REWOLUCYJNY GENIUSZ ROŚLIN
Stefano Mancuso
REWOLUCYJNY
GENIUSZ ROŚLIN Jak i dlaczego rośliny zmienią naszą pr zyszłość
przełożyła Anna Wziątek
TYTUŁ ORYGINAŁU: Plant Revolution. Le piante hanno già inventato il nostro futuro Copyright © 2017 Giunti Editore S.p.A., Firenze-Milano. www.giunti.it All rights reserved. Wszelkie prawa zastrzeżone Copyright © for the Polish edition and translation by Wydawnictwo Bukowy Las Sp. z o.o., 2018 ISBN 978-83-8074-150-8 PROJEKT OKŁADKI: Paweł Cesarz ILUSTRACJA NA OKŁADCE: Wikimedia Commons R EDAKCJA: Daria Demidowicz-Domanasiewicz KOREKTA: Iwona Gawryś R EDAKCJA TECHNICZNA: Adam Kolenda WYDAWCA: Wydawnictwo Bukowy Las Sp. z o.o. ul. Sokolnicza 5/76, 53-676 Wrocław www.bukowylas.pl, e-mail: biuro@bukowylas.pl WYŁĄCZNY DYSTRYBUTOR: Firma Księgarska Olesiejuk Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością ul. Poznańska 91, 05-850 Ożarów Mazowiecki tel. 22 721 30 11, fax 22 721 30 01 www.olesiejuk.pl, e-mail: fk@olesiejuk.pl DRUK I OPRAWA: Abedik S.A.
Anninie
Przedmowa
Czasami myślę, że większość ludzi nie zdaje sobie sprawy, jakie wielkie znaczenie mają dla nas rośliny. Każdy wprawdzie wie, a przynajmniej taką żywię nadzieję, że produkują tlen, który wdychamy, a także otwierają łańcuch pokarmowy zwierząt. Ale kto myśli o tym, że paliwa kopalne, w tym ropa naftowa, węgiel kamienny czy gaz, są niczym innym jak energią słoneczną, która przed milionami lat została przetworzona i zgromadzona przez rośliny. Albo że większość substancji czynnych w naszych lekarstwach jest pochodzenia roślinnego. Czy wreszcie o tym, że najważniejszym materiałem budowlanym w wielu częściach świata wciąż jeszcze pozostaje znakomicie się do tego nadające drewno. Gdybyśmy przyjrzeli się temu zjawisku bliżej, to jesteśmy zdani na łaskę i niełaskę roślin – podobnie jak wszystkie inne zwierzęce formy życia. Mogłoby się zatem wydawać, że o roślinach – od których zależy przecież większość naszej gospodarki – wiemy już wszystko. Nic bardziej mylnego: w samym tylko 2015 r. odkryto ni mniej,
10
REWOLUCYJNY GENIUSZ ROŚLIN
ni więcej tylko 2034 nowe rośliny – i nie były to wyłącznie malutkie roślinki, które łatwo przeoczyć. Na przykład Gilbertiodendron maximum jest mierzącym 45 m wysokości endemicznym drzewem z lasów deszczowych w Gabonie, jego pień osiąga 1,5 m średnicy i wagę ponad 100 t. Rok 2015 nie był pod tym względem wyjątkowy: w ostatnim dziesięcioleciu opisywano rocznie ponad 2 tys. nowych odmian. Poszukiwanie wciąż nieodkrytych roślin w każdym razie się opłaca. Udowodniono, że dziś wykorzystujemy ponad 31 tys. gatunków: prawie 18 tys. do celów medycznych, 6 tys. do celów spożywczych, z 11 tys. wytwarzamy tekstylia i materiały budowlane, 1300 służy nam do celów społecznych – na przykład w obrzędach religijnych lub jako narkotyki, 1600 jako źródło energii, 4 tys. jako pasze zwierzęce, 8 tys. do celów związanych ze środowiskiem, 2500 jako trucizny itd. Jak łatwo można wyliczyć, korzystamy bezpośrednio z 10% wszystkich gatunków roślin. Wyszlibyśmy na tym jeszcze lepiej, gdybyśmy je nie tylko wykorzystywali, lecz także się od nich uczyli. Rośliny mogą bowiem być wzorem innowacyjności i właśnie to chcę pokazać w niniejszej książce. Od niepamiętnych czasów świat flory znajdował optymalne rozwiązania problemów, z którymi ludzie borykają się do dzisiaj, czy to w kwestii materiałów, autonomii energetycznej, odporności, czy zdolności przystosowawczych. Właściwie powinniśmy tylko wiedzieć, gdzie i jak ich szukać. W procesie, który rozpoczął się około miliarda lat temu i zakończył przed 400 mln lat, ewolucja roślin i zwierząt zachodziła w dwóch przeciwnych kierunkach. W poszukiwaniu pożywienia zwierzęta wybrały wędrówkę, natomiast rośliny pozostały w miejscu i nauczyły się wytwarzać konieczną energię za pomocą słońca, dostosowując się do osiadłego trybu ży-
Przedmowa
11
cia – w tym na przykład do faktu, że stanowią łatwą zdobycz. Wbrew pozorom nie jest to proste zadanie. Czy jesteśmy w stanie sobie wyobrazić, jak trudno żyje się we wrogim otoczeniu, kiedy nie można się ruszyć z miejsca? Jak byśmy się czuli, będąc obserwowanym przez owady, roślinożerców oraz innych wrogów i nie mogąc uciec? Mielibyśmy tylko jedną szansę na przeżycie: nasze ciało musiałoby być niezniszczalne i co za tym idzie, kompletnie inaczej zbudowane niż u zwierząt. Musielibyśmy być rośliną. Chcąc uniknąć problemów związanych z drapieżnikami, rośliny obrały wyjątkową pod względem ewolucyjnym i tak bardzo odległą od rozwoju zwierząt drogę, że dla nas, ludzi, stały się symbolem całkowitej odmienności. Ich organizm tak bardzo różni się od naszego, że równie dobrze mogłyby być kosmitami. Wiele rozwiązań zastosowanych w świecie roślin całkowicie odbiega od tych ze świata zwierząt: zwierzęta są mobilne, rośliny osiadłe; zwierzęta szybkie, rośliny powolne. Zwierzęta są konsumentami, rośliny producentami; zwierzęta wytwarzają dwutlenek węgla (CO2), rośliny go wiążą itd. Ale decydująca różnica pomiędzy roślinami a zwierzętami, z której mało kto zdaje sobie sprawę, tkwi gdzie indziej. Jest to różnica między dystrybucją zdecentralizowaną a koncentracją. Funkcje fizjologiczne zwierząt koncentrują się w konkretnych narządach, natomiast u roślin są rozproszone w całym organizmie. Nie sposób nie zauważyć daleko idących skutków, jakie wynikają z tego faktu. Rośliny sprawiają na nas wrażenie całkowicie innych również dlatego, że są zupełnie inaczej zbudowane niż my. Człowiek buduje narzędzie, aby go wyręczyło w wykonywaniu pracy, a także by mu ją ułatwiło i ulepszyło jej efekt. Dlatego nasze narzędzia naśladują budowę organizmu zwierzęcego. Weźmy na
12
REWOLUCYJNY GENIUSZ ROŚLIN
przykład komputer. Jego sposób budowy zasadza się na prastarej koncepcji: procesor – podobnie jak mózg – steruje sprzętem, twardymi dyskami, pamięcią roboczą, kartami graficznymi i dźwiękowymi. Przenieśliśmy więc nasze narządy na sztuczną inteligencję. Cokolwiek człowiek zbudował, w mniejszym lub większym stopniu opiera się na tym samym schemacie: centralny mózg steruje narządami, które wykonują jego polecenia. Nawet ludzkie społeczeństwa mają za podstawę ten sam archaiczny, hierarchiczny i centralnie sterowany model. A przecież prezentuje on tylko jedną zaletę: dostarcza szybkich odpowiedzi, które jednak niekoniecznie muszą być prawidłowe. Poza tym jest podatny na usterki i w żadnym razie nie poddaje się innowacjom. Rośliny natomiast nie posiadają organu przypominającego centralny mózg. A mimo to są w stanie wyczuć swoje otoczenie ze znacznie większą wrażliwością niż zwierzęta. Potrafią aktywnie walczyć o ograniczone zasoby w glebie i powietrzu, precyzyjnie oceniać sytuacje, przeprowadzać wyrafinowane rachunki zysków i strat i reagować stosownie do bodźców środowiska. Ich droga rozwojowa mogłaby więc stanowić dla nas alternatywną koncepcję rozwoju, którą powinniśmy całkiem serio wziąć pod uwagę. Tym bardziej, że obecnie coraz szybciej dostrzegamy zmiany i nieustannie musimy opracowywać bardzo nowatorskie rozwiązania. Centralistyczne struktury są słabe same w sobie. 22 kwietnia 1519 r. Hernán Cortés z zaledwie setką marynarzy, pięciuset żołnierzami i kilkoma końmi przybił do Meksyku, w pobliżu dzisiejszego Veracruz. Zaledwie dwa lata później, 13 sierpnia 1521 r., upadek stolicy Tenochtitlán przypieczętował koniec kultury Azteków. Ten sam los spotkał niedługo później Inków; w roku 1533 zostali pokonani przez Francisca Pizarra. W obu przypadkach maleńkie
Przedmowa
13
armie zdołały zniszczyć imperia, biorąc po prostu w niewolę ich królów – Montezumę i Atahualpę. Państwa centralistyczne okazały się podatne na atak i bezbronne. Jednak ledwie kilkaset kilometrów na północ od Tenochtitlánu mieszkali Apacze, bynajmniej nie tak postępowi jak Aztekowie, ale podobnie jak oni pozbawieni centralnej organizacji. Potrafili oni skutecznie, choć w długiej wojnie, stawić czoło Cortésowi. Model roślinny jest znacznie odporniejszy i nowocześniejszy niż zwierzęcy. Rośliny są żywym przykładem tego, że wytrzymałość może iść w parze z elastycznością. Ich modułowa budowa to kwintesencja innowacyjności: dzięki strukturze opartej na rozproszeniu i współpracy poszczególnych części organizmu, pozbawionej centrali dowodzenia, nawet w obliczu katastrofy zachowują sprawność działania i szybko przystosowują się do zmian zachodzących w środowisku. Najważniejsze funkcje roślin zbudowanych kompleksowo mogą się przy tym oprzeć na wysoko rozwiniętym systemie zmysłów, umożliwiającym wydajne rozpoznanie i szybką reakcję na zagrożenia. Rośliny dysponują wyrafinowaną, nieustannie rozwijającą się siecią stożków wzrostu korzenia, które aktywnie eksplorują glebę. Nieprzypadkowo internet, symbol naszego nowoczesnego świata, jest zbudowany jak system korzeniowy. Ponieważ rośliny dzięki jedynej w swoim rodzaju drodze ewolucji mogą się poszczycić nowocześniejszą strukturą niż zwierzęta, nikt nie może się z nimi równać pod względem wytrzymałości i innowacyjności. Dobrze byśmy zrobili, biorąc to pod uwagę, kiedy będziemy planować naszą własną przyszłość.
1 Pamięć bez mózgu
PAMIĘĆ: ZDOLNOŚĆ UMYSŁU DO PRZYSWAJANIA, PRZECHOWYWANIA I ODTWARZANIA DOZNANYCH WRAŻEŃ, PRZEŻYĆ, WIADOMOŚCI. Słownik języka polskiego PWN
M ĄDROŚĆ JEST ŻONĄ, FANTAZJA KOCHANKĄ, A PAMIĘĆ TO SŁUŻKA. Victor Hugo, Post-scriptum de ma vie
POSIADAMY GIGANTYCZNĄ PAMIĘĆ, O KTÓREJ JEDNAK NIC NIE WIEMY. Denis Diderot
(s. 13) Owoce klonu to tzw. dwuskrzydlaki (orzechy). Dzięki membranowym skrzydełkom wykorzystują siłę wiatru. (s.16–17) Zazwyczaj identyfikujemy rośliny, sugerując się ich częścią nadziemną. Tymczasem system korzeniowy stanowi co najmniej połowę ciała rośliny, w dodatku tę bardziej interesującą.
Zwierzęta i rośliny uczą się przez doświadczenie Inteligencja roślin interesowała mnie od zawsze, nie mogłem więc nie zajmować się też ich pamięcią. W pierwszej chwili może to zabrzmieć dziwnie: ich pamięcią, ale spróbujmy przyjrzeć się tej sprawie nieco bliżej. Łatwo można sobie wyobrazić, że inteligencja nie jest przypisana wyłącznie do jednego organu, jest po prostu przypisana do życia (z mózgiem czy bez). Z tego punktu widzenia rośliny są dowodem na to, że mózg jest tylko ewolucyjnym „wypadkiem” występującym u zwierząt, czyli w bardzo nielicznej grupie organizmów żywych. Znakomita większość – rośliny – zdołała rozwinąć inteligencję, nie posiadając mózgu. Mimo najszczerszych chęci nie jestem jednak w stanie wyobrazić sobie jakiejkolwiek formy inteligencji, choćby nie wiem jak wyjątkowej, która radziłaby sobie bez pamięci. Pamięć nie jest więc tożsama z inteligencją. Bez pamięci niczego się nie nauczymy, z kolei uczenie się jest funkcją inteligencji. Jeżeli żywy organizm wielokrotnie konfrontuje się z tym samym problemem, to nazwiemy go inteligentnym, jeśli z czasem nauczy się lepiej reagować na ów problem. Z pewnością wszyscy mamy niekiedy uczucie, że wciąż zachowujemy się tak samo,
22
REWOLUCYJNY GENIUSZ ROŚLIN
mimo że właściwie powinniśmy się już czegoś nauczyć. I chyba każdy ma przyjaciół czy krewnych, którzy w określonych sytuacjach zawsze reagują w taki sam sposób, nigdy choćby odrobinę mądrzej. Jest to jednak tylko nasze wrażenie. Pomijając wyjątki czy szczególne przypadki, które często są związane z drobnymi patologicznymi zakłóceniami, wszystkie żywe organizmy uczą się przez doświadczenie. Ta złota reguła obowiązuje również rośliny. Jeżeli problemy się powtarzają, to rośliny reagują coraz adekwatniej. Nie byłoby to możliwe, gdyby gdzieś nie zostały zapisane informacje na temat rozwiązania problemu, czyli gdyby nie miały pamięci. Nie sądźmy jednak, że tylko z tego powodu można już otwarcie mówić o roślinnej pamięci. Ponieważ rośliny nie mają mózgu, wymyślono rozmaite terminy, takie jak aklimatyzacja, hartowanie, priming, kondycjonowanie, na wyjaśnienie licznych aktywności, do których podejmowania zwierzęta używają tego właśnie organu. Naukowcy wykonali więc lingwistyczny taniec na linie tylko po to, aby w odniesieniu do roślin nie zastosować starego, wygodnego i prostego pojęcia „pamięć”. Ale podobnie jak zwierzęta również rośliny uczą się przez doświadczenie, w związku z tym muszą być wyposażone w mechanizmy zapamiętywania. Na przykład drzewo oliwne radzi sobie ze stresującymi sytuacjami, takimi jak sucha lub zasolona gleba, ponieważ odpowiednio modyfikuje swoją anatomię i przemianę materii. Jak na razie nie ma w tym nic dziwnego, prawda? Jeżeli jednak po pewnym czasie wystawimy tę samą roślinę na działanie tych samych niekorzystnych warunków, ba, nawet je zintensyfikujemy, to jej reakcja może nas zaskoczyć: roślina zniesie stres znacznie lepiej. Czyli: odrobiła lekcję! W jakiś sposób zapamiętała zastosowane rozwiązanie, natychmiast
Pamięć bez mózgu
23
je przywołała i tym razem zareagowała wydajniej i precyzyjniej. Aby zwiększyć swoje szanse na przeżycie, nauczyła się i zapisała w pamięci optymalną reakcję.
Rośliny z długą pamięcią Jak dotąd zbadano już w stopniu zadowalającym wiele zjawisk w świecie roślin, przebiegających analogicznie do tych w świecie zwierząt: inteligencję, komunikację, strategie obronne, zachowanie itp. W przypadku pamięci dopiero niedawno przeprowadzono test porównawczy. Jest to tym bardziej zdumiewające, że prekursorem w tej dziedzinie był jeden z najsłynniejszych przyrodników – Lamarck (1744–1829), a właściwie Jean-Baptiste Pierre Antoine de Monet, Chevalier de Lamarck, którego naukowa intuicja dopiero teraz znajduje godne potwierdzenie. Podobnie jak inni współcześni mu przyrodnicy ojciec biologii – i to dosłownie, ponieważ to on jest autorem tego terminu – interesował się przede wszystkim szybkimi ruchami roślin, na przykład mimozy wstydliwej, które reagują natychmiast i w sposób oczywisty na określone bodźce. Szczególnie długo zajmowała go kwestia tego, jak i dlaczego mimoza nagle zamyka swoje listki. Chciałbym z góry uprzedzić, że dokładnej odpowiedzi na to pytanie nie znamy do dzisiaj. Zakładam, że Czytelnicy kojarzą mimozę. Można ją dziś kupić w supermarkecie. Jeśli jednak znajdzie się ktoś, kto jej nie widział, to spieszę z wyjaśnieniem: jest to niewielka, urocza roślina, która wstydliwie zamyka liście pod wpływem bodźców zewnętrznych, jak na przykład dotyk, i dlatego otrzymała nazwę Mimosa pudica, mimoza wstydliwa. Pierwotnie pochodzi z tro-
24
REWOLUCYJNY GENIUSZ ROŚLIN
Mimoza wstydliwa w rozkwicie. Liczne różowe pręciki nadają kwiatom wygląd piórek.
pikalnych regionów Ameryki, ale z racji bezpośredniej, rzadko występującej u roślin reakcji szybko spotkała się z wielkim zainteresowaniem w Europie. Zajmowali się nią między innymi naukowcy pokroju Roberta Hooke’a (1635–1703), który po raz pierwszy zaobserwował pod mikroskopem i opisał komórkę, czy ojca biologii komórkowej Henriego Dutrocheta (1776–1847). Krótko mówiąc, przez pewien czas mimoza była prawdziwą gwiazdą. Także Lamarck uległ jej urokowi. Przeprowadził niezliczone eksperymenty, aby zgłębić jej tajemnicę, i badał jej zachowanie w, delikatnie mówiąc, dziwacznych sytuacjach. Zaskoczyło go przede wszystkim to, że roślina wielokrotnie wystawiana na ten sam bodziec po jakimś czasie zaczęła go ignorować. Lamarck całkiem słusznie przypuszczał, że się po prostu „zmęczyła”. Kiedy listki wielokrotnie zamykają się i otwierają, w pewnym mo-
Pamięć bez mózgu
25
mencie zaczyna im brakować sił. Przyjął, że mimoza wykazuje podobieństwo do zwierząt, których mięśnie też pracują tylko do momentu, kiedy starcza im energii. Ale dziwnym trafem nie zawsze tak było. Lamarck zauważył, że niektóre egzemplarze nie zamykały listków, mimo iż wcale nie wyczerpały jeszcze swojej energii. Zdumiony, zastanawiał się nad przyczyną tego zjawiska, aż pewnego dnia natknął się na oryginalny eksperyment, który zdawał się odpowiadać na jego pytanie. Przeprowadził go botanik René Desfontaines (1750–1833), który wysłał jednego ze studentów na przejażdżkę po Paryżu dorożką wypełnioną donicami z mimozami i kazał mu bacznie obserwować rośliny. Student miał uważać zwłaszcza na to, kiedy listki się zamykają. Nie znamy jego nazwiska, ale najwyraźniej był on przyzwyczajony do dziwactw swojego profesora i nie zadawał wielu pytań. Rozstawił donice na siedzeniach i rozkazał woźnicy równym kłusem i w miarę możliwości bez przystanków objechać wszystkie zabytki miasta. Student nie miał raczej okazji do korzystania z uroków przejażdżki, ponieważ listki zamknęły się już przy pierwszym wstrząsie dorożki na paryskim bruku. Skrupulatnie zapisał obserwacje w notatniku, sam eksperyment mógł jednak wydawać mu się niezbyt interesujący. Był pewien, że Desfontaines’a to nie zadowoli. Cóż bowiem mogło się jeszcze wydarzyć? Zgodnie z oczekiwaniem listki od razu się zamknęły. Co dalej? Czego profesor się spodziewał po tym eksperymencie? Cokolwiek to było, nie był to dzień na dokonywanie przełomowych odkryć. A jednak, gdy przejażdżka trwała w najlepsze, zdarzyło się coś nieoczekiwanego. Mimo że dorożką trzęsło nieprzerwanie i z tą samą siłą, to najpierw jedna, potem dwie, następnie pięć, a na koniec wszystkie rośliny
26
REWOLUCYJNY GENIUSZ ROŚLIN
otworzyły listki. Co się wydarzyło? Nieznanego studenta olśniła genialna myśl, którą zapisał w notatniku: roślinki przyzwyczaiły się do wstrząsów. Eksperyment z paryskich ulic był godny odnotowania w Towarzystwie Botanicznym. Lamarck i Augustin-Pyramus de Candolle (1778–1841) sporządzili też krótkie sprawozdanie w swoim dziele Flore française. Ale podobnie jak wiele innych genialnych odkryć również i te wyniki eksperymentu wkrótce popadły w zapomnienie. Niemniej jednak tekst Desfontaines’a był dość jednoznaczny i jasno implikował zachowanie przystosowawcze wynikające z zapamiętania informacji. Jak inaczej mimozy mogłyby się przyzwyczaić do wstrząsów dorożki, gdyby nie posiadały zdolności zapamiętywania? Ale przez długi czas brakowało naukowego dowodu na poparcie tego interesującego założenia. Aż w końcu w maju 2013 r. do LINV (Laboratorio Internazionale di Neurobiologia Vegetale), kierowanego przeze mnie Międzynarodowego Laboratorium Neurobiologii Roślin na Uniwersytecie Florenckim, przyjechała na sześć miesięcy biolożka morska Monica Gagliano z Uniwersytetu Australii Zachodniej w Perth. Jej wszechstronne zainteresowania sięgały od filozofii po historię ewolucji roślin. W trakcie pobytu badawczego we Florencji pragnęła przede wszystkim pogłębić swoją wiedzę botaniczną, a szczególną uwagę poświęciła przy tym zachowaniu roślin. Oczywiście dużo rozmawialiśmy na temat naszych dziedzin nauki i w pewnym momencie zaczęliśmy snuć projekty na temat wspólnych eksperymentów, które z jednej strony dałyby się usprawiedliwić przed jej uniwersytetem, a z drugiej przyniosłyby odpowiedzi na najbardziej naglące kwestie z naszych dyskusji. Jedna wydawała mi
Pamięć bez mózgu
27
Mimoza wstydliwa pochodzi z Ameryki Łacińskiej i Karaibów, ale rozpowszechniła się w wielu krajach strefy tropikalnej.
się szczególnie istotna: czy rośliny rzeczywiście mają pamięć? Mimo że od dawna przypisywano im znakomitą zdolność do zapamiętywania, nie istniał na to żaden naukowy dowód. Chciałem wreszcie to wykazać na podstawie eksperymentów. Kiedy więc zgodziliśmy się co do tematu, pozostała nam jeszcze najtrudniejsza część zadania: jak dowieść, że rośliny coraz lepiej reagują na powtarzające się bodźce, ponieważ dysponują specjalną formą pamięci? Kilka miesięcy wcześniej podczas wizyty w japońskiej siedzibie LINV w Kitakyūshū jej dyrektor, a zarazem mój drogi przyjaciel i kolega po fachu Tomonori Kawano pokazał mi z dumą
28
REWOLUCYJNY GENIUSZ ROŚLIN
kilka książek, które paryska Sorbona wraz z tysiącami innych zamierzała przerobić na makulaturę. Na drodze przeciągających się negocjacji udało mu się je uratować i przetransportować do Japonii. Wśród licznych skarbów znalazło się również oryginalne wydanie Flore française Lamarcka i Candolle’a – a w nim relacja o Desfontainie i o tym, jak kazał wozić mimozy dorożką. Doskonale bawiliśmy się podczas czytania – Tomonori określił studenta Desfontaines’a mianem wzorowego japońskiego prymusa – i wówczas przypomniałem sobie tę historię. Opowiedziałem o niej Monice i zaczęliśmy się zastanawiać, czy nie powinniśmy przypadkiem powtórzyć tego klasyka za pomocą nowoczesnych metod naukowych. I rzeczywiście, zaledwie kilka dni później rozsyłaliśmy już aktualny raport na temat eksperymentu Lamarcka i Desfontaines’a, jak spontanicznie nazwaliśmy nasze badania. W 2013 r. nie można już było ot tak, zwyczajnie, wsiąść z roślinami do dorożki, ale chętnie podchwyciliśmy tezę Lamarcka o powtarzalności bodźców. Chcieliśmy udowodnić, że: po pierwsze, po odpowiedniej liczbie powtórzeń mimozy klasyfikują bodziec jako bezpieczny i przestają zamykać listki pod jego wpływem, i po drugie, po odpowiednim przygotowaniu potrafią rozróżnić bodźce znane i nieznane oraz stosownie zareagować. Inaczej mówiąc, chcieliśmy ustalić, czy rośliny przypominają sobie bodźce znane i bezpieczne, odróżniając je od nowych, potencjalnie niebezpiecznych. Szybko znaleźliśmy proste, ale skuteczne rozwiązanie na potrzeby naszego eksperymentu Lamarcka i Desfontaines’a. W specjalnym urządzeniu badawczym donice z mimozami były upuszczane kilkakrotnie z wysokości 10 cm. Precyzyjnie wyliczony upadek był więc bodźcem. Wynik naszego ekspe-
Pamięć bez mózgu
rymentu nie pozostawiał wątpliwości; obserwacje Desfontaines’a zgadzały się co do joty: po siedmiu czy ośmiu powtórzeniach rośliny nie zamykały listków i niezależnie od siebie ignorowały każde kolejne powtórzenie. Teraz musieliśmy jeszcze się dowiedzieć, czy chodzi tylko o zwykłe objawy zmęczenia, czy też mimozy rzeczywiście rozpoznały, iż bodziec nie jest niebezpieczny. Musieliśmy więc poddać je działaniu innego bodźca. W tym celu wstawiliśmy donice do urządzenia, które potrząsało nimi w poziomie. Na skutek tego nowego, również precyzyjnie wyliczonego bodźca listki natychmiast się zamknęły. Fantastyczny wynik. Eksperymentem Lamarcka i Desfontaines’a dowiedliśmy, że rośliny uczyły się klasyfikowania bodźca jako niegroźnego i potrafiły odróżnić go od innych, potencjalnie niebezpiecznych bodźców. Aby to było możliwe, musiały przypominać sobie doznane przeżycia.
29
Mimoza może się nauczyć, że bodziec, na przykład upadek donicy z wysokości kilku centymetrów, jest bezpieczny, i wtedy nie zamyka liści.
30
REWOLUCYJNY GENIUSZ ROŚLIN
Ale jak długo o tym pamiętały? Chcąc odpowiedzieć na to pytanie, pozostawiliśmy na jakiś czas w spokoju setki mimoz, które nauczyły się rozróżniać obydwa bodźce, a następnie sprawdzaliśmy w coraz dłuższych odstępach czasu, czy jeszcze je pamiętają. Wynik przeszedł nasze najśmielsze oczekiwania: pamiętały po ponad czterdziestu dniach, a więc znacznie dłużej niż wiele owadów i mniej więcej tak samo długo jak niektóre ssaki wyższe. Do dziś jednakże pozostaje zagadką, jak żywe organizmy niemające mózgu mogą zapamiętywać. Liczne prace badawcze, zwłaszcza na temat zapamiętywania sytuacji stresowych, wskazują, że nieco światła na sprawę mogłaby rzucić epigenetyka. Ta gałąź nauki zajmuje się dziedzicznymi modyfikacjami chromosomów, które nie polegają na zmianach frekwencji genów. Innymi słowy: zmiany dotyczą ekspresji genu, a nie sekwencji genetycznej. Należą do nich na przykład modyfikacje histonów, czyli białek wiążących DNA, albo metylacji DNA, podczas której grupa metylowa –CH3 łączy się z zasadami azotowych nukleotydów. Już jakiś czas temu stwierdzono z niemałym zdumieniem, iż sekwencje niekodującego DNA, które długo określano mianem „śmieciowego DNA”, najwyraźniej spełniają ważne zadania. Jak dziś wiadomo, są one odpowiedzialne za produkcję cząsteczek RNA odgrywających kluczową rolę w rozwoju embrionu, funkcjonowaniu mózgu i innych istotnych procesach. Jak to często w biologii bywa, postęp w badaniach zawdzięczamy także roślinom – a w ostatnim czasie staraniom dotyczącym rozszyfrowania roślinnej pamięci. Przytoczę konkretny przykład: skąd rośliny wiedzą, kiedy mają zakwitnąć? Fakt, że od tysięcy lat rozmnażają się z powodzeniem
Pamięć bez mózgu
31
chromosom mitotyczny
nukleosom
modyfikacja histonów
mikro-RNA metylowane DNA
Metylacja DNA jest najczęstszą modyfikacją epigenetyczną.
i umieją się rozprzestrzeniać, wynika głównie z tego, że ich kwiaty otwierają się dokładnie w odpowiednim momencie. Wiele roślin odczekuje określoną liczbę dni po zakończeniu zimowych chłodów, nim zakwitnie. Muszą więc szacować upływ czasu. Obecnie nikt już nie wątpi, że mamy tu do czynienia z pamięcią epigenetyczną, do niedawna jednak wciąż pozostawało zagadką, jak ona tak naprawdę funkcjonuje. Dopiero w 2016 r. we wrześniowym wydaniu czasopisma „Cell Reports” ukazała się publikacja wyników badań zespołu, który pod kierownictwem Karissy Sanbomatsu w Los Alamos National Laboratory badał określoną sekwencję RNA. Według badaczy sekwencja
32
REWOLUCYJNY GENIUSZ ROŚLIN
nazwana COOLAIR (cold induced long antisense intragenic RNAs) ocenia, ile czasu minęło od zimowego chłodu, i steruje wiosennym kwitnieniem. Jeśli ten fragment RNA jest nieaktywny bądź zostanie usunięty, rośliny przestają kwitnąć. Nam jednak nie chodzi tu o kompleksową dynamikę sekwencji COOLAIR, w gruncie rzeczy będącej represorem represora kwitnienia. Interesuje nas przede wszystkim fakt, że takie mechanizmy występują u roślin znacznie częściej, niż przypuszczano, i że właśnie na tym może polegać pamięć roślin. Najwyraźniej epigenetyczne modyfikacje odgrywają w świecie roślin znacznie większą rolę niż u zwierząt. Dlatego jest jak najbardziej możliwe, że zmiany ekspresji genów w wyniku stresu są zapamiętywane przez komórki roślin właśnie za pomocą modyfikacji epigenetycznych. Zespół badawczy pod kierownictwem Susan Lindquist z MIT (Massachusetts Institute of Technology, USA) postawił niedawno tezę, że rośliny przynajmniej w swojej pamięci kwitnienia wykorzystują priony – białka, w których łańcuchy aminokwasów są zwinięte w niewłaściwy sposób (ang. misfolding). Wskutek reakcji łańcuchowej defekt ten może się przenieść na wszystkie sąsiednie białka. U zwierząt priony nie znaczą nic dobrego i wywołują na przykład chorobę Creutzfeldta-Jakoba, czyli tzw. chorobę szalonych krów. U roślin natomiast wspierają być może oryginalną pamięć biochemiczną. W przeciwieństwie do tego, co można by sądzić, takie badania budzą ogromne zainteresowanie nie tylko botaników. Gdyby udało się nam pojąć, jak funkcjonuje pamięć bez mózgu, moglibyśmy nie tylko rozwiązać zagadkę pamięci roślinnej, lecz także lepiej zrozumieć ludzką: jakie mechanizmy rządzą zmianami pamięci i jej chorobami? Jak specjalne formy pamięci mogły-
Pamięć bez mózgu
33
by się na przykład lokować również poza układem nerwowym? Nowe odkrycia na temat biologicznego funkcjonowania pamięci znalazłyby z pewnością niejedno zastosowanie technologiczne. Innymi słowy: postęp w tej dziedzinie leży w ogólnym interesie ludzkości, ponieważ może otworzyć przed nami niewyobrażalne możliwości.
Polub nas na Facebooku
KUP TERAZ