Революция растений - читать онлайн

Мы привыкли определять растение по той его части, которая находится над землей. А на самом деле корневая система составляет порой не менее половины тела растения, и это, пожалуй, самая интересная его часть

Растения или животные: опыт, который учит

Я часто думаю о разумности растений, поэтому не мог обойти вниманием и их способность к запоминанию. Это утверждение может показаться странным, но попробуйте задуматься об этом хотя бы на минуту. Нетрудно представить, что разум может быть результатом работы не одного-единственного органа, что это свойство жизни, и он не обязательно базируется в мозгу. Растения, с этой точки зрения, служат весьма очевидным доказательством того, что мозг есть всего лишь эволюционная «случайность», присущая относительно меньшему количеству живых существ, – животных, – в то время как для подавляющего большинства, то есть растений, характерно развитие разума без формирования специального органа, для этого предназначенного. С другой стороны, решительно невозможно вообразить себе разум, который не базировался бы на той или иной форме памяти.

Память на самом деле является отдельной от разума характеристикой живого существа: без нее невозможно учиться, а способность к обучению является одним из свойств, лежащих в основе интеллекта. Может ли существо, обладающее инстинктами, быть неспособным повысить эффективность реакции на повторяющиеся проблемы одного и того же типа? Я уверен, каждый из нас осознает, что порой решает повторяющиеся жизненные задачи одним и тем же манером, отдавая себе отчет в том, что это неправильно. Я также думаю, что любой мог бы привести многочисленные примеры из жизни друзей или родных, упорно не меняющих свои способы реагировать на одни и те же, неизменно возникающие в их жизни личные проблемы. Однако это только поверхностное впечатление: за вычетом ряда исключений или случаев особых патологий, живые организмы вполне способны учиться на собственном опыте. Растения тоже следуют этому принципу и реагируют – только более тонко и точно – на повторяющиеся изменения, возникающие в окружающей среде. Это было бы невозможно без способности сохранять некую часть информации, относящуюся к способу выживания в тех или иных меняющихся обстоятельствах, иными словами – без памяти.

Однако слово «память» практически не используется в описании деятельности растений, аналогичной той, для которой животными используется мозг. Когда речь идет о растениях, у которых нет такого органа, наука использует специфические термины: «акклиматизация», «отвердение», «кондиционирование», «гидроизоляция»… Вся эта словесная эквилибристика, придуманная за годы исследований учеными, нужна только для того, чтобы не использовать старое, удобное и простое слово «память».

Тем не менее все растения способны учиться на собственном опыте и обладают механизмом запоминания. Приведем пример: представьте себе какое-нибудь растение, например, оливковое дерево, которое переживает некий стресс: засуху, засоление почв или нечто тому подобное. Оно непременно внесет изменения в собственное строение и метаболизм, чтобы обеспечить выживание. Ничего странного, не правда ли? Если спустя некоторое время мы подвергнем это же растение воздействию тех же факторов, возможно даже в более агрессивной форме, мы сразу же заметим: оно ответит на стресс значительно успешнее. Значит дерево выучивает урок! Оно каким-то образом сохранило следы использованных решений и, когда понадобилось снова приспосабливаться, быстро их извлекло и среагировало более эффективно и точно.

Таким образом, растение чему-то научилось и сохранило в памяти лучшее решение, наиболее подходящее для выживания.

У растений нет короткой памяти

Сравнительные исследования памяти, – в отличие от изучения многих других присущих растениям важных способностей, демонстрирующих явное сходство с аналогичными способностями животного мира (такими как интеллект, коммуникативные способности, способность к разработке стратегии защиты, поведенческие характеристики и т. д.), – начались не так давно, хотя некоторые теории уже сформировались. Первый ученый, который занялся этим вопросом, оправдал возложенные на него ожидания. Речь идет, конечно же, о Ламарке. О Жане-Батисте Пьере Антуане де Моне, шевалье де Ламарке (1744–1829). Торжественность имени вполне соответствует важности его вклада в науку. Отец биологии – в прямом значении слова, поскольку именно он придумал это название – интересовался, как и все натуралисты той эпохи, жизнью растений. А в особенности – феноменом быстрых движений, присущих так называемым «чувствительным растениям» (то есть тем, которые мгновенно и явственно реагируют на определенные раздражители). Значительную часть своей долгой научной жизни он посвятил детальному исследованию механизма закрытия листьев у растения Мимоза стыдливая (Mimosa pudica), стараясь понять, что приводит его в действие. Следует отметить, что у нас до сих пор нет четкого представления об этом механизме.

Мимоза стыдливая в цвету: соцветия розового цвета утыканы многочисленными удлиненными тычинками, придающими растению забавную пушистость.

Полагаю, все знают, что это за растение. Сегодня мимозу продают даже в супермаркетах. Однако для тех, кто никогда не видел этого цветка, поясню: речь идет о необычном и изящном растеньице, которое, в полном соответствии со своим названием, деликатно складывает листочки воистину стыдливым движением в ответ на внешнее воздействие (например прикосновение).

Именно благодаря мгновенной реакции, столь редкой в растительном мире, эта необычная жительница тропических лесов американского континента, прибыв в Европу, вызвала огромный интерес.

Ею интересовались такие выдающиеся ученые, как Роберт Гук (1635–1703), великий английский естествоиспытатель, усовершенствовавший микроскоп и описавший впервые в истории клетку, а также французский врач Анри Дютроше де Неон (1776–1847), считающийся отцом биологии клетки. Таким образом, на протяжении многих лет Мимоза стыдливая была настоящей звездой ботаники.

Перед ее колдовским очарованием не устоял и наш шевалье де Ламарк, который самым детальным образом изучил ее поведение с помощью многочисленных и порой довольно оригинальных экспериментов. Одна способность мимозы сразила Ламарка просто наповал. Если растение подвергать повторяющимся воздействиям одинакового характера, некоторое количество листьев прекращает реагировать и полностью игнорирует все последующие стимуляции. Ламарк был прав, приписав это поведение «усталости»: складывая листья раз за разом, растение растратило все запасы энергии, у него просто кончились силы. Нечто подобное происходит во время работы мышц у животных, которые не могут двигаться до бесконечности. Такой же ограниченный запас энергии оказался присущ и мимозе. Однако не во всех случаях.

Ламарк отметил, что иногда, после серии одинаковых раздражений, «субъект» перестает складывать листья задолго до исчерпания запасов энергии. Это явление озадачило ученого, он не мог понять причину подобного – явно непредсказуемого – поведения. Загадка оставалась неразгаданной до тех пор, пока в один прекрасный день исследователь не наткнулся на результаты опытов своего коллеги.

Рене Дефонтен (1750–1833) провел эксперимент, который ответил на мучавший Ламарка вопрос. Французский ботаник поставил весьма оригинальный эксперимент: он поручил одному из своих студентов провезти в коляске вокруг Парижа довольно большое количество растений и тщательно описать их поведение. Особое внимание ученик должен был обращать на случаи складывания листьев. Студент, имя которого осталось неизвестным, явно успел привыкнуть к необычным фантазиям своего учителя. Установив на сиденьях коляски многочисленные горшки с мимозами, он приказал кучеру спокойной рысью, по возможности без остановок, провезти его по самым красивым местам французской столицы. Увы, наслаждаться красотами ему не полагалось. Задание требовало безостановочно записывать в полевой тетради мельчайшие подробности поведения растений, которые должны были складывать листочки, каждый раз, как коляска подскакивала бы на парижской мостовой. Эксперимент вряд ли бы показался ученику сильно интересным, а Дефонтен вряд ли бы был удовлетворен результатом, если бы не произошло нечто непредвиденное.

Да, растения сложили листочки при первом же подскоке повозки на камнях мостовой. И что же? Чего все-таки ожидал ученый от этого эксперимента? Наверняка ученик подумал, что ничего нового опыт не даст. Однако, когда они отъехали подальше, растения повели себя неожиданным образом – вначале одно, затем еще два, потом уже пять мимоз вдруг расправили листья, хотя тряска продолжалась с той же интенсивностью. Что же случилось? Студент был потрясен и записал немедленно в тетрадь: растения просто привыкли!

Мимоза стыдливая – чувствительное растение родом из Латинской Америки, с берегов Карибского моря, распространенное во многих странах тропического пояса.

Результаты парижского уличного опыта остались в архивах Ботанического общества и были описаны в статье «Flore française» («Флора Франции») Ламарком и его соавтором Огюстеном-Пирамом Декандолем (1778–1841). Этот результат был почти забыт, что случается – гораздо чаще, чем думают люди – со многими гениальными озарениями. Однако выводы, вытекающие из эксперимента Дефонтена, стали понятны только сегодня. Они решительно указывают на адаптивное поведение и свидетельствуют о запоминании информации. Как рассада Мимозы стыдливой смогла бы привыкнуть к постоянным сотрясениям повозки, если бы не обладала определенной формой памяти?

Это потрясающее предположение, тем не менее, долгое время отвергалось научной средой – до тех пор, пока в мае 2013 года Моника Гальяно, исследователь из Университета Западной Австралии в Перте, не приехала на стажировку в мою лабораторию. Когда Моника прибыла в Международную лабораторию нейробиологии растений, которой я руковожу во Флорентийском университете, она специализировалась на морской биологии, и ее интересовали многие научные проблемы: от философии эволюции до ботаники. Моника хотела улучшить свои знания о мире растений, точнее – узнать больше об их поведении. И вот, – после долгих дискуссий о целях стажировки, – мы решили поставить несколько экспериментов, которые, с одной стороны, оправдали бы ее стажировку в моей лаборатории, а с другой – смогли бы удовлетворить наше любопытство и дать ответ на вопросы, которые возникли в ходе обсуждения особенностей поведения растений.

Кроме того, я полагал, что экспериментальное доказательство гипотезы о том, что растения обладают памятью, имеет фундаментальное значение. Многим моим коллегам эта гипотеза казалась интуитивно правильной, но она не имела под собой строгой научной базы. После того как мы согласовали цели нашего исследования, началось самое трудное: как показать, что растения запоминают свой ответ, и это помогает им результативнее отвечать на внешние воздействия?

За несколько месяцев до этого я посетил филиал нашей лаборатории в Японии, в городе Китакюсю. Мой близкий друг и коллега Томонори Кавано, руководитель филиала, с гордостью показал мне некоторые из тех тысяч томов, которые Университет Сорбонны в Париже списал и отправил на уничтожение и которые он, благодаря своей уникальной способности договариваться, спас от гибели и привез в Японию. Среди этих сокровищ и обнаружилась оригинальная копия «Флоры Франции» Ламарка и Декандоля, в которой мы нашли описание опыта Дефонтена, возившего по парижским улицам рассаду Мимозы стыдливой. История катания мимозы в коляске нас развеселила, а Томонори не без сарказма назвал ученика Дефонтена идеалом японского студента. Я же никак не мог выкинуть ее из головы и рассказал о ней Монике. Возник вопрос: можно ли повторить этот классический опыт на современной научной основе? Причем так, чтобы его результаты могли служить доказательством? Несколько дней спустя был готов протокол исследования, которое мы назвали «опытами Ламарка и Дефонтена».

В 2013 году найти коляску с лошадью, чтобы возить растения по городу, не представлялось возможным, но мы сохранили сам принцип повторяющегося возбуждения. Эксперимент должен был убить двух зайцев:

– показать, что растения Мимозы стыдливой способны после определенного количества повторений опознать некое раздражение как неопасное и прекратить складывать листья;

Растения Мимозы стыдливой учатся на собственном опыте, распознают безопасные внешние воздействия (такие как спуск горшка на несколько сантиметров вниз) и не складывают листья.

– убедиться, что эти же растения после определенного периода подготовки способны научиться различать раздражения, опознавать из двух разных воздействий уже знакомое и реагировать соответствующим образом. Иными словами, мы хотели понять, могут ли растения запоминать воздействие, не грозящее им опасностью, и отличить его потом от другого, возможно, несущего угрозу.

Довольно быстро мы собрали прибор для опыта – простой, но эффективный.

«Ламарк и Дефонтен» позволял постепенно спускать горшок с растением вниз через определенные промежутки времени и с шагом в десяток сантиметров. Это перемещение можно было измерить с высокой точностью, и именно оно было воздействием на растение.

Результаты не замедлили себя ждать и оказались вдохновляющими. Они подтвердили наблюдения Дефонтена: после нескольких повторений (примерно семи или восьми) растения прекращали складывать листья и переставали, со все возрастающим равнодушием, реагировать на спуск.

Дальше надо было понять, что послужило причиной: простая усталость, или растения на самом деле поняли, что бояться им нечего?

Единственный способ выяснить это доподлинно заключался в том, чтобы подвергнуть участников эксперимента другому воздействию, отличному от первого. Для этого мы придумали рычаг, который сдвигал горшки горизонтально, и подвергли растения новому воздействию. Оно тоже было вполне измеряемым, и растения ответили на него, сложив листочки. Прекрасный результат. Наша установка «Ламарк и Дефонтен» помогла показать, что растения могут опознать безопасное событие и отличить его от других, несущих потенциальный риск. Именно это они продемонстрировали во время нашего эксперимента.

Но насколько долго может служить такая память? Для того чтобы ответить на этот вопрос, мы подвергли испытанию около сотни растений, при этом каждое из них учили различать два разных воздействия. Повторный опыт показал, что они запомнили то, чему мы их учили. Более того, результат превзошел все наши ожидания: Мимоза стыдливая помнила о характере воздействий в течение 40 дней. Это поразительно длительный период по сравнению с продолжительностью памяти многих насекомых, и даже некоторых животных с более высокой организацией.

Как работает этот механизм у растений – до сих пор загадка, ведь мозга то у них нет. Многочисленные исследования, посвященные прежде всего реакции на стресс, показывают, что, похоже, решающую роль в формировании памяти о событии играет эпигенетика растения. Эпигенетика описывает наследуемость изменений, которые не связаны с модификациями последовательности ДНК. Другими словами, речь идет о таких изменениях, как модификация гистонов – протеинов (белков), играющих важную роль в формировании ДНК, или метилировании, то есть связывании метильной группы -CH3 с азотным основанием самой ДНК. Эти процессы изменяют активность тех или иных генов, но не саму их последовательность.

Совсем недавно выяснилось, что значительная часть цепочки ДНК, не играющая роли в кодировании процессов, но присутствующая в клетке и ранее считавшаяся «лишней», выполняет совершенно неожиданные задачи, крайне важные для биологии клетки. Например, эта якобы лишняя часть отвечает за воспроизводство молекулы РНК, играющей ключевую роль в развитии эмбриона, в обеспечении функционирования мозга и других процессов, без которых невозможна никакая жизнедеятельность. Как это часто случалось в истории биологии, значительный прогресс в науке стал возможным благодаря исследованиям растений (прежде всего – предпринятым в самое последнее время), многочисленным попыткам прояснить тайну их памяти. Конкретный пример: как растениям удается запомнить, когда нужно начинать цветение? Их репродуктивный успех и вообще способность производить потомство основаны, прежде всего, на умении выбрать правильное время. Многие растения расцветают после ухода зимних холодов, спустя определенное количество дней с окончания зимы. Выходит, они способны понять, сколько времени прошло.

Несомненно, речь идет об эпигенетической памяти. Но до совсем недавнего времени мы вообще ничего не знали о том, как она работает. В сентябрьском номере за 2016 год журнала Cell reports группа исследователей под руководством Кариссы Санбонматсу из Национальной лаборатории Лос-Аламоса опубликовала результаты, полученные в процессе работы с особой последовательностью РНК, называемой COOLAIR. Именно она контролирует наступление момента весеннего цветения, определяя, сколько времени прошло с того момента, когда растение подвергалось воздействию холода. Если эта последовательность в РНК дезактивирована или удалена, растения не способны цвести вовсе. Не углубляясь в детали сложного процесса функционирования последовательности COOLAIR (которую можно назвать репрессором репрессора цветения), следует отметить, что подобные механизмы распространены куда как шире, чем предполагалось ранее, и, судя по всему, служат основой для растительной памяти. У растений эпигенетические модификации, похоже, играют более важную роль, чем у животных. Вероятно, что изменения в активности генов в результате стрессового воздействия могут быть запомнены клеткой именно благодаря эпигенетическим модификациям.

Метилирование – одна из наиболее распространенных эпигенетических модификаций ДНК.

Из недавних достижений следует упомянуть работу группы ученых под руководством Сьюзен Линдквист из отдела биологии Массачусетского технологического института в Кембридже (США). Они заметно продвинулись в попытках доказать гипотезу о том, что растения, – по крайней мере в тех случаях, когда подразумевается наличие у них памяти о времени цветения, – могут использовать такие протеины, как прионы. Прионы – это белки, у которых аминокислотная цепочка скручена аномальным образом (по-английски – misfolding) и которые провоцируют «эффект домино», распространяя аномальное строение на все соседние белковые цепочки. Животным прионы не несут ничего хорошего: они вызывают у них такое страшное поражение, как болезнь Крейтцфельдта-Якоба, более известную как коровье бешенство. Однако растениям прионы позволяют иметь биохимический вариант памяти.

Можно подумать, что такого рода исследования имеют чисто научное значение для ботаники, однако это не так. Постижение того, как работает память, действующая вне мозга, разгадка тайны растений помогают нам понять и то, как действует наша собственная память, какие механизмы лежат в основе различных отклонений или патологий, как память может храниться вне нервной системы. Кроме того, открытия в области биологических законов работы памяти имеют огромное значение для будущих технологических прорывов. Другими словами, открытия в этой сфере имеют значение для всех областей науки и несут в себе возможности, которые пока даже трудно вообразить.

A.-P. De Candolle, J.B. Lamarck, Flore française ou descriptions succinctes de toutes les plantes qui croissent naturellement en France, Parigi 18053.

S. Lindquist et al., Luminidependens (LD) is an arabidopsis protein with prion behavior, «Proceedings of the National academy of sciences of the United States of America», 113 (21), 2016, стр. 6065–6070.