Good Mood

mit freundlicher Genehmigung übernommen aus Dem Gehirn: Big Bangs, Verhaltensweisen und Überzeugungen, die von Rob DeSalle und Ian Tattersall, veröffentlicht von der Yale University Press. Copyright © 2012 von Rob DeSalle und Ian Tattersall

Einige Leute denken, dass Pflanzen auf das Sprechen, das Spielen von Musik und andere Formen menschlicher Aufmerksamkeit reagieren. Und obwohl Pflanzen die menschliche Sprache höchstwahrscheinlich nicht verarbeiten, sind sie sich ihrer Umgebung dennoch sehr bewusst und sehr kommunikationsfähig zwischen ihren Zellen., Darüber hinaus denken einige Wissenschaftler, dass das interne Kommunikationssystem einer Pflanze dem sehr nahe kommt, was wir zu Recht als Nervensystem bezeichnen könnten. Schließlich sind einige Mimosen dafür bekannt, sich nach einer Störung schnell zurückzuziehen, und Venusfliegenfänger reagieren schnell auf das Vorhandensein von Insekten in ihren Fanggeräten. Charles Darwin machte vergleichbare Beobachtungen und schlug ähnliche Ideen über Pflanzen vor., In einem seiner weniger bekannten Werke, The Power of Movement in Plants (1880), schrieb er über den Radikel, die embryonale Wurzel in einer Pflanze und die Empfindlichkeit seiner Spitze gegenüber verschiedenen Arten von Stimulation:

Es ist kaum übertrieben zu sagen, dass die Spitze des Radikels, die so ausgestattet ist und die Kraft hat, die Bewegungen der angrenzenden Teile zu lenken, wie das Gehirn eines der unteren Tiere wirkt; das Gehirn, das am vorderen Ende des Körpers sitzt, eindrücke von den Sinnesorganen empfangen und die verschiedenen Bewegungen lenken.,

Darwin sagte, dass sich der Radikel nicht nur wie ein Gehirn verhält, indem er die Funktionen anderer Zellen lenkt, sondern auch an der entsprechenden Stelle in der Anatomie der Pflanze positioniert ist. Einige moderne Botaniker haben diese Idee erweitert. Im Jahr 2005 fand in Florenz, Italien,das erste internationale Pflanzenneurobiologietreffen statt, und 2006 wurde eine brandneue Zeitschrift, Plant Signaling and Behavior, ins Leben gerufen. Was genau schlagen die Pflanzenneurobiologen vor?

Die Idee, dass Pflanzen Nervensysteme haben, stammt aus verschiedenen Informationsquellen., Erstens haben Pflanzen Gene, die denen ähnlich sind, die Komponenten des tierischen Nervensystems spezifizieren. Solche Komponenten umfassen Rezeptoren für Glutamat, eine Aminosäure, die einer der Bausteine von Proteinen ist, aber auch als Neurotransmitter fungiert. Andere Komponenten sind Neurotransmitter-Signalwegaktivatoren, wie sie als G-Box-Proteine bekannt sind, und eine Familie von „14-3-3“ – Proteinen, die verschiedene Signalproteine binden. Alle diese Proteine wurden bei Tieren beobachtet, bei denen gezeigt wurde, dass sie unterschiedliche Rollen in der neuronalen Funktion haben. Sie kommen aber auch in Pflanzen vor.,

Zweitens, obwohl diese Proteine in Pflanzen höchstwahrscheinlich keine „neuronalen“ Funktionen haben, verhalten sich einige Pflanzenproteine neuronalen Molekülen sehr ähnlich. Drittens scheinen einige Pflanzen synapsenartige Regionen zwischen Zellen zu zeigen, über die Neurotransmittermoleküle die Kommunikation von Zelle zu Zelle erleichtern. In der Anforderung für den Vergleich enthalten ist, dass die Regionen die gleichen Eigenschaften wie tierische Synapsen haben sollten, wie die Bildung von Vesikeln, kleinen Blasen, die die Neurotransmitter speichern, die über die Synapse freigesetzt werden sollen., Viertens haben viele Pflanzen Gefäßsysteme, die aussehen, als könnten sie als Leitungen für die „Impulse“ fungieren, die sie im ganzen Körper der Pflanze übertragen müssen. Zuletzt zeigen einige Pflanzenzellen, was als Aktionspotentiale interpretiert werden könnte—Ereignisse, bei denen die elektrische Polarität über die Zellmembran eine schnelle, vorübergehende Umkehrung bewirkt, wie sie in tierischen neuronalen Zellen auftritt.

Schauen wir uns diese verschiedenen Arten von Informationen an und was sie für die Existenz von gehirnähnlichen Funktionen in Pflanzen bedeuten können.

Es ist kaum verwunderlich, Gene in Pflanzen zu finden, die mit tierischen Genen zusammenhängen, die am Nervensystem beteiligt sind. In der Tat war die Bestätigung dieser Tatsache eines der ersten wirklich interessanten Ergebnisse der verschiedenen Genomprojekte. Der Grund, warum es nicht überraschend ist, ist, dass alles Leben auf dem Planeten durch gemeinsame Abstammung vereint ist., Gene gemeinsam unter breit divergierenden Organismen zu finden, ist das, was man mit dem Abstieg von gemeinsamen Vorfahren erwarten würde. So stellt sich heraus, dass ein typisches Bakteriengenom das Äquivalent von etwa 2 Prozent seiner Gene im menschlichen Genom aufweist. Für Pflanzen beträgt die Zahl etwa 17 Prozent, und für Organismen wie Fliegen und Würmer springt die Zahl zwischen 30 und 40 Prozent. Eine andere Möglichkeit, die Ähnlichkeit von Genomen zu messen, besteht darin, zu fragen, wie stark die tatsächlichen Basensequenzen in den Genen eines Genoms variieren., Bei Wirbeltieren reicht die Zahl bei der Untersuchung der Sequenzähnlichkeit von etwa 85 Prozent für entfernte Verwandte wie Fische bis zu 98,7 Prozent für den Schimpansen und 99,7 Prozent für unseren nahezu ausgestorbenen Verwandten Homo neanderthalensis. Was jedoch nicht so erwartet wurde, ist die breite Verteilung der wichtigsten Genkategorien, die sowohl in Pflanzen als auch in Tieren vertreten sind.

Dennoch kann die Evolution einige bemerkenswerte „Variationen von Themen“ mit Genen erleichtern., Wenn ein Gen ein Protein an einem bestimmten Prozess in Pflanzen beteiligt, das entsprechende Gen in einem Tier oder einem Pilz muss nicht unbedingt ein Protein machen, die die gleiche Funktion hat. Ein lehrreiches Beispiel sind Glutamatrezeptoren, die an der neuralen Synapse des Tieres beteiligt sind und mit dem Neurotransmitter Glutamat interagieren. Pflanzen haben auch Glutamatrezeptoren, aber ob sie einer „neuronalen“ Funktion dienen, ist eine andere Sache., Eine Untersuchung der Verteilung dieser Genfamilie in den Genomen von Pflanzen und Tieren wird uns zeigen, wie Genfamilien divergieren können und wie auch die Funktionen dieser Gene divergieren können.

Bei Tieren finden sich diese Rezeptoren hauptsächlich im empfangenden Ende von Nervenzellen-ihrer „postsynaptischen“ Region. Glutamat wird über die Synapse transportiert, trifft auf die Rezeptoren und regt so ein Aktionspotential oder Brennen der Nervenzelle an. Es kommt vor, dass zwei Hauptarten von Glutamatrezeptoren auf der Grundlage erkannt werden, wie sie den postsynaptischen Impuls fördern., Die erste Art ist „ionotrop“: Glutamatrezeptoren säumen die Ionenkanalporen über die Zellmembran der Empfängernervenzelle, und wenn die Rezeptoren an Glutamat binden, werden die Poren aktiviert und Ionen fließen durch sie. Bei „metabotropen“ Rezeptoren werden die Ionenkanäle indirekter durch Signalkaskaden aktiviert, die normalerweise mit G-Proteinen verbunden sind (die Guanin, eine der vier Nukleinsäurebasen, binden).

Damit der Prozess funktioniert, müssen die Glutamatrezeptoren auch sogenannte Agonisten binden., Es gibt drei Haupttypen von Agonisten, die mit ionotropen Glutamatrezeptoren interagieren: AMPA (Alpha-Amino-3-Hydroxyl-5-methyl4-Isoxazolpropionat), NMDA (N-Methyl-D-Asparaginsäure) und Kainat. Andere Agonisten interagieren mit metabotropen Rezeptoren. Es gibt auch mehrere Versionen der Glutamatrezeptoren sowohl für die ionotropen als auch für die metabotropen Funktionen sowie mehrere innerhalb dieser Funktionskategorien, die für verschiedene Agonisten spezifisch sind. Es gibt also mehrere Versionen von Genen für die Proteine in Tieren (das heißt eine Genfamilie)., Zum Beispiel haben die meisten Säugetiere sechzehn ionotrope Glutamatrezeptoren: vier, die AMPA als Agonisten verwenden, sieben, die NMDA als Agonisten verwenden, und fünf, die Kainat als Agonisten verwenden. Ebenso haben Mäuse und Menschen acht metabotrope Glutamatrezeptoren, von denen jeder eine Vielzahl von Agonisten verwendet.

Pflanzen haben Glutamatrezeptoren, die der ionotropen Art ähnlicher sind., Arabidopsis thaliana( Thale cress), ein Arbeitstier der Pflanzengenetik und Genomik, hat zwanzig Mitglieder dieser Genfamilie, eine Zahl im selben Park, seltsamerweise wie diese sechzehn ionotropen Glutamatrezeptoren bei Säugetieren. Darüber hinaus wurden drei Hauptkategorien von Glutamatrezeptoren in Pflanzen entdeckt, die daran erinnern, dass es drei Hauptkategorien von ionotropen tierischen Glutamatrezeptoren gibt (diejenigen, die AMPA, NMDA und Kainit als Agonisten verwenden). Aber entsprechen die Untergruppen der tierischen ionotropen Glutamatrezeptoren in etwa denen in Pflanzen?, Mit anderen Worten, sind die tierischen Glutamatrezeptoren, die AMPA als Agonisten verwenden, enger mit einer bestimmten Teilmenge pflanzlicher Glutamatrezeptoren verwandt als mit anderen tierischen oder pflanzlichen Rezeptoren?

Tatsächlich haben die drei Kategorien pflanzlicher Glutamatrezeptoren überhaupt keine Ähnlichkeit mit diesen Tierkategorien. Zum einen entwickelten Tiere anscheinend alle die gleichen Gene in dieser Genfamilie über Duplikationen bei gemeinsamen Vorfahren, während Pflanzenglutamatrezeptoren alle von einem einzigen gemeinsamen Vorfahren entwickelt zu sein scheinen, der existierte, bevor Pflanzen und Tiere divergierten., Das bedeutet, dass die sehr spezifischen Glutamatrezeptoren von Tieren keine Eins-zu-Eins-Beziehung zu pflanzlichen Glutamatrezeptoren haben. Auch zeigen die Rezeptoren in Pflanzen keine Beziehung zu verschiedenen Organen, wie sie es bei Tieren tun.

Abgesehen von jeglicher Ähnlichkeit in den Genen können wir uns unserer zweiten scheinbaren Ähnlichkeit zuwenden, der Funktion der von den Genen spezifizierten Proteine. Tatsächlich können pflanzliche Glutamatrezeptoren tierische Glutamatrezeptoren stören, was darauf hindeutet, dass die Pflanzenrezeptoren in tierischen Nervenzellen immer noch eine äquivalente Funktion haben., Es gibt zum Beispiel den seltsamen Fall auf der Insel Guam, dass Menschen Cycad-Material (Pflanzen, die reich an einer glutamatähnlichen Aminosäure sind) zu sich nehmen und neurodegenerative Symptome verursachen, die denen von Alzheimer, Parkinson und Lou Gehrig ähneln Krankheiten. Und die Expression von Pflanzenglutamatrezeptoren ist spezifisch für die Wurzel, genau der Ort, den einige Wissenschaftler für das pflanzliche Nervensystem am deutlichsten finden., Während eine kleine Teilmenge dieser Rezeptoren für die frühe Entwicklung der Wurzeln wichtig zu sein scheint, zeigen die verschiedenen Rezeptoren in Pflanzen im Allgemeinen keine Beziehung zu verschiedenen Organen, wie sie es bei Tieren tun. Wenn Glutamatrezeptoren jedoch nicht den Funktionen des Nervensystems in Pflanzen dienen, warum sind sie dann da? Das häufigste Argument für ihre Retention in Pflanzen ist, dass sie als Abwehrproteine dienen, um eindringende Insektenarten abzuwehren.,

Drittens gibt es angesichts all dessen Pflanzenstrukturen, die sich wie Synapsen verhalten, zusammen mit Molekülen, die sich wie Neurotransmitter verhalten, die in der „synaptischen“ Region aktiv sind? Damit dies etwas bedeutet, müssen einige Eigenschaften von Pflanzen bestätigt werden. Synaptische Kommunikation muss gezeigt werden, implementiert durch Neurotransmitter und neuronale Transmitter—Rezeptoren in der gleichen Weise wie in der tierischen Neurotransmission-zum Beispiel über Vesikel in der Nähe der Synapse., Ein Neurotransmitter-Kandidat ist Auxin (Indol-3-Essigsäure), ein kleines Molekül, das nach Ansicht einiger Botaniker das beste Argument für neurologisches Verhalten in Pflanzen ist. Es gibt auch Transporter für Auxin, die sich sehr wie Rezeptoren verhalten, da sie die Bewegung von Auxin über die Zellmembran unterstützen. Aber wirkt das Auxin-System wie Neurotransmission? Einige Wissenschaftler würden tatsächlich ja argumentieren., Der Molekularbotaniker Gerd Jürgens am Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie hat beispielsweise gezeigt, dass der Auxin-Transport durch „Vesikelhandel“ erfolgt, einen Prozess, der zelluläre Vesikel (kleine lipidumhüllte Blasen) mit tierischen neurotransmitterähnlichen Merkmalen umfasst.

Dennoch wird Auxin nicht bei Tieren gefunden, und es scheint ein pflanzenspezifisches Protein zu sein, das das Wachstum reguliert. Für einige deuten Jürgens ‚ Beobachtungen darauf hin, dass die Vesikelstrukturen ähnlich genug sein könnten, um ein gutes Argument zu liefern., Wenn die Arten von“ Synapsen “ untersucht werden, die in Pflanzen hergestellt werden, haben zwei Verbindungstypen Proteindomänen, die in die Zellmembran eingebettet sind. Das Auxin-Transportsystem, das durch Vesikelhandel erreicht wird, wird durch Licht und Schwerkraft beeinflusst, um die Zell-Tocell-Kommunikation zu steuern, und es verwendet Auxin als Sender, der sich ähnlich verhält wie ein Neurotransmitter.

Die andere „Synapse“ verhält sich wie die Verbindung zwischen einer tierischen Immunzelle und einer pathogenen Zelle. Bei Tieren implementiert dieses System die Immunantwort und die Zerstörung des eindringenden Erregers., In Pflanzen erlaubt es dem Individuum nicht nur, mit Krankheitserregern umzugehen, sondern auch Wechselwirkungen mit Symbionten zu stabilisieren—eine wichtige Funktion. Pflanzen stellen nützliche wechselseitige Wechselwirkungen mit vielen Mikroorganismen wie Bakterien und Pilzen her, und in einigen Fällen erfüllen diese Mikroben Aufgaben, die die Pflanze nicht alleine erledigen kann. Einige Pflanzen können keinen Umweltstickstoff verarbeiten, daher bilden sie eine symbiotische Beziehung zu Bakterien der Gattung Rhizobium, um den Trick zu machen, und die synapsenartige Bindung ist für die Beziehung unerlässlich., Dabei profitieren die Rhizome davon, von der Pflanze gefüttert zu werden.

Was ist dann mit elektrischen Impulsen oder Aktionspotentialen in Pflanzen und ihren möglichen Wegen als Teil des Pflanzengefäßsystems, um den oben angesprochenen vierten und fünften Punkt in Bezug auf die Existenz pflanzlicher neuronaler Systeme anzusprechen? Seltsamerweise wurde die elektrische Leitfähigkeit in Pflanzen einige Jahre vor Luigi Galvani in seinen grausamen Frogleg-Experimenten aus den 1780er Jahren entdeckt, die elektrische Impulse bei Tieren zeigten. Es besteht also kein Zweifel, dass elektrische Signale oder vielleicht sogar Aktionspotentiale in Pflanzen existieren., Es ist auch ziemlich klar, dass Eric Davies von der North Carolina State University es ausdrückte: „Der grundlegende Grund, warum Pflanzen elektrische Signale haben, ist, dass sie eine sehr schnelle und systemische Informationsübertragung ermöglichen, so dass die gesamte Anlage fast sofort informiert wird, obwohl nur eine Region möglicherweise gestört wurde.“Dennoch ist die Art des Aktionspotentials bei Pflanzen und Tieren sehr unterschiedlich, obwohl beide die Ionenkanäle ihrer Zellen betreffen., Während Tiere das Aktionspotential durch einen Austausch von Natrium-und Kaliumionen erzeugen, werden Pflanzenpotentiale durch Calciumtransport erzeugt, der durch Chlorid verstärkt und durch Kalium reduziert wird.

Was schließen wir daraus?
Die Vorstellung, dass Pflanzen haben Gehirne in einer Weise interessant und anregend., In der Tat so provokativ, dass 2007 sechsunddreißig Forscher aus dreiunddreißig Institutionen einen offenen Brief in der Zeitschrift Trends in Plant Science veröffentlichten, in dem sie behaupteten,“ dass die Pflanzenneurobiologie nicht zu unserem Verständnis der Pflanzenphysiologie, der Pflanzenzellbiologie oder der Signalgebung beiträgt“, und die Befürworter der Initiative aufforderten,“das Konzept kritisch zu bewerten und eine intellektuell strenge Grundlage dafür zu entwickeln „—eine nette Art zu sagen: „Schneiden Sie es einfach aus.“

Insgesamt war die Reaktion der Pflanzenneurobiologen auf die Frage des Pflanzengehirns eher widersprüchlich., Anthony Trewavas von der Universität Edinburgh schlug vor, dass“Pflanzenneurobiologie eine Metapher ist“ —und nicht mehr. Sein Fokus lag auf dem Begriff selbst, und sein Interesse lag hauptsächlich in seiner Bedeutung, die Wissenschaft dazu zu bringen, die Zellbiologie von Pflanzen und die Geheimnisse der Kommunikation und Signalisierung von Pflanzen von Zelle zu Zelle zu verstehen. Aber die Biologen Franti.sek Balu.,ska von der Universität Bonn und Stefano Mancuso von der Universität Florenz argumentierten energisch für die wörtliche Existenz von Nervensystemen in Pflanzen und schlugen vor, dass „das Entfernen des alten aristotelischen Schismas zwischen Pflanzen und Tieren alle vielzelligen Organismen unter einem Dach vereinen wird“.'“

Offensichtlich können beide Perspektiven nicht richtig sein. Trewavas scheint uns zu nennen, was es ist: einfach ein Fall von Ähnlichkeiten zu diskutieren. Es ist die Metapher selbst, die Aussagen über die Ähnlichkeit pflanzlicher und tierischer Systeme so interessant macht., Aber um es nützlich zu machen, müssen Sie anerkennen, dass es Metapher ist. Pflanzen und Tiere unter einem einzigen „konzeptionellen Dach“ zu vereinen, wenn es wirklich keinen gibt, schafft ein echtes Problem. Zum einen gibt es gute Beweise dafür, dass Pflanzen und Tiere unter Ausschluss aller anderen Organismen auf dem Planeten keinen gemeinsamen Vorfahren haben. Pilze und die vielen einzelligen Organismen, die Kerne haben, stehen im Weg. Ein vereinheitlichender Regenschirm würde diese Realität verschleiern und den Nutzen der Metapher untergraben. Wenn eine Metapher nicht mehr als solche erkannt wird, wird Trugschluss zur Regel des Tages.