niektórzy biolodzy twierdzą, że „neurobiologia” została zbyt wąsko zdefiniowana
Mimosa pudica, zwana także wrażliwą rośliną lub dotknij mnie-nie, składa liście szybko, gdy mechanicznie zakłócony. Niewiele roślin wykazuje tak szybkie ruchy, chociaż wiele-takich jak te, które otwierają i zamykają swoje kwiaty w zależności od pory dnia – reaguje wolniejszymi ruchami na bodźce środowiskowe.,
adaptacja za zgodą the Brain: Big Bangs, Behaviors, and Beliefs, autorstwa Roba DeSalle ' a i Iana Tattersalla, opublikowana przez Yale University Press. Copyright © 2012 by Rob DeSalle and Ian Tattersall
niektórzy ludzie myślą, że rośliny reagują na mówienie, granie muzyki i inne formy ludzkiej uwagi. I chociaż rośliny najprawdopodobniej nie przetwarzają ludzkiego języka, są bardzo świadome swojego otoczenia i są bardzo zdolne do komunikacji między komórkami., Co więcej, niektórzy naukowcy uważają, że wewnętrzny system komunikacji roślin jest bardzo zbliżony do tego, co możemy legalnie nazwać układem nerwowym. W końcu niektóre mimozy słyną z szybkiego cofania się po zakłóceniu, a muchomory Wenus szybko reagują na obecność owadów w ich aparatach przechwytywania. Karol Darwin poczynił porównywalne obserwacje i zaproponował podobne pomysły na temat roślin., W jednej ze swoich mniej znanych prac, The Power of Movement in Plants (1880), pisał o korzeniu zarodkowym rośliny i wrażliwości jej wierzchołka na różne rodzaje stymulacji:
trudno przesadzić, aby powiedzieć, że tak obdarzony wierzchołek rodnika i mający moc kierowania ruchami sąsiednich części, działa jak mózg jednego z niższych zwierząt; mózg siedzący w obrębie rośliny jest w stanie poruszać się po niej.przedni koniec ciała, odbieranie wrażeń z narządów zmysłów i kierowanie kilkoma ruchami.,
Darwin mówił, że Rodnik nie tylko zachowuje się jak mózg, kierując funkcjami innych komórek, ale także jest umieszczony w odpowiednim miejscu w anatomii rośliny. Niektórzy współcześni botanicy rozszerzyli tę ideę. W 2005 roku we Florencji we Włoszech odbyło się pierwsze międzynarodowe spotkanie neurobiologii roślin,a w 2006 roku ukazało się nowe czasopismo „Plant Signaling and Behavior”. Co proponują neurobiolodzy roślinni?
pomysł, że rośliny mają układ nerwowy wynika z kilku źródeł informacji., Po pierwsze, rośliny mają geny podobne do tych, które określają składniki układu nerwowego zwierząt. Takie składniki obejmują receptory dla glutaminianu, aminokwasu, który jest jednym z budulców białek, ale działa również jako neuroprzekaźnik. Inne składniki to aktywatory szlaku neuroprzekaźnikowego, takie jak te znane jako białka G-box i rodzina białek” 14-3-3″, które działają w celu wiązania różnych białek sygnalizacyjnych. Wszystkie te białka zostały zaobserwowane u zwierząt, w których wykazano, że mają różne role w funkcji neuronowej. Jednak występują również w roślinach.,
Po drugie, chociaż białka te najprawdopodobniej nie mają funkcji „neuronowych” u roślin, niektóre białka roślinne zachowują się w sposób bardzo podobny do cząsteczek neuronowych. Po trzecie, niektóre rośliny wydają się wykazywać obszary podobne do synaps między komórkami, przez które cząsteczki neuroprzekaźników ułatwiają komunikację między komórkami. Wymaganie do porównania polega na tym, że regiony powinny mieć takie same cechy jak synapsy zwierzęce, takie jak tworzenie się pęcherzyków, małych pęcherzyków, które przechowują neuroprzekaźniki, które mają być uwalniane przez synapsy., Po czwarte, wiele roślin ma układy naczyniowe, które wyglądają, jakby mogły działać jako kanały dla „impulsów”, które muszą transmitować w całym ciele rośliny. Wreszcie, niektóre komórki roślinne wykazują to, co można interpretować jako potencjały działania-zdarzenia, w których polaryzacja elektryczna w błonie komórkowej powoduje szybkie, tymczasowe odwrócenie, jak ma to miejsce w komórkach nerwowych zwierząt.
Ilustracja z siły Ruchu roślin pokazuje jeden z eksperymentów Darwina z rodnikiem fasoli., (A) mały kwadrat karty przymocowany w pobliżu końcówki powoduje odchylenie się od karty, tak jakby Rodnik napotkał przeszkodę. (B) w czasie, zginanie, które odbywa się nie przez wzrost na czubku, ale przez komórki dalej w górę rodnika, wzrasta do kąta prostego. (C) w końcu końcówka zaczyna się wyginać w dół poprzez działanie geotropizmu. Z rodnikiem zawieszonym w powietrzu, komórki w rejonie Zakrętu nie wyczuwają bezpośrednio ścisku przeciwko przeszkodzie, więc to wrażliwy wierzchołek inicjuje ich reakcję.,
spójrzmy na te różne rodzaje informacji i na to, co mogą one oznaczać dla istnienia funkcji podobnych do mózgu w roślinach.
trudno się dziwić znajdowaniu genów w roślinach, które są związane z genami zwierzęcymi zaangażowanymi w układ nerwowy. Rzeczywiście, potwierdzenie tego faktu było jednym z pierwszych naprawdę interesujących wyników różnych projektów genomu. Powodem, dla którego nie jest to zaskakujące, jest to, że całe życie na planecie jest zjednoczone przez wspólnych przodków., Znalezienie genów wspólnych wśród organizmów różniących się od siebie jest tym, czego można się spodziewać po pochodzeniu od wspólnych przodków. Tak więc typowy bakteryjny Genom okazuje się mieć odpowiednik 2 procent lub Tak swoich genów w ludzkim genomie. Dla roślin liczba ta wynosi około 17 procent, a dla takich organizmów, jak muchy i robaki, liczba skacze do 30-40 procent. Innym sposobem pomiaru podobieństwa genomów jest pytanie, jak bardzo różnią się rzeczywiste sekwencje zasad w genach genomu., W przypadku kręgowców, po zbadaniu podobieństwa sekwencji, liczba ta waha się od około 85 procent, dla tak odległych krewnych jak ryby, do 98,7 procent, dla szympansa i 99,7 procent dla naszego bliskiego wymarłego krewnego, Homo neanderthalensis. Nie spodziewano się jednak szerokiego rozmieszczenia głównych kategorii genów, które są reprezentowane zarówno u roślin, jak i zwierząt.
mimo to ewolucja może ułatwić pewne niezwykłe „wariacje na tematy” z genami., Jeśli Gen tworzy białko zaangażowane w danym procesie w roślinach, odpowiedni Gen u zwierząt lub grzybów niekoniecznie musi tworzyć białko, które ma tę samą funkcję. Pouczającym przykładem są receptory glutaminianowe, które biorą udział w zwierzęcej synapsie nerwowej i oddziałują z neuroprzekaźnikiem glutaminianem. Rośliny też mają receptory glutaminianowe, ale to, czy pełnią jakąś funkcję „neuronową”, to już inna sprawa., Badanie rozkładu tej rodziny genów w genomach roślin i zwierząt pokaże nam, jak rodziny genów mogą się różnić i jak funkcje tych genów mogą się różnić.
u zwierząt receptory te znajdują się głównie w odbiorczym końcu komórek nerwowych—ich regionie „postsynaptycznym”. Glutaminian jest transportowany przez synapsę, napotyka receptory, a więc pobudza potencjał czynnościowy, czyli ognisko komórki nerwowej. Zdarza się, że dwa główne rodzaje receptorów glutaminianowych są rozpoznawane na podstawie tego, w jaki sposób promują impuls postsynaptyczny., Pierwszy rodzaj jest „jonotropowy”: receptory glutaminianowe kierują pory kanału jonowego przez błonę komórkową komórki nerwowej biorcy, a gdy receptory wiążą się z glutaminianem, pory są aktywowane i jony przepływają przez nie. W receptorach” metabotropowych ” kanały jonowe są aktywowane bardziej pośrednio, poprzez kaskady sygnałowe, które są zwykle związane z białkami G (które wiążą guaninę, jedną z czterech zasad kwasu nukleinowego).
aby proces zadziałał, receptory glutaminianu również muszą wiązać tak zwane agonisty., Istnieją trzy główne rodzaje agonistów, które oddziałują z jonotropowymi receptorami glutaminianu: AMPA( Alfa-amino-3-hydroksylo-5-metylo4-propionian izoksazolu), NMDA (kwas N-metylo-D-asparaginowy) i kainian. Inni agoniści oddziałują z receptorami metabotropowymi. Istnieje również kilka wersji receptorów glutaminianu dla funkcji jonotropowych i metabotropowych, a także kilka w ramach tych kategorii funkcjonalnych, które są specyficzne dla różnych agonistów. Istnieje więc wiele wersji genów dla białek u zwierząt (tak nazywa się rodzinę genów)., Na przykład większość ssaków ma szesnaście jonotropowych receptorów glutaminianowych: cztery, które używają AMPA jako agonisty, siedem, które używają NMDA jako agonisty, i pięć, które używają kainate jako agonisty. Podobnie, myszy i ludzie mają osiem metabotropowych receptorów glutaminianu, z których każdy wykorzystuje różne agonistów.
rośliny mają receptory glutaminianowe, które są bardziej podobne do rodzaju jonotropowego., Arabidopsis thaliana (Thale cress), koń pociągowy genetyki i genomiki roślin, ma dwudziestu członków tej rodziny genów, liczba w tym samym polu, Co, Co ciekawe, szesnaście jonotropowych receptorów glutaminianowych u ssaków. Ponadto, trzy główne kategorie receptorów glutaminianu zostały odkryte w roślinach, przypominając, że istnieją trzy główne kategorie jonotropowych receptorów glutaminianu zwierząt (te, które używają AMPA, NMDA i kainite jako agonistów). Ale czy podgrupy jonotropowych receptorów glutaminianu zwierząt mniej więcej odpowiadają tym u roślin?, Innymi słowy, czy zwierzęce receptory glutaminianowe, które używają AMPA jako agonisty, są bliżej spokrewnione z określonym podzbiorem roślinnych receptorów glutaminianowych niż z jakimikolwiek innymi zwierzęcymi lub roślinnymi receptorami?
w rzeczywistości trzy kategorie receptorów glutaminianu roślinnego nie mają żadnego podobieństwa do tych kategorii zwierząt. Po pierwsze, zwierzęta najwyraźniej wyewoluowały te same geny w tej rodzinie genów poprzez powielanie wspólnych przodków, podczas gdy receptory glutaminianu roślin wydają się być wyewoluowane z jednego wspólnego przodka, który istniał zanim rośliny i zwierzęta się rozdzieliły., Oznacza to, że bardzo specyficzne receptory glutaminianowe zwierząt nie mają związku jeden do jednego z receptorami glutaminianowymi roślin. Receptory u roślin również nie wykazują związku z odrębnymi narządami, tak jak u zwierząt.
poza jakimkolwiek podobieństwem genów, możemy zwrócić się do naszego drugiego pozornego podobieństwa, czyli funkcji białek określonych przez geny. W rzeczywistości prawdą jest, że receptory glutaminianu roślinnego mogą zakłócać receptory glutaminianu zwierząt, co sugeruje, że receptory roślinne nadal mają jakąś równoważną funkcję w zwierzęcych komórkach nerwowych., Istnieje na przykład dziwny przypadek na wyspie Guam spożycia przez ludzi materiału cycad (rośliny bogate w aminokwas podobny do glutaminianu) powodujący objawy neurodegeneracyjne podobne do objawów choroby Alzheimera, Parkinsona i Lou Gehriga. Ekspresja roślinnych receptorów glutaminianowych jest specyficzna dla korzenia, miejsca, które niektórzy naukowcy uważają za najbardziej sugestywne dla roślinnego układu nerwowego., Podczas gdy mały podzbiór tych receptorów wydaje się być ważne we wczesnym rozwoju korzeni, jednak różne receptory w roślinach zazwyczaj nie wykazują związku z różnych narządów, jak robią to u zwierząt. Mimo to, jeśli receptory glutaminianowe nie pełnią funkcji układu nerwowego w roślinach, to dlaczego tam są? Najczęstszym argumentem za ich zatrzymaniem w roślinach jest to, że służą one jako białka obronne, aby odstraszyć inwazyjne gatunki owadów.,
Po trzecie, biorąc to wszystko pod uwagę, czy istnieją struktury roślin, które zachowują się jak synapsy, wraz z cząsteczkami, które zachowują się jak neuroprzekaźniki aktywne w regionie „synaptycznym”? Aby to cokolwiek znaczyło, należy potwierdzić kilka cech roślin. Komunikacja synaptyczna musi być pokazana, realizowana przez neuroprzekaźniki i receptory neuronowe w taki sam sposób, jak w neurotransmisji zwierzęcej—na przykład za pomocą pęcherzyków w pobliżu synapsy., Jednym z kandydatów do neuroprzekaźników jest auksyna (kwas indol-3-octowy), mała cząsteczka, która zdaniem niektórych botaników jest najlepszym argumentem za neurologicznymi zachowaniami u roślin. Istnieją również transportery auksyny, które zachowują się podobnie do receptorów, ponieważ wspomagają ruch auksyny przez błonę komórkową. Ale czy układ auksyn działa jak neuroprzekaźnik? Niektórzy naukowcy twierdzą, że tak., Na przykład molekularny botanik Gerd Jürgens Z Max Planck Institute for Developmental Biology wykazał, że transport auksyny odbywa się poprzez „handel pęcherzykami”, proces obejmujący pęcherzyki komórkowe (małe pęcherzyki zamknięte w lipidach), które mają cechy podobne do zwierzęcych neuroprzekaźników.
mimo to auksyna nie występuje u zwierząt i wydaje się być specyficznym dla roślin białkiem regulującym wzrost. Zdaniem niektórych obserwacje Jürgensa sugerują, że struktury pęcherzyków mogą być wystarczająco podobne, aby stanowić dobry argument., Kiedy badane są rodzaje” synaps ” wytwarzanych u roślin, okazuje się, że dwa typy połączeń mają domeny białkowe osadzone w błonie komórkowej. System transportu auksyny, realizowany przez handel pęcherzykami, jest pod wpływem światła i grawitacji, aby kontrolować komunikację komórkową i wykorzystuje auksynę jako nadajnik, zachowując się w taki sam sposób, jak neuroprzekaźnik.
druga „Synapsa” zachowuje się jak połączenie między zwierzęcą komórką odpornościową a komórką patogenną. U zwierząt układ ten realizuje odpowiedź immunologiczną i zniszczenie atakującego patogenu., U roślin pozwala jednostce nie tylko radzić sobie z patogenami, ale także stabilizować interakcje z symbiontami—ważną funkcją. Rośliny ustanawiają przydatne dwukierunkowe interakcje z wieloma mikroorganizmami, takimi jak bakterie i grzyby, a w niektórych przypadkach te drobnoustroje wykonują zadania, których roślina nie jest w stanie wykonać samodzielnie. Niektóre rośliny nie mogą przetwarzać azotu w środowisku, więc tworzą symbiotyczny związek z bakteriami z rodzaju Rhizobium, aby wykonać tę sztuczkę, a przywiązanie podobne do synapsy jest niezbędne do tego związku., W tym procesie rhizobia czerpie korzyści z karmienia przez roślinę.
następnie, aby odnieść się do czwartego i piątego punktu podniesionego powyżej, dotyczącego istnienia układów nerwowych roślin, co z impulsami elektrycznymi lub potencjałami działania w roślinach i ich możliwymi drogami jako częścią układu naczyniowego roślin? Co dziwne, Przewodność elektryczna w roślinach została odkryta kilka lat wcześniej, zanim Luigi Galvani przeprowadził swoje upiorne eksperymenty frogleg z lat 80., pokazujące impulsy elektryczne u zwierząt. Nie ma więc wątpliwości, że sygnały elektryczne, a może nawet potencjały działania istnieją w roślinach., Jest również całkiem jasne, że, jak ujął to Eric Davies Z North Carolina State University, ” podstawowym powodem, dla którego rośliny mają sygnały elektryczne, jest to, że umożliwiają bardzo szybką i systemową transmisję informacji, tak że cały zakład jest informowany niemal natychmiast, nawet jeśli tylko jeden region mógł być zakłócony.”Jednak charakter potencjału czynnościowego jest zupełnie inny u roślin i zwierząt, choć oba dotyczą kanałów jonowych ich komórek., Podczas gdy zwierzęta wytwarzają potencjał działania poprzez wymianę jonów sodu i potasu, potencjał roślin wytwarzany jest z transportem wapnia, który jest wzmocniony przez chlorek i zmniejszony przez potas.
więc co wnioskujemy?
przekonanie, że rośliny mają mózgi w pewnym sensie jest zarówno interesujące, jak i prowokujące do myślenia., Tak prowokujące, że w 2007 roku trzydziestu sześciu badaczy z trzydziestu trzech instytucji opublikowało list otwarty w czasopiśmie Trends in Plant Science, utrzymując, że „neurobiologia roślin nie przyczynia się do naszego zrozumienia fizjologii roślin, biologii komórek roślinnych czy sygnalizacji” i błagając zwolenników tej inicjatywy, aby „krytycznie ocenili tę koncepcję i opracowali intelektualnie rygorystyczne podstawy dla niej”—miły sposób na powiedzenie: „po prostu przestań.”
Ogólnie rzecz biorąc, odpowiedź neurobiologów roślinnych na temat” mózgów ” roślin była raczej sprzeczna., Anthony Trewavas z Uniwersytetu w Edynburgu zasugerował, że”neurobiologia roślin jest metaforą” —i nic więcej. Jego zainteresowania skupiały się głównie na znaczeniu tego terminu w nauce, aby zrozumieć biologię komórek roślin oraz tajemnice komunikacji i sygnalizacji między komórkami roślinnymi. Ale biolodzy Franti.sek Balu.,Ska z Uniwersytetu w Bonn i Stefano Mancuso z Uniwersytetu we Florencji usilnie argumentowali za dosłownym istnieniem układu nerwowego w roślinach, sugerując, że „usunięcie starego arystotelesowskiego schizmy między roślinami i zwierzętami zjednoczy wszystkie organizmy wielokomórkowe pod jednym pojęciowym parasolem”.'”
oczywiście obie perspektywy nie mogą mieć racji. Trewavas wydaje się nam nazywać to, jak to jest: po prostu przypadek omawiania podobieństw. To sama metafora sprawia, że stwierdzenia o podobieństwie systemów roślinnych i zwierzęcych są tak interesujące., Ale żeby było użyteczne, trzeba przyznać, że jest to metafora. Zjednoczenie roślin i zwierząt pod jednym „parasolem pojęciowym”, kiedy tak naprawdę go nie ma, stwarza prawdziwy problem. Po pierwsze, istnieją dobre dowody na to, że rośliny i zwierzęta nie mają wspólnego przodka z wyłączeniem wszystkich innych organizmów na planecie. Grzyby i wiele jednokomórkowych organizmów, które mają jądra dostać w drodze. Jednoczący parasol zarówno zamaskowałby tę rzeczywistość, jak i podważyłby użyteczność metafory. Kiedy metafora nie jest już uznawana za taką, błędność staje się regułą dnia.
