I'm a neuroscientist, and I'm the co-founder of Backyard Brains, and our mission is to train the next generation of neuroscientists by taking graduate-level neuroscience research equipment and making it available for kids in middle schools and high schools.
Jestem neurobiologiem i współzałożycielem Backyard Brains. Naszym celem jest wykształcenie następnej generacji neurobiologów. Bierzemy sprzęt używany na studiach i udostępniamy go uczniom w gimnazjach i liceach.
And so when we go into the classroom, one way to get them thinking about the brain, which is very complex, is to ask them a very simple question about neuroscience, and that is, "What has a brain?" When we ask that, students will instantly tell you that their cat or dog has a brain, and most will say that a mouse or even a small insect has a brain, but almost nobody says that a plant or a tree or a shrub has a brain. And so when you push -- because this could actually help describe a little bit how the brain actually functions -- so you push and say, "Well, what is it that makes living things have brains versus not?" And often they'll come back with the classification that things that move tend to have brains. And that's absolutely correct. Our nervous system evolved because it is electrical. It's fast, so we can quickly respond to stimuli in the world and move if we need to. But you can go back and push back on a student, and say, "Well, you know, you say that plants don't have brains, but plants do move." Anyone who has grown a plant has noticed that the plant will move and face the sun. But they'll say, "But that's a slow movement. You know, that doesn't count. That could be a chemical process." But what about fast-moving plants?
Podczas prezentacji w klasie, żeby pobudzić ich do myślenia o mózgu, który jest skomplikowany, zadajemy proste pytanie z neurobiologii: "Co ma mózg?". Kiedy o to pytamy, uczniowie natychmiast odpowiadają, że kot albo pies ma mózg. Większość odpowie, że nawet mysz lub insekt ma mózg. Prawie nikt nie powie, że roślina, drzewo czy krzak ma mózg. Wtedy zaczynamy drążyć. Pomaga to pokazać, jak działa mózg. Drążymy więc. "Dlaczego pewne organizmy mają mózg, a inne nie?" Wtedy często jako kryterium posiadania mózgu podają zdolność poruszania się. To się oczywiście zgadza. Układ nerwowy wyewoluował, bo bazuje na impulsach elektrycznych. Jest szybki, żebyśmy mogli szybko odpowiadać na bodźce i wykonać ruch, jeśli to konieczne. Żeby drążyć głębiej, mówimy uczniom: "Powiedzieliście, że rośliny nie mają mózgu, ale przecież się poruszają". Każdy, kto ma roślinę, wie, że rośliny się poruszają i kierują w stronę słońca. Słyszymy: "Tak, ale poruszają się powoli. To się nie liczy. Może to być proces chemiczny". Ale co z szybko poruszającymi się roślinami?
Now, in 1760, Arthur Dobbs, the Royal Governor of North Carolina, made a pretty fascinating discovery. In the swamps behind his house, he found a plant that would spring shut every time a bug would fall in between it. He called this plant the flytrap, and within a decade, it made its way over to Europe, where eventually the great Charles Darwin got to study this plant, and this plant absolutely blew him away. He called it the most wonderful plant in the world. This is a plant that was an evolutionary wonder. This is a plant that moves quickly, which is rare, and it's carnivorous, which is also rare. And this is in the same plant. But I'm here today to tell you that's not even the coolest thing about this plant. The coolest thing is that the plant can count.
W 1760 roku Arthur Dobbs, gubernator Karoliny Północnej, dokonał fascynującego odkrycia. Na bagnach za domem znalazł roślinę, która zamykała się błyskawicznie, kiedy owad wpadł między jej blaszki. Nazwał ją muchołówką. W ciągu dekady zawędrowała do Europy, gdzie badał ją Charles Darwin. Był nią zafascynowany. Nazwał ją najwspanialszą rośliną na ziemi. To był ewolucyjny cud. Roślina, która porusza się szybko, jest rzadkością. Jest mięsożerna, co jest równie rzadkie. To ta sama roślina. Jestem tutaj, żeby pokazać coś znacznie bardziej zadziwiającego. Najwspanialsze jest to, że ta roślina potrafi liczyć.
So in order to show that, we have to get some vocabulary out of the way. So I'm going to do what we do in the classroom with students. We're going to do an experiment on electrophysiology, which is the recording of the body's electrical signal, either coming from neurons or from muscles. And I'm putting some electrodes here on my wrists. As I hook them up, we're going to be able to see a signal on the screen here. And this signal may be familiar to you. It's called the EKG, or the electrocardiogram. And this is coming from neurons in my heart that are firing what's called action potentials, potential meaning voltage and action meaning it moves quickly up and down, which causes my heart to fire, which then causes the signal that you see here. And so I want you to remember the shape of what we'll be looking at right here, because this is going to be important. This is a way that the brain encodes information in the form of an action potential.
Żeby to pokazać, najpierw wyjaśnimy kilka pojęć. Tak samo jak podczas lekcji. Przeprowadzimy eksperyment z elektrofizjologii, czyli zrobimy zapis impulsu elektrycznego wysłanego przez neurony albo mięśnie. Podłączam elektrody do nadgarstków. Kiedy je podłączę, na ekranie pojawi się sygnał. Pewnie go znacie. Nazywamy go EKG albo elektrokardiogramem. Pochodzi z neuronów w sercu przewodzących potencjały czynnościowe. Potencjał oznacza napięcie, a czynność - to ruch w górę i w dół, który pobudza reakcję serca widoczną jako sygnał. Zapamiętajcie kształt, na który będziemy patrzeć, bo to ważne. W ten sposób mózg koduje informacje, jako potencjał czynnościowy.
So now let's turn to some plants. So I'm going to first introduce you to the mimosa, not the drink, but the Mimosa pudica, and this is a plant that's found in Central America and South America, and it has behaviors. And the first behavior I'm going to show you is if I touch the leaves here, you get to see that the leaves tend to curl up. And then the second behavior is, if I tap the leaf, the entire branch seems to fall down. So why does it do that? It's not really known to science. One of the reasons why could be that it scares away insects or it looks less appealing to herbivores. But how does it do that? Now, that's interesting. We can do an experiment to find out.
Przetestujmy rośliny. Zaczniemy od mimozy. Nie koktajlu, ale rośliny Mimosa pudica. Pochodzi z Ameryki Centralnej i Południowej i zachowuje się ciekawie. Pierwsze zachowanie, które pokażę, jest reakcją liści na dotyk. Widzimy, że się zamykają. Drugie zachowanie, gdy lekko uderzę w liść, gałązka opada. Dlaczego tak reaguje? Naukowcy nie wiedzą. Jednym z powodów może być zamiar odstraszenia owadów lub mniej atrakcyjny wygląd dla roślinożerców. Jak ona to robi? To ciekawe.
So what we're going to do now, just like I recorded the electrical potential from my body, we're going to record the electrical potential from this plant, this mimosa. And so what we're going to do is I've got a wire wrapped around the stem, and I've got the ground electrode where? In the ground. It's an electrical engineering joke. Alright.
Przeprowadzimy eksperyment, żeby to zbadać. Tak jak zarejestrowaliśmy potencjały elektryczne w moim ciele, zarejestrujemy potencjały elektryczne u tej rośliny, mimozy. Mam przewód owinięty wokół łodygi. Gdzie będzie uziemiony? W ziemi - to taki dowcip elektryków.
(Laughter)
(Śmiech)
Alright. So I'm going to go ahead and tap the leaf here, and I want you to look at the electrical recording that we're going to see inside the plant. Whoa. It is so big, I've got to scale it down. Alright. So what is that? That is an action potential that is happening inside the plant. Why was it happening? Because it wanted to move. Right? And so when I hit the touch receptors, it sent a voltage all the way down to the end of the stem, which caused it to move. And now, in our arms, we would move our muscles, but the plant doesn't have muscles. What it has is water inside the cells and when the voltage hits it, it opens up, releases the water, changes the shape of the cells, and the leaf falls.
Zacznę od lekkiego stuknięcia w liść. Spójrzmy na elektryczny zapis tego, co dzieje się wewnątrz rośliny. Tak duży skok, że muszę to zmniejszyć. Co to jest? To potencjał czynnościowy zarejestrowany w roślinie. Skąd się wziął? Bo roślina chciała się poruszyć. Kiedy uderzyłem w receptory dotyku, napięcie wysłane do końca łodygi wywołało ruch. My poruszylibyśmy mięśnie, ale rośliny ich nie mają. Rośliny mają w komórkach wodę. Kiedy napięcie dociera do komórek, otwierają się i uwalniają wodę. To zmienia ich kształt i liść opada.
OK. So here we see an action potential encoding information to move. Alright? But can it do more? So let's go to find out. We're going to go to our good friend, the Venus flytrap here, and we're going to take a look at what happens inside the leaf when a fly lands on here. So I'm going to pretend to be a fly right now. And now here's my Venus flytrap, and inside the leaf, you're going to notice that there are three little hairs here, and those are trigger hairs. And so when a fly lands -- I'm going to touch one of the hairs right now. Ready? One, two, three. What do we get? We get a beautiful action potential. However, the flytrap doesn't close. And to understand why that is, we need to know a little bit more about the behavior of the flytrap. Number one is that it takes a long time to open the traps back up -- you know, about 24 to 48 hours if there's no fly inside of it. And so it takes a lot of energy. And two, it doesn't need to eat that many flies throughout the year. Only a handful. It gets most of its energy from the sun. It's just trying to replace some nutrients in the ground with flies. And the third thing is, it only opens then closes the traps a handful of times until that trap dies. So therefore, it wants to make really darn sure that there's a meal inside of it before the flytrap snaps shut. So how does it do that? It counts the number of seconds between successive touching of those hairs. And so the idea is that there's a high probability, if there's a fly inside of there, they're going to be quick together, and so when it gets the first action potential, it starts counting, one, two, and if it gets to 20 and it doesn't fire again, then it's not going to close, but if it does it within there, then the flytrap will close.
Tak wygląda potencjał czynnościowy kodujący informację o ruchu. Czy możemy zrobić coś więcej? Sprawdźmy. Zajmiemy się muchołówką. Popatrzmy, co dzieje się wewnątrz liścia, kiedy ląduje na nim mucha. Będę udawał muchę. To jest muchołówka. Na liściu widzimy trzy małe włoski. To są włoski czuciowe. Kiedy mucha ląduje... Dotknę teraz jednego z włosków. Gotowi? Raz, dwa, trzy. Co się stało? Wywołaliśmy potencjał czynnościowy. Jednak muchołówka się nie zamyka. Żeby zrozumieć dlaczego, musimy wiedzieć więcej o zachowaniu muchołówki. Po pierwsze, ponowne otworzenie blaszek zabiera dużo czasu. Około 24 do 48 godzin, jeśli nie ma tam muchy. Kosztuje to dużo energii. Po drugie, nie musi jeść wielu much w ciągu roku. Tylko kilka, a większość energii czerpie ze słońca. Muchy dostarczają składników odżywczych nieobecnych w glebie. Po trzecie, jej blaszki otwierają i zamykają się tylko kilka razy, dopóki pułapka nie obumrze. Dlatego chce być pewna, że w pułapce znajduje się "posiłek", zanim zamknie blaszki. Skąd to wie? Liczy sekundy między kolejnymi dotknięciami włosków. Kiedy ma pewność, że w środku jest mucha, chce poruszyć się szybko. Od pierwszego potencjału czynnościowego zaczyna liczyć: jeden, dwa, jak dojdzie do 20 i nie pojawi się sygnał, wtedy nie zamyka blaszek. Gdy otrzyma drugi sygnał w tym czasie, zamyka się.
So we're going to go back now. I'm going to touch the Venus flytrap again. I've been talking for more than 20 seconds. So we can see what happens when I touch the hair a second time. So what do we get? We get a second action potential, but again, the leaf doesn't close. So now if I go back in there and if I'm a fly moving around, I'm going to be touching the leaf a few times. I'm going to go and brush it a few times. And immediately, the flytrap closes. So here we are seeing the flytrap actually doing a computation. It's determining if there's a fly inside the trap, and then it closes.
Wracamy do eksperymentu. Ponownie dotknę muchołówki. Mówiłem dłużej niż 20 sekund. Zobaczmy, co się stanie, kiedy dotknę włoska drugi raz. Co się stało? Mamy drugi potencjał czynnościowy, ale liść się nie zamknął. Kiedy dotknę znowu, a gdybym był muchą chodzącą po liściu, dotknąłbym włosków kilka razy. Dotknę jeszcze kilka razy, Natychmiast muchołówka się zamyka. Widzimy, że muchołówka dokonuje obliczeń. Próbuje określić, czy mucha jest w pułapce, a potem się zamyka.
So let's go back to our original question. Do plants have brains? Well, the answer is no. There's no brains in here. There's no axons, no neurons. It doesn't get depressed. It doesn't want to know what the Tigers' score is. It doesn't have self-actualization problems. But what it does have is something that's very similar to us, which is the ability to communicate using electricity. It just uses slightly different ions than we do, but it's actually doing the same thing. So just to show you the ubiquitous nature of these action potentials, we saw it in the Venus flytrap, we've seen an action potential in the mimosa. We've even seen an action potential in a human.
Wróćmy do naszego pytania wyjściowego. Czy rośliny mają mózg? Odpowiedź brzmi: nie. Nie mają mózgu. Nie mają ani aksonów, ani neuronów. Nie zapadają na depresję. Nie chcą poznać wyniku meczu Tigersów. Nie mają problemu z samorealizacją. Ale coś je z nami łączy. Umiejętność porozumiewania się przy pomocy elektryczności. Wykorzystują trochę inne jony, ale funkcjonują tak samo. Zaprezentuję powszechność potencjałów czynnościowych, które zaobserwowaliśmy w muchołówce, w mimozie i u człowieka.
Now, this is the euro of the brain. It's the way that all information is passed. And so what we can do is we can use those action potentials to pass information between species of plants. And so this is our interspecies plant-to-plant communicator, and what we've done is we've created a brand new experiment where we're going to record the action potential from a Venus flytrap, and we're going to send it into the sensitive mimosa.
To waluta wykorzystywana przez mózg. Sposób przekazywania informacji. Można wykorzystać potencjały czynnościowe do przekazania informacji między różnymi gatunkami roślin. To jest międzygatunkowa rozmowa między roślinami. Zaprojektowaliśmy nowy eksperyment. Zarejestrujemy potencjał czynnościowy muchołówki amerykańskiej i wyślemy go do wrażliwej mimozy.
So I want you to recall what happens when we touch the leaves of the mimosa. It has touch receptors that are sending that information back down in the form of an action potential. And so what would happen if we took the action potential from the Venus flytrap and sent it into all the stems of the mimosa? We should be able to create the behavior of the mimosas without actually touching it ourselves.
Pamiętacie, co się stało po dotknięciu liści mimozy? Jej receptory dotyku przesyłają informacje w formie potencjału czynnościowego. Co by się stało, gdybyśmy wykorzystali potencjał czynnościowy muchołówki i przesłali go do łodyg mimozy? Powinniśmy wywołać reakcję w mimozie bez dotykania jej.
And so if you'll allow me, I'm going to go ahead and trigger this mimosa right now by touching on the hairs of the Venus flytrap. So we're going to send information about touch from one plant to another.
Pozwólcie, że zacznę. Pobudzę mimozę przez dotknięcie włosków w muchołówce. Prześlemy informacje o dotyku z jednej rośliny do drugiej
So there you see it. So --
Sami widzicie.
(Applause)
(Brawa)
So I hope you learned a little bit, something about plants today, and not only that. You learned that plants could be used to help teach neuroscience and bring along the neurorevolution.
Mam nadzieję, że nauczyliście się dzisiaj czegoś o roślinach. I nie tylko. Rozumiecie, że rośliny pomagają w nauczaniu neurobiologii a także neurorewolucji.
Thank you.
Dziękuję.
(Applause)
(Brawa)