Rastlinná neurobiológia

Rastliny sú životne dôležitou súčasťou životného prostredia. Zachytávajú energiu, ktorá sa dostáva na Zem v podobe slnečných lúčov a pomocou nízkoenergetických anorganických substrátov ju premieňajú na energeticky bohaté organické látky, ktoré slúžia ako potrava pre všetky heterotrofné organizmy. Aj mnohé palivá, z ktorých sa získava teplo alebo pohonná energia, sú rastlinného pôvodu. Ľudia si dokonca vytvorili určitú psychickú závislosť od rastlín a obklopujú sa nimi vo svojich príbytkoch, záhradách i širšom okolí.

Už Aristoteles a jeho žiaci uskutočnili prvé filozofické pokusy o pochopenie rastlín v ich komplexnosti. V staroveku sa využívali hlavne v medicíne. Až oveľa neskôr, v 16. storočí, sa začali študovať základné princípy stavby a funkcie rastlín. Spočiatku sa skúmal hlavne ich výskyt, taxonómia a morfológia. Neskôr, najmä vďaka technologickému pokroku, ktorý viedol k zostrojeniu mikroskopu, ale aj novým medicínskym objavom, sa stali súčasťou „rastlinnej vedy“ aj anatómia a cytológia. Je zaujímavé, že ako prvá bola objavená a opísaná práve rastlinná bunka. Fyziológovia odhalili, že respirácia, trávenie a rast buniek prebiehajú v rastlinách na základe rovnakých princípov ako v prípade živočíchov. Rastliny sa čoraz častejšie stávali predmetom experimentálneho štúdia, čo viedlo k zrodu rastlinnej fyziológie, ktorá spolu s molekulárnou biológiou v súčasnosti dominuje základnému fytologickému výskumu.

Veľmi prekvapivé bolo zistenie, že rastliny majú mnohé identické vlastnosti so živočíchmi. Napríklad pohlavné rozmnožovanie je založené na rovnakom princípe – fúzii spermatických buniek s vajíčkami. Pri napadnutí patogénom sa rastliny bránia podobným spôsobom, akým si imunitu vytvárajú živočíchy (box na tejto strane). Existuje tiež niekoľko paralel medzi rozpoznaním vlastného a cudzieho v rastlinných systémoch a histokompatibilitou živočíchov. Živočíchy a rastliny prekvapujúco používajú tie isté molekuly a mechanizmy v cirkadiánnych rytmoch.

V súčastnosti, vzhľadom na množstvo nových poznatkov, dosiahla fytológia nový míľnik. Objavila sa rastlinná neurobiológia ako najnovšia oblasť rastlinných vied spájajúca molekulárnu biológiu s ekológiou. Rastliny boli demaskované ako inteligentné organizmy schopné komplexného spracovania informácií spojeného s pamäťou. Nielenže používajú neuronálne akčné potenciály, ale aj medzibunkovú komunikáciu pomocou synaptických spojení. Vzhľadom na tieto skutočnosti je termín „rastlinná neurobiológia“ oprávnený.

Aplikácia „neurobiologického“ pohľadu na ilustrovanie stavby rastlinných pletív a celého organizmu priniesla niekoľko prekvapivých zistení. V prvom rade, že koreňová špička nie je špecializovaná len na príjem živín, ale že vykazuje aj neuronálne aktivity založené na rastlinných synapsách. Zdá sa, že koreňové špičky majú isté vlastnosti, vďaka ktorým by mohli fungovať ako riadiace centrá a reprezentujú anteriórny pól rastlinného tela, ako o tom uvažoval už Charles Darwin. Trochu neskôr, roku 1901, opísal Bohumil Němec polárne štruktúry, zjavne zväzky aktínových filamentov, ktoré transportujú vzruchy v koreňový špičkách (obr. obrázek).

Podobne ako všetky ostatné mnohobunkové organizmy, aj rastliny majú anteriórny pól a posteriórny protipól. Ak teda koreňové špičky reprezentujú anteriórny pól zabezpečujúci príjem potravy, stonkové vrcholy a listy reprezentujú posteriórny pól, špecializovaný na rozmnožovanie a vylučovanie metabolických produktov pomocou hydatód, trichómov a prieduchov. Cievne zväzky, ktoré umožňujú rýchly transport hydraulických signálov, ale aj klasických akčných potenciálov, sa podobajú nervovým zoskupeniam. Keďže rastliny sú schopné učiť sa a rozhodovať o svojich aktivitách podľa informácií z okolia, je zrejmé, že vlastnia komplexný systém na prijímanie, uchovávanie a spracúvanie informácií. Rastliny vedia inteligentne riešiť problémy a predvídať budúcnosť na základe minulosti a prítomnosti. Komplexné správanie rastlín nie je iba inteligentné, ale aj racionálne (box na následujúcej strane).

Rastliny stoja na rozhraní medzi zdanlivo nehostinným a agresívnym vesmírom a plodnou planétou Zem, hemžiacou sa životom. Možno keby sme ich lepšie pochopili, pomohli by nám odhaliť veľkú záhadu života. Aristoteles a jeho žiaci boli presvedčení o tom, že rastliny majú svoj vnútorný život, ktorý obsahuje myšlienky, pamäť, sny a plány do budúcnosti. My ich však, nanešťastie, stále dokonale nepoznáme, a tak ich využívame, ak sa ukáže, že sú pre nás prospešné, alebo vyhubíme, ak to tak nie je. Ale nedávne pokroky v ekológii naznačujú zmenu v tomto zaujatom pohľade na vyššie rastliny.

Nesmieme zabúdať, že elektrický akčný potenciál, najcharakteristickejšia a najrýchlejšia forma neuronálnej komunikácie, bol objavený u rastlin už roku 1873 (J. S. Burdon-Sanderson 1873). V tom čase sa ešte neakceptovala bunková stavba živočíšneho mozgu a neuronálne mozgové procesy sa len začínali študovať. Odvtedy sa objavilo množstvo údajov o elektrickom fenoméne v súvislosti s rastlinami. Ukázalo sa, že elektrické signály modulujú a kontrolujú základné fyziologické procesy, ako je fotosyntéza a fototropizmus. Nanešťastie hlavný prúd rastlinnej biológie nikdy celkom neakceptoval rastlinnú elektrofyziológiu, takže táto oblasť prežívala v takmer dormantnom štádiu až doteraz, keď vzrušujúce objavy v ekológii, ale aj bunkovej a molekulárnej biológii, dovoľujú akceptovať rastlinnú neurobiológiu ako nový vedný odbor.

Jedným z prvých objavov tejto novej vednej disciplíny je zistenie, že rastliny vytvárajú rozličné signálne molekuly, ktoré možno nájsť v neurónoch. Ukazuje sa, že rastlinné bunky spolu komunikujú prostredníctvom rastlinných synáps sprostredkujúcich prenos elektrických signálov.

S príchodom nového milénia sa rastlinná biológia stáva svedkom dramatického pokroku v štúdiu komplexného správania rastlín. Začína sa potvrdzovať, že je to inteligentné správanie. Rastlinná ekológia má, prekvapivo, hlavné slovo pri odhaľovaní faktov, ktoré na to poukazujú. Akoby rastliny mali vnútorný obraz seba i okolia. Už Charles Darwin (1880) si všimol, že rastliny majú schopnosť komunikovať s okolím a transformovať túto informáciu do pohybu svojich orgánov. Rastliny sú schopné aktívne rozpoznávať iné organizmy, ako sú baktérie, huby, iné rastliny, hmyz, vtáky a živočíchy, pravdepodobne aj ľudí. Napríklad na uskutočnenie pohlavného rozmnožovania sa rastliny spoliehajú na komplexnú interakciu s hmyzom a vtákmi. Aby takéto niečo dosiahli, sú schopné vygenerovať špeciálne tvarované pohlavné orgány, ktoré umožňujú hmyzu a vtákom dosiahnuť ich kvety (Charles Darwin na to poukázal už v roku 1862). Opeľovačov navyše odmeňujú sladkým nektárom a inými látkami, ktoré sú pre hmyz či vtáky atraktívne a tvoria súčasť ich potravy. Komplexná interakcia bola dokázaná aj medzi hmyzími feromónmi a prchavými rastlinnými semiochemikáliami. Rastliny sú majstrami klamlivých a inteligentných stratégií (box na s. 412).

Korene čeľade Fabaceae dokážu rozpoznať a „domestifikovať“ baktérie rodu Rhizobium pomocou vývoja nodulov a zložený bakterioid zásobuje rastlinu dusíkom. Menej známy je spôsob, akým rastlina rozpozná a komunikuje s mravcami (a naopak), ktoré ju chránia pred herbivormi, patogénmi, ako aj pred konkurujúcou vegetáciou. Mravce odmeňujú vylučovaním nektáru a špecializovaných potravinových teliesok. Rastliny aktívne rozlišujú identitu bylinožravcov a sú schopné získať ich nepriateľov, čo sa veľmi podobá činnosti „bodyguardov“. Naviac rastliny so stonkou napadnutou patogénom sú schopné vylučovaním prchavých látok do ovzdušia upozorniť svojich susedov na nebezpečenstvo a môžu aj zvýšiť imunitu proti týmto patogénom. Je zaujímavé, že charakter vylúčených prchavých látok je typický pre napadnutie tým-ktorým herbivorom, ale rozdielny oproti všeobecnému poraneniu. Počas svojho vývinu sú rastliny schopné prejsť z autotrofného na heterotrofný spôsob výživy. V prípade parazitických alebo karnivorných rastlín zahŕňa táto zmena spôsobu výživy aktívny výber vhodného hostiteľského organizmu alebo koristi.

Rastliny sú extrémne mechanosenzitívne. Ich stonky niekedy hľadajú oporu pomocou úponkov za asistencie látok, ako sú jasmonáty. ¹⁾ Rastlinné korene sa vyznačujú tigmotropizmom, čo im dovoľuje skúmať, so zvedavosťou živočíchov, okolie pri hľadaní vody a minerálnych látok. Koreňové špičky neustále monitorujú množstvo fyzikálnych parametrov pôdy (box na tejto strane) a tieto informácie používajú na hľadanie novej ekologickej niky, aby mohli lepšie prežiť a rozmnožovať sa. Podobne sa správajú huby, a vskutku, väčšina koreňov vstupuje do symbiózy s mykoríznymi hubami za účelom zlepšenia príjmu kritických iónov, napríklad fosforu.

Tieto záblesky fascinujúcej komplexnosti rastlín nás vedú k formulovaniu otázok, na ktoré bude hľadať odpovede rastlinná biológia v nasledujúcich dekádach. Predovšetkým: Majú rastliny nejaký typ nervového systému, podobný tomu, ktorý riadi správanie živočíchov? Ak sa ukáže, že rastliny nijaký „mozog“ nemajú, otázka bude znieť: Kde a ako uchovávajú a spracúvajú informácie, ktoré získavajú z abiotického i biotického prostredia a ako ich používajú na optimalizáciu budúceho správania? Cítia rastliny (ako predpokladal Aristoteles) a prejavujú bolesť? Počujú rastliny a dokážu vnímať vône? Je pravdou, že to zatiaľ nevieme. Ale extrémna citlivosť na mechanické vibrácie naznačuje, že by mohli vnímať zvuky, a z prvých výsledkov vyplýva, že rastliny komunikujú prostredníctvom prchavých látok. Toto by dokonca naznačovalo na existenciu určitej formy rastlinného čuchu. Naše nedostatočné vedomosti by sme nemali ospravedlňovať tvrdeniami, že rastliny takéto schopnosti a vlastnosti nemajú. V podstate ich racionálne a inteligentné správanie nasvedčuje pravý opak. Preto by sme mali byť viac opatrní pri unáhlených záveroch a začať intenzívne hľadať odpovede na tieto naliehavé otázky.

Je azda len náhoda, že staré grécke slovo „neuron“ znamenalo rastlinné vlákno? Táto jedinečná súbežnosť naznačuje, že termín rastlinná neurobiológia je oprávnený!

To, že rastlinná neurobiológia vstupuje na scénu ako koherentná veda, sa mohlo uskutočniť vďaka štedrej pomoci talianskej banky Ente Cassa di Risparmio di Firenze, ktorá sponzorovala Prvé sympózium rastlinnej neurobiológie vo Florencii v máji 2005 (izmb.de/volkmann/plant-neuro.php). ²⁾ Druhé sympózium sa uskutočnilo v máji 2006 v Pekingu. Organizátori sympózia okrem toho založili aj Society for Plant Neurobiology (www.plantneurobiology.org). Tiež nový časopis Plant Signaling and Behavior (www.landesbioscience.com/journals/psb/) bude informovať nielen o všetkých známych spôsoboch, ale aj o neuronálnych prenosov signálov pri rastlinách.

A tak po viac ako dvoch tisícročiach, ktoré uplynuli od Aristotelových čias, máme azda šancu pochopiť rastliny v celej ich komplexnosti ako inteligentné organizmy.