Нейробиология растений — междисциплинарное направление, изучающее, как растения воспринимают сигналы среды, передают информацию между клетками и органами и координируют ответ всего организма. В исходной подборке это направление представлено через две конкурирующие позиции: сторонники говорят об «интеллекте», обучении и распределённой обработке информации, а критики считают, что такие термины чрезмерно антропоморфны и не доказывают наличия сознания.
Наиболее обоснованный вывод таков: растения обладают сложными системами восприятия, электрической, химической и гормональной сигнализации, а также формами адаптивного поведения и памяти. Но доказательств субъективного опыта, боли или сознания, сопоставимого с животным, нет.
Исходной программной публикацией направления считается статья Эрика Бреннера и соавторов Plant neurobiology: an integrated view of plant signaling, опубликованная в 2006 году в Trends in Plant Science. Авторы предлагают изучать растения как целостные организмы, которые получают информацию из среды, интегрируют её и координируют ответ на уровне всего растения.pubmed.ncbi.nlm.nih
В этой концепции термин «нейробиология» используется не для утверждения, что у растений есть мозг, нейроны или нервная система, а как обозначение исследований, посвящённых:
восприятию света, температуры, влажности, силы тяжести и механических воздействий;
передаче электрических сигналов;
межклеточной и межорганной коммуникации;
транспорту гормонов и других сигнальных молекул;
взаимодействию растений с соседями, микробами и грибами;
адаптивным изменениям роста и развития.
В статье Бреннера и соавторов упоминаются дальнодействующие электрические сигналы, транспорт ауксина в сосудистых тканях и химические вещества, которые у животных могут выполнять нейромедиаторные функции. Однако наличие похожих молекул ещё не означает наличие нервной системы: одна и та же молекула может выполнять разные функции в разных эволюционных линиях.
Поэтому полезно разделять два понятия:
| Термин | Корректное содержание |
|---|---|
| Сигнализация растений | Передача информации между клетками, тканями и органами |
| Растительное поведение | Изменение роста, движения, обмена веществ или защиты под действием среды |
| Растительный интеллект | Спорный термин для описания интеграции информации и адаптивного выбора реакции |
| Обучение | Устойчивое изменение реакции после опыта |
| Сознание | Субъективный опыт, переживание собственного состояния или среды |
| Чувство боли | Субъективное неприятное переживание, для которого у животных необходимы специализированные системы обработки |
Наличие первых четырёх явлений не доказывает наличие двух последних.
Растения постоянно регистрируют широкий спектр факторов:
направление и интенсивность света;
длину световой волны;
гравитацию;
влажность почвы;
температуру;
механическое прикосновение;
повреждение тканей;
концентрацию минеральных веществ;
присутствие токсинов;
летучие вещества;
химические сигналы соседних организмов;
сигналы патогенов и симбиотических микроорганизмов.
Растение не воспринимает среду одним центральным органом. Сенсорные функции распределены между клетками листьев, корней, стеблей, сосудистых тканей и зон роста. Это позволяет ему одновременно реагировать на разные условия в разных частях организма.
У растений регистрируются изменения мембранного потенциала и распространяющиеся электрические сигналы. Они могут возникать при:
механическом повреждении;
нагреве;
изменении освещения;
засухе;
воздействии солей;
атаке насекомых;
резком изменении водного режима.
Электрические сигналы способны быстро передавать информацию от повреждённого участка к удалённым органам. После этого меняется экспрессия генов, усиливается синтез защитных соединений, изменяется транспорт воды и перестраивается рост.
Однако критики направления подчёркивают, что растительные электрические сигналы не являются нервными импульсами в строгом смысле. В животном организме нервный сигнал является частью специализированной системы, связанной с нейронами, синапсами, интеграцией информации и поведением. У растений электрические изменения в основном участвуют в физиологической регуляции и защите.
Важнейшую роль играют фитогормоны:
ауксины;
абсцизовая кислота;
цитокинины;
гиббереллины;
этилен;
жасмонаты;
салициловая кислота;
стриголактоны;
брассиностероиды.
Они регулируют рост, старение, ветвление, созревание, закрытие устьиц, реакцию на засуху и защиту от патогенов.
Особенно важна роль ауксина: его неравномерное распределение помогает растению определять направление роста и координировать развитие корней, побегов и боковых органов. Именно такие процессы сторонники нейробиологии растений иногда описывают как «принятие решений». Более осторожная формулировка — пространственно распределённая регуляция роста на основе внутренних и внешних сигналов.
Растения могут реагировать на летучие органические соединения, выделяемые повреждёнными соседями. Такие вещества способны запускать у воспринимающего растения:
усиление защитных реакций;
изменение состава вторичных метаболитов;
подготовку к атаке насекомых;
изменение роста корней и побегов.
Эта тема популяризирована в статье Майкла Поллана The Intelligent Plant, опубликованной в The New Yorker в 2013 году. Поллан описывает исследования электрической и химической сигнализации, памяти, поведения корней и взаимодействия растений.s3.wp.wsu
Однако слово «общение» здесь следует понимать функционально. Наличие химического сигнала не доказывает намерение его отправителя или понимание со стороны получателя. В биологическом смысле это может быть эволюционно закреплённая система передачи информации, а не коммуникация в человеческом или животном смысле.
Самым известным экспериментом, связанным с обучением растений, стала работа Моники Гальяно и соавторов Experience teaches plants to learn faster and forget slower in environments where it matters, опубликованная в Oecologia в 2014 году.pubmed.ncbi.nlm.nih
У Mimosa pudica листья складываются при механическом воздействии. Исследователи многократно роняли растения с небольшой высоты — стимул был неприятным, но не повреждающим. Через некоторое время растения переставали складывать листья в ответ на повторяющееся падение.
Ключевые результаты:
реакция на повторяющееся воздействие ослабевала;
изменение поведения было связано с конкретным стимулом;
растение сохраняло изменённую реакцию после периода покоя;
память сохранялась до нескольких недель;
в неблагоприятной среде обучение происходило быстрее и забывание было медленнее.
Популярное изложение эксперимента опубликовано в материале Mimosa Plants Have Long Term Memory.sci
Наиболее осторожная интерпретация этого результата — долговременная специфическая адаптация реакции, которую можно описать как привыкание. Это не обязательно означает наличие памяти в нейробиологическом смысле, поскольку у растений отсутствуют нейроны и структуры, аналогичные мозгу.
Критически важно отличать:
привыкание от сознательного обучения;
устойчивое изменение физиологической реакции от воспоминания;
адаптацию от намеренного выбора;
чувствительность к стимулу от переживания боли.
Даже если использовать слово «обучение», из этого нельзя автоматически выводить наличие субъективного опыта.
Сторонники растительного интеллекта используют этот термин для обозначения способности растения:
интегрировать разные сигналы;
выбирать направление роста;
оптимизировать распределение ресурсов;
различать условия среды;
изменять реакцию после предыдущего опыта;
координировать ответ разных органов.
В таком функциональном смысле «интеллект» может быть полезной метафорой для изучения адаптивного поведения. Но если под интеллектом понимать сознательное рассуждение, представление о будущем и произвольное принятие решений, доказательств для растений недостаточно.
Проблема заключается не только в выборе терминов. Антропоморфные слова могут приводить к ошибочной причинности: исследователь наблюдает сложную физиологическую реакцию, а затем описывает её как намерение, выбор или эмоцию, хотя эксперимент напрямую этого не показывает.
Сторонники гипотезы растительной чувствительности обращают внимание на:
электрические сигналы;
наличие у растений молекул, встречающихся у животных;
реакцию на анестетики;
способность к привыканию;
сложные формы химической коммуникации;
распределённую регуляцию роста;
способность менять поведение в зависимости от контекста.
В интервью ботаника Стефано Манкузо для The Guardian обсуждаются химическая коммуникация, электрические сигналы, память и воздействие анестетиков на растения.umaincertaantropologia
Однако эти наблюдения не доказывают наличие сознания. Анестетик может нарушать мембранные процессы, транспорт и электрическую активность растения, не вызывая у него субъективного переживания.
Статья Plants Neither Possess nor Require Consciousness утверждает, что растения не имеют анатомических и функциональных структур, сопоставимых с минимальными мозговыми системами, необходимыми для сознания у животных.pubmed.ncbi.nlm.nih
Авторы ссылаются на работы Тодда Файнберга и Джона Маллатта, согласно которым сознание связано с определённой степенью нейроанатомической сложности. Растения не имеют:
мозга;
нейронов;
синапсов;
центральной нервной системы;
специализированного центра интеграции сенсорной информации;
доказанной системы субъективной оценки стимулов.
Более подробная критика опубликована в статье Debunking a myth: plant consciousness. Авторы указывают, что:
растения демонстрируют реактивное следование стимулу, но не доказанные упреждающие действия;
электрические сигналы растений имеют непосредственные физиологические функции;
даже доказанное классическое привыкание не требует сознания;
гипотеза сознания растений пока не имеет достаточной экспериментальной опоры.pmc.ncbi.nlm.nih
Схожая аргументация представлена в статье Plants lack the functional neurotransmitters and signaling pathways required for sentience in animals. Авторы подчёркивают, что наличие в растениях глутамата, серотонина, дофамина или других молекул не доказывает их нейромедиаторную функцию, аналогичную животной.wellbeingintlstudiesrepository
В 2023 году в журнале Animal Sentience вышел материал Plant sentience: The burden of proof, критикующий гипотезу о чувствительности растений.wellbeingintlstudiesrepository
Его объектом была статья Plant Sentience, в которой Мигель Сегундо-Ортин и Пако Кальво предложили не исключать возможность базовой чувствительности растений и призвали исследовать её более строго.wellbeingintlstudiesrepository
Спор можно свести к четырём вопросам:
Если сознание определяется очень широко — как любая интеграция информации и изменение поведения, — под это определение могут попасть растения и даже отдельные клетки. Если же требуется субъективный опыт, доказательств для растений нет.
Критики считают, что большинство наблюдаемых реакций объясняется физиологией, эволюцией и регуляцией роста без привлечения сознания. Это соответствует принципу научной экономии: сначала следует выбирать объяснение, не требующее дополнительных гипотез.
Слова «память», «решение», «намерение», «эмоция» и «боль» имеют точное содержание в нейробиологии животных. Их перенос на растения возможен только при явном переопределении терминов. Иначе возникает ложная аналогия.
Для серьёзного утверждения о сознании необходимы тесты, которые отличают:
сложную автоматическую реакцию от субъективного опыта;
привыкание от памяти в нейронном смысле;
химическую регуляцию от коммуникации;
повреждение ткани от боли;
адаптивное изменение роста от намеренного поведения.
Пока такие тесты не дали убедительного положительного результата.
Наиболее надёжные выводы современной биологии растений состоят в следующем:
растения получают информацию о внешней среде;
их сенсорные функции распределены по всему организму;
они используют электрические, химические и гормональные сигналы;
сигналы могут передаваться между удалёнными органами;
повреждение одной части растения может изменять состояние других частей;
растения реагируют на летучие вещества соседей;
некоторые формы реакции сохраняются после прекращения воздействия;
Mimosa pudica демонстрирует привыкание к повторяющемуся стимулу;
растения координируют рост, защиту и размножение без мозга и нервной системы.
Не установлено:
наличие у растений субъективного опыта;
наличие сознания в животном или человеческом смысле;
наличие эмоционального переживания;
наличие боли как неприятного субъективного состояния;
наличие намерений и осознанных решений;
наличие нейронной системы, функционально эквивалентной мозгу.
Для сельского хозяйства и вертикального земледелия практическая ценность нейробиологии растений не зависит от того, обладают ли растения сознанием. Даже без сознания они имеют сложные сигнальные системы, которые можно использовать для диагностики и управления.
Сигнальные реакции можно изучать через:
изменение электрического потенциала;
содержание кальция;
уровень фитогормонов;
спектральные изменения листьев;
температуру листовой поверхности;
скорость транспирации;
изменение угла наклона листьев;
скорость роста корней и побегов;
выделение летучих органических соединений.
Растение может изменить электрические и химические процессы раньше, чем появляются визуальные симптомы. Это создаёт основу для систем раннего предупреждения о:
недостатке воды;
засолении;
перегреве;
повреждении корней;
механическом воздействии;
атаке вредителей;
грибной или бактериальной инфекции.
Ниже собраны оригиналы или ближайшие первоисточники материалов, описанных в карточках:
Experience teaches plants to learn faster and forget slower.
Cell consciousness: a dissenting opinion — более поздний критический материал о гипотезах клеточного и растительного сознания.pmc.ncbi.nlm.nih
Нейробиология растений имеет устойчивое научное ядро, если понимать её как исследование восприятия, передачи сигналов, интеграции физиологических процессов и адаптивного поведения растений. Спорной является не сама способность растений реагировать на информацию, а интерпретация этих процессов через категории сознания, эмоций, намерений и боли.
Для научного и инженерного применения наиболее продуктивна нейтральная формулировка: растения — распределённые сенсорные организмы с развитой системой электрической, химической и гормональной регуляции, способные к контекстным и долговременным изменениям физиологических реакций. Это уже достаточно сильная характеристика, не требующая приписывать растениям мозг или субъективный опыт.