Mokslo ir technologijų pasaulis

„Augalai – tai aukštyn kojomis apversti gyvūnai“, dar XIX a. teigė Čarlzas Darvinas. Praėjus daugiau nei šimtui metų, augalų neurobiologai pamažu atskleidžia šio teiginio tikslumą.

Ankstesniuose šios serijos straipsniuose jau aptarėme stulbinančius, nors ir ne visada akivaizdžius, augalų ir gyvūnų panašumus, bei augalų neurobiologijos – vienos iš sparčiausiai besivystančių šiuolaikinio mokslo sričių – laimėjimus, griaunančius nusistovėjusius įsitikinimus apie augalus. Užsiminėme ir apie procesus, kurių koordinavimui, atrodo, būtinos „smegenys“, pvz., šaknies augimas tekančio vandens link, tai atliekant koordinuotais it vikšro judesiais, ar pavojaus „suvokimas“ ir kitų augalų kaimynystėje perspėjimas.

Tačiau augalai juk smegenų ar po visą kūną išsiraizgiusių nervų neturi? Tokių pačių kaip mes tikrai neturi – tačiau šiuos organus augalams atstoja jų pačių audiniai.

Šaknys – augalų smegenys

Taigi, kur vis dėlto slypi augalų protas? Ne kur kitur, o šaknyse – aukštyn kojomis apverstose ir po žeme paslėptose „smegenyse“.

Vieni garsiausių pasaulio augalų neurobiologų, František Baluška ir Stefano Mancuso su kolegomis išstudijavo šaknų „pereinamąsias zonas“ (angl., transition zones), ir pastebėjo, jog būtent šis audinys veikia kaip pagrindinis komandų centras, reguliuojantis visas nervinei sistemai būdingas reakcijas. Tarp jų ir atsaką į dirgiklius ar sužeidimus, maistinių medžiagų trūkumą, taip pat mokymąsi primenančius procesus ir net atmintį.

Pavyzdžiui, žolėdžiui apgraužus augalo lapus, „žinia“ apie tai pasiekia šaknis, o šios reaguoja, išskirdamos tam tikrais chemines medžiagas, kurios pasiekia kitų augalų šaknis ir taip įspėja apie gresiantį pavojų. Įspėti augalai į gautą informaciją reaguoja atitinkamai – dažnai jie iš šaknų siunčia signalą į savo pačių lapus, kad ten pradėtų gamintis žolėdžius atbaidančios medžiagos.

Tačiau įdomiausia, kaip šie signalai taip greitai nukeliauja didelius atstumus nuo lapų iki šaknų ir atgal? Juk didžiausi augalai gali užaugti ir iki 100 metrų aukščio! Pavyzdžiui, aukščiausios sekvojos aukštis siekia 115.61 metrų, o šie medžiai apskritai yra didžiausi organizmai Žemėje!

Augalų „neuronai“ veikia taip pat, kaip gyvūnų

Gyvūnų nervinės ląstelės – neuronai – sudaro ilgus „kabelius“ (nervus), jungiančius visus organizmo audinius su tam tikromis centrinės nervų sistemos dalimis. Pavyzdžiui, prisilietus prie karšto daikto, pirštų galiukuose esantys receptoriai siunčia apie tai signalą į nugaros smegenis, o jos, savo ruožtu, siunčia atsaką į rankoje esančius raumenis, kad šie susitrauktų ir ranką atitrauktume. Ši reakcija vyksta labai greitai, o signalas nueina didelį kelią. Visai kaip pavojaus signalas iš apgraužtų lapų sklinda į greta esančius medžius ir jų lapus.

Tačiau įdomiausia, jog už signalo pernešimą nuo pirštų galiukų iki nugaros smegenų atsakingas tik vienas – labai ilgas – nervas! Nenuostabu, jog ir augalams reikia ilgų, nuo šaknų iki pat lapų galiukų besidriekiančių ląstelių signalo perdavimui.

Pasirodo, atsakymas gan paprastas – tam jie naudoja augalo vandens indus – nuo šaknų per stiebą kylančius ir kiekvieną lapą pasiekiančius vandenį į lapus tiekiančius vamzdelius. Nors pirminė jų paskirtis augalo aprūpinimas vandeniu, be kurio nevyktų fotosintezė, šie vamzdeliai puikiausiai tinka greitam signalo perdavimui, ir primena ilgus, po kūną besidriekiančius gyvūnų neuronus.

Tačiau kaip augaluose susidaro nervinis impulsas? Ir vėl – lygiai taip pat kaip gyvūnuose! Tiesą sakant, gyviesiems organizmams būdingas bioelektrinis impulsas, kuris ir sklinda mūsų neuronais, apskritai pirmą kartą nustatytas augaluose. 1873 metais, mokslininkas John Burdon-Sanderson šį fenomeną užfiksavo, tirdamas dionėjos (lot.,Dionaea) lapus, kurie veikia kaip spąstai judantiems vabzdžiams. Vabzdžiui prisilietus prie specialių dantelių lapo paviršiuje, susidaro jonų gradientas, kuris signalizuoja tam tikroms lapo dalims jį uždaryti.

Tačiau tokie elektriniai-nerviniai impulsai būdingi ne tik vabzdžiaėdžiams, bet visiems augalams. Pavyzdžiui, pomidoruose ir vynuogėse, pažeidus augalą per jį visą nuvilnija tai signalizuojantis elektrinis impulsas. Elektriniu impulsu sudaromas ir augalų „imunitetas“ – ligos sukėlėjui pažeidus vieną augalo dalį, visos kitos augalo dalys įgyja sisteminę apsaugą.

Yra žinoma, jog nerviniu signalu visi augalai reaguoja ir į pagrindines aplinkos sąlygas: šviesos kiekį, gravitaciją ir kt. Ląstelės matuoja ir vienos kitoms greitai perduoda informaciją apie pasikeitusias sąlygas, bei priima „protingus“ sprendimus, kaip tas sąlygas geriausiai išnaudoti.

Šiuolaikiniai atradimai griauna nusistovėjusias neurobiologijos žinias

Tačiau gyvūnų nervų sistema neapsiriboja vien elektrinio impulso perdavimu. Kertinę reikšmę čia sinapsės – tarpląstelinės jungtys, kur informacija iš neurono į kitas ląsteles perduodama cheminėmis medžiagomis – neuromediatoriais.

Pasirodo, mūsų žinios apie sinapses irgi jau senstelėjusios – neseniai suprasta, jog sinapsės gali susidaryti ir tarp kitų ląstelių, ne tik nervinių. Pavyzdžiui, tokios jungtys susidaro tarp baltųjų kraujo kūnelių imuninio atsako metu.

Pasak Baluška ir kt. (2004) , sinapsių sampratą reikėtų praplėsti, įtraukiant ir augalų „tarpneuronines“ jungtis, nes savo sandara ir veikimo principu jos nesiskiria nuo gyvūnų.

Augalams būdingi ir tie patys neuromediatoriai – informaciją iš ląstelės į ląstelę perduodančios medžiagos, pvz., serotoninas, dopaminas ir kt. Be to, augalai – pagrindinis mūsų nervų sistemą veikiančių medžiagų, pvz., nikotino, kofeino, mentolio ir kt., šaltinis. Daugelis šių medžiagų veikia ir pačius augalus.

Vienas svarbiausių augalų hormonų – auksinas – veikia kaip neuromediatorius, ir daro įtaką daugybei augalo funkcijų, įskaitant viso augalo augimą, skirtingų organų pasiskirstymą (kodėl šaknys visada auga po žeme, o stiebas ir lapai – virš žemės?), ir taip toliau. (Daugiau apie auksiną pasakojome ankstesniame šios serijos straipsnyje .)

Pasak mokslininkų, tarp ląstelių esantis auksinas geba inicijuoti daugybę elektrinių impulsų – t.y., nervinių signalų, įvairiomis kryptimis. Šie savo ruožtu sukelia atsaką reaguojančiose augalo dalyse, netgi daro įtaką genų veiklai. Auksinas yra aktyviai transportuojamas į įvairias augalo dalis membraninėmis pūslelėmis – lygiai taip pat, kaip gyvūnų neuronuose transportuojami neuromediatoriai. Nors auksino pernašą ir funkcijas augalo organizme dar gaubia daugybė paslapčių, jau dabar aišku, jog ši mažytė molekulė daro didelę įtaką „protingam“ augalų gyvenimui.

Požeminis augalų komunikacijos tinklas – the Wood Wide Web – sudėtingesnis už mūsiškį saityną?

Bet ir tai dar ne viskas, ką augalai išdarinėja po žeme! Pasirodo, augalai yra milžiniškų informaciją ir medžiagas perduodančių tinklų dalis, o šiems tinklams susidaryti padeda mikoriziniai grybai. Grybų hifai (grybiena) po žeme gali driektis dešimtis kilometrų, ir vienu metu jungtis su daugybe augalų.

Šias jungtis, vadinamas mikorizėmis, sudaro net 80-90% visų augalų. Mikorizės pastebėtos jau seniai, o jų vaidmuo tam tikrų mikroelementų (pvz., azoto) apytakai plačiai žinomas. Tačiau tai, kas iš tiesų dedasi požeminiame komunikacijos tinkle – angl., the Wood Wide Web (WWW), mokslininkai dar tik pradeda suprasti.

Pasak Giovannetti ir kt. (2006) , šiuos tinklus daugiausiai sudaro vadinamieji arbuskulinės mikorizės grybai, kurie efektyviai jungiasi su įvairių rūšių augalais. Būtent todėl prie vieno požeminio grybo gali būti prisijungę net skirtingų rūšių augalai, pavyzdžiui pušys ir beržai. Negana to, net ir skirtingų rūšių grybų hifai po žeme gali susilieti, taip sudarydami netiesiogines jungtis tarp skirtingų rūšių, genčių ir šeimų augalų!

Tokiu būdu, po žeme susidaro milžiniškas augalų „socialinis tinklas“, kuriame grybiena lyg kabeliais sujungti tūkstančiai organizmų. Tačiau kodėl visa tai svarbu?

Pasak mokslininkų, „miško saityne“ vyksta tiek pat komplikuotų procesų, kiek ir mūsiškiame interneto saityne. Simard ir kt. (1997) šiuos procesus tyrinėjo radioaktyvios anglies sekimo metodu, ir nustatė, jog medžiai tinklu ne tik transportuoja įvairias maistines medžiagas, tačiau ir vieni kitiems „padeda“, užklupus bėdai.

Pavyzdžiui, daugiau Saulės šviesos gaunančios pušys gali dalį savo maistinių medžiagų atsargų nusiųsti tuo metu (ar nuolat) šešėlio nustelbtiems, mažesniems beržams. Pasikeitus sąlygoms, pastarieji skolą gali ir grąžinti, jei geradariams medžiams prisireikia kitų išteklių. Taigi, šie medžiagų mainai vyksta įvairiomis kryptimis ir tarp visai skirtingų rūšių augalų, bei, pasak mokslininkų, gali paaiškinti, kodėl rūšine įvairove pasižyminčios bendrijos gali išlikti produktyvios net sausros metu, ar kai labai trūksta maistinių medžiagų.

Nors „miško saitynas“, kaip ir daugelis kitų augalų komunikacijos fenomenų, dar mažai ištyrinėtas, jau aptikta įrodymų, jog šiais „kabeliais“ augalai gali keistis ir informacija. Taip šaknys po kaimynystę paskleidžia žinią apie artėjančius užpuolikus, perspėja apie naujus ligų sukėlėjus bei inicijuoja kolektyvinį imunitetą, ir taip toliau.

Turint omenyje, interneto saityno svarbą žmonių komunikacijai, nesunku įsivaizduoti tokio tinklo naudą augalams, o kartu ir ištisoms ekosistemoms. O įdomiausia, jog augalai šį „socialinį tinklą“ išrado milijonais metų anksčiau nei mes!

Kodėl „protingas“ augalų gyvenimas vyksta būtent po žeme?

Palyginus su gyvūnais, atrodo tikrai neįprasta, jog augalų „smegenys“ slepiasi po žeme. Kita vertus, čia ne tik driekiasi susikalbėjimui ir medžiagų mainams itin patogūs grybienos „kabeliai“, bet ir daug lengviau apsaugoti svarbiausią sprendimų priėmimui organą – šaknis.

Pasak Baluška ir kt. (2004), yra net kelios svarbios priežastys, kodėl evoliucijos eigoje į smegenis panašios šaknų „pereinamosios zonos“ pasislėpė giliai po žeme. Čia sąlygos daug stabilesnės – ore greičiau kinta ir temperatūra, ir drėgmė; po žeme šaknys geriau apsaugotos nuo atmosferinio ozono, žalingų UV spindulių, ir, žinoma, augalams pavojų keliančių žolėdžių.

Be to, virš žemės esančios augalų dalys atsakingos už kitą labai svarbią funkciją – dauginimąsi. Čia žiedadulkių ir sėklų išnešiojimui jos panaudoja vėją, skraidančius vabzdžius ir kt. Tuo tarpu šaknys geriausiai prisitaikiusios efektyviam dirvos tyrinėjimui ir kolonizavimui, o kartu reguliuoja ir kitus augalo procesus, augimą.

Augalų nervų sistema ir sandara, ir funkcija prilygsta gyvūnams

Augalų „smegenys“ neturi vieno komanduojančio „mazgo“, kaip, pavyzdžiui, mūsų galvos smegenys, tačiau daugybę mažesnių plačiai pasklidusių komandų centrų. Nors tokios „smegenys“ mums atrodo neįprastai, jos ne taip stipriai skiriasi nuo kai kurių gyvūnų! Tokią decentralizuotą nervų sistemą turi medūzos ir kai kurie kiti primityvūs gyvūnų karalystės atstovai. Beje, jų nervų tinklai labai primena gyslų tinklus, kurie ir atlieką nervų funkciją augaluose.

Vis dėlto įdomu, jog gyvūnų nervų sistema ilgainiui evoliucionavo į centralizuotą, o augalai taip ir liko su daugybe po žeme pasklidusių komandų centrų. Pasak Baluška ir kt. (2004), taip nutiko todėl, jog dėl nuolat kintančių aplinkos sąlygų, sėslaus augalų gyvenimo būdo ir poreikio nuolat „kovoti“ su gravitacijos jėgomis, tokia sistema išliko patogesnė. Ja augalai gali greitai reaguoti į pokyčius ir priimti kolektyvinius sprendimus, taip optimaliai prisitaikydami prie aplinkos.

Dar neįtikėtinamiau tai, jog įvairiais antžeminiais ir požeminiais komunikacijos būdais augalai keičiasi ne tik informacija, bet ir resursais, taip vieni kitus „globodami“, net jei kaimynai priklauso kitoms rūšims. Taip jie ne tiek konkuruoja dėl individualios rūšies išlikimo, kiek padeda vieni kitiems dėl kolektyvinių ekosistemos tikslų, taip užtikrindami gausią biologinę įvairovę bei darnų skirtingų rūšių egzistavimą.

Kas žino, kiek dar nusistovėjusių mokslo tiesų netrukus revoliucionuos šiuolaikinė augalų neurobiologija?

E.M. Ramanauskaitė