Конкурс «Био/Мол/Текст»-2024/2025

Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2024/2025.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Кто мы такие?

Мы — сотрудники Лаборатории биотехнологических искусств Университета ИТМО, или просто BioArt Lab. Лаборатория относится к Центру Art & Science, сотрудники которого ведут исследования, обучают студентов магистратуры, организуют выставки и другие публичные мероприятия. Хотя мы тоже принимаем участие во всем этом, основное наше дело — научная работа на стыке биологии и искусства. Art & Science  — это междисциплинарная область, объединяющая цели, методы и темы, характерные и для искусства, и для науки. Эти области деятельности человека стремились друг к другу еще с тех времен, когда наука была натурфилософией, а искусство еще не было средством глубоко субъективного выражения духовных поисков. Однако под Art & Science обычно имеют ввиду слияние современного искусства с современными естественными науками. Если это биология, то такое междисциплинарное направление называют биоарт [1], [2]. Есть замшелый штамп, что занимаются таким коллективы из серьезных ученых, неспособных к рефлексии или чувственному отношению к своей работе, и безумных современных художников, которым, как дошкольникам, объясняют научные факты, и они придумывают, как иносказательно это выразить. На деле же без какой-то степени взаимного интереса «ученых» и «художников» к деятельности и интересам друг друга такие коллаборации вряд ли могут быть плодотворными. Обычно на просторах Art & Science встречаются люди, которые, несмотря на свою конкретную специальность, тяготеют как к творчеству, так и к исследованиям.

Хотя Art & Science слегка непривычное для «Биомолекулы» направление, нельзя сказать, чтобы мы касались его впервые. В нашем подкасте «Биолог на перепутье» был посвященный этому выпуск, и вот как мы его тогда анонсировали: «Наука и искусство несовместимы, они существуют в параллельных мирах. Решай, чем будешь заниматься, потому что и на то, и на другое у тебя не хватит времени. Так говорили себе многие из нас... и зря. Потому что одно из направлений современного искусства — Art & science — сплавляет вместе эти, казалось бы, несплавляемые области. Послушайте о том, как осмыслить научные открытия с точки зрения философии, как Флеминг рисовал картины бактериями и зачем пересаживать ухо себе на предплечье. Гость подкаста — Art & Science художник [а теперь — руководитель BioArt Lab’a] Ипполит Маркелов». — Ред.

Коллектив нашей лаборатории сложился благодаря интересу и любви к растениям. Конечно, одного этого мало для успешной научной работы. Однако, поскольку в наших исследованиях важно не только получение и анализ новых биологических данных, но также их художественное осмысление и производство других, ненаучных видов знания, мы отмечаем важность и такой мотивации. Мы не просто рассматриваем искусство как способ научной коммуникации, но интегрируем его подходы в сами исследования, когда одно неотделимо от другого. Хотя у современного Art & Science и, в частности, биоарта есть целый спектр соотношений научности и художественности, мы
стараемся находить баланс и не слишком увлекаться категоризацией составляющих нашей работы.

Как мы пришли к этой теме?

Поскольку мы работаем на стыке науки и искусства, для нас важны связи между социальным миром и биологическими процессами. Если точнее, важен не только факт их наличия, сколько способы это осмыслить и донести до профессиональной или широкой аудитории какими-то более оригинальными способами, чем постулировать: «человек — биосоциальное существо», «всё связано», «наш способ существования — лишь один из многих существующих в природе» и т. д. Проблема, заинтересовавшая нас и приведшая к исследованию, о котором пойдет речь, — plant blindness, или «слепота по отношению к растениям» [4]. Это не просто метафора, а социобиологический феномен, при котором люди склонны воспринимать растения скорее как часть ландшафта, пассивный элемент среды. Отчасти это связано с механизмом нашего зрительного восприятия: мы приспособлены реагировать на что-то контрастное по отношению к фону, движущееся на фоне неподвижного [5]. Кроме того, человеческое и растительное тело организованы слишком неодинаково, а их реакции на внешние стимулы слишком непохожи на наши — из-за этого мы не можем соотнести себя с растительными видами (хотя и пытаемся: рис. 1) [6].

Социальная составляющая этого явления проявляется, например, в том, что даже среди тех студентов, кто решил профессионально заниматься биологией, значительно меньше тех, кто специализируется на анатомии, физиологии и экологии растений, чем на темах, связанных с человеком и/или животными [7]. И в чем же проблема? Вот другой пример: на сохранение растительных видов тратят значительно меньше средств, чем на мероприятия по охране видов животных [6], [8]. Между тем, растения зачастую выступают «архитекторами» сообществ, в которых живут остальные их представители. Поэтому, хотя феномен plant blindness и имеет естественные причины, он не так уж безобиден.

К счастью, люди не так уж несправедливы. Истории уже известен пример, когда прогресс в изучении физиологии, экологии и поведения животных привел к изменению принятого в культуре отношения по крайней мере к некоторым видам животных. Этот процесс был назван animal turn, или буквально «поворот к животным» [9]. То есть, в данном случае сначала исследования повысили осведомленность людей о том, какие у животных есть потребности и что причиняет им страдания, а уже потом люди стали учитывать, насколько этично они относятся к животным. То же возможно и с растениями. Аналогичный процесс, plant turn, уже начался: интересующимся советуем книги, в которых систематизированы последние открытия в области физиологии и «поведения» растений [10], их «гуманитарное» осмысление [11], а также относительно свежую статью про звуки, которыми обмениваются растения [12].

Итак, мы тоже решили присоединиться к волне plant turn’а, обратившись к феномену plant blindness (все-таки по-английски это более емко). Учитывая нашу междисциплинарность, мы решили выбрать для исследования интересный и не очень известный биологический феномен, напрямую и/или метафорически связанный с проблемой, к которой мы неравнодушны.

Биологическая основа исследования

Чтобы найти релевантную научную проблему или феномен, мы обратились к научной литературе, использовав метод медиа-археологии. Иногда, если «копать» достаточно глубоко, можно будто бы вновь найти отвергнутую ранее, но не кажущуюся сейчас странной гипотезу, альтернативную технологию, не получившую развития, но работающую, а иногда и вдохновение для творческого произведения. Яркие примеры таких открытий представлены в книге «Археология медиа» [13].

Сейчас это кажется логичным, что, работая с plant blindness, мы пришли к изучению восприятия света растениями. И для людей, и для растений, свет преисполнен смыслами. Для получения нами информации о мире свет важен в том числе из-за того, что зрительный канал восприятия для нас доминантный. Мы воспринимаем видимое не только буквально, но и образно, что создает дополнительный слой смыслов и сигналов. Не говоря уже о роли как такового солнечного света в синтезе витамина D, поддержании нашего психологическое здоровья и т.д. Для растений же свет — не только источник энергии для синтеза сахаров. Получая информацию о положении источника света, его спектре и интенсивности, о соотношении периодов света и темноты, растение отвечает на эти факторы направлением и скоростью роста, адаптирует процессы фотосинтеза, определяет, как перераспределить и в каком количестве запасти питательные вещества. Свет прямо или косвенно влияет на все метаболические процессы растения начиная с клеточных; в том числе влияет на иммунные реакции растений [14] и т. д.

Но некоторые явления, которые можно наблюдать, заставляют задуматься о том, что растения не просто воспринимают свет как некий градиент, но и с помощью света получают информацию о расположенных рядом объектах. То есть, возможно, растения «понимают» что-то большее, чем «вверху слева намного светлее, чем внизу справа». Например, до сих пор биологи исследуют механизмы формирования листовой мозаики и застенчивости кроны (рис. 2). В последнем случае кроны соседних деревьев, обычно одного вида, будто бы избегают друг друга, образуя четкие промежутки в пологе леса, похожие на швы. Для обоих этих явлений существуют гипотезы и экспериментальные свидетельства их связи с восприятием световых сигналов (хотя есть и другие). Предположительно, это связано с известными механизмами фотоморфогенеза (дословно с греческого — «образование формы под действием света») [15], [16].

Кроме того, есть гипотеза, что вьющиеся растения вроде гороха (Pisum sativum / Lathyrus oleraceus) получают информацию об опоре в том числе через оптические сигналы [17]. Но даже это не звучит так интригующе, как «лиана, способная мимикрировать под растение-опору». Речь о чилийском эндемике, лиане Boquila trifoliolata, листья которой способны имитировать до трех типов листьев растений, вокруг которых она обвивается [18]. Мало того, что само это явление имеет лишь еще один известный пример [19], так в 2022 году вышла статья о том, что лиана сымитировала листья пластикового растени я [3]. Эти данные навевают мысль о физической и, как вариант, оптической природе сигнала, который B. trifoliolata получает от растения-опоры. В общем, именно этим растением мы и «загорелись» и планируем повторить эти эксперименты в будущем, а также проверить другие гипотезы. Но в 2022 году, когда мы начали исследование, у нас еще не было этой лианы, и надо было с чего-то начать.

Важно отметить, что перечисленные выше факты не указывают на наличие зрения у растений, и не в поиске «растительного зрения» наша цель. Если вы видите такие кликбейтные заголовки, с осторожностью отнеситесь к пересказанному в тексте, даже если он снабжен ссылками на источник. В данном случае речь идет скорее о светочувствительности или фотосенсорном восприятии, и мы только начинаем выяснять, дает ли оно растению что-то кроме информации о свете и тени — например, о наличии каких-то значимых объектов, на которые растение может закономерно отреагировать. Зрением это нельзя назвать в первую очередь потому, что у растений нет нервной системы. Клеток или органов, занимающихся исключительно восприятием сигналов какого-то типа, у растений также не обнаружено. Потенциал действия (у нейронов его называют «нервным импульсом») распространяется от возбужденной клетки к соседним, обычно недалеко и медленно. Кроме того, растения — модульные организмы, состоящие из относительно автономных частей, поэтому центров обработки сигналов, в которые стекается полученная информация, у растений нет. С одной стороны, это говорит нам о том, что единый образ окружающего мира может быть им и не нужен, даже если бы они могли формировать образы. Правда, пока нет оснований считать, что какая-то часть растительного тела отвечает за переработку сигналов в такие сложные конструкции. С другой стороны, это указывает на то, что поиск структур, ответственных за ту или иную функцию, имеет смысл на уровне модулей. Модулями разного порядка можно назвать как весь побег, так и ветвь побега, и, конечно, лист.
Некоторым читателям «Биомолекулы» может быть знакомо его строение (схематично представлено на рис. 3). В описываемом исследовании нас интересовал не мезофил — фотосинтезирующая ткань листа, — хотя выполняемая ею функция считается основной для этого органа. Его покровная ткань — эпидермис — выполняет не только функции барьера и регуляции газообмена, но и участвует в восприятии света растением.

Именно про эту ткань мы нашли еще несколько удивительных статей. Это действительно была медиа-археология! Мы обнаружили публикацию Готлиба Хаберландта 1905 года [20], в которой он впервые пишет о концепции «растительных глазков» (plant ocelli), а также работу Гарольда Вагера 1909 года [21] о восприятии света растениями, где он наглядно демонстрирует идею Г. Хаберландта.
Суть этой идеи в том, что клетки эпидермиса листа работают как линзы. У некоторых видов (например, Tradescantia fluminensis, Orchidaceae gen. sp.) это собирающие линзы, а у других — рассеивающие. Вероятно, это связано с условиями обитания растений: виды, часто находящиеся в затенении, стремятся максимально сфокусировать весь попадающий на листья свет на фотосинтетических системах, а те, что растут на ярком солнце, избегают избыточного действия солнечной радиации [22], [23]. Это было подтверждено, например, экспериментами 90-х годов на примере теневыносливых растений рода Oxalis — их эпидермальные клетки способны концентрировать свет в толще листа в 2–4 раза [22]. Тут мы напоминаем читателю написанное выше: свет — не только для фотосинтеза.

Г. Вагер использовал срезы эпидермиса растений, обсуждаемых в статье Г. Хаберландта, и продемонстрировал наглядно способность некоторых клеток эпидермиса фокусировать изображение (рис. 4). Представьте себе получение таких изображений с использованием старой оптики и фотопроцессов.

Воплощение идеи: оптическое исследование клеток, цифровая модель и создание медиа-скульптуры

В исследовании мы использовали два растения: Tradescantia zebrina и Akebia quinata. Традесканция была выбрана для подготовительных экспериментов, поскольку ее эпидермис достаточно легко отделить, и по данным Г. Хаберландта и Г. Вагера мы точно знали, что клетки ее верхнего (адаксиального) эпидермиса фокусируют изображение. Примеры таких изображений представлены на рис. 5 и видео 1. Оптические свойства эпидермиса мы изучали уже на акебии, поскольку она относится к тому же семейству, что и лиана Boquila trifoliolata, которую мы упоминали выше и с которой планируем проводить дальнейшие исследования.

Техника воспроизведения Вагеровского метода съемки изображений представлена схемой на рис. 6. Мы делали свежий срез эпидермиса листа и помещали его на предметный столик светового микроскопа. Макрообъект (например, рисунок «сердечка» размером в несколько миллиметров) мы помещали между источником света и конденсором. После этого нужно было подобрать подходящее положение рисунка и одновременно настроить фокус. Et voilà, если поймать момент, вы видите «сердечки» в каждой клетке на срезе. Или другие изображения — как, например, на рис. 5.

Изображения, которые мы получили при воссоздании Вагеровской техники съемки через клетки эпидермиса листа, послужили основой для образа, который мы решили выразить художественно. Глядя в микроскоп, мы видим трансформацию лучей, проходящих через клетки. В линзах нашего глаза происходит тот же процесс. Сейчас это изолированная ткань, но такие же трансформации происходят и в эпидермисе живого листа, и эти преломленные лучи сходятся на других его клетках, порождают цепь биологических реакций... но не такую, как в наших глазах и нашем мозге. Чтобы назвать процесс зрением, недостаточно, чтобы в нем были задействованы свет, линзы и реагирующие на свет ткани. Важно то, что растительное восприятие и не должно быть таким, как наше, даже если они способны воспринимать объекты окружающего мира с помощью оптических сигналов. Мы можем «примерить» оптику растений, но, скорее всего, не сможем ощутить этот мир, как они. Пока людям не так легко представить, что свет можно не только «увидеть». Но человеческое любопытство и воображение, к которым обращается искусство, способствуют пониманию Другого иногда даже лучше, чем знания.

После этого мы задумались о воплощении этой идеи. Современное искусство в целом и в частности Art & Science предлагает разные варианты решений: мы могли использовать биологический объект как часть самого произведения, могли создать объект, отсылающий к изучаемому феномену, могли вообще отказаться от физического воплощения, создав цифровое произведение и т.д. В случае Plantoverse было решено обратиться к подходу phygital (physical + digital), и в статье [3] мы достаточно подробно обосновываем это решение, обозначая место нашей работы в контексте современного искусства. Именно поэтому мы и называем нашу работу медиа-скульптурой. Свойства клеток эпидермиса, которые мы изучали, мы решили перенести в цифровую среду — создать алгоритм, который видоизменяет изображения так, как если бы формирующие его лучи проходили через эти клетки. Пусть фотосъемка через клетки эпидермиса листа в наше время намного проще, чем в начале ХХ века, использование и поддержание жизнеспособности какого-либо биологического объекта в выставочном пространстве, а также воссоздание в нем эксперимента склоняет автора к выбору определенной эстетики, поэтому мы продолжили поиск формы выражения нашей идеи.

Художественное решение для первого и второго варианта работы (сейчас мы называем их Plantoverse 1.0 и Plantoverse 1.1) родилось благодаря сканирующей конфокальной микроскопии. Чтобы воссоздать оптические свойства клетки в цифровой среде, нам были необходимы следующие параметры: толщина клетки (l), радиусы кривизны ее верхней и нижней поверхностей (R1 и R2), а для подсчета последних — также и ширина клетки. Для этого мы получили фотографии как продольных, так и поперечных срезов листа. На рис. 7 отмечены измеряемые параметры, радиусы кривизны были рассчитаны отдельно.

Сканирующая конфокальная микроскопия не только дает возможность получить изображения более высокого разрешения по сравнению с «обычной» широкопольной, но и позволяет нам просканировать образец, фокусируясь последовательно на плоскостях разной глубины с определенным шагом. Полученные фото можно «сшить» в специальном ПО и работать с ними в том числе в 3D-редакторах. Однако при первой попытке шаг сканирования случайно был установлен слишком большим — при реконструкции получился «ступенчатый» ландшафт вместо ожидаемых округлых поверхностей клеток. Эта ошибка и легла в основу первых версий медиа-скульптуры (рис. 8, 9).

Процесс создания алгоритма трансформации изображения по параметрам клеток представлен на рис. 10. Формулы, по которым проводили расчеты, подробно описаны в оригинальной статье [3]. Итак, мы создали скульптуру, напрямую отсылающую к растительному объекту, но выполненную не в классической «растительной» эстетике; и встроили в нее планшеты, на экране которых транслировали изображение с нашего сайта plantoverse.art. Сайту нужен доступ к камере, изображение с которой преобразует разработанный алгоритм.

Бонус-контент для читателей «Биомолекулы» — то, чего нет в нашей статье. Уже в 2024 году мы пришли к новой версии проекта, Plantoverse 2.0, которая представлена на выставке в музее PERMM до января 2025 года. В этот раз медиа-скульптура значительно больше и находится в пространстве, на стены которого проецируется измененное алгоритмом изображение (рис. 11). Принципиально алгоритм остался таким же, но теперь мы выводим его не через сайт, а через программу Touch Designer. Благодаря возможностям этой программы нам удалось получить не такое условное, а более детализированное изображение «клеток», приближающее зрителя к опыту наших экспериментов с настоящими клетками. Сама скульптура состоит из модулей, отрисованных в одной сетке — это мы намекаем на модульность растений. Удачно совпало, что статья вышла буквально за день до открытия выставки, и у нас появилась возможность отсылать зрителя к истории, стоящей за научными и художественными идеями этого проекта.

Заключение

Мы продолжим исследовать применимость некоторых гипотез, лежащих в основе нашей работы. Но они уже указывают на то, что людям — не только биологам — стоит переосмыслить представления о биологии растений и, в частности, их сенсорных системах. Это не значит, что мы обнаружим глаза, зрение и сознание растений, похожие на наши. Их отсутствие — это та инаковость, которую люди должны принять, чтобы осознавать растения и относиться к ним более эмпатично. Мы считаем, что это будет способствовать переходу от антропоцентрического отношения к такому, где растения получают равноправное место в многовидовой системе. Однако в проект Plantoverse мы хотели вложить не только рациональные соображения, но и наши эмоции от погружения в мир флоры. Именно поэтому биологическое исследование растений для нас неотделимо от художественного. В результате мы создали биоморфную медиа-скульптуру, выполняющую функции оцифрованной биологической системы. Зрители смогут посмотреть на себя через растительные «линзы», взаимодействуя с инсталляцией, основанной на данных об оптических свойствах эпидермиса листа. А мы надеемся вернуться на «Биомолекулу» с новыми данными и произведениями, еще большим количеством интригующих вопросов и междисциплинарных инсайтов.

Литература

1. Симбиоз искусства и науки;
2. Microvenus — арт-объект, созданный с помощью генной инженерии, или как заставить символ «жить»?;
3. Alexandra Burnusuz, Mariia Moshchenskaia, Veronika Prizova, Mikhail Shalepo, Maxim Rider, et. al.. (2024). See the world from a plant’s perspective: on creating an interactive multimedia sculpture implying plant optics. Humanit Soc Sci Commun. 11;
4. Hershey D. (2002). Plant blindness: “we have met the enemy and he is us”. Plant Sci Bull. 48, 78–84;
5. James H. Wandersee, Elisabeth E. Schussler. (1999). Preventing Plant Blindness. The American Biology Teacher. 61, 82-86;
6. Sarah B. Jose, Chih‐Hang Wu, Sophien Kamoun. (2019). Overcoming plant blindness in science, education, and society. Plants People Planet. 1, 169-172;
7. Benjamin Balas, Jennifer L. Momsen. (2014). Attention “Blinks” Differently for Plants and Animals. LSE. 13, 437-443;
8. Это страшное слово «дефаунизация»;
9. Waldau P. Animal studies: an introduction. Oxford University Press, Oxford, 2013. — 379 p.;
10. Chamovitz D. What a plant knows: a field guide to the senses: updated and expanded edition. Scientific American/Farrar, Straus and Giroux, 2020. — 192 p.;
11. Frantisek Baluška, Stefano Mancuso. (2016). Vision in Plants via Plant-Specific Ocelli?. Trends in Plant Science. 21, 727-730;
12. Itzhak Khait, Ohad Lewin-Epstein, Raz Sharon, Kfir Saban, Revital Goldstein, et. al.. (2023). Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative. Cell. 186, 1328-1336.e10;
13. Цилински З. Археология медиа. М.: «Ад Маргинем», 2019. — 440 с.;
14. Ralf Muller-Xing, Qian Xing, Justin Goodrich. (2014). Footprints of the sun: memory of UV and light stress in plants. Front. Plant Sci.. 5;
15. María A. Crepy, Jorge J. Casal. (2015). Photoreceptor‐mediated kin recognition in plants. New Phytologist. 205, 329-338;
16. Nicholas Zoulias, Jordan Brown, James Rowe, Stuart A. Casson. (2020). HY5 is not integral to light mediated stomatal development in Arabidopsis. PLoS ONE. 15, e0222480;
17. C. Anela Choy, Bruce H. Robison, Tyler O. Gagne, Benjamin Erwin, Evan Firl, et. al.. (2019). The vertical distribution and biological transport of marine microplastics across the epipelagic and mesopelagic water column. Sci Rep. 9;
18. Ernesto Gianoli, Fernando Carrasco-Urra. (2014). Leaf Mimicry in a Climbing Plant Protects against Herbivory. Current Biology. 24, 984-987;
19. Bryan A. Barlow, Delbert Wiens. (1977). HOST‐PARASITE RESEMBLANCE IN AUSTRALIAN MISTLETOES: THE CASE FOR CRYPTIC MIMICRY. Evolution. 31, 69-84;
20. Frederic E. Clements. (1905). Die Lichtsinnesorgane der Laubblätter . By G. Haberlandt. Leipzig, Wilhelm Engelmann. 1905. Pp. 142, pl. 4.. Science. 22, 336-337;
21. Wager H. (1909). The perception of light in plants. Ann Bot. 23, 459–489;
22. M. E. POULSON, T. C. VOGELMANN. (1990). Epidermal focussing and effects upon photosynthetic light‐harvesting in leaves of Oxalis. Plant Cell & Environment. 13, 803-811;
23. R. A. Bone, D. W. Lee, J. M. Norman. (1985). Epidermal cells functioning as lenses in leaves of tropical rain-forest shade plants. Appl. Opt.. 24, 1408.