Czy marchewka płacze, gdy jest siekana do rosołu?

O możliwościach wyłaniania się świadomości u biotechnologicznie generowanych „organoidach” pisałem jakiś czas temu, tym razem podobny problem wywołany jest przez całkowicie odmiennego typu badania naukowe. Po kolei jednak.

Zwierzęta w służbie roślin

Rośliny nie są zdolne do wykonywania szybkich, precyzyjnych ruchów, przez co ich metody radzenia sobie z roślinożercami są w zasadzie chemiczne. Etnobotanik Dennis McKenna wyraził to następująco: „Metabolizm jest dla roślin tym, czym behawior dla zwierząt”. Miliony lat koewolucji roślin z ich towarzyszami, mieszkańcami, zjadaczami i zapylaczami doprowadziły do powstania nieprawdopodobnego bogactwa metod, jakimi radzą sobie one z nadmiernie żarłocznymi zwierzętami, przede wszystkim owadami. Wszystkie te metody zasadzają się jednak na produkcji określonych związków chemicznych.

Na przykład rośliny z rodzaju Nicotiana (tytoń) w odpowiedzi na uszkodzenia mechaniczne dokonane przez larwy motyli z rodzaju Manduca (z rodziny zawisakowatych) emitują charakterystyczny zestaw lotnych związków organicznych, które zwabiają pluskwiaki z rodzaju Geocoris (z rodziny zwińcowatych; to są te jaskrawoczerwone pluskiewki z czarnymi wzorami, które pospolicie występują na polskich łąkach). Pluskwiaki zjadają larwy motyli – bingo! Gdzie tytoń nie może, tam pluskwę pośle.

Przepływ informacji bez układu nerwowego

Skuteczna strategia domaga się jednak przepływu informacji. Lokalna reakcja na dotyk czy uszkodzenia mechaniczne to jeszcze za mało, żeby obronić się przed roślinożercami. Z jednej strony, rośliny inwestują więc w feromony, dzięki którym informacja o potencjalnym niebezpieczeństwie roznosi się w środowisku. Z drugiej strony, wiele roślin potrafi przekazywać informacje w granicach własnego organizmu. Jesteśmy tak przyzwyczajeni do tej „oczywistej oczywistości”, że nie przyszłoby nam do głowy się nad tym zastanawiać – ale przecież rośliny nie mają układu nerwowego, a ich układ naczyniowy nie jest tak efektywny jak układ krwionośny zwierząt. Jak więc dochodzi do przenoszenia sygnałów w „ciele” rośliny? Zbadaniem tego właśnie zjawiska zajęli się autorzy omawianej pracy.

Opisywane w pracy badania dotyczą rzodkiewnika pospolitego (Arabidopsis thaliana) – gatunku modelowego, będącego roślinnym odpowiednikiem drozofili (muszki owocowej). Naukowcy postanowili sprawdzić, w jaki sposób dokonuje się transmisja sygnału z uszkodzonego mechanicznie liścia rzodkiewnika ku pozostałym liściom. Okazuje się bowiem, że w reakcji na uszkodzenia liści – np. ponawiające się skubnięcia żuwaczek motyla – uwalniany jest szereg związków chemicznych należących do grupy tzw. jasmonidów, stanowiących ważny składnik arsenału obronnego wielu roślin. Związki te wykrywane są jednak nie tylko na zaatakowanym liściu, lecz również na grupie liści znajdujących się z tej samej strony roślinki, łącznie wzmożona aktywność obronna przejawia się na ok. 1/3 obwodu rośliny. Jest to swego rodzaju kompromis między działaniami lokalnymi, które jednak mogłyby skłonić larwę po prostu do przeniesienia się na sąsiedni listek, a działaniami globalnymi, które mogłyby być zbyt obciążające dla metabolizmu rośliny.

Przywoływany artykuł relacjonuje fascynujący szereg eksperymentów i pomiarów dokonanych w celu wykrycia „metody”, jaką posługuje się roślina – a zwłaszcza potwierdzenia lub obalenia wysuniętych już wcześniej hipotez, że jest to przewodnictwo elektryczne podobne do tego, które występuje w neuronach zwierząt. W różnych punktach uszkadzanego liścia – i na pozostałych liściach – wszczepione zostały elektrody mierzące zmiany potencjału elektrycznego na powierzchniach komórek. Uzyskane dane pokazały, że przez całe „ciało” rzodkiewnika faktycznie przechodzi sygnał elektryczny o maksymalnej różnicy potencjałów rzędu kilkudziesięciu miliwoltów i prędkości rozchodzenia się rzędu centymetrów na minutę. Dla porównania: różnica potencjałów w ludzkich neuronach również osiąga kilkadziesiąt miliwoltów – mamy więc do czynienia z podobnym mechanizmem – ale dzięki specjalizacji neuronów na przestrzeni ostatnich kilkuset milionów lat sygnał ten rozchodzi się z prędkością wielu metrów na sekundę. Gdyby tempo rozchodzenia się sygnałów w ludzkim układzie nerwowym przypominało to zmierzone u rzodkiewnika, dopiero po kwadransie odczuwalibyśmy ból po uderzeniu w stopę.

Dopiero po dotarciu sygnałów elektrycznych wykrywano obecność jasmonidów – jednak wyłącznie w okolicznych listkach, mimo że sygnał elektryczny przebiegał przez całą roślinkę. Jak się okazuje, istnieje pewna progowa wartość amplitudy sygnału oraz jego trwałości, powyżej których komórki rzodkiewnika uruchamiają pełną kaskadę reakcji obronnych – choć więc sygnał dociera do wszystkich listków, wysiłek metaboliczny koncentruje się na bezpośrednim otoczeniu wykrytego zagrożenia. Hipotezę wędrującego zaburzenia elektrycznego potwierdzono ponadto, wszczepiając w listki rzodkiewnika cieniutkie druciki platynowe i przesyłając przez nie odpowiednio „zaprojektowany” sygnał elektryczny – był on w stanie wywołać falę pobudzenia nieodróżnialną od tej występującej naturalnie. Samo kłucie liścia drucikiem przeprowadzane było z największą ostrożnością i nie wywoływało jeszcze reakcji obronnej.

Miliard lat ewolucji układu nerwowego?

Aby zbadać „profil” chemiczny reagującego na zagrożenie listka, bliższej analizie poddano komórki liści, w których wcześniej wykryto jasmonidy. W tego typu sytuacjach bada się tzw. transkryptom, czyli zbiór wszystkich cząstek RNA obecnych w komórce w danym momencie, w szczególności cząstek mRNA. Daje on wgląd w to, które geny zostały w poprzedzającym analizę okresie „odczytane” z DNA jądrowego i skopiowane do mobilnej postaci mRNA. Jeśli DNA jest potężną biblioteką przepisów na białka, to mRNA pełni rolę leżących pod ręką na biurku kserokopii tych stron, które są akurat potrzebne. Dzięki potężnym postępom biotechnologii w ostatnich 20 latach możliwe jest teraz niemal rutynowe badanie całości transkryptomu nawet pojedynczych komórek! Okazuje się, że w liściach rzodkiewnika, które zainicjowały reakcję obronną, podwyższone stężenie (tutaj: przekraczające dwukrotność stężenia bazowego) wykazuje 313 cząstek mRNA. Trzysta trzynaście! Oznacza to, że w reakcję rzodkiewnika na rany zadane przez motyle żuwaczki zaangażowanych jest ponad 300 różnych białek – nie jest to więc prosta reakcja polegająca na produkcji jednej substancji w odpowiedzi na bodziec, lecz zsynchronizowana odpowiedź na wielu frontach. Choć więc reakcja nie jest błyskawiczna, z pewnością jest kompleksowa.

Ostatnia tura badań skoncentrowana była na sprawdzeniu, które z tych białek miały bezpośredni związek z samym przenoszeniem sygnału przez komórki. Odpowiedzi na tego typu pytania szuka się zwykle poprzez wykonywanie tych samych procedur eksperymentalnych na osobnikach „naturalnych” (wild-type, tj. „dzikich”) oraz spreparowanych w taki sposób, żeby nie były w stanie produkować „podejrzanego” białka. W tym przypadku badano nosicieli mutacji unieczynniających działanie określonej klasy białek błonowych (GCR, glutamate receptor-like)– osobniki te nie były w stanie skutecznie transmitować pobudzenia elektrycznego i w rezultacie nie aktywowały opisanej wyżej „kaskady” chemicznej. Nie przeprowadzono jeszcze szczegółowego badania tych białek, ale najprawdopodobniej pełnią one funkcje pomp lub kanałów błonowych regulujących stężenie wapnia.

Brzmi to znajomo? Tak, w naszych własnych mózgach w tej właśnie chwili dochodzi do dzikiego pompowania miliardów jonów wapnia – bowiem przesuwająca się po powierzchni neuronów fala elektryczna napędzana jest właśnie przez różnice stężeń jonów, m.in. wapnia. Niejako wisienką na torcie jest informacja, że białka z grupy GCR są najprawdopodobniej krewnymi podobnych białek błonowych występujących w naszych własnych mózgach. Jak natomiast wspomniałem na początku artykułu, najbliższym wspólnym przodkiem człowieka i rzodkiewnika był żyjący ok. miliarda lat temu pierwotniak… Czyżby więc sygnalizacja uszkodzenia tkanek rzodkiewnika i działanie mojego własnego układu nerwowego były rozwinięciami tego samego mechanizmu informacyjno-ostrzegawczego, który funkcjonował miliard lat temu u naszego ameboidalnego pradziadka?

Jedność z przyrodą

Doniesienia, że rośliny czują ból i „płaczą” (żywicą? mleczkiem?) w reakcji na rany, wydają się być grubymi nićmi szyte – i pojawiają się głównie w kontekście niewinnego żartowania sobie z  wegetarian. Na inną okazję trzeba będzie zostawić trudne pytanie: „Jak to jest być rośliną?” – choć już teraz wypada mi wspomnieć o klasycznym artykule filozofa amerykańskiego T. Nagela z 1974 roku „What is it like to be a bat?”, gdzie poruszony jest ten sam problem, ale na przykładzie nietoperza.

Ten tekst zakończę tylko straszliwie banalną uwagą, która jednak w kontekście cytowanego tu artykułu może zabrzmieć trochę silniej niż zwykle: stanowimy absolutną jedność z przyrodą. Absolutną. Kartezjusz, opierając się na teorii, że wyłącznie człowiek jest w posiadaniu niematerialnego umysłu (res cogitans), a wszelkie inne istoty żywe to tylko materialne ciała (res extensa), pisał, że odgłosy bólu wydawane przez zwierzęta są po prostu efektem mechanicznym – jeśli uszczypnięcie psa powoduje jazgot, to z takiego samego powodu, dla którego dźwięki emitowane są przez szarpnięte struny gitary. Dzisiaj do naszych rąk trafiają doniesienia, które demonstrują niepodważalną jedność – chemiczną, fizjologiczną, historyczną i funkcjonalną – elementarnych zjawisk biologicznych u pierwotniaków, roślin i ludzi, w tym także reakcji na uszkodzenie ciała. Czy powinna z tego wyniknąć jakaś nowa radykalna etyka, w ramach której siekanym do zupy warzywom podaje się środki znieczulające? Doświadczenie pokazuje, że fakty można w dowolny sposób przekuć na etykę. Szczęśliwie, nie wpływa to na same fakty.

Łukasz Lamża

* S.A.R. Mousavi i in.: Glutamate Receptor-Like genes mediate leaf-to-leaf wound signalling, Nature 500, 22.08.2013, 422-426.