Научная
деятельность
Университет ИТМО

Мир глазами растений — как магистранты Art&Science пытаются разгадать способ перцепции у высших растений

Магистранты первого курса программы Art&Science провели серию исследований фоторецепции у высших растений. За основу студенты взяли гипотезу о наличии у растений простейших глазков (характерных для насекомых) — оцелий — благодаря которым растения потенциально могут воспринимать окружающую их действительность.

Студенты направления «Искусство и наука в естественной научной области» Мария Мощенская, Вероника Призова, Галина Алферова, Евгений Хлопотов и Сираж Фарханулла начали работу над проектом Plant Vision еще в ноябре прошлого года. Ментором проекта является известный художник и биолог, основатель Science Art группы «18 apples» Ипполит Маркелов. В рамках недельного воркшопа студенты смогли не только поставить эксперимент по всем правилам научного исследования, но и оформить его в виде доклада на прошедшем недавно Конгрессе молодых ученых.  

<p class="show_photo_comment">Участники воркшопа (слева направо): Евгений Хлопотов, Галина Алферова, Мария Мощенская, Вероника Призова и ментор Ипполит Маркелов</p>
<p class="show_photo_comment">Участники воркшопа (слева направо): Евгений Хлопотов, Галина Алферова, Мария Мощенская, Вероника Призова и ментор Ипполит Маркелов</p>

На проведение такой работы ребят вдохновило недавнее открытие нового вида лианы, распространенного в Чили – Бокилы трехлистной (Boquila trifoliolata). Обнаруженное только пять лет назад растение поразило ученых своей выдающейся способностью к мимикрии: бокила умеет имитировать не только цвет растения-хозяина, но даже форму и погрешности его листьев. Пока что ученые не до конца понимают, как работает этот механизм и как именно лиана собирает и обрабатывает информацию о внешнем виде дерева-хозяина. Одна из гипотез как раз предполагает, что растение все-таки может «видеть».

<p class="show_photo_comment">Воркшоп по исследованию фоторецепции у высших растений</p>
<p class="show_photo_comment">Воркшоп по исследованию фоторецепции у высших растений</p>

Собирающая линза

В качестве отправной точки студенты взяли статью Стефано Манкузо, опубликованную журнале Trends in Plant Science (входит в группу журналов Cell). В ней он как раз поднимает вопрос наличия у растений оцелий и ссылается на эксперименты, проведенные еще в начале 20 века Гарольдом Вагером, Фрэнсисом Дарвином и Готтлибом Хаберландтом. В частности, в 1909 году Гарольд Вагер опубликовал серию черно-белых фотографий, подтверждающих гипотезу, что верхний слой эпидермиса высших растений действует (может работать) как собирающая линза.

<p class="show_photo_comment">Иллюстрация из статьи Стефано Манкузо. Источник: JSTOR Collection (Annals of Botany, 1909). Oxford University Press</p>
<p class="show_photo_comment">Иллюстрация из статьи Стефано Манкузо. Источник: JSTOR Collection (Annals of Botany, 1909). Oxford University Press</p>

«Стефан Манкузо придерживается гипотезы о том, что у высших растений есть весь набор органов, которые необходимы для фоторецепции. Это и собирающая линза — этими свойствами обладает верхний слой эпидермиса листа, — это и фоточувствительные клетки (аналог сетчатки), которые находятся в мезофильном слое, под этими линзами. Все это наталкивает на мысль, что у высших растений существует  некий орган зрения, который — чисто теоретически — может фокусировать изображение и, возможно, каким-то образом его обрабатывать», — объясняет Ипполит Маркелов.

<p class="show_photo_comment">Ипполит Маркелов</p>
<p class="show_photo_comment">Ипполит Маркелов</p>

В результате команде удалось не только повторить эксперимент 1909 года, но и улучшить его — например, в их фотографиях появился цвет, а разрешение изображений значительно увеличилось. Кроме того, студенты отказались от использования в эксперименте некоторых компонентов:

«Мы пришли к тому, что нам не нужно использовать два стекла — предметное и покровное. Использовали только покровное стекло. Так отражение получается лучше, ведь позволяет избавиться от лишних бликов и преломлений. Плюс, мы отказались от использования воды и глицерина для смачивания образца — и изображение получилось ничуть не хуже, чем в первоначальном эксперименте. Это дополнительный аргумент в пользу того, что слой эпидермиса сам по себе работает как собирающая линза, что это не просто отражение в капельке жидкости», — рассказывает студентка Вероника Призова.

<p class="show_photo_comment">Вероника Призова</p>
<p class="show_photo_comment">Вероника Призова</p>

Изображение было получено с помощью установки из микроскопа с объективом с восьмикратным увеличением, видеоокуляром, который позволяет выводить изображение сразу на компьютер в режиме реального времени. Образец представляет собой монослой клеток эпидермиса — по сути, двояковыпуклых линз, ведь клетки наполнены водой. На эти линзы и проецируется заранее заготовленное изображение.


Изображение, полученное в ходе повторения эксперимента c помощью установки из микроскопа с объективом

Как реагирует растение

Следующим этапом проекта Plant Vision станет исследование в целом механизма реагирования растений на внешние раздражители. В качестве образца для изучения была выбрана венерина мухоловка (Dionaea muscipula) — один из самых известных и хорошо изученных видов хищных растений.

«Внутри ловушки венериной мухоловки находится шесть триггерных волосков — механорецепторов. Жертва должна затронуть любой из этих волосков последовательно два раза для того, чтобы ловушка захлопнулась. Каждый раз во время раздражения волосков происходит смена полярности потенциалов на мембране — благодаря этому происходит накопление потенциала действия. Когда жертва касается волоска во второй раз, происходит процесс мгновенного переброса жидкости из одного слоя клеток в другой — это, в свою очередь, вызывает изменение геометрии листа и схлопывание ловушки. Если жертва находится внутри, начинает паниковать и пытаться выбраться, она активирует механорецепторы в третий раз — именно это действие вызывает секрецию пищеварительных компонентов», — рассказывает студент Евгений Хлопотов.    

<p class="show_photo_comment">Евгений Хлопотов</p>
<p class="show_photo_comment">Евгений Хлопотов</p>

На примере венериной мухоловки можно не только наглядно изучать весь сложный комплекс биофизических реакций растения, но и фиксировать процессы с помощью специальных датчиков, а в дальнейшем и имитировать их с помощью электрических стимуляций.

«В этой работе перед ребятами стоит задача, во-первых, разобраться с электрохимическими параметрами всего биологического процесса, во-вторых, подобрать все вольт-амперные и временные характеристики, которые сопровождают этот процесс, и, в-третьих, смоделировать их с помощью электрических стимуляций, которые будут имитировать закрытие без активации механорецепторов. Еще одна задача, которая стоит перед студентами, — это создать на основе этого всего межвидовое коммуникативное устройство (соединяющего венерину мухоловку с мимозой), которое позволило бы растениям обмениваться электрическими импульсами друг с другом», — поясняет Ипполит Маркелов.

<p class="show_photo_comment">Венерина мухоловка</p>
<p class="show_photo_comment">Венерина мухоловка</p>

Коммуникация человек-растение

Глобальной целью проекта Plant vision является создание художественной инсталляции, которая позволила бы установить контакт между человеком и растением. Для этого будет создана нейросеть, которая будет переводить внутренние биохимические и биофизиологические реакции внутри растения на понятный человеку язык.

«Мы будем собирать данные: электрические сигналы, химические и акустические сигналы (ультразвук) для того, чтобы найти паттерны реакций растений в ответ на предъявляемые им внешние визуальные стимулы — чтобы затем проанализировать их методами машинного обучения. В итоге нейросеть будет натренирована «видеть» то, что видит растение, и сможет обработать эту информацию в понятный для человека формат. Там мы приблизимся к пониманию, как именно растение воспринимает окружающую действительность и как на нее реагирует», — поясняет Евгений Хлопотов.

Первые результаты работы уже были презентованы на Конгрессе молодых ученых ИТМО. Проект же будет показан на отчетной выставке студентов магистратуры Art&Science, которая пройдет в июне.