Электрические импульсы: как нервничать без нервов

 

Быстрее мух

 

Она захлопывается, словно пасть жадного хищника. Молниеносно закрывает свои листья-ловушки. Сначала венерина мухоловка проверяет, жива ли ее жертва и двигается ли. Потом переваривает добычу, но, если та окажется невкусной, растение прекращает этот процесс и вновь распахивает лист-ловушку. Венерина мухоловка, похоже, одновременно и проворна, и чувствительна.

Половинки листа связаны между собой «шарниром» и захлопываются подобно капкану — за одну десятую секунды. В это же время «зубы» по краям листа загибаются внутрь, образуя — еще до того, как ловушка захлопывается, — своего рода ловчую сеть. Даже у мух, обладающих быстрой реакцией, не получается освободиться. Растение опережает их. Мышечная сила здесь исключена, венерина мухоловка делает это гидравлически: клетки на внутренней стороне «шарнира», мгновенно выделив жидкость, усыхают. Клетки на внешней стороне, напротив, принимают эту жидкость и растягиваются. Ловушка захлопывается именно так.

Однако интересней всего вопрос: когда именно она захлопывается? Откуда растение узнает о том, что это нужно сделать именно сейчас, в это самое мгновение? Оно действительно чувствует добычу. На внутренней стороне каждой половинки листа находятся по три чувствительные щетинки. Насекомое, обследующее цветок, неизбежно дотронется до одной из них. Рассуждая логически, можно подумать, что ловушечный механизм срабатывает немедленно. Однако венерина мухоловка не торопится. Она будто бы не доверяет своим ощущениям. А вдруг это дождевая капля? Или комок земли, подброшенный в воздух пробегавшим мимо животным? Растение выжидает — целые сорок секунд. Если за это время до щетинки дотронутся еще раз, значит, на листе живое насекомое, и венерина мухоловка тут же реагирует на его присутствие. До сих пор остается загадкой, как работает кратковременная память растения, как безмозглая венерина мухоловка в течение сорока секунд может помнить о том, что до нее уже кто-то дотрагивался.

Если это был всего-навсего камешек, всегда есть шанс устранить недоразумение. Если жертва по вкусу не похожа на живой организм — то есть если рецепторы в стенках листа не отреагируют на белок, — ловушка снова откроется. Всего за полчаса. В противном случае лист мухоловки останется закрытым на несколько дней, пока пепсин и другие пищеварительные ферменты не растворят жертву.

Более ста двадцати лет назад Чарлз Дарвин пришел в восхищение от венериной мухоловки и ее хищного поведения. Он знал, что у этого растения нет нервных волокон. Но с помощью какого механизма чувствительные щетинки дают команду захлопнуть ловушку? Как они информируют клетки по всей длине «шарнира»? А «зубы» на краю листа? Дарвин перепоручил эту проблему Джону Бердону-Сандерсону[24], выдающемуся врачу из Университетского колледжа Лондона, и тот сделал сенсационное открытие: непосредственно после раздражения чувствительной щетинки по створкам листа распространяются электрические импульсы — и не просто импульсы, а точно такие же, какие возникают в нервных клетках животных и людей, короткие волны напряжения, стремительно перемещающиеся по нашей нервной системе, при этом не угасая и не изменяясь. Эти нервные сигналы активируют наши мышцы, передают информацию об ощущениях или сообщают мозгу о состоянии нашего организма.

Похоже, такие же сигналы существуют и у растений. Потрясающее открытие: передача нервных импульсов без всяких нервных волокон. Правда, скорости тут другие: у нас волны импульсов мчатся по своему пути со скоростью гоночного болида в «Формуле-1» — сто метров в секунду. У венериной мухоловки они едва ли разгоняются до десяти (максимум двадцати пяти) сантиметров в секунду, то есть в тысячу раз медленнее.

Существуют такие растения, у которых скорость электрического сигнала можно проследить невооруженным глазом. Я имею в виду чувствительную к прикосновениям мимозу. Как уже говорилось, ее перистые листочки, точно рыбные кости отходящие от средней жилки, сворачиваются после прикосновения или в результате повреждения. Эффектно и по очереди, как будто кто-то невидимый, проезжая по средней жилке, сжимает одну пару листочков за другой. Это, собственно, и есть перемещение нервного сигнала; он заметен, потому что двигается со скоростью примерно один сантиметр в секунду, даже медленней, чем у венериной мухоловки. Сигнал вызывается прикосновением, проходит по всей средней жилке листа и по пути закрывает листочки-перышки.

Параллель с нервными импульсами очевидна. Еще Дарвин задавался вопросом: можно ли одурманить мимозу? Станет ли она под воздействием эфира или других наркотических веществ такой же неподвижной, как животные и люди?

 

Мимоза под наркозом

 

Доктор Моника Бирмелин — врач-анестезиолог из Евангелической благотворительной больницы во Фрайбурге-в-Брайсгау. Ей понравилась идея анестезировать мимозу — во всяком случае, попытаться это сделать. Монике даже удалось убедить руководство больницы предоставить для этого свободную операционную.

Внешне условия идеальны: большое помещение, ровный пол для съемки с движения, и операционные лампы, вращающиеся в нужном направлении, как нельзя лучше освещают площадку. На заднем плане — медицинские пульты с мигающими огоньками и дисплеями. К тому же Моника — специалист, без труда управляющий всеми этими приборами.

Правда, сегодня она тоже совершает экскурсию в малоисследованную область анестезиологии. Редко попадаются такие стыдливые пациенты, со смехом признается она, вспомнив научное название растения. Моника сделала выбор в пользу старомодной эфирной анестезии. Она — надежнее всего. Врач хочет подвергнуть нашу мимозу действию паров пятнадцатипроцентного эфира. Наркоз будет действовать один час.

Однако мы недооценили чувствительность нашей пациентки. Оказавшись под стеклянным колпаком, она должна вдыхать пары эфира. Сначала мы осторожно катим ее из вестибюля в операционную — впрочем, делаем недостаточно бережно. Тряска во время езды — это уже слишком: часть листьев сворачивается. Остальные следуют примеру собратьев, когда мы задеваем растение, накрывая его стеклянным колпаком. Так не пойдет. Теперь мимоза выглядит жалко. Как же проверить ее чувствительность под наркозом, если листья растения уже закрылись? Ко всему прочему помещение пропиталось сладким запахом эфира. Брайан жалуется на головную боль.

Мы устраиваем перерыв для совещания. Остался последний шанс. В подсобном помещении стоит запасная мимоза — мы привезли ее с собой на всякий случай, чтобы повторить эксперимент. Ее нужно переместить очень, очень осторожно…

Не помню, чтобы я когда-нибудь так аккуратно нес растение. Маленькие шаги, ровное дыхание, руки наполовину согнуты в попытке уменьшить тряску. Дверь открывается, и в помещении оказывается коллега Моники. Раздается общее: «Ш-ш-ш!» — и он застывает.

— Ну и запах здесь… — произносит врач, а затем вновь исчезает.

Осторожно, словно взрывоопасную бомбу, мы размещаем мимозу на операционном столе. Над миской с жидким эфиром. Плавно, миллиметр за миллиметром опускаем колпак. Пытаемся дышать как можно реже, чтобы пары эфира не попали в легкие. Неужели сознание немного помрачилось? Да нет, только показалось. Наконец можно вздохнуть спокойно. Мимоза уже под наркозом, и ее листья не сжались.

Через час Моника отваживается на решающий тест. Поначалу сдержанно, а затем все сильнее анестезиолог ударяет по перьевым листочкам: они не шевелятся.

— Пациентка анестезирована, — заключает Моника голосом профессионала.

И, чтобы понять, насколько глубок наркоз, она, взяв в руки ножницы, делает надрез на одном из перьевых листочков — вмешательство, которое в обычном случае вызвало бы бурную реакцию, причем не только у перьевых листьев. После такой раны даже стебли поникли бы. Но сейчас — ничего. Никакого движения.

Мимозу можно одурманить, как животное или человека. Ошеломляющий результат. Что означают электрические импульсы у растений? Может, за ними кроются когнитивные или психические способности, о которых мы до сих пор не подозревали? Сорок лет назад эта тема стала мировой сенсацией.

 

Драцена и детектор лжи

 

Эту историю пересказывали, наверное, миллион раз: 2 февраля 1966 года Клив Бакстер, находясь в офисе на Таймс-сквер в Нью-Йорке, совершил главное открытие своей жизни. Он работал на ЦРУ и был специалистом по детекторам лжи. Эти приборы использовались во время допросов и в первую очередь измеряли сопротивление кожи допрашиваемых, менявшееся при эмоциональном возбуждении — например, если те лгали. Однажды февральским утром Бакстеру пришла в голову идея подключить к детектору лжи свою драцену, которую, пытаясь украсить офис, не так давно приобрела его секретарша. Конечно, он не собирался допрашивать растение, просто его терзало научное любопытство. Бакстеру хотелось понять, сколько времени должно пройти после обильного полива, чтобы вода поступила в кончики листьев. Бакстер предполагал, что поднимающаяся жидкость уменьшит электрическое сопротивление листа, а подключенный к растению самописец зарегистрирует этот спад. Однако результат выглядел совсем иначе — и показался ему на удивление знакомым: рисуемый самописцем график изменялся точно так же, как во время допроса подозреваемого. Неужели драцена эмоционально реагирует на полив?

Бакстер загорелся этой идеей. Он подверг драцену целому ряду тестов. Дотрагивался до нее, опускал один из листьев в горячий кофе или подпаливал спичкой. Всякий раз детектор лжи показывал всплески, пусть даже и не очень сильные. Удивительное дело — как утверждал Бакстер, особенно заметные всплески появлялись только тогда, когда он задавался целью причинить растению вред. Не сам поступок, а намерение совершить его как будто особенно волновало драцену. Растения могут читать мысли — такой вывод сделал Бакстер, после чего опубликовал свои наблюдения в журнале по парапсихологии. Правда, особого эффекта они не произвели и уж тем более не тронули ботаников.

Однако пять лет спустя о Кливе Бакстере заговорили, и еще как! Журналисты Питер Томпкинс и Кристофер Берд написали книгу «Тайная жизнь растений», где восторженно сообщили о Бакстере и его драцене. Книга стала мировым бестселлером, и ботаникам пришлось — пусть с неохотой — заняться «эффектом Бакстера». Они повторили опыты, чтобы воспроизвести результаты исследователя, но — тщетно. В лабораториях растения постоянно теряли свои сверхъестественные способности. Что, по мнению Бакстера, было неудивительно: дабы растения отвечали взаимностью, человек сам должен относиться к ним эмоционально. Ну а кто заранее демонстрирует скепсис…

Казалось, эта пропасть непреодолима. Всякий контрольный эксперимент с иным результатом можно было отвергнуть, заявив о том, что его провели в неправильной обстановке. Оказалось, «эффект Бакстера» невозможно проверить средствами науки. Ботаники, читавшие лекции в вузах, изо всех сил отгораживались от Бакстера и его утверждений. Они не хотели иметь ничего общего со сверхчувствительными растениями и всем, что с этим связано. Так область исследований растительного электричества осталась в стороне от науки; на эту тему было наложено своего рода табу. Скрытый страх, что их отождествят с лженаукой и парапсихологией, удерживал ученых от серьезного исследования этой проблемы.

Даже чувствительность венериной мухоловки и мимозы словно бы оказалась забыта — феномены, связанные с этими растениями, отправились на задворки ботаники как особые случаи. Наука тоже подчиняется модным тенденциям, а изучение электрических сигналов растений казалось тогда неактуальным. В конце концов, оставалось еще много неизученного — начиная с генетики и заканчивая молекулярным строением клеточной мембраны.

Но именно во время изучения клеточной мембраны электрические импульсы растений снова попали в поле зрения науки. На клеточной мембране, которая, подобно мыльному пузырю, обволакивает содержимое клетки, могут возникать мощные импульсы, впоследствии распространяющиеся по всей мембране. Обычные растительные клетки производят электрические сигналы, хотя до сих пор эту способность приписывали лишь нервным клеткам. Так растения показали себя в новом свете: они не только «химические организмы», пересылающие по своим телам растворенные вещества и гормоны, они ко всему прочему «электрические организмы».

Все исследованные растения — от образцового арабидопсиса до тыквы и тополя — оказались восприимчивыми: они генерируют электрические импульсы или иные сигналы и пересылают их, словно новости, по всему своему телу. Мимоза и венерина мухоловка утратили исключительный статус: они всего лишь наглядно демонстрируют то, что другие растения делают втайне.

 

Красная марь в клетке

 

Красная марь у Эдгара Вагнера получила привилегированное место. Она стоит посреди комнаты, огороженная со всех сторон мелкосетчатыми проволочными стенками. Ее освещают яркими лампами — прямо как на допросе. А мы и вправду ожидаем от нее ответа. По команде растение должно произвести электрический импульс, направив его вверх по стеблю. Прямо на наших глазах. Большая клетка, куда можно зайти и нам, задерживает искажающие поля, способные перекрыть слабый сигнал растения, — например, если лифт в здании придет в движение, внезапно подпрыгнет холодильник или Брайан запустит свою камеру.

Чтобы отслеживать путь сигнала, Эдгар Вагнер закрепил на стебле три электрода на расстоянии десяти сантиметров один от другого. Они прижимаются к ткани стебля, словно манжеты, регистрируя любой проходящий по ним сигнал. На мониторе компьютера, стоящего рядом с клеткой, все это отображается в виде графика.

Доктор Ларе Ленер демонстрирует чувствительность собранной им аппаратуры. Даже нежнейшее прикосновение к электроду отображается на мониторе как резкий всплеск. А иногда к всплеску приводит даже электростатический заряд наших тел — тогда и прикосновения не надо. Ясное дело — когда начнется опыт, в клетке останется одно лишь растение.

Красная марь хорошо перенесла транспортировку из подвала: ведь она росла под вентиляторами. Тем не менее Эдгар Вагнер выделил ей два дня на адаптацию к новому помещению и особенно — к присоединенным электродам. Он считает, что стресс у растения должен быть полностью исключен, иначе оно понизит электрическую активность и начнет демонстрировать «усталость».

Все готово. Брайан у камеры. Ларе Ленер — за компьютером. Эдгар Вагнер подает стартовый сигнал при помощи зажигалки: он подпаливает кончик листа на самой верхушке растения и покидает клетку. Ответ опаленного листа уже в пути, как поясняет нам Ларе. В скором времени электрический заряд пройдет через верхний электрод. Мы как зачарованные не сводим глаз с монитора. Сначала на нем только слегка подрагивающая линия, затем начинает вырисовываться мощный «пик», который вновь исчезает, — это прохождение сигнала. Мы смотрим на часы. Примерно через девяносто секунд сигнал оказывается на среднем электроде, а еще через девяносто — на нижнем.

Измерения по всей длине пути дают четкую картину — черепашьим шагом сигнал движется по направлению к корням. Эдгар Вагнер и Ларе Ленер довольны. Оказывается, они уже наблюдали за тем, как корни после короткого «обдумывания» посылают импульс обратно — к листьям. Но все же, добавляют исследователи, никто не знает, чего, собственно, добивается красная марь с помощью этих раневых сигналов.

У растений существует система электрических сигналов, посредством которой «общаются» их органы — корни, побеги и листья. Как им это удается без нервных волокон, ученые раньше не знали. Еще Чарлз Дарвин бился над этой загадкой. Сегодня в общих чертах известно, как срабатывает такая система.

На короткие дистанции сигналы путешествуют от одной клетки к другой; для этого они используют маленькие поры, типичные для растительных клеток. Импульс, если можно так выразиться, пробирается от двери к двери и может доползти до любого «помещения».

Чтобы преодолеть большие расстояния, сигналы подыскивают особые пути — они следуют по пучкам волокон, которые проходят по стволу, стеблям и прожилкам листа. Эти тонкие трубочки отвечают за транспортировку влаги, однако используются также и для передачи сообщений. Кто бы мог подумать, что народ не зря прозвал прожилки на листах «нервами»! Правда, речь идет не совсем о нервах — скорее, о проводящих путях для электрических импульсов.

По-прежнему неясно, какие расстояния могут преодолевать эти сигналы. Действительно ли они добираются, скажем, от корневища дуба по стволу до самых кончиков листьев? Или только от одной ветки до другой?

Сейчас проверке подвергается тополь, растущий в Гамбурге. Он хорошо защищен и обитает в оранжерее Института биологии леса. Профессор Йорг Фромм хочет измерить, насколько далеко распространяются электрические сигналы. Глава института поясняет, что, конечно, запихнуть тополь в проволочную клетку Фарадея не получится. Вместо этого ученый снабдил каждый электрод на тестируемом участке дерева проволочным резистором, так что помехи тоже можно исключить.

Этот масштабный эксперимент идет полным ходом. Будем с нетерпением ожидать результатов, поскольку Йорг Фромм — один из первых ботаников, занимающихся электрическими импульсами у растений. В США он четыре года исследовал прохождение импульсов у мимозы. Фромм постоянно задается вопросом: насколько биологически эффективна электрическая активность растительной клетки? Мы не сумели бы жить без нервов. А растения? Когда и для чего они применяют электрические сигналы?

Даже в случае с хорошо изученной мимозой пока неясно, чего она, собственно, добивается, сжимая листья? Чтобы усевшийся жук улетел прочь, когда поверхность листа начнет двигаться? Или листья, сворачиваясь, просто хотят «исчезнуть», стать невидимыми?

Еще труднее обнаружить цель сигналов у «обычных» растений, но здесь команде Йорга Фромма удалось сделать потрясающее открытие. Например, это касается цветка гибискуса. Когда рыльце его пестика опылено, оно производит целый залп из десяти-пятнадцати импульсов. Присутствие противоположного пола в виде пыльцы приводит к сильнейшему возбуждению. Импульсы бегут вниз по пестику к завязи плода, где хранятся яйцеклетки, и там приводят в действие дыхание и обмен веществ — так растение готовится к предстоящему оплодотворению.

Если что-то нужно сделать быстро, в ход идут электрические сигналы — кажется, таков закон растений.

Кукуруза тоже придерживается этого правила: если после засушливого периода в землю внезапно поступает вода, корни посылают сигналы вверх. Листья получают информацию о предстоящем притоке влаги и уже заранее берут больше углекислого газа из воздуха. Всего должно быть в достатке, когда растение наконец получит так долго отсутствовавшую жидкость.

Самозащита растений, для которой требуются яды и гормоны, тоже в большинстве случаев состязание на время. Нетрудно догадаться, что здесь применяются не только химические сигналы, распространяющиеся довольно медленно. Так и есть: картофель и томаты отдают электрические команды, чтобы запустить механизм производства жасмоновой кислоты — для раневого гормона, который играет ключевую роль в растительной защите. Многое свидетельствует о том, что и другие растения выстраивают свою внутреннюю связь при помощи совместных действий химических и электрических сигналов. Это типично также для животных. И для нас.

Сходство между растениями и животными поразительно. Но насколько оно серьезно? Правда ли, что растения ведут себя как очень медленные животные? Так однажды сказал Эдгар Вагнер. Электрические импульсы растений — все еще весьма новая область исследований. В ней многое неизвестно, поэтому общую картину составить не получается. Поиск подходящих терминов тоже идет полным ходом. Одни ботаники говорят о «корневом мозге» и «растительных нервах». Другие ужасаются подобной «бессмыслице» и упрекают коллег в том, что те всего лишь хотят произвести сенсацию в средствах массовой информации или впечатлить чиновников, чтобы получить побольше денег на исследования. Однако этот конфликт будет улажен, потому что неуверенность и путаница свидетельствуют только об одном: растения могут намного больше, чем до сих пор полагали ученые.