Есть ли у растений нервные ткани

У животных раздраженные клетки нервной системы выпускают глутаминовую кислоту, которая создает электрохимический выброс ионов кальция, с помощью которого клетка удаляется от опасной области. В этом процессе участвуют нейромедиаторы — вещества, с помощью которых импульс передается от одного нейрону к другому. Исследователи из США и Японии выяснили, что у растений имеется очень похожая система.

Что интересно, авторы исследования пришли к данному открытию случайно, когда изучали влияние гравитации на изменение уровня содержания кальция у травянистого растения резуховидки (Arabidopsis). Один из ученых создал молекулярный сенсор — флуоресцентное вещество, чувствительное к содержанию кальция и позволяющее наблюдать за изменениями его уровня в растении в реальном времени. Чем выше уровень кальция, тем ярче оно светится. С помощью молекулярного сенсора ученые смогли увидеть, как изменяется уровень кальция в тканях растения в разных условиях.

На видео ниже можно видеть, как от поврежденного участка растения передается подсвеченный сигнал. Скорость выброса составляет всего около миллиметра в секунду, что гораздо медленнее, чем у нервных клеток животных (120 метров в секунду). Тем не менее, этого вполне достаточно, чтобы остальные части растения успели запустить процесс производства защитных механизмов. Например, одни растения начинают производить больше химически вредных веществ, становясь несъедобными для насекомых, другие отпугивают своих обидчиков резким запахом.

Реакция растения на свое поедание гусеницей

Что именно повышает уровень содержания кальция в растении? Авторы исследования считают, что все дело в той же глутаминовой аминокислоте (глутамате), которая ранее также была обнаружена в растениях. Об этом также косвенно свидетельствуют выводы другого исследования, проводившегося в 2013 году. В них говорилось, что у растений, не имеющих глутаматных рецепторов не происходит электрической реакции на угрозу.

Глутамат запускает реакцию

Образовавшаяся рана приводит к выбросу глутамата. Он принимается рецепторами, которые повышают уровень содержания кальция, что в свою очередь приводит к запуску защитной системы, которая в свою очередь пытается уберечь растение от получения дальнейшего повреждения. И все это происходит без нейронов. Похоже, что наши зеленые друзья гораздо сложнее и динамичнее, чем могут показаться на первый взгляд.

Ученые добавляют, что продолжат более дательное изучение сигнальной системы у растений и, возможно, найдут способ ею управлять.

Обсудить открытие международной команды биологов можно в нашем Telegram-чате.

На нашей планете обитает множество опасных бактерий и одними из самых известных считаются сальмонеллы (Salmonella). Они проникают в организмы людей и животных через пищу, покрывают собой стенки кишечника и начинают выделять ядовитые вещества. В конечном итоге развивается болезнь сальмонеллез, которая сопровождается болями в животе, повышением температуры тела, слабостью, рвотой и другими неприятными симптомами. При правильном […]

Заходя в ванную комнату, некоторые жители первых этажей многоквартирных домов видят перед собой разбегающихся в разные стороны мокриц (Oniscidea). Эти ракообразные существа с усиками и семи парами ног обожают влагу, поэтому и поселяются в человеческих жилищах и наводят страх своим не самым приятным видом. Но знаете ли вы, что на большой глубине морей и океанов […]

Нас с детства учили, что на Земле существует шесть континентов и шесть частей света, правда, они не строго соответствуют друг другу. Там, где Америка делится на северную и южную с точки зрения континентов, они составляют одну часть света — Америку. Евразия, наоборот, один континент, который делится на две части света: Европу и Азию. Вроде, все […]

Но вот совершенно аналогичным образом, глядя на открытую у растений систему передачи раздражения, напоминающую по своим функциям и физической организации периферическую нервную систему животных, ботаники начала прошлого века стали подумывать о существовании у растений центральной нервной системы и высшей нервной деятельности. Инициатива на сей раз исходила от немецких ботанических школ, представители которых в свое время решительно отрицали саму идею чувствительности растительных тканей.

Чувствуют ли растения? Обладают ли растения сознанием? Есть ли, наконец, у растений душа? Все эти вопросы, казалось бы, вполне логически вытекают из факта существования у растений некого подобия, пусть самого отдаленного, нервной ткани и нервной системы. Ибо если сходство в способе развития, химизме и важнейших жизненных отправлениях растительных и животных организмов действительно так велико, как утверждают ведущие биологи во главе с Дарвином, то у растений могут существовать некоторые зачатки высшей нервной деятельности.

В начале минувшего века возник подлинный бум деятельности фитопсихологов. Глашатаями идей фитопсихологии в России оказались столпы официальной ботанической науки – академики А. С. Фаминцын (1835—1918), И. П. Бородин (1847—1950) и С. И. Коржинский (1861—1900).

Действительно, мало кто обращал внимание на росянку, даже если она и попадалась на глаза, и почти наверняка никто не видел венериной мухоловки. Но вот василек, подсолнух, барбарис видели все; а многим ли известно, что тычинки цветков этих растений при легком прикосновении приходят в движение? Это явление у артишока напоминает ритуальный танец тычинок: при легком встряхивании цветка пыльники склоняются сначала друг к другу, затем в противоположные стороны, после этого тычинковая нить начинает быстро укорачиваться, и наружу выделяется капля жидкости, содержащей пыльцу. А поскольку причиной сотрясения цветка оказывается насекомое, естественно, ему нелегко пробраться мимо извивающихся тычинок, не обвалявшись как следует в этой жидкости. Так что назначение движений вполне определенное. Кстати, после оплодотворения тычиночные нити полностью утрачивают подвижность, хотя сам цветок продолжает развиваться.

Нечто подобное происходит и с тычинками подсолнуха, но их движение менее энергично и вся картина не столь впечатляюща. Довольно быстро движутся тычинки у барбариса. В спокойном состоянии они прилегают к лепесткам цветка и образуют с пестиком прямой угол. Если осторожно прикоснуться к какой-либо из них, она быстро загнется внутрь, а затем возвратится назад.

Еще одна интереснейшая реакция многих цветков на механические раздражения, не связанные с видимыми движениями органов, – выделение нектара. Цветок липы, например, по которому ползает насекомое, начинает интенсивнее выделять нектар. В опыте, поставленном с целью обнаружить сопутствующие этому процессу электрические эффекты, один микроэлектрод вводился в ткань нектарника, другой – в проводящие пучки, обслуживающие нектарник. Оказалось, что при механическом раздражении некоторых частей цветка возникают электрические импульсы, передающиеся по железистым клеткам в проводящие пучки и по достижении нектарника стимулирующие его деятельность. Интересно отметить, что при этом усиливается не только отделение нектара, но и его образование в нектарнике. Реакция нектарника очень быстрая: выделение нектара начинается практически сразу после того, как насекомое садится на цветок.

Итак, можно сделать вывод, что электрическая передача возбуждения – явление не уникальное и не исключительное. Оно характерно для жизнедеятельности многих представителей растительного царства.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

11 декабря 2018

2666
2,0
2
2

Наталия Солнцева

Вера Башмакова
Андрей Панов

Биология
Биомолекулы
Гормоны растений
Ионные каналы
Рецепторы

В одном из сентябрьских номеров Science вышла статья, в которой рассказывалось об открытии защитной системы растений, имеющей много общего (неожиданно!) с нервной системой животных. Оказалось, что Arabidopsis thaliana может передавать кальциевые сигналы к своим отдаленным органам с весьма большой скоростью, используя рецепторы к глутамату в качестве сенсоров повреждения. В ответ на эти сигналы растение усиливает синтез различных защитных веществ, которые предотвращают его дальнейшее поедание травоядными животными. Наша статья посвящена деталям этого открытия.

Введение

В одном из недавних дайджестов SciNat [1] мы вскользь упомянули о том, что ученые обнаружили у растения Arabidopsis thaliana (русское название — резуховидка Таля) дальнодействующую и относительно высокоскоростную систему кальциевой сигнализации, которая активируется в ответ на механическое повреждение за счет особых растительных глутаматных рецепторов (glutamate-like receptors, GLR) [2], [3]. GLR синтезируются повсеместно у разных групп растений — от мхов до покрытосеменных — и принимают участие во множестве процессов: они могут играть важную роль в размножении, защите от патогенов, росте корней, регуляции степени открытия устьиц и трансдукции светового сигнала [4–7]. Необычность этой находки состоит в том, что глутамат также является распространённым возбуждающим нейротрансмиттером у позвоночных животных [4]. Кроме того, глутаматные рецепторы в большом количестве присутствуют на поверхности иммунокомпетентных клеток млекопитающих, для которых глутамат является важным иммуномодулятором [8]. Несмотря на то что растения и животные далеко отстоят друг от друга в эволюционном смысле, наличие у обеих групп системы межклеточной коммуникации на основе рецепторов к глутамату свидетельствует в пользу универсальности и эволюционной древности такой системы.

Стоит отметить, что участие GLRs в неспецифических защитных реакциях растений уже было ранее показано для Arabidopsis thaliana. Например, в статье 2014 года авторы предложили модель, где глутаматные рецепторы играют роль аминокислотных сенсоров при повреждении [10]. Однако каким именно образом GLRs и последующее повышение уровня внутриклеточного Ca 2+ активируют системную защиту растения, известно не было.

Что чувствуют растения?

Рисунок 1. Культура Arabidopsis thaliana, выращенная в чашке Петри на среде из агара

1 мм/с, что гораздо быстрее, чем можно объяснить простой диффузией. Тот факт, что Arabidopsis одинаково реагировал и на поедание гусеницей, и на повреждение ножницами, говорит нам о том, что для активации описанной сигнальной системы не требуются специальные химические вещества, выделяемые травоядными животными при поедании различных частей растения (рис. 2).

Видео 2. Поедание гусеницей стимулирует выработку кальциевых сигналов, распространяющихся преимущественно через проводящую систему Arabidopsis thaliana

Рисунок 2. Механическое повреждение листа Arabidopsis thaliana инициирует дальнодействующее распространение кальциевых сигналов. а — Поедание гусеницей (пунктирная линия — гусеница; белая стрелка — место повреждения) сначала приводило к локальному увеличению внутриклеточного Ca 2+ (красная стрелка), затем сигнал распространялся на отдаленные и преимущественно более молодые листья (желтые стрелки) (видео 2). б — Отрезание листа (L1, белая стрелка, 0 с) вызывало локальное увеличение уровня Ca 2+ (красная стрелка) с последующим распространением сигнала на отдаленные листья (желтые стрелки), например лист 6 (L6).

Также было показано — кальциевый ответ индуцируется исключительно глутаматом, а значит, решающую роль в этом процессе играют глутаматные рецепторы. GLRs относятся к семейству катион-проницаемых неселективных ионных каналов и, как мы упоминали выше, играют важную роль в жизни растения: они могут принимать участие в поглощении питательных веществ, передаче сигналов и транспорте различных соединений [13]. Глутаматные рецепторы растений весьма разнообразны и отличаются широкой лигандной специфичностью. В геноме Arabidopsis thaliana обнаружено 20 генов GLRs, которые можно сгруппировать в три клады. Ранее удалось узнать, что члены третьей клады данного семейства генов кодируют важные компоненты защитной системы растений, поэтому ученые изучали именно их [10]. Авторы показали, что изучаемый тип сигнализации отсутствует у растений с мутациями в двух генах глутаматных рецепторов — glr3.3 и glr3.6. Что интересно, эти рецепторы имеют высокое сходство последовательностей генов и белковых структур с ионотропными глутаматными рецепторами млекопитающих (iGLR), которые играют решающую роль в обучении и формировании памяти [8].

Рисунок 3. Повреждение приводит к высвобождению глутамата в апопласт [Glu]_apo сначала у места ранения (спустя 6 секунд после ранения), а затем и по всему листу (спустя 300 секунд). Активация GLRs, в свою очередь, вызывает изменения уровня Ca 2+ в цитозоле и, как следствие, инициирует системный защитный ответ у всего растения.

Основываясь на полученных результатах, ученые предложили следующую гипотезу активации системной защиты у Arabidopsis thaliana: механические повреждения, которые наносятся травоядными животными, приводят к локальному высвобождению в месте ранения глутамата из цитоплазмы клеток в апопласт. Молекулы этой аминокислоты транспортируются на большие расстояния по апопласту, достигая проводящей системы растений, где они активируют ионные каналы GLR3 в плазматической мембране клеток. В свою очередь, это приводит к увеличению притока ионов кальция в клетки флоэмы и быстрому распространению сигнала к листьям, удаленным от места ранения. Не менее важно то, что активация глутаматных рецепторов третьего типа приводит к увеличению биосинтеза защитных веществ в растении, таких как жасмонаты. Жасмонаты запускают синтез антимикробных и инсектицидных соединений, а также белков, блокирующих пищеварительные ферменты, благодаря чему повышается устойчивость растения к поеданию травоядными животными .

Заключение

В многоклеточном организме клетки со сходными функциональными возможностями и строением объединены в группы и образуют растительные ткани.

Растительные ткани — это группа клеток, с общим происхождением, структурой, предназначенные для выполнения конкретных функций.

Существуют следующие типы растительных тканей:

Образовательные;
покровные;
основные;
механические;
проводящие.

Есть ткани простые, в которые входят однородные группы клеток (паренхима), и сложные, где встречаются клетки, отличающиеся по виду, размеру и функциям, но имеют одних предшественников (ксилема).

Образовательная

Клетки образовательной ткани тесно связаны между собой, с минимальным количеством межклеточного вещества, имеют тонкие мембраны. Цитоплазма вязкая, в ней находится генетическая информация. Клетки способны к длительному митотическому делению, служат основой для формирования всех тканей растения.

Образовательные ткани расположены в верхушечной части побегов, на кончике корня. Участки меристемы сохраняются также у основы черешков листьев и междоузлий. Есть латеральные или боковые меристемы, которые отвечают за увеличение размера стебля в поперечной плоскости. К ним относят прокамбий и камбий.

Раневая образовательная ткань формируется в месте повреждения, при этом пограничные клетки вступают в процесс деления и видоизменяются в плотную защитную ткань – каллюс.

Покровная

Отдельные части растения со всех сторон покрыты шаром плоских клеток – эпидермой. Основная их функция – защита глубже расположенных клеток от пересыхания или чрезмерной влаги, перегрева или заморозков, механических воздействий, проникновения инородных агентов.

Покровные ткани также отвечают за взаимодействие растения с внешней средой. Обмен газов, водяных паров осуществляется через мелкие поры в покровной ткани — устьица. Строение устьица простое: две замыкающие клетки и устьичная щель.

Замыкающие клетки реагируют на перемены факторов окружающей среды, при этом они смыкаются или размыкаются. Например, в светлое время суток, когда интенсивно идут фотосинтезирующие процессы, замыкающие клетки расходятся и пропускают максимальное количество углекислого газа. На ночь они закрываются. Смыкание происходит и при повышении температуры, для защиты от потери влаги.

Многолетние растения нуждаются в более прочной защите, поэтому под эпидермой в них развивается плотная защитная ткань — пробка, которая построена из отмерших клеток.

Вместо устьиц в пробке находятся чечевички, которые необходимы для газообмена.

На замену пробке у многих деревьев формируется корка – очень прочный и грубый слой мертвых клеток.

Проводящая

Проводящая ткань отвечает за перенос питательных веществ в растительном организме. Известны 2 разновидности проводящих тканей — луб и древесина.

По восходящим путям идет транспорт воды и минералов от корневой системы к вышерасположенным органам растения — через сосуды и трахеиды древесины (ксилема). По нисходящим путям переносятся синтезированные органические соединения к корневой системе с помощью ситовидных трубок луба (флоэма).

Луб представляет собой совокупность безъядерных длинных клеток, вертикально идущих друг за другом. Стенки, которыми клетки соприкасаются, имеют множество выходов, поэтому жидкость может свободно передвигаться. На всем протяжение ситовидные трубки сопровождают вспомогательные клетки спутницы, они продуцируют ферментативные соединения необходимые для эффективного транспорта.

Древесина осуществляет ток жидкости с помощью трахеид и сосудов. Трахеиды – это отмершие клетки с отвердевшими стенками. Сосуды — это последовательный ряд клеток, идущих друг за другом цепочкой. Перегородки между смежными клетками разрушены, поэтому ничего не препятствует току жидкости.

Основная

Промежутки в растительных тканях заполнены основной тканью, которая построена из паренхиматозных клеток. Они образуются из верхушечной меристемы. Основная ткань играет важную роль: в паренхиме зеленых органов растения идут фотосинтезирующие процессы, в корневище накапливаются углеводы.

Воздухоносная паренхима включает множество полостей наполненных воздухом. Характерна для растений, населяющих поверхность водоемов, помогает им удерживаться наплаву. Отдельно выделяют водоносную паренхиму, которая долго может поддерживать стабильный уровень влаги, (развита у растений из семейства кактусовые).

Механическая

Механическая ткань придает стеблям и листьям прочность и гибкость. Так они могут выдерживать нагрузку, сгибания, сжатия. Клетки данной растительной ткани имеют утолщенную оболочку, иногда отвердевшую. Выделяют 2 подвида механической ткани: колленхиму и склеренхиму.

Колленхима построена из жизнеспособных клеток, что также содержат хлорофилл. Поэтому колленхима обеспечивает опору в листьях и стеблях.

Склеренхима — это группа клеток с твердой мембраной, продольно вытянутых и названых волокнами. Терминальные части клеток острые, а на срезе имеют многоугольную форму. Выделяют лубяные волокна, которые находятся в лубе и древесные, расположенные ближе к центральной оси.

Группа нервных тканей объединяет ткани эктодермального происхождения, которые в совокупности образуют нервную систему и создают условия для реализации ее многочисленных функций. Обладают двумя основными свойствами: возбудимостью и проводимостью.

Структурно-функциональной единицей нервной ткани является нейрон (от др.-греч. νεῦρον — волокно, нерв) - клетка с одним длинным отростком - аксоном, и одним/несколькими короткими - дендритами.

Спешу сообщить, что представление, будто короткий отросток нейрона - дендрит, а длинный - аксон, в корне неверно. С точки зрения физиологии правильнее дать следующие определения: дендрит - отросток нейрона, по которому нервный импульс перемещается к телу нейрона, аксон - отросток нейрона, по которому импульс перемещается от тела нейрона.

Отростки нейронов проводят сгенерированные нервные импульсы и передают их другим нейронам, эффекторам (мышцы, железы), благодаря чему мышцы сокращаются или расслабляются, а секреция желез усиливается или уменьшается.

Отростки нейронов покрыты жироподобным веществом - миелиновой оболочкой, которая обеспечивает изолированное проведение нервного импульса по нерву. Если бы не было миелиновой оболочки (вообразите!) нервные импульсы распространялись бы хаотично, и, когда мы хотели сделать движение рукой, двигалась бы нога.

Существует болезнь, при которой собственные антитела уничтожают миелиновую оболочку (случаются и такие сбои в работе организма.) Эта болезнь - рассеянный склероз, по мере прогрессирования приводит к разрушению не только миелиновой оболочки, но и нервов - а значит, происходит атрофия мышц и человек постепенно становится обездвиженным.

Вы уже убедились, насколько значимы нейроны, их высокая специализация приводит к возникновению особого окружения - нейроглии. Нейроглия - вспомогательная часть нервной системы, которая выполняет ряд важных функций:

Опорная - поддерживает нейроны в определенном положении
Изолирующая - ограничивает нейроны от соприкосновения с внутренней средой организма
Регенераторная - в случае повреждения нервных структур нейроглия способствует регенерации
Трофическая - с помощью нейроглии осуществляется питание нейронов: напрямую с кровью нейроны не контактируют

В состав нейроглии входят разные клетки, их в десятки раз больше чем самих нейронов. В периферическом отделе нервной системы миелиновая оболочка, изученная нами, образуется именно из нейроглии - шванновских клеток. Между ними хорошо заметны перехваты Ранвье - участки, лишенные миелиновой оболочки, между двумя смежными шванновскими клетками.

Нейроны функционально подразделяются на чувствительные, двигательные и вставочные.

Чувствительные нейроны также называются афферентные, центростремительные, сенсорные, воспринимающие - они передают возбуждение (нервный импульс) от рецепторов в ЦНС. Рецептором называют концевое окончание чувствительных нервных волокон, воспринимающих раздражитель.

Вставочные нейроны также называются промежуточные, ассоциативные - они обеспечивают связь между чувствительными и двигательными нейронами, передают возбуждение в различные отделы ЦНС.

Двигательные нейроны по-другому называются эфферентные, центробежные, мотонейроны - они передают нервный импульс (возбуждение) из ЦНС на эффектор (рабочий орган). Наиболее простой пример взаимодействия нейронов - коленный рефлекс (однако вставочного нейрона на данной схеме нет). Более подробно рефлекторные дуги и их виды мы изучим в разделе, посвященном нервной системе.

На схеме выше вы наверняка заметили новый термин - синапс. Синапсом называют место контакта между двумя нейронами или между нейроном и эффектором (органом-мишенью). В синапсе нервный импульс "преобразуется" в химический: происходит выброс особых веществ - нейромедиаторов (наиболее известный - ацетилхолин) в синаптическую щель.

Разберем строение синапса на схеме. Его составляют пресинаптическая мембрана аксона, рядом с которой расположены везикулы (лат. vesicula — пузырек) с нейромедиатором внутри (ацетилхолином). Если нервный импульс достигает терминали (окончания) аксона, то везикулы начинают сливаться с пресинаптической мембраной: ацетилхолин поступает наружу, в синаптическую щель.

Попав в синаптическую щель, ацетилхолин связывается с рецепторами на постсинаптической мембране, таким образом, возбуждение передается другому нейрону, и он генерирует нервный импульс. Так устроена нервная система: электрический путь передачи сменяется химическим (в синапсе).

Гораздо интереснее изучать любой предмет на примерах, поэтому я постараюсь как можно чаще радовать вас ими ;) Не могу утаить историю о яде кураре, который используют индейцы для охоты с древних времен.

Этот яд блокирует ацетилхолиновые рецепторы на постсинаптической мембране, и, как следствие, химическая передача возбуждения с одного нейрона на другой становится невозможна. Это приводит к тому, что нервные импульсы перестают поступать к мышцам организма, в том числе к дыхательным мышцам (межреберным, диафрагме), вследствие чего дыхание останавливается и наступает смерть животного.

Собираясь вместе, аксоны образуют нервные пучки. Нервные пучки объединяются в нервы, покрытые соединительнотканной оболочкой. В случае, если тела нервных клеток концентрируются в одном месте за пределами центральной нервной системы, их скопления называют нервные узлы - или ганглии (от др.-греч. γάγγλιον — узел).

В случае сложных соединений между нервными волокнами говорят о нервных сплетениях. Одно из наиболее известных - плечевое сплетение.

Неврологические болезни могут развиваться в любой точке нервной системы: от этого будет зависеть клиническая картина. В случае повреждения чувствительного пути пациент перестает чувствовать боль, холод, тепло и другие раздражители в зоне иннервации пораженного нерва, при этом движения сохранены в полном объеме.

Если повреждено двигательное звено, движение в пораженной конечности будет невозможно: возникает паралич, но чувствительность может сохраняться.

Постепенно любые движения мышцами становятся для пациента все труднее, становится тяжело долго говорить, повышается утомляемость. Наблюдается характерный симптом - опущение верхнего века. Болезнь может привести к слабости диафрагмы и дыхательных мышц, вследствие чего дыхание становится невозможным.

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.

Читайте также: