Polacy rozszyfrowali jak rośliny ze sobą rozmawiają

Komunikacja między zwierzętami nie jest dla ludzi – stworzeń wyposażonych w mowę, język, pismo, świadomość, kody kulturowe – często czytelna, a u roślin zasadniczo wcale się jej nie spodziewamy. Chyba że w baśniach. Jednak w Instytucie Biologii SGGW udało się właśnie rozszyfrować na wielu poziomach, jak takie roślinne „rozmowy” się odbywają i czemu służą. A służą stworzeniu gigantycznej sieci porozumiewania się i zwiększenia adaptacji (szans na przeżycie) wszystkich dzięki przepływowi cennych informacji od jednych do drugich.

Możemy we „Władcy Pierścieni” J.J.R. Tolkiena przeczytać o Entach – opiekunach drzew, którzy wyglądali dokładnie jak one. Byli bardzo starzy i porozumiewali się między sobą językiem, który był bardzo trudny i nikt właściwie w całym Śródziemiu poza nimi samymi go nie rozumiał.

W „Dwóch wieżach” widzimy je w sytuacji, gdy muszą tej swojej skomplikowanej gramatycznie, dość powolnej i archaicznej mowie przekazać sobie niesamowicie istotny komunikat: ich świat jest zagrożony i zginie, jeśli nie podejmą walki. Czas na SOS! Śródziemie znajduje się w niebezpieczeństwie ze względu na bestialskie działania Sarumana wobec lasu.

Tolkienowskie Enty tym różniły się od zwykłych, znanych nam roślin, że, przynajmniej zanim ostatecznie zdrewniały, mogły się poruszać. Mogły zatem w sytuacji zagrożenia tak jak my wstać i uciekać. Rośliny tego jednak nie potrafią. Mogą jednak nawzajem się ostrzegać o niebezpieczeństwie, przekazywać sobie w jakiś tajemniczy sposób informację np. o żarłocznej gąsienicy, która zaczęła żerować na jednej z nich.

Od jakiegoś czasu intensywnie się to bada, także w Polsce, a dokładnie w Katedrze Genetyki Hodowli i Biotechnologii Roślin w Instytucie Biologii Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego (SGGW) w Warszawie w zespole kierowanym przez prof. dr. hab. Stanisława M. Karpińskiego.

Nawet jeśli rośliny nie mogą tak wprost uciekać od niekorzystnych warunków (np. ataku szkodników, chorób, czy ognia), nadal potrafią i muszą ich unikać, aby przeżyć. Unikając cienia, słonecznik wygnie swą łodygę wręcz groteskowo, korzenie szukając wody zaczną intensywnie rosnąć w kierunku jej źródła itd. Reagują na dotyk, co czasem ( w wypadku liści mimozy czy przekształconych w pułapkę liści owadożernej rosiczki, daje się zaobserwować nawet dziecku.

Czym innym jest jednak taka reakcja na bodziec, która, ponieważ rośliny nie są zwierzętami, i tak nas zaskakuje, a czym innym ciągłe informowanie się nawzajem o tym, co się dzieje w środowisku, aby reagować jako populacja, zbiorowisko, a nawet megaorganizm złożony z pojedynczych osobników na wszelkie możliwe zagrożenia. Taki rodzaj wzajemnego przepływu informacji odkryli właśnie Polacy.

Na łamach najnowszego numeru prestiżowego pisma „Plant Cell” wspomniany wyżej zespół uczonych we współpracy z kolegami z University of Missouri po raz pierwszy opisał, jak dokładnie działają nieznane wcześniej formy komunikacji między roślinami i uruchamiany w ich wyniku mechanizm, nazwany aklimatyzacją nabytą w sieci (ang. NAA). Poznano fizjologiczne, molekularne i kwantowe podstawy tych sygnałów SOS wysyłanych od rośliny do rośliny przez stykające się liście.

Sophie Hendrix, fizjolog roślin z Uniwersytetu w Bonn, jednocześnie redaktorka w „Plant Cell”, tak wyjaśnia powyższe zdanie w artykule odredakcyjnym towarzyszącym pracy wykonanej pod kierunkiem prof. Karpińskiego: „Badanie to wykazało, że liście sąsiednich roślin mogą bezpośrednio komunikować się przez sygnały elektryczne, wolne rodniki i prądy regulowane przez kanały wapniowe. Te wyniki oferują nowe spojrzenie na sygnalizację stresu i wzrostu roślin”.

„Nasze badania potwierdzają, że powierzchniowe sygnały elektryczne funkcjonują jako łącze komunikacyjne między roślinami, które są zorganizowane jako globalna sieć (społeczność) roślin – tak, jak to James Cameron przedstawił w filmie »Awatar«. Działają więc trochę jak Facebook czy Twitter. Odkryliśmy nowy rodzaj bezpośredniej komunikacji naziemnej między roślinami, obejmujący: sygnalizację elektryczną na powierzchni liści, reaktywne formy tlenu i globalną sieć fotosystemów. Sygnał elektryczny wywołany zranieniem lub silnym stresem świetlnym w pojedynczym liściu mniszka lekarskiego może zostać przekazany przez opisane wcześniej przez mój zespół mechanizmy systemowej nabytej aklimatyzacji i świetlnej pamięci komórkowej (ang.: SAA i CLM) do wszystkich liści tego mniszka i do rośliny, która jest w bezpośrednim kontakcie z jednym z liści stymulowanej rośliny. Zaś przez nowo opisany mechanizm NAA powoduje zmiany w obu roślinach. Co więcej, podobne zmiany mogą być indukowane w sieci roślin połączonych szeregowo ze sobą wyłącznie za pomocą styku liści. Okazuje się, że sygnały elektryczne i reaktywne formy tlenu mogą być bezpośrednio przesyłane między dwoma różnymi roślinami i mogą regulować zmiany niefotochemicznego wygaszania energii w fotosystemach (ang. NPQ) w sąsiadujących roślinach. Zmiana wartości NPQ jest zmianą molekularno-kwantową, bo reguluje, jaka część zaabsorbowanej energii światła jest wygaszana (rozpraszana), a jaka jest faktycznie przeznaczona na fotosyntezę.” – opisuje prof. Stanisław Karpiński.

I dodaje, że w średnim drzewie z tysiącem liści w każdym liściu mamy kilka tysięcy komórek, w każdej komórce kilkanaście czy kilkadziesiąt chloroplastów, a w każdym chloroplaście kilka tysięcy fotosystemów.

To daje setki bilionów (10 do potęgi 12) możliwych wirtualnych komunikacyjnych połączeń między poszczególnymi fotosystemami w dwóch stykających się drzewach.

Do tej pory było jasne, że rośliny komunikują się korzeniami – w ryzosferze – ale nie bezpośrednio, a za pomocą grzybni żyjących z nimi w symbiozie, zwanej mikoryzą. Nie bez kozery zatem szukamy prawdziwków pod dębami, a kozaków pod brzozami, aczkolwiek ma to konsekwencje nie tylko dla grzybiarzy, ale także dla samych tych drzew – one dzięki tym grzybniom rozrośniętym na kilometry dookoła, komunikują się między sobą. 

Było też jasne, że w konkretnej roślinie, choć oczywiście nie ma ona układu nerwowego w zoologicznym rozumieniu tego słowa (jakkolwiek ma układ analogiczny, czyli komórki okołopochwowe wiązek przewodzących, tzw. „nerwy liści”), istnieje rodzaj pobudliwości, co ciekawe oparty o podobne białka i mechanizmy, co w układzie nerwowym (np. prądy wapniowe wynikłe z działania kanałów jonowych i białko będące homologiem naszej kalmoduliny). Czyli wiedzą liście, co tam w łodydze piszczy. Choć niewątpliwie mierzone prądy, czyli potencjały czynnościowe, są na ogół wolniejsze znacznie, niż w komórkach nerwowych zwierząt i człowieka. Jakkolwiek wspomniana rosiczka czy mimoza ma zbliżoną szybkość przewodzenia, jak zwierzęta.

Dr Hendrix w swoim podsumowaniu badań warszawskiego i amerykańskiego zespołu celnie zauważa możliwy związek nowoodkrytego mechanizmu komunikacji między roślinami z tym poznanym nieco wcześniej opisanym, a opartym o syntezę związków lotnych przez rośliny np. obgryzane przez roślinożerców. Owe lotne substancje mają informować dookolnych pobratymców, że oto powinni uruchomić jak najrychlej produkcje jakiś związków odstraszających czy pogarszających smak zjadanych liści. Liczy się bowiem dobro wspólne i ochrona całej powiązanej ze sobą, skomunikowanej grupy.

Badania grupy z SGGW w Warszawie przeprowadzono na mniszku lekarskim (Taraxacum officinalis), zwanym, przez nas popularnie mleczem i już od ponad miesiąca barwiącym na żółto nasze łąki i trawniki. Tu transdukcja sygnału zachodziła tylko między liśćmi połączony przez kroplę wody, ale nie między suchymi (elektryczność ma swoje wymagania, powietrze suche jest raczej izolatorem niż przewodnikiem). Potem zaś elementy molekularne były już rozszyfrowywane dzięki „szczurowi laboratoryjnemu” fizjologów roślin, czyli rzodkiewnikowi (Arabidopsis thalianum). Według dr Hendrix warto spekulować, że ten odkryty właśnie system służy jako komplementarna ścieżka do tej opartej o emisję związków lotnych. System działający u mniszka, a z pewnością i u innych roślin, informowałby populację o zagrożeniu w warunkach wilgotnych.

Sygnały elektryczne między roślinami rozchodzą się na i w liściu falowo, z prędkością ok. 5 mm na sekundę czy kilka cm na minutę. Sygnały te mogą wywoływać liczne zmiany w funkcjonowaniu metabolicznym roślinny, np. fotosyntezie. Ponieważ większość z tych złożonych odpowiedzi komunikacyjnych może być również indukowana między dwiema roślinami połączonymi obwodem elektrycznym (miedzianym kablem), wydaje się, że sygnał elektryczny jest głównym graczem w tym typie komunikacji między roślinami.

Pozostaje na koniec wrócić do Entów. Komunikacja roślin została wyselekcjonowana przez ewolucję, aby dać im szansę na tzw. nabytą aklimatyzację systemową, a ta się nie wydarzy, bez zmiany ekspresji genów w komunikujących się roślinach. Geny zaś będą zmieniały swoją aktywność właśnie pod wpływem informacji przepływających w sieci komunikujących się ze sobą za pomocą wilgotnych liści roślin.

Gwałtowne zmiany klimatyczne współczesności, nieuniknione susze, muszą wpływać i z pewnością wpływają na ten system gigantycznych powiązań. U Tolkiena Saruman symbolizował nadchodzącą współczesność, gdy liczy się tylko kultura, a nie natura. I to kultura w intensywnym wydaniu industrializacyjnym, nieliczącym się zupełnie z przyrodą, z roślinami, które nie mogą uciec… A jednak to właśnie porozumienie Entów, mimo że niełatwe i za pomocą języka, który trudno pojąć, poradziło sobie z zagrożeniem.

Może to jest jakaś baśniowa przestroga dla nas. Bezrozumnie wycinających i ogławiających drzewa, „żeby liści nie grabić”, golących trawniki przy samej ziemi, żeby żaden owad się nie uchował, żaden mniszek lekarski nie zakwitł i nie wydał nasion. Zalewających rowy odpływowe płynami chwastobójczymi, by potem pić ich składniki w wodzie lecącej z kranów. Pytanie bowiem nie brzmi: co by rośliny powiedziały, gdyby umiały mówić? Tylko: co byśmy usłyszeli, gdybyśmy umieli ich mowę zrozumieć? A pamiętajmy że różne gatunki roślin rozmawiają jednym językiem.

#rośliny #przyroda #komunikacja #SGGW