Бесчувственные растения-стесняшки. Ученые опровергают мнение о способности растений ощущать боль

Ранее растительные нейробиологи предполагали, что сигнальные механизмы, задействованные в защитных реакциях, похожи на те, которые используются в нервной системе животных. Однако Дэвид Робинсон, ученый-растениевод из Гейдельбергского университета, в нескольких работах развенчал эту теорию, заявив, что утверждения растительных нейробиологов не подкреплены доказательствами. Робинсон отмечает, что эти утверждения проистекают из желания продемонстрировать, что растения и животные в корне похожи, способны мыслить, принимать решения, запоминать и чувствовать боль. Однако доказательства, подтверждающие эти утверждения, отсутствуют, пишет Chemistry World.

У Фокус.Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Хотя у растений нет нервов и мозга, они способны определять, когда их едят, что является увлекательной темой для Теда Фармера, эксперта по сигнализации растений из Университета Лозанны в Швейцарии. Несмотря на свое образование в области биологии животных, Фармер подчеркивает, что он был бы разочарован, обнаружив схожие механизмы как у растений, так и у животных. Он рассматривает растения как своеобразные организмы, которые значительно отличаются от человека. В настоящее время он и другие исследователи открывают необычную, но очень продвинутую систему обнаружения окружающей среды, которая позволяет растениям быстро реагировать на стресс и повреждения даже при отсутствии нервов. Хотя на это ушло более века, наука о сигнализации растений процветает.

Растение-стесняшка или "недотрога"

Мимоза стыдливая (Mimosa pudica) — растение, которое заинтриговало ученых и садоводов-любителей своей быстрой реакцией на касания. При прикосновении нежные листья растения быстро сворачиваются, что, по-видимому, является защитным механизмом от травоядных. Итальянский исследователь растений Убальдо Рикка около века назад исследовал причину этих движений, используя элементарное оборудование: красный краситель, ножницы и секундомер. Рикка срезал стебель мимозы, окунал его в краситель и, когда листья скручивались, срезал стебель дальше и наблюдал, как далеко продвинулся краситель. Краска почти всегда достигала свернутого листа к тому времени, когда он сворачивался. Работа Рикки показала, что мимоза использует простую диффузию химических веществ, названных факторами Рикки. Он существует для передачи предупреждающего сигнала через свои водопроводящие трубки (ксилему).

С тех пор сообщество ученых, изучающих растения, использовало современные методы визуализации и генетику для дальнейшего изучения механизма, лежащего в основе этих движений. Однако окончательное решение до сих пор не найдено. Некоторые исследователи представили данные, подтверждающие выводы Рикки, предполагая существование подвижной молекулы или набора молекул, которые вызывают ответные реакции. Другие отвергли эту концепцию как совершенно неправдоподобную.

В дополнение к простой диффузии молекул, высвобождающихся при повреждении, современные теории предполагают, что реакция растений на рану может также включать активные механизмы, требующие работу непосредственно живых клеток и гидравлических волн, инициируемых изменением давления воды. По словам Фолкнера, исследователя растений из Центра Джона Иннеса в Норвиче, Великобритания, по мере того, как ученые пытались объединить множество возможных механизмов, модели ранения растений становились все более сложными.

Кроме того, ученые используют электроды для измерения электрических сигналов, которые распространяются по стеблям и листьям после ранения. Хотя точная причина этих сигналов неясна, химические и электрические сигналы, вероятно, по крайней мере, частично исходят из одного и того же источника, считает Фармер, эксперт по сигналам растений из Университета Лозанны. Он утверждает, что растения подобны "химическим фабрикам", и когда их клетки повреждаются, смесь соединений, которая вытекает наружу, содержит ионы, которые изменяют баланс электрического потенциала в клеточных мембранах. Возможно, что это изменение мембранного потенциала может генерировать электрический сигнал, который передается от одной клетки к другой.

Скрытый мир кальция

Исследователи обнаружили, что один конкретный ион, дикатион кальция (Ca2+), играет решающую роль в реакции растений на рану. После пореждения растений Ca2+ переносится через мембраны в клетки. Ученые использовали генетически сконструированные растения для создания кальциевых индикаторов, чтобы раскрыть "скрытый мир" ионов кальция в растениях. Эти растения, сконструированные для производства биолюминесцентного белка медузы, светятся синим цветом при связывании с кальцием. Используя этот метод, немецкие исследователи в 2015 году наблюдали скачки кальция в листьях растений, которые были изъедены личинками моли, даже в отдаленных листьях, что позволяет предположить, что кальций играет определенную роль в передаче сигнала о ране от листа к листу. Хотя кальций не является первым звеном в цепи реакции на рану, считается, что он играет ключевую роль в этом процессе. Кальций легко визуализировать, и клетки поддерживают крутой градиент концентрации между внутренней и внешней средой. Когда каналы Ca2+ открываются, клетки наполняются кальцием, создавая сильный сигнал, который легко обнаружить.

Поскольку кальций стал важным элементом головоломки, команда Фармера продолжила свои усилия по раскрытию других компонентов этого пути. В 2013 году они первыми идентифицировали генетический компонент пути, который необходим растениям для сигнализации о ранах. Их исследование открыло дверь для дальнейших исследований, поскольку результаты показали, что растения без функциональных генов глутаматных рецепторов (GLR) дают более слабый электрический ответ при ранении, а также менее эффективно активируют гормон защиты растений жасмонат. В частности, гены GLR кодируют белки, которые действуют как шлюзы для кальция, который является главным действующим лицом в сигнальном процессе раны.

Несмотря на этот прогресс, точная роль кальция остается загадкой, и неясно, какую информацию он несет. Фармер признает, что кальций — самая сложная часть истории, и что ученые знают о нем меньше, чем им кажется. Коста отмечает, что в растительных клетках существует 250 различных кальций-связывающих белков, что указывает на то, что когда кальций попадает внутрь, он почти всегда вызывает ответную реакцию, даже если природа этой реакции еще не до конца понятна.

Однако открытие GLRs позволило предположить, что аминокислота глутамат также может играть роль в сигнализации раны у растений, поскольку она действует как ключ к белковым воротам в мембранах клеток животных, позволяя кальцию проникать в клетки. Поэтому возможно, что глутамат и кальций также связаны между собой в сигнализации раны у растений.

В 2018 году команда Масацугу Тойота из Университета Сайтама в Японии использовала флуоресцентные молекулы для визуализации реакции растений в более широком масштабе, продемонстрировав возможности этого подхода. Вместо того чтобы фокусироваться на отдельных клетках, они хотели наблюдать за кальциевым ответом в целых растениях. Используя генетически закодированные белки-репортеры медузы, они наблюдали, как сигналы кальция и глутамата распространяются по скальным растениям в ответ на повреждение листьев. Эта работа соединила некоторые точки, связав кальциевые волны с глутаматом и ионными воротами GLR, поскольку растения, лишенные этих ворот, не проявляли никакой реакции при повреждении. Однако, поскольку глутамат распространялся только локально, он не считался основным сигналом. На этом этапе многие ученые-растениеводы исключили кальций в качестве мобильного мессенджера из-за его высокой реактивности, и все еще шли споры о том, может ли сигнал о ранении передаваться путем простой молекулярной диффузии или для этого требуется волна давления или механизм активного транспорта с участием кальция.

По словам Анналисы Белланди, которая была аспиранткой Фолкнера, а сейчас работает в Высшей нормальной школе Лиона во Франции, когда команда Центра Джона Иннеса попыталась самостоятельно решить эту проблему, используя те же флуоресцентные молекулы, что и группа Тойота, теория Рикка была у них "в заднем кармане". Белланди использовала волну кальция как "волну пончика", распространяющуюся от места повреждения, и разработала новые методы анализа данных, позволяющие отслеживать скорость движения волны кальция по мере увеличения размера пончика, измеряя не только флуоресценцию внутри пончика, но и скорость ее распространения. Этот подход позволил им сделать вывод, что волна кальция не распространяется активно по листьям и жилкам, поскольку движение волны замедляется со временем. В своей работе 2022 года команда предположила, что глутамат является ведущим фактором, высвобождающимся в поврежденных листьях и распространяющимся через соседние растительные клетки по ходам, соединяющим их клеточные стенки. Волна кальция, с другой стороны, считается "считыванием" глутамата, который открывает двери клеток GLR при прохождении через них. Когда перерезается крупная вена, глутамат также попадает в сосуды ксилемы и по потоку воды направляется к удаленным листьям. Их модель предлагает более простое объяснение сигнализации раны, чем многие могли предположить. Более того, детальный анализ волн кальция и глутамата в сочетании с математическим моделированием проливает новый свет на их транспорт, возвращая глутамат в центр внимания.

Более широкая перспектива

Однако эта новая интерпретация событий вызывает дополнительные вопросы. Тойота, например, по-прежнему не убежден в том, что глутаматная сигнализация может объяснить передачу сигнала на большие расстояния. Он утверждает: "Как глутамат может передаваться с очень высокой скоростью от места раны к удаленному участку, мы понятия не имеем". В своем недавнем исследовании он использовал современные методы, чтобы наблюдать флуоресцентные сигналы кальция и электрические сигналы, идущие в унисон в первоначальном подопытном объекте Рикка — мимозы стыдливой — вызывая закрытие листьев в течение нескольких секунд после прикосновения к ним. Он объясняет, что в данном случае пока неизвестно, что именно приводит кальциевый сигнал в движение так быстро.

Коста отмечает, что выводы Фолкнера касаются сигналов глутамата, проходящих от одного листа к другому в проростках. Но последние эксперименты его команды демонстрируют быстрый рост уровня глутамата в отдаленных местах более крупных растений. Интересно, что они наблюдали этот сигнал глутамата даже при отсутствии каких-либо срезов или дробления. Когда они использовали сорбитол для отбора воды из корней гидропонически выращенного роккресса, вызывая осмотический стресс, они все равно наблюдали ответную реакцию в листьях и первичной головке цветка. Таким образом, Коста предполагает, что первичный сигнал — это изменение давления воды внутри клеток, а глутамат, открывающий кальциевые ворота, — это то, что происходит ниже по течению, в отдаленных областях растения.

Вполне вероятно, что растения используют более одной системы, причем системы "корень — лист" и "лист — лист" могут различаться. Фармер высоко оценивает работу, проделанную группой Джона Иннеса, считая, что она может многое объяснить в отношении запуска кальциевого сигнала вблизи раны. Однако он также считает, что потоки воды и изменения давления могут играть важную роль в передаче сигналов на более дальние расстояния. Его последняя модель подчеркивает, как факторы Рикка вытягивают воду из клеток, изменяя их мембранный потенциал, а потоки воды помогают "сифонировать" эти факторы в сосуды ксилемы для транспортировки в отдаленные места. Эта модель также связывает волны деполяризации мембраны с быстрой электрической сигнализацией. Таким образом, по мнению Фармера, это не просто диффузия, а более сложный процесс.

Фолкнер утверждает, что открытый ими механизм, скорее всего, является лишь одной частью большой головоломки, и, вероятно, существует еще много факторов, участвующих в сигнализации и реакции растений, которые еще предстоит открыть. Однако, в отличие от кальция и глутамата, здесь нет доступных сенсоров, и им приходится начинать все сначала. Оказывается, растения могут быть сложными даже без мозга.

Ранее Фокус писал о том, что некоторым растениям приходилось питаться фекалиями, что бы выжить. Ученые обнаружили, что определенные виды плотоядных кувшинок (Nepenthes) переключились на новую диету — увы, не столь аппетитную.