Latvijā pēta pazemes bioloģisko internetu jeb augu 'sarunas'

Ja mēs sarunas tēmu aplūkojam mazliet shematiski, tad līdz pagājušā gadsimtam deviņdesmitajiem gadiem, kad parādījās "Wood Wide Web" koncepcija, likās, ka augi klusē. Lai arī ko jēdziens "klusē" nozīmētu. Savukārt kopš tā laika ir parādījušies pētījumi, kas vedina domāt, ka augi nepārtraukti, atvainojos, tarkšķ. Es sekoju tēmai populārzinātnisko tekstu līmenī un pēdējo dažu mēnešu laikā esmu lasījis, ka augi stresa situācijās "sprakšķ" ultraskaņas diapazonā, ka augi apmainās ar elektriskiem signāliem. Un tad mums jau kādu laiku ir zināms par mikorizas tīklojumiem kā saziņas starpnieku. Šā garā ievada īsais rezumējums: par ko mēs runājam jūsu projekta gadījumā?

Tas, ko mēs tiešām zinām – augiem ir sistēmiski signāli. Proti, augs prot atpazīt dažādus uzbrukumus, kairinājumus, stimulus, un atbildes reakcija ir ne tikai lokāla – piemēram, vienas lapas robežās – šis signāls iet arī uz citām auga daļām. No lapām uz saknēm, no saknēm uz citām saknēm un tā tālāk. No pazemes uz virszemi un otrādi. Mēs zinām, ka ir virkne konkrētu signālu devēju un iesaistīto spēlētāju. Tie ir, teiksim, šūnas līmenī – piemēram, tās var būt kalcija viļņu izmaiņas. Mēs pat esam iemācījušies tos vizualizēt. Mēs esam sapratuši, ka ir elektriskie impulsi. Piemēram, ar to nodarbojas grupa Lozannas Universitātē, kur aizritēja mans pēcdoktorantūras laiks. Viņi var pielikt elektrodus dažādās augu daļās un redzēt, kā notiek membrānu depolarizācija un kā tam pakārtoti pēc tam seko gēnu aktivitātes izmaiņas un metabolītu izmaiņas. Metabolīti sevī ietver to, ko mēs saucam par augu hormoniem – tās ir signālmolekulas, kas pārvietojas audos, un tās jau var ierosināt sistēmiskas reakcijas. Tiesa, runa ir nevis par sekundēm vai minūtēm, bet par stundām vai diennaktīm.

Kā aizsargreakcijas izpaužas?

Augs pirmām kārtām aizsargājas ar saviem specializētajiem metabolītiem. Tie var būt konkrēti toksīni, tādu ir vairākas klases. Mums, cilvēkiem, tādu nav, bet ir, piemēram, dažādiem kukaiņiem. Piemēram, krustziežu dzimtā ir dažādi sēru saturoši savienojumi. Citiem augiem tie būtu nikotīna savienojumi. Cilvēkiem tādi nav kaitīgi, bet kukaiņiem gan.

Ziniet, tas interesanti no evolucionārās bioloģijas viedokļa. Augi ir izstrādājuši reakcijas pret kukaiņiem, bet ne pret divkājainiem radījumiem...

Tā ir. Bet es gribētu atgriezties pie pirmajā jautājumā lietotā apzīmējuma. Proti, vai tā ir "tarkšķēšana" vai tomēr funkcionāli nozīmīgs mehānisms. Tās ir divas dažādas lietas. To zinātnieki pēta, un to vēlos pētīt arī es. Proti, ir signāli, kas ierosina kaut kādu gēnu X vai Y – jautājums, vai tas otram augam ir svarīgi? Mēs varam "uzlikt" patogēnus un paskatīties, vai augs – salīdzinot ar situāciju pirms vai pēc signāla saņemšanas, signālam ejot caur sēņu tīklojumu, bet varbūt citā ceļā – kļūst aizsargātāks pret konkrētā patogēna uzbrukumu. Ja mēs konstatējam, ka te ir kaut kas interesants, varam skatīties tālāk.

Ja mēs runājam par kaitīgiem kairinātājiem, kuriem augs cenšas adaptēties, vai ir atšķirība starp, teiksim, sausumu, mehānisku bojājumu, vēl kādu citu kairinājumu?

Tas arī ir labs jautājums, kas pētniekus ilgi nodarbinājis. Augiem ir imunitāte, bet augiem nav adaptīvās imunitātes kā mums, cilvēkiem. Respektīvi, augi nespēj izstrādāt antivielas pret uzbrucējiem. Augiem ir iedzimtā imunitāte, proti, simtiem vai pat tūkstošiem (kā kurā sugā un grupā) dažādu receptoru, kas spēj atpazīt šos uzbrucējus. Katra uzbrucēja, teiksim tā, virsmas molekulai ir specifisks receptors. Un augi spēj atpazīt šo dažādību. Šī atpazīšana pēc tam konverģē uz kaut kādiem plus mīnus universāliem moduļiem. Moduļi ir vairāki – mums ir zināmi, piemēram, salicilskābe un jasmīnskābe. Cilvēks ar salicilskābi var saskarties, lietojot aspirīnu, bet augiem tā palīdz atpazīt biotropos patogēnus – patogēnus, kuri barojas no dzīviem audiem. Ja runa ir par nekrotrofiem – patogēniem, kuri vispirms audus nogalina –, tad noder jasmīnskābes signālceļi. Skaidrs, ka es aprakstu mazliet vienkāršoti, bet – jā, arī mehāniskais bojājums atšķiras no baktērijas uzbrukuma, ja raugāmies uz reakcijām, ko minētie divi kairinājumi spēj ierosināt.

Kāds ir šādu pētījumu, eksperimentu dizains? Proti, tai dāmai (Suzanne Simard), kura ar kolēģiem attīstīja minēto "Wood Wide Web" konceptu, jau krietni vēlāk pārmeta tieši nekorektu metodoloģiju.

Jā, sagādāt korektus pierādījumus nav triviāls uzdevums. Galu galā augi paši izdala sakņu izdalījumus. Tātad, ja tu gribi pierādīt, ka mikorizas tīklojums ir tiešām "pie vainas", tad tev ir jābūt arī augu kontrolgrupai, kam šā tīklojuma nav vai tas ir pārrauts. Turklāt var būt, ka sava loma ir gan sakņu izdalījumiem, gan sēņu tīklojumam. Tomēr pētnieks vienalga var pārbaudīt tīklojuma efektivitāti. Augsnē starp augiem var likt barjeras, var likt augsnē tīkliņus, kuriem tīklojums var izspraukties cauri, bet sakne nevar. Var likt tik smalkus tīkliņus, kuriem arī mikoriza netiek cauri, toties cauri tiek molekulas, kuras mazākas par šūnu. Respektīvi, ja prasmīgi manipulē ar eksperimenta apstākļiem, rezultāti būs korekti.

Vai ir nozīme tam, kādi konkrēti augi tiek izmantoti eksperimentā?

Jā, tas arī ir labs jautājums – vai mēs runājam par universālu mehānismu, kas piemīt visiem sauszemes augiem, vai tomēr ir kaut kāda specifika starp sugām. Mēs varam strādāt ar modeļorganismiem. Es, piemēram, izmantoju modificētu burkānu Daucus carota. Tie gan nav tie burkāni, kurus mēs ēdam. Faktiski tās ir burkānu saknes, kas ir transformētas ar baktēriju, kura savukārt ierosina sakņu audzēju. Tāda matainu saknīšu sistēma, kas to vien dara, kā aug. Respektīvi, modifikācija izpaužas tā, lai pētniekam pašam nevajadzētu fiziski audzēt mietsakni. Pētniekam galu galā vajag tikai viegli pavairojamu audu kopumu. Otrs augs, ko mēs izmantojam, ir lucernai līdzīgs augs – medicago. Tas ir maziņš pašapputes augs, kas ir ļoti noderīgi, lai manā rīcībā būtu ģenētiski vienāds materiāls. Es veidoju arī savu grupu Biomedicīnas pētījumu un studiju centrā, kura projektā sadarbosies ar "Silavu". Mēs strādāsim ar apsēm un bērziem – kas notiek ar mikorizu reālā dabā, komerciālās audzēs, viņu izmēģinājumu laukos.

Mūžīgais un, pieļauju, zinātniekus nogurdinošais jautājums – pētījumu pielietojamība "reālajā dzīvē".

Es atbildētu tā: ja mēs saprotam, kuri augi apmainās ar signāliem, kuri to dara labāk, un tā tālāk, mēs varam agrosistēmas veidot, ieliekot sistēmā palīgaugus, tas ir, augus, kuri labi signalizē citiem. Tādi, lietojot cilvēku pasaules jēdzienu, trauksmes cēlāji. Šādā kontekstā svarīgi ir arī atrast atbildes uz jautājumu, par kuru jau runājām: vai augu signalizēšana ir universāli vai specifiski veidota? Ja universāli, tad pavisam jauki. Konceptuāli šādi modeļi jau tiek lietoti praksē. Piemēram, dažviet Āfrikā ir tā saucamā "push–pull" sistēma. Audzē kukurūzu, apkārt kukurūzai – augus, kuri atgrūž kukaiņus, slimību pārnēsātājus, un starp šiem augiem ir arī tādi, kuri ir labāki kukaiņu pievilinātāji nekā kukurūza. Pat ja kukainis tiek pāri pirmajai barjerai, tas saskaras ar otro barjeru, kas šo kukaini, tēlaini izsakoties, aizvilina prom no kukurūzas.

Šo pašu sistēmu mēs varam veidot, izmantojot palīgaugus, kuri efektīvi signalizē. Šādus augus varētu salīdzināt ar augu prebiotiķiem. Mēs, cilvēki, ēdam jogurtus, lai uzņemtu zarnās labvēlīgos mikroorganismus. Ja mēs ieliekam lauksaimnieciskā augsnē augus, kuri ir jau inokulēti – apvienoti ar šo labvēlīgo mikrobu –, tad var panākt to, ka visa sistēma saslēdzas vienlaikus efektīvi un īsākā laika periodā.

Un cik sena vēsture, atvainojos par neveiklu vārdu spēli, ir jūsu projektam?

Faktiski tikai gads. Es atgriezos Latvijā, bija jāsāk, kā saka, no nulles. Tāpēc varu teikt, ka mēs esam tikai pašā sākumā. Mums ir preliminārie dati, tomēr nopietns darbs vēl tikai priekšā.

Sarunas noslēgumā jautājums, ar kuru, iespējams, vajadzēja sarunu sākt, tomēr tad mēs netiktu uz priekšu. Skaidrs, ka mēs vispār esam, kā saka, valodas slazdu gūstekņi, bet kā jūs, zinātnieks, tiekat galā ar, piemēram, antropocentrismu dabas aprakstīšanā? Piemēram, vārdu savienojums "augu intelekts"? Kāds "intelekts"?! Raugi, mūsu saruna arī bija par augu "sarunāšanos". Mēs aprakstām apkārtējo pasauli, lietojot sev pierastus un saprotamus jēdzienus, lai gan tas, pieļauju, nav korekti no zinātnieka viedokļa.

Es varu runāt, protams, tikai par sevi. Es pret šādu valodas lietojumu izturos mierīgi. Es piekrītu, ka zinātnē piemēriem, analoģijām un kopsakarībām ir liela nozīme – it sevišķi komunicējot ar sabiedrību. Tomēr tas ir jādara izsvērti, pārdomāti. Zinātnieks nedrīkst pagrābt kādu salīdzinājumu tikai tādēļ, lai iepatiktos publikai, būtībā manipulētu ar publiku. Mūsu sarunas kontekstā, jā, nebūtu pareizi teikt "augu komunikācija", labāk būtu – "apmaiņa ar signāliem". "Komunikācija" ietver sevī arī izpratni, sapratni par konkrēto signālu. Savukārt "signālu apmaiņas" gadījumā iespējama arī situācija, ka konkrēto signālu citi nesaprot.