WikiDer > Память растений

Plant memory

Память растений это способность растение для хранения информации из ранее испытанных стимулы. Хотя слово «память» часто используется в свете, ориентированном на человека, это базовое определение можно распространить на многие другие организмы, которые проявляют отсроченную реакцию на раздражитель, включая растения. Многие примеры можно увидеть в природе, например, от растений, которые выбирают время, когда их листья поднимаются синхронно с восходом солнца, до появления новых листьев весной после перезимовки. Память растений отличается от памяти человека и животных тем, что она не связана с хранением памяти в структуре мозга, но действительно функционирует аналогичным образом, используя опыт для выживания организма в дальнейшей жизни. Человеческую память часто считают механистически очень сложным процессом, но на самом деле очень мало известно о том, как создаются и хранятся воспоминания. Обсуждая человеческую память, следует учитывать три важные категории. Первый тип памяти - сенсорный, который включает в себя быстрый ввод стимулов вокруг человека. Сенсорная память постоянна, но мимолетна. Сюда входят звуки, свет, запахи и другие базовые раздражители. Следующий тип памяти человека - это кратковременная память, которая сохраняется намного дольше, чем сенсорная память. Другая категория человеческой памяти - долговременная. Это включает в себя способность вспоминать жизненные моменты через недели, месяцы и даже годы после переживания. Каждый из этих типов человеческой памяти можно разбить на базовый процесс удержания и реакции. Такую картину процессов можно наблюдать и у растений. Самые основные функции обучения и памяти у животных были зарегистрированы в растениях, и предполагается, что развитие этих основных механизмов памяти было развито ранним предком организма. Растения не только разработали консервативные способы использования функциональной памяти, но некоторые виды также разработали уникальные способы использования функции памяти в зависимости от окружающей среды и истории жизни. Таким образом, можно увидеть, что есть еще одно сходство между эволюцией памяти растений и эволюцией памяти животных у разных видов каждого вида. Использование термина память растений вызывает некоторые споры в области биология растений, поскольку некоторые исследователи считают, что эта функция применима только к организмам с функционирующим мозгом. Некоторые исследователи полагают, что сравнение функций растений, которые напоминают память у людей и других организмов более высокого уровня, может быть слишком прямым сравнением, в то время как другие полагают, что, поскольку функции этих двух по существу одинаковы, это сравнение может служить основой знаний для дальнейшего понимание того, как работают эти функции у растений. Чтобы лучше определить параллели и различия этих функций как у растений, так и у животных, необходимы дополнительные исследования.

История

Один из первых экспериментов, направленных на раскрытие идеи памяти растений, вообще не предполагал этого. Ученый Марк Джаффе проводил эксперимент, чтобы разобраться в механизме завивки усиков гороха. Джефф знал, что растения гороха будут обвиваться вокруг предметов, которые будут поддерживать их и помогать расти. В своих экспериментах Джаффе потирал одну сторону усика гороха, чтобы имитировать опорный объект и посмотреть, не вызовет ли контакт скручивание.[1] Он также решил проверить влияние света на этот процесс, и именно тогда он наткнулся на пример памяти растений. Когда Джефф растер усики на свету, он увидел ожидаемую реакцию свертывания. Интересно, что когда он проделал ту же процедуру в темноте, усики гороха перестали реагировать на физический контакт. Когда усики из темного эксперимента были возвращены на свет через несколько часов, они показали реакцию свертывания без каких-либо дополнительных стимулов.[1] Это продемонстрировало, что усики гороха каким-то образом сохранили стимул, который предоставил Джеффе, и отреагировали на него позже. После этого открытия многие ученые захотели продолжить изучение того, как именно растения могут сохранять информацию.

В Венерина мухоловка предлагает один возможный механизм. У плотоядного растения есть множество крошечных волосков на поверхности ловушки. При прикосновении к этим волоскам срабатывает реакция закрытия ловушки. Одно важное предостережение в отношении этого процесса заключается в том, что при прикосновении только к одному волоску реакция не срабатывает. Это заставило многих ученых задуматься, какой механизм стоит за достижением порога закрытия ловушки. Они интересовались, как растение сохранило, сколько раздражителей возникло. Дитер Ходик и Андриас Сиверс хотели разобраться в этом в конце 1980-х годов. Они предложили модель, в которой память о стимуле сохранялась через кальций концентрации.[2] Похож на человека потенциалы действия, они предположили, что первый стимул привел к увеличению кальция. Эти уровни сохраняются, позволяя запоминать. Если второй стимул возникает слишком долго, то общий уровень кальция не превысит порогового значения, необходимого для запуска закрытия ловушки. Таким образом, память будет потеряна. Если второй стимул произойдет достаточно быстро, уровень кальция превысит пороговое значение и ловушка закроется. Это продемонстрировало отсроченную реакцию на раздражитель.[2]Поддержание первоначального триггера за счет уровня кальция - пример механизма, с помощью которого у растений может возникать кратковременная память. Хотя это не то, что многие считают человеческой памятью, основы того, что произошло, остаются теми же. Хранение входных данных, будь то запах человека или прикосновение к растению, в основном то же самое с точки зрения ранее обсужденного определения базовой памяти.

По мере продвижения этой области исследований возникли некоторые новые вопросы, касающиеся способности растений сохранять информацию. Один из таких вопросов касается продолжительности растительной памяти. Хотя данные подтверждали краткосрочное сохранение сигналов, некоторые ученые хотели посмотреть, могут ли растения сохранять информацию в течение более длительных периодов времени, как это могут делать люди. Исследования Моники Гальяно часто находятся в авангарде этой дискуссии. Гальяно провела эксперименты, в ходе которых она наблюдала, как растения сохраняют память до месяца. Гальяно использовал мимоза стыдливая растение для ее эксперимента. Это растение очень чувствительно и сворачивает листья в ответ на прикосновение или встряхивание. Гальяно провел эксперимент, в котором эти растения сбрасывали шестьдесят раз. Она заметила, что со временем реакция скручивания листьев при падении у ее растений уменьшилась.[3]Она контролировала, что растения просто изнашиваются, встряхивая их после экспериментов по опусканию, которые вызывали защитную реакцию в виде скручивания их листьев.[3] Это показало, что у растений все еще была энергия, необходимая для ответа, но они помнили, что стимул опускания не требовал ее расходования. Эта первая часть ее эксперимента демонстрирует кратковременную память у растений. По крайней мере, эта часть эксперимента показывает, что с момента одной капли до следующей, растения сохраняли, что капля не представляла угрозы. Она пришла к выводу, что растения были в состоянии запомнить из предыдущих ответов, что падение не было. опасный. Гальяно пошел дальше в этом эксперименте и хотел посмотреть, как долго растение сохранит информацию. Чтобы проверить это, она подождала месяц, а затем снова повторила эксперимент по сбрасыванию и заметила, что растения сохранили память о том, что они не нуждаются в защитной реакции, когда им предоставляется стимул сбрасывания.[3]Это исследование создало новый прецедент в отношении продолжительности памяти растений. Первоначально предполагалось, что это происходит только на короткое время, работа Гальяно подтверждает необходимость дальнейших исследований в отношении продолжительности времени, в течение которого растения могут сохранять информацию.

Другой вопрос: является ли память растений «разумной». Когда вы думаете о человеческой памяти, часто возникают важные моменты, которые затем остаются надолго. Создание человеческой памяти включает в себя несколько уровней принятия решения, какую информацию важно сохранить, а какая информация не будет полезной в будущем. Такие оценки являются частью того, что считается интеллектуальной памятью. Дальнейший прогресс в этой области исследований, вероятно, будет сосредоточен на том, считается ли природа памяти растений разумной, что представляет собой вопрос о том, как определяется сам интеллект.

Физиология

В физиология Память растений задокументирована во многих исследованиях и, как предполагается, имеет четыре основных физиологических механизма, которые работают вместе синхронно, обеспечивая растения базовыми функциями памяти, и считаются предшественниками расширенных функций памяти, обнаруженных у животных. Этими четырьмя механизмами являются хранение и напоминание, привыкание, генное праймирование или эпигенетика и биологические часы.[4]

Хранение и отзыв

Метод запоминания и повторения используется, когда растение в ответ на раздражитель снижает или увеличивает концентрацию химического вещества в определенных тканях и поддерживает эту концентрацию в течение определенного периода времени. Затем растение использует эту концентрацию химического вещества как сигнал для отзыва.[4] Известно, что стимулы создают такие реакции, как прикосновение, повреждение, температура, засуха. [5][6], и даже электромагнитное излучение.[4] Предполагается, что передача сигналов Ca2 + играет ключевую роль в этой форме памяти растений.[4] Предлагаемый механизм этого заключается в том, что присутствие или отсутствие Ca2+ действует как долгосрочный переключатель включения / выключения клеточных процессов в ответ на стимулы для хранения генов.[4] Ca2 + наряду с электрической передачей сигналов также является неотъемлемой частью сигнального пути для растений, чтобы передавать сигналы первоначального стимула между клетками или тканями по всему растению. Пример функции кратковременного запоминания и отзыва электрической памяти можно увидеть в механизме ловушки Венерина мухоловка. При прикосновении к волоску ловушки возникает электрический разряд, который сохраняется в течение 20 секунд. Ловушка требует, чтобы в течение этого 20-секундного периода был расчесан по крайней мере еще один волос, чтобы достичь порога заряда, необходимого для закрытия ловушки.[7] Передача электрических сигналов от клетки к клетке у растений контролируется белками клеточной мембраны. Протеин мемристоры являются белками биологического резистора, которые могут зависеть от электрической истории клетки, и представляют собой класс белков, которые используются растениями и животными в функции электрической памяти.[8]

Привыкание

Процесс привыкания у растений очень похож на функцию запоминания и припоминания, но в нем отсутствует действие припоминания. В этом случае информация сохраняется и используется для адаптации растения к исходному раздражителю. Прекрасным примером этого является исследование растений мимозы, проведенное Gagliano et. al ..[9] В этом исследовании растения сначала реагировали на падение, закрыв свои листья, но после того, как раздражитель был испытан несколько раз, растения больше не реагировали на падение, закрыв свои листья.

Эпигенетическая память

Третий аспект памяти растений: эпигенетика, где растение в ответ на раздражитель подвергается гистон и хроматин модификация, приводящая к изменению экспрессии генов. Эти изменения приводят к последующему изменению того, какие белки вырабатываются растением, и определяют способ реакции растения или воздействия на него раздражителей из прошлого опыта. Эти переживания могут передаваться по наследству от родительского растения к потомству, давая еще более долгосрочную память о стимуле, таком как стрессор или другие стимулы окружающей среды.[8] Важно отметить, что эти изменения отличаются от генетических изменений, потому что они могут быть обращены вспять в ответ на новые стимулы или условия окружающей среды.

Биологические часы

Растения используют биологические часы для выполнения определенных действий, которые будут наиболее эффективными. Двумя наиболее хорошо задокументированными биологическими часами растений являются дневной и сезонный циклы, которые обычно устанавливаются фоторецепторы.[8] После того, как растение установило образец света, оно может эффективно запоминать ночное, дневное время или более длительные периоды, такие как времена года. Ярким примером этого является способность растений перезимовать, прекратить рост листьев, а затем активировать рост листьев весной, когда условия окружающей среды благоприятствуют росту. Эти циклы или циркадные ритмы контролируются генами, связанными с разным пространственным временем, которые активируются, когда присутствует сигнал окружающей среды для этого времени. Эти гены контролируют, какие белки производятся в определенное время, а также электрические и химические сигналы, которые производятся для управления моторными белками и другими белками. Общий результат этих процессов - последующие изменения в функционировании установки.

Резюме

Предполагается, что комбинация этих четырех механизмов памяти растений работает вместе для формирования различных функций памяти в растении. Общий предлагаемый механизм этой памяти - это сигнал или сигналы окружающей среды, ведущие к сигналу (химическая концентрация, волны кальция, электрические, малые РНК, или же фитогормоны), и это в конечном итоге приводит к активации или деактивации генов, связанных с памятью (хранение и вспоминание, эпигенетика, привыкание или циркадные ритмы).[4] Затем белковые продукты этих генов производят действия, основанные на памяти об исходных стимулах. Производство и действие этих белков на прошлые стимулы является ядром наблюдаемой памяти растений в действии. Пока еще многое неизвестно о том, как эти четыре аспекта работают вместе, и следует продолжить исследования того, как они взаимодействуют.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б Jaffe MJ, Galston AW (июнь 1966 г.). «Физиологические исследования усиков гороха. I. Рост и скручивание после механической стимуляции». Физиология растений. 41 (6): 1014–25. Дои:10.1104 / стр.41.6.1014. ЧВК 1086466. PMID 16656344.
  2. ^ а б Ходик Д., Сиверс А. (август 1989 г.). «О механизме закрытия ловушки мухоловки Венеры (Dionaea muscipula Ellis)». Planta. 179 (1): 32–42. Дои:10.1007 / BF00395768. PMID 24201419. S2CID 23445586.
  3. ^ а б c Гальяно М., Рентон М., Депчински М., Манкузо С. (май 2014 г.). «Опыт учит растения быстрее учиться и медленнее забывать в условиях, где это важно». Oecologia. 175 (1): 63–72. Дои:10.1007 / s00442-013-2873-7. PMID 24390479. S2CID 5038227.
  4. ^ а б c d е ж Thellier M, Lüttge U (январь 2013 г.). «Память растений: предварительная модель». Биология растений. 15 (1): 1–12. Дои:10.1111 / j.1438-8677.2012.00674.x. PMID 23121044.
  5. ^ Герреро-Сурита Ф, Рамирес Д.А., Ринза Дж., Нинанья Дж., Блас Р., Хайдер Б. (2020-09-03). "Бататас (Шуази) Д. Ф. Остин]". Границы науки о растениях. 11: 567507. Дои:10.3389 / fpls.2020.567507. ЧВК 7494806. PMID 33013990.
  6. ^ Рамирес Д.А., Роландо Дж. Л., Яктайо В., Моннево П., Марес В., Кироз Р. (сентябрь 2015 г.). «Повышение устойчивости картофеля к засухе за счет индукции долговременной памяти о водном стрессе». Растениеводство. 238: 26–32. Дои:10.1016 / j.plantsci.2015.05.016. PMID 26259171.
  7. ^ Хедрих Р., Нехер Э. (март 2018 г.). "Венерина мухоловка: как возбудимое, плотоядное растение работает". Тенденции в растениеводстве. 23 (3): 220–234. Дои:10.1016 / j.tplants.2017.12.004. PMID 29336976.
  8. ^ а б c Балуска Ф, Гальяно М, Витцани Г (2018). Память и обучение у растений (Передача сигналов и коммуникация у растений). Чам, Швейцария: Springer.
  9. ^ Гальяно М., Вязовский В.В., Борбели А.А., Гримонпрез М., Депчинский М. (декабрь 2016 г.). "Обучение по ассоциации растений". Научные отчеты. 6: 38427. Дои:10.1038 / srep38427. ЧВК 5133544. PMID 27910933.