Ook zonder een zenuwstelsel is leren en geheugen, en dus intelligentie, mogelijk

In de studie Experience teaches plants to learn faster and forget slower in environments where it matters onderzoeken Monica Gagliano, Michael Renton, Martial Depczynski en Stefano Mancuso het vraagstuk van het geheugen van planten. Zie hier het vorige bericht. 

Hoe kunnen planten de informatie uit hun omgeving opslaan en daarvan leren terwijl ze niet zoals wij een perifeer en centraal (hersenen, ruggenmerg) zenuwstelsel hebben? Die vraag is interessant omdat voor alles wat leeft geldt dat het in staat moet zijn tot leren en aanpassing en dus in die zin "intelligent" moet zijn. Hoe kun je intelligent zijn zonder een zenuwstelsel?

We zagen al dat er een epigenetisch mechanisme valt aan te wijzen, dat er voor zorgt dat opgedane ervaringen genen aan of uit kunnen zetten. In het vorige bericht ging het over volwassenen die als nog ongeboren kind de Hongerwinter van 1944-45 hadden ervaren en waarvan de groeigenen toen zo werden "afgesteld" dat ze toch nog een behoorlijk normaal geboortegewicht bereikten. Er vond een aanpassing plaats aan een omgeving met weinig voedsel, waardoor ze beter voorbereid waren op nieuwe periodes van honger. Alleen, die periodes deden zich niet voor, integendeel er was steeds meer dan genoeg voedsel. Daardoor ontwikkelden ze op latere leeftijd gezondheidsproblemen (door een hogere cholesterolspiegel). Dat epigenetische proces "ging ervan" uit dat wat eenmaal gebeurt (voedselschaarste), nog een keer kan gebeuren en dat het maar beter is om daarop voorbereid te zijn.

Uit die studie die ik hierboven noem, maak ik op dat zulke epigenetische veranderingen, die dus bij mensen zowel als planten kunnen optreden, zich voltrekken door middel van calcium signalering. Cellen communiceren met elkaar door calciumionen (Ca²⁺) en kunnen zo concentraties van eiwitten, waaronder calmoduline (CaM) beïnvloeden en zo de expressie van genen bepalen. In de woorden van de onderzoekers:

The Ca²⁺/CaM signalling system controls the expression of genes whether their transcription occurs in the neurons of a big-brained animal (Limback-Stokin et al. 2004) or in the root apex cells of a plant (Kim et al. 2009). This might be the starting point from which a minute, yet measurable Ca²⁺/CaM signal acting on voltage-gated ion channels (Halling et al. 2005) and their production of electrical waves (Yellen 1998), culminates in the formation of memories and expression of the most remarkable behaviours in animals [e.g. Aplysia (Esdin et al. 2010)] and plants alike.

Wat we vermoedden, dat ook zonder een zenuwstelsel, leren en geheugen, en dus intelligentie, mogelijk is, dat klopt. Er voltrekt zich in planten, maar ook in ons, een proces van calciumsignalering dat een intelligentie mogelijk maakt die analoog is aan onze "zenuwstelsel-intelligentie".

 Conclusie van de onderzoekers:

Because of the very fact that much of the advances in learning research come from humans and animals, the acquisition and use of information through the learning process is implicitly accepted to be contingent on neuronal processes (or artificial neural networks modelled on their biological counterparts, in the case of machines), a view that inevitably excludes non-neural organisms such as plants from the behavioral realm of learning, memory and decision-making (but see Trewavas 2003). What we have shown here, however, leads to one clear, albeit quite different, conclusion: the process of remembering may not require the conventional neural networks and pathways of animals; brains and neurons are just one possible, undeniably sophisticated, solution, but they may not be a necessary requirement for learning.

Voor leren en geheugen, en dus voor intelligentie, is niet een zenuwstelsel nodig. Dat je dat als een verrassend inzicht kunt ervaren, zal er aan liggen dat wij ons maar moeilijk kunnen losmaken van hoe wij met onze intelligentie in de wereld staan.

Als intelligentie zo onlosmakelijk is verbonden met alle leven, dan zou het dus ook moeten zijn aan te wijzen bij evolutionair oudere organismen, zoals bacteriën. Dan zouden die op zijn minst geheugen moeten hebben en dat is volgens de studie Memory in bacteria and phage van Josep Casadesús en  Richard D’Ari inderdaad het geval.

Over epigenetische veranderingen als mechanisme van geheugen - en over de Hongerwinter

Hoe zit dat met het mysterie van het functioneren van het geheugen in breinloze wezens als planten? Zie hier het vorige bericht. We kwamen al tot de conclusie dat geheugen of zoiets als wat wij geheugen noemen er al vanaf het begin van de evolutie moet zijn geweest. Omdat elk organisme voor zijn voortbestaan afhankelijk is van zijn omgeving, van het gebruik maken van wat de omgeving te bieden heeft en van het zich wapenen tegen de gevaren die zich voordoen. Anders gezegd, het gaat om het kunnen onderscheiden tussen een veilige omgeving en een onveilige omgeving en daar is waarneming, opslag van ervaringen (geheugen) en gebruik maken daarvan (leren, intelligentie) voor nodig. 

Dat wijzelf en algemener: dieren met een centraal zenuwstelsel, geheugen hebben, vinden we niet gek. Maar planten? Hoe doen die dat dan? 

Dat is een belangrijke vraag omdat het geheugen van dieren ergens in de loop van de evolutie is ontstaan en dat zal,  zoals altijd in de evolutie, gebeurd zijn op de basis van wat er al was. En dat wat er al was, is misschien het mechanisme van dat geheugen van planten.

Stefano Mancuso schrijft daarover in Plantenrevolutie. Hoe planten onze toekomst bepalen op p. 25-6:

Talloze onderzoeken, met name op het gebied van de invloed van stress op het geheugen, lijken aan te tonen dat epigenetica van essentieel belang is bij het ontstaan van stressgerelateerde herinneringen. Epigenetica beschrijft de erfelijkheid van variaties die niet zijn toe te schrijven aan veranderingen in de DNA-sequentie. Het gaat dus om veranderingen - zoals die van de histonen, eiwitten met als voornaamste taak het organiseren an het DNA, of methylering, de verbinding van een methylgroep (CH3-groep) met een nucleobase van het DNA - waardoor de genexpressie wel verandert maar de gensequentie niet.

Zie over epigenetica de webpagina van erfelijkheid.nl. Daar lees je dat 

genen door bijvoorbeeld stress, roken of eetgewoontes aan of juist uit worden gezet. Op een gen ligt de informatie om een eiwit aan te maken. Al deze eiwitten hebben een taak in het lichaam. Als een gen actief is, kan eiwit kan zijn werk doen. Als het gen inactief wordt, wordt het eiwit niet meer gemaakt en kan het eiwit zijn taak niet meer uitvoeren. Gaat het bijvoorbeeld om een eiwit dat een rol speelt bij de ontwikkeling van de hersenen? Dan kan het inactief maken van dit eiwit er voor zorgen dat er iets mis gaat met de ontwikkeling van de hersenen.

Terwijl het DNA vastligt, kunnen ervaringen (stress, roken, eetgewoontes) er dus voor zorgen dat genen aan of uit worden gezet. Als voorbeeld worden de epigenetische veranderingen genoemd die optraden bij kinderen die tijdens de Hongerwinter van 1944-45 werden verwekt. Het Leids Universitair Medisch Centrum vertelt over het onderzoek dat werd gedaan naar die kinderen toen ze rond de zestig jaar waren. 

Doordat in de Hongerwinter maar een kwart van de hoeveelheid voedsel beschikbaar was van wat een mens nodig heeft, werden de groeigenen van de nog ongeboren kinderen anders afgesteld. Dit zorgde ervoor dat ze toch met een normaal lichaamsgewicht geboren werden. (Er zal zich een parent-offspring conflict hebben voorgedaan.) Maar die andere afstelling bleef na de geboorte en in hun latere leven bestaan (geheugen!), waardoor ze in een omgeving met meer dan genoeg voedsel een grotere kans op gezondheidsproblemen kregen (een hogere cholesterolspiegel in het bloed). Doordat die afstelling van genen voor een groot deel gebeurt in de eerste weken na de bevruchting, kan het dus gebeuren dat een epigenetische aanpassing aan de omgeving die op korte termijn gunstig is, denk aan dat normale geboortegewicht, dat op langere termijn niet is.

Hier zien we dus een mogelijk mechanisme van geheugen dat zijn werk doet via epigenetische veranderingen. Naar ik aanneem een mechanisme dat gemiddeld genomen in het evolutionaire verleden heeft bijgedragen aan overleving. Want tegenover die grotere kans op gezondheidsproblemen op latere leeftijd in een omgeving met meer dan genoeg voedsel, staat naar alle waarschijnlijkheid dat die Hongerwinterkinderen beter voorbereid waren op nieuwe hongerperiodes. Dat epigenetische geheugen "gaat ervan uit" dat wat nu gebeurt, later nog een keer kan gebeuren. (Ik ben zelf in juni 1943 geboren,  eerder dus dan de Hongerwinter, maar bovendien in Friesland, waar ook in 1944-45 meer voedsel beschikbaar was.)

Zien we dan datzelfde epigenetische geheugen bij planten? Daarover lezen we bij Mancuso meer. Waarbij hij verwijst naar een in 2014 verschenen studie met hemzelf als laatste auteur: Experience teaches plants to learn faster and forget slower in environments where it matters. Daarover in het volgende bericht. Hier het volgende bericht.