Mengapa tumbuhan membutuhkan impuls saraf?

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Pohon ek berusia berabad-abad, rumput yang rimbun, sayuran segar - entah bagaimana kita tidak terbiasa menganggap tanaman sebagai makhluk hidup, dan sia-sia. Eksperimen menunjukkan bahwa tumbuhan memiliki semacam analog kompleks dari sistem saraf dan, seperti halnya hewan, mampu membuat keputusan, menyimpan ingatan, berkomunikasi, dan bahkan saling memberi hadiah.

Profesor Universitas Oakwood Alexander Volkov membantu untuk memahami secara lebih rinci elektrofisiologi tanaman.

Wartawan: Saya tidak pernah berpikir bahwa seseorang melakukan elektrofisiologi tumbuhan sampai saya menemukan artikel Anda

Alexander Volkov:Anda tidak sendiri. Masyarakat umum terbiasa melihat tumbuhan sebagai elemen makanan atau lanskap tanpa menyadari bahwa mereka hidup. Suatu kali saya membuat laporan di Helsinki tentang elektrofisiologi tanaman, dan kemudian rekan-rekan saya sangat terkejut: "Dulu saya membahas topik yang serius - cairan yang tidak dapat bercampur, tetapi sekarang saya berurusan dengan beberapa jenis buah dan sayuran". Tetapi ini tidak selalu terjadi: buku-buku pertama tentang elektrofisiologi tumbuhan diterbitkan pada abad ke-18, dan kemudian studi tentang hewan dan tumbuhan berjalan dengan cara yang hampir paralel. Misalnya, Darwin yakin bahwa akar adalah sejenis otak, komputer kimia yang memproses sinyal dari seluruh tumbuhan (lihat, misalnya, "Pergerakan pada Tumbuhan"). Dan kemudian Perang Dunia Pertama datang dan semua sumber daya dilemparkan ke dalam studi elektrofisiologi hewan, karena orang membutuhkan obat baru.

W: Tampaknya logis: tikus laboratorium masih lebih dekat dengan manusia daripada violet

A. V:Pada kenyataannya, perbedaan antara tumbuhan dan hewan sama sekali tidak terlalu besar, dan dalam elektrofisiologi umumnya minimal. Tumbuhan memiliki analog neuron yang hampir lengkap - jaringan konduktif floem. Ini memiliki komposisi, ukuran dan fungsi yang sama dengan neuron. Satu-satunya perbedaan adalah bahwa pada hewan, saluran ion natrium dan kalium digunakan dalam neuron untuk mentransmisikan potensial aksi, sedangkan pada floem tumbuhan, saluran ion klorida dan kalium digunakan. Itulah seluruh perbedaan dalam neurofisiologi. Orang Jerman baru-baru ini menemukan sinapsis kimia pada tumbuhan, kita adalah listrik, dan secara umum, tumbuhan memiliki neurotransmiter yang sama dengan hewan. Bagi saya ini bahkan logis: jika saya menciptakan dunia, dan saya adalah orang yang malas, saya akan membuat semuanya sama sehingga semuanya kompatibel.

Mengapa tumbuhan membutuhkan impuls saraf?

Kami tidak memikirkannya, tetapi tanaman dalam kehidupan mereka memproses lebih banyak jenis sinyal dari lingkungan eksternal daripada manusia atau hewan lainnya. Mereka bereaksi terhadap cahaya, panas, gravitasi, komposisi garam tanah, medan magnet, berbagai patogen dan secara fleksibel mengubah perilaku mereka di bawah pengaruh informasi yang diterima. Misalnya, di laboratorium Stefano Mancuso dari Universitas Florence, eksperimen dilakukan dengan dua pucuk kacang panjat. Para ilmuwan membangun dukungan bersama di antara tanaman, dan tunas mulai berlomba untuk itu. Tetapi segera setelah tanaman pertama naik ke penyangga, yang kedua segera tampak mengenali dirinya sendiri sebagai dikalahkan dan berhenti tumbuh ke arah ini. Dipahami bahwa perjuangan untuk sumber daya tidak ada artinya dan lebih baik mencari kebahagiaan di tempat lain.

W: Tumbuhan tidak bergerak, tumbuh lambat dan umumnya hidup tidak tergesa-gesa. Tampaknya impuls saraf mereka juga harus menyebar jauh lebih lambat

Alexander Volkov: Ini adalah delusi yang sudah lama ada dalam sains. Pada tahun 70-an abad XIX, Inggris mengukur bahwa potensi aksi penangkap lalat Venus menyebar dengan kecepatan 20 sentimeter per detik, tetapi ini adalah kesalahan. Mereka adalah ahli biologi dan sama sekali tidak mengetahui teknik pengukuran listrik: dalam percobaan mereka, Inggris menggunakan voltmeter lambat, yang merekam impuls saraf bahkan lebih lambat daripada yang mereka perbanyak, yang sama sekali tidak dapat diterima. Sekarang kita tahu bahwa impuls saraf dapat berjalan melalui tumbuhan dengan kecepatan yang sangat berbeda, tergantung pada tempat eksitasi sinyal dan sifatnya. Kecepatan maksimum propagasi potensial aksi pada tumbuhan sebanding dengan indikator yang sama pada hewan, dan waktu relaksasi setelah lewatnya potensial aksi dapat bervariasi dari milidetik hingga beberapa detik.

W: Untuk apa tumbuhan menggunakan impuls saraf ini?

A. V: Contoh buku teks adalah penangkap lalat Venus, yang telah saya sebutkan. Tumbuhan ini hidup di daerah dengan tanah yang sangat lembab, yang sulit ditembus oleh udara, dan karenanya, ada sedikit nitrogen di tanah ini. Penangkap lalat mendapatkan kekurangan zat penting ini dengan memakan serangga dan katak kecil, yang mereka tangkap dengan perangkap listrik - dua kelopak, yang masing-masing memiliki tiga sensor piezomekanis yang terpasang di dalamnya. Ketika seekor serangga duduk di salah satu kelopak dan menyentuh reseptor ini dengan cakarnya, potensial aksi dihasilkan di dalamnya. Jika seekor serangga menyentuh mekanosensor dua kali dalam waktu 30 detik, maka jebakan akan terbanting menutup dalam sepersekian detik. Kami memeriksa pengoperasian sistem ini - kami menerapkan sinyal listrik buatan ke perangkap penangkap lalat Venus, dan semuanya bekerja dengan cara yang sama - perangkap ditutup. Kemudian kami mengulangi percobaan ini dengan mimosa dan tanaman lain dan kami menunjukkan bahwa adalah mungkin untuk memaksa tanaman untuk membuka, menutup, bergerak, membungkuk - secara umum, melakukan apa pun yang Anda inginkan, menggunakan sinyal listrik. Dalam hal ini, eksitasi eksternal yang sifatnya berbeda menghasilkan potensial aksi pada tumbuhan, yang dapat berbeda dalam amplitudo, kecepatan, dan durasi.

W: Apa lagi yang bisa tanaman bereaksi?

A. V: Jika Anda memotong rumput di rumah pedesaan Anda, maka potensial aksi akan segera menuju ke akar tanaman. Ekspresi beberapa gen akan dimulai pada mereka, dan sintesis hidrogen peroksida diaktifkan pada potongan, yang melindungi tanaman dari infeksi. Dengan cara yang sama, jika Anda mengubah arah cahaya, maka selama 100 detik pertama tanaman tidak akan bereaksi dengan cara apa pun, untuk memotong opsi bayangan dari burung atau binatang, dan kemudian sinyal listrik akan kembali menyala, yang menurutnya tanaman akan berputar dalam hitungan detik sedemikian rupa untuk memaksimalkan menangkap fluks bercahaya. Semua hal yang sama akan terjadi, dan ketika Anda mulai meneteskan air mendidih, dan ketika Anda menyalakan korek api yang menyala, dan ketika Anda meletakkan tanaman di dalam es - tanaman bereaksi terhadap rangsangan apa pun dengan bantuan sinyal listrik yang mengontrol respons mereka terhadap perubahan lingkungan. kondisi.

Memori tanaman

Tumbuhan tidak hanya tahu bagaimana bereaksi terhadap lingkungan eksternal dan, tampaknya, menghitung tindakan mereka, tetapi juga mengikat beberapa hubungan sosial di antara mereka sendiri. Misalnya, pengamatan rimbawan Jerman Peter Volleben menunjukkan bahwa pohon memiliki semacam persahabatan: pohon mitra terjalin dengan akar dan hati-hati memantau bahwa mahkota mereka tidak mengganggu pertumbuhan satu sama lain, sementara pohon acak tidak memiliki perasaan khusus untuk untuk tetangga mereka, mereka selalu mencoba untuk mengambil lebih banyak ruang hidup untuk diri mereka sendiri. Pada saat yang sama, persahabatan juga dapat muncul di antara pohon-pohon yang berbeda jenis. Jadi, dalam eksperimen Mancuso yang sama, para ilmuwan mengamati bagaimana, sesaat sebelum kematian Douglas, tampaknya ia meninggalkan warisan: pohon pinus kuning tidak jauh darinya mengirimkan sejumlah besar bahan organik melalui sistem akar.

W: Apakah tumbuhan memiliki ingatan?

Alexander Volkov: Tumbuhan memiliki semua jenis memori yang sama dengan hewan. Sebagai contoh, kami telah menunjukkan bahwa penangkap lalat Venus memiliki memori: agar perangkap berfungsi, 10 mikrokopel listrik harus dikirim ke sana, tetapi ternyata ini tidak harus dilakukan dalam satu sesi. Anda dapat menyajikan dua mikrocoulomb terlebih dahulu, lalu lima mikro lagi, dan seterusnya. Ketika totalnya 10, tanaman itu akan terlihat seperti serangga yang masuk ke dalamnya, dan itu akan menutup. Satu-satunya hal adalah Anda tidak dapat beristirahat lebih dari 40 detik di antara sesi, jika tidak, penghitung akan diatur ulang ke nol - Anda mendapatkan memori jangka pendek. Dan ingatan jangka panjang tentang tanaman bahkan lebih mudah untuk dilihat: misalnya, satu musim semi yang beku melanda kita pada tanggal 30 April, dan secara harfiah dalam semalam semua bunga membeku di pohon ara, dan tahun berikutnya tidak mekar sampai 1 Mei, karena ingat apa itu berakhir. Banyak pengamatan serupa telah dilakukan oleh ahli fisiologi tumbuhan selama 50 tahun terakhir.

W: Di mana memori tanaman disimpan?

A. V: Suatu kali saya bertemu di sebuah konferensi di Kepulauan Canary Leon Chua, yang pada suatu waktu meramalkan keberadaan memristor - resistensi dengan memori arus yang lewat. Kami terlibat dalam percakapan: Chua hampir tidak tahu apa-apa tentang saluran ion dan elektrofisiologi tanaman, saya - tentang memristor. Alhasil, dia meminta saya untuk mencoba mencari memristor in vivo, karena menurut perhitungannya, seharusnya berhubungan dengan memori, namun sejauh ini belum ada yang menemukannya pada makhluk hidup. Kami melakukan semuanya: kami menunjukkan bahwa saluran kalium yang bergantung pada tegangan dari lidah buaya, mimosa, dan penangkap lalat Venus yang sama secara alami adalah memristor, dan dalam karya berikut, sifat memristif ditemukan pada apel, kentang, biji labu, dan berbagai bunga-bunga. Sangat mungkin bahwa memori tanaman terikat tepat pada memristor ini, tetapi belum diketahui secara pasti.

W: Tumbuhan tahu bagaimana membuat keputusan, memiliki ingatan. Tahap selanjutnya adalah interaksi sosial. Bisakah tumbuhan berkomunikasi satu sama lain?

A. V: Anda tahu, di Avatar ada episode di mana pohon berkomunikasi satu sama lain di bawah tanah. Ini bukan fantasi, seperti yang mungkin dipikirkan orang, tetapi fakta yang mapan. Ketika saya tinggal di Uni Soviet, kami sering pergi memetik jamur dan semua orang tahu bahwa jamur harus dipotong dengan hati-hati dengan pisau agar tidak merusak miselium. Sekarang ternyata miselium adalah kabel listrik yang melaluinya pohon dapat berkomunikasi baik satu sama lain maupun dengan jamur. Selain itu, ada banyak bukti bahwa pohon tidak hanya bertukar sinyal listrik di sepanjang miselium, tetapi juga senyawa kimia atau bahkan virus dan bakteri berbahaya.

W: Apa yang dapat Anda katakan tentang mitos bahwa tanaman memahami ucapan manusia, dan oleh karena itu Anda perlu berbicara dengan mereka dengan baik dan tenang agar mereka tumbuh lebih baik?

A. V: Ini hanya mitos, tidak ada yang lain.

W: Bisakah kita menerapkan istilah "sakit", "pikiran", "kesadaran" pada tumbuhan?

A. V: Saya tidak tahu apa-apa tentang ini. Ini sudah pertanyaan filsafat. Musim panas lalu di Sankt Peterburg ada simposium tentang sinyal pada tumbuhan, dan beberapa filsuf dari berbagai negara datang ke sana sekaligus, jadi topik ini sekarang mulai dibahas. Tetapi saya terbiasa berbicara tentang apa yang dapat saya uji atau hitung secara eksperimental.

Tumbuhan sebagai sensor

Tumbuhan dapat mengoordinasikan tindakan mereka menggunakan jaringan bercabang. Dengan demikian, akasia yang tumbuh di sabana Afrika tidak hanya melepaskan zat beracun ke daunnya ketika jerapah mulai memakannya, tetapi juga mengeluarkan "gas alarm" yang mudah menguap yang mengirimkan sinyal bahaya ke tanaman di sekitarnya. Akibatnya, untuk mencari makan, jerapah harus berpindah bukan ke pohon terdekat, melainkan menjauh dari mereka rata-rata 350 meter. Saat ini para ilmuwan bermimpi menggunakan jaringan sensor hidup seperti itu, yang di-debug oleh alam, untuk pemantauan lingkungan dan tugas lainnya.

W: Sudahkah Anda mencoba mempraktikkan penelitian elektrofisiologi tanaman Anda?

Alexander Volkov: Saya memiliki hak paten untuk memprediksi dan mencatat gempa bumi menggunakan tanaman. Menjelang gempa bumi (di berbagai belahan dunia, interval waktu bervariasi dari dua hingga tujuh hari), pergerakan kerak bumi menyebabkan medan elektromagnetik yang khas. Pada suatu waktu, Jepang mengusulkan untuk memperbaikinya dengan bantuan antena raksasa - potongan besi setinggi dua kilometer, tetapi tidak ada yang bisa membangun antena seperti itu, dan ini tidak perlu. Tumbuhan sangat sensitif terhadap medan elektromagnetik sehingga mereka dapat memprediksi gempa bumi lebih baik daripada antena mana pun. Misalnya, kami menggunakan lidah buaya untuk tujuan ini - kami menghubungkan elektroda perak klorida ke daunnya, merekam aktivitas listrik, dan memproses data.

W: Kedengarannya benar-benar fantastis. Mengapa sistem ini masih belum diterapkan dalam praktik?

A. V: Ada masalah tak terduga di sini. Lihat: katakanlah Anda adalah walikota San Francisco dan mengetahui bahwa akan ada gempa bumi dalam dua hari. Apa yang akan kamu lakukan? Jika Anda memberi tahu orang-orang tentang hal ini, maka sebagai akibat dari kepanikan dan kehancuran, bahkan lebih banyak orang yang meninggal atau terluka daripada gempa bumi. Karena pembatasan seperti itu, saya bahkan tidak dapat secara terbuka mendiskusikan hasil pekerjaan kami di media terbuka. Bagaimanapun, saya pikir cepat atau lambat kita akan memiliki berbagai sistem pemantauan yang beroperasi pada pabrik sensor. Misalnya, dalam salah satu pekerjaan kami, kami telah menunjukkan bahwa menggunakan analisis sinyal elektrofisiologis, dimungkinkan untuk membuat sistem untuk diagnosis instan berbagai penyakit tanaman pertanian.

Lebih lanjut tentang topik:

Pikiran tanaman

bahasa tumbuhan