Познание растений или гнозофизиология растений [1] - это изучение обучения и памяти растений, исследующее идею о том, что не только животные способны обнаруживать, реагировать на внутренние и внешние стимулы и учиться на них, чтобы выбирать и принимать решения, которые являются наиболее подходящими для обеспечения выживания. За последние годы экспериментальные данные о когнитивной природе растений быстро расширились и показали, в какой степени растения могут использовать чувства и познание, чтобы реагировать на окружающую среду. [2] Некоторые исследователи утверждают, что растения обрабатывают информацию так же, как нервная система животных . [3] [4] Последствия оспариваются; обладают ли растения сознанием или являются просто одушевленными объектами.
Идея познания растений была впервые исследована Чарльзом Дарвином в конце 1800-х годов в книге « Сила движения растений» , написанной в соавторстве с его сыном Фрэнсисом. Используя неврологическую метафору, он описал чувствительность корней растений, предположив, что кончики корней действуют как мозг некоторых низших животных. Это предполагает реакцию на ощущения, чтобы определить свое следующее движение [5], хотя у растений нет ни мозга, ни нервов.
Независимо от того, правильна ли эта неврологическая метафора или, в более общем плане, уместно современное применение нейробиологической терминологии и концепций к растениям, дарвиновская идея о кончике корня растений функционирует как «мозгоподобный» орган (вместе с так называемыми «мозгоподобными» органами). называемая « гипотезой корня и мозга »), пережила постоянное возрождение в физиологии растений . [6]
В то время как « нейробиология » растений фокусируется на физиологическом изучении растений, современное познание растений в первую очередь применяет поведенческий /экологический подход. Сегодня познание растений развивается как область исследований, направленная на экспериментальную проверку когнитивных способностей растений, включая восприятие , процессы обучения , память и сознание . [7] Эта концепция имеет значительные последствия для того, как мы воспринимаем растения, поскольку она переопределяет традиционно проводимую границу между животными и растениями. [8]
Изучение когнитивных способностей растений основано на идее о том, что растения способны учиться и адаптироваться к окружающей среде, используя только систему стимулов , интеграции и реагирования. Хотя доказано, что растения действительно лишены мозга и функции сознательно работающей нервной системы, растения все же каким-то образом способны адаптироваться к окружающей среде и изменить путь интеграции, что в конечном итоге приведет к тому, как растение «решит» реагировать на представленный стимул. [9] Это поднимает вопросы интеллекта растений, который определяется как способность активно адаптироваться к любому стимулу, предъявляемому виду из окружающей среды. [10] [ не удалось проверить ] Таким образом, растения хорошо чувствуют стимулы окружающей среды, например, молодые подсолнечники, которые растут лицом к солнцу.
В исследовании, проведенном Моникой Гальяно из Центра эволюционной биологии Университета Западной Австралии, Mimosa pudica (чувствительное растение) проверялась на привыкание к неоднократному падению. После нескольких падений было обнаружено, что растения в конечном итоге привыкли, открывая листья быстрее по сравнению с первым разом, когда их роняли. [11] Хотя механизм такого поведения растений до сих пор не до конца понятен, он тесно связан с изменениями потока внутри кальциевых каналов . [12]
Другой пример кратковременной «памяти» растения можно найти в венериной мухоловке , быстрое закрытие которой срабатывает только тогда, когда по крайней мере два волоска-ловушки соприкасаются с разницей в двадцать секунд. Одна из гипотез, объясняющих, как это происходит, связана с передачей электрических сигналов в растениях. При срабатывании одного волоска-ловушки (механорецептора) достигается подпороговый потенциал. Когда срабатывают два волоска-ловушки, достигается порог, генерирующий потенциал действия, который закрывает ловушку. [ нужна цитата ]
В 2016 году исследовательская группа под руководством Моники Гальяно решила проверить, учатся ли растения реагировать на предсказанные события в окружающей среде. Исследование показало, что растения способны обучаться взаимосвязи между возникновением одного события и ожиданием другого события (т. е. обучение по Павлову ). [13] Экспериментально продемонстрировав ассоциативное обучение у растений, мы обнаружили, что растения являются подходящим объектом когнитивных исследований. [13] В этом исследовании была выдвинута гипотеза, что растения обладают способностью связывать один тип стимула с другим. Чтобы проверить эту гипотезу, растения гороха подвергали воздействию двух разных стимулов. На этапе обучения одна группа растений гороха подвергалась воздействию ветра и света, а другая группа растений подвергалась воздействию ветра без света в качестве контроля. На экспериментальном этапе растения подвергались только ветровому воздействию. Растения гороха, которые когда-либо подвергались воздействию ветра только без света, росли вдали от ветра как на тренировочной, так и на экспериментальной фазе. Напротив, растения гороха, подвергшиеся воздействию как ветра, так и света на этапе обучения, демонстрировали рост в направлении ветрового стимула без присутствия света, демонстрируя очевидную выученную связь между ветром и светом. Механизм этой реакции не совсем понятен, хотя предполагается, что сенсорные сигналы от механорецепторов и фоторецепторов каким-то образом интегрированы в растения. Это объясняет, почему несветовой стимул вызывает у тренированного растения гороха реакцию роста, которая обычно запускается только активацией фоторецепторов. [14]
Репликационное исследование с большим размером выборки, опубликованное в 2020 году, не обнаружило никаких доказательств ассоциативного обучения у растений гороха. [15] Однако также не удалось повторить открытие о том, что свет эффективно действует как безусловный раздражитель. Растения гороха в этом исследовании продемонстрировали лишь небольшую тенденцию, а не надежную направленную реакцию роста на ранее представленный свет. Воспроизведенная экспериментальная установка отличалась от оригинала наличием более высоких уровней окружающего и отраженного света, что могло несколько рандомизировать направленный рост и препятствовать репликации. [16]
В 2003 году Энтони Тревавас провел исследование, чтобы увидеть, как корни взаимодействуют друг с другом, и изучить методы передачи сигналов. Ему удалось выявить сходство между сигналами водного стресса у растений, влияющими на изменения в развитии, и передачей сигналов в нейронных сетях , вызывающих реакции в мышцах. [17] В частности, когда растения испытывают водный стресс, абсцизовая кислота оказывает зависимое и независимое воздействие на развитие. [18] Это выявляет дальнейшие возможности принятия решений на основе экологических стрессов. Интеграция множества химических взаимодействий свидетельствует о сложности этих корневых систем. [19]
В 2012 году Пако Кальво Гарсон и Фред Кейзер предположили, что растения обладают структурами, эквивалентными (1) потенциалам действия, (2) нейротрансмиттерам и (3) синапсам . Кроме того, они заявили, что большая часть деятельности растений происходит под землей и что понятие «корневого мозга» впервые было выдвинуто Чарльзом Дарвином в 1880 году. Они считали, что свободное передвижение не обязательно является критерием познания. Авторы выделили пять условий минимального познания у живых существ и пришли к выводу, что «растения обладают когнитивными способностями в минимальном, телесном смысле, который также применим ко многим животным и даже бактериям». [3] В 2017 году биологи из Бирмингемского университета объявили, что обнаружили «центр принятия решений» в кончике корня спящих семян арабидопсиса . [20]
В 2014 году Энтони Тревавас выпустил книгу под названием « Поведение и интеллект растений» , в которой подчеркиваются когнитивные способности растений посредством их навыков колониальной организации, отражающих поведение роя насекомых. [21] Этот организационный навык отражает способность растения взаимодействовать с окружающей средой для повышения своей выживаемости, а также способность растения выявлять внешние факторы. Доказательства минимального понимания растениями пространственного восприятия можно увидеть в расположении их корней относительно соседних растений. [22] Было обнаружено, что организация этих корней берет начало в кончиках корней растений. [23]
С другой стороны, доктор Крисп и его коллеги в своем обзоре предложили другой взгляд на память растений: память растений может быть полезна в условиях повторяющегося и предсказуемого стресса; однако сброс или забвение о коротком периоде стресса может быть более полезным для растений, поскольку они растут, как только вернутся желаемые условия. [24]
Аффифи (2018) предложил эмпирический подход к изучению того, как модель растений координирует целевое поведение с непредвиденными обстоятельствами окружающей среды, как способ понимания обучения растений. [25] По мнению этого автора, ассоциативное обучение продемонстрирует интеллект только в том случае, если оно рассматривается как часть телеологически интегрированной деятельности. В противном случае его можно свести к механистическому объяснению.
Раджа и др. (2020) обнаружили, что растения французской фасоли в горшках, посаженные на расстоянии 30 сантиметров от садового тростника, изменят структуру своего роста, чтобы в будущем они могли использовать тростник в качестве опоры. Позже Раджа заявил, что «если движение растений контролируется объектами, находящимися поблизости, и на них влияют, то мы говорим о более сложных поведенческих (а не простых) реакциях». Раджа предложил исследователям искать соответствующие когнитивные сигнатуры. [26] [27]
В 2017 году Йокава К. и др. обнаружили, что под воздействием анестетиков ряд растений потеряли как автономные движения, так и движения, вызванные прикосновением. Венерины мухоловки больше не генерируют электрические сигналы, их ловушки остаются открытыми при прикосновении к триггерным волоскам, а растущие усики гороха прекращают свои автономные движения и обездвиживаются в свернувшейся форме. [28]
Идея познания растений является источником противоречий.
Амадео Альпи и еще 35 ученых опубликовали в 2007 году статью под названием «Нейробиология растений: нет мозга, нет выгоды?» в «Тенденциях в науке о растениях» . [29] В этой статье они утверждают, что, поскольку нет доказательств присутствия нейронов в растениях, идея нейробиологии и познания растений необоснованна и нуждается в переопределении. В ответ на эту статью Франсиско Кальво Гарсон опубликовал статью в журнале Plant Signaling and Behavior . [9] Он утверждает, что хотя у растений нет «нейронов», как у животных, у них есть система обработки информации, состоящая из клеток. Он утверждает, что эту систему можно использовать как основу для обсуждения когнитивных способностей растений.