Стефано Манкузо - Революция растений

Кроме того, я полагал, что экспериментальное доказательство гипотезы о том, что растения обладают памятью, имеет фундаментальное значение. Многим моим коллегам эта гипотеза казалась интуитивно правильной, но она не имела под собой строгой научной базы. После того как мы согласовали цели нашего исследования, началось самое трудное: как показать, что растения запоминают свой ответ, и это помогает им результативнее отвечать на внешние воздействия?

За несколько месяцев до этого я посетил филиал нашей лаборатории в Японии, в городе Китакюсю. Мой близкий друг и коллега Томонори Кавано, руководитель филиала, с гордостью показал мне некоторые из тех тысяч томов, которые Университет Сорбонны в Париже списал и отправил на уничтожение и которые он, благодаря своей уникальной способности договариваться, спас от гибели и привез в Японию. Среди этих сокровищ и обнаружилась оригинальная копия «Флоры Франции» Ламарка и Декандоля, в которой мы нашли описание опыта Дефонтена, возившего по парижским улицам рассаду Мимозы стыдливой. История катания мимозы в коляске нас развеселила, а Томонори не без сарказма назвал ученика Дефонтена идеалом японского студента. Я же никак не мог выкинуть ее из головы и рассказал о ней Монике. Возник вопрос: можно ли повторить этот классический опыт на современной научной основе? Причем так, чтобы его результаты могли служить доказательством? Несколько дней спустя был готов протокол исследования, которое мы назвали «опытами Ламарка и Дефонтена».

В 2013 году найти коляску с лошадью, чтобы возить растения по городу, не представлялось возможным, но мы сохранили сам принцип повторяющегося возбуждения. Эксперимент должен был убить двух зайцев:

– показать, что растения Мимозы стыдливой способны после определенного количества повторений опознать некое раздражение как неопасное и прекратить складывать листья;

Растения Мимозы стыдливой учатся на собственном опыте, распознают безопасные внешние воздействия (такие как спуск горшка на несколько сантиметров вниз) и не складывают листья.

– убедиться, что эти же растения после определенного периода подготовки способны научиться различать раздражения, опознавать из двух разных воздействий уже знакомое и реагировать соответствующим образом. Иными словами, мы хотели понять, могут ли растения запоминать воздействие, не грозящее им опасностью, и отличить его потом от другого, возможно, несущего угрозу.

Довольно быстро мы собрали прибор для опыта – простой, но эффективный.

«Ламарк и Дефонтен» позволял постепенно спускать горшок с растением вниз через определенные промежутки времени и с шагом в десяток сантиметров. Это перемещение можно было измерить с высокой точностью, и именно оно было воздействием на растение.

Результаты не замедлили себя ждать и оказались вдохновляющими. Они подтвердили наблюдения Дефонтена: после нескольких повторений (примерно семи или восьми) растения прекращали складывать листья и переставали, со все возрастающим равнодушием, реагировать на спуск.

Дальше надо было понять, что послужило причиной: простая усталость, или растения на самом деле поняли, что бояться им нечего?

Единственный способ выяснить это доподлинно заключался в том, чтобы подвергнуть участников эксперимента другому воздействию, отличному от первого. Для этого мы придумали рычаг, который сдвигал горшки горизонтально, и подвергли растения новому воздействию. Оно тоже было вполне измеряемым, и растения ответили на него, сложив листочки. Прекрасный результат. Наша установка «Ламарк и Дефонтен» помогла показать, что растения могут опознать безопасное событие и отличить его от других, несущих потенциальный риск. Именно это они продемонстрировали во время нашего эксперимента.

Но насколько долго может служить такая память? Для того чтобы ответить на этот вопрос, мы подвергли испытанию около сотни растений, при этом каждое из них учили различать два разных воздействия. Повторный опыт показал, что они запомнили то, чему мы их учили. Более того, результат превзошел все наши ожидания: Мимоза стыдливая помнила о характере воздействий в течение 40 дней. Это поразительно длительный период по сравнению с продолжительностью памяти многих насекомых, и даже некоторых животных с более высокой организацией.

Как работает этот механизм у растений – до сих пор загадка, ведь мозга то у них нет. Многочисленные исследования, посвященные прежде всего реакции на стресс, показывают, что, похоже, решающую роль в формировании памяти о событии играет эпигенетика растения. Эпигенетика описывает наследуемость изменений, которые не связаны с модификациями последовательности ДНК. Другими словами, речь идет о таких изменениях, как модификация гистонов – протеинов (белков), играющих важную роль в формировании ДНК, или метилировании, то есть связывании метильной группы -CH3 с азотным основанием самой ДНК. Эти процессы изменяют активность тех или иных генов, но не саму их последовательность.

Совсем недавно выяснилось, что значительная часть цепочки ДНК, не играющая роли в кодировании процессов, но присутствующая в клетке и ранее считавшаяся «лишней», выполняет совершенно неожиданные задачи, крайне важные для биологии клетки. Например, эта якобы лишняя часть отвечает за воспроизводство молекулы РНК, играющей ключевую роль в развитии эмбриона, в обеспечении функционирования мозга и других процессов, без которых невозможна никакая жизнедеятельность. Как это часто случалось в истории биологии, значительный прогресс в науке стал возможным благодаря исследованиям растений (прежде всего – предпринятым в самое последнее время), многочисленным попыткам прояснить тайну их памяти. Конкретный пример: как растениям удается запомнить, когда нужно начинать цветение? Их репродуктивный успех и вообще способность производить потомство основаны, прежде всего, на умении выбрать правильное время. Многие растения расцветают после ухода зимних холодов, спустя определенное количество дней с окончания зимы. Выходит, они способны понять, сколько времени прошло.

Несомненно, речь идет об эпигенетической памяти. Но до совсем недавнего времени мы вообще ничего не знали о том, как она работает. В сентябрьском номере за 2016 год журнала Cell reports группа исследователей под руководством Кариссы Санбонматсу из Национальной лаборатории Лос-Аламоса опубликовала результаты, полученные в процессе работы с особой последовательностью РНК, называемой COOLAIR. Именно она контролирует наступление момента весеннего цветения, определяя, сколько времени прошло с того момента, когда растение подвергалось воздействию холода. Если эта последовательность в РНК дезактивирована или удалена, растения не способны цвести вовсе. Не углубляясь в детали сложного процесса функционирования последовательности COOLAIR (которую можно назвать репрессором репрессора цветения), следует отметить, что подобные механизмы распространены куда как шире, чем предполагалось ранее, и, судя по всему, служат основой для растительной памяти. У растений эпигенетические модификации, похоже, играют более важную роль, чем у животных. Вероятно, что изменения в активности генов в результате стрессового воздействия могут быть запомнены клеткой именно благодаря эпигенетическим модификациям.