Miről beszélgetnek egymással a növények?
A tudomány jelenlegi állása szerint a Föld növényvilágának jó része az állatokéval összevethető bonyolultsággal reagál a környezetére. Az állati viselkedést vizsgáló etológia analógiájára alig három évtizede kezdődtek olyan növénykutatások, amelyek célirányosan vizsgálták ezeket a reakciókat. Ma már sok minden tudható arról, amiről korábban legfeljebb a fűben-fában orvosságot felfedező javasasszonyok, az antropomorfizálást mesterfokon űző erdőkerülők, ezoterikus egységelméletekben utazó new age-prédikátorok vagy egyes természetfilozófia irányzatok képviselői hirdettek.
A tudománytörténet az 1983 júliusában a Science-ben megjelent közleményt tartja a növényi viselkedéstan origójának. Ian Thomas Baldwin, az akkor még vegyésznek készülő ökológus és Jack Schultz, a Dartmouth Egyetem fiatal biológusa ebben arról számolt be, hogy a nyárfák kommunikálnak egymással, méghozzá nem is akárhogy. A sokak által nettó badarságnak tartott hipotézisüket a kutatóknak sikerült kísérleti úton igazolniuk. Az azóta a Max Planck Intézet, illetve a Missouri Egyetem e tárgyú növénykutató intézeteit vezető Baldwin és Schultz arra figyelt fel, hogy a nyárfák, ha leveleiket vagy törzsüket megsértik, illékony fenolvegyületet termelnek. A mérgező anyagról eleinte azt gondolták, hogy a kártevők elleni védekezésben játszik szerepet. Csakhogy kiderült: egy idő után a sértetlen szomszédok testében is megjelenik a vegyület. Feltevésüket, hogy a vegyület nem más, mint veszélyt jelző szignál, kísérletileg bizonyították.
Állati...
A fotoszintetizáló élőlények nem rendelkeznek olyan bonyolult, kizárólag az információtovábbításra specializálódott hálózattal, mint az állati idegrendszer. A tápanyagfelvételkor, a növekedés során, szárazság vagy vízbőség, továbbá az említett sérülések, például rovarharapás következtében létrejövő kémiai és elektromos jelek sejtről sejtre gyűrűznek tovább. Ezek a szignálok kezdeményezik a lassabb, hosszú órákkal később beinduló alkalmazkodási folyamatokat is: például a szélben megdőlt éretlen gabona szövetnövesztéssel és vízfelvétellel, vagyis a szár megerősítésével való kiegyenesítését.
A növényekkel kapcsolatban állati, különösen pedig emberi jellegű élettani sajátosságokat emlegetni ezért nem is lehet. Ugyanakkor, mint azt Francisco Calvo Garzón, a Murciai Egyetem neurobiológusa írja az elmúlt évtizedek eredményeit lajstromozó cikkében, a szövetek sérülésekor (például rovarrágáskor) elektromos jelek keletkeznek a sejtekben. Ez a már évtizedek óta ismert úgynevezett akciós potenciál tulajdonképpen azonos az állati sejtek reakciójával, vagyis azzal a jelenséggel, amikor az idegrendszer riadót fúj, és mondjuk az izmok önkéntelenül összerándulnak.
A különbség „csak” annyi, hogy a növények, mint írtuk, nem rendelkeznek idegrendszerrel, így mások a vészreakcióik is. Összerándulás helyett például úgynevezett cseranyagokat kezdenek termelni a sérülés közvetlen környezetében. Ez megakadályozza az elfogyasztott levélrészek megemésztését, és ezáltal elpusztítja a kártevőket – legalábbis azokat, amelyek magányosan támadnak. Az ugyancsak termelődő illékony jázmonsav ráadásul akár egy egész veteményest „fellármázhat”, a fajszomszédokat is a méreganyag termelésére buzdítva.
A sérült növény riasztja szomszédait
Hogy miféle bonyolult mechanizmusról van szó, lerövidítve és némileg konyhanyelvre fordítva idézzük Szigyártó Lídia és Fodorpataki László A növények ökofiziológiájának alapjai című tankönyvének idevágó sorait: „a sérült sejtfalakból szisztemin szabadul fel. Ez a 18 aminosavból álló kis peptidlánc a sérülés helyéről a háncs útján elszállítódik a növény testének minden részébe és egy általános, szisztémikus védekezési reakciót indít be, a növény így sikeresebben ellenáll a következő sebzések kedvezőtlen hatásainak. Ezzel egyidőben a sérült sejtfalakból pektinázok és oligoszacharinok is felszabadulnak. Ez utóbbiak kötődnek a plazmamembránban levő receptoraikhoz, ezzel aktiválják a sajátos proteinkinázokat (szerin/treonin kinázok) és -lipázokat, beindítva a sejtek közötti jelzéstovábbítást.
Az aktiválódó lipáz hatására linolénsav szabadul fel a sérült sejtfalszakaszokból, ez pedig jázmonsav képződésére használódik fel. A jázmonsav hatására aztán aktiválódnak a proteinázgátló fehérjemolekulák génjei, a sérülés helyén az állati fehérjeemésztő enzimek (a tripszin és a kimotripszin) működését leállító növényi gátlóanyagok keletkeznek, amelyek emésztési zavart okoznak a növényevőben. (...) Ezekkel párhuzamosan a jázmonsav egy részéből illékony metil-jázmonát keletkezik, amely a levegőben terjedve átjut a szomszédos növényekbe. A légtérben zajló vegyi kommunikációval a sérült növény riasztja szomszédait, hogy azok idejében felkészülhessenek egy esetleges támadásra. A jázmonsav közvetítésével megvalósuló lokális jelzés főleg patogén mikroorganizmusok és apró gerinctelenek, a szisztemin segítségével kialakuló szisztémikus jel pedig főleg nagyobb növényevő állatok támadása során hatékony”.
2009-ben a jénai Max Planck Intézet és giesseni Justus Liebig Egyetem kutatói lóbab- és takarmányárpa-palántákon egy új típusú elektromos szignált azonosítottak, amely az akciós potenciállal ellentétben nem csupán a sérülés környezetében aktiválja a növényi szöveteket, hanem meglepően gyorsan – másodpercenként 5-10 centiméteres sebességgel terjedve – az egész növényt riadóztatja.
Az általuk vizsgált haszonnövények például egy rovarattak kezdete után alig pár másodperccel már minden energiájukat a védekezésre, a kárelhárításra és a sebgyógyításra fordítják. Viszont azt találták, hogy az elektromos szignálok csak egyeden belül működnek, egy növénytársulás tagjai pedig csak a már említett kémiai jelekkel (jázmonsavval) kommunikálnak egymással. A kutatást vezető Axel Mithöfer akkor még csak feltételezte, hogy a mikroszkopikus fonalaikkal egész réteket, erdőket átszövő talajgombák is részt vesznek valamilyen módon a növényi információáramlásban.
Wood Wide Web
Ami alig tíz éve még találgatások tárgya volt, ma már tény. 2009-ben a Suzanne Simard, a University of British Columbia ökológusa által vezetett kutatócsoport először azt bizonyította, hogy az amerikai duglászfenyő, illetve a papírnyír egyes idősebb példányai távolból táplálják fajuk magoncait és csemetéit, majd egészen elképesztő eredményre jutott.
Az erdőlakó talajgombák vékony fonalaiból, a micéliumból álló hálózaton keresztül kosztoltatott növendékfákról szóló állítás igazából merész kifejtése volt az addig tudottaknak. Nevezetesen, hogy a fotoszintetizáló növények gyökerzete és a gombák közötti szimbiotikus, mindkét fél számára hasznos – a gombának szénhidrátokat, a növénynek a tápanyag- és vízfelvételt hatékonyabbá tevő – kapcsolatrendszer miatt a gombafonalak a felszín alatt kiterjedt hálózatokat alkotnak. Ez pedig tápanyagszállító összeköttetést biztosít egy egész növénytársulás minden egyes tagja között. Simard és kollégái szerint ennek, az általuk a világháló analógiájára wood wide webnek elkeresztelt hálózatnak határozott kommunikációs funkciója is van.
Mint azt Peter Wohlleben német erdőmérnök a magyarul A fák titkos élete címen megjelent népszerűen tudmányos kötetében is kifejti: a talajt átszövő micélium-struktúra afféle epidemiológiai riasztórendszer. Hogy a dolog nem csak a fáknál működik, azt a Dél-Kínai Agráregyetem kutatói bizonyították 2010-ben. Párosával cserepekbe ültetett paradicsomokat neveltek, lehetővé téve, hogy egyes pároknál kialakuljon a gombafonal-kapcsolat, míg másoknál nem. A párosok egyik tagjára foltosodást okozó paradicsomkórokozót permeteztek, ezután légmentesen lezárták a növényeket, hogy a felszín fölött ne léphessenek interakcióba egymással.
Két nappal később a kutatók megfertőzték a palántapárok másik egyedeit is. Ahol kialakult a micéliuomos hálózat, a tünetek jóval enyhébbek voltak, mint ahol nem. Az aberdeeni egyetemen mindezt lóbabbal és levéltetvekkel ismételték meg: a támadásnak kitett egyedek a gombahálózaton keresztül értesítették fajtársaikat, amelyek aztán már felkészülten, méreganyagot termelve várták a támadást. A be nem hálózott példányokat azonban váratlanul érte a levéltetű-attak.
Pár éve az is tudható, hogy az észak-amerikai fekete dió, valamint a szintén újvilági apró bársonyvirág arra használja a wood wide webet, hogy a hálózatba növekedésgátló toxinokat bocsátva versenyelőnyhöz jusson a környezetével szemben.
Érzékenység és biológiai statika
A növényi viselkedés úttörőjének számító, már idézett Baldwin szerint eddig közel 700 mechanikai, kémiai, fény- és hőérzékelő növényi receptort fedeztek fel. Ezek az állatokénal többnyire jóval érzékenyebbek, a fényt például olyan ultraibolya és infravörös hullámhosszokon és olyan gyenge intenzitástartományokban is érzékelik, amiket az ember el sem tudna képzelni. Ez a szenzitivitás a mechanikai jelekre, vagyis a tapintásra is érvényes, amelyet a növények, mindenekelőtt a fák (helyzetváltoztató) mozgásuk vezérlése során kamatoztatnak.
Bruno Moulia, a Clermont-Ferrandban található francia mezőgazdasági kutatóközpont, az Institut National de la Recherche Agronomique botanikusa 2013-ban publikálta azokat az eredményeit, amelyek szerint a fák növekedése korántsem olyan automatikus, mint azt korábban gondolták. A tövénél megcsavart hajtás például nem tudna felegyenesedni, mert gyökerei ferdén tartják, ám a gravitációt észlelő sejtek jelei alapján korrigálja a pozícióját.
És ez még nem minden, hiszen a szomszédos sejtek befolyással vannak egymásra, így az egész apró, helyi görbületek érzékelésére is alkalmasak. Moulia megfogalmazásában: a lokális észleléssel a globális mozgásukat kontrollálják. 2016-ban Bruno Clair és Tancréde Alméras francia botanikusok molekuláris szinten tárták fel a fák efféle mikromozgásainak titkát. Kiderült, hogy a kéreg két sejtjének távolsága a bennük lévő folyadéknyomás függvényében nő, illetve csökken. Vagyis a fatörzs struktúrái dinamikusan nyúlnak és rövidülnek – a nyomásváltozással korrigálják a fa „testtartását”. A sejtfal tehát afféle izomrostként funkcionál. A fák így voltaképp növekedés nélkül, de mégis mozogva alkalmazkodnak környezetük változásaihoz.
A növényi IQ és a családi összetartás
„Decentralizált információbeszerzésen és -feldolgozáson alapuló intelligencia” – definiálja a növényi viselkedést a már idézett Francisco Calvo Garzón. Ennek része az emlékezet. Laura Ruggles ausztrál tudományfilozófus a növényi tudat mibenlétére irányuló kutatásokat is szemléző – az egyedi életesemények biológiai örökölhetőségéről szóló – cikkében azt írja , hogy a mályva például emlékszik az előző napi napsütésre, hajnalban arra fordul, ahonnan az előző reggel az első sugarak érkeztek. Az is bizonyított, hogy a rezgőnyárfa a szelet memorizálja: ha a fa ága meghajlik, az egyik addig inaktív gén kifejeződése beindul, megerősítve az ágakat. De ha a hajlítás gyakrabban, naponta többször is megismétlődik, a gén hallgat, mivel a statikai merevséggel a törés kockázatát növelné. Ruggles szerint legalább hat-hét hajlításmentes nap kell hozzá, hogy újból észlelhető legyen a génaktivitás. Bármily meglepő, a mimózának is van memóriája: bár egy darabig akkor is összezárja a leveleit, ha cserepével együtt megemelik, egy idő után csak akkor reagál, ha közvetlen mechanikai nyomást érzékel.
Susan Dudley kanadai botanikus banánpálma, kakaóbabcserje és bambusznád egyedeit ültette hol egymás mellé, hol pedig váltogatva a fajokat. Másfél hónap után összehasonlította a példányok különböző funkciójú szerveit. Arra jutott, hogy a fajtársak láthatóan nem rivalizálnak egymással a tápanyagon, gyökérzetük nem lóg át a szomszédba, energiájuk javát a reprudukcióért felelős apparátusaik fejlesztésére fordítják.
Észt kutatók 2016-ban publikálták erre rímelő eredményeiket. A tartui egyetem botanikusai a pillangósok körében (fűfélék, lóhere) mutatták ki a rokonság felismerésének képességét és az eleddig csupán a magas szocializációt mutató állatok körében megfigyelt altruista viselkedést – bár szó szerinti önfeláldozásról azért nem számoltak be. Tapasztalataik szerint ugyanakkor a lóhere annál inkább tekintettel van fajtársaira, minél nagyobb az egyedsűrűség az élőhelyen.
Hogy mi tartogat még a már nagykorúvá vált növényi viselkedéskutatás, azt legfeljebb a művelői sejtik. Annyi bizonyos, hogy egyre kevésbé tűnik gyermeki fantáziának a tolkeini mitológia rokonszenves fapásztorainak emberi nemzedékeken és történelmi korokon átívelő bölcsessége. További felvilágosítással a (cserepes) karácsonyfák szolgálnak.