Vid första anblicken är Malvaceae-växten Lavatera cretica bara ett påfallande ogräs. Denna malva har rosa blommor och breda, platta blad som följer solen under dagen. Men vad blomman gör på natten har uppmärksammat vetenskapssamhället på den ödmjuka växten. Några timmar före gryningen börjar växten att vända sina löv i den antagna riktningen av soluppgången. Malva verkar komma ihåg var och när solen gick upp tidigare dagar och väntar på honom där.
När forskare i laboratoriet försöker förvirra malven genom att ändra ljuskällans plats lär den sig helt enkelt en ny riktning. Men vad betyder detta uttalande i allmänhet - att växten kan komma ihåg och lära sig?
Tanken att växter kan agera intelligent, än mindre lära sig och bilda minnen, var en marginal synvinkel fram till nyligen. Minnen anses i grunden vara ett kognitivt fenomen, så mycket att vissa forskare anser att deras närvaro är en nödvändig och tillräcklig indikation på att kroppen har grundläggande typer av tänkande. Det tar en hjärna att bilda minnen, och växter har inte ens det rudimentära nervsystemet som insekter och maskar har.
Men under de senaste tio åren har denna uppfattning ifrågasatts. Mallow är inget undantag. Växter är inte bara passiva organiska automater. Vi vet nu att de kan känna och integrera information om dussintals naturliga variabler och tillämpa denna kunskap för flexibelt, adaptivt beteende.
Till exempel kan växter känna igen om angränsande växter är relaterade eller inte och anpassa sina utfodringsstrategier därefter.
Impatiens pallida, en av flera arter som är kända för att spendera de flesta av sina resurser på växande löv snarare än rötter i närvaro av utomstående, en taktik som tydligen syftar till att konkurrera om solljus. Omgiven av besläktade växter flyttar touch-me-not prioriteringar. Dessutom kan växter bygga komplexa riktade försvar som svar på identifiering av specifika rovdjur. En liten blommande Talsget (Arabidopsis thaliana) kan spåra vibrationerna hos dess ätande larver och släppa ut speciella oljor och kemikalier för att stöta bort insekter.
Växter kommunicerar också med varandra och med andra organismer, såsom parasiter och mikrober, med hjälp av flera kanaler - till exempel svamp- "mykorrhizal-nätverk" som länkar olika växters rotsystem som ett slags underjordiskt internet.
Kanske inte så förvånande att växter kan lära sig och använda minne för att göra förutsägelser och beslut.
Kampanjvideo:
Vad ingår i begreppen "lärande" och "minne" om vi talar om växter? Det mest uppenbara exemplet i diskussionen är vernaliseringsprocessen, under vilken vissa växter måste utsättas för låga temperaturer för att blomstra på våren. Vinterminnet hjälper växter att skilja mellan våren när pollinerare som bin är upptagna och hösten när de är fria, och beslutet att blomstra vid fel tidpunkt kan vara katastrofalt för reproduktion.
I biologers favoritförsöksväxt producerar Tals reticulatus, en gen som heter Flowering Locus C (FLC) en kemikalie som förhindrar att dess små vita blommor öppnas. Men när en växt upplever en lång vinter, mäter biprodukterna från andra gener varaktigheten av exponering för kalla temperaturer och undertrycker FLC i ett stort antal celler under det kalla vädret. När våren kommer och dagarna förlängs kan en växt som har låg FLC-nivå på grund av förkylningen börja blomstra. Anti-FLC-mekanismen kräver dock långvarig exponering för kallt väder för att fungera effektivt, snarare än korta perioder med fluktuerande temperaturer.
Det så kallade epigenetiska minnet är involverat här. Även efter återgången av vernaliserade växter till varma förhållanden förblir FLC-halten på en låg nivå på grund av ombyggnaden av kromatinmärken. Dessa är proteiner och små radikaler som fäster vid DNA inuti celler och påverkar genaktivitet. Kromatinrenovering kan till och med överföras till efterföljande generationer av separerade celler, så att de senare "kommer ihåg" tidigare vintrar. Om den kalla årstiden har varit tillräckligt lång kan växter med några celler som inte har utsatts för kyla fortfarande blomstra på våren eftersom kromatinmodifiering fortsätter att hämma FLC-uttryck.
Men är det verkligen ett minne? Botaniker som studerar epigenetiskt minne kommer att vara de första som är överens om att det skiljer sig väsentligt från vad kognitiva forskare studerar.
Är denna term bara en allegorisk konvention som kombinerar det välkända ordet "minne" med det okända området för epigenetik? Eller avslöjar likheterna mellan cellulära förändringar och minnen på organismens nivå för oss okända djup vad minnet egentligen är?
Epigenetiska och "hjärnminnen" har en sak gemensamt - ständiga förändringar i systemets beteende eller tillstånd orsakade av en naturlig patogen från det förflutna. Ändå verkar denna beskrivning för allmän, eftersom den också täcker processer som vävnadsskador och metaboliska förändringar. Kanske är den intressanta frågan här inte om minnen behövs för kognitiv aktivitet, utan snarare vilka typer av minne som indikerar förekomsten av en underliggande kognitiv process, och om dessa processer finns i växter. Med andra ord, snarare än att titta på "minnet" i sig, är det värt att utforska den mer grundläggande frågan om hur minnen förvärvas, bildas eller lärs.
"Växter kommer ihåg", sa beteendekologen Monica Galliano i en radiointervju nyligen. "De vet exakt vad som händer." Vid University of Western Australia studerar Galliano växter med beteendemetoder som utvecklats för djur. Hon hävdar att om växter kan visa resultat som tyder på att andra levande organismer kan lära sig och lagra minnen, så måste vi också överväga sannolikheten för att växter också har dessa kognitiva förmågor. En av de inlärningsformer som de har studerat i detalj är anpassning, under vilken levande organismer som utsätts för oväntade men ofarliga patogener (buller, blixt eller ljus) senare kommer att uppvisa ett proaktivt svar som kommer att blekna över tiden.
Föreställ dig att du går in i ett rum med ett surrande kylskåp: först är det irriterande, men som regel blir du van vid det och troligtvis kommer du efter ett tag att sluta ens lägga märke till detta ljud. En fullständig anpassning förutsätter en specifik stimulans, så med införandet av en utmärkt och potentiellt farlig stimulans utlöser djuret ett nytt defensivt svar.
Även i ett bullrigt rum är det mer troligt att du snurrar med ett högt knalljud. Detta kallas tillvänjningslättnad och är det som skiljer sant lärande från andra typer av förändringar, såsom trötthet.
År 2014 testade Galliano och hans kollegor mimosas inlärningsförmåga för en skam, liten, krypande årgång. Dess löv krullar sig som svar på ett hot. Galliano och hans kollegor tappade mimosan från en höjd (vilket i princip inte kunde ha hänt med växten i dess evolutionära historia), och växten lärde sig att den var säker och inte visade en vikningsreaktion. Emellertid observerades ett svar när växten plötsligt skakades. Dessutom fann forskarna att anpassningen av den bashful mimosaen också bestämdes kontextuellt. Växter lärde sig snabbare i svagt upplysta miljöer där stängning av bladen var dyrare på grund av brist på belysning och observatörens behov av att spara energi. (Gallianos team var inte det första som använde en beteendemässig inlärningsstrategi på växter som bashful mimosa,tidigare studier var dock inte alltid strikt kontrollerade och gav därför motstridiga resultat.
Men hur är det med mer komplex lärbarhet?
De flesta djur kan också konditionerat och associativt lärande, under vilket de lär sig att två stimuli är parade med varandra. Det är detta som låter dig lära hunden att närma sig visselpipan - hunden börjar associera detta beteende med en behandling eller tillgivenhet.
I en annan studie testade Galliano och hans kollegor om fröärtor kunde koppla luftrörelse till tillgänglighet för ljus. De placerade fröna i en Y-labyrint, varav en av grenarna sattes i luften - den var också den ljusaste. Växterna fick sedan växa i labyrinten, och forskare förväntade sig att se om de skulle behärska föreningen. Resultaten var positiva: de visade att växterna behärskade det konditionerade svaret på ett situationellt bestämt sätt.
Det finns växande bevis för att växter har några av djurens inneboende inlärningsförmåga. Varför tog det så lång tid att inse detta? Du kan göra ett litet experiment. Ta en titt på den här bilden. Vad avbildas här?
De flesta kommer antingen att namnge den allmänna klassen av djur på bilden ("dinosaurier") och beskriva vad de gör ("slåss", "hoppa"), eller - om en dinosauriefläkt stöter på - utse ett specifikt djur ("driptosaurus"). Lichens, gräs, buskar och träd kommer sällan att nämnas - för det mesta kommer de att uppfattas som bakgrunden för huvudevenemanget,”slagfältet” för djur.
1999 kallade biologerna James Wandersee och Elizabeth Schuessler detta fenomen växtblindhet - en tendens att ignorera växternas potential, beteende och unika aktiva roll i naturen. Vi behandlar dem som ett bakgrundselement och inte som aktiva agenser i ekosystemet.
På många sätt beror denna blindhet på historia, vi pratar om filosofiska rester av långt avskaffade paradigmer som fortsätter att påverka vår förståelse av den naturliga världen. Många forskare påverkas fortfarande av det berömda aristoteliska konceptet scala naturae, "varelsens stege", där växter ligger längst ner i hierarkin av förmågor och värden, och människor ligger högst upp. Aristoteles betonade den grundläggande konceptuella uppdelningen mellan det orörliga, okänsliga växtlivet och det aktiva och känsliga djurriket. Enligt hans åsikt är skillnaden mellan djurriket och mänskligheten lika betydelsefull; han trodde inte att djur har något slags fullvärdigt tänkande. Efter spridningen av dessa idéer i Västeuropa i början av 1200-talet och under renässansen förblev denna position av Aristoteles konsekvent populär.
Idag kan denna systematiska partiskhet mot icke-djur kallas zoohavinism. Det finns allestädes närvarande i utbildningssystemet, läroböcker i biologi, trender i vetenskapliga publikationer och i media. Dessutom interagerar barn som växer upp i städer sällan med växter, bryr sig sällan om dem och förstår dem i allmänhet inte bra.
Hur våra kroppar fungerar - våra system för uppfattning, uppmärksamhet och kognition - bidrar till örtblindhet och relaterade fördomar. Växter hoppar inte på oss, utgör inget hot och deras beteende påverkar inte oss.
Empirisk forskning tyder på att de inte märks lika ofta som djur, de väcker inte uppmärksamhet lika snabbt som djur, och vi glömmer dem lättare än om djur. Vi uppfattar växter som föremål eller till och med inte uppmärksammar dem alls. Dessutom orsakas växternas beteende ofta av kemiska eller strukturella förändringar som är så små, snabba eller långsamma att vi inte kan observera dem utan specialutrustning.
Eftersom vi själva är djur är det också lättare för oss att känna igen djurens beteende. Nya upptäckter inom robotikområdet indikerar att forskningsdeltagare är mer villiga att tillskriva egenskaper som känslor, intentionalitet och beteende till system som härmar människors eller djurs beteende.
Vi förlitar oss på antropomorfa prototyper för att avgöra om beteendet är förnuftigt. Detta förklarar vår intuitiva ovilja att tilldela kognitiva förmågor till växter.
Men fördomar är kanske inte den enda anledningen till att vi har avfärdat växternas kognitiva potential. Vissa forskare har uttryckt oro över att begrepp som "gräsblindhet" bara är förvirrande metaforer. När kognitiv teori tillämpas på växter på ett mindre abstrakt och vagt sätt, säger de, får man intrycket att växter fungerar mycket annorlunda än djur. Växtmekanismer är komplexa och fantastiska, erkänner de, men de är inte kognitiva mekanismer. Man tror att vi ger minnet en så bred definition att det tappar sin mening och att sådana processer som anpassning i själva verket inte är kognitiva mekanismer.
Ett sätt att utforska innebörden av den kognitiva processen är att undersöka om systemet använder representationer. En uppsättning färgade linjer kan bilda en katt, en representation av en katt, precis som ordet "katt" i denna mening.
Hjärnan skapar representationer av element i miljön och låter oss därmed navigera i denna miljö. När processen att bilda representationer misslyckas kan vi i vårt sinne börja bilda bilder av föremål som faktiskt inte finns nära oss, till exempel för att se hallucinationer. Och ibland uppfattar vi världen lite fel, snedvrider information om den. Jag kanske misslyckas med sångtexten - eller ryser och tänker att en spindel kryper längs min hand när det bara är en fluga.
Förmågan att misstolka inkommande information är ett säkert tecken på att systemet använder informationsbelastade representationer för att navigera världen. Detta är det kognitiva systemet.
När vi bildar minnen kommer vi troligtvis att hålla kvar en del av den information som visas så att vi senare kan använda den offline. Filosofen Francisco Calvo Garzón från det spanska universitetet i Murcia uppgav att för att en fysisk egenskap eller mekanism ska kunna kallas representativ måste den "kunna representera tillfälligt oåtkomliga föremål eller händelser." Det är representationsförmågan att reflektera något som inte finns, hävdar han, som gör att minnet kan betraktas som ett tecken på kognitiv aktivitet. En egenskap eller mekanism som inte kan fungera offline kan inte betraktas som riktigt kognitiv.
Å andra sidan medger vissa forskare att vissa representationer bara kan fungera online, det vill säga de representerar och spårar miljöelement i realtid. Mallowens nattliga förmåga att förutsäga var solen kommer att stiga, långt innan den dyker upp, verkar involvera representationer offline; andra heliotropiska växter, som bara följer solen när den rör sig över himlen, använder uppenbarligen någon form av online-representation. Och ändå kan organismer som bara använder online-representation, säger forskare, också betraktas som kognitiva. Offlineprocesser och minne är dock mer övertygande bevis för att kroppen inte bara reagerar reflexivt på miljön. Detta är särskilt viktigt i förhållande till studier av organismer som vi intuitivt inte brukar tänka på som kognitiva, till exempel växter.
Finns det bevis för att växter visar och lagrar information om miljön för senare användning?
Under dagen vänder malva löven mot solen med hjälp av motorvävnaden vid stammens botten - denna process styrs aktivt av förändringar i vattentrycket inuti växten, detta kallas turgor. Skalan och riktningen för solljus är kodade i ljuskänsliga vävnader fördelade över det geometriska mönstret i venerna på malva blad, och information om dem lagras till morgonen. Anläggningen håller också koll på cyklerna dag och natt med sin interna dygnsur, vilket är känsligt för naturliga signaler om solnedgång och soluppgång.
På natten, genom att titta på information från alla dessa källor, kan malva förutsäga var och när solen kommer att stiga upp nästa morgon. Den fungerar kanske inte med begrepp som "sol" eller "gryning", men den lagrar information om solens vektor och cyklerna dag och natt, som gör att den kan omorientera sina löv innan gryningen så att deras yta vetter mot den stigande solen. Det gör också att växten kan lära sig en ny position när fysiologer lurar huvudet genom att ändra ljuskällans riktning. I artificiellt skapat mörker kan den föregripande mekanismen också fungera offline i flera dagar. Det handlar om att optimera tillgängliga resurser - i det här fallet solljus.
Kan denna mekanism betraktas som en "representation" - som ersätter elementen i den omgivande världen som bestämmer växtens beteende? Jag tror det.
Precis som neurovetenskapsmän försöker identifiera nervsystemets mekanismer för att studera minne hos djur, försöker växtforskare att förstå de mekanismer i minnet som gör det möjligt för växter att lagra och använda information, och också använda detta minne för att anpassa deras beteende.
Vi har precis börjat förstå de unika förmågorna hos denna flexibla och varierande grupp av organismer. När vi vidgar våra horisonter av nyfikenhet bortom djurriket och till och med växtriket för att studera svampar, bakterier och protozoer, kan vi bli förvånade över att upptäcka att många av dessa organismer använder samma grundläggande beteendestrategier och principer som vi själva, inklusive förmågan att typ av lära sig och forma minnen.
För att framsteg ska kunna göras måste särskild uppmärksamhet ägnas åt mekanismer. Vi måste tydligt förstå när, hur och varför vi tillgriper allegori. Du bör vara exakt i dina teoretiska uttalanden. Och om bevisen pekar oss i en riktning som strider mot konventionell visdom, bör vi djärvt följa vart de leder. Sådana forskningsprogram är fortfarande i sin linda, men de fortsätter verkligen att skapa nya upptäckter som undergräver och utvidgar den mänskliga förståelsen av växter och suddar ut de vanliga gränserna som skiljer växtriket från djurriket.
Att försöka tänka på vad tänkande i allmänhet kan betyda för dessa organismer är naturligtvis snarare en fantasiflykt, eftersom de faktiskt inte har en uppdelning i en hjärna (sinne) och en kropp (rörelse).
Men med viss ansträngning kan vi i slutändan gå utöver de befintliga begreppen "minne", "lärande" och "tänkande" - som ursprungligen styrde vår begäran.
Vi ser att resonemanget om processerna för inlärning och minne i växter i många fall inte bara baseras på allegoriska bilder utan också på torra fakta. Och nästa gång du stöter på en malm på vägkanten som darrar i solljus, sakta ner, titta på den med nya ögon och kom ihåg att denna obetydliga ogräs är fylld med extraordinära kognitiva förmågor.
