Perché le piante hanno bisogno di impulsi nervosi?

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Querce secolari, erba rigogliosa, verdure fresche - in qualche modo non siamo abituati a considerare le piante come creature viventi, e invano. Gli esperimenti mostrano che le piante hanno una sorta di complesso analogo del sistema nervoso e, proprio come gli animali, sono in grado di prendere decisioni, immagazzinare ricordi, comunicare e persino scambiarsi regali.

Il professore dell'Università di Oakwood, Alexander Volkov, ha aiutato a comprendere più in dettaglio l'elettrofisiologia delle piante.

Giornalista: Non avrei mai pensato che qualcuno si occupasse di elettrofisiologia vegetale finché non mi sono imbattuto nei tuoi articoli

Alessandro Volkov:Non sei solo. Il grande pubblico è abituato a vedere le piante come elementi nutritivi o paesaggistici senza nemmeno rendersi conto che sono vive. Una volta stavo facendo una relazione a Helsinki sull'elettrofisiologia delle piante, e poi i miei colleghi sono rimasti molto sorpresi: "Prima affrontavo un argomento serio: liquidi immiscibili, ma ora mi occupavo di una specie di frutta e verdura". Ma non è sempre stato così: i primi libri sull'elettrofisiologia delle piante furono pubblicati nel XVIII secolo, e poi lo studio di animali e piante procedette per vie quasi parallele. Ad esempio, Darwin era convinto che la radice fosse una specie di cervello, un computer chimico che elabora i segnali dell'intera pianta (vedi, ad esempio, "Movement in Plants"). E poi arrivò la prima guerra mondiale e tutte le risorse furono gettate nello studio dell'elettrofisiologia degli animali, perché le persone avevano bisogno di nuovi farmaci.

W: Sembra logico: i topi da laboratorio sono ancora molto più vicini agli umani delle violette

AV:In realtà, le differenze tra piante e animali non sono affatto così grandi, e in elettrofisiologia sono generalmente minime. Le piante hanno un analogo quasi completo di un tessuto conduttivo neurone - floema. Ha la stessa composizione, dimensione e funzione dei neuroni. L'unica differenza è che negli animali i canali ionici sodio e potassio vengono utilizzati nei neuroni per trasmettere i potenziali d'azione, mentre nel floema vegetale vengono utilizzati canali ionici cloruro e potassio. Questa è l'intera differenza in neurofisiologia. I tedeschi hanno recentemente scoperto sinapsi chimiche nelle piante, noi siamo elettrici e in generale le piante hanno gli stessi neurotrasmettitori degli animali. Mi sembra che questo sia anche logico: se stessi creando il mondo, e sono una persona pigra, farei tutto uguale in modo che tutto sia compatibile.

Perché le piante hanno bisogno di impulsi nervosi?

Non ci pensiamo, ma le piante nella loro vita elaborano ancora più tipi di segnali dall'ambiente esterno rispetto agli umani o a qualsiasi altro animale. Reagiscono alla luce, al calore, alla gravità, alla composizione salina del suolo, al campo magnetico, a vari agenti patogeni e cambiano in modo flessibile il loro comportamento sotto l'influenza delle informazioni ricevute. Ad esempio, nel laboratorio di Stefano Mancuso dell'Università di Firenze, sono stati condotti esperimenti con due germogli di fagiolo rampicante. Gli scienziati hanno stabilito un supporto comune tra le piante e i germogli hanno iniziato a correre verso di esso. Ma appena la prima pianta si è arrampicata sul supporto, la seconda è sembrata subito riconoscersi sconfitta e ha smesso di crescere in questa direzione. Ha capito che la lotta per le risorse non ha senso ed è meglio cercare la felicità altrove.

W: Le piante non si muovono, crescono lentamente e generalmente vivono senza fretta. Sembra che anche i loro impulsi nervosi dovrebbero propagarsi molto più lentamente

Alessandro Volkov: Questa è un'illusione che esiste da tempo nella scienza. Negli anni '70 del XIX secolo, gli inglesi misurarono che il potenziale d'azione della trappola per acchiappamosche di Venere si diffonde a una velocità di 20 centimetri al secondo, ma questo è stato un errore. Erano biologi e non conoscevano affatto la tecnica delle misurazioni elettriche: nei loro esperimenti, gli inglesi usavano voltmetri lenti, che registravano gli impulsi nervosi anche più lentamente di quanto si propagassero, il che è del tutto inaccettabile. Ora sappiamo che gli impulsi nervosi possono attraversare le piante a velocità molto diverse, a seconda del luogo di eccitazione del segnale e della sua natura. La velocità massima di propagazione dei potenziali d'azione nelle piante è paragonabile agli stessi indicatori negli animali e il tempo di rilassamento dopo il passaggio del potenziale d'azione può variare da millisecondi a diversi secondi.

W: Per cosa le piante usano questi impulsi nervosi?

AV: Un esempio da manuale è il Venus flytrap, che ho già menzionato. Queste piante vivono in aree con terreno molto umido, difficile da penetrare per l'aria e, di conseguenza, in questo terreno c'è poco azoto. I pigliamosche ottengono la mancanza di questa sostanza essenziale mangiando insetti e piccole rane, che catturano con una trappola elettrica: due petali, ognuno dei quali ha tre sensori piezomeccanici integrati. Quando un insetto si siede su uno qualsiasi dei petali e tocca questi recettori con la zampa, in essi viene generato un potenziale d'azione. Se un insetto tocca due volte il meccanosensore entro 30 secondi, la trappola si chiude in una frazione di secondo. Abbiamo verificato il funzionamento di questo sistema - abbiamo applicato un segnale elettrico artificiale alla trappola della Venus flytrap, e tutto ha funzionato allo stesso modo - la trappola è stata chiusa. Poi abbiamo ripetuto questi esperimenti con la mimosa e altre piante e così abbiamo mostrato che è possibile forzare le piante ad aprirsi, chiudersi, muoversi, piegarsi - in generale, fai quello che vuoi, usando segnali elettrici. In questo caso, eccitazioni esterne di diversa natura generano potenziali d'azione nelle piante, che possono differire per ampiezza, velocità e durata.

W: A cos'altro possono reagire le piante?

AV: Se tagli l'erba nella tua casa di campagna, i potenziali d'azione andranno immediatamente alle radici delle piante. Su di essi partirà l'espressione di alcuni geni e sui tagli si attiva la sintesi del perossido di idrogeno, che protegge le piante dalle infezioni. Allo stesso modo, se cambi la direzione della luce, per i primi 100 secondi la pianta non reagirà in alcun modo ad essa, al fine di eliminare l'opzione di un'ombra da un uccello o da un animale, quindi ripartiranno i segnali elettrici, in base ai quali l'impianto si girerà in pochi secondi in modo da massimizzare la cattura del flusso luminoso. Accadrà lo stesso, e quando inizierai a gocciolare acqua bollente, e quando tirerai fuori un accendino acceso, e quando metti la pianta nel ghiaccio, le piante reagiscono a qualsiasi stimolo con l'aiuto di segnali elettrici che controllano le loro risposte ai cambiamenti ambientali condizioni.

Memoria delle piante

Le piante non solo sanno come reagire all'ambiente esterno e, a quanto pare, calcolano le loro azioni, ma anche allacciano tra loro alcune relazioni sociali. Ad esempio, le osservazioni del guardaboschi tedesco Peter Volleben mostrano che gli alberi hanno una sorta di amicizia: gli alberi partner sono intrecciati con le radici e controllano attentamente che le loro chiome non interferiscano con la crescita reciproca, mentre gli alberi casuali non hanno sentimenti speciali per ai loro vicini, cercano sempre di accaparrarsi più spazio vitale. Allo stesso tempo, l'amicizia può nascere anche tra alberi di diverso tipo. Così, negli esperimenti dello stesso Mancuso, gli scienziati hanno osservato come, poco prima della morte di Douglas, sembra che lasci un'eredità: un pino giallo non lontano da esso ha inviato una grande quantità di materia organica attraverso l'apparato radicale.

W: Le piante hanno memoria?

Alessandro Volkov: Le piante hanno tutti gli stessi tipi di memoria degli animali. Ad esempio, abbiamo dimostrato che la Venus flytrap possiede memoria: affinché la trappola funzioni, devono essere inviate ad essa 10 microcoppie di elettricità, ma risulta che ciò non deve essere fatto in una sessione. Puoi servire prima due microcoulomb, poi altri cinque e così via. Quando il totale è 10, sembrerà alla pianta che un insetto vi sia entrato e si chiuderà di scatto. L'unica cosa è che non puoi fare pause di più di 40 secondi tra le sessioni, altrimenti il contatore si azzera: ottieni una memoria a breve termine. E la memoria a lungo termine delle piante è ancora più facile da vedere: ad esempio, un gelo primaverile ci ha colpito il 30 aprile e letteralmente durante la notte tutti i fiori si sono congelati sul fico, e l'anno successivo non è fiorito fino al 1 maggio, perché si ricordava cos'era finito. Molte osservazioni simili sono state fatte dai fisiologi vegetali negli ultimi 50 anni.

W: Dove è archiviata la memoria dell'impianto?

AV: Una volta ho incontrato a una conferenza nelle Isole Canarie Leon Chua, che un tempo predisse l'esistenza di memristors - resistenze con il ricordo della corrente passata. Abbiamo iniziato una conversazione: Chua non sapeva quasi nulla dei canali ionici e dell'elettrofisiologia delle piante, io - dei memristori. Di conseguenza, mi ha chiesto di provare a cercare i memristori in vivo, perché secondo i suoi calcoli dovrebbero essere associati alla memoria, ma finora nessuno li ha trovati negli esseri viventi. Abbiamo fatto di tutto: abbiamo dimostrato che i canali del potassio voltaggio-dipendenti dell'aloe vera, della mimosa e dello stesso acchiappamosche di Venere sono per natura memristori, e nei lavori seguenti sono state trovate proprietà memristive in mele, patate, semi di zucca e diversi fiori. È del tutto possibile che la memoria delle piante sia legata proprio a questi memristori, ma non si sa ancora con certezza.

W: Le piante sanno prendere decisioni, hanno memoria. Il prossimo passo sono le interazioni sociali. Le piante possono comunicare tra loro?

AV: Sai, in Avatar c'è un episodio in cui gli alberi comunicano tra loro sottoterra. Questa non è una fantasia, come si potrebbe pensare, ma un dato di fatto. Quando vivevo in URSS, andavamo spesso a raccogliere funghi e tutti sapevano che il fungo doveva essere tagliato con cura con un coltello per non danneggiare il micelio. Ora si scopre che il micelio è un cavo elettrico attraverso il quale gli alberi possono comunicare sia tra loro che con i funghi. Inoltre, ci sono molte prove che gli alberi scambiano non solo segnali elettrici lungo il micelio, ma anche composti chimici o persino virus e batteri pericolosi.

W: Cosa puoi dire del mito che le piante capiscono il linguaggio umano, e quindi hai bisogno di parlare con loro gentilmente e con calma in modo che crescano meglio?

AV: Questo è solo un mito, nient'altro.

W: Possiamo applicare i termini "dolore", "pensieri", "coscienza" alle piante?

AV: Non so niente di questo. Queste sono già questioni di filosofia. L'estate scorsa a San Pietroburgo si è tenuto un simposio sui segnali nelle piante e diversi filosofi di diversi paesi sono venuti lì contemporaneamente, quindi questo argomento sta iniziando a essere trattato. Ma sono abituato a parlare di ciò che posso testare o calcolare sperimentalmente.

Piante come sensori

Le piante sono in grado di coordinare le loro azioni utilizzando reti ramificate. Pertanto, l'acacia che cresce nella savana africana non solo rilascia una sostanza tossica nelle sue foglie quando le giraffe iniziano a mangiarla, ma emette anche un "gas di allarme" volatile che invia un segnale di pericolo alle piante circostanti. Di conseguenza, in cerca di cibo, le giraffe devono spostarsi non sugli alberi più vicini, ma allontanarsi da loro in media 350 metri. Oggi gli scienziati sognano di utilizzare tali reti di sensori viventi, sottoposti a debug per natura, per il monitoraggio ambientale e altri compiti.

W: Hai provato a mettere in pratica la tua ricerca di elettrofisiologia vegetale?

Alessandro Volkov: Ho brevetti per la previsione e la registrazione dei terremoti utilizzando le piante. Alla vigilia dei terremoti (in diverse parti del mondo l'intervallo di tempo varia da due a sette giorni), il movimento della crosta terrestre provoca caratteristici campi elettromagnetici. Un tempo, i giapponesi proposero di ripararli con l'aiuto di antenne giganti: pezzi di ferro alti due chilometri, ma nessuno poteva costruire tali antenne, e questo non è necessario. Le piante sono così sensibili ai campi elettromagnetici che possono prevedere i terremoti meglio di qualsiasi antenna. Ad esempio, abbiamo usato l'aloe vera per questi scopi: abbiamo collegato elettrodi di cloruro d'argento alle sue foglie, registrato l'attività elettrica ed elaborato i dati.

W: Sembra assolutamente fantastico. Perché questo sistema non è ancora implementato nella pratica?

AV: C'è stato un problema imprevisto qui. Guarda: diciamo che sei il sindaco di San Francisco e scopri che ci sarà un terremoto tra due giorni. Che cosa hai intenzione di fare? Se parli alla gente di questo, a causa del panico e dello schiacciamento, anche più persone potrebbero morire o essere ferite rispetto a un terremoto. A causa di tali restrizioni, non posso nemmeno discutere pubblicamente i risultati del nostro lavoro sulla stampa aperta. In ogni caso, penso che prima o poi avremo una varietà di sistemi di monitoraggio operanti su impianti di sensori. Ad esempio, in un nostro lavoro, abbiamo dimostrato che utilizzando l'analisi dei segnali elettrofisiologici è possibile realizzare un sistema per la diagnosi istantanea di varie malattie delle piante agricole.

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