Na pierwszy rzut oka roślina Lavatera cretica z Malvaceae to po prostu niepozorny chwast. Ten ślaz ma różowawe kwiaty i szerokie, płaskie liście, które podążają za słońcem w ciągu dnia. Jednak to, co kwiat robi w nocy, zwróciło uwagę społeczności naukowej na skromną roślinę. Na kilka godzin przed świtem roślina zaczyna obracać liście w zakładanym kierunku wschodu słońca. Malva zdaje się pamiętać, gdzie i kiedy wschodziło słońce w poprzednich dniach i tam na niego czeka.
Kiedy naukowcy w laboratorium próbują zmylić ślaz, zmieniając położenie źródła światła, po prostu uczy się nowego kierunku. Ale co ogólnie oznacza to stwierdzenie - że roślina jest w stanie zapamiętać i się uczyć?
Pomysł, że rośliny mogą działać inteligentnie, nie mówiąc już o uczeniu się i tworzeniu wspomnień, był do niedawna marginalnym punktem widzenia. Wspomnienia są zasadniczo uważane za zjawisko poznawcze do tego stopnia, że niektórzy naukowcy uważają ich obecność za niezbędną i wystarczającą wskazówkę, że ciało posiada podstawowe typy myślenia. Tworzenie wspomnień wymaga mózgu, a rośliny nie mają nawet podstawowego układu nerwowego, jaki mają owady i robaki.
Jednak w ciągu ostatnich dziesięciu lat pogląd ten został zakwestionowany. Mallow nie jest wyjątkiem. Rośliny to nie tylko pasywne organiczne automaty. Teraz wiemy, że potrafią wyczuwać i integrować informacje o dziesiątkach zmiennych naturalnych i stosować tę wiedzę do elastycznego, adaptacyjnego zachowania.
Na przykład rośliny mogą rozpoznać, czy sąsiednie rośliny są spokrewnione, czy nie, i odpowiednio dostosować swoje strategie żywieniowe.
Impatiens pallida jest jednym z kilku gatunków, o których wiadomo, że większość swoich zasobów przeznacza na rosnące liście, a nie na korzenie w obecności osób z zewnątrz - taktyka najwyraźniej mająca na celu konkurowanie o światło słoneczne. W otoczeniu pokrewnych roślin, touch-me-not zmienia priorytety. Ponadto rośliny są zdolne do budowania złożonej, ukierunkowanej obrony w odpowiedzi na identyfikację określonych drapieżników. Mała kwitnąca guma Tal (Arabidopsis thaliana) może śledzić wibracje swoich jedzących gąsienic i uwalniać specjalne oleje i chemikalia odstraszające owady.
Rośliny komunikują się także między sobą oraz z innymi organizmami, takimi jak pasożyty i drobnoustroje, za pomocą wielu kanałów - obejmuje to na przykład grzybowe „sieci mikoryzowe”, które łączą systemy korzeniowe różnych roślin, niczym rodzaj podziemnego Internetu.
Być może nie jest to wcale takie zaskakujące, że rośliny potrafią się uczyć i wykorzystywać pamięć do przewidywania i podejmowania decyzji.
Film promocyjny:
Co obejmuje pojęcia „uczenia się” i „pamięci”, jeśli mówimy o roślinach? Najbardziej oczywistym przykładem w dyskusji jest proces wernalizacji, podczas którego niektóre rośliny muszą być narażone na działanie niskich temperatur, aby wiosną zakwitły. Pamięć zimowa pomaga roślinom odróżnić wiosnę, kiedy zapylacze, takie jak pszczoły, są zajęte, i jesień, kiedy są wolne, a decyzja o zakwitnięciu w niewłaściwym czasie może być katastrofalna dla reprodukcji.
W ulubionej przez biologów roślinie eksperymentalnej, Tal's reticulatus, gen zwany Locus C (FLC) wytwarza substancję chemiczną, która zapobiega otwieraniu się jej małych białych kwiatów. Jednak gdy roślina przeżywa długą zimę, produkty uboczne innych genów mierzą, jak długo jest wystawiona na działanie niskich temperatur i tłumią FLC w dużej liczbie komórek podczas zimna. Kiedy nadchodzi wiosna i dni się wydłużają, roślina, która ma niski poziom FLC z powodu zimna, może zacząć kwitnąć. Jednak mechanizm zapobiegający FLC wymaga długotrwałego wystawienia na działanie niskich temperatur, aby działać skutecznie, a nie krótkich okresów wahań temperatury.
W grę wchodzi tak zwana pamięć epigenetyczna. Nawet po powrocie roślin zwernalizowanych do ciepłych warunków, zawartość FLC pozostaje na niskim poziomie ze względu na przebudowę śladów chromatyny. Są to białka i małe rodniki, które przyczepiają się do DNA wewnątrz komórek i wpływają na aktywność genów. Przebudowę chromatyny można nawet przekazać kolejnym pokoleniom oddzielonych komórek, tak aby te ostatnie „pamiętały” minione zimy. Jeśli sezon zimowy był wystarczająco długi, rośliny z niektórymi komórkami, które nie były wystawione na zimno, mogą nadal kwitnąć wiosną, ponieważ modyfikacja chromatyny nadal hamuje ekspresję FLC.
Ale czy to naprawdę wspomnienie? Botanicy badający pamięć epigenetyczną jako pierwsi zgodzą się, że różni się ona zasadniczo od tego, co badają kognitywni.
Czy ten termin jest tylko alegoryczną konwencją, która łączy znane słowo „pamięć” z nieznaną dziedziną epigenetyki? A może podobieństwa między zmianami komórkowymi a wspomnieniami na poziomie organizmu ujawniają nam nieznane głębiny tego, czym naprawdę jest pamięć?
Pamięci epigenetyczne i „mózgowe” mają jedną wspólną cechę - ciągłe zmiany w zachowaniu lub stanie systemu spowodowane przez naturalny patogen z przeszłości. Jednak ten opis wydaje się zbyt ogólny, ponieważ obejmuje również takie procesy, jak uszkodzenie tkanki i zmiany metaboliczne. Być może interesującym pytaniem nie jest to, czy wspomnienia są potrzebne do aktywności poznawczej, ale raczej jakie typy pamięci wskazują na istnienie leżącego u podstaw procesu poznawczego i czy procesy te istnieją w roślinach. Innymi słowy, zamiast patrzeć na samą „pamięć”, warto zbadać bardziej fundamentalne pytanie, w jaki sposób wspomnienia są nabywane, formowane lub uczone.
„Rośliny pamiętają” - powiedziała ekolog behawioralna Monica Galliano w niedawnym wywiadzie radiowym. „Wiedzą dokładnie, co się dzieje”. Na Uniwersytecie Australii Zachodniej Galliano bada rośliny przy użyciu technik behawioralnego uczenia się opracowanych dla zwierząt. Twierdzi, że jeśli rośliny mogą wykazywać wyniki, które sugerują, że inne żywe organizmy mogą uczyć się i przechowywać wspomnienia, musimy również wziąć pod uwagę prawdopodobieństwo, że rośliny również mają te zdolności poznawcze. Jedną z form uczenia się, które szczegółowo badali, jest adaptacja, podczas której żywe organizmy narażone na nieoczekiwane, ale nieszkodliwe patogeny (hałas, błysk lub światło) będą później wykazywać proaktywną reakcję, która z czasem zaniknie.
Wyobraź sobie, że wchodzisz do pokoju z buczącą lodówką: na początku jest to denerwujące, ale z reguły przyzwyczajasz się do tego i najprawdopodobniej po chwili przestaniesz nawet zauważać ten hałas. Pełna adaptacja zakłada specyficzny bodziec, więc wraz z wprowadzeniem doskonałego i potencjalnie niebezpiecznego bodźca, zwierzę wyzwala nową reakcję obronną.
Nawet w hałaśliwym pomieszczeniu bardziej prawdopodobne jest, że wzdrygniesz się, słysząc głośny dźwięk uderzenia. Nazywa się to ulgą w habituacji i odróżnia prawdziwe uczenie się od innych rodzajów zmian, takich jak zmęczenie.
W 2014 roku Galliano i jego koledzy przetestowali zdolności uczenia się mimozy nieśmiałego, małego, pełzającego rocznika. Jego liście zwijają się w odpowiedzi na zagrożenie. Galliano i jego koledzy zrzucili mimozę z wysokości (co w zasadzie nie mogło się zdarzyć w przypadku rośliny w jej historii ewolucyjnej), a roślina dowiedziała się, że jest bezpieczna i nie wykazuje reakcji zwijania. Jednak reakcję zaobserwowano, gdy roślina została nagle wstrząśnięta. Co więcej, naukowcy odkryli, że adaptacja nieśmiałej mimozy była również określona kontekstowo. Rośliny uczyły się szybciej w słabo oświetlonych miejscach, gdzie zamykanie liści było bardziej kosztowne ze względu na niedobór oświetlenia i potrzebę oszczędzania energii przez obserwatora. (Zespół Galliano nie był pierwszym, który zastosował podejście behawioralnego uczenia się do roślin, takich jak nieśmiała mimoza,Jednak poprzednie badania nie zawsze były ściśle kontrolowane i dlatego dawały sprzeczne wyniki.
Ale co z bardziej złożonymi możliwościami uczenia się?
Większość zwierząt jest również zdolna do uczenia się warunkowego i asocjacyjnego, podczas którego dowiadują się, że dwa bodźce są ze sobą powiązane. To właśnie pozwala nauczyć psa zbliżania się do dźwięku gwizdka - pies zaczyna kojarzyć to zachowanie z poczęstunkiem lub uczuciem.
W innym badaniu Galliano i jego koledzy sprawdzili, czy groszek może łączyć ruch powietrza z dostępnością światła. Nasiona umieścili w labiryncie Y, którego jedna z gałęzi została wprawiona w ruch drogą powietrzną - była też najjaśniejsza. Następnie pozostawiono rośliny do wzrostu w labiryncie, a naukowcy oczekiwali, że sprawdzą, czy opanują to skojarzenie. Wyniki były pozytywne: wykazały, że rośliny opanowały reakcję warunkową w sposób określony sytuacyjnie.
Jest coraz więcej dowodów na to, że rośliny mają pewne wrodzone zdolności zwierząt do uczenia się. Dlaczego uświadomienie sobie tego zajęło tak dużo czasu? Możesz zrobić mały eksperyment. Spójrz na to zdjęcie. Co jest tutaj przedstawione?
Większość może albo nazwać ogólną klasę zwierząt na obrazku („dinozaury”) i opisać, co robią („walka”, „skoczyć”), albo - jeśli napotka miłośnika dinozaurów - wyznaczy konkretne zwierzę („driptozaur”). Rzadko będzie się wspominać o porostach, trawie, krzewach i drzewach - w większości będą one postrzegane jako tło głównego wydarzenia, „pole bitwy” zwierząt.
W 1999 roku biologowie James Wandersee i Elizabeth Schuessler nazwali to zjawisko ślepotą roślin - tendencją do ignorowania potencjału, zachowania i wyjątkowo aktywnej roli roślin w przyrodzie. Traktujemy je jako element tła, a nie aktywni agenci ekosystemu.
Pod wieloma względami ta ślepota jest spowodowana historią, mówimy o filozoficznych pozostałościach dawno zniesionych paradygmatów, które nadal wpływają na nasze rozumienie świata przyrody. Wielu naukowców wciąż pozostaje pod wpływem słynnej arystotelesowskiej koncepcji scala naturae, „drabiny istot”, w której rośliny znajdują się na dole hierarchii zdolności i wartości, a ludzie na szczycie. Arystoteles podkreślił fundamentalny pojęciowy podział między nieruchomym, niewrażliwym życiem roślinnym a aktywnym i wrażliwym królestwem zwierząt. Jego zdaniem różnica między królestwem zwierząt a ludzkością jest równie znacząca; nie wierzył, że zwierzęta mają jakiekolwiek pełnoprawne myślenie. Po rozpowszechnieniu się tych idei w Europie Zachodniej na początku XIII wieku iw okresie renesansu pozycja Arystotelesa pozostawała w ciągłej popularności.
Dziś to systematyczne uprzedzenie wobec zwierząt nie będących zwierzętami można nazwać zoofilią. Jest wszechobecna w systemie edukacji, podręcznikach do biologii, trendach w publikacjach naukowych i mediach. Ponadto dzieci dorastające w miastach rzadko wchodzą w interakcje z roślinami, rzadko się nimi opiekują i na ogół nie rozumieją ich dobrze.
Sposób funkcjonowania naszych ciał - nasze systemy percepcji, uwagi i poznania - przyczyniają się do ślepoty ziołowej i związanych z nią uprzedzeń. Rośliny nie skaczą na nas, nie stanowią zagrożenia, a ich zachowanie nie wpływa na nas.
Badania empiryczne wskazują, że nie są zauważane tak często jak zwierzęta, nie przyciągają uwagi tak szybko jak zwierzęta i łatwiej o nich zapominamy niż o zwierzętach. Postrzegamy rośliny jako przedmioty lub w ogóle nie zwracamy na nie uwagi. Ponadto zachowanie roślin jest często spowodowane zmianami chemicznymi lub strukturalnymi, które są tak małe, gwałtowne lub powolne, że nie możemy ich obserwować bez specjalnego sprzętu.
Ponieważ sami jesteśmy zwierzętami, łatwiej jest nam rozpoznać zachowanie zwierząt. Niedawne odkrycia w dziedzinie robotyki wskazują, że uczestnicy badań chętniej przypisują takie właściwości, jak emocje, intencjonalność i zachowanie, systemom naśladującym zachowanie ludzi lub zwierząt.
Opieramy się na antropomorficznych prototypach, aby spróbować określić, czy zachowanie jest rozsądne. To wyjaśnia naszą intuicyjną niechęć do przypisywania roślinom zdolności poznawczych.
Ale uprzedzenia mogą nie być jedynym powodem, dla którego odrzuciliśmy poznawczy potencjał roślin. Niektórzy uczeni wyrazili zaniepokojenie, że pojęcia takie jak „ślepota trawy” to tylko mylące metafory. Kiedy teoria kognitywna jest stosowana do roślin w mniej abstrakcyjny i niejasny sposób, jak mówią, wydaje się, że rośliny funkcjonują zupełnie inaczej niż zwierzęta. Przyznają, że mechanizmy roślinne są złożone i niesamowite, ale nie są to mechanizmy poznawcze. Uważa się, że nadajemy pamięci tak obszernie, że traci ona swoje znaczenie, a procesy takie jak adaptacja w istocie nie są mechanizmami poznawczymi.
Jednym ze sposobów zbadania znaczenia procesu poznawczego jest zbadanie, czy system wykorzystuje reprezentacje. Zestaw kolorowych linii może tworzyć obraz kota, reprezentację kota, tak jak słowo „kot” w tym zdaniu.
Mózg tworzy reprezentacje elementów środowiska i tym samym pozwala nam poruszać się w tym środowisku. Kiedy proces tworzenia reprezentacji zawodzi, możemy zacząć tworzyć w naszym umyśle obrazy obiektów, które w rzeczywistości nie są w pobliżu, na przykład, aby zobaczyć halucynacje. A czasami postrzegamy świat trochę źle, zniekształcamy informacje o nim. Mogę źle usłyszeć w tekście piosenki - albo wzdrygnąć się, myśląc, że po mojej dłoni czołga się pająk, kiedy to tylko mucha.
Zdolność do błędnej interpretacji napływających informacji jest pewnym znakiem, że system używa pełnych informacji reprezentacji do poruszania się po świecie. To jest system poznawczy.
Tworząc wspomnienia, prawdopodobnie zatrzymamy niektóre z wyświetlanych informacji, aby później móc z nich korzystać w trybie offline. Filozof Francisco Calvo Garson z hiszpańskiego Uniwersytetu w Murcji stwierdził, że aby fizyczna własność lub mechanizm można było nazwać reprezentatywnym, musi „być w stanie reprezentować tymczasowo niedostępne obiekty lub zdarzenia”. Twierdzi, że to zdolność reprezentacji do odzwierciedlenia czegoś, co nie istnieje, pozwala uznać pamięć za przejaw aktywności poznawczej. Właściwość lub mechanizm, który nie może działać w trybie offline, nie może być uznany za prawdziwie poznawczy.
Z drugiej strony, niektórzy uczeni przyznają, że niektóre reprezentacje mogą funkcjonować tylko online, to znaczy reprezentują i śledzą elementy środowiska w czasie rzeczywistym. Nocna zdolność ślazu do przewidywania, gdzie wzejdzie słońce na długo przed jego pojawieniem się, wydaje się obejmować reprezentacje offline; inne rośliny heliotropowe, które podążają za słońcem tylko wtedy, gdy porusza się po niebie, wykorzystują oczywiście jakiś rodzaj reprezentacji online. Naukowcy twierdzą jednak, że organizmy wykorzystujące wyłącznie reprezentację online można również uznać za kognitywne. Jednak procesy offline i pamięć są bardziej przekonującym dowodem na to, że organizm nie tylko odruchowo reaguje na otoczenie. Jest to szczególnie ważne w odniesieniu do badań organizmów, których intuicyjnie nie jesteśmy skłonni traktować jako poznawcze, takich jak rośliny.
Czy istnieją dowody na to, że rośliny wyświetlają i przechowują informacje o środowisku do późniejszego wykorzystania?
W ciągu dnia ślaz za pomocą tkanki motorycznej u podstawy łodygi kieruje swoje liście w kierunku słońca - proces ten jest aktywnie kontrolowany przez zmiany ciśnienia wody wewnątrz rośliny, nazywa się to turgorem. Skala i kierunek światła słonecznego są zakodowane w światłoczułych tkankach rozmieszczonych na geometrycznym wzorze żyłek liści ślazu, a informacje o nich są przechowywane do rana. Roślina śledzi również cykle dnia i nocy dzięki wewnętrznemu zegarowi dobowemu, który jest wrażliwy na naturalne sygnały zachodu i wschodu słońca.
W nocy, patrząc na informacje ze wszystkich tych źródeł, ślaz może przewidzieć, gdzie i kiedy wzejdzie słońce następnego ranka. Może nie działać z pojęciami takimi jak „słońce” lub „świt”, ale przechowuje informacje o wektorze słońca oraz cyklach dnia i nocy, które pozwalają mu zmienić orientację liści przed świtem, tak aby ich powierzchnia była skierowana w stronę wschodzącego słońca. Pozwala również roślinie nauczyć się nowej pozycji, gdy fizjolodzy oszukują jej głowę, zmieniając kierunek źródła światła. W sztucznie stworzonej ciemności mechanizm antycypacyjny może również działać offline przez kilka dni. Chodzi o optymalizację dostępnych zasobów - w tym przypadku światła słonecznego.
Czy ten mechanizm można uznać za „reprezentację” - zastępującą elementy otaczającego świata, które determinują zachowanie rośliny? Chyba tak.
Tak jak neuronaukowcy starają się zidentyfikować mechanizmy układu nerwowego w celu badania pamięci u zwierząt, tak badacze roślin starają się zrozumieć mechanizmy pamięci, które pozwalają roślinom przechowywać i wykorzystywać informacje, a także wykorzystywać tę pamięć do dostosowywania ich zachowania.
Dopiero zaczynamy rozumieć wyjątkowe zdolności tej elastycznej i różnorodnej grupy organizmów. Kiedy poszerzamy nasze horyzonty ciekawości poza królestwo zwierząt, a nawet królestwo roślin, aby badać grzyby, bakterie i pierwotniaki, możemy być zaskoczeni, że wiele z tych organizmów stosuje te same podstawowe strategie i zasady behawioralne, które my sami, w tym zdolność do pewnego rodzaju uczenie się i tworzenie wspomnień.
Aby osiągnąć postęp, należy zwrócić szczególną uwagę na mechanizmy. Musimy jasno zrozumieć, kiedy, jak i dlaczego uciekamy się do alegorii. Powinieneś być precyzyjny w swoich teoretycznych stwierdzeniach. A jeśli dowody wskazują nam kierunek, który jest sprzeczny z konwencjonalną mądrością, powinniśmy śmiało podążać tam, dokąd prowadzi. Takie programy badawcze są jeszcze w powijakach, ale z pewnością nadal generują nowe odkrycia, które podważają i poszerzają ludzkie rozumienie roślin, zacierając zwykłe granice oddzielające królestwo roślin od królestwa zwierząt.
Oczywiście zastanawianie się, co w ogóle może oznaczać myślenie w przypadku tych organizmów, jest raczej ucieczką fantazji, ponieważ w rzeczywistości nie mają one podziału na mózg (umysł) i ciało (ruch).
Jednak przy pewnym wysiłku możemy ostatecznie wyjść poza istniejące koncepcje „pamięci”, „uczenia się” i „myślenia” - które pierwotnie napędzały naszą prośbę.
Widzimy, że w wielu przypadkach rozumowanie dotyczące procesów uczenia się i pamięci u roślin opiera się nie tylko na alegorycznych obrazach, ale także na suchych faktach. A gdy następnym razem spotkasz drżącego w słońcu przydrożnego malwa, zwolnij, spójrz na niego nowymi oczami i pamiętaj, że ten niepozorny chwast jest pełen niezwykłych zdolności poznawczych.
