Profesor Mancuso zajmuje się neurobiologią roślin – bada, w jaki sposób porozumiewają się ze sobą i w jakim celu, jak reagują na bodźce z otoczenia. I jest przekonany, że my, ludzie, ich nie doceniamy. Oto fragment jego książki o inteligentnych roślinach.

Rośliny rozpoznają krewnych

Rośliny współdziałają na wielu płaszczyznach, ujawniając przy tym – podobnie jak zwierzęta – różne charaktery. Czy można by więc powiedzieć, że istnieją gatunki wojownicze, agresywne, chętne do współpracy czy nieśmiałe? Oczywiście! To jeszcze nie wszystko: rośliny zachowują się podobnie jak zwierzęta również pod innymi względami. Co nie powinno dziwić, ponieważ w gruncie rzeczy wszystkie organizmy żywe dążą do tych samych celów, dlatego według wszelkiego prawdopodobieństwa wybierają też podobne środki, aby je osiągnąć. Ale mimo że istnieją pewne analogie między sposobami postępowania zwierząt i roślin, to chyba pewną sferę można z góry wykluczyć: relacje rodzinne. Rośliny nie mają przecież rodzin ani innych, porównywalnie bliskich związków. A może jednak?

Zazwyczaj nie przychodzi nam nawet do głowy, że rośliny mogłyby pielęgnować „więzy krwi”, ponieważ jesteśmy przekonani, iż te są zastrzeżone wyłącznie dla wyżej rozwiniętych zwierząt lub ludzi. Tymczasem rośliny nie tylko bezbłędnie rozpoznają krewniaków, lecz również są do nich nader życzliwie nastawione. Zdziwieni? Tak naprawdę nie ma ku temu powodu.

Zanim zagłębimy się w szczegóły tego zagadnienia, powinniśmy jeszcze wyjaśnić, po co roś­linom ta umiejętność. Pytanie jest jak najbardziej uzasadnione, ponieważ w przyrodzie nic nie dzieje się bez powodu – ta sama reguła dotyczy więc też rozpoznawania krewnych.

Informacja

Z ostatniej chwili! To pierwsza z Twoich pięciu treści dostępnych bezpłatnie w tym miesiącu. Słuchaj i czytaj bez ograniczeń – zapraszamy do prenumeraty cyfrowej!

Subskrybuj

Ktoś, kto potrafi zidentyfikować osobniki, z którymi łączy go szczególnie dużo cech genetycznych, zyskuje pod względem ewolucji, ekologii i zachowania. Może na przykład lepiej zarządzać swoim terytorium i bronić się przed nieprzyjaciółmi, nie zużywając niepotrzebnie sił na walkę z członkami rodziny. Nie rozmnaża się z bliskimi krewnymi, natomiast korzysta, zwłaszcza niebezpośrednio, z sukcesów wszystkich innych osobników o podobnym genomie.

Aby lepiej zrozumieć korzyści, o których tu mowa, trzeba pamiętać, że najważniejszym celem życia w przyrodzie jest obrona dziedzictwa genetycznego, oczywiście włas­nego, ale też bliskich krewnych, czyli rodziców, rodzeństwa i dzieci. Jakiekolwiek konkurowanie z nimi to czyste marnowanie energii. Lepiej trzymać się razem i wspólnie pokonywać przeciwności, aby przekazać geny przyszłym pokoleniom. Bez wątpienia więc rozpoznawanie krewnych niesie ze sobą korzyści. Czy rośliny potrafią jednak dostosować swoje zachowanie do stopnia pokrewieństwa?

W identyfikacji krewnych zwierzęta polegają na zmysłach: wzroku, słuchu, zapachu, niekiedy też smaku. Rośliny natomiast wymieniają w tym celu sygnały chemiczne, wysyłane przez korzenie i najprawdopodobniej również liście (w tej kwestii brakuje jeszcze ostatecznych wyników badań).

Rośliny wiodą osiadły tryb życia, o czym się już wielokrotnie przekonaliśmy. I będziemy to powtarzać jeszcze nieraz, ponieważ na tym właśnie polega decydująca różnica między nimi a zwierzętami. Roś­lina musi pozostać tam, gdzie po raz pierwszy ujrzała światło dzienne, dlatego swojego terenu musi bronić jeszcze bardziej zdecydowanie niż zwierzę. A przy tym rośliny mają naprawdę wojowniczą naturę! To zrozumiałe, wystarczy pomyś­leć, że zwierzę, jeśli przegra, może po prostu przenieść się w inne miejsce, czego roślina, niestety, nie zrobi. Nie pozostaje jej nic innego jak dzielić swój teren z innymi, rosnącymi niekiedy w odległości zaledwie centymetra. Co wcale nie znaczy, że tak zwyczajnie akceptuje ich obecność. Wręcz przeciwnie: rośliny nieustannie walczą o swoją przestrzeń życiową i bronią jej desperacko przed intruzami.

W celu zabezpieczenia swego terytorium roślina inwestuje bardzo dużo energii w rozwój swoich podziemnych części: produkuje dużą ilość korzeni, które w prawdziwie wojskowym stylu zajmują glebę i bronią jej przed sąsiadami. Ale nie w każdym przypadku. Jeżeli sąsiedzi należą do rodziny, czyli łączą ją z nimi więzy pokrewieństwa, to roś­liny nie konkurują między sobą. Korzenie redukują się do minimum, umożliwiając częściom naziemnym lepsze warunki rozwoju.

Zachowanie to zostało odkryte w 2007 roku w ramach prostego, ale bardzo ważnego eksperymentu. W jednej donicy umieszczono trzydzieści nasion tej samej rośliny, a w innej trzydzieści nasion roślin niespokrewnionych ze sobą. Naukowcy zaobserwowali u siewek mechanizmy ewolucyjne, które do tej pory przypisywano zwierzętom. Trzydzieści niespokrewnionych roślin zachowywało się zgodnie z oczekiwaniami, to znaczy wytworzyły możliwie jak najwięcej korzeni, aby zająć swój teren i zapewnić sobie jak największe zasoby wody i substancji odżywczych kosztem sąsiadów. Z kolei trzydzieści spokrewnionych roślin, które również współdzieliły bardzo niewielką przestrzeń, wykształciło znacznie mniejsze systemy korzeniowe, za to większe części naziemne. Najwyraźniej nie wykazywały zachowania konkurencyjnego, ponieważ były blisko spokrewnione genetycznie. To przełomowe odkrycie obala tradycyjne przekonanie, że rośliny zachowują się stereotypowo i powtarzalnie (sąsiednia roślina = obrona terenu). Dzięki niemu wiemy, że rośliny najpierw kompleksowo oceniają położenie, uwzględniając przy tym różne czynniki, między innymi stopień pokrewieństwa. Można więc powiedzieć, że zanim przypuszczą atak lub przejdą do obrony, dokładnie „przyglądają się” sąsiadowi – i jeśli dostrzegą genetyczne podobieństwo, to decydują się na współpracę.

Egoizm czy altruizm: co jest korzystniejsze?

Do dziś nie wyjaśniono, jakie zachowanie z ewolucyjnego punktu widzenia jest bardziej obiecujące: „egoistyczne” czy „altruistyczne”? Powstało mnóstwo symulacji i modeli, ale nikt nigdy nie pomyślał o zastosowaniu ich do świata roślin. Odkrycie, że roś­liny zachowują się altruistycznie, jest nowe i przełomowe – i dopuszcza właściwie tylko dwa ewentualne i w równej mierze rewolucyjne wnioski: albo rośliny są altruistami, ponieważ są znacznie wyżej rozwinięte, niż dotychczas zakładaliśmy, albo altruizm i współpraca występują nawet u prostych form życia, o których zawsze myś­lano, że w ich walce o byt może być tylko jeden zwycięzca: silniejszy. Jakkolwiek jednak na to patrzeć, to roślinna komunikacja za pomocą korzeni miałaby konkretny cel ewolucyjny, mianowicie odróżnianie rodziny od obcych, przyjaciół od wrogów.

Wróćmy jednak do korzeni, które, nawiasem mówiąc, mają wyjątkowe zdolności, o czym przekonamy się w następnym rozdziale. Korzenie komunikują się najwyraźniej nie tylko z roślinami, lecz również ze wszystkimi organizmami żyjącymi w tak zwanej ryzosferze (z gr. rhíza, korzeń, i spháira, sfera), to znaczy w glebie otaczającej korzenie. Gleba nie jest bowiem – w przeciwieństwie do powszechnie panującej opinii – podłożem martwym: jest pełna życia i mieszkańców. Mikro­organizmy, bakterie, grzyby i owady tworzą swoistą niszę ekologiczną, której równowaga jest zagwarantowana dzięki komunikacji i współpracy z roślinami.

Częstym zjawiskiem jest na przykład mikoryza (z gr. mýkes, grzyb, i rhíza, korzeń), czyli symbioza między podziemną częścią leśnych grzybów, które tak chętnie zbieramy i zjadamy, a korzeniami różnych roślin. Niektóre grzyby okrywają roślinę niczym płaszcz i przenikają do jej komórek. Taka symbioza nosi nazwę mutualistycznej, ponieważ korzystają z niej obie strony. Grzyb dostarcza korzeniom substancji mineralnych, jak fosfor, którego w glebie stale brakuje, a w zamian dostaje wyprodukowany w procesie fotosyntezy wysokoenergetyczny cukier.

Jednak podobnie jak w innych związkach również i w tym może się zdarzyć przykra niespodzianka. Nie wszystkie grzyby żywią bowiem pokojowe zamiary. Niektóre są patogeniczne: atakują korzenie, wysysają z nich substancje odżywcze, a na koniec je niszczą. Roślina musi więc najpierw rozpoznać, jaki rodzaj grzyba chce się do niej zbliżyć, i dopasować do niego swoje zachowanie. Jak odróżnia przyjaciela od wroga? Po prostu wyciąga włas­ne wnioski z chemicznego dialogu, w którym grzyb i korzenie nieprzerwanie wymieniają między sobą syg­nały, odkrywając swoje zamiary. Jeżeli zauważy, że grzyb ma wrogie intencje, to wypowiada mu wojnę. Jeżeli natomiast roślina dojdzie do wniosku, że grzyb jest mikoryzowy i ma dobre intencje, to godzi się na korzystną dla obojga symbiozę.

Bakteria przyjacielem

Wyrafinowana symbioza pomiędzy roślinami motylkowatymi a bakteriami wiążącymi azot również polega na komunikacji. W tym wypadku mikroorganizmy mają rzadką, ale niezwykle przydatną umiejętność: potrafią redukować azot cząsteczkowy (N2) występujący w atmosferze do amoniaku.

Azot w istotny sposób wpływa na urodzajność gleby, dlatego wiele nawozów zawiera związki tego pierwiastka. Ale mimo że powietrze, którym oddychamy, składa się w 80% z azotu cząsteczkowego, to większość roślin i innych organizmów żywych nie może wykorzystywać tego chemicznie obojętnego pierwiastka. Udaje się to jedynie nielicznym mikroorganizmom, jak właśnie bakteriom azotowym, które sprawiają, że azot staje się przyswajalny dla roślin. To prawdziwe mistrzynie nawożenia! Bakterie z kolei w okolicy korzeni mają idealne warunki do rozwoju i cukru pod dostatkiem. Jest to kolejny przykład związku zadowalającego obie strony, polegającego na komunikacji i wzajemnej akceptacji. Jednakże nie wszystkie bakterie są mile widziane, wręcz przeciwnie: bardzo wiele z nich to napawające strachem patogeny, przeciwko którym rośliny wznoszą bariery nie do pokonania. Zanim bakterie azotowe dostaną zielone światło, muszą nawiązać długi i złożony dialog chemiczny z korzeniami. „Konwersacja” rozpoczyna się oczywiście od wysłania sygnału przypominającego hasło, tak zwanego czynnika NOD (nodulacji, czyli tworzenia brodawek). Pierwszym krokiem w procesie zbliżenia jest zaakceptowanie go przez roślinę.

Opisane wyżej przykłady symbiozy polegają na ożywionej komunikacji symbionta z gospodarzem, jak nazywa się partnerów, w tym wypadku bakterii z rośliną motylkową. Nie byłyby jednak możliwe, gdyby nie długa historia współpracy pomiędzy organizmami żywymi na naszej planecie. Nie chodzi wyłącznie o zjawiska, jakie możemy zaobserwować w świecie roślin lub wśród niższych organizmów zwierzęcych. Niektóre symbiozy stały się wręcz tak stabilne i istotne, że opiera się na nich nasze życie. Posłużmy się przykładem: mitochondria są elektrowniami naszych komórek – a dokładniej rzecz biorąc, wszystkich komórek zwierzęcych i roślinnych. Te organelle są ważne do tego stopnia, że bez nich nie powstałyby wyższe formy życia. Według najnowszych badań mitochondria powstały z symbiozy pomiędzy komórką i bakterią o silnym metabolizmie utleniającym, czyli ze zdolnością do produkcji energii. Zdaniem naukowców komórka i bakteria weszły w korzystną dla siebie symbiozę, w której bakteria produkowała energię dla komórki, otrzymując w zamian wszystko, czego potrzebowała do życia. W którymś momencie komórki wchłonęły bakterie. Teza ta została potwierdzona licznymi badaniami. Mitochondria wykazują wiele cech typowych dla bakterii: mają membranę oraz autonomiczne, pierścieniowe DNA, tworzące podwójną helisę, a co najważniejsze, potrafią rozmnażać się samodzielnie przez podział. Niektóre badania wyjaśniły fundamentalną rolę, jaką te byłe komórki symbiotyczne odegrały w procesie ewolucji bardziej złożonych ­organizmów.

Symbiozy mają więc ogromne znaczenie dla każdej formy życia, również naszego: gdybyśmy nauczyli się nimi kierować, to rezultaty mogłyby przejść nasze najśmielsze oczekiwania. Gdyby na przykład udało nam się przenieść związek symbiotyczny między roślinami a bakteriami azotowymi z roślin motylkowych (czyli soi, ciecierzycy, soczewicy, grochu i fasoli) na wszystkie rośliny uprawne, to na zawsze zmienilibyśmy oblicze rolnictwa.

Czy ktoś jest w stanie to sobie wyobrazić? Nigdy więcej nawozów azotowych, skażenia gleb, wód gruntowych, rzek i mórz, Morza Śródziemnego bez glonów. Za to wyższe plony z roślin uprawnych i możliwość wyżywienia świata bez zatruwania go. Naprawdę opłacałoby się zainwes­tować w to marzenie i maksymalnie zwiększyć wysiłki badawcze w tej dziedzinie. Również dlatego, że już wkrótce staniemy przed zupełnie innym problemem.

Od końca II wojny światowej produktywność roślin i terenów rolniczych stale rosła – do czego przyczyniła się zwłaszcza „zielona rewolucja” z lat sześćdziesiątych ubiegłego stulecia. Nawozy chemiczne oraz nowe odmiany roślin, bardziej plenne i odporniejsze, nie tylko radykalnie zmieniły rolnictwo, lecz także umożliwiły uprawę na terenach dotychczas niewykorzystywanych i przez dziesięciolecia prowadziły do zwiększania plonów i wzrostu produkcji. Obecnie jednak, po raz pierwszy od ponad sześćdziesięciu lat, ten pozytywny trend zaczął zwalniać. Zmiany klimatyczne doprowadziły do tego, że terenów uprawnych już nie przybywa, tylko ubywa. Jednocześnie roś­nie liczba mieszkańców Ziemi.

Jak wyżywimy świat w przyszłości? Do naszych najważniejszych zadań powinno należeć wyszukiwanie jak najlepszych sposobów na przeprowadzenie drugiej „zielonej rewolucji”, która umożliwiłaby nowy, zrównoważony i ekologiczny wzrost produkcji. W tym kontekście idea przeniesienia symbiozy bakterii azotowych na wszystkie gatunki roś­lin brzmi obiecująco. Komunikacja roślinna mogłaby więc pomóc wyżywić mieszkańców naszej planety!

Fragment książki Błyskotliwa ­zieleń. Wrażliwość i inteligencja roślin, która ukazała się w 2017 r. nakładem wydawnictwa ­Bukowy Las.