הצמחים של פבלוב

איור: ליזה וורונין

היכולת לאלף יצורים חיים תמיד סקרנה את בני האדם. הכוח הטמון בה – המאפשר לשלוט ביצור חי אחר ולגרום לו לעשות כרצוננו – קסם לנו. כך אילפנו את כלבי הרועים לעזור לנו בצורה מועילה ולהוביל עדרים, וגרמנו לדולפינים לאתר מוקשים תת-ימיים.

כלל האצבע היה שיצורים חיים עם זיכרון ויכולת למידה – אפשר לאלף. את כל היתר לא, ואין טעם לבזבז עליהם זמן. כך חשבו במשך שנים.

אבל פרופ׳ מוניקה גגליאנו מאוניברסיטת מערב אוסטרליה החליטה לאתגר את התפיסה הזו וללכת נגד הזרם. היא רצתה לבדוק האם גם לצמחים יש זיכרון ויכולת למידה, ונוכל לגרום להם למשל לפתוח את הפרח כשנתקרב אליהם, ולסגור אותו כשנתרחק. ״הבנתי שאף אחד אף פעם לא שאל על למידה ועל זיכרון אצל צמחים, אף אחד לא בדק את זה. אז התחלתי לחקור בכיוון״, היא מספרת בראיון לאפוק טיימס על תחילת דרכה בתחום.

הצמח הבין שאין לו מה לדאוג מהנפילה, ולכן הוא לא הולך לבזבז את האנרגיה שלו עליה

כחוקרת חלוצה של תחום חדש, השאלה הראשונה שהתלבטה בה הייתה באיזה צמחים תשתמש כדי לבחון את התזה שלה. הצמח שלבסוף בחרה נקרא ״מימוזה ביישנית״, בגלל התנהגות מאוד ייחודית שמאפיינת אותו: המימוזה רגיש לטורפים המנסים להתקרב אליו. ברגע שמשהו מעורר אצלו חשד, למשל כשמישהו נוגע בו פתאום, נושף עליו או מרעיד אותו, הצמח מקפל במהירות את העלים. התנועה החדה מבריחה טורפים פוטנציאליים שנוחתים עליו, ואם הם לא בורחים, לכל הפחות הם נופלים מהעלה כתוצאה מהתנועה החדה. ההתנהגות המיוחדת שלו העניקה לו את כינויו המוכר, ״הצמח הרגיש״, או ״אל תיגע בי״.

פרופ׳ גגליאנו רצתה לבחון האם כשתטריד אותו שוב ושוב הוא בסופו של דבר כבר לא יהיה רגיש ויבין שההצקות שלה חסרות משמעות ולא ״שווה״ להשקיע את האנרגיה בסגירה המהירה של העלים. יותר מכך, אם יתברר שהוא באמת מסוגל לזכור שההטרדות שלה חסרות משמעות, לכמה זמן הוא יצליח לזכור את השיעור הזה?

עליו של צמח המימוזה הביישנית, המוכר בכינויו "הצמח הרגיש", נסגרים במהרה בכל פעם שמישהו נוגע בהם | תמונה: Cyndy Sims Parr/Flickr ,Fotolia

כדי לבחון את זה היא פיתחה ״מתקן טלטולים״ מיוחד, שיטלטל את הצמח שוב ושוב בחזרה מדויקת. עציצי הפלסטיק עם צמח המימוזה הורכבו על מסילת מתכת אנכית. למטה, בבסיס המתקן, היא הציבה מצע רך יחסית. כך היא יכלה שוב ושוב להפיל את העציץ מגובה של 15 ס״מ, כשהמצע הרך מבטיח שאין פגיעה ממשית לצמח. סדרת האימונים היומית של גגליאנו כללה שבעה מחזורים נפרדים של השלכות, כשבכל מחזור השתיל הופל 60 פעמים ברציפות.

בדרך כלל, כשהסכנה ממשית ו״הצמח הרגיש״ סוגר את עליו, לוקח לו בערך 30 דקות לפתוח אותם מחדש. כך אמור היה לקרות גם בניסוי של גגליאנו. בפועל קרה משהו אחר – כשהשליכה אותם מטה בפעמים הראשונות הם הקפידו לסגור את העלים, כמצופה, אבל במקום לפתוח אותם בתוך 30 דקות, הם החלו לפתוח אותם במהרה, בדרך כלל עוד לפני שהושלמה ההשלכה השישית בסדרה.

כשצמח המימוזה הופל שוב ושוב הוא "הבין" שאין טעם להשקיע אנרגיה ולסגור את העלים כהרגלו. הוא אפילו זכר את ה"תובנה" הזאת לפחות למשך חודש

כשהמשיכה להשליך אותם מטה קרה דבר עוד יותר מפתיע – הצמחים אפילו לא טרחו יותר לסגור את העלים. ״הצמח הבין שאין לו מה לדאוג מהנפילה. הוא הבין שאין לה שום משמעות עבורו, ולכן הוא לא הולך לבזבז את האנרגיה שלו עליה״, מספרת פרופ׳ גגליאנו.

אבל כאן לא נעצר הניסוי. גגליאנו החליטה לבחון מה יקרה אם תפסיק לבצע את הניסוי למשך כמה ימים, ואחר כך תחזור שוב לבצע אותו – האם הצמח עדיין יזכור את מה שכבר למד?

״חזרתי אחרי שלושה ימים כדי לראות אם הם עדיין זוכרים. חשבתי לעצמי שאין מצב שהם יזכרו. אבל הם זכרו. זה כאילו הם אמרו לי: ׳את צוחקת עלינו?׳ הם לא התרגשו מזה.

״אז חזרתי שישה ימים מאוחר יותר ושוב, אותו דבר. בניסוי הבא המתנתי חודש. וכדי לעשות את זה ממש מאתגר עבורם, אפילו שיניתי להם את הסביבה ושיחקתי עם עוצמת האור שהיה עליהם. אבל בכל זאת, גם אחרי חודש, כולם עדיין זכרו ולמדו שלא צריך לטרוח״.

אם צמחים מסוגלים לזכור חוויות קודמות שלהם, וללמוד מהן כיצד כדאי להתנהג ולהגיב בעתיד, מה ההשלכות של זה? אילו דברים חשובים נוכל ללמד אותם ואיזה אפשרויות חדשות זה יכול לפתוח לחקלאות שלנו?

20

לנו יש את חמשת החושים שלנו, אבל מגוון מחקרים בשנים האחרונות מראים שאצל הצמחים יכולות החישה מגוונות הרבה יותר. מתברר שלא רק שהם מסוגלים לשמוע, להריח ובעצם לחוש את מה שאנחנו יכולים, הם מסוגלים להרגיש גם שדות מגנטיים ואת כוח הכובד, להבחין ברמת הלחות באוויר ועוד. חוקרים מציעים שבסך הכול הצמחים נהנים מ-20 חושים שונים.

אוהבים אור כחול

כל זה היה ב-2014 ומאז גגליאנו המשיכה לחקור מה עוד נוכל ללמד את הצמחים שלנו. ממש לאחרונה היא פרסמה מחקר נוסף שבו היא בדקה, יחד עם עמיתים, האם אפשר ללמד צמח משהו חדש לגמרי, שהוא לא מכיר (Scientific Reports, Dec 2016). ״רצינו לראות האם נצליח לגרום לצמח להיות גמיש יותר, כך שהוא עדיין יבטא את ההתנהגות המולדת שלו אבל בצורה פחות מקובעת״.

גגליאנו לא הייתה הראשונה שחשבה על ניסוי כזה. בשנים האחרונות היו כמה חוקרים שניסו ללמד צמחים התנהגויות חדשות, באופן דומה לניסויים המפורסמים שעשה בעבר פבלוב עם כלבים.

איוון פבלוב הצליח בתחילת המאה ה-20 להראות שאפשר ללמד כלבים להגיב לצליל של פעמון בדיוק כמו שהם מגיבים למנה של אוכל. כלבים נוטים להזיל ריר כשמגישים להם אוכל, אז פבלוב ערך ניסוי שבו, במשך כמה ימים, לפני כל ארוחה הוא צלצל בפעמון ממש לפני שהגיש לכלבים את האוכל.

הניסוי של פבלוב | תמונה: Wellcome Images

כך למדו הכלבים את הקשר שבין צליל הפעמון והאוכל, ודי מהר הספיק רק צליל הפעמון כדי שהכלבים יתחילו לרייר.

גגליאנו הייתה הראשונה שהצליחה להראות שגם צמחים יכולים ללמוד באופן דומה לכלבים של פבלוב. ״האוכל של צמחים הוא אור, ומתברר ששתילים נמשכים מאוד לאור כחול, אז השתמשנו באור כחול כדי לגרום לאוכל שלהם להיות ממש טעים להם״, מספרת גגליאנו.

אבל כדי ״לשחזר״ את הניסוי של פבלוב, היה צריך גם תחליף לפעמון, משהו שהצמחים לא מכירים בכלל, ולא מקשרים אותו לאור, שהוא ה״ארוחה״ שלהם.

התחליף שהיא מצאה היה מאוורר. הרעיון היה להפעיל את המאוורר בדיוק מהכיוון שממנו יגיע האור, והשאלה הייתה האם הצמח יבין שכדאי לו לפנות לכיוון המאוורר, כי משם יגיע גם האוכל שלו (האור).

אם נותנים לצמחים אפשרות ללמוד על הסביבה, הם יבחרו לפי מה שהכי נוח להם

בהתחלה גגליאנו ניסתה ללמד חמניות לפנות לכיוון המאוורר, אבל זה לא ממש הצליח. היא חשבה שאולי האפונה תצליח יותר, כי היא נוטה לצמוח לכיוונים שונים. כך, בסופו של דבר, בניסוי שלה היא גידלה שתילים צעירים של אפונת הגינה בתוך מבוך חשוך שצורתו כשל האות Y. היא שיחקה עם כיוון האוורור ובדקה לאיזה כיוונים הצמחים הצעירים שלה יצמיחו את הענפים החדשים שלהם.

״הצמחים עברו שלושה ימים של אימונים שבהם האוורור תמיד הופיע מעט לפני האור, ובעצם היו לנו שני תרחישים: בראשון האוורור והאור הוצמדו והופיעו תמיד מאותה זרוע של המבוך, כך שהצמח יכול היה להבין שכדאי לו לפנות למאוורר. בתרחיש השני המאוורר מוקם בזרוע אחת של המבוך והאור היה מגיע מהזרוע השנייה. במקרה הזה הצמח יכול היה להבין שכדאי לו להתרחק מהמאוורר, כי האור תמיד יגיע מהצד השני.

״כשראינו שהצמחים הם תלמידים טובים שמצליחים לזהות מהיכן מגיעים הרמזים, הקפדנו לאתגר אותם קצת יותר, כך שכל הזמן שיחקנו באופן אקראי עם הכיוונים שמהם הגיעו האוורור והאור. הקפדנו לשמור על היחסים בין שני הגירויים האלו עבור אותו צמח, אבל הזזנו אותם שוב ושוב במבוך לאורך תקופת האימון״.

במשך שלושה ימים שתיל האפונה צמח והתקרב לנקודת הפיצול, כשבכל יום האוורור הגיע אליו לפני האור. ביום הרביעי, כשהצמח הגיע להתפצלות והיה צריך לבחור כיוון, מתברר שהוא יישם את "ההבנה" מהימים הקודמים וצמח

המידות של מבוך ה-Y תוכננו בדיוק כך שביום הרביעי יתקיים המבחן האמיתי. עד היום השלישי שתילי האפונה צמחו וגדלו לאורך הבסיס של ה-Y, והגיעו כמעט עד לנקודת ההתפצלות שבמרכזו, וביום הרביעי הם כבר היו חייבים לבחור לאן הם מפנים את המשך הצמיחה שלהם. באותו יום, של המבחן עצמו, הצמחים כבר לא קיבלו אור, אלא רק אוורור, וגגליאנו, יחד עם עמיתים למחקר, בדקו האם לכיוון שממנו הגיעה הרוח מהמאוורר הייתה השפעה על הבחירה של הצמח לאן להמשיך לצמוח.

״לא משנה מה היה התרחיש, בשני המקרים הצמח למד בדיוק מה הייתה משמעות האוורור, ובאופן מדהים פשוט סמך על המאוורר. זה חשוב, כי לפני שהחל הניסוי למאוורר לא הייתה שום משמעות עבור הצמח. ביום המבחן, במקום להשתמש בנטייה הטבעית שלהם לפנות לכיוון שממנו הגיע האור בפעם האחרונה, הם בחרו ללכת בהתאם למאוורר. הם עשו את הבחירה הזאת כנגד ההיגיון המולד שלהם.

״מצד אחד זה מדהים – ׳וואו, הם יכולים לעשות את זה׳. אבל מצד שני, ׳ברור שהם יכולים לעשות את זה׳. אם נותנים להם אפשרויות לבחירה ונותנים להם הזדמנות ללמוד על הסביבה, הם יבחרו לפי מה שהכי נוח להם״.

במקביל, גגליאנו בוחנת וחוקרת יכולות מפתיעות נוספות של צמחים. היא גילתה למשל ששורשי התירס משמיעים קולות של תקתוק, וגם מגיבים לקולות דומים. מאז היא ממשיכה ללמוד על התקשורת הקולית שצמחים מנהלים ביניהם. ממצאיה בתחום, כמו גם לגבי יכולות הלמידה של הצמחים, התקבלו בקהילה המדעית ברגשות מעורבים – הם מנוגדים להבנות ולתפיסות המקובלות.

הכלבים של פבלוב

כשחקר את מערכת העיכול של כלבים בסוף המאה ה-19, איוון פבלוב גילה שבכל פעם שהוא מתקרב לכלבים, גם אם הוא לא מביא את הארוחה, הם עדיין דרוכים ומתחילים לרייר. פבלוב הבין שהכלבים למדו את הקשר האסוציאטיבי והחל לחקור את תהליכי הלמידה שלהם.
מיד לפני כל ארוחה הוא צלצל בפעמון. בהתחלה לצלצול הפעמון לא הייתה שום משמעות עבור הכלבים, אבל במהרה הם הבינו שהפעמון קודם לאוכל. כשרק שמעו את הצלצול, הבינו שהאוכל כבר כאן והתחילו לרייר.

מול האינקוויזיציה

אצל בני האדם, כמו אצל רבים מבעלי החיים, הלמידה מתרחשת במוח, או יותר נכון בתאי העצב (נוירונים) שמאכלסים את המוח שלנו. בכל פעם שמתרחשת למידה, נוצרים קשרים חדשים בין הנוירונים במוח. אז איפה מתרחשת הלמידה אצל צמחים? אין להם אפילו תא עצב אחד.

קשה למצוא הסבר פשוט לממצאים המהפכניים האלה, עובדה שהלחיצה את הקהילה המדעית. ״לפני כמה שנים הייתה קבוצה, בעיקר של פיזיולוגים, שרצו לעורר דיאלוג בנושא הלמידה של צמחים וטבעו את המונח ׳נוירו-ביולוגיה של צמחים׳. כמובן, זה היה אמור להיות פרובוקטיבי, וכמובן שזה הצליח לעורר דיאלוג, אבל אנשים, במיוחד מתחום חקר המוח, ממש התעצבנו מהמונח הזה כי איך בכלל אפשר לדבר על נוירו-ביולוגיה במקרה של יצורים שאין להם נוירונים?״.

כך שבעקבות זאת, לא היה פשוט להכניס לשיח המדעי רעיונות של תודעה, זיכרון ולמידה אצל צמחים. אמנם התחילו לדבר על הנושאים האלו כבר לפני כעשר שנים, אבל כפי שגגליאנו מסבירה, לקח לחלוצים בתחום די הרבה זמן עד שהצליחו לזכות לתגובות ולהתייחסות למחקרים שלהם. למעשה התחום היה חסום במשך תקופה מסוימת כי החוקרים התקשו מאוד לפרסם מחקרים בכתבי העת המדעיים המקובלים.

פרופ' מוניקה גגליאנו מאוניברסיטת מערב אוסטרליה

גם גגליאנו עצמה התנסתה בזה עם המחקר שלה על הזיכרון של המימוזה הביישנית. ״לקח לי המון זמן עד שהצלחתי לפרסם אותו. כתבי העת שאליהם שלחתי אותו אפילו לא שלחו אותו ל׳ביקורת עמיתים׳ ״.

״זה היה קשה. הרגשתי כמו בתקופת האינקוויזיציה, שמי ששואל את השאלות הלא נכונות מעלים אותו על המוקד. כמובן, אנחנו כבר לא מעלים אנשים על המוקד, אבל אנחנו יכולים לעשות את זה בדרכים רבות אחרות״.

כיום היא מרגישה שההתנגדות הזאת היא ברובה נחלת העבר, והדברים מתחילים להשתנות. אפילו בפרסום המחקר החדש על הלמידה של האפונה היא הופתעה לגלות שהעניינים זרמו מהר קצת יותר. אמנם לקח קצת זמן, אבל בסופו של דבר הוא הועבר לביקורת עמיתים, ואפילו פורסם בכתב עת מפורסם יחסית.

״אלו שהכי פחות מקבלים את הרעיונות האלה הם הביולוגים של הצמחים. אני לא יודעת למה, אבל הם לא ממש מתעניינים בזה. לי אישית היה מעניין מאוד להיפגש עם מדעני מוח, כי זה התחום שלהם. הם התעניינו בזה מאוד, אולי היו סקפטיים אבל גם זה בסדר, כי הרי מדע לא מדבר על להאמין במשהו, אלא מתמקד בנתונים.

״אלו שמתעניינים בנושא יותר מכולם הם האנשים מהתחומים ההומניים, החברתיים, כמו למשל מדעי הרוח, פילוסופים ואנשים מתחום המשפט. מתברר שהנושא מעורר אצלם שיח אתי שלם, כמו למשל השאלה הפילוסופית של ׳מה זה אומר להיות בן אדם אם צמחים מסוגלים לעשות דברים דומים׳״.

תמונה: Inra Dist/Flickr

מתמטיקה צמחית

במהלך היום צמח התודרנית אוגר עוד ועוד עמילן שהוא מפיק בתהליכי הפוטוסינתזה, אבל הוא צריך לנצל את העמילן הזה בחוכמה בשעות הלילה. חוקרים בריטים הדגימו ב-2013 כיצד הצמח מצליח בעזרת "חישובים מתמטיים" לצרוך את העמילן במשך הלילה בקצב קבוע שמאפשר לנצל את מאגר העמילן במלואו עד לשעת הזריחה.

מלבד הכיוון שאליו הצמחים פונים, האם יש תגובות נוספות שאת חושבת שנוכל ללמד אותם לשנות?


״בכל התהליך שבו עברתי מהחמנייה לאפונה וביססתי את הרעיון הזה של המבוך, הבנתי שלכל צמח נצטרך לאפשר את הבחירות שרלוונטיות לו. כך למשל, המבוך התאים לאפונה כי היא מטפסת וצומחת לכל מיני כיוונים ומקומות. אבל אם ניקח צמח כמו שושנה, זה פחות יתאים, נצטרך לתכנן מבנה ניסוי שמתאים יותר למה ששושנה עושה. זה בעצם אותו הדבר כמו מה שאנחנו עושים עם בעלי חיים – לא אתן לדבורה את אותו מבחן שאתן לשימפנזה כי הן עושות דברים שונים״.

אולי בעתיד נוכל ללמד אותם איך להיות יעילים יותר, למשל להשיג יותר משאבים כמו מים או אור?


״כן, יכול להיות. חשבתי גם על עוד משהו. אולי נצליח לאמן אותם לזהות מתי מזיקים נמצאים בסביבה, או שנוכל לאמן אותם להגיב מראש ולהפעיל את ההגנות שלהם – אם נוכל ללמד אותם לקשור רמזים שונים בסביבה זה יאפשר להם להיערך הרבה זמן לפני. למשל להתגונן בפני טורף. אבל אין לי מושג כמה תרחיש כמו זה שתיארתי יהיה בר ביצוע, וכמה זמן עוד ייקח לנו עד שנוכל לממש אותו״.

ואם ננסה לאלף אותם לעשות משהו שלא ממש מועיל להם, כמו למשל לפתוח ולסגור את הפרח שוב ושוב, את חושבת שזה יעבוד?


״אני חושבת שהניסוי על ׳המימוזה הביישנית׳ יכול לענות על השאלה הזאת כי הרי אחרי זמן מסוים השתילים הבינו שההתגוננות שלהם הייתה חסרת תועלת. יש להם עניין לחסוך באנרגיה ולמקסם את התועלות ואת הרווחים, כך שהצמחים תמיד יחפשו את האיזון הזה״.

איך בעצם עובד הזיכרון אצל הצמחים, בלי תאי עצב? 


״אנחנו עדיין לא יודעים. יש המון כיוונים אפשריים, ומדובר בעצם על מנגנונים שרלוונטיים גם אצל יצורים כמונו, עם מערכת עצבים: אותות אלקטרוניים, אותות כימיים, כמו למשל אלו המבוססים על סידן. אבל אלו כולן השערות שאפילו לא התחלנו לבדוק. כאקולוגית אני מתעניינת יותר בשאלות כמו ׳מדוע הדברים קורים׳, ומשאירה לביולוגים לענות על השאלות ׳איך הם קורים׳.

״אבל אם נסתכל על זה מנקודת מבט רחבה יותר, עולה כאן עוד נושא. בדרך כלל כשאנחנו מדברים על למידה ועל תודעה, אנחנו מדברים במונחים של נוירונים – מערכת העצבים, הקשרים בין נוירונים ומה קורה במוח. אני חושבת שהדבר החשוב ביותר במחקר הזה הוא שהצמחים מסוגלים לעשות את הדברים האלו גם בלי נוירונים.

״זה אולי בעצם אומר שברמה הבסיסית, נוירונים ומוח הם רק מקרה פרטי. אם נמשיך להתמקד בהם אולי לא נמצא את התשובה ל׳מהי תודעה?׳ או ׳איך בעצם התפתחה התודעה שלנו בתהליך השלם?׳ בהתמקדות בנוירונים, אולי אנחנו מסתכלים רק דרך חלון צר. למעשה יש עוד מינים רבים אחרים שיכולים לספק לנו את תשובה לזה כי גם הם עושים את הדברים האלו בלי נוירונים״.

אולי יום אחד נגלה שיש לצמחים מערכת מיוחדת להם שמקבילה לחלוטין למערכת העצבים שלנו? 


״ייתכן, זו אופציה אחת – שהם עושים את אותם הדברים רק שהם משתמשים בדרכים אחרות. אבל יש גם אפשרות נוספת, שאומרת שאולי גם אנחנו, בני האדם, למעשה עושים את הדברים באותה דרך של הצמחים, אבל אנחנו עדיין בכלל לא מודעים לה״.