На первый взгляд, растение Lavatera cretica семейства мальвовых — это просто неприметный сорняк. У этой мальвы розоватые цветы и широкие плоские листья, которые в течение дня следуют за солнцем. Однако то, что цветок вытворяет ночью, привлекло к скромному растению внимание научного сообщества. За несколько часов до рассвета растение начинает поворачивать свои листья в предположительном направлении восхода солнца. Мальва словно запоминает, где и когда солнце всходило в предыдущие дни, и поджидает его там.
Когда в лаборатории ученые пытаются запутать мальву, изменяя расположение источника света, она просто выучивает новое направление. Но что вообще значит это утверждение — что растение способно запоминать и обучаться?
Идея о том, что растения могут поступать разумно, не говоря уж об обучаемости и формировании воспоминаний, еще совсем недавно представляла собой маргинальную точку зрения. Воспоминания считаются в корне когнитивным феноменом, настолько, что некоторые ученые считают их наличие необходимым и достаточным признаком того, что организму присущи базовые типы мышления. Для формирования воспоминаний требуется мозг, а у растений нет даже рудиментарной нервной системы, которая имеется у насекомых и червей.
Однако в течение последних десяти лет эта точка зрения была поставлена под сомнение. Мальва — не исключение. Растения — это не просто пассивные органические автоматы. Теперь мы знаем, что они могут ощущать и интегрировать информацию о десятках природных переменных параметров, а также применять это знание для гибкого, приспосабливающегося поведения.
К примеру, растения могут распознавать, являются ли соседние растения им родственными или нет, и соответствующим образом адаптировать свои кормовые стратегии.
Цветок недотрога бледная (Impatiens pallida) — один из нескольких видов, которые известны тем, что в присутствии чужаков начинают тратить большую часть ресурсов на выращивание листьев, а не корней, — тактика, очевидно нацеленная на состязание за солнечный свет. В окружении родственных растений недотрога меняет приоритеты. Кроме того, растения способны выстраивать сложную прицельную оборону в ответ на распознание конкретных хищников. Маленькая цветущая резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) может отслеживать вибрацию пожирающих ее гусениц и выделять для отпугивания насекомых особые масла и химические вещества.
Также растения общаются друг с другом и другими организмами, например паразитами и микробами, с использованием множества каналов — сюда относятся, к примеру, грибные «микоризные сети», которые связывают корневые системы различных растений наподобие своего рода подземного интернета.
Пожалуй, не так уж и удивительно тогда, что растения способны обучаться и использовать память для предсказаний и решений.
Что входит в понятия «обучаемость» и «память», если мы говорим о растениях? Самый очевидный пример в дискуссии — процесс яровизации, в ходе которого некоторые растения, чтобы зацвести весной, должны подвергнуться воздействию низких температур. «Память о зиме» помогает растениям различать весну, когда опылители типа пчел заняты, и осень, когда они свободны, и решение зацвести в неподходящий момент может иметь катастрофические последствия для размножения.
У любимого экспериментального растения биологов, резуховидки Таля, ген под названием Flowering Locus C (FLC) производит химическое вещество, которое не дает ее маленьким белым цветкам раскрыться. Однако когда растение переживает долгую зиму, побочные продукты других генов замеряют длительность воздействия на него низких температур и подавляют на протяжении холодов FLC в большом количестве клеток. Когда наступает весна и дни удлиняются, имеющее из-за холода низкий уровень FLC растение может начать цвести. Однако для эффективной работы анти-FLC-механизму нужно длительное воздействие холодов, а не короткие периоды колеблющихся температур.
Здесь задействована так называемая эпигенетическая память. Даже после возвращения яровизированных растений в теплые условия содержание FLC сохраняется на низком уровне благодаря ремоделированию меток хроматина. Это белки и небольшие радикалы, которые крепятся к ДНК внутри клеток и влияют на активность генов. Ремоделирование хроматина может даже передаваться последующим поколениям разделенных клеток, так что последние «помнят» прошлые зимы. Если холодный период был достаточно длительным, растения с некоторыми клетками, которые не подверглись воздействию холода, все же могут цвести весной, потому что модификация хроматина продолжает ингибировать экспрессию FLC.
Но действительно ли это память? Ботаники, изучающие эпигенетическую память, первыми согласятся с тем, что она фундаментально отличается от той, что изучают ученые-когнитивисты.
Является ли этот термин просто иносказательным условным обозначением, сочетающим в себе знакомое слово «память» и незнакомую область эпигенетики? Или сходства между клеточными изменениями и воспоминаниями на уровне организма раскрывают нам неведомые глубины того, что на самом деле собой представляет память?
У эпигенетических и «мозговых» воспоминаний есть одна общая черта — постоянные изменения в поведении или состоянии системы, вызванные природным возбудителем из прошлого. И все же это описание кажется слишком общим, поскольку охватывает также такие процессы, как повреждение ткани и метаболические изменения. Пожалуй, интересный вопрос тут — это не то, нужны или нет воспоминания для когнитивной деятельности, а скорее то, какие типы памяти указывают на существование лежащего в их основе когнитивного процесса, и есть ли эти процессы у растений. Иными словами, вместо того, чтобы смотреть на саму «память», стоит скорее изучить более фундаментальный вопрос о том, как воспоминания приобретаются, формируются или осваиваются.
«Растения помнят, — заявила в своем недавнем радиоинтервью изучающий поведение эколог Моника Гальяно. — Они точно знают, что происходит». В Университете Западной Австралии Гальяно изучает растения с применением разработанных для животных поведенческих техник обучения. Она утверждает, что если растения могут показывать результаты, позволяющие считать, что другие живые организмы могут обучаться и хранить воспоминания, мы равным образом должны рассмотреть вероятность того, что у растений также есть и эти когнитивные способности. Одна из подробно изученных ими форм обучения — это адаптация, в ходе которой живые организмы, подвергающиеся воздействию неожиданных, но безвредных возбудителей (шум, вспышка или свет), позднее будут демонстрировать упреждающую реакцию, которая с течением времени сойдет на нет.
Представьте, что вы заходите в комнату с гудящим холодильником: сначала он раздражает, но, как правило, вы привыкаете и, скорее всего, через какое-то время перестанете даже замечать этот шум. Полноценное приспособление предполагает конкретный раздражитель, потому с введением отличного и потенциально опасного раздражителя животное запускает новый защитный ответ.
Даже в шумной комнате вы, вероятнее всего, вздрогнете от громкого звука удара. Это называется снятием эффекта привыкания, именно оно отличает истинное обучение от других типов изменений, например усталости.
В 2014 году Гальяно с коллегами протестировали способности к обучению мимозы стыдливой, маленького ползучего однолетнего растения. Ее листья свертываются в ответ на угрозу. Гальяно с коллегами уронили мимозу с высоты (чего в принципе не могло произойти с растением в его эволюционной истории), и растение усвоило, что это безопасно, и не стало демонстрировать реакцию сворачивания. Однако ответная реакция наблюдалась, когда растение неожиданно встряхивали. Более того, ученые обнаружили, что приспособление мимозы стыдливой также было контекстуально обусловленным. Растения быстрее обучались в слабо освещенной среде, где закрытие листьев было более затратным по причине скудости освещения и необходимости наблюдателя беречь энергию. (Команда Гальяно не первая применила подход бихевиорального обучения к таким растениям, как мимоза стыдливая, но предыдущие исследования не всегда строго контролировались и потому давали противоречивые результаты.
Но что насчет более сложной обучаемости?
Большинство животных также способны на обусловленное и ассоциативное обучение, в процессе которого они усваивают, что два раздражителя идут в паре друг с другом. Именно это позволяет вам научить собаку подходить на звук свистка — пес начинает связывать это поведение с лакомством или лаской.
В ходе другого исследования Гальяно с коллегами протестировали, может ли горох посевной связать движение воздуха с доступностью света. Они расположили семена на Y-образном радиальном лабиринте (Y-maze), одно из ответвлений которого приводилось в движение воздухом, — оно же было самым ярким. Затем растения были оставлены расти на лабиринте, и ученые ожидали выяснить, освоят ли они ассоциацию. Результаты были положительными: они показали, что растения освоили условную реакцию в ситуационно обусловленной манере.
Растет число свидетельств тому, что растениям свойственны некоторые присущие животным способности к обучению. Почему на осознание этого ушло столько времени? Можно провести небольшой эксперимент. Посмотрите на эту картинку. Что здесь изображено?
Большинство либо назовут общий класс животных на картинке («динозавры») и опишут, что они делают («дерутся», «прыгают»), либо — если попадется поклонник динозавров, — обозначат конкретное животное («дриптозавр»). Лишайники, траву, кустарник и деревья будут упомянуты редко — по большей части их воспримут как фон главного события, «поля битвы» животных.
В 1999 году биологи Джеймс Вандерзее и Элизабет Шусслер нарекли этот феномен «травяной слепотой» (plant blindness) — склонность игнорировать потенциал, поведение и уникальную активную роль растений в природе. Мы относимся к ним как к элементу фона, а не активным агентам экосистемы.
Во многом эта слепота обусловлена исторически, речь идет о философских пережитках давно упраздненных парадигм, которые продолжают влиять на наше представление о мире природы. Многие ученые все еще действуют под влиянием знаменитого аристотелевского понятия scala naturae — «лестница существ», где растения располагаются внизу иерархии способностей и ценности, а человек — на ее вершине. Аристотель подчеркивал фундаментальное концептуальное деление между неподвижной, нечувствительной растительной жизнью и активным и чувствительным царством животных. По его мнению, различие между царством животных и человечеством такое же существенное; он не считал, что животным присуще какое-либо полноценное мышление. После распространения этих идей в в Западной Европе в начале 1200-х годов и в эпоху Возрождения эта позиция Аристотеля сохраняла постоянную популярность.
Сегодня это систематическое предубеждение против не-животных можно назвать зоошовинизмом. Он повсеместно присутствует в образовательной системе, учебниках биологии, тенденциях в научных публикациях и в СМИ. Кроме того, растущие в городах дети редко взаимодействуют с растениями, редко ухаживают за ними и в целом плохо в них разбираются.
Особенность функционирования наших тел — наши системы восприятия, внимания и познания — вносит свой вклад в травяную слепоту и соответствующие предубеждения. Растения на нас не прыгают, не представляют угрозу и их поведение не оказывает на нас влияния.
Результаты эмпирических исследований говорят о том, что их не так часто замечают, как животных, они не привлекают внимания так быстро, как животные, и забываем мы о них легче, чем о животных. Мы воспринимаем растения как предметы или даже не обращаем на них внимания вовсе. К тому же поведение растений зачастую обусловлено химическими или структурными изменениями, которые настолько малы, стремительны или медленны, что мы не можем их наблюдать без специального оборудования.
Также поскольку мы сами — животные, нам легче распознать животное поведение. Недавние открытия в сфере робототехники указывают на то, что участники исследований более охотно приписывают такие свойства, как эмоции, преднамеренность и поведение, системам, которые имитируют поведение человека или животных.
В попытке определить, является ли поведение разумным, мы полагаемся на антропоморфические прототипы. Это объясняет наше интуитивное нежелание приписывать когнитивные способности растениям.
Но, возможно, предрассудки — не единственная причина того, что мы отмахивались от познавательного потенциала растений. Некоторые ученые высказывают обеспокоенность тем, что концепции наподобие «травяной слепоты» — это лишь сбивающие с толку метафоры. Если применить когнитивную теорию к растениям менее абстрактно и смутно, говорят они, складывается впечатление, что растения функционируют совсем иначе, чем животные. Механизмы растений сложны и удивительны, признают они, но это не когнитивные механизмы. Есть мнение, что мы даем памяти настолько широкое определение, что оно теряет смысл, и что такие процессы, как приспособление, по сути, не являются когнитивными механизмами.
Один из способов исследовать значение процесса познания — изучить, прибегает ли система к репрезентациям. Набор цветных линий может образовывать изображение кошки, репрезентацию кошки, — так же, как слово «кошка» в этом предложении.
Мозг создает репрезентации элементов окружающей среды и позволяет нам таким образом в этой среде ориентироваться. Когда процесс формирования репрезентаций дает сбой, мы можем начать формировать в уме образы объектов, которых на самом деле возле нас нет, например видеть галлюцинации. А иногда мы воспринимаем мир немного неправильно, искажаем информацию о нем. Я могу ослышаться в тексте песни — или вздрогнуть, решив, что по моей руке ползет паук, тогда как это всего лишь муха.
Способность неверно толковать поступающую информацию — верный признак того, что для ориентации в мире система использует нагруженные информацией репрезентации. Это и есть когнитивная система.
Формируя воспоминания, мы, вероятно, удерживаем некоторую из этой отображенной информации, чтобы затем использовать ее в офлайн-режиме. Философ Франсиско Кальво Гарсон из испанского Университета Мурсии заявил, что, чтобы физическое свойство или механизм можно было назвать репрезентативным, они должны «уметь представлять временно недоступные предметы или события». Именно способность репрезентации отображать нечто, чего нет, заявляет он, позволяет считать память признаком когнитивной деятельности. Свойство или механизм, не способные функционировать в офлайн-режиме, не могут считаться подлинно когнитивными.
С другой стороны, некоторые ученые допускают, что некоторые репрезентации могут функционировать лишь в режиме онлайн, то есть они представляют и отслеживают элементы среды в реальном времени. Ночная способность мальвы предсказывать, где взойдет солнце, задолго до его появления, судя по всему, задействует офлайн-репрезентации; прочие гелиотропные растения, которые следят за солнцем, только когда оно движется по небу, очевидно, задействуют своего рода онлайн-репрезентацию. И все же организмы, использующие только онлайн-репрезентацию, говорят ученые, тоже могут считаться когнитивными. Однако офлайн-процессы и память более убедительно свидетельствуют о том, что организм не просто рефлекторно реагирует на окружающую среду. Это в особенности важно в отношении изучения организмов, которые мы интуитивно не склонны считать когнитивными, например растений.
Существуют ли свидетельства того, что растения отображают и хранят информацию об окружающей среде для последующего ее использования?
В течение дня мальва поворачивает свои листья к солнцу при помощи двигательной ткани в основании стебля — этот процесс активно контролируется изменениями давления воды внутри растения, это называется тургор. Масштаб и направление солнечного света закодированы в чувствительных к свету тканях, распределенных по геометрическому рисунку жилок листьев мальвы, и информация о них хранится до утра. Растение также отслеживает циклы смены дня и ночи при помощи своих внутренних циркадных часов, которые чувствительны к природным сигналам о заходе и восходе.
Ночью, обратившись к информации из всех этих источников, мальва может спрогнозировать, где и когда следующим утром взойдет солнце. Она, может, и не оперирует концепциями типа «солнце» или «рассвет», но хранит информацию о векторе солнца и циклах смены дня и ночи, которые позволяют ей переориентировать свои листья до зари таким образом, чтобы их поверхность была обращена к восходящему солнцу. Это также позволяет растению выучивать новое расположение, когда физиологи дурят ему «голову», меняя направление источника света. В искусственно созданной темноте упреждающий механизм также может в течение нескольких дней функционировать в режиме офлайн. Речь идет об оптимизации доступных ресурсов — в этом случае, солнечного света.
Можно ли этот механизм считать «репрезентацией» — подменяющей элементы окружающего мира, которые определяют поведение растения? Я считаю, что да.
Подобно тому, как нейробиологи стремятся выявить механизмы нервной системы с целью изучения работы памяти у животных, исследователи растений стремятся разбираться в механизмах запоминания, позволяющих растениям хранить и использовать информацию, а также применять эту память для настройки своего поведения.
Мы лишь начинаем постигать уникальные способности этой гибкой и разнообразной группы организмов. Расширив горизонт любопытства за пределы царства животных и даже царства растений — для изучения грибов, бактерий и простейших, мы можем с удивлением обнаружить, что многие эти организмы применяют те же самые базовые поведенческие стратегии и принципы, что и мы сами, включая способность к своего рода обучению и формированию воспоминаний.
Для достижения прогресса необходимо уделять особое внимание механизмам. Нужно четко понимать, когда, как и почему мы прибегаем к иносказательности. Следует быть точными в теоретических заявлениях. А если свидетельства указывают нам направление, которое расходится с общепризнанным мнением, мы должны дерзко следовать туда, куда оно ведет. Такие исследовательские программы по-прежнему находятся в зачаточном состоянии, но определенно не перестают порождать новые открытия, которые подрывают и расширяют представление человека о растениях, размывая привычные границы, отделяющие царство растений от царства животных.
Конечно, пытаться думать о том, что в случае этих организмов вообще может значить мышление, — это, скорее, полет фантазии, поскольку у них фактически отсутствует деление на мозг (разум) и тело (движение).
Однако приложив определенные старания, мы можем в конечном итоге выйти за пределы существующих концепций «памяти», «обучения» и «мышления» — которые изначально и обусловили наш запрос.
Мы видим, что во множестве случаев рассуждение о процессах обучения и памяти у растений основано не только на иносказательных образах, но и на сухих фактах. И когда вы в следующий раз набредете на придорожную мальву, подрагивающую в лучах солнечного света, замедлите шаг, посмотрите на нее новыми глазами и вспомните о том, что этот неприметный сорняк таит в себе незаурядные когнитивные способности.