vissa biologer hävdar att ”neurobiologi” har definierats för snävt
Mimosa pudica, även kallad känslig växt eller touch-me-not, viks bladen snabbt när mekaniskt störd. Få växter uppvisar sådana snabba rörelser, även om många—som de som öppnar och stänger sina blommor enligt tid på dagen-svarar med långsammare rörelser på miljöstimuli.,
Anpassad med tillstånd från hjärnan: Big Bangs, beteenden och övertygelser, av Rob DeSalle och Ian Tattersall, publicerad av Yale University Press. Copyright © 2012 av Rob DeSalle och Ian Tattersall
vissa människor tror att växter svarar på att prata, spela musik och andra former av mänsklig uppmärksamhet. Och även om växter mer än sannolikt inte behandlar mänskligt språk, är de ändå mycket medvetna om sin omgivning och är mycket kapabla att kommunicera bland sina celler., Dessutom anser vissa forskare att en anläggnings interna kommunikationssystem ligger mycket nära vad vi legitimt skulle kunna kalla ett nervsystem. När allt kommer omkring är vissa mimosas kända för att dra sig tillbaka snabbt efter att ha blivit störda, och Venus flytraps reagerar snabbt på förekomsten av insekter i sina fångstanordningar. Charles Darwin gjorde jämförbara observationer och föreslog liknande idéer om växter., I ett av hans mindre kända verk, rörelsens kraft i växter (1880) skrev han om radicle, den embryonala roten i en växt och känsligheten hos dess spets till olika typer av stimulering:
det är knappast en överdrift att säga att radiclespetsen sålunda begåvad och har kraften att styra rörelserna hos de angränsande delarna, verkar som hjärnan hos ett av de nedre djuren; hjärnan sitter i kroppens främre ände och får intryck från sinnena och styra flera rörelser.,
Darwin sa att radicle inte bara beter sig som en hjärna genom att styra andra cellers funktioner, men är också placerad på motsvarande plats i växtens anatomi. Vissa moderna botaniker har utökat denna idé. År 2005 hölls det första internationella växtneurobiologiska mötet i Florens,Italien, och en helt ny tidskrift, Plant Signaling and Behavior, lanserades 2006. Precis vad föreslår växtneurobiologerna?
tanken att växter har nervsystem härrör från flera informationskällor., För det första har växter gener som liknar de som anger komponenter i djurnervsystem. Sådana komponenter innefattar receptorer för glutamat, en aminosyra som är en av byggstenarna av proteiner men som också fungerar som en neurotransmittor. Andra komponenter är signalsubstansaktivatorer, såsom de som kallas G-box proteiner, och en familj av” 14-3-3 ” proteiner, som verkar för att binda olika signalproteiner. Alla dessa proteiner har observerats hos djur, där de har visat sig ha olika roller i neural funktion. Men de finns också i växter.,
För det andra, även om dessa proteiner mer än sannolikt inte har ”neurala” funktioner i växter, uppträder vissa växtproteiner på sätt som mycket liknar neurala molekyler. För det tredje verkar vissa växter visa synapsliknande regioner mellan celler, över vilka neurotransmittormolekyler underlättar cell-till-cell-kommunikation. Ingår i kravet på jämförelse är att regionerna ska ha samma egenskaper som djur synapser, såsom bildandet av vesiklar, små bubblor som lagrar neurotransmittorer som ska släppas över synapsen., För det fjärde har många växter vaskulära system som ser ut som de kan fungera som ledningar för de ”impulser” som de behöver överföra genom hela växtens kropp. Sist, vissa växtceller visar vad som kan tolkas som handlingspotentialer-händelser där den elektriska polariteten över cellmembranet gör en snabb, tillfällig återföring, som förekommer i djur neurala celler.
Illustration från rörelsens kraft i växter visar ett av Darwins experiment med en bönradikel., (A) en liten kvadrat med kort fäst nära spetsen orsakar böjning bort från kortet, som om radicle har stött på ett hinder. B) med tiden ökar böjningen, som inte sker genom tillväxt vid spetsen utan genom celler längre upp i radikeln, till rätt vinkel. (C) så småningom spetsen börjar böja nedåt genom verkan av geotropism. Med radicle suspenderad i mitten av luften känner cellerna i böjningsområdet inte direkt kompression mot ett hinder, så det är den känsliga spetsen som initierar deras svar.,
låt oss titta på dessa olika typer av information och vad de kan innebära för förekomsten av hjärnliknande funktioner i växter.
det är knappast förvånande att hitta gener i växter som är relaterade till djurgener som är involverade i nervsystemet. Faktum är att bekräftelsen av detta faktum var ett av de första riktigt intressanta resultaten av de olika genomprojekten. Anledningen till att det inte är förvånande är att allt liv på planeten förenas genom gemensamma anor., Att hitta gener gemensamt bland i stort sett divergerande organismer är vad du förväntar dig med nedstigning från vanliga förfäder. Således visar sig ett typiskt bakteriellt genom att ha motsvarande 2 procent eller så av dess gener i det mänskliga genomet. För växter är antalet cirka 17 procent, och för sådana organismer som flugor och maskar hoppar antalet till mellan 30 och 40 procent. Ett annat sätt att mäta likheten mellan genomer är att fråga hur mycket de faktiska sekvenserna av baser i generna av ett genom varierar., För ryggradsdjur, när sekvenslikheten undersöks, varierar antalet från cirka 85 procent, för sådana avlägsna släktingar som fisk, till 98,7 procent, för schimpansen och 99,7 procent för vår nära utdöda släkting Homo neanderthalensis. Vad som inte var så förväntat är dock den breda fördelningen av stora genkategorier som är representerade i både växter och djur.
evolutionen kan fortfarande underlätta några anmärkningsvärda ”variationer på teman” med gener., Om en gen gör ett protein involverat i en viss process i växter, behöver motsvarande gen i ett djur eller en svamp inte nödvändigtvis göra ett protein som har samma funktion. Ett lärorikt exempel är glutamatreceptorer, som är involverade i djurets neurala synaps och interagerar med neurotransmittorn glutamat. Växter har glutamatreceptorer också, men om de tjänar något som en ”neural” funktion är en annan sak., En undersökning av fördelningen av denna genfamilj i genomerna av växter och djur kommer att visa oss hur genfamiljer kan avvika och hur funktionerna hos dessa gener kan avvika också.
hos djur finns dessa receptorer främst i den mottagande änden av nervceller—deras ”postsynaptiska” region. Glutamat transporteras över synapsen, möter receptorerna, och så exciterar en aktionspotential eller bränning av nervcellen. Det händer att två stora typer av glutamatreceptorer erkänns på grundval av hur de främjar den postsynaptiska impulsen., Den första typen är ”jonotropa”: glutamatreceptorer linje jonkanalporerna över cellmembranet hos mottagarens nervcell, och när receptorerna binder till glutamat aktiveras porerna och joner strömmar genom dem. I ”metabotropa” – receptorer aktiveras jonkanalerna mer indirekt genom signalkaskader som vanligtvis är kopplade till G-proteiner (som binder guanin, en av de fyra nukleinsyrabaserna).
för att processen ska fungera måste glutamatreceptorerna också binda vad som kallas agonister., Det finns tre huvudsakliga typer av agonister som interagerar med jonotropa glutamatreceptorer: AMPA (alfa-amino-3-hydroxyl-5-metyl4-isoxazolpropionat), NMDA (N-metyl-D-asparaginsyra) och Kainat. Andra agonister interagerar med metabotropa receptorer. Det finns också flera versioner av glutamatreceptorerna för både de jonotropa och metabotropa funktionerna, liksom flera inom de funktionella kategorierna som är specifika för olika agonister. Så det finns flera versioner av gener för proteinerna hos djur (det är vad som kallas en genfamilj)., Till exempel har de flesta däggdjur sexton jonotropa glutamatreceptorer: fyra som använder AMPA som agonist, sju som använder NMDA som agonist och fem som använder Kainat som agonist. På samma sätt har Möss och människor åtta metabotropa glutamatreceptorer, som var och en använder en mängd olika agonister.
växter har glutamatreceptorer som mer liknar den jonotropa typen., Arabidopsis thaliana (thale cress), en arbetshäst av växtgenetik och genomik, har tjugo medlemmar av denna genfamilj, ett tal i samma ballpark, märkligt, som de sexton jonotropa glutamatreceptorer hos däggdjur. Dessutom har tre huvudkategorier av glutamatreceptorer upptäckts i växter, som påminner om att det finns tre huvudkategorier av jonotropa djurglutamatreceptorer (de som använder AMPA, NMDA och kainit som agonister). Men motsvarar undergrupperna av animaliska jonotropa glutamatreceptorer ungefär de i växter?, Med andra ord är de glutamatreceptorer som använder AMPA som agonist mer nära besläktade med en viss delmängd av växtglutamatreceptorer än de är till några andra djur-eller växtreceptorer?
faktum är att de tre kategorierna av växtglutamatreceptorer inte alls liknar dessa djurkategorier. För en sak utvecklade djur tydligen alla samma gener i denna genfamilj via dupliceringar i vanliga förfäder, medan växtglutamatreceptorer alla verkar utvecklas från en enda gemensam förfader som existerade innan växter och djur divergerade., Det innebär att de mycket specifika glutamatreceptorerna hos djur inte har ett en-till-ett-förhållande med växtglutamatreceptorer. Receptorerna i växter visar inte heller ett förhållande till olika organ, som de gör hos djur.
vidare, förutom någon likhet i generna, kan vi vända oss till vår andra skenbara likhet, den för funktionen av proteinerna som specificeras av generna. Faktum är att det är sant att växtglutamatreceptorer kan störa glutamatreceptorer hos djur, vilket tyder på att växtreceptorerna fortfarande har någon likvärdig funktion i djurnervceller., Det finns till exempel det konstiga fallet på ön Guam av mänskligt intag av cykadmaterial (växter rik på en glutamatliknande aminosyra) som orsakar neurodegenerativa symtom som liknar Alzheimers, Parkinsons och Lou Gehrigs sjukdomar. Och uttrycket av växtglutamatreceptorer är specifikt för roten, den plats som vissa forskare finner mest suggestiva av växtnervsystem., Medan en liten delmängd av dessa receptorer verkar vara viktig i tidig utveckling av rötterna, visar de olika receptorerna i växter i allmänhet inte ett förhållande till olika organ, som de gör hos djur. Men om glutamatreceptorer inte tjänar nervsystemet fungerar i växter, varför är de där? Det vanligaste argumentet för deras retention i växter är att de tjänar som försvarsproteiner för att avvärja invaderande insektsarter.,
tredje, med tanke på allt detta, finns det växtstrukturer som beter sig som synapser, tillsammans med molekyler som beter sig som neurotransmittorer som är aktiva i ”synaptiska” regionen? För att detta ska betyda någonting måste några egenskaper hos växter bekräftas. Synaptisk kommunikation måste visas, implementeras av neurotransmittorer och neurala sändare receptorer på samma sätt som i djur neurotransmission—till exempel genom vesiklar nära synapsen., En neurotransmittorkandidat är auxin (indol-3-ättiksyra), en liten molekyl som vissa botaniker känner är det bästa argumentet för neurologiskt beteende hos växter. Det finns också transportörer för auxin som beter sig mycket som receptorer, eftersom de hjälper rörelsen av auxin över cellmembranet. Men fungerar auxin-systemet som neurotransmission? Vissa forskare skulle faktiskt argumentera ja., Molekylär botaniker Gerd Jürgens vid Max Planck Institute for Developmental Biology, till exempel, har visat att auxin transport sker genom ”vesicle trafficking”, en process som involverar cellulära vesiklar (små lipid-inneslutna bubblor) som har djur neurotransmittorliknande funktioner.
auxin finns fortfarande inte hos djur, och det verkar vara ett växtspecifikt protein som reglerar tillväxten. För vissa tyder Jürgens observationer på att vesikelstrukturerna kan vara tillräckligt likartade för att göra ett bra argument., När de typer av” synapser ” som görs i växter undersöks, visar sig två korsningstyper ha proteindomäner inbäddade i cellmembranet. Auxin transportsystem, åstadkommit genom vesikel trafficking, påverkas av ljus och gravitation för att styra cell-tocell kommunikation, och den använder auxin som en sändare, beter sig på ungefär samma sätt som en signalsubstans.
den andra ”synapsen” beter sig som sammankopplingen mellan en djurimmuncell och en patogen cell. Hos djur implementerar detta system immunsvaret och förstörelsen av den invaderande patogenen., I växter tillåter den individen inte bara att hantera patogener utan också att stabilisera interaktioner med symbionter—en viktig funktion. Växter etablerar användbara tvåvägsinteraktioner med många mikroorganismer som bakterier och svampar, och i vissa fall utför dessa mikrober uppgifter som växten inte kan göra på egen hand. Vissa växter kan inte bearbeta miljökväve, så de bildar ett symbiotiskt förhållande med bakterier från släktet Rhizobium för att göra tricket, och synapse-liknande fästet är viktigt för förhållandet., I processen får rhizobia fördelen av att matas av växten.
sedan, för att ta itu med den fjärde och femte punkten som höjdes ovan om förekomsten av växtens neurala system, Hur är det med elektriska impulser eller aktionspotentialer i växter och deras möjliga vägar som en del av växtens kärlsystem? Märkligt nog upptäcktes elektrisk ledningsförmåga i växter några år innan Luigi Galvani gjorde sina ghoulish 1780s frogleg experiment som visar elektriska impulser hos djur. Så det råder ingen tvekan om att elektriska signaler eller kanske till och med handlingspotentialer finns i växter., Det är också ganska tydligt att, som Eric Davies vid North Carolina State University uttryckte det, ” den grundläggande anledningen till att växter har elektriska signaler är att de tillåter mycket snabb och systemisk informationsöverföring, så att hela anläggningen informeras nästan omedelbart även om endast en region kan ha störts.”Ändå är handlingspotentialens natur helt annorlunda i växter och djur, även om båda involverar sina cellers jonkanaler., Medan djur producerar aktionspotentialen genom utbyte av natrium-och kaliumjoner, produceras växtpotentialer med kalciumtransport som förstärks av klorid och reduceras med kalium.
Så vad avslutar vi?
tanken att växter har hjärnor i viss mening är både intressant och tankeväckande., Så provocerande, faktiskt, att 2007 trettiosex utredare från trettiotre institutioner publicerade ett öppet brev i tidskriften Trends in Plant Science upprätthålla ”att växt neurobiologi inte lägga till vår förståelse av växtfysiologi, växtcellsbiologi eller signalering,” och ber förespråkarna av initiativet att ”att omvärdera kritiskt konceptet och att utveckla en intellektuellt rigorös grund för det” —ett trevligt sätt att säga, ” bara klippa ut det.”
Sammantaget har svaret från växtneurobiologerna i fråga om växt ”hjärnor” varit ganska motstridiga., Anthony Trewavas vid University of Edinburgh föreslog att ”växtneurobiologi är en metafor” – och inget mer. Hans fokus var på själva termen, och hans intresse var huvudsakligen i dess betydelse för att driva vetenskapen för att förstå cellbiologin hos växter och mysterierna för växtcell-till-cell-kommunikation och signalering. Men biologerna Franti.sek Balu.,ska vid universitetet i Bonn och Stefano Mancuso vid University of Florence argumenterade strängt för den bokstavliga existensen av nervsystem i växter, vilket tyder på att ” avlägsnande av den gamla aristoteliska schismen mellan växter och djur kommer att förena alla multicellulära organismer under ett konceptuellt paraply.'”
självklart kan båda perspektiven inte vara rätt. Trewavas verkar för oss kalla det vad det är: helt enkelt ett fall att diskutera likheter. Det är själva metaforen som gör uttalanden om likheten mellan växt-och djursystem så intressant., Men för att göra det användbart måste du erkänna att det är metafor. Att förena växter och djur under ett enda ”konceptuellt paraply” när det verkligen inte finns någon, skapar ett verkligt problem. För en sak finns det goda bevis för att växter och djur inte delar en gemensam förfader till uteslutning av alla andra organismer på planeten. Svampar och de många encelliga organismerna som har kärnor kommer i vägen. Ett förenande paraply skulle både dölja denna verklighet och undergräva användbarheten av metaforen. När en metafor inte längre erkänns som sådan blir felaktighet dagens regel.
