Как и для чего нейробиологи изучают поведение растений
Знаете ли вы, что такое растительная нейробиология? Непосвященному человеку ее описание может показаться удивительным — это наука, изучающая систему коммуникаций растений, их сенсорные системы и «поведение». Нейробиологи утверждают, что растения умеют слышать, нюхать, общаться и чуть ли не видеть, а также манипулировать другими растениями и даже животными. Эти непривычные утверждения опираются на эксперименты, проведенные в лабораториях по всему миру, десятки лет работы и публикации в серьезных научных изданиях. Недавно в Москву приезжал основатель растительной нейробиологии — итальянский профессор Стефано Манкузо. Он прочел лекцию в рамках «Философского клуба» на «Винзаводе» и ответил на несколько наших вопросов.
Профессор Флорентийского университета Стефано Манкузо (Stefano Mancuso) — основатель и популяризатор направления растительной нейробиологии. Итальянская газета La Repubblica и американский журнал The New Yorker включили его имя в списки ведущих ученых, которые меняют мир. В 2015 году команда под руководством Манкузо получила премию EXPO Milano в области инновационных идей в агробизнесе за проект «Jellyfish Barge», большой плавучий дом в форме медузы, в котором растения могут расти без почвы, свежей воды и удобрений, исключительно за счет солнечной энергии. Манкузо — автор нескольких бестселлеров, к числу которых принадлежат «Бриллиантовый зеленый: чувственность и интеллект в растительном мире» (2013) и «Революция растений: Как растения изобрели наше будущее» (2017).
Свои лекции Манкузо начинает с упоминания Ноева ковчега, где собралось «каждой твари по паре» — это касалось животных и птиц, напоминает профессор, но не растений. Вообще, говорит он, растениям всегда уделялось недостаточно внимания, как со стороны древних ученых и философов, так и в наше время. Манкузо предлагает переосмыслить статус растений, отказавшись от антропоцентричной картины мира, чтобы расширить понятия рациональности и сознательности, которые у растений, по его мнению, имеются, но которые следует изучать, отказавшись от привычных трактовок этих терминов.
Растения способны воспринимать, как минимум, два десятка разных факторов окружающей среды, включая изменения в силе тяжести, свете, химическом составе воздуха, воды и почвы. Также они умеют «слышать» некоторые звуки и менять свое поведение в зависимости от этих факторов. Манкузо утверждает, что у растений наличествует своего рода интеллект, хотя и не в привычном понимании этого слова. В некоторых экспериментах, о которых он рассказывает, растения буквально «предугадывают будущее». Их система коммуникативных сигналов представляет собой некий альтернативный интернет, охватывающий всю планету.
Интеллект — это умение решать задачи, говорит Манкузо.
Мы привыкли, рассуждая о больших организмах, подразумевать при этом животных. Например, все знают, что самое большое животное на Земле — это синий кит. Но на самом деле секвойя в сто раз больше кита. Если оценивать биомассу планеты, то растения занимают в ней, по разным оценкам, от 80 до 97 процентов. Если мы посмотрим на древо жизни, дарвиновское или любое более современное, мы увидим, что растения еще и гораздо более древние организмы, чем животные. Цветковые растения, например, возникли раньше млекопитающих.
Когда мы пытаемся понять работу организма и его реакции в ответ на внешние воздействия, мы обычно обращаем внимание на его органы. Но у растения нет парных или одиночных органов вроде глаз или легких. Поэтому они, в определенном смысле, лучше защищены — потеряв оба глаза, животное лишается способности видеть и адекватно реагировать на внешнюю среду, а у растения все «органы» представлены во множественном числе. Оно может потерять до 90 процентов всего своего организма и все равно выжить. Если бы у растений, которые почти не могут двигаться, были бы такие же «слабые места», как у животных, то любая гусеница представляла бы для них серьезную опасность.
Мы привыкли считать, что растения неподвижны, но это не совсем так. Во-первых, растения, конечно же, растут. Интересно, что еще в 1898 году, когда кино только зарождалось, немецкий ботаник Вильгельм Пфейфер проводил серийные съемки с временным интервалом, фиксирующие рост растений, и эти «фильмы» существуют до сих пор.
Во-вторых, растения способны менять положение в пространстве и форму, причем в некоторых случаях даже не расходуют на это собственную энергию. Например, шишки голосеменных растений устроены таким образом, что раскрываются, когда становится сухо. Эту технологию применяют при разработке крыш стадионов. Так же «экономно» раскрывается и одуванчик. При этом он делает 15 разных типов движения, но все они происходят самопроизвольно.
«Темой моей диссертации было исследование движения корней — каким именно образом они обходят препятствия. Это кажется простым процессом, но на самом деле он невероятно сложен. Когда я начал этим заниматься, наука полагала, что корни сначала «дотрагиваются» до препятствий, а потом меняют направление роста. Я же наблюдал совершенно противоположную картину: во-первых, корни заранее огибают препятствия, еще не дотронувшись до них, во-вторых, они всегда выбирают самый короткий и оптимальный путь роста, демонстрируя таким образом своего рода «интеллект». Это послужило для меня первым знаком того, что растение — гораздо более сложный организм, чем кажется».
Из ответов Стефано Манкузо на вопросы N + 1
Семена некоторых растений, например Erodium achicutarium, будто бы «танцуют» на земле, выискивая место, куда можно запустить корень, и танец этот выглядит как осмысленный поиск, хотя и на это никакой собственной энергии семя не затрачивает. Подобные механические характеристики строения оболочки и других структур семян ученые пытаются применять при разработке аппаратуры для космических программ.
У растений есть и активные типы движений. Всем известная хищная Венерина мухоловка способна закрываться и переваривать насекомых и даже слизней. Но и менее экзотичные процессы, такие, как раскрытие цветка, — тоже движение, пусть мы его и не видим из-за того, что для нас оно происходит очень медленно.
Существуют и более неожиданные типы движений растений. Например, юные растущие бобовые растения как будто бы «играют» друг с другом, протягивая побеги и листья во все стороны и постоянно толкаясь ими. Хотя слово «играет» здесь кажется неуместным, это в своем роде верное определение — как маленьким животным игра нужна для того, чтобы научиться взаимодействовать с миром, так и растениям необходимо понять свое положение в популяции и установить связи друг с другом. Такие связи бывают критичными — если посадить маленький подсолнух среди взрослых, давно растущих вместе подсолнухов, он с большой вероятностью умрет, потому что не сможет вписаться в систему их связей.
Каждая вершина корня растения способна воспринимать по крайней мере 20 разных типов воздействия. Корни обладают чувствительностью к патогенам, химическим веществам, электрическим импульсам, уровню кислорода и соли, свету, температуре и так далее. Еще Чарльз Дарвин полагал, что кончики корней являются своеобразным «мозгом» растения.
Кроме того, корни умеют еще и сами издавать звуки. Если пытаться передать их словами, то они похожи на очень тихие щелчки, которых, естественно, не слышит человеческое ухо. По мнению ученых, это может быть связано со способностью корней к эхолокации — с помощью этих звуков они, подобно летучим мышам в воздухе, возможно, определяют положение друг относительно друга, а также других препятствий в пространстве.
Люди с давних времен пытались взывать к своим посевам с помощью голоса и музыкальных инструментов. Даже принц Чарльз разговаривает с растениями, чтобы они лучше росли. Но растения совершенно не способны различать голоса или музыку. Зато они способны чувствовать некоторые частоты колебаний воздуха. Это явление называется «фонотропизм». Корни воспринимают частоты в районе 200 герц и начинают расти по направлению к этому звуку. Эти частоты соответствуют шуму воды, и, вероятно, корни таким образом стремятся к ее источнику. То есть, можно сказать, что растениям лучше играть на бас-гитаре, а не на скрипке.
Из ответов Стефано Манкузо на вопросы N + 1
Недавно ученых заинтересовала еще одна, совершенно неожиданная способность растений — о ней даже стали говорить как об их способности «видеть». Эту способность чилийские ботаники нашли у цепляющейся лианы Boquila trifoliolata. Лиана крепится к разным деревьям и с высокой точностью мимикрирует под них. Дорастая до нового дерева, она начинает копировать его листья, и получается, что в разных частях одной и той же лианы ее листья, во-первых, оказываются совершенно разными, а во-вторых, повторяют форму листьев каждой из своих «подпорок».
Мимикрировать у листьев лианы Boquila trifoliolata получается по-разному — иногда очень хорошо, иногда не очень, но они явно пытаются найти свой подход к каждому дереву. Как они опознают форму каждого следующего встреченного листа? И как это знание позволяет им менять форму собственных листьев? В ходе эксперимента один студент подставил лиане пластиковое растение, сделанное в Китае, форма листьев которого была совершенно ненатуральной. Лиана скопировала и эти листья, и это особенно удивительно, учитывая, что ни о каком химическом или физиологическом анализе речи тут не шло.
О том, что у растений якобы есть какие-то «глаза», говорили еще в 1905 году. Тогда немецкий ботаник Готлиб Хаберландт, один из первых ученых, предложивших классификацию растительных тканей, говорил о том, что растения якобы могут воспринимать изображения с помощью эпидермиса. Физиолог Францис Дарвин, сын Чарльза, поддержал его исследование, однако тема эта не получила дальнейшего развития.
Вот что говорит на эту тему Феликс Федорович Литвин, биофизик и доктор биологических наук. Растения с помощью фитохромных систем (фитохром — растительный пигмент в клетках) способны анализировать окружение, ориентируясь на тени и свет, падающие на их собственные побеги. Листья на деревьях, например, растут таким образом, что верхние не загораживают свет нижним — это называется листовой мозаикой. Более того, когда между деревьями по какой-то причине образуется просвет, листья быстро начинают расти именно в этом просвете и занимают его весь (как будто бы «видя» пространство). Таким образом растение охватывает максимальную площадь для поглощения света, а заодно затемняет то, что находится под ним, чтобы другие растения не смогли использовать здесь солнечную энергию и перерасти их самих (такая же система распространения, кстати, встречается и у некоторых кораллов за счет их симбиоза с водорослями). Можно себе представить, что и лиана реагирует на свет и тень от листьев чужих деревьев, и форма ее листа обуславливается такими «оттискам». Поэтому иногда у нее получается хуже, иногда лучше — это зависит от того, насколько четко падают на нее тени.
Одним из эффектных экспериментов по анализу чувства пространства у организмов, которые не являются животными, стала работа с грибами-слизевиками, которые не только умеют проходить лабиринты, но и строят оптимальные транспортные системы, полностью имитирующие (только в маленьком масштабе, естественно) систему дорог в Токио, Италии, Голландии или Китае. Иногда гриб прокладывал даже более оптимальные пути между ключевыми точками.
Растения тоже умеют выбирать наиболее оптимальные пути и подходящие цели — так, кускута, паразитическое растение, которому необходимо к кому-то прикрепиться, всегда между двумя растениями, до которых оно еще даже не дотронулось, выберет помидор. Оно ведет себя так, словно заранее знает, что и где вокруг него растет.
Бобовые растения, растущие в лаборатории, тоже как будто бы заранее знают, в какую сторону им расти, чтобы встретить опору. С какой стороны ни поставь от их горшка палку, за которую им нужно зацепиться, они, вначале крутя побегом во все стороны (на ускоренной съемке это видно особенно хорошо), быстро начинают расти целенаправленно по направлению к опоре. Интересно, что когда за опору соревнуются два растения и одно успевает первым, второе тут же «сдается» и начинает расти в другую сторону. Получается, что бобовое растение в курсе всего, что происходит вокруг.
«Поведение растений надо отличать от поведения животных, — оно основано на принципах действия иначе организованного живого существа. Но между ними есть и общее. Посмотрите, например, на конкуренцию растений. Можно взять два одинаковых горшка, и в один посадить два боба одного вида, а в другой — два боба разных видов, и ухаживать за ними совершенно одинаково. Вскоре вы обнаружите две совершенно разные картины. В первом горшке растения вырастут, а во втором они будут очень маленькие и недоразвитые. Зато если вы посмотрите на их корневую систему, то увидите, что во втором горшке она огромная — потому что растения потратили всю энергию на то, чтобы захватывать территорию под землей и бороться друг с другом. В первом же горшке корни будут обычные, друг с другом они не конкурируют. Животные поступают похожим образом, вытесняя чужие виды, но пользуются для этого другими методами.
Растения — во многом гораздо более чувствительные организмы, чем животные, хоть это и звучит парадоксально. Животные могут убежать, если почувствуют опасность, например появление дыма в лесу. Растения убежать не могут, поэтому, чтобы лучше приспосабливаться к окружающей среде и предвидеть максимум неприятностей, они выработали гораздо более развитую чувствительность, позволяющую им все предсказывать заранее. У них есть, можно сказать, почти все виды рецепторов. Например, ученые пока не нашли у них терморецепторы, известные человеку, но растения могут реагировать на температуру. Мы просто пока что не знаем, каким образом, но они способны чувствовать малейшие изменения в температуре и менять свою физиологию».
Из ответов Стефано Манкузо на вопросы N + 1
Корни некоторых растений способны анализировать почву вокруг себя с высокой точностью и, возвращаясь к теме лабиринтов, не только могут обходить преграды заранее, еще не коснувшись их, но и расти по направлению к полезным веществам и избегать вредных, опять же, не успев даже до них дотронуться. На съемках видно, что некоторые корни одного и того же растения ведут себя «глупо» и растут не туда, куда надо, но огромное большинство прокладывает себе дорогу оптимальным путем.
Ранее люди полагали, что электрических импульсов в растениях нет. Однако эксперименты последних лет опровергли эту гипотезу. Слабые электрические импульсы, подобные импульсам, идущим в нервной системе, постоянно возникают в организме растений. На ускоренной съемке электрические импульсы корневой системы риса выглядят как сложнейшая работа нейронов в мозгу.
Движение корней может быть очень синхронизированным. Они могут все одновременно менять направление движения, подобно рыбам в стае, копируя мельчайшие изменения ритма. Получается, что корни обмениваются информацией и меняют свое «поведение» в зависимости от нее.
Что еще более интересно (и даже напоминает научную фантастику), так это то, что растения обмениваются подобными импульсами и друг с другом. Так, последние исследования показали, что все деревья в лесу, по-видимому, взаимодействуют друг с другом и находятся в некой постоянной связи.
На примере канадского леса было продемонстрировано, как деревья передавали воду и питательные вещества своему сотоварищу, которому не хватало ресурсов. Манкузо в шутку называет такие системы «Wood-wide web».
«Растения — несравненные эксперты в разработке сетей. Тут уместно привести в пример интернет. Я довольно много писал об этом в книгах, но попробую суммировать суть в двух словах: у растений можно научиться очень многому из того, что необходимо нам, чтобы оптимизировать наши сети. Сюда же относится и умение «предсказывать будущее», которое базируется на умении получать информацию от других растений. Растительный мир — это сеть, похожая на интернет или, скажем, на нервную систему, но с совершенно другими принципами. И система эта беспрецедентна. Причем до недавнего времени этот аспект жизни растений совершенно не изучался. Я люблю приводить в пример википедию, или систему криптовалют, которые так же децентрализованы, как и растения, и поэтому в своем роде непобедимы.
Если вызывать стресс у какого-то растения, оно тут же передаст информацию об этом своим соседям, и все они повысят свою резистентность к тем или иным раздражителям. Она не повышена у них постоянно, потому что это было бы слишком энергетически не выгодно. Им нужно знать, когда именно необходимо защищаться от чего-либо. Это можно использовать в сельском хозяйстве. Перестав поливать одно растение, можно добиться большей резистентности к потере влаги у остальных, потому что оно сообщит им о грядущих изменениях. И не нужно применять никаких специальных химикатов или иных препаратов, достаточно использовать собственные инструменты растений».
Из ответов Стефано Манкузо на вопросы N + 1
Помимо того, что представители других царств могут быть опасны для растений, они также бывают им необходимы. Всем известно, что насекомые являются опылителями многих видов цветковых. Для того чтобы привлечь насекомых, растения порой идут на удивительные ухищрения. Например, некоторые орхидеи крайне удачно имитируют самок опылителей, чтобы самцы попытались с ними спариться и получили на тело «рог», с помощью которого орхидея распространяет свою пыльцу. Интересно, что самим самцам растения иногда нравятся больше, чем самки, и самки остаются не оплодотворенными. В результате среди таких опылителей бывает распространен партеногенез.
Однако есть случаи и поинтереснее мимикрии — например, мирмекофилия. Этот широкий термин подразумевает плотное взаимодействие с муравьями и свойственен самым разным видам живых существ. Муравьев в природе много, и некоторые растения пользуются их «услугами». Для этого, рассказывает в своей лекции Манкузо, некоторые виды акаций, например, предоставляют муравьям дом, еду и напитки. При этом они вырабатывают гораздо больше нектара, чем нужно, — Дарвин назвал бы это непозволительным расточительством. Однако муравьи, пьющие нектар, защищают растение от других насекомых и даже от других растений — стоит какой-то веточке прорасти поближе, как они тут же срезают ее, чтобы она не мешала фотосинтезу акации.
Оказалось, что таких муравьев нельзя соблазнить хлебом и даже сахаром — они просто скидывают их с листьев, как мусор. Выяснилось, что в нектаре акации содержится своеобразный «наркотик», с помощью которого она манипулирует своими квартирантами. Более того, она меняет уровень содержания наркотика в нектаре в зависимости от обстоятельств, контролируя поведение муравьев на разных жизненных этапах по-разному. Подобным образом некоторые другие растения добавляют в нектар кофеин, если их опылители им нравятся, и убирают его совсем, если опылители не справляются со своей работой.
Получается, что растения, хотя и являются практически неподвижным субъектами без нервной системы и привычных человеку органов чувств, способны с высокой эффективностью анализировать массу параметров окружающей среды, а также реагировать на них, коммуницировать с другими особями и даже контролировать другие виды живых организмов. Учитывая то, что было сказано вначале об абсолютном доминировании растительной биомассы на планете, невольно задумываешься над тем, кого на Земле на самом деле стоит называть хозяином (впрочем, потом вспоминаешь о бактериях и вирусах и отказываешься от попыток устроить конкурс).
Анна Казнадзей