Сегодня в ленте промелькнул хабровский пост «Как заставить ваше растение работать на вас: аналоговый биосопроцессор своими руками». Автор втыкает четыре электрода в мясистый лист толстянки — того самого «денежного дерева», — подключает их к Arduino и получает на выходе стабильные нелинейные значения: на комбинации LOW, LOW прибор честно выдаёт 15–19, на HIGH, HIGH — 572–576. Эту пару состояний уже можно интерпретировать как логические AND и OR. Получается биопроцессор: био — потому что считают ионы, аналоговый — потому что преобразование плавное, процессор — потому что выход зависит от входа по функции.
Автор сам честно предупреждает: делал ради веселья и новых навыков. Но вопрос повис в воздухе: а что тут вообще происходит наукообразного? Можно ли всерьёз говорить о растении как о вычислителе?
Спойлер: за этим «приколом с подоконника» стоит сто пятьдесят лет науки, в которой есть первый в истории инструментальной физиологии биосигнал, нобелевский уровень амбиций, научный скандал с тридцатью шестью подписями и шпинат, который умеет обнаруживать взрывчатку.
Электричество в растениях измеряли раньше, чем электричество в сердце человека. В 1873 году английский физиолог Джон Бардон-Сандерсон приложил электроды к венериной мухоловке во время охоты и записал характерный всплеск напряжения — потенциал действия живой ткани. Это считается одной из первых в истории электрофизиологических регистраций вообще: первую электрокардиограмму человека Уоллер сделает только в 1887 году. То есть раньше, чем человечество услышало собственное сердце, оно услышало мухоловку, которая решает, съесть ли муху.
Через семь лет в игру вступил Чарльз Дарвин. В «Способности к движению у растений» (1880) он, экспериментируя с корнями проростков, пришёл к выводу, что сигнал о раздражении передаётся от кончика корня к зоне роста — и сформулировал это без обиняков: кончик корня «действует как мозг низших животных», принимая впечатления от органов чувств и направляя движения соседних частей. Дарвин заложил сразу обе идеи, которые будут мучить науку полтора века: растение-сенсор и растение-«мозг».
Самая яркая фигура этой истории — Джагадиш Чандра Бозе, физик из Калькутты. На рубеже XIX–XX веков он построил кресограф — прибор, который механически усиливал движения растительных тканей в миллионы раз и записывал их на закопчённой стеклянной пластинке. С его помощью Бозе регистрировал пульсации тканей, которые называл «сердцебиением растения», реакции на яды, электричество, прикосновения. В 1902 году он издал книгу «Response in the Living and Non-Living» («Реакция живого и неживого»), где показал: растительная ткань и кусок металла отвечают на раздражение удивительно похожими электрическими кривыми, из чего он сделал радикальный вывод о том, что резкой границы между живым и неживым нет.
Западная наука приняла Бозе холодно: слишком смелые обобщения, слишком мало строгости, слишком много «растение чувствует». Но методику он оставил навсегда — электроды в ткань, гальванометр на выходе, и растение, разговаривающее на языке вольт.
Ирония судьбы: тот же Бозе был пионером радиоволн. Он экспериментировал с миллиметровыми волнами, собрал собственный когерер и публично демонстрировал беспроводную передачу сигнала в Калькутте в середине 1890-х — параллельно с Маркони и Поповым, а где-то и раньше них. Патентную гонку он проиграл (точнее, просто не участвовал), зато остался в истории как один из первых исследователей миллиметрового диапазона — того самого, на котором сегодня работает 5G. Физик, придумавший, как заставить растение говорить электричеством, заодно предвосхитил современную связь.
Теперь к механике. У венериной мухоловки на внутренней стороне ловушки — чувствительные волоски-триггеры. Прикосновение запускает механочувствительные ионные каналы, те генерируют потенциал действия — и ловушка захлопывается за сотню миллисекунд, это одно из самых быстрых движений в растительном мире.
Есть тонкость: одного потенциала действия недостаточно. Нужны два, пришедшие с интервалом примерно в двадцать–тридцать секунд. Это фильтр от ложных срабатываний: капля дождя может вызвать один импульс, но не два подряд. По сути, растение реализует логический элемент «И» с таймером.
Дальше — больше. В 2016 году группа исследователей показала в Current Biology, что мухоловка умеет считать. Два потенциала действия — захлопнуться. Третий — начать герметизацию и синтез пищеварительных ферментов. Пятый — включить насосы, всасывающие из жертвы ионы натрия. Растение «принимает решение» о глубине пищеварения, подсчитывая собственные электрические импульсы. По сути — конечный автомат с пятью состояниями, где счётчиком выступает биоэлектрика.
Мимоза стыдливая дополняет картину памятью. При падении листьев сигнал распространяется по тканям со скоростью порядка сантиметра в секунду — на четыре порядка медленнее нервного импульса, но для растения это молния. А в 2014 году команда Моники Гальяно опубликовала работу, где мимоза «привыкала» к безобидному падению капель воды и переставала складывать листья — и, судя по данным авторов, помнила этот урок как минимум месяц: спустя 28 дней привыкание по-прежнему воспроизводилось. Методы потом критиковали, воспроизводимость оспаривали, но тезис «память без мозга» с тех пор прочно висит в воздухе.
В середине 2000-х группа физиологов — Стефано Манкузо, Франтишек Балушка и другие — объявила о рождении «растительной нейробиологии»: дисциплины, изучающей сигнальные системы растений, которые, по их мнению, функционально аналогичны нервным. Растения, дескать, способны к обучению, памяти и решению задач, а их корневые сети проявляют нечто вроде роевого интеллекта.
Ответ не заставил себя ждать. В 2007 году в Trends in Plant Science вышел манифест, подписанный тридцатью шестью учёными, с выразительным заголовком «Plant neurobiology: no brain, no gain» — «нейробиология растений: нет мозга — нет выгоды». У растений нет нейронов, нет синапсов, нет ничего похожего на центральную нервную систему, писали авторы; вся эта терминология — антропоморфизм, который вводит в заблуждение и вредит репутации науки. Балушка и соавторы ответили симметричной статьёй «the gain is more than the name» — выгода больше, чем название.
Этот спор ничем не закончился, но это и есть самое интересное. «Интеллект растений» — не факт, а рамка интерпретации. По одну сторону — строгий материализм: есть ионные каналы, потенциалы действия, гормональные сигналы и никакого «сознания». По другую — осторожная аналогия: распределённая сенсорика, локальные решения, память без центрального органа. Обе стороны правы в своих терминах, и именно поэтому тема держится уже два десятилетия.
В 2016 году лаборатория Майкла Страно в MIT опубликовала в Nature Materials работу по «нанобионике растений». В листья шпината встроили углеродные нанотрубки: когда корни растения всасывают из грунтовых вод нитроароматические соединения — типичные компоненты взрывчатки, — нанотрубки начинают флуоресцировать в ближнем инфракрасном диапазоне, и этот сигнал считывается обычной камерой смартфона. Растение-датчик, которое само себя выращивает, само себя питает и молча сигналит о заминированной земле. Дальше — больше: в тех же опытах в листья встраивали инфракрасный «канал связи»: по сути, растение учили принимать и отражать сигнал, видимый снаружи обычной камерой. Фактически это первый шаг к растению-передатчику.
А в 2021 году в Nature Electronics вышла работа о «растительном актуаторе»: венерину мухоловку подключили к конформным электродам и научились заставлять её ловушку смыкаться по команде — настолько аккуратно, что «робот-рука» с мухоловкой на конце способна хватать хрупкие предметы, не повреждая их. New Scientist окрестил это «киборгом-мухоловкой», управляемым со смартфона. Растение здесь — не вычислитель, а исполнительный механизм: готовый, миллионы лет отлаженный пневмогидравлический привод, который осталось только подключить к розетке.
Интересно, что у этой линии есть и обратная сторона, которую мы уже разбирали: в 2000-х гремели «Physarum-компьютеры» — слизевик как живой оптимизатор сетей, «спроектировавший» токийское метро. Потом оказалось, что воспроизводимость там хромает, а «гениальность» слизевика — свойство задачи, а не организма. История растений-вычислителей — тот же сюжет в миниатюре: как датчики и приводы растения работают; как «процессоры» — только метафора.
Вернёмся к хабровскому биопроцессору. Между двумя электродами, воткнутыми в лист, — живая ткань: ионный проводник с нелинейным сопротивлением, которое зависит от ионного состава, влажности, поляризации мембран и приложенного напряжения. На комбинации LOW, LOW ток через лист минимален — ткань ведёт себя как высокоомный резистор, отсюда скромные 15–19. На HIGH, HIGH напряжение поляризует мембраны, проводимость растёт — и прибор честно показывает 572–576. Два устойчивых состояния — вот вам и «логика».
Ключевой момент: «процессором» здесь является не растение, а схема интерпретации. Растение — нелинейный элемент и сенсор, а решение о том, что 15–19 это «ноль», а 572–576 — «единица», принимает человек, как и в любом аналоговом компьютере — от гидравлических машин до водяных логических схем. Это не обман и не натяжка: так работает вся аналоговая вычислительная техника. Просто обычно нелинейный элемент делают из кремния, а тут — из листа, который ещё и фотосинтезирует.
Что особенно приятно: автор поста повторяет ровно то, что делал Бозе, — заставляет растение говорить на языке вольт и ампер. Разница лишь в том, что у Бозе был кресограф с механическим усилением в миллионы раз, лаборатория в Калькутте и рыцарский титул, а здесь — Arduino за десять долларов и желание посмотреть, «а что будет». Наука не всегда движется от большого к малому; иногда она просто возвращается на кухню.
Растение как вычислитель — красивая и почти всегда ложная метафора. Растение как измерительный прибор и исполнительный механизм — настоящая инженерия, которой полтораста лет. Между этими двумя полюсами уместилась вся история поля: от первого в истории зарегистрированного биопотенциала (да, мухоловкиного) через кресограф Бозе и скандал о «нейробиологии растений» до шпината, который стучит по нанотрубкам, когда под землёй спрятана взрывчатка.
И самое вкусное в этой истории — её финальная ирония. Мы ищем внеземной разум, строим нейросети, спорим о сознании у осьминогов — а самый чужой, самый непохожий на наш способ обработки информации уже миллиард лет стоит на подоконнике. Он не думает, как мы. Он просто считает до пяти — и только потом съедает муху. Может, именно поэтому с ним так трудно договориться: у него своя логика, и она не про нас, а про выживание.