Valokoe paljasti kasvien hermoston

Kasvit puhuvat keskenään, tunnistavat sukulaisensa ja muistavat. Niiden aistit ovat herkät, ja nyt uusi tutkimus osoittaa, että ne myös varoittavat toisiaan vaarasta samalla välittäjäaineella kuin eläimet.

Visuals Unlimited/Nature Picture Library/Simon Gilroy/uni. of WISCONSIN-MADISON

Nälkäinen toukka kapuaa rauhallisin liikkein ylös kasvin runkoa etsiskellen mehevää lehteä. Vihdoin se löytää sopivan ja upottaa siihen hampaansa.

Kaikki ympäristössä näyttää rauhalliselta eikä kasvikaan näytä aavistavan vaaraa, mikä sitä uhkaa. Vihreän pintansa alla kasvi on kuitenkin täydessä hälytystilassa, ja se tekee kaikin voimin töitä suojautuakseen toukan hyökkäykseltä.

Toukan haukkaus on laukaissut sähköisesti varautuneiden hiukkasten tuottaman impulssin, joka leviää nopeasti vauriokohdasta viereisiin kasvisoluihin ja niistä edemmäs ja tiedottaa vaarasta.

Impulssin on laittanut liikkeelle vauriokohdasta vapautunut glutamaatti-aminohappo, joka kuljettaa viestejä myös nisäkkäiden hermostossa. Juuri glutamaatti on puuttuva palikka, joka auttaa selittämään, miten kasvin osat viestivät keskenään ja saavat kasvin varustautumaan ulkoiseen uhkaan.

VIDEO – Katso, miten kasvi reagoi puraisuun:

Puraisu käynnistää reaktion

Kasvisoluihin siirretyn valoproteiinin avulla nähdään, miten puraisukohdan ympärille leviää kalsiumrengas.

Viesti vyöryy lehteen

Noin 66 sekunnin päästä kalsiumaalto on kulkenut koko lehden päästä päähän ja lehti hohtaa kirkkaasti.

Koko kasvi hälytystilassa

Hieman alle 100 sekunnissa kalsiumioni-impulssi on kulkenut haukatulta alueelta kasvin uloimpaankin kolkkaan.

Havainto tehtiin sattumalta, kun yhdysvaltalaisen Wisconsinin ja japanilaisen Saitaman yliopiston tutkijat halusivat hiljattain selvittää, miten kasvit reagoivat painovoimaan.

Havainto viittaa siihen suuntaan, että kasveilla on hermosto, joka on hyvinkin verrattavissa ihmisten ja eläinten hermostoon.

Näyttää siltä, että vaikka kasveilla on juuret tiukasti maassa toisin kuin meillä ihmisillä, niiden viestintäjärjestelmä on laajempi ja huomattavasti kehittyneempi kuin tähän asti on totuttu ajattelemaan.

Hyökkäys käynnistää viestiaallon

Hiljattain julkaistussa tutkimuksessa yhdysvaltalais-japanilainen tutkijaryhmä tarkasteli muuntogeenisiä kasveja valomikroskoopilla selvittääkseen kasvisolujen kalsiumionitasoja.

Kalsiumioneja esiintyy usein kasveissa paljon esimerkiksi kosketuksen, painovoiman muutoksen tai lämpötilan vaihdoksen jälkeen. Tutkijat pystyivät seuraamaan kasvien sisällä tapahtuvia reaktioita mikroskoopilla, koska tutkimuksessa käytettyjä kasveja oli muunneltu niin, että ne tuottivat suurien kalsiumipitoisuuksien ilmetessä valoa hohtavaa proteiinia.

Kun tutkijat päästivät toukan kasvin kimppuun, he näkivät ensin valon alkavan hohtaa puraistulla alueella ja muutaman sekunnin kuluttua hohteen leviävän kasvin joka kolkkaan. Silmin nähtävä kalsiumioniryöppy käynnisti kasvissa suurempia tuhoja ehkäisevien myrkyllisten aineiden tuotannon.

Kun tutkijat salpasivat solujen pinnalta proteiinit, jotka aktivoituvat glutamaatista, valoaaltoa ei syntynyt.

Oli selvää, että kyseisellä aminohapolla oli tärkeä osa kasvin nopeassa puolustusreaktiossa aivan samalla tavalla kuin nisäkkäiden hermostossa, missä glutamaatti myös auttaa viestejä välittymään solusta toiseen avaamalla solukalvon ionikanavia.

Kasvit näkevät, uinuvat ja juoruilevat

1 / 4

undefined

1234

Tutkimusten mukaan kasveilla on lukuisia samoja ominaisuuksia kuin eläimillä. Ne esimerkiksi aistivat ympäristöään lehtien valoherkillä soluilla, ”nukkuvat” muuttamalla solujensa nestepainetta ja viestivät keskenään ilman kautta levittyvillä kemiallisilla signaaleilla.

© Ken Ikeda/Shutterstock

Vaikka sekä kasvit että eläimet käyttävät glutamaattia solujen väliseen viestintään, niiden viestintäjärjestelmien toiminta eroaa toisistaan suuresti.

Merkittävin ero on se, että kasveilla ei ole nisäkkäiden tavoin erikoistuneita hermosoluja eivätkä ne siksi pysty aistimaan kipua. Erolle on järkeenkäypä syy: eläimelle kipu viestittää sitä, että sen kannattaa paeta, mutta kasvi on kiinni maassa eikä missään tapauksessa pääse uhkaa karkuun.

Lisäksi viestit näyttävät kulkevan kasveissa ja eläimissä toisistaan selvästi poikkeavalla nopeudella. Kalsiumimpulssi eteni muuntogeenisissä kasveissa enintään millimetrin sekunnissa. Tämä on kasvien maailmassa salamannopeaa, mutta eläinten hermostoon verrattuna etananvauhtia, sillä niiden hermoissa sähköimpulssit kiitävät jopa 120 metriä sekunnissa.

Kasvit muistavat hyvin

Selkeistä eroista huolimatta kasvit ja eläimet käyttävät joka tapauksessa solujen väliseen viestintään samaa välittäjäainetta. Tuore tutkimus ei ole ensimmäinen kerta, jolloin kasvit ovat päässeet yllättämään ominaisuuksillaan.

Aiemmin on todistettu, että kasvit sekä oppivat että muistavat. Länsi-Australian yliopiston kokeessa tutkijat kouluttivat hernekasveja samalla tavalla kuin koirat opetetaan yhdistämään toisiinsa kellon ääni ja ruoka. Tätä kutsutaan assosiatiiviseksi oppimiseksi. Kokeessa hernekasvien pistokkaita sijoitettiin yksinkertaisen labyrintin alle.

Labyrintti koostui vesiputkesta, jossa oli kaksi aukkoa. Kun kasvit kasvoivat kyllin korkeiksi, ne törmäsivät ”risteykseen”, missä niiden piti alkaa kasvaa putkessa joko oikealle tai vasemmalle.

Mykorritsa eli kasvin juurien jatkeena elävä sienijuuri muodostaa maahan laajan verkoston. Sen välityksellä kasvit jakavat ravinteita ja varoittavat toisiaan sairauksista.

© Science Source/ImageSelect

Kasvit jaettiin kahteen ryhmään, jotka altistettiin erilaisille vaikutuksille. Toisen ryhmän yksilöihin puhallettiin putken haaraa pitkin tuulettimella ilmaa ja niitä valaistiin samasta haarasta sinisellä valolla, kun taas toisen ryhmän yksilöt saivat ilmaa toisesta ja valoa toisesta haarasta.

Kun kasveja testattiin tämän jälkeen, ensimmäisen ryhmän kasvit kasvoivat aina kohti puhallusta – jopa silloin, kun siihen ei yhdistynyt valoa.

Ne siis ottivat oppia aiemmista kokemuksistaan ja yhdistivät ilmavirran valoon. Tuntokasveilla eli mimoosoilla tehdyt kokeet tukevat käsitystä kasvien hyvästä muistista. Mimoosat reagoivat kosketukseen herkästi ja taittavat lehdykkänsä vastakkain heti, kun niitä kosketaan.

Kokeessa tutkijat pudottivat mimoosoja useasti 15 senttimetrin korkeudelta. Ensimmäisen 3–4 pudotuksen jälkeen kasvit odotuksenmukaisesti sulkivat lehdykkänsä, mutta viidennen pudotuksen jälkeen se ei tapahtunut yhä nopeasti kuin aiemmin ja 60 pudotuksen jälkeen ne eivät enää reagoineet.

Mimoosat selvästi oppivat, etteivät pudotukset olleet vaarallisia eikä niiden kannattanut hukata voimiaan puolustautumiseen edes kuukauden päästä, kun testi toistettiin. Jos kasveja ravisteltiin, ne sulkivat lehdykkänsä kuten ennenkin, mikä todisti, että pudotus ei ollut vaurioittanut niitä.

Yhteistyön taitajat

Pitkään on tiedetty, että kasveilla on paljon ominaisuuksia, joita ei voida aavistaa pinnalta. Jo vuonna 1880 brittiläinen luonnonhistorioitsija Charles Darwin arveli, että kasvit ovat älykkäitä ja että niiden aivot sijaitsevat juurissa. Darwinin käsitys on myöhemmin saanut runsaasti tukea tutkimuksista, joissa on muun muassa löydetty kasviyksilöiden juuria yhdistävä yhteistyöverkosto.

Kasvit käyttävät samaa välittäjäainetta kuin eläimet

Kun kasvi vaurioituu, tieto siitä siirtyy sen kaikkiin soluihin sähköisten impulssien aaltona, mikä vilkastuttaa sen immuunijärjestelmää. Nyt on saatu selville, että lähtölaukauksen antaa glutamaatti-aminohappo, jota on myös nisäkkäiden hermostossa.

1.

Kun kasvinsyöjä haukkaa lehteä, muutamassa sekunnissa solukkoon alkaa vapautua glutamaatti-välittäjäainetta.

2.

Sitä erittyy joko tuhoutuneesta alueesta automaattisesti tai sitten solut alkavat tuottaa sitä aktiivisesti vaurion rekisteröityään. Sen jälkeen glutamaattia valuu myös läheiseen johtojänteeseen.

3.

Glutamaatti sitoutuu niin sanottuihin glutamaattireseptoreihin, joita on solujen pinnalla.

4.

Sitoutuminen saa soluissa avautumaan ionikanavia, joista kalsiumionit pääsevät solun sisään. Tämä synnyttää ketjureaktion, jossa yhä uusien solujen ionikanavat avautuvat päästäen kalsiumia sisään.

5.

Kalsiumionit, joka ovat sähköisesti varautuneita, kuljettavat sähköisiä viestejä solujen välillä ja aktivoivat entsyymejä, jotka kiihdyttävät kasvissa jasmonaatti-hormonin tuotantoa.

6.

Jasmonaatti taas suojaa kasvia käynnistämällä karvaiden myrkyllisten aineiden, kuten toukalle haitallisten parkkihappojen tuotannon.

Tehokas yhteistyöverkosto koostuu sienijuuresta eli mykorritsasta, ja sitä arvioidaan olevan maapallolla peräti 30 miljardia tonnia.

Tämä yli 400 miljoonaa vuotta vanha sienirihmasto yhdistää todennäköisesti suurta osaa maapallon kasvilajeista. Se esimerkiksi auttaa kasveja varoittamaan toisiaan lähiympäristössä leviävistä kasvitaudeista kemiallisilla signaaleilla ja siirtämään hiilihydraatteja varjossa kasvaville lajitovereilleen, joilta puuttuu energian tuottamiseen tarvittavaa auringonvaloa.

Moni seikka viittaa siten siihen suuntaan, että kasvien elämä on monimutkaisempaa kuin on luultu. Nyt glutamaatin osoittautuminen kasvin puolustusjärjestelmän tärkeäksi välittäjäaineeksi on mullistanut käsitykset myös kasvien viestinnästä.

Lue myös:

Kasvit

Valokoe paljasti kasvien hermoston

6 minuuttia
Plants pain 15/2014
Kasvit

Tunteeko kasvi kipua?

0 minuuttia
Kasvit

Täysin mustat kasvit ja kukat

0 minuuttia
Suosituimmat

Kirjaudu sisään

Virhe: Tarkista sähköpostiosoite
Salasana vaaditaan
NäytäPiilota

Oletko jo tilaaja? Oletko jo lehden tilaaja? Napsauta tästä

Uusi käyttäjä? Näin saat käyttöoikeuden!