Учёные нашли способ управлять растениями при помощи электроники

Замерло без единого движения необычное растение с зубчатыми листьями, напоминающими капканы — венерина мухоловка, удивительный хищник мира флоры. Пара мгновений — и "ловушка" захлопнулась… однако хватка зелёной охотницы пуста! Ведь в этот раз створки закрылись не из-за возни зазевавшегося насекомого, а по сигналу, поданному человеком при помощи специальной искусственной системы!

 

Именно такую картину можно было наблюдать при просмотре демонстрационного видео, выложенного шведскими учёными из Линчёпингского и Гётеборгского университетов. Специалистам есть, чем гордиться: они научились искусственно контролировать закрытие "ловушек" венериной мухоловки.

Это растение добывает себе пропитание не только фотосинтезом, но и самой настоящей охотой: челюстями и одновременно желудком мухоловке служат уже упомянутые зазубренные листья в форме капканов.

 

Необычное исследование было проведено не из праздного любопытства. Как сообщили учёные в статье, опубликованной в журнале "Nature Communications", разработка принципиально нового способа управления биологическими процессами живых организмов очень важна для производства современных систем "мозг-машина", медицинских имплантов и так популярных сейчас мягких роботов.

"Возможность связать искусственное устройство с биологической системой крайне необходима для успеха в данных сферах", — подчеркивают авторы исследования.

В чём же отличие созданной специалистами системы управления хищным растением? (Кстати, по словам учёных, в будущем новинка прекрасно "впишется" и в организмы беспозвоночных, и позвоночных животных, а, следовательно, и нас с вами, так что читаем внимательно.)

Ранее для внедрения в организмы исследователи использовали "классические" микросхемы на основе кремния (да-да, те самые, которые оказались в дефиците в начале 2022 года). Однако, полноценно внедрять электронные "рычаги управления" в организмы не получалось: мешали плохая биологическая совместимость "железячек" с живой тканью, сложность конструкции, низкая энергоэффективность и — что особенно важно — фундаментальные различия между рабочими процессами в кремниевых микросхемах и биологическими нервными процессами, которые основаны на изменении концентрации ионов внутри и снаружи клеток.

 

От последнего пункта и оттолкнулись изобретатели (да и дефицит классических микросхем, наверное, поджимал) и создали абсолютно новую систему управления биологическими процессами.

В основу изобретения учёные положили работу искусственных нейронов. Эти устройства полностью имитируют процессы, происходящие в живых нервных клетках: генерируют нервные импульсы в зависимости от изменения концентрации ионов в органических электрохимических транзисторах*, произведённых на специальных печатных станках.

Как с помощью революционной системы учёным удалось заставить мухоловку "захлопнуть челюсти" без единого намёка на добычу? В обычной ситуации створки этого хищного растения захлопываются, если к их чувствительным волоскам дважды прикасается потенциальная жертва. Прикосновения к волоскам вызывают повышение концентрации в клетках мухоловки ионов кальция (Ca2+). Когда концентрация достигает порогового уровня, створки захлопываются. Но повышение концентрации ионов — а, как следствие, и закрытие "капкана" — можно спровоцировать и искусственной электрической стимуляцией. Её учёные и провели с помощью новой системы, подключенной к створкам листьев подопытного растения.

В ходе эксперимента исследователи обнаружили, что при подаче тока с силой в 10 микроампер (с частотой 100 миллигерц) створки зелёной охотницы закрывались. Однако, при снижении силы тока до 2 микроампер (и, соответственно, частоты до 44 миллигерц) растение уже не реагировало на сигнал.

Как предположили учёные, нужная концентрация ионов кальция в клетках (стимулирующая закрытие "ловушки") достигается лишь при подаче тока высокой частоты, при низкой же частоте уровень концентрации ионов в клетках не достигает порогового.

 

В противоположность кремниевым предшественникам, новые искусственные нейроны имеют высокую биосовместимость. В ходе испытаний они показали отличное качество работы. Важный бонус — такие органические электрохимические нейроны экономят энергию (т.к. работают под меньшим напряжением) и их проще и дешевле производить, чем классические схемы!

Высокое качество уникальных устройств, по мнению учёных, позволит на их основе распечатывать целые биологические нейронные сети, чья работа будет основана на подаче импульсов в зависимости от изменения концентрации ионов. По принципам работы такие системы будут очень близки к биологическим нервным системам.

"Чтобы добиться такой же эффективности, как у нашего мозга, потребуется много лет, но я уверена, что мы на верном пути к демонстрации небольших печатаемых искусственных нервных систем", — прокомментировал совершённое открытие лидер исследования Симоне Фабиано.

 

В перспективе у команды учёных — продолжение работы над установлением связи между искусственными и биологическими нейронами.

А у нас в перспективе — необходимость задуматься: если мы уже получили такую огромную власть над окружающей нас реальностью, какую ответственность мы за неё несём?

*Транзистор — электронное устройство, позволяющее управлять током высокой частоты с помощью тока низкой частоты