Met rustige bewegingen kruipt een hongerige rups langzaam de stengel van de plant op tot hij zich midden op een groen blad bevindt, waarin hij zijn tanden zet.
Het lijkt een vredig tafereel, maar onder de oppervlakte rinkelen alle alarmbellen, en de plant is al in volle gang om zichzelf te beschermen tegen de aanval van de rups.
De beet heeft namelijk een elektrisch signaal veroorzaakt van elektrisch geladen ionen die zich snel verspreiden van de plaats van de misdaad naar de rest van de plantencellen om die te waarschuwen voor het hongerige gevaar.
Het signaal wordt getriggerd door glutamaat – een aminozuur dat ook in het zenuwstelsel van zoogdieren als een signaalstof fungeert. Juist glutamaat blijkt het doorslaggevende puzzelstukje te zijn waar wetenschappers al zo lang naar zoeken om te kunnen verklaren hoe verschillende delen van de plant zo snel met elkaar kunnen communiceren dat ze zich tegen aanvallen kunnen wapenen.
VIDEO – Kijk hoe een plant reageert op een rupsenbeet:
Knagende rups lokt signaal uit
Met behulp van een lichtgevend eiwit in de planten zien de onderzoekers een ring van calcium rond de beet verschijnen.
Signaal stroomt naar het blad
Na ongeveer 66 seconden heeft de golf van calcium zich door het hele blad verspreid, dat nu licht geeft.
Hele plant is gealarmeerd
Na 100 seconden zijn de calciumionen van het aangevreten gebied naar de uiterste delen van de plant gegaan.
De ontdekking gebeurde bij toeval toen Amerikaanse en Japanse onderzoekers van onder meer de universiteiten van Wisconsin in de VS en Saitama in Japan wilden nagaan hoe planten op de zwaartekracht reageren.
Daarbij kwamen ze er verrassend genoeg op uit dat planten een soort zenuwstelsel hebben dat vergelijkbaar is met dat van mens en dier – een conclusie waarmee ze eens te meer laten zien dat het leven en de communicatienetwerken van onze gewortelde vrienden veel geavanceerder zijn dan we tot nu toe dachten.
Aanval lokt een signaal uit
In de studie plaatsten de onderzoekers genetisch gemanipuleerde planten onder een lichtmicroscoop om het gehalte calciumionen in de cellen te volgen.
Dit varieert vaak als reactie op bijvoorbeeld een aanraking, temperatuurschommelingen en veranderingen in de richting van de zwaartekracht. Doordat de planten zodanig gemanipuleerd waren dat ze een eiwit aanmaakten dat bij hoge calciumconcentraties oplicht, konden de onderzoekers de reactie met de microscoop precies volgen.
Toen de wetenschappers een rups op de planten zetten, zagen ze rond het gebied dat hij aanvrat een golf van licht verschijnen, die zich na enkele seconden verspreidde tot in alle uithoeken van de plant.
Er werd een heel arsenaal aan gifstoffen geproduceerd om de plant tegen verdere aanvallen te beschermen.
Maar toen de onderzoekers de eiwitten op het celoppervlak die geactiveerd werden door glutamaat blokkeerden, was er geen lichtgolf, waaruit af te leiden valt dat het aminozuur een belangrijke rol speelt in de snelle reactie van de plant en zijn verdediging – net als in het zenuwstelsel van zoogdieren, waar het aminozuur ook signalen tussen de cellen overbrengt door ionkanalen open te zetten.
Planten slapen, zien en seinen
Uit onderzoek blijkt dat planten veel kunnen van wat dieren doen. Zo kunnen ze hun omgeving aanvoelen met behulp van speciale lichtgevoelige cellen in de bladeren, slapen door de sapspanning in hun cellen te veranderen en met elkaar praten door chemische signalen door de lucht te sturen.
Luisteren door kleine geluidstrillingen op te vangen, zoals van water onder de wortels.
Seinen via chemische stoffen door de lucht over ziekten en planteneters.
Zien met behulp van lichtgevoelige, lensachtige cellen in de bladeren.
Slapen door in de sluimerstand te gaan, waarbij de druk van het vocht in de cellen wordt veranderd.
Maar hoewel de cellen van plant én dier communiceren via glutamaat is er een groot verschil in de werking van de twee systemen.
Zo hebben planten, in tegenstelling tot zoogdieren, geen echte zenuwcellen en kunnen ze geen pijn voelen. Dat is ook niet zo gek; bij dieren geeft het pijnsignaal immers aan dat ze moeten vluchten, en dat kunnen planten nu eenmaal niet, dus hoeven ze ook geen pijn te voelen. Verder verschilt de snelheid van de elektrische signalen sterk.
Tijdens het experiment verspreidde het calciumsignaal in de gemanipuleerde planten zich met een topsnelheid van circa 1 millimeter per seconde, wat razendsnel is voor planten, maar extreem langzaam in vergelijking met de signaalsnelheid bij dieren, waarbij de elektrische stroompjes soms wel met 120 meter per seconde bewegen.
Groen geheugen werkt goed
Maar ondanks de verschillen gebruiken dier en plant dus dezelfde signaalstof voor de communicatie tussen de cellen. En het is niet voor het eerst dat de groene meercellige organismen de wetenschappers verrassen met hun dierlijke eigenschappen.
Uit een aantal onderzoeken blijkt dat planten zowel kunnen leren als onthouden. Onderzoekers van de universiteit van Western Australia trainden erwtenplanten op dezelfde manier als honden om bijvoorbeeld het geluid van een bel in verband te brengen met voedsel: associatief leren.
In het experiment werden stekjes van de erwtenplanten onder een simpele doolhof van een waterleiding met twee uitgangen geplaatst. Zodra de planten een bepaalde hoogte bereikten, kwamen ze op een kruispunt uit waar ze naar links of naar rechts in de buis konden groeien.
De mycorrhizaschimmel vormt enorme netwerken onder de grond in het verlengde van de wortels, waarmee de planten voedingsstoffen delen en elkaar waarschuwen bij ziekte.
De onderzoekers verdeelden de planten in twee groepen: de ene groep werd blootgesteld aan de wind van een ventilator gevolgd door blauw licht vanaf dezelfde kant van de buis, terwijl de andere groep wind van de ene kant en daarna licht van de andere kant kreeg.
In een daaropvolgende test bleek dat de erwtenplanten in de eerste groep naar de wind toe groeiden, zelfs als er geen licht was.
Ze hadden dus geleerd van hun eerdere ervaringen en koppelden de wind van de ventilator aan het licht. Experimenten met mimosaplanten bevestigen dit gedrag. Deze planten zijn zeer gevoelig voor aanrakingen en vouwen hun bladeren snel samen als een afweermechanisme zodra ze aangeraakt worden.
De onderzoekers lieten de planten meermaals van 15 centimeter hoogte vallen. Bij de eerste drie à vier keren vouwden de planten de bladeren samen, zoals verwacht, maar bij de vijfde keer aarzelden ze en na 60 keer reageerden ze helemaal niet meer.
De planten leerden dat de val niet dodelijk was, en staken dus geen energie meer in de verdediging, ook niet toen de onderzoekers ze een maand later opnieuw testten. En je zou misschien denken dat de planten murw of dood waren, maar als ze flink door elkaar werden geschud, vouwden ze hun bladeren nog wel samen.
Planten seinen
Dat planten veel meer kunnen dan we denken, is geen nieuwe theorie.
Al in 1880 suggereerde de Britse natuuronderzoeker Charles Darwin dat planten intelligent zijn en dat hun versie van een brein in de wortels ligt – een conclusie die meermaals is bevestigd, onder meer door de ontdekking van netwerken die in het verlengde van de wortels liggen, en waarmee de planten elkaar helpen door er voedingsstoffen en waarschuwingen doorheen te sturen.
Planten gebruiken dezelfde signaalstof als dieren
1.
Een planteneter knaagt aan de plant, die binnen enkele seconden de signaalstof glutamaat naar het beschadigde weefsel stuurt.
2.
De signaalstof lekt vanzelf uit het aangetaste gebied of wordt actief door de cellen afgestaan als gevolg van de schade. Van daaruit stroomt het glutamaat naar het vaatstelsel eromheen.
3.
Het glutamaat hecht zich aan de zogeheten glutamaatreceptoren op de cellen en zet de ionkanalen open.
4.
De opening van de ionkanalen heeft tot gevolg dat calcium de cellen in kan stromen en weer nieuwe kanalen opent, waardoor de calciumionen tussen de cellen heen en weer kunnen bewegen.
5.
De geladen calciumionen creëren een golf van elektrische signalering tussen de cellen en activeren een aantal enzymen, wat de productie van het plantenhormoon jasmonaat bevordert.
6.
Dit beschermt de plant door allerlei bittere gifstoffen aan te laten rukken, zoals looizuur, waar de rups ziek van kan worden.
Die netwerken in de wortels bestaan uit mycorrhizaschimmels, en hun totale massa op aarde wordt geschat op 30 miljard ton.
Een groot percentage van de plantensoorten op onze planeet is mogelijk aangesloten op de meer dan 400 miljoen jaar oude netwerken. Door via de netwerken chemische signalen te versturen, kunnen planten elkaar bijvoorbeeld waarschuwen voor ziekten in de directe omgeving, maar ze kunnen ook koolhydraten overbrengen naar soortgenoten die in de schaduw staan en dus te weinig energie van het zonlicht krijgen.
En door de vondst van glutamaat als belangrijke signaalstof in de verdediging van planten tegen aanvallen kunnen we ook leren begrijpen hoe ze communiceren.
Wist je dat er in Nederland verschillende giftige planten zijn? Lees hier over de giftige planten van Nederland.