Оказывается, анестезия действует и на растения
В 1846 году пациент с опухолью на шее решил первым попробовать нечто радикальное, возможно, даже отчаянное: анестезию. Вдыхание эфирного газа перед тем, как идти под нож, многократно окупилось. Сегодня хирургическую операцию без анестезии просто невозможно представить. Эта идея, однако, не была нова даже в 1846 году. За 28 лет до этого ее предложил не кто иной, как Майкл Фарадей, известный сегодня также своими работами над электромагнитными полями и изобретением волшебной клетки Фарадея, которая защищает от молнии или других мощных всплесков электричества.
И все же для концепции, которой почти 200 лет, анестезия остается чуть ли не чудом. Мы до сих пор толком не понимаем, как она работает или почему так много структурно не связанных химических веществ — диэтиловый эфир, хлороформ, галотан, изофлуран или даже инертный благородный газ ксенон — одинаково хорошо вырубают животных.
Что еще более поразительно, та же самая группа химических веществ работает не только на животных, но и на растениях. Венерину мухоловку, как оказалось, так же легко погрузить сон, как и летающую над ней мушку-дрозофилу.
Вот так работает обычная ловушка в действии: если дважды потревожить волоски на венериной мухоловке в течение короткого периода времени, она захлопнется. Но после воздействия диэтилового эфира растение засыпает.
Видео сего действа можно посмотреть на Scientific American.
Удивлены? Я тоже. Однако ученые довольно давно знают, что растения в принципе подвержены анестезии. Клод Бернард показал чувствительное растение Mimosa pudica спящим еще в 1878 году.
Куда сильнее удивляет другое: оказывается, не только растения и животные — любой организм на планете подвержен анестезии. Бактерии, хлоропласты и даже митохондрии внутри наших клеток — все они подвергаются воздействию загадочных газов.
Впрочем, растения могут предложить уникальную возможность для эксперимента. Не так давно группа ученых из Японии, Германии, Чешской республики и Италии задумались о том, что изучение растений может быть ключевым для разгадки принципов работы анестезии, не только у них, но и у нас. Они опубликовали свои первые результаты в декабре в Annals of Botany.
Сперва они показали, что эффектам анестезии подвергается больше растений, чем было известно прежде. Помимо венериной мухоловки и Mimosa pudica, росянка капская, липкие листья которой закручиваются вокруг попавших в них насекомых, и гороховые усики, которые обычно двигаются медленно, также застывают при воздействии газов.
Они также попытались применить местный анестетик — лидокаин, который знаком вам по стоматологическому кабинету — к корням чувствительного растения. Это парализовало растение на пять часов.
На тему работы анестезии есть две основных школы мысли. Первая утверждает, что анестетики связываются с каким-то рецептором. Рецептор — это молекула с кармашком, форма которого идеально подходит для химического анестетика. Привязываясь к этому кармашку, анестетик меняет форму рецептора, все это нарастает каскадом, приводит к замедлению движений и сознания.
Второй лагерь предполагает, что анестетики изменяют клеточную мембрану. Клеточная мембрана — это двойной слой биохимических веществ, называемых фосфолипидами. Фосфолипидные слои образуют отраженные океаны, в которых белки плавают подобно своенравным островам.
Многие из белков мембраны выступают в качестве порталов, контролируя потоки биохимических веществ, ведущие в клетку и из нее. В нашем случае мембрана поддерживает электрический заряд клетки в соответствии с окружающей средой, блокируя движение ионов — небольших заряженных атомов или молекул — если только они не проходят через определенные врата.
Эта функция жизненно важна для клеток, которые передают нервные сигналы у животных, потому что разность зарядов внутри и снаружи клетки распространяет потенциалы действия. Потенциал действия представляет собой электрический импульс. Ионные порталы в мембране быстро открываются и закрываются, изменяя заряд словно бьющееся сердце.
У животного клетки, генерирующие потенциалы действия, являются нейронами, наименьшими единицами нервной системы. Потенциал действия передается по аксону — по сути, по проводу — нейрона в волне, вызванной закрытием и открытием ионных порталов.
Это будет предметом нашей дискуссии на тему анестезии, поскольку, хотя это приводит в действие анестезию, конечным результатом является потеря потенциалов действия. Когда анестезия действует на животное, нейронное сердцебиение прекращается.
Растения также могут генерировать потенциалы действия. Клетки венериной мухоловки, которые могут производить потенциалы действия, — это триггерные клетки в основании волосков ловушки.
Ученые показали, что анестезия заглушает потенциалы действия в венериной мухоловке точно так же, как и у людей. Они размещали свои венерины мухоловки в клетках Фарадея, чтобы контролировать их потенциалы действия. Под воздействием диэтилового эфира, такого же анестетика, который использовался в первой операции в 1846 году, потенциалы действия триггерных клеток исчезли, а затем медленно восстановились после удаления газа.
Это говорит о том, что биоэлектричество и потенциалы действия питают движение растений и животных одинаковым образом. Что две группы, разделенные такой огромной эволюционной пропастью, имеют одинаковые механизмы.
Ученые также провели эксперименты, предназначенные для проверки гипотезы того, что анестезия изменяет мембраны. Если взглянуть поближе на клетки корня растения Arabidopsis (это лабораторная крыса мира растений) под анестезией, диэтил эфира и лидокаин воздействуют на то, как мембраны перемещают крошечные шарики — везикулы. Поскольку множество сложных компонентов мембраны должны работать должным образом, чтобы переработка везикул работала, ученые предположили, что анестезия оказывает влияние на работу клеточных мембран.
Другие последние исследования говорят в поддержку этой идеи. Одна статья даже намекнула, что действие анестетика может распространяться — но это совсем удивительно — на спин электрона в белках, заключенных в мембранах. Другие предположили, что механизм анестезии может включать изменение толщины клеточной мембраны или ее механических свойств, что, в свою очередь, влияет на функцию белка.
Анестезия может даже взаимодействовать с действиями белков, объединенных в комплексы под названием «липидные рафты», дрейфующие в пределах фосфолипидного моря. В таком случае белки мембран и везикулы будут выходить из строя, что может привести к короткому замыканию потенциалов действия и погрузить организм в сон.
Возможно, наиболее убедительным доказательством мембранной гипотезы является самое странное из них, о котором было известно уже давно: помещение людей, животных и даже растений под высоким давлением отменяет эффекты анестезии. Представляете себе? Возможно, давление стабилизирует мембраны таким образом, что делает их непроницаемыми для анестезии.
Отмена анестезии под высоким давлением, удивительный факт того, что все формы жизни подвергаются анестезии, а также изменение функции мембраны в клетках корней растений говорят о том, что мембраны — основной виновник торжества анестезии. Так считают сторонники этой гипотезы.
Но если эта гипотеза верна, она расходится с общепринятым научным консенсусом, предпочитающим гипотезу рецептора. И если рецепторы являются истинной мишенью для анестетиков, здесь у растений есть сходства с человеком. В растениях присутствуют глутамат и ГАМК-рецепторы, основные регуляторы ЦНС у животных, которые упоминаются как возможные мишени для анестетиков.
Споры о том, воздействует анестезия на мембраны или рецепторы, ведутся уже давно. Разрешить их довольно трудно хотя бы по той причине, что изучать живые ткани животных под действием анестезии довольно трудно.
Растения, как полагают ученые, могут разрешить эту дилемму, особенно потому что теперь мы знаем, что они страдают от такой же потери потенциалов действия, что и мы. Наши зеленые неподвижные друзья могут быть идеальным объектом для поиска «неуловимого механизма, лежащего в основе анестезии и феномена сознания», говорят ученые.
Выходит, у растений может быть сознание? Не будем забегать вперед.