Good Mood

Mimosa pudica, ook wel gevoelige plant of touch-me-niet, vouwt zijn bladeren snel wanneer mechanisch verstoord. Weinig planten vertonen zulke snelle bewegingen, hoewel velen—zoals degenen die hun bloemen openen en sluiten volgens het tijdstip van de dag—met langzamere bewegingen reageren op omgevingsprikkels.,Martin Shields / Photo Researchers, Inc

aangepast met toestemming van de hersenen: Big Bangs, Behaviors, and Beliefs, door Rob DeSalle en Ian Tattersall, gepubliceerd door Yale University Press. Copyright © 2012 door Rob DeSalle en Ian Tattersall

sommige mensen denken dat planten reageren op praten, het spelen van muziek en andere vormen van menselijke aandacht. En hoewel planten meer dan waarschijnlijk de menselijke taal niet verwerken, zijn ze toch zeer bewust van hun omgeving en zijn ze zeer in staat om te communiceren tussen hun cellen., Bovendien denken sommige wetenschappers dat het interne communicatiesysteem van een plant heel dicht bij wat we terecht een zenuwstelsel zouden kunnen noemen. Sommige mimosa ‘ s staan er immers bekend om dat ze zich snel terugtrekken nadat ze zijn gestoord, en Venusvliegenvangers reageren snel op de aanwezigheid van insecten in hun vangapparatuur. Charles Darwin maakte vergelijkbare observaties en stelde vergelijkbare ideeën over planten voor., In een van zijn minder bekende werken, De Kracht van de Beweging in Planten (1880), hij schreef over de radicle, de embryonale wortel van een plant, en de gevoeligheid van de punt naar de verschillende soorten stimulatie:

Het is nauwelijks overdreven om te zeggen dat de tip van de radicle dus begiftigd, en met de macht om leiding te geven aan de bewegingen van de aangrenzende delen, fungeert als de hersenen van een van de lagere dieren; de hersenen wordt geplaatst in het voorste uiteinde van het lichaam, het ontvangen van de indrukken van de zintuigen, en de leiding van de verschillende bewegingen.,

Darwin zei dat de radicel zich niet alleen gedraagt als een brein door de functies van andere cellen te sturen, maar ook op de corresponderende plaats in de anatomie van de plant wordt geplaatst. Sommige moderne botanici hebben dit idee uitgebreid. In 2005 werd de eerste internationale plant neurobiologie bijeenkomst gehouden in Florence,Italië, en een gloednieuw tijdschrift, Plant Signaling and Behavior, werd gelanceerd in 2006. Wat stellen de plantenneurobiologen voor?

het idee dat planten een zenuwstelsel hebben komt voort uit verschillende informatiebronnen., Ten eerste hebben planten genen die vergelijkbaar zijn met die welke componenten van dierlijke zenuwstelsel specificeren. Dergelijke componenten omvatten receptoren voor glutamaat, een aminozuur dat één van de bouwstenen van proteã NEN is maar dat ook als neurotransmitter functioneert. Andere componenten zijn neurotransmitterwegactivatoren, zoals die bekend als G-box proteã nen, en een familie van “14-3-3” proteã nen, die handelen om diverse signalerende proteã nen te binden. Al deze proteã nen zijn waargenomen in dieren, waarin zij zijn getoond om verschillende rollen in neurale functie te hebben. Toch komen ze ook voor in planten.,

ten tweede, hoewel deze eiwitten meer dan waarschijnlijk geen “neurale” functies hebben in planten, gedragen sommige plantaardige eiwitten zich op een manier die erg lijkt op neurale moleculen. Ten derde lijken sommige planten synaps-achtige gebieden tussen cellen te vertonen, waarlangs neurotransmittermoleculen cel-naar-celcommunicatie vergemakkelijken. In de eis voor vergelijking is opgenomen dat de regio ‘ s dezelfde kenmerken moeten hebben als dierlijke synapsen, zoals de vorming van blaasjes, kleine belletjes die de neurotransmitters opslaan die over de synaps moeten worden afgegeven., Ten vierde, veel planten hebben vasculaire systemen die eruit zien alsof ze kunnen fungeren als leidingen voor de “impulsen” die ze nodig hebben om door het lichaam van de plant te verzenden. Ten slotte tonen sommige installatiecellen wat als actiepotentialen—gebeurtenissen zou kunnen worden geà nterpreteerd waarin de elektrische polariteit over het celmembraan een snelle, tijdelijke omkering doet, zoals in dierlijke neurale cellen voorkomt.

illustratie uit de kracht van beweging in planten toont een van Darwin ‘ s experimenten met een boon-radicle., (A) een klein vierkant van de kaart bevestigd in de buurt van de punt veroorzaakt buigen weg van de kaart, alsof de radicle een obstakel is tegengekomen. (B) na verloop van tijd neemt de buiging, die niet door groei aan de punt maar door cellen verder omhoog het radicle wordt bewerkstelligd, tot een rechte hoek toe. (C) uiteindelijk begint het uiteinde naar beneden te buigen door de actie van geotropism. Met de radicle in de lucht opgehangen,zijn de cellen in het gebied van de bocht niet direct compressie detecteren tegen een obstakel, dus het is de gevoelige top die hun reactie initieert.,

Richard Milner

laten we eens kijken naar deze verschillende soorten informatie en naar wat ze kunnen betekenen voor het bestaan van hersenachtige functies in planten.

Het is niet verwonderlijk om genen te vinden in planten die verwant zijn aan dierlijke genen die betrokken zijn in het zenuwstelsel. Inderdaad, bevestiging van dit feit was een van de eerste echt interessante resultaten van de verschillende genoomprojecten. De reden waarom het niet verwonderlijk is dat al het leven op de planeet is verenigd door gemeenschappelijke afkomst., Om genen te vinden die gemeen zijn tussen breed uiteenlopende organismen is wat je zou verwachten met afstamming van gemeenschappelijke voorouders. Zo blijkt een typisch bacterieel genoom het equivalent van 2 procent of zo van zijn genen in het menselijke genoom te hebben. Voor planten is het aantal ongeveer 17 procent, en voor organismen als vliegen en wormen het aantal springt tussen de 30 en 40 procent. Een andere manier om gelijkenis van genomen te meten is om te vragen hoeveel de daadwerkelijke opeenvolgingen van basissen in de genen van een genoom variëren., Voor gewervelde dieren, wanneer sequentievergelijkingen worden onderzocht, varieert het aantal van ongeveer 85 procent, voor zulke verre verwanten als vissen, tot 98,7 procent, voor de chimpansee, en 99,7 procent voor ons bijna uitgestorven familielid, Homo neanderthalensis. Wat echter niet zo werd verwacht, Is de brede verspreiding van belangrijke gencategorieën die in zowel planten als dieren worden vertegenwoordigd.

toch kan evolutie enkele opmerkelijke “variaties op thema ‘s” met genen mogelijk maken., Als een gen een eiwit maakt dat betrokken is bij een bepaald proces in planten, hoeft het corresponderende gen in een dier of een schimmel niet per se een eiwit te maken dat dezelfde functie heeft. Een leerzaam voorbeeld is glutamaatreceptoren, die bij de dierlijke neurale synaps betrokken zijn en met de neurotransmitterglutamaat in wisselwerking staan. Planten hebben ook glutamaatreceptoren, maar of ze iets als een “neurale” functie dienen is een andere kwestie., Een onderzoek naar de verspreiding van deze genfamilie in het genoom van planten en dieren zal ons laten zien hoe genfamilies kunnen uiteenlopen en hoe de functies van deze genen ook kunnen uiteenlopen.

bij dieren worden deze receptoren voornamelijk aangetroffen in het ontvangende uiteinde van zenuwcellen—hun “postsynaptische” regio. Glutamaat wordt vervoerd over de synaps, ontmoet de receptoren, en zo wekt een actiepotentiaal, of het afvuren van de zenuwcel op. Het gebeurt dat twee belangrijke soorten glutamaatreceptoren worden erkend op basis van hoe zij de postsynaptische impuls bevorderen., De eerste soort is “ionotroop”: glutamaatreceptoren leiden de ionenkanaalporiën over het celmembraan van de ontvangende zenuwcel, en wanneer de receptoren aan glutamaat binden, worden de poriën geactiveerd en stromen de ionen door hen. In” metabotrope ” receptoren, worden de ionenkanalen onrechtstreeks geactiveerd, door signalerende cascades die gewoonlijk met G-proteã nen worden verbonden (die guanine, één van de vier nucleic zure basen binden).

om het proces te laten werken, moeten de glutamaatreceptoren zich ook binden aan zogenaamde agonisten., Er zijn drie belangrijke soorten agonists die met ionotropic glutamate receptoren in wisselwerking staan: AMPA (alpha — amino-3-hydroxyl-5-methyl4-isoxazole propionaat), NMDA (N-methyl-D-asparaginezuur), en kainate. Andere agonisten interageren met metabotrope receptoren. Er zijn ook verscheidene versies van de glutamaatreceptoren voor zowel ionotropic als metabotropic functies, evenals verscheidene binnen die functionele categorieën die voor verschillende agonists specifiek zijn. Er zijn dus meerdere versies van genen voor de eiwitten in dieren (dat is wat men een genfamilie noemt)., Bijvoorbeeld, hebben de meeste zoogdieren zestien ionotropic glutamate receptoren: vier die AMPA als agonist gebruiken, zeven die NMDA als agonist gebruiken, en vijf die kainate als agonist gebruiken. Eveneens, hebben de muizen en de mensen acht metabotropic glutamate receptoren, die elk een verscheidenheid van agonists gebruiken.

planten hebben glutamaatreceptoren die meer lijken op de ionotrope soort., Arabidopsis thaliana( thale cress), een werkpaard van Plantengenetica en genomica, heeft twintig leden van deze genenfamilie, een aantal in hetzelfde straatje, vreemd genoeg, als die zestien ionotrope glutamaatreceptoren bij zoogdieren. Bovendien zijn drie belangrijke categorieën van glutamaatreceptoren ontdekt in installaties, eraan herinnerend dat er drie belangrijke categorieën van ionotrope dierlijke glutamaatreceptoren zijn (die die AMPA, NMDA, en kainite als agonisten gebruiken). Maar komen de subgroepen van dierlijke ionotrope glutamaatreceptoren ongeveer overeen met die in planten?, Met andere woorden, zijn de dierlijke glutamaatreceptoren die AMPA als agonist gebruiken nauwer verwant aan een bepaalde subset van plantaardige glutamaatreceptoren dan zij aan om het even welke andere dierlijke of plantaardige receptoren zijn?

in feite vertonen de drie categorieën plantglutamaatreceptoren geen enkele gelijkenis met deze diercategorieën. Voor een ding, dieren blijkbaar allemaal geëvolueerd dezelfde genen in deze genfamilie via duplicaties in gemeenschappelijke voorouders, terwijl planten glutamaat receptoren allemaal lijken te zijn geëvolueerd uit een enkele gemeenschappelijke voorouder die bestond voordat planten en dieren uiteenliepen., Dat betekent dat de zeer specifieke glutamaatreceptoren van dieren geen één-op-één relatie hebben met plantaardige glutamaatreceptoren. Noch vertonen de receptoren in planten een relatie met verschillende organen, zoals ze dat bij dieren doen.

verder, afgezien van enige gelijkenis in de genen, kunnen we ons wenden tot onze tweede schijnbare gelijkenis, die van de functie van de eiwitten die door de genen worden gespecificeerd. In feite is het waar dat plantaardige glutamaatreceptoren kunnen interfereren met dierlijke glutamaatreceptoren, wat suggereert dat de plantaardige receptoren nog steeds een gelijkwaardige functie hebben in dierlijke zenuwcellen., Er is, bijvoorbeeld, het vreemde geval op het eiland Guam van menselijke inname van cycad materiaal (planten rijk aan een glutamaat-achtige aminozuur) veroorzaakt neurodegeneratieve symptomen vergelijkbaar met die van Alzheimer, Parkinson, en Lou Gehrig ‘ s ziekten. En de expressie van plantglutamaatreceptoren is specifiek voor de wortel, precies de locatie die sommige wetenschappers het meest suggestief vinden voor plant zenuwstelsel., Terwijl een kleine subset van deze receptoren belangrijk lijkt te zijn in de vroege ontwikkeling van de wortels, echter, vertonen de verschillende receptoren in planten over het algemeen geen relatie met verschillende organen, zoals ze bij dieren doen. Maar als glutamaatreceptoren in planten geen functies van het zenuwstelsel vervullen, waarom zijn ze er dan? Het gemeenschappelijkste argument voor hun behoud in installaties is dat zij als defensieproteã nen dienen om binnenvallende insectensoorten af te weren.,

ten derde, gezien dit alles, zijn er plantenstructuren die zich gedragen als synapsen, samen met moleculen die zich gedragen als neurotransmitters die actief zijn in het “synaptische” gebied? Om dit iets te betekenen, een paar kenmerken van planten moeten worden bevestigd. Synaptische communicatie moet worden getoond, geïmplementeerd door neurotransmitters en neurale transmitter receptoren op dezelfde manier als in dierlijke neurotransmissie—bijvoorbeeld, door middel van blaasjes in de buurt van de synaps., Een neurotransmitterkandidaat is auxine (indool-3-azijnzuur), een klein molecuul waarvan sommige botanici vinden dat het het beste argument is voor neurologisch gedrag bij planten. Er zijn ook transporters voor auxine die zich veel gedragen als receptoren, in die zin dat ze de beweging van auxine door het celmembraan ondersteunen. Maar werkt het auxine systeem als neurotransmissie? Sommige wetenschappers zouden ja zeggen., De moleculaire botanicus Gerd Jürgens van het Max Planck Instituut voor ontwikkelingsbiologie, bijvoorbeeld, heeft aangetoond dat auxine transport wordt bereikt door “vesicle trafficking”, een proces waarbij cellulaire vesikels (kleine lipide-omhulde bubbels) betrokken zijn die dierlijke neurotransmitter–achtige kenmerken hebben.

toch wordt auxine niet bij dieren aangetroffen en blijkt het een plantspecifiek eiwit te zijn dat de groei reguleert. Volgens sommigen suggereren de waarnemingen van Jürgens dat de blaasstructuren vergelijkbaar genoeg zouden kunnen zijn om een goed argument te maken., Wanneer de soorten “synapsen” die in installaties worden gemaakt worden onderzocht, blijken twee verbindingstypes eiwitdomeinen te hebben die in het celmembraan worden ingebed. Het auxine transportsysteem, bereikt door de handel in blaasjes, wordt beïnvloed door licht en zwaartekracht om de cel-tocel communicatie te controleren, en het gebruikt auxine als een zender, gedraagt zich op vrijwel dezelfde manier als een neurotransmitter.

de andere “synaps” gedraagt zich als de verbinding tussen een dierlijke immuuncel en een pathogene cel. Bij dieren, dit systeem implementeert de immuunrespons en de vernietiging van de binnenvallende ziekteverwekker., In planten kan het individu niet alleen omgaan met ziekteverwekkers, maar ook de interacties met symbionten stabiliseren-een belangrijke functie. Planten vestigen nuttige tweerichtingsinteracties met heel wat micro-organismen zoals bacteriën en schimmels, en in sommige gevallen vervullen deze microben taken die de plant niet op zichzelf kan doen. Sommige planten kunnen omgevingsstikstof niet verwerken, dus vormen ze een symbiotische relatie met bacteriën van het geslacht Rhizobium om de truc te doen, en de synaps-achtige gehechtheid is essentieel voor de relatie., In het proces, de rhizobia krijgen het voordeel van het worden gevoed door de plant.

om het vierde en vijfde punt te behandelen dat hierboven is genoemd met betrekking tot het bestaan van plantenneurale systemen, hoe zit het dan met elektrische impulsen of actiepotentialen in planten, en hun mogelijke routes als onderdeel van het plant vasculaire systeem? Vreemd genoeg, elektrische geleidbaarheid in planten werd ontdekt een paar jaar voordat Luigi Galvani deed zijn spookachtige 1780s frogleg experimenten tonen elektrische impulsen in dieren. Er bestaat dus geen twijfel over dat er in planten elektrische signalen of misschien zelfs actiemogelijkheden bestaan., Het is ook vrij duidelijk dat, zoals Eric Davies van de North Carolina State University het stelde, “de fundamentele reden dat planten elektrische signalen hebben is dat ze zeer snelle en systemische informatieoverdracht mogelijk maken, zodat de hele fabriek vrijwel direct wordt geïnformeerd, ook al is er maar één regio verstoord.”Toch is de aard van het actiepotentieel heel anders bij planten en dieren, hoewel beide de ionenkanalen van hun cellen betrekken., Terwijl dieren het actiepotentiaal produceren door een uitwisseling van natrium-en kaliumionen, worden plantenpotentialen geproduceerd met calciumtransport dat wordt versterkt door chloride en verminderd door kalium.

dus wat concluderen we? het idee dat planten in zekere zin hersenen hebben is zowel interessant als inspirerend., Zo provocerend, inderdaad, dat in 2007 zesendertig onderzoekers van drieëndertig instellingen een open brief publiceerden in het tijdschrift Trends in Plant Science waarin stond ” dat plantenneurobiologie niet bijdraagt aan ons begrip van plantenfysiologie, plantencelbiologie of signalering,” en de voorstanders van het initiatief smeekten om “het concept kritisch te evalueren en er een intellectueel rigoureuze basis voor te ontwikkelen”—een mooie manier om te zeggen: “knip het er gewoon uit.”

over het algemeen is de reactie van de plantenneurobiologen op de kwestie van plantenhersenen nogal tegenstrijdig., Anthony Trewavas van de Universiteit van Edinburgh suggereerde dat ” plantenneurobiologie een metafoor is— – en niets meer. Zijn focus lag op de term zelf, en zijn interesse was voornamelijk in het belang ervan in het stimuleren van de wetenschap om de celbiologie van planten en de mysteries van de cel-naar-cel communicatie en signalering van planten te begrijpen. Maar de biologen Franti.sek Balu.,ska van de Universiteit van Bonn en Stefano Mancuso van de Universiteit van Florence pleitten krachtig voor het letterlijke bestaan van het zenuwstelsel in planten, en suggereerden dat “het verwijderen van het oude aristotelische schisma tussen planten en dieren alle multicellulaire organismen onder één conceptuele ‘paraplu zal verenigen.'”

Uiteraard kunnen beide perspectieven niet goed zijn. Trewavas lijkt ons om het te noemen wat het is: gewoon een geval van het bespreken van overeenkomsten. Het is de metafoor zelf die uitspraken over de gelijkenis van plantaardige en dierlijke systemen zo interessant maakt., Maar om het nuttig te maken, moet je erkennen dat het metafoor is. Om planten en dieren te verenigen onder één “conceptuele paraplu” als er echt geen is, creëert een echt probleem. Ten eerste is er goed bewijs dat planten en dieren geen gemeenschappelijke voorouder delen met uitsluiting van alle andere organismen op de planeet. Schimmels en de vele eencellige organismen met kernen staan in de weg. Een overkoepelende paraplu zou deze realiteit zowel verhullen als het nut van de metafoor ondermijnen. Wanneer een metafoor niet langer als zodanig wordt erkend, wordt misvatting de regel van de dag.