Warum brauchen Pflanzen Nervenimpulse

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Jahrhundertealte Eichen, saftiges Gras, frisches Gemüse – irgendwie sind wir es nicht gewohnt, Pflanzen als Lebewesen zu betrachten, und das umsonst. Experimente zeigen, dass Pflanzen eine Art komplexes Analogon des Nervensystems haben und wie Tiere in der Lage sind, Entscheidungen zu treffen, Erinnerungen zu speichern, zu kommunizieren und sich sogar gegenseitig Geschenke zu machen.

Professor der Oakwood University Alexander Volkov half dabei, die Elektrophysiologie von Pflanzen genauer zu verstehen.

Journalist: Ich hätte nie gedacht, dass jemand Pflanzen-Elektrophysiologie betreibt, bis ich auf Ihre Artikel gestoßen bin

Alexander Wolkow:Du bist nicht allein. Die breite Öffentlichkeit ist es gewohnt, Pflanzen als Nahrungs- oder Landschaftselement zu sehen, ohne zu bemerken, dass sie lebendig sind. Einmal habe ich in Helsinki einen Bericht über die Elektrophysiologie von Pflanzen gemacht, und dann waren meine Kollegen sehr überrascht: „Früher hatte ich ein ernstes Thema – nicht mischbare Flüssigkeiten, aber jetzt habe ich es mit Obst und Gemüse zu tun.“Dies war jedoch nicht immer der Fall: Die ersten Bücher zur Elektrophysiologie der Pflanzen wurden im 18. Jahrhundert veröffentlicht, und dann verlief die Erforschung von Tieren und Pflanzen fast parallel. Darwin war beispielsweise überzeugt, dass die Wurzel eine Art Gehirn ist, ein chemischer Computer, der Signale der gesamten Pflanze verarbeitet (siehe beispielsweise "Bewegung in Pflanzen"). Und dann kam der Erste Weltkrieg und alle Ressourcen wurden in das Studium der Elektrophysiologie von Tieren gesteckt, weil die Menschen neue Medikamente brauchten.

W: Es scheint logisch: Labormäuse sind dem Menschen immer noch viel näher als Veilchen

EIN V:In Wirklichkeit sind die Unterschiede zwischen Pflanzen und Tieren gar nicht so groß und in der Elektrophysiologie im Allgemeinen minimal. Pflanzen haben ein fast vollständiges Analogon eines Neurons - leitendes Gewebe des Phloems. Es hat die gleiche Zusammensetzung, Größe und Funktion wie Neuronen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei Tieren Natrium- und Kalium-Ionenkanäle in Neuronen verwendet werden, um Aktionspotentiale zu übertragen, während in Pflanzenphloem Chlorid- und Kalium-Ionenkanäle verwendet werden. Das ist der ganze Unterschied in der Neurophysiologie. Die Deutschen haben kürzlich chemische Synapsen in Pflanzen gefunden, wir sind elektrisch und im Allgemeinen haben Pflanzen die gleichen Neurotransmitter wie Tiere. Das scheint mir sogar logisch: Wenn ich die Welt erschaffen würde, und ich ein fauler Mensch bin, würde ich alles gleich machen, damit alles kompatibel ist.

Warum brauchen Pflanzen Nervenimpulse?

Wir denken nicht darüber nach, aber Pflanzen verarbeiten in ihrem Leben noch mehr Arten von Signalen aus der äußeren Umgebung als Menschen oder andere Tiere. Sie reagieren auf Licht, Hitze, Schwerkraft, Salzzusammensetzung des Bodens, Magnetfeld, verschiedene Krankheitserreger und ändern ihr Verhalten unter dem Einfluss der erhaltenen Informationen flexibel. Im Labor von Stefano Mancuso von der Universität Florenz wurden beispielsweise Experimente mit zwei Kletterbohnentrieben durchgeführt. Wissenschaftler stellten eine gemeinsame Stütze zwischen den Pflanzen her, und die Triebe begannen, darauf zu rennen. Aber sobald die erste Pflanze auf die Stütze kletterte, schien sich die zweite sofort als besiegt zu erkennen und hörte auf, in diese Richtung zu wachsen. Es hat verstanden, dass der Kampf um Ressourcen bedeutungslos ist und dass es besser ist, das Glück woanders zu suchen.

W: Pflanzen bewegen sich nicht, wachsen langsam und leben im Allgemeinen in Ruhe. Es scheint, dass sich ihre Nervenimpulse auch viel langsamer ausbreiten sollten

Alexander Wolkow: Dies ist eine Täuschung, die in der Wissenschaft seit langem existiert. In den 70er Jahren des 19. Jahrhunderts maßen die Briten, dass sich das Aktionspotential der Venusfliegenfalle mit einer Geschwindigkeit von 20 Zentimetern pro Sekunde ausbreitet, aber dies war ein Fehler. Sie waren Biologen und kannten die Technik der elektrischen Messungen überhaupt nicht: Die Briten verwendeten in ihren Experimenten langsame Voltmeter, die Nervenimpulse noch langsamer aufzeichneten, als sie sich ausbreiteten, was völlig inakzeptabel ist. Heute wissen wir, dass Nervenimpulse je nach Ort der Signalerregung und ihrer Beschaffenheit mit sehr unterschiedlicher Geschwindigkeit durch Pflanzen laufen können. Die maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit von Aktionspotentialen in Pflanzen ist vergleichbar mit den gleichen Indikatoren in Tieren, und die Relaxationszeit nach dem Durchgang des Aktionspotentials kann von Millisekunden bis zu mehreren Sekunden variieren.

W: Wofür nutzen Pflanzen diese Nervenimpulse?

EIN V: Ein Lehrbuchbeispiel ist die bereits erwähnte Venusfliegenfalle. Diese Pflanzen leben in Gebieten mit sehr feuchtem Boden, in den Luft nur schwer eindringen kann, und dementsprechend enthält dieser Boden wenig Stickstoff. Den Mangel an dieser lebensnotwendigen Substanz bekommen Fliegenschnäpper durch das Fressen von Insekten und kleinen Fröschen, die sie mit einer elektrischen Falle fangen – zwei Blütenblätter, in die jeweils drei piezomechanische Sensoren eingebaut sind. Wenn ein Insekt auf einem der Blütenblätter sitzt und diese Rezeptoren mit seiner Pfote berührt, wird in ihnen ein Aktionspotential erzeugt. Berührt ein Insekt den Mechanosensor zweimal innerhalb von 30 Sekunden, wird die Falle im Bruchteil einer Sekunde zugeschlagen. Wir haben die Funktion dieses Systems überprüft - wir haben ein künstliches elektrisches Signal an die Falle der Venusfliegenfalle angelegt und alles funktionierte auf die gleiche Weise - die Falle wurde geschlossen. Dann haben wir diese Experimente mit Mimosen und anderen Pflanzen wiederholt und so gezeigt, dass es möglich ist, Pflanzen zu zwingen, sich zu öffnen, zu schließen, sich zu bewegen, sich zu bücken – im Allgemeinen mit elektrischen Signalen, was immer Sie wollen. Dabei erzeugen äußere Anregungen anderer Art Aktionspotentiale in Pflanzen, die sich in Amplitude, Geschwindigkeit und Dauer unterscheiden können.

W: Auf was können Pflanzen noch reagieren?

EIN V: Wenn Sie in Ihrem Landhaus das Gras mähen, gehen Aktionspotentiale sofort an die Wurzeln der Pflanzen. Die Expression einiger Gene beginnt auf ihnen und die Synthese von Wasserstoffperoxid wird an den Schnitten aktiviert, was die Pflanzen vor Infektionen schützt. Wenn Sie die Lichtrichtung ändern, reagiert die Pflanze in den ersten 100 Sekunden in keiner Weise darauf, um die Option eines Schattens von einem Vogel oder einem Tier abzuschneiden, und dann Es werden wieder elektrische Signale gehen, nach denen sich die Anlage in Sekundenschnelle so dreht, dass der Lichtstrom maximal erfasst wird. Das Gleiche wird passieren, und wenn Sie anfangen, kochendes Wasser zu tropfen, und wenn Sie ein brennendes Feuerzeug aufziehen, und wenn Sie die Pflanze in Eis legen - Pflanzen reagieren auf jeden Reiz mit Hilfe von elektrischen Signalen, die ihre Reaktionen auf veränderte Umweltbedingungen steuern Bedingungen.

Pflanzenspeicher

Pflanzen wissen nicht nur, wie sie auf die äußere Umgebung reagieren und kalkulieren anscheinend ihre Handlungen, sondern binden auch einige soziale Beziehungen untereinander. Die Beobachtungen des deutschen Försters Peter Vollleben zeigen beispielsweise, dass Bäume eine Art Freundschaft haben: Partnerbäume sind mit Wurzeln verflochten und achten sorgfältig darauf, dass ihre Kronen sich nicht gegenseitig im Wachstum stören, während zufällige Bäume keine besonderen Gefühle für zu ihren Nachbarn versuchen sie immer, mehr Wohnraum für sich zu ergattern. Gleichzeitig kann auch zwischen Bäumen unterschiedlicher Art Freundschaft entstehen. In den Experimenten desselben Mancuso beobachteten Wissenschaftler also, wie es kurz vor dem Tod von Douglas scheint, ein Vermächtnis zu hinterlassen: Eine Gelbkiefer unweit davon schickte eine große Menge organischer Substanz durch das Wurzelsystem.

W: Haben Pflanzen ein Gedächtnis?

Alexander Wolkow: Pflanzen haben alle die gleichen Arten von Gedächtnis wie Tiere. Wir haben zum Beispiel gezeigt, dass die Venusfliegenfalle ein Gedächtnis besitzt: Damit die Falle funktioniert, müssen 10 Mikropaare Strom an sie gesendet werden, aber es stellt sich heraus, dass dies nicht in einer Sitzung geschehen muss. Sie können zuerst zwei Mikrocoulomb servieren, dann weitere fünf und so weiter. Wenn die Summe 10 beträgt, wird es der Pflanze so vorkommen, als ob ein Insekt in sie eingedrungen wäre, und sie wird zuschlagen. Das einzige ist, dass Sie zwischen den Sitzungen keine Pausen von mehr als 40 Sekunden machen können, sonst wird der Zähler auf Null zurückgesetzt - Sie erhalten so ein Kurzzeitgedächtnis. Und das Langzeitgedächtnis von Pflanzen ist noch besser zu erkennen: Zum Beispiel traf uns am 30. weil es sich daran erinnerte, was es war. Viele ähnliche Beobachtungen wurden in den letzten 50 Jahren von Pflanzenphysiologen gemacht.

W: Wo wird das Pflanzengedächtnis gespeichert?

EIN V: Einmal traf ich auf einer Konferenz auf den Kanarischen Inseln Leon Chua, der einst die Existenz von Memristoren vorhersagte - Widerstände mit der Erinnerung an den fließenden Strom. Wir kamen ins Gespräch: Chua wusste fast nichts über Ionenkanäle und Elektrophysiologie von Pflanzen, ich - über Memristoren. Infolgedessen bat er mich, in vivo nach Memristoren zu suchen, da sie nach seinen Berechnungen mit Gedächtnis in Verbindung gebracht werden sollten, aber bisher hat sie noch niemand in Lebewesen gefunden. Wir haben alles gemacht: Wir haben gezeigt, dass die spannungsabhängigen Kaliumkanäle von Aloe Vera, Mimose und derselben Venusfliegenfalle von Natur aus Memristoren sind, und in den folgenden Arbeiten wurden memristive Eigenschaften in Äpfeln, Kartoffeln, Kürbiskernen und anderen gefunden Blumen. Es ist gut möglich, dass das Gedächtnis der Pflanzen genau an diese Memristoren geknüpft ist, aber es ist noch nicht sicher bekannt.

W: Pflanzen wissen, wie man Entscheidungen trifft, haben ein Gedächtnis. Der nächste Schritt sind soziale Interaktionen. Können Pflanzen miteinander kommunizieren?

EIN V: Weißt du, in Avatar gibt es eine Episode, in der Bäume unterirdisch miteinander kommunizieren. Dies ist keine Fantasie, wie man meinen könnte, sondern eine etablierte Tatsache. Als ich in der UdSSR lebte, gingen wir oft Pilze sammeln und jeder wusste, dass der Pilz vorsichtig mit einem Messer geschnitten werden muss, um das Myzel nicht zu beschädigen. Nun stellt sich heraus, dass das Myzel ein elektrisches Kabel ist, über das Bäume sowohl miteinander als auch mit Pilzen kommunizieren können. Darüber hinaus gibt es zahlreiche Hinweise darauf, dass Bäume entlang des Myzels nicht nur elektrische Signale austauschen, sondern auch chemische Verbindungen oder sogar gefährliche Viren und Bakterien.

W: Was können Sie zu dem Mythos sagen, dass Pflanzen die menschliche Sprache verstehen und Sie daher freundlich und ruhig mit ihnen sprechen müssen, damit sie besser wachsen?

EIN V: Das ist nur ein Mythos, sonst nichts.

W: Können wir die Begriffe "Schmerz", "Gedanken", "Bewusstsein" auf Pflanzen anwenden?

EIN V: Darüber weiß ich nichts. Das sind schon Fragen der Philosophie. Da im vergangenen Sommer in St. Petersburg ein Symposium zu Signalen in Pflanzen stattfand, kamen mehrere Philosophen aus verschiedenen Ländern gleichzeitig, so dass nun begonnen wird, sich mit diesem Thema zu beschäftigen. Aber ich bin es gewohnt, über das zu sprechen, was ich experimentell testen oder berechnen kann.

Pflanzen als Sensoren

Pflanzen können ihre Aktionen über verzweigte Netze koordinieren. So gibt die in der afrikanischen Savanne wachsende Akazie nicht nur eine giftige Substanz in ihre Blätter ab, wenn Giraffen beginnen, sie zu fressen, sondern gibt auch ein flüchtiges "Alarmgas" ab, das ein Notsignal an umliegende Pflanzen sendet. Infolgedessen müssen sich Giraffen auf der Suche nach Nahrung nicht zu den nächsten Bäumen bewegen, sondern durchschnittlich 350 Meter von ihnen entfernen. Wissenschaftler träumen heute davon, solche Netzwerke lebender Sensoren, die von der Natur ausgetestet wurden, für die Umweltüberwachung und andere Aufgaben zu verwenden.

W: Haben Sie versucht, Ihre Pflanzen-Elektrophysiologie-Forschung in die Praxis umzusetzen?

Alexander Wolkow: Ich habe Patente für die Vorhersage und Registrierung von Erdbeben mit Hilfe von Pflanzen. Am Vorabend von Erdbeben (in verschiedenen Teilen der Welt variiert das Zeitintervall zwischen zwei und sieben Tagen) verursacht die Bewegung der Erdkruste charakteristische elektromagnetische Felder. Einst schlugen die Japaner vor, sie mit Hilfe riesiger Antennen zu befestigen - zwei Kilometer hohe Eisenstücke, aber niemand konnte solche Antennen bauen, und dies ist nicht notwendig. Pflanzen reagieren so empfindlich auf elektromagnetische Felder, dass sie Erdbeben besser vorhersagen können als jede Antenne. Wir haben beispielsweise Aloe Vera für diese Zwecke verwendet – wir haben Silberchlorid-Elektroden an den Blättern angeschlossen, die elektrische Aktivität aufgezeichnet und die Daten verarbeitet.

W: Klingt absolut fantastisch. Warum wird dieses System in der Praxis noch immer nicht umgesetzt?

EIN V: Hier ist ein unerwartetes Problem aufgetreten. Schauen wir: Nehmen wir an, Sie sind Bürgermeister von San Francisco und finden heraus, dass es in zwei Tagen ein Erdbeben geben wird. Was werden sie machen? Wenn Sie den Leuten davon erzählen, können durch Panik und Vergewaltigung noch mehr Menschen sterben oder verletzt werden als bei einem Erdbeben. Aufgrund solcher Einschränkungen kann ich die Ergebnisse unserer Arbeit nicht einmal öffentlich in der offenen Presse diskutieren. Auf jeden Fall denke ich, dass wir früher oder später eine Vielzahl von Überwachungssystemen haben werden, die auf Sensoranlagen arbeiten. In einer unserer Arbeiten haben wir beispielsweise gezeigt, dass es möglich ist, mit Hilfe der Analyse elektrophysiologischer Signale ein System zur sofortigen Diagnose verschiedener Krankheiten landwirtschaftlicher Pflanzen zu erstellen.

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