Nogle biologer hævder, at “neurobiologi” har været for snævert defineret
Mimosa pudica, også kaldet følsomme plante-eller touch-me-not, folder sine blade hurtigt, når mekanisk forstyrret. Få planter udviser så hurtige bevægelser, selvom mange—såsom dem, der åbner og lukker deres blomster i henhold til tidspunktet på dagen—reagerer med langsommere bevægelser på miljøstimuli.,
Tilpasset med tilladelse fra Hjernen: Big Bangs, Adfærd og Overbevisninger ved at Røve DeSalle og Ian Tattersall, udgivet af Yale University Press. Copyright © 2012 af Rob DeSalle og Ian Tattersall
Nogle mennesker tror, at planter reagerer på tale, afspilning af musik, og andre former for menneskelig opmærksomhed. Og selvom planter mere end sandsynligt ikke behandler menneskers sprog, er de ikke desto mindre meget opmærksomme på deres omgivelser og er meget i stand til at kommunikere mellem deres celler., Desuden mener nogle forskere, at et anlægs interne kommunikationssystem er meget tæt på det, vi legitimt kunne kalde et nervesystem. Når alt kommer til alt er nogle mimoser berømte for at trække sig hurtigt tilbage efter at være blevet forstyrret, og Venus flytraps reagerer hurtigt på tilstedeværelsen af insekter i deres fangstindretninger. Charles Dar .in lavede sammenlignelige observationer og foreslog lignende ideer om planter., I en af hans mindre kendte værker, Magt Bevægelse i Planter (1880), han skrev om kimroden, embryonale rod i en plante, og følsomheden af sin tip til forskellige former for stimulation:
Det er næppe en overdrivelse at sige, at spidsen af kimroden således udstyret, og med magt lede bevægelser i tilstødende dele, fungerer som hjernen af en af de lavere dyr; hjernen blive siddende i den forreste ende af kroppen, der modtager indtryk fra sanseorganerne, og lede flere bevægelser.,
Darwin sagde, at det kimroden ikke kun opfører sig som en hjerne ved at dirigere de funktioner andre celler, men er også placeret i det tilsvarende sted i anatomi af anlægget. Nogle moderne botanikere har udvidet denne ide. I 2005 blev det første internationale planteneurobiologimøde afholdt i Firen .e, Italien, og et helt nyt tidsskrift, Plant Signaling and Behavior, blev lanceret i 2006. Hvad foreslår plantens neurobiologer?
ideen om, at planter har nervesystemer, stammer fra flere informationskilder., For det første har planter gener, der ligner dem, der angiver komponenter i dyre nervesystemer. Sådanne komponenter indbefatter receptorer til glutamat, en aminosyre, der er en af byggestenene i proteiner, men som også fungerer som en neurotransmitter. Andre komponenter er neurotransmittervejsaktivatorer, såsom dem, der er kendt som G-bo. – proteiner, og en familie af “14-3-3” proteiner, der virker til at binde forskellige signalproteiner. Alle disse proteiner er blevet observeret hos dyr, hvor de har vist sig at have forskellige roller i neurale funktion. Men de findes også i planter.,for det andet, selvom disse proteiner mere end sandsynligt ikke har “neurale” funktioner i planter, opfører nogle planteproteiner sig på måder, der ligner meget neurale molekyler. For det tredje ser nogle planter ud til at vise synapselignende regioner mellem celler, hvorigennem neurotransmittermolekyler letter kommunikation mellem celle og celle. Inkluderet i kravet til sammenligning er, at regionerne skal have de samme egenskaber som dyresynapser, såsom dannelse af vesikler, små bobler, der opbevarer neurotransmitterne, der skal frigives over synapsen., For det fjerde har mange planter vaskulære systemer, der ser ud som om de kunne fungere som ledninger til de “impulser”, som de har brug for at overføre gennem hele plantens krop. Sidst, nogle planteceller viser, hvad der kunne fortolkes som handlingspotentialer—begivenheder, hvor den elektriske polaritet over cellemembranen gør en hurtig, midlertidig vending, som forekommer i dyre neurale celler.
Illustration fra Bevægelseskraften i planter viser et af Dar .ins eksperimenter med en bønne radicle., (A) en lille firkant kort fastgjort nær spidsen forårsager bøjning væk fra kortet, som om radicle har stødt på en hindring. B) med tiden øges bøjningen, som ikke sker ved vækst ved spidsen, men ved celler længere op ad radicle, til en ret vinkel. (C) til sidst spidsen begynder at bøje nedad gennem virkningen af geotropism. Når radicle er ophængt i luften, registrerer cellerne i bøjningsområdet ikke direkte kompression mod en forhindring,så det er den følsomme Ape., der indleder deres respons.,
Lad os se på disse forskellige typer af information og på, hvad de kan betyde for eksistensen af hjernen-lignende funktioner i planter.
det er næppe overraskende at finde gener i planter, der er relateret til dyregener involveret i nervesystemet. Faktisk var bekræftelse af denne kendsgerning et af de første virkelig interessante resultater af de forskellige genomprojekter. Grunden til, at det ikke er overraskende, er, at alt liv på planeten er forenet gennem fælles herkomst., At finde gener til fælles blandt bredt divergerende organismer er, hvad du ville forvente med afstamning fra fælles forfædre. Således viser et typisk bakteriegenom sig at have ækvivalent med 2 procent eller deromkring af dets gener i det humane genom. For planter er tallet omkring 17 procent, og for organismer som fluer og orme springer tallet til mellem 30 og 40 procent. En anden måde at måle lighed mellem genomer er at spørge, hvor meget de faktiske sekvenser af baser i generne i et genom varierer., For hvirveldyr, når sekvens lighed er undersøgt, antallet varierer fra omkring 85 procent, for sådanne fjerne slægtninge, som fisk, at 98.7 procent, for den chimpanse, og 99.7 procent for vores tætte uddød forhold, Homo neanderthalensis. Hvad der dog ikke var forventet, er den brede fordeling af større genkategorier, der er repræsenteret i både planter og dyr.
Evolution kan stadig lette nogle bemærkelsesværdige “variationer på temaer” med gener., Hvis et gen gør et protein involveret i en bestemt proces i planter, behøver det tilsvarende gen i et dyr eller en svamp ikke nødvendigvis at lave et protein, der har samme funktion. Et lærerigt eksempel er glutamatreceptorer, som er involveret i dyrets neurale synapse og interagerer med neurotransmitteren glutamat. Planter har også glutamatreceptorer, men om de tjener noget som en “neural” funktion er en anden sag., En undersøgelse af fordelingen af denne genfamilie i genomer af planter og dyr vil vise os, hvordan genfamilier kan afvige, og hvordan funktionerne af disse gener også kan afvige.
hos dyr findes disse receptorer primært i den modtagende ende af nerveceller—deres “postsynaptiske” region. Glutamat transporteres over synapsen, møder receptorerne og spænder således et handlingspotentiale eller fyring af nervecellen. Det sker, at to hovedtyper af glutamatreceptorer genkendes på grundlag af, hvordan de fremmer den postsynaptiske impuls., Den første type er “ionotropisk”: glutamatreceptorer linjer ionkanalens porer over cellemembranen i modtagernervecellen, og når receptorerne binder til glutamat, aktiveres porerne, og ioner strømmer gennem dem. I” metabotrope ” receptorer aktiveres ionkanalerne mere indirekte gennem signaleringskaskader, der normalt er knyttet til G-proteiner (som binder guanin, en af de fire nukleinsyrebaser).
for at processen skal fungere, skal glutamatreceptorerne også binde det, der kaldes agonister., Der er tre vigtigste typer af agonister, der interagerer med ionotropic glutamat-receptorer: AMPA (alpha-amino-3-hydroxyl-5-methyl4-isoxazole propionat), NMDA (N-methyl-D-asparaginsyre), og kainate. Andre agonister interagerer med metabotrope receptorer. Der er også flere versioner af glutamatreceptorerne til både de ionotrope og metabotropiske funktioner, såvel som flere inden for de funktionelle kategorier, der er specifikke for forskellige agonister. Så der er flere versioner af gener til proteinerne hos dyr (det er det, der kaldes en genfamilie)., For eksempel har de fleste pattedyr seksten ionotrope glutamatreceptorer: fire, der bruger AMPA som agonist, syv, der bruger NMDA som agonist, og fem, der bruger Kainat som agonist. Ligeledes har mus og mennesker otte metabotropiske glutamatreceptorer, der hver især bruger en række agonister.
planter har glutamatreceptorer, der ligner mere den ionotropiske art., Arabidopsis thaliana( thale cress), en arbejdshest af plantegenetik og genomik, har tyve medlemmer af denne genfamilie, et tal i samme ballpark, nysgerrig som de seksten ionotrope glutamatreceptorer hos pattedyr. Desuden er tre hovedkategorier af glutamatreceptorer blevet opdaget i planter, der minder om, at der er tre hovedkategorier af ionotrope dyrglutamatreceptorer (dem, der bruger AMPA, NMDA og kainit som agonister). Men svarer undergrupperne af dyreionotropiske glutamatreceptorer stort set til dem i planter?, Med andre ord, er de animalske glutamatreceptorer, der bruger AMPA som en agonist, mere beslægtet med en bestemt undergruppe af planteglutamatreceptorer, end de er til andre dyre-eller plantereceptorer?
faktisk har de tre kategorier af planteglutamatreceptorer overhovedet ingen lighed med disse dyrekategorier. For det første udviklede dyr tilsyneladende alle de samme gener i denne genfamilie via duplikationer hos fælles forfædre, hvorimod planteglutamatreceptorer alle ser ud til at blive udviklet fra en enkelt fælles forfader, der eksisterede før planter og dyr divergerede., Det betyder, at de meget specifikke glutamatreceptorer hos dyr ikke har et en-til-en-forhold til planteglutamatreceptorer. Heller ikke receptorer i planter vise et forhold til forskellige organer, som de gør i dyr.
bortset fra enhver lighed i generne kan vi muligvis henvende os til vores anden tilsyneladende lighed, den for funktionen af de proteiner, der er specificeret af generne. Faktisk er det rigtigt, at planteglutamatreceptorer kan forstyrre dyreglutamatreceptorer, hvilket antyder, at plantereceptorerne stadig har en tilsvarende funktion i dyre nerveceller., Der er, for eksempel, den mærkelige sag på øen Guam af menneskers indtagelse af cycad materiale (planter, der er rige på en glutamat-lignende aminosyre), der forårsager neurodegenerative symptomer, der ligner dem, af Alzheimers, Parkinsons, Lou Gehrig ‘ s sygdom. Og udtrykket af planteglutamatreceptorer er specifikt for roden, den meget placering, som nogle forskere finder mest suggestive af plantenervesystemer., Mens en lille delmængde af disse receptorer ser ud til at være vigtig i den tidlige udvikling af rødderne, imidlertid, de forskellige receptorer i planter viser generelt ikke et forhold til forskellige organer, som de gør hos dyr. Stadig, hvis glutamatreceptorer ikke tjener nervesystemfunktioner i planter, hvorfor er de der? Det mest almindelige argument for deres tilbageholdelse i planter er, at de tjener som forsvarsproteiner for at afværge invaderende insektarter.,
tredje, i betragtning af alt dette, er der plantestrukturer, der opfører sig som synapser, sammen med molekyler, der opfører sig som neurotransmittere, der er aktive i den “synaptiske” region? For at dette skal betyde noget, skal nogle få egenskaber ved planter bekræftes. Synaptisk kommunikation skal vises, implementeret af neurotransmittere og neurale transmitterreceptorer på samme måde som i animalsk neurotransmission—for eksempel ved hjælp af vesikler nær synapsen., En neurotransmitterkandidat er Au .in (indol-3-eddikesyre), et lille molekyle, som nogle botanikere føler, er det bedste argument for neurologisk opførsel i planter. Der er også transportører til AU .in, der opfører sig meget som receptorer, idet de hjælper bevægelsen af Au .in over cellemembranen. Men virker AU Systemin-systemet som neurotransmission? Nogle forskere ville faktisk argumentere Ja., Molekylær botaniker Gerd Jürgens ved Max Planck Institute for Developmental Biology, for eksempel, har vist, at auxin transport er opnået gennem “vesikel menneskehandel,” en proces, der involverer cellulære vesikler (små lipid-indkapslet bobler), der har dyr neurotransmitter–lignende funktioner.
AU auxin findes stadig ikke hos dyr, og det ser ud til at være et plantespecifikt protein, der regulerer væksten. For nogle tyder J .rgens observationer på, at vesikelstrukturerne kan være ens nok til at gøre et godt argument., Når de slags” synapser”, der er lavet i planter, undersøges, viser det sig, at to knudetyper har proteindomæner indlejret i cellemembranen. Den auxin transport system, opnået gennem vesikel menneskehandel, er påvirket af lys og tyngdekraft til at styre celle-tocell kommunikation, og det bruger auxin som en transmitter, opfører sig på samme måde som en neurotransmitter.
den anden “synapse” opfører sig som sammenkoblingen mellem en animalsk immuncelle og en patogen celle. Hos dyr implementerer dette system immunresponsen og ødelæggelsen af det invaderende patogen., I planter tillader det individet ikke kun at håndtere patogener, men også at stabilisere interaktioner med symbionter—en vigtig funktion. Planter etablerer nyttige tovejs interaktioner med mange mikroorganismer som bakterier og svampe, og i nogle tilfælde udfører disse mikrober opgaver, som planten ikke kan gøre alene. Nogle planter kan ikke behandle miljømæssige kvælstof, så de udgør et symbiotisk forhold med bakterier fra slægten Rhizobium til at gøre det trick, og synapser-som vedhæftet fil er afgørende for forholdet., I processen får RHI .obien fordelen ved at blive fodret af planten.
Så, for at løse den fjerde og femte punkter, der er nævnt ovenfor vedrørende eksistensen af anlægget neurale systemer, hvad med elektriske impulser eller handlingspotentialer i planter, og deres mulige veje som en del af anlægget vaskulære system? Mærkeligt nok blev elektrisk ledningsevne i planter opdaget et par år før Luigi Galvani gjorde sine ghoulish 1780s frogleg eksperimenter, der viste elektriske impulser i dyr. Så der er ingen tvivl om, at der findes elektriske signaler eller måske endda handlingspotentialer i planter., Det er også temmelig klart, at, som Eric Davies ved North Carolina State University udtrykte det, ” den grundlæggende årsag til, at planter har elektriske signaler, er, at de tillader meget hurtig og systemisk informationstransmission, så hele anlægget informeres næsten øjeblikkeligt, selvom kun en region kan have været forstyrret.”Alligevel er handlingspotentialet helt anderledes i planter og dyr, selvom begge involverer deres cellers ionkanaler., Mens dyr producerer aktionspotentialet ved en udveksling af natrium-og kaliumioner, produceres plantepotentialer med calciumtransport, der forstærkes af chlorid og reduceres med kalium.
Så hvad konkluderer vi?
forestillingen om, at planter har hjerner i en vis forstand, er både interessant og tankevækkende., Så provokerende, ja, at der i 2007 tredive-seks forskere fra tredive-tre institutioner, der er offentliggjort et åbent brev i tidsskriftet Trends in Plant Science fastholde “at plante neurobiologi, ikke tilføje til vores forståelse af, plantefysiologi, plante celle biologi eller signalering,” og trygler tilhængerne af initiativ “til at revurdere, kritisk konceptet og udvikle et intellektuelt stringent grundlag for det”—en pæn måde at sige, “bare skære det ud.”
samlet set har responsen fra plantens neurobiologer om spørgsmålet om plantens” hjerner ” været ret konflikt., Anthony tre .avas fra University of Edinburgh foreslog, at “planteneurobiologi er en metafor”—og ikke mere. Hans fokus var på selve udtrykket, og hans interesse var hovedsageligt i dens betydning for at drive videnskab til at forstå cellebiologi af planter og mysterier plante celle-til-celle kommunikation og signalering. Men biologerne Franti.sek Balu.,ska af Universitetet i Bonn, og Stefano Mancuso fra Universitetet i Firenze ihærdigt argumenteret for, at den bogstavelige eksistensen af nervesystemet i planter, der tyder på, at “fjernelse af den gamle Aristoteliske skisma mellem planter og dyr, som vil forene alle flercellede organismer under en begrebsmæssig ‘paraply.'”
det er klart, at begge perspektiver ikke kan være rigtige. Tre .avas forekommer os at kalde det, hvad det er: blot et tilfælde af at diskutere ligheder. Det er selve metaforen, der gør udsagn om lighed mellem plante-og dyresystemer så interessante., Men for at gøre det nyttigt, er du nødt til at erkende, at det er metafor. At forene planter og dyr under en enkelt “konceptuel paraply”, når der virkelig ikke er en, skaber et ægte problem. For det første er der gode beviser for, at planter og dyr ikke deler en fælles stamfar til udelukkelse af alle andre organismer på planeten. Svampe og de mange encellede organismer, der har kerner, kommer i vejen. En samlende paraply ville både skjule denne virkelighed og undergrave metaforens anvendelighed. Når en metafor ikke længere anerkendes som sådan, bliver fejlslutning dagens regel.
