Okosabb vagy, mint egy napraforgó?

A növények, ha nem is látnak úgy, mint az ember, érzékelik a fényt; ha nem is hallanak úgy, mint az ember, reagálnak a nekik fontos hangokra; és ha nem is tudnak beszélni úgy, mint az ember, kommunikálni igenis képesek egymással – ez derül ki Daniel Chamovitz, a Tel-Avivi Egyetem botanikus professzora Mit tud a növény? című növényélettani kalauzából, amelynek második, frissített kiadása néhány hete jelent meg magyarul a Park kiadónál.  A kötetben Chamovitz nem szenzációként, hanem lenyűgözően összetett biológiai (biokémiai és biofizikai, illetve DNS-szintű) folyamatok összeségeként tálalja a növényi érzékelés válfajait. 

Chamovitz könyvének naprakész magyar változataFotó: Qubit

Minden a nyárfákkal kezdődött

Az állati viselkedést vizsgáló etológia analógiájára három és fél évtizede kezdődtek azok a növénykutatások, amelyek révén ma már nyilvánvaló, hogy a földi flóra a faunával összevethető bonyolultsággal reagál a környezetére. 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. Sokak által nettó badarságnak tartott hipotézisüket a kutatók kísérleti úton igazolták: a nyárfák, ha leveleiket vagy törzsüket megsértik, illékony fenolvegyületet termelnek. Az anyag, bár mérgező, nem a védekezés, hanem a kommunikáció eszköze, és mint kiderült, egyike az unverzális vészjelző szignáloknak a növényvilágban.

A fotoszintetizáló élőlények nem rendelkeznek olyan bonyolult, kizárólag az információtovábbításra specializálódott hálózattal, mint az állati idegrendszer. Ám, mint azt mások mellett Francisco Calvo Garzón, a Murciai Egyetem neurobiológusa is leszögezi az elmúlt évtizedek eredményeit felsoroló cikkében, a szövetek sérülésekor (például rovarrágáskor) keletkező elektromos jelek, az 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 növényeknek mások a vészreakciói: 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 ilyenkor ugyancsak termelődő illékony jázmonsav pedig akár egy egész veteményest „fellármázhat”, a fajszomszédokat is a méreganyag termelésére buzdítva.

A növény is lát, de nem képet alkot, hanem érzetet 

Chamovitz kötete a növényi érzékelésre fókuszál – például arra, hogy miképpen működik a növények fénypercepciója. A fényingereket képekké konvertáló idegsejthálózat és agykéreg híján a napraforgó (Helianthus annuus) természetesen nem tudja, hogy egy virágkedvelő leány vagy egy középkorú botanikus takarja-e ki előle a Napot – írja a szerző, aki egyúttal azt állítja, hogy a növények igenis látnak. 

Hogy a természettudományokban kevésbé jártasaknak is világos legyen, Chamovitz látáselméleti alapvetéssel indítja a magyarázatot. Mint írja, a fényt az emberek túlnyomó többsége az elektromágneses hullámoknak az úgynevezett vizuális spektrumba eső – 390 és 750 nanométer közötti – frekvenciatartományaként értelmezi. Az ember – vagyis az emlős – szemének retináját borító speciális fehérjék, az úgynevezett fotoreceptorok ugyanis az ilyen hullámhosszokon érkező jelek energiáját képesek csak elnyelni. A fenti hullámhossztartományra érzékeny pálcikák  és a színek megkülönböztetésére specializálódott (R-, K- és H-) csapok – a bennük található, látóbíbornak is nevezett rodopszin, illetve a kétféle úgynvezett fotopszin-fehérjének köszönhetően – közvetítik az agynak a fényingereket, amelyekből aztán összeáll a vizuális információ.

A növényeknél azonban nem képekké „állnak össze” a külvilágból érkező elektromágneses hullámok, hanem a viselkedést meghatározó érzetekké – írja Chamovitz. Erre az evolúcióelmélet atyja, Charles Darwin jött rá. Az 1880-ban publikált A mozgás ereje a növényekben című, a szintén természettudós fiával, Francisszel közös jegyzett botanikai mű kísérletekkel alátámasztott alapvetése szerint a növény „szeme” a hajtáscsúcs. 

A két Darwin pántlikafüve (Phalaris canariensis) csak akkor nem követte a fényt, ha hajtás osztódó szöveti állományát eltávolították, illetve letakarták. A fototropizmusnak elnevezett univerzális fényérzékelési viselkedés élettani hátterére Paál Árpád talált magyarázatot az 1910-es évek végén, a dán Peter Boysen-Jensen kísérleti eredményeire támaszkodva. A növényi hormonok kutatásának magyar úttörője rájött, hogy a hajtáscsúcsban fény hatására termelődő indol-3-ecetsav (a később auxinok néven azonosított növényi hormonok leggyakoribbja) fordítja fényirányba a hajtást, méghozzá úgy, hogy a hajtáscsúcs alatt beindítja a növény növekedését. (Ennél bonyolultabb a dolog: ez a hormon kisebb mennyiségben fokozza a szövetosztódást, nagyobb koncentrációban viszont gátolja.)

A fototropizmus folyamatábrája – a lila pöttyök az auxint jelölikFotó: Wikipédia

Ezzel szinte egyidőben az Egyesült Államok mezőgazdasági minisztériumának két kutatója, Wightman W. Garner és Harry A. Allard felfigyelt a fényszakosságnak is nevezett fotoperiodizmus jelenségére is. Először  Nicotiana, azaz a dohány különféle fajaival, aztán a szójababbal (Glycine max), illetve a krizantém (Chrysanthemum) és a nőszirom (Iris) nemzetség tagjaival folytatott kísérletek eredményeként kiderült, hogy léteznek rövid- és hosszúnappalos növények. A késő tavaszal, kora nyáron virágzók akkor pompáznak, amikor a nappali megvilágítás időtartama nagyobb (másképpen, az éjszaka rövidebb), míg az ősszel virágzóaknál az indítja be a szirombontást, amikor a nappali megvilágítás időtartama rövidebb (az éjszaka hosszabb). Kiderült az is, hogy valójában az éjszakák és nem a nappalok hossza a kulcs. Vagyis a hosszúnappalos növények virágzását a kurta, a rövidnappalos növényekét pedig az elnyúló éjszakák váltják ki.

Mit lát a lúdfű?

Hogy miféle biológiai mechanizmus mozgatja ezt a növényi kronométert, arra végül az 1980-as évek genetikai eredményei derítettek fényt. A Wageningeni Egyetem kutatója, Maarten Koornneef volt az úttörők egyike, aki a növényélettani laborok máig törtelen népszerűségű lúdfűvel (Arabidopsis thaliana) kezdett kísérletezni. Az általa más és más DNS-mutációkkal előállított egyedek különféleképpen reagáltak a kék, a vörös, vagy éppen az ibolyántúli tartományokra. Mára kiderült, hogy a genetikailag elsőként feltérképezett lúdfű tucatnyi fotoreceptorral, (például fototropinokkal, fito- és kriptokrómokkal) rendelkezik. „Az egyik azt mondja meg a növénynek, hogy mikor csírázzon, a másik, hogy mikor hajoljon a fény felé, egy harmadik meg, hogy mikor van éjszaka. Van amelyik arról tájékoztatja, hogy csak úgy zuhog rá a fény, egy másik arról, hogy beállt a félhomály, s van amelyik az időzítésben játszik szerepet” – írja Chamovitz. 

A növénykutatások laboregere, a lúdfűFotó: Kristian Peters/The whole copyright is owned by Kristian Peters. This work is licensed under the GNU Free Documentation License Version 1.2.

Az említett időzítést az úgynevezett cirkadián óra vezényli. Az állatokban is jelenlévő, a nappalok és éjszakák élettani folyamatait szabályozó komplex mechanizmus  – amelynek genetikai részmagyarázatát tavaly Nobel-díjjal jutalmazták – növényi verziójának nemzetközileg is az egyik legelismertebb kutatója Kozma-Bognár László, az MTA Szegedi Biológiai Kutatóintézetének tudományos főmunkatársa. A biológus a Természet Világa című lapnak adott 2013-as interjújában így foglalta össze a lényeget: „A növények helyhez kötött életmódot folytatnak, így minden érzékelő rendszerük többszörösen túlbiztosított. Azért van többek között nagyon sok fotoreceptoruk, hogy mindenféle hosszúságú fényt »meg tudjanak fogni« – és ez ebben az esetben nem a fotoszintézis lehetőségét jelenti, hanem azt az információt, hogy fény van.” Kozma-Bognár szerint ugyanis állandó 24 órás fényben a növény éppúgy a nappal-éjszaka ciklusát követve fotoszintetizál, illetve nem fotoszintetizál, mint „rendes” körülmények között. „Ez annak köszönhető, hogy a növényekben működő cirkadián óra nagyon szigorúan szabályozza azoknak a fehérjéknek a termelődését, amelyek a fotoszintézishez szükségesek”. A magyar biológus leírja: az óragének és az általuk kódolt fehérjék mondják meg a növénynek, hogy milyen napszak van, és nem a külső, objektív idő. 

Ehhez csatlakozik egy olyan rendszer, ami a külső fényjeleket továbbítja a központi órához. Ezek a fényjelek nem azért kellenek, hogy az óra ketyegjen, hanem azért, hogy összhangba kerüljön a külső fény-sötét ciklussal. A jelátviteli rendszer kezdetén kétféle fotoreceptor játszik fontos szerepet a fényjelek érzékelésében. Az egyik a fitokróm fotoreceptor-család, amely a vörös, illetve távoli vörös fényt képes elnyelni, a másik pedig a kriptokróm fotoreceptor-család, amely a kék fény elnyelésében játszik szerepet. Mindkét családban több fotoreceptor-fehérje található, ezekkel a növény biztosan észreveszi a fényt. Így a cirkadián óra a megfelelő fénnyel szolgáló napszakhoz igazítja az egyes életfolyamatokat. „Ha ezek máskor is működnének, az óriási energia- és anyagpazarlást jelentene” – foglalta össze Kozma-Bognár.

Ásványi ízek

Köztudott, hogy az állatokkal ellentétben a növények maguknak gyártják le az életműködéshez szükséges tápanyagokat. Azt még a kisgyerek is tudja, hogy a fotoszintézis során az autotróf élőlények vízből és a légköri széndioxidból cukrot állítanak elő, amiből aztán fehérjéket és összetett széhidrátokat készítenek. Ám ehhez szükségük van ásványi anyagokra, nevezetesen nitrogénre, foszforra, káliumra, kálciumra és magnéziumra, továbbá vasra, cinkre, bórra, rézre, nikkelre, molibdénre és mangánra – sorolja az összetevőket könyvében Chamovitz. A fotoszintézis például nem működik elegendő magnézium és mangán nélkül: a magnézium ugyanazt a központi szerepet játsza a klorofill-molekulákban, mint a vas az állati-emberi vér hemoglobinjában.

Klorofill-molekula középen a neonzölddel jelölt magnéziummalFotó: Wikipédia

De vajon miként szedik össze ezeket a hozzávalókat a derék növények, amelyeknek az állatokkal ellentétben nincsenek az ásványok ízlelelésére is alkalmas, receptorokkal teli ízlelőbimbóik? Van más módszerük: a gyökérzetet alkotó sejtek mindegyikében megtalálhatóak a felsorolt anyagokat megkötő fehérjék. Vagyis, írja Chamovitz, a növényeknél egyazon helyen megy végbe a tápanyagok azonosítása, felvétele és elindítása a szervezet azon részei felé, ahol azok hasznosulnak. (Az emlősöknél az ízlelés és a tápanyagfelvétel két külön rendszert alkot.) 

Magyarázó ábra Chamovitz könyvébőlFotó: Qubit

Hervasztó-e a Led Zeppelin?

A természettudományi legendárium Darwint tartja a növényi hallásvizsgálatok úttörőjének. A tudós, miután felfedezte a növényi látást, és a mimózák révén a tapintást is, amatőr, de állítólag tehetséges fagottjátékosként azt kezdte kutatni, hogy a muzsikának, pontosabban a hanghullámoknak van-e bárminemű hatásuk a növényekre. 

Darwin egy mimóza leveleit próbálta bezárulásra bírni saját fafúvós repertoárjának segítségével. Nem sikerült neki, a kortársak és a tudománytörténet pedig a korszakos zseni bolondos tévedésének könyvelte el az esetet. Az ötlet akkor került újra elő, írja Chamovitz, amikor a 20. század második felében szárba szökkenő ezoterikus világmagyarázatok követői a zenének univerzális biológiai gyógyhatást kezdtek tulajdonítani. A hippikorszakot túlélélő, az evolúció elméletét is a teóriaturmixába adagoló New Age energia-miszticizmusának hatására a természettudományok farvizén egyre többen kezdtek foglalkozni a szoba és haszonnövények zeneterápiájával. 

A média ingerküszöbét, legalábbis Amerikában, a kerek 45 évvel ezelőtt megjelent The Sound of Music and Plants című, tudományosnak álcázott kötet lépte át. A bestseller szerzője Dorothy Retallack műkedvelő operaénekesnő és botcsinálta botanikus volt, aki saját állítása szerint kísérletileg bizonyította, hogy bizonyos dallamok serkentőleg, mások viszont gátlólag hatnak a növényi fejlődésre. Mindezt úgy derítette ki, hogy filodendron-, muskátli-, ibolya- és kukoricapalántákkal Johann Sebastian Bach- és Arnold Schönberg-darabokat, valamint Jimmy Hendrix- és Led Zeppelin-számokat hallgattatott. 

Retallack arra jutott, hogy a lágy klasszikus zene kedvező hatással van a növényekre, míg a Led Zeppelin második (The Brown Bomber címen is ismert) albuma, illetve Jimmy Hendrix Band of Gipsys lemeze még a schönbergi dodekafóniánál is aktívabban satnyítja a kísérleti vegetációt. Retallack az agresszív dobfutamokban vélte felfedezni a probléma gyökerét, mert amikor például a ritmusszekció hangsávja nélkül játszotta le a Whole Lotta Love című Zeppelin-számot, akkor kisebb mértékű hervadást tapasztalt. 

Ez itt egy dobos verzió:

Mint Chamovitz megjegyzi, Rettalack eredményei egyáltalán nem állták ki a tudományosság próbáját, a kontrollkísérletek pedig azt mutatták, hogy az emberi zene semmiféle hatással nincs a növényekre. (A témában született publikációk ugyanakkor nyilvánvalóvá tették, hogy a növénybiológusok leginkább a progresszív rockzenére gerjednek az 1970-es évek óta.)

Evolúciós hangolás

Gyökeres fordulat alig pár éve következett be a növényi érzékeléskutatás audiofrontján. A Monica Gagliano és Stefano Mancuso ausztráliai, illetve olaszországi növény-neurobiológusok által 2012-ben elindított bioakusztikai kutatások az evolúció logikája mentén keresik a lehetséges válaszokat. Chamovitz könyve a Tel-Aviv-i Egyetem élettudományi tanszékén zajló interdiszciplináris kísérletet hozza fel példának arra, hogy a növények igenis reagálnak a nekik fontos hangokra, még ha nem is úgy, mint az ember. Az izraeli biológusok jelenleg is azt vizsgálják, hogy a Földközi-tenger partvidékén is honos ligetszépe (Oenothera perennis) nektártermelése összefüggésbe hozható-e a szenderlepkék és a vadméhek röpzajával. Másképpen: reagálnak-e a növények a pollenizátoraik jelenlétére, és ha igen, miképpen. 

Első körben az egyetem nemzetközi hírű denevérkutatóinak speciális hangfelvevő eszközeivel rögzítették a ligetszépe beporzását végző rovarok repülésének hangját, majd azt visszajátszották a virágoknak. Kiderült, hogy a beporzók akusztikus jeleire a növények cukorban gazdagabb nektárt termeltek, míg az efféle hangszignálban nem részesített kontrollcsoportnál nem tapasztaltak ilyesmit. 

Chamovitz biztatónak tartja az eredményt, de, mint írja, ezzel még csak az nyilvánvaló, hogy jó irányba kezdtek kapisgálni. Arról ugyanis még fogalmuk sincs a növényi érzékeléssel foglalkozó kutatóknak, hogy a növényi fület voltaképpen hol is keressék. Ugyanakkor egyre több jel utal arra, hogy maguk a növények is képesek a hangkeltésre, és nem csak akkor, ha a szél borzolja a leveleiket, ám erről Chamovitz még a sejtetés szintjén sem mond ennél többet. 

A növényi kommunikációról és az érzékelésről az alábbi cikkeinkben írtunk korábban: