Растительная слепота людей

Нейробиологи утверждают, что растения способны чувствовать, мыслить и общаться. Обзор исследований

В 1902 году ученый-энциклопедист Джагадиш Чандра Бос — физик, биолог, археолог, ботаник и писатель — опубликовал фундаментальный труд «Response in living and non-living» («Реакция в живом и неживом» — англ., дословно), в котором утверждал, что растения обладают потенциалами действия, то есть что при воздействии на них раздражителей по ним прокатывается электрический сигнал. У животных потенциалы действия являются основой нервной системы. Бос изучал раздражимость растений и пришел к выводу, что под мелодичную тихую музыку и шепот они растут быстрее, чем под громкую музыку и крики. Кроме того, Бос заметил, что растения зримо реагируют на вспышки света, перепады температур, щипки и уколы. Ученый утверждал, что они чувствуют боль и удовольствие, а когда умирают, по их телу прокатывается спазм.

Исследования Боса подвергали сомнениям и насмешкам, но со временем стало ясно, что он во многом опередил свою эпоху. Сегодня те выводы, к которым он пришел в начале прошлого века, подтверждаются учеными из разных стран.

«Смола» представляет обзор научных работ, которые доказывают, что растения имеют аналоги зрения, обоняния, осязания и слуха, а также способны накапливать опыт и общаться друг с другом.

У лесов есть глаза

Растения реагируют на свет и могут определить, откуда он исходит. Этот факт является общепризнанным, даже на школьных уроках биологии рассказывают, что без света невозможен процесс фотосинтеза. Ученые из Института Скриппса в 2001 году установили, что благодаря светочувствительными рецепторами растения синхронизируют свои циркадные ритмы с длиной светового дня, то есть буквально отдыхают по ночам, закрывая цветки и опуская листья. В 2016 году финские и австрийские ученые выпустили совместное исследование, в котором объяснили, что березы на ночь опускают ветви, потому что их фоторецепторы улавливают наступление сумерек и передают остальным клеткам сигнал, направленный на сбережение энергии.

Согласно обзорной статье российских ученых из МГУ имени М. В. Ломоносова, растения не просто воспринимают свет, но также различают синее и красное излучение. «Видеть» разные спектры им помогают два типа рецепторов: каждый по-своему регулирует поведение. Фототропин и криптохромом улавливают синий свет: они запускают прорастание семян, направляют побег к свету и управляют движением стебля и листьев. Фитохром распознает красный свет и отвечает, например, за режим «конкурентного» роста, то есть избегание тени, и отсчет длины светового дня, чтобы растение зацвело в нужный сезон.

Профессор Франтишек Балушка из Института клеточной и молекулярной ботаники Боннского университета считает, что растения могут не только реагировать на свет, но и различать формы и цвета. Он приводит в пример лозу бокилы трехлистной (Boquila trifoliata), которая растет в Южной Америке. Лоза мимикрирует под внешний облик растения-опоры: обвивая дерево или куст, она копирует цвет, форму и размер его листьев. Можно было бы подумать, что лоза улавливает химические соединения, выделяемые деревом, а процесс мимикрии обусловлен генетически. Но когда исследователи подставили под нее пластмассовое дерево, произошло удивительное: лоза воспроизвела увиденную впервые искусственную форму листвы. Балушка уверен, что лоза именно увидела листья, ведь обмен химическими или электрическими сигналами между растениями в данном случае был исключен.

Гипотеза Франтишека Балушки заключается в том, что у растений на поверхности листьев и в корнях есть нечто вроде «глазков» (ocelli), которые являются частью их сложной сенсорной системы. Известный физиолог растений Готлиб Хаберландт еще в 1905 году предполагал, что в клетках верхнего эпидермиса растений расположены светочувствительные линзы. Балушка с ботаником из Боннского университета Фелипе Ямашитой подтвердили эту гипотезу.

В 2015 году группа канадских ученых обнаружила, что у некоторых одноклеточных водорослей имеются оцеллоиды — крошечные органеллы, содержащие то, что можно назвать аналогами роговицы, хрусталика, радужной оболочки и сетчатки глаза у многоклеточных.

В последующие годы нашлось сразу несколько одноклеточных организмов, все тело которых представляет собой линзу. Она собирает свет и проецирует его на небольшой внутренний участок мембраны, что позволяет таким организмам уже более трех миллиардов лет «видеть» источник света и двигаться к нему. Возможно, в процессе эволюции отдельные растительные клетки присвоили себе этот навык и теперь позволяют растениям «видеть» окружающий мир. Балушка с коллегами считают, что наличие «глазков» объяснило бы и другой биологический феномен — скототропизм, или стремление корневой системы расти по направлению от света. Опыты в чашке Петри подтверждают, что корни избегают освещения и тянутся к темным участкам почвы, будто «видя» их. Ученые полагают, что «глазки» стратегически расположены на самом конце корешков — как раз для ориентации под землей.

А как у растений устроен слух?

Корни не могут полагаться только на «зрение». В 2017 году австралийские ученые задались вопросом: как растения находят источник воды, чтобы пустить корни в сторону влажной почвы? Оказалось, что они также способны пользоваться «слухом»: растения в состоянии «услышать» воду издалека и, ориентируясь на акустические колебания (журчание), направить к ней свои корни. При этом, выяснили ученые, посторонний шум может сбить с толку.

Учитывая, что слух — это способность улавливать звуковые колебания и вибрации, растения вполне обладают слуховым восприятием. Например, заслышав жужжание насекомого-опылителя, цветы начинают вырабатывать более сладкий нектар, чтобы его привлечь. В 2019 году израильские ученые давали энотере Друммонда (Oenothera drummondii) последовательно послушать высокочастотные звуки, тишину и жужжание пчел, после чего замеряли содержание сахара в нектаре. На звуки и тишину растение никак не реагировало, а вот жужжание пчел его взбудоражило: через три минуты нектар оказался на 20% слаще. Кроме того, цветки растения тоже завибрировали — ученые предположили, что они могут служить аналогом органов слуха.

Звуки, выдающие атаку вредителя, тоже мобилизуют некоторые виды растений. Это подтверждают американские ученые, которые пытались выяснить, насколько хорошо резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) знает своих врагов. Ей давали послушать звуки, которые обычно производит гусеница бабочки репницы (Pieris rapae) в процессе поедания листьев, и растение отвечало выработкой химических веществ, отпугивающих ее. На другие звуки, которыми исследователи дразнили резуховидку (вроде порывов ветра и стрекота кузнечиков), растение не велось. Такое свойство растений уже начинают использовать в сельском хозяйстве: звуковые волны определенной частоты стимулируют их рост, повышают гибкость клеточных стенок и активность защитных ферментов.

Если у растений есть слух, может, у них есть и голос? В 2018 году группа израильских ученых выяснила, что под воздействием стресса растения томата и табака издают ультразвуковые сигналы, передающиеся по воздуху. Исследователи повреждали растения и лишали их влаги, фиксируя их «крики» на расстоянии 10 см. При этом частота звуковой волны зависела от проблемы, с которой столкнулось растение. Обезвоженный томат, например, «кричал» не так, как его сосед с надрезанным стеблем.

Пассивная агрессия

Как и любой живой организм, растения обзавелись механизмами самозащиты и активно реагируют на повреждения. В отличие от животного, растение не может убежать, поэтому его тактика заключается в первую очередь в химической защите. Зачастую — как в случае с резуховидкой Таля — листья начинают выделять отталкивающие или попросту ядовитые вещества, чтобы хищник потерял аппетит. Другой известный пример — заросли акации (Acacia nigrescens) и их стратегия защиты от жирафов. Еще в 1991 году ученые из университета Претории установили, что всего через две минуты после того, как жираф начинает жевать листья акации, концентрация токсичного танина (вещества, отпугивающего травоядных животных — прим. ред.) в них повышается на 70%, а через полчаса — на 120%, делая листья несъедобными.

Атакованное растение «не забывает» и про сородичей: оно активно испускает летучий этилен, уловив который, другие акации тоже запускают выработку танина. Кстати, жирафы уже усвоили этот прием, поэтому двигаются от дерева к дереву против ветра.

Эволюционная гонка вооружений между растениями и животными продолжается. С помощью летучих веществ растения научились не только предупреждать друг друга об атаке травоядных, но и привлекать их естественных врагов. Те же акации используют в качестве «телохранителей» муравьев, предоставляя им жилище и еду в обмен на защиту от тли, гусениц, бактерий и даже растений-конкурентов. Животные ответили: они научились заглушать крик растений о помощи. В 2020 году исследователи из США обнаружили, что гусеницы американской кукурузной совки (Helicoverpa zea) могут нейтрализовать воздушную оборону помидоров и сои. Ферменты в слюне гусеницы на двое суток блокируют выделение летучих соединений из листьев, пресекая попытки растения предупредить соседей или позвать на помощь.

В таком случае единственное, что остается растению, — быстро восстанавливать поврежденные ткани. В 2018 году в Science вышло совместное американо-японское исследование, в котором подопытным снова стал любимый цветок ученых: резуховидка Таля. Ученые скармливали ее листья гусеницам, царапали их и резали ножницами — и каждый раз уже через пару секунд в месте повреждения формировались сигнальные молекулы, которые рассылали «предупреждение об опасности» остальным клеткам. Уже через одну-две минуты все части растения были готовы залечивать раны. Исследование показало, что сигнальная система растений аналогична нервной системе животных: электрические импульсы внутри поврежденного растения передаются при помощи ионов кальция и нейромедиатора глутамата — эти же элементы отвечают за передачу нервных импульсов у высших животных.

Мозг в корнях

Тем не менее вряд ли можно сказать, что растения чувствуют боль: у них как минимум нет болевых рецепторов. Но есть механорецепторы — они воспринимают давление (прикосновения, порывы ветра), поэтому растение знает, когда его трогают или передвигают. И иногда реагирует. Самым наглядным образом способность осязания демонстрируют такие восприимчивые и подвижные виды, как венерина мухоловка (Dionaea muscipula) и мимоза стыдливая (Mimosa pudica). Первая в ответ на прикосновение мгновенно схлопывает листья, а вторая сворачивает листочки. Это происходит за счет того, что клетки растения сообщают друг другу электрические импульсы.

Электричество — неотъемлемое условие жизни на Земле, основа внутренних процессов в организме и важный элемент взаимодействия с окружающей средой. В 2021 году с помощью электрических импульсов состоялось даже нечто вроде коммуникации между человеком и растением — венериной мухоловкой. Исследователи из Сингапура разработали устройство, которое считывает электрическую активность мухоловки и передает ей импульсы через электрод, прикрепленный к листу-ловушке. Сообщив венериной мухоловке сигнал определенной частоты, ученые смогли заставить ее захлопнуться, не прикасаясь к ней. Они даже разработали приложение, которое расшифровывает электрическую активность растения и позволяет получить от него обратную связь (вроде «меня полили»).

«Нейрон — это не чудо-клетка, это обычная клетка, способная производить электрический сигнал. У растений на это способна почти каждая клетка», — говорит в интервью The Guardian Стефано Манкузо, ботаник из Флорентийского университета и еще один первопроходец в растительной нейробиологии. Именно он открыл, что растения можно «усыплять» с помощью той же анестезии, которая применяется к людям и животным.

«На мой взгляд, главное отличие животных от растений состоит в том, что у животных функции сосредоточены в конкретных органах. А у растений все, включая разум, распределено по телу», — считает Манкузо.

Разговоры о разуме или сознании растений — уже пограничная зона современной биологии, за которой начинаются непримиримые разногласия. Большинство ученых отказывают растениям в таких сложных антропоморфных качествах. Но есть и те, кто считает, что людей ослепляет их собственное высокомерие. Среди них Стефано Манкузо и Франтишек Балушка. Вместе они занимаются ни много ни мало поиском мозга растений, полагая, что если у них есть нервная организация, то где-то должен быть и ее центр.

Энтузиасты растительной нейробиологии вспоминают Дарвина, предполагавшего, что кончики корней выполняют у растений те же функции, что и мозг у животных. Опираясь на эту догадку, Манкузо и Балушка с коллегами изучили корневой апекс и обнаружили, что несмотря на крошечную длину (меньше миллиметра) эта зона корня потребляет больше кислорода, чем все остальные органы растения — так же, как мозг в теле человека. Помимо этого, ученые зафиксировали в апексе сигналы, идентичные тем, что передают информацию между нейронами в нашем мозгу. Конечно, апекс — это всего несколько сотен клеток, но корневая система даже небольшого растения состоит из десятков миллионов корешков, а это миллионы апексов, действующих сообща.

Накапливать опыт

Если рассматривать разум как способность реагировать на внешние условия, адаптироваться и усваивать информацию об окружающей среде, то растения достаточно разумны. Правда, животные способны еще и накапливать опыт, запоминая информацию, — в этих способностях растениям до недавнего времени отказывали. Хотя еще в 1980-х ботаники из Еврейского университета в Иерусалиме выяснили, что травянистое цветковое растение мальва (Lavatera cretica) способно учиться. Было известно, что перед рассветом мальва разворачивает листья в сторону предполагаемого восхода, будто «помнит», где и когда солнце всходило до этого, и заранее готовится к первым утренним лучам. Ученые пытались сбить мальву с толку, поместив ее в лабораторию с искусственным источником света и постоянно меняя его траекторию, но растение каждый раз выучивало новое направление и «запоминало» его на несколько дней.

В 2014 году австралийский биолог Моника Гальяно решила проверить, может ли мимоза стыдливая — та самая, которая скручивает листочки от прикосновения, — воспроизводить выученные поведенческие реакции. Это в высшей степени чуткое растение быстро распознает потенциальную опасность корнями. Если к ним прикасается человек или другое животное, мимоза начинает защищаться, выделяя отталкивающие летучие соединения. Если дотрагиваются металлическим или стеклянным предметом, растение не тратит силы на оборону. Сенсорные рецепторы на листьях мимозы реагируют на любое давление и сворачиваются, чем бы до них ни дотронулись. Однако в результате постоянных контактов Гальяно приучила мимозу к тому, что некоторые прикосновения не представляют опасности, — и та перестала на них реагировать. Растение не только воспринимало информацию, но и использовало ее в дальнейшем (мимоза «запомнила» урок на целый месяц), то есть скорректировало свое поведение с учетом накопленного опыта. Это напоминает базовые формы обучения, доступные большинству животных.

В 2016 году Гальяно с коллегами провели другой эксперимент, на этот раз с горохом (Pisum sativum), чтобы выяснить, способны ли растения к более сложным формам обучения, например ассоциативному. Исследователи высадили горох в Y-образную трубу и разместили лампу только над одним из раструбов — как и ожидалось, побег устремился к свету. Затем рядом с лампой разместили вентилятор, чтобы свет ассоциировался с потоком воздуха, — горох продолжал расти в этом направлении. Наконец, лампу убрали, но растение, как и раньше, тянулось в сторону вентилятора. Ученые сделали вывод, что горох научился соотносить источник света с таким нейтральным стимулом, как ветер, и в отсутствии света продолжил расти туда, откуда дул вентилятор. Более того, чтобы убедиться, что выученное поведение сильнее природного фототропизма (стремления растений к свету — прим. ред.), исследователи на третьем этапе не просто убирали освещение, но и перемещали вентилятор в противоположное отверстие трубы. Вскоре побег разворачивался и начинал расти в сторону ветра.

Другой пример наличия у растений памяти, правда кратковременной, — охотничья стратегия венериной мухоловки. В спокойном состоянии розетка цветка, на поверхности которой расположены чувствительные волоски, открыта. Волоски реагируют на касание и, когда необходимо, посылают двигательному органу растения сигнал захлопнуть ловушку. Одно касание не считается: оно могло быть каплей воды, пылинкой или слишком мелким насекомым, ради которого не стоит тратить энергию. Но если в течение 20 секунд растение фиксирует второе касание, оно понимает, что попалась добыча покрупнее, и ловушка срабатывает. За это ученые называют венерину мухоловку растением, которое умеет не только запоминать, но и считать, а сторонники теории о разумности растений указывают, что подобное поведение — это проявление фундаментальных когнитивных навыков.

Подземный интернет

Последняя, но необычайно важная способность растений — умение общаться между собой и с другими формами жизни на планете. Возможно, главные носители информации в растительном мире — это летучие органические соединения, испускаемые одними растениями и улавливаемые другими. О такой коммуникации заговорили еще в 1980-е, когда выяснилось, что поврежденные растения посылают соседям воздушные сигналы тревоги и те в ответ могут временно изменить свои биохимические характеристики. Ученые оборвали сахарному клену (Acer saccharum) часть листьев, в результате чего он не только начал сам вырабатывать больше фенольных соединений, выполняющих защитные функции, но и «предупредил» о случившемся соседние клены. В течение 36 часов в них повысилась концентрация фенольных смол и танинов. Такое же поведение позже отметили и у других видов растений.

Растения посылают друг другу сигналы не только по воздуху, но и под землей — например, отличают родню от чужаков по составу химических сигналов, которыми обмениваются через корневую систему. Растение прекрасно отдает себе отчет в том, кто обитает вокруг. Если его окружают представители другого вида, оно может вступить в конкурентную борьбу с ними, а если соседями оказываются родственники, то образуются устойчивые сообщества. В дружеских сообществах растения сдерживают разрастание своей кроны, чтобы всем досталось достаточно солнечного света. Они могут пересылать друг другу питательные вещества и предупреждать об опасности — тоже под землей.

В 2011 году израильские ученые проследили, как один из саженцев гороха, начав испытывать недостаток влаги, передал сигнал тревоги буквально всем, до кого дотянулась его корневая система.

Через 15 минут после начала «засухи», которую для этого саженца устроили ученые, его ближайшие соседи закрыли устьица — поры на поверхности листа, через которые испаряется влага. Через час их примеру последовали и остальные растения в той части грядки, где их корневые системы сообщались.

Возможно, самое интересное открытие о взаимодействии растений принадлежит канадскому экологу Сьюзан Симард, которая 35 лет исследует лесные сообщества. Она утверждает, что растения обмениваются органическими веществами и полезной информацией не только с представителями своего вида, но и со всеми участниками экосистемы: другими растениями, грибами, паразитами и микробами. Для этого они используют микоризу — подземную сеть из грибного мицелия и корней растений, которая пронизывает почву наподобие биологического интернета. Узлы в микоризных сетях — это старые и сильные материнские деревья, соединенные с сотнями молодых растений. Между «родственниками» микоризные связи плотнее — по ним, как по проводам, идет обмен углеродом, азотом, фосфором, водой, аллелохимикатами, гормонами и нейроимпульсами. Материнские деревья питают и всячески поддерживают свое потомство, а погибая, посылают подрастающему поколению запасы «мудрости»: питательные вещества и защитные сигналы, которые повышают выживаемость молодых растений и их устойчивость к стрессу. Благодаря этим подземным нейросетям каждое растение в экосистеме связано с остальными.

P. S.

Многие ученые критикуют тех, кто занимается растительной нейробиологией, утверждая, что, несмотря на всю сложность и изящество растительной жизни, она не только не обладает признаками разума, но и не нуждается в нем. И потом, так ли важно убедиться, что существо разумно, чтобы уважать его неповторимую и сложную природу? В 2008 году швейцарский комитет по этике и биотехнологиям и все граждане Швейцарии получили Шнобелевскую премию мира за принятие правового принципа, согласно которому растения имеют достоинство. Речь идет о докладе комитета, который стал основанием для поправок в Конституцию Швейцарии. С тех пор растения в ней признаны живыми существами, негуманное обращение с которыми с точки зрения морали недопустимо.

Но, возможно, для начала нам нужно научиться малому — начать видеть растения. Вернувшись с прогулки, большинство из нас не вспомнит деревья, травы и кустарники, которые окружали нас в парке, — только сплошной зеленый фон. Но этот фон полон жизни и играет в экосистемах планеты гораздо более важную роль, чем люди. В конце 1990-х двое ботаников и преподавателей биологии Джеймс Вандерзее и Элизабет Шусслер ввели в оборот понятие растительной слепоты (plant blindness) — когнитивного искажения, из-за которого мы склонны упускать из виду многообразие окружающего нас растительного мира. Мы не знаем, какие виды растений встречаются в нашем регионе, не разбираемся в базовых экологических принципах и слабо представляем жизнь растений.

Будучи слепыми к деталям зеленого фона, мы пренебрегаем их ролью в поддержании жизни на Земле и позволяем многим из них уйти в небытие незамеченными и неоцененными. За последние 250 лет человечество ускорило исчезновение растений в 500 раз, сегодня под угрозой находится каждый пятый вид. Почти 80% видов растений, еще не известных науке, уже находится под угрозой исчезновения, и ученые опасаются, что мы утратим их, не успев познакомиться.