинних нейробіологів не підкріплене доказами. Робінсон зазначає, що ці твердження випливають із бажання продемонструвати, що рослини та тварини докорінно схожі, здатні мислити, ухвалювати рішення, запам'ятовувати й відчувати біль. Однак доказів, які підтверджують ці твердження, немає, пише Chemistry World.

У Фокус.Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтеся, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Хоча в рослин немає нервів і мозку, вони здатні визначати, коли їх їдять, що є захопливою темою для Теда Фармера, експерта із сигналізації рослин з Університету Лозанни у Швейцарії. Попри свою освіту в галузі біології тварин, Фармер підкреслює, що він був би розчарований, виявивши схожі механізми як у рослин, так і у тварин. Він розглядає рослини як своєрідні організми, які значно відрізняються від людини. Зараз він та інші дослідники відкривають незвичайну, але дуже просунуту систему виявлення навколишнього середовища, яка дозволяє рослинам швидко реагувати на стрес і ушкодження навіть за відсутності нервів. Хоча на це пішло понад століття, наука про сигналізацію рослин процвітає.

Рослина-скромниця або "недоторка"

Мімоза сором'язлива (Mimosa pudica) — рослина, яка зацікавила вчених і садівників-любителів своєю швидкою реакцією на торкання. Під час дотику ніжне листя рослини швидко згортається, що, мабуть, є захисним механізмом від травоїдних. Італійський дослідник рослин Убальдо Рікка близько століття тому досліджував причину цих рухів, використовуючи елементарне обладнання: червоний барвник, ножиці та секундомір. Рікка зрізав стебло мімози, занурював його в барвник і, коли листя скручувалося, зрізав стебло далі та спостерігав, як далеко просунувся барвник. Фарба майже завжди досягала згорнутого листа на той час, коли він згортався. Робота Ріккі показала, що мімоза використовує просту дифузію хімічних речовин, названих факторами Ріккі. Вони існують для передачі попереджувального сигналу через свої водопровідні трубки (ксилему).

Із того часу спільнота вчених, які вивчають рослини, використовувала сучасні методи візуалізації та генетику для подальшого вивчення механізму, що лежить в основі цих рухів. Проте остаточного рішення досі не знайдено. Деякі дослідники представили дані, що підтверджують висновки Ріккі, припускаючи існування рухомої молекули або набору молекул, які викликають реакції у відповідь. Інші відкинули цю концепцію як неправдоподібну.

На додаток до простої дифузії молекул, що вивільняються в разі пошкоджень, сучасні теорії припускають, що реакція рослин на рану може також включати активні механізми, що вимагають безпосередньо живих клітин і гідравлічних хвиль, що ініціюються зміною тиску води. За словами Фолкнера, дослідника рослин із Центру Джона Іннеса в Норвічі, Великобританія, у міру того, як вчені намагалися об'єднати безліч можливих механізмів, моделі поранення рослин ставали дедалі складнішими.

Крім того, вчені використовують електроди для вимірювання електричних сигналів, які поширюються по стеблах і листю після поранення. Хоча точна причина цих сигналів незрозуміла, хімічні й електричні сигнали, ймовірно, принаймні частково виходять із того самого джерела, вважає Фармер, експерт із сигналів рослин із Університету Лозанни. Він стверджує, що рослини подібні до "хімічних фабрик", і коли їхні клітини пошкоджуються, суміш сполук, яка витікає назовні, містить іони, що змінюють баланс електричного потенціалу в клітинних мембранах. Можливо, ця зміна мембранного потенціалу може генерувати електричний сигнал, який передається від однієї клітини до іншої.

Прихований світ кальцію

Дослідники виявили, що один конкретний іон, дикатіон кальцію (Ca2+), відіграє вирішальну роль реакції рослин на рану. Після пошкодження рослин Ca2+ переноситься через мембрани клітини. Вчені використовували генетично сконструйовані рослини для створення кальцієвих індикаторів, щоб розкрити "прихований світ" іонів кальцію в рослинах. Ці рослини, сконструйовані для біолюмінесцентного білка медузи, світяться синім кольором під час зв'язування з кальцієм. Використовуючи цей метод, німецькі дослідники у 2015 році спостерігали за стрибками кальцію в листі рослин, які були з'їдені личинками молі, навіть у віддаленому листі, що дозволяє припустити, що кальцій відіграє певну роль у передачі сигналу про рану від листка до листка. Хоча кальцій не є першою ланкою ланцюга реакції на рану, вважається, що він відіграє ключову роль у цьому процесі. Кальцій легко візуалізувати, і клітини підтримують крутий градієнт концентрації між внутрішнім і зовнішнім середовищем. Коли канали Ca2+ відчиняються, клітини наповнюються кальцієм, створюючи сильний сигнал, який легко виявити.

Оскільки кальцій став важливим елементом головоломки, команда Фармера продовжила свої зусилля щодо розкриття інших компонентів цього шляху. У 2013 році вони першими ідентифікували генетичний компонент шляху, який потрібний рослинам для сигналізації про рани. Їхнє дослідження відкрило двері для подальших досліджень, оскільки результати показали, що рослини без функціональних генів глутаматних рецепторів (GLR) дають слабкішу електричну відповідь у разі поранення, а також менш ефективно активують гормон захисту рослин жасмонат. Зокрема, гени GLR кодують білки, які діють як шлюзи для кальцію, що є головною дійовою особою в сигнальному процесі рани.

Попри цей прогрес, точна роль кальцію залишається загадковою, і неясно, яку інформацію він несе. Фармер визнає, що кальцій є найскладнішою частиною історії, і що вчені знають про нього менше, ніж їм здається. Коста зазначає, що в рослинних клітинах існує 250 різних кальцій-зв'язуючих білків, що вказує на те, що коли кальцій потрапляє всередину, він майже завжди викликає реакцію у відповідь, навіть якщо природа цієї реакції ще не до кінця зрозуміла.

Однак відкриття GLRs дозволило припустити, що амінокислота глутамат також може відігравати роль сигналізації рани у рослин, оскільки вона діє як ключ до білкових воріт у мембранах клітин тварин, дозволяючи кальцію проникати в клітини. Тому можливо, що глутамат і кальцій також пов'язані між собою в сигналізації рани у рослин.

У 2018 році команда Масацугу Тойоти з Університету Сайтама в Японії використовувала флуоресцентні молекули для візуалізації реакції рослин у ширшому масштабі, продемонструвавши можливості цього підходу. Замість фокусуватися на окремих клітинах, вони хотіли спостерігати за кальцієвою відповіддю в цілих рослинах. Використовуючи генетично закодовані білки-репортери медузи, вони спостерігали, як сигнали кальцію та глутамату поширюються скельними рослинами у відповідь на пошкодження листя. Ця робота поєднала деякі точки, зв'язавши кальцієві хвилі з глутаматом і йонними воротами GLR, оскільки рослини, позбавлені цих воріт, не виявляли жодної реакції під час пошкодження. Проте, оскільки глутамат поширювався лише локально, його не вважали основним сигналом. На цьому етапі багато вчених-рослинників виключили кальцій як мобільний месенджер через його високу реактивність, і все ще йшли суперечки про те, чи може сигнал про поранення передаватися шляхом простої молекулярної дифузії, чи для цього потрібна хвиля тиску або механізм активного транспорту за участю кальцію.

За словами Анналіси Белланді, яка була аспіранткою Фолкнера, а зараз працює у Вищій нормальній школі Ліона у Франції, коли команда Центру Джона Іннеса спробувала самостійно вирішити цю проблему, використовуючи ті ж флуоресцентні молекули, що й група Тойоти, теорія Рікка була в них "у задній кишені". Белланді використовувала хвилю кальцію як "хвилю пончика", що поширюється від місця ушкодження, і розробила нові методи аналізу даних, що дозволяють відстежувати швидкість руху хвилі кальцію в міру збільшення розміру пончика, вимірюючи не тільки флуоресценцію всередині пончика, але і швидкість її поширення. Цей підхід дозволив їм дійти невтішного висновку, що хвиля кальцію не поширюється активно по листю й жилках, оскільки рух хвилі уповільнюється згодом. У своїй роботі 2022 року команда припустила, що глутамат є провідним фактором, що вивільняється в пошкодженому листі й поширюється через сусідні рослинні клітини по ходах, що з'єднують їхні клітинні стінки. Хвиля кальцію, з іншого боку, вважається "зчитуванням" глутамату, який відчиняє двері клітин GLR під час проходження через них. Коли перерізається велика вена, глутамат також потрапляє в судини ксилеми та потоком води прямує до віддаленого листя. Їхня модель пропонує простіше пояснення сигналізації рани, ніж багато хто міг припустити. Крім того, детальний аналіз хвиль кальцію та глутамату в поєднанні з математичним моделюванням проливає нове світло на їхній транспорт, повертаючи глутамат у центр уваги.

Ширша перспектива

Однак ця нова інтерпретація подій викликає додаткові питання. Тойота, наприклад, як і раніше переконаний у цьому, що глутаматна сигналізація може пояснити передачу сигналу на великі відстані. Він стверджує: "Як глутамат може передаватися з дуже високою швидкістю від місця рани до віддаленої ділянки, ми поняття не маємо". У своєму недавньому дослідженні він використовував сучасні методи, щоб спостерігати за флуоресцентними сигналами кальцію та електричними сигналами, що йдуть в унісон у початковому піддослідному об'єкті Рікка — мімозі сором'язливій, — викликаючи закриття листя протягом кількох секунд після дотику до них. Він пояснює, що в цьому випадку поки невідомо, що саме приводлить кальцієвий сигнал у рух так швидко.

Коста зазначає, що висновки Фолкнера стосуються сигналів глутамату, що проходять від одного листка до іншого в проростках. Але останні експерименти його команди демонструють швидке зростання рівня глутамату у віддалених місцях більших рослин. Цікаво, що вони спостерігали цей сигнал глутамату навіть за відсутності будь-яких зрізів чи дроблення. Коли вони використовували сорбітол для відбору води з коренів гідропонічно вирощеного роккресу, викликаючи осмотичний стрес, вони все одно спостерігали реакцію у відповідь у листку та первинній головці квітки. Отдже, Коста припускає, що первинний сигнал — це зміна тиску води всередині клітин, а глутамат, що відкриває кальцієві ворота, — це те, що відбувається нижче за течією, у віддалених областях рослини.

Цілком імовірно, що рослини використовують більш ніж одну систему, до того ж системи "корінь — листок" і "листок — листок" можуть відрізнятися. Фармер високо оцінює роботу, виконану групою Джона Іннеса, вважаючи, що вона може багато чого пояснити щодо запуску кальцієвого сигналу поблизу рани. Однак він також вважає, що потоки води й зміни тиску можуть відігравати важливу роль у передачі сигналів на більш далекі відстані. Його остання модель підкреслює, як фактори Рікка витягують воду з клітин, змінюючи їхній мембранний потенціал, а потоки води допомагають "сифонувати" ці фактори в судини ксилеми для транспортування у віддалені місця. Ця модель також пов'язує хвилі деполяризації мембрани зі швидкою електричною сигналізацією. Отже, на думку Фармера, це не просто дифузія, а складніший процес.

Фолкнер стверджує, що відкритий ними механізм, швидше за все, є лише однією частиною великої головоломки, і, ймовірно, існує ще багато факторів, що беруть участь у сигналізації та реакції рослин, які ще належить відкрити. Однак, на відміну від кальцію та глутамату, тут немає доступних сенсорів, і їм доводиться починати все спочатку. Виявляється, рослини можуть бути складними навіть без мозку.

Раніше Фокус писав про те, що деяким рослинам доводилося харчуватися фекаліями, щоб вижити. Вчені виявили, що певні види м'ясоїдного латаття (Nepenthes) переключилися на нову дієту — на жаль, не настільки апетитну.