نوشته

تحقیقات جدید برای پاسخ به این سوال که گیاهان چگونه جهت نور را تشخیص می‌دهند به نتایج جالبی رسیده‌ است. 

در جریان آزمایش روی یک نهال جهش‌یافته محققان متوجه شدند بافت گیاهی، نور را با روزنه‌های موجود بین سلول‌ها پراکنده می‌کند و بدین ترتیب جهت تابش توسط گیاه احساس می‌شود. در این آزمایش چند گلدان سفالی از گیاهان دارویی با فواصل مشخص روی قفسه چیده شدند و بعد از مدتی مشاهده شد که همگی آن‌ها ساقه‌های خود را به سمت نزدیک‌ترین پنجره خم کرده‌اند. این آزمایش نمونه‌ای کنترل شده از اتفاقی است که در محیط واقعی توسط گل‌های زرد وحشی و پیچک‌ها رخ می‌دهد.

از دوران باستان این توانایی جالب گیاهان در پیدا کردن جهت نور (که امروزه به عنوان Phototropism شناخته می‌شود) دانشمندان و فلاسفه را مجذوب خود کرد و باعث تشکیل بحث‌های علمی-فلسفی فراوان شده بود. طی 150 سال گذشته گیاه‌شناسان اسرار زیادی از رفتارهای گیاهان در برابر نور و عکس‌العمل آن‌ها را کشف کرده‌اند. با این حال همچنان یک راز سر به مهر باقی مانده است؛ گیاهان بر خلاف حیوانات از ارگان‌های پیچیده‌ای مثل عدسی یا فوتورسپتورها (Photoreceptors) برای تفسیر محل اطرافشان برخوردار نیستند، پس چگونه جهت تابش دقیق نور را تشخیص می‌دهند؟

اکنون تیمی از پژوهشگران اروپایی به یک پاسخ دست یافته‌ا‌ند. در یک مقاله‌ای که اخیرا در مجله Science منتشر شده آن‌ها گزارش می‌دهند که گیاه عربیدوپسیس (Arabidopsis) از فضای بین سلول‌های خود برای پراکنده کردن نور استفاده می‌کند که باعث ایجاد گرادیان نوری می‌شود. ترفند گرادیان به جوانه‌ها کمک می‌کند تا گیاه به جای استفاده از اندام‌های بینایی، به نوعی با کل بدنش بتواند نور را حس کند.

یک بحث عمیق و ریشه‌ای

بیش از 2000 سال است که دلیل و چگونگی جهت‌یابی توسط گیاهان مورد بحث قرار گرفته است. فیلسوفان نخستین در یونان استدلال می‌کردند که گیاهان همانند حیوانات با هوش خود قادر به درک احساسات و حرکات هستند و می‌توانند خواسته داشته باشند. اما متفکران بعدی مانند ارسطو ادعا می‌کردند گیاهان به طور ذاتی منفعل هستند و حتی نمی‌توانند محیط اطرافشان را حس کنند، چه برسد به حرکت و همراهی با آن. بنابراین، ارسطو در کتاب "درباره گیاهان" آن‌ها را فاقد هرگونه احساس و خواسته می‌داند و دانشمندان هم برای قرن‌ها با نظر او موافق بودند. این دیدگاه سال 1658 توسط یک فیلسوف طبیعی به نام توماس براون (Thomas Browne) به چالش کشیده شد. او نشان داد جوانه‌های خردل در گلدان‌هایی که در اتاق زیرزمین رشد می‌کردند همواره به سمت یک پنجره باز منحرف می‌شوند. هرچند آقای براون با ثبت دقیق این مشاهدات فوتوتروپیسم را به عنوان یک واقعیت تثبیت کرد اما تا بیش از دو قرن پس از او، زیست‌شناسان هنوز در مورد اینکه گیاهان چگونه این کار را انجام می‌دهند بحث و اختلاف نظر داشتند.

در سال 1800 چارلز داروین(Charles Darwin) و پسرش فرانسیس با کار روی جوانه‌ها آزمایش‌هایی را برای توصیف مکانیزم فوتوتروپیک انجام دادند و نتایج را در کتاب "قدرت حرکت در گیاهان- The Power of Movement in Plants" نوشتند. از آنجایی که جوانه‌ها هنوز قادر به فتوسنتز نیستند و از انرژی ذخیره شده در دانه استفاده می‌کنند، داروین آن‌ها را در یک اتاق تاریک پرورش داد. سپس از جهتی خاص به نمونه‌ها نور آبی تاباند و مشاهده کرد که جوانه‌ها واقعا نسبت به جهت تابش نور حساسند. این دست آزمایشات باعث شکل‌گیری ایده توانایی حسی پیچیده در گیاهان شد و ذهن محققان را به مسیر جدیدی کشاند.

زیست‌شناسان مولکولی با دنبال کردن این موضوع نشان دادند که حتی بدون ارگان تخصصی ادراکی، گیاهان در مقایسه با حیوانات می‌توانند به طیف گسترده‌تری از نور واکنش دهند. پنج خانواده مختلف فوتورسپتورها به همراه هورمون‌ها و مسیرهای انتقال سیگنال، همزمان کار می‌کنند تا جهتی را که گیاه بافت جدید خود را می‌سازد به سلول‌ها دیکته کنند. کریستین فانکهاوزر( Christian Fankhauser)، زیست‌شناس گیاهی دانشگاه لوزان می‌گوید این کارکرد همزمان همان چیزی است که چگونگی پیچ و تاب خوردن ساقه‌ها و رشد به سمت بالا در زمان مناسب را توضیح می‌دهد. این فوتورسپتورها در سراسر بدن گیاه پخش شده‌اند اما بیشتر در بافت داخلی ساقه متمرکز هستند.

با این حال، داشتن حسگرهای ساده به تنهایی برای قدرت بخشیدن به گیاهان برای پیدا کردن جهت نور کافی نیست. برای تعیین شدت نور گیاه نیاز دارد سیگنال‌ها را بین فوتورسپتورهای مختلف مقایسه کند تا بتواند رشد خود را به سمت نور شدیدتر جهت‌دهی کند. گیاه برای این کار باید نور تابیده شده را از روشن‌ترین تا تاریک‌ترین به صورت یک گرادیان روی حسگرهایش بیندازد.

حیوانات این مشکل را از راه توسعه چشم‌ها حل کرده‌اند. موجود ساده‌ای مانند کرم پلاناریا (planarian worm) برای دیدن، با "لکه‌های چشمی-eyespots" که فقط بودن یا نبودن نور راه تشخیص می‌دهند کنار آمده است. در اندام‌ بینایی جانداران پیچیده‌تر مثل انسان، ویژگی‌های آناتومیک عدسی نور را به سوی شبکیه که پر از فتورسنسورها است هدایت می‌کند. سپس مغز میزان نور ورودی از طریق عدسی را با مقداری که روی سلول‌های مجزا ثبت می‌شود مقایسه می‌کند. این سامانه که ترکیبی از دستکاری فیزیکی نور با حسگرهای مولکولی است، اجازه می‌دهد تا گرادیان‌های دقیق نور و سایه تشخیص داده شوند و به شکلی که ما به عنوان "دید" تعریف می‌کنیم درآیند.

اما از آنجایی که گیاهان مغز ندارند، آن‌ها به یک سیستم منفعل برای رسیدن به همان نتایج نیازمندند. به همین دلیل توانایی گیاهان برای ایجاد گرادیان‌های فیزیکی مهم است، چرا که آن‌ها تمایزات ذاتی بین سلول‌ها را بدون نیاز به مقایسه‌های فعال توسط گیاه ایجاد می‌کنند.

بدین ترتیب گیاه‌شناسان با یک معما روبرو شدند؛ آیا همانطور که برخی گمان می‌کردند فوتوتروپیسم یک فرایند کاملا مولکولی است و یا گیاهان قادر به ایجاد گرادیان نوری با استفاده از تغییر پرتوهای نور و هدایت آن‌ها هستند؟ اگر مورد دومی صحت داشته باشد، پس گیاهان باید ساختارهای فیزیکی داشته باشند که به آن‌ها اجازه دهد نور را متمرکز کنند. این ساختار نهایتاً در یک نوع جهش‌یافته از یک علف هرز کنار جاده که برای یافتن نور با مشکل روبرو بود، شناسایی شد.

جهش یافته‌ی نابینا

گیاه Thale cress (با نام علمی Arabidopsis thaliana) سوژه چندان جذابی نیست.‏ این علف هرز 25 سانتی‌متری از خاک کنار جاده و لبه‌های مزارع خوشش می‌آید. با وجود اینکه گیاه بومی آفریقا و اوراسیا محسوب می‌شود اما امروزه به جز قطب جنوب در تمام قاره‌ها یافت می‌شود. ویژگی‌هایی مانند چرخه‌ی عمر کوتاه، ژنوم کوچک (که سال 2000 کاملا نقشه‌برداری شد) و تمایل به ایجاد جهش‌های آزمایشگاهی مفید و... باعث شد تا زیست‌شناسان از آن به عنوان یک مدل علمی عالی برای درک رشد و ژنتیک گیاهان استفاده کنند.

فانکهاوزر از سال 1995 با گیاه Thale cress برای مطالعه چگونگی تأثیر نور بر رشد گیاهان کار کرده است. در سال 2016 آزمایشگاه او ژن‌های جوانه‌ها را بررسی کرد تا گیاهان جهش‌یافته با واکنش‌های غیرمعمول به نور را پیدا کند. آن‌ها بذرها را در یک اتاق تاریک با نورهای آبی کاشتند تا رفتار جوانه‌ها را بررسی کنند. این مشابه همان آزمایشی بود که 150 سال قبل از آن داروین و پسرش انجام داده بودند. درست مانند داروین وقتی محققان زاویه نور را تغییر می‌دادند، گیاه نیز به سوی آن جهت‌گیری می‌کرد.

 با این حال یک گیاه جهش‌یافته در آزمایش با مشکل مواجه شد. به نظر می‌رسید این نمونه قادر به ردیابی نور نبود و در عوض، به همه جهات خم شد. به طوری که انگار کور بود و در تاریکی دست و پا می‌زد.

 بر اساس گفته‌های مارتینا لگریس (Martina Legris)، زیست‌شناس گیاهی پسادکتری در آزمایشگاه فانکهاوزر و نویسنده مقاله جدید، وقتی تیم علت ضعف گیاه در حساسیت به نور را بررسی کرد دریافت که این نمونه آزمایشگاهی فوتورسپتورهای معمولی دارد اما مطالعه دقیق‌تر این گیاه متفاوت زیر میکروسکوپ تیم را به چیز عجیبی رساند.

 مانند اکثر گیاهان، گیاه وحشی Arabidopsis بین سلول‌های خود کانال‌های هوایی دارد. این ساختارها را می‌توان به چاه‌های تهویه هوا تشبیه کرد که در اطراف محفظه‌های سلولی مهر و موم شده هستند و نقش مهمی در فتوسنتز و اکسیژن‌رسانی سلول‌ها ایفا می‌کنند. اما بر خلاف انتظار، کانال‌های گیاه جهش‌یافته که توانایی پیدا کردن نور را نداشت به جای هوا با آب پر شده بودند. محققان این مورد را به جهش ژن abcg5 نسبت دادند، چون این ژن پروتئینی تولید می‌کند که ممکن است به ضد آب کردن دیواره سلول کمک کند.

 پژوهشگران که با مشاهده این اتفاق کنجکاو شده بودند آزمایش جدیدی را طراحی کردند. آن‌ها شافت‌های هوایی بین سلول گیاهان غیرجهش‌یافته را با آب پر کردند تا ببینند آیا این کار بر روند رشد موثر است یا خیر. درست مانند نمونه‌های جهش‌یافته، این گیاهان نیز در تعیین مکان نور به مشکل برخوردند. لگریس گفت:« ما می‌بینیم که این گیاهان از نظر ژنتیکی طبیعی هستند و تنها چیزی که ندارند، کانال‌های هوایی است.»

پژوهشگران گروه نتیجه گرفتند که گیاه با استفاده از یک مکانیزم مبتنی بر پدیده شکست نور به سوی نور جهت‌گیری می‌کنند. لگریس در ادامه توضیح داد به دلیل شکست، نور عبوری از یک Arabidopsis طبیعی زیر سطح ساقه پراکنده می‌شود. مسیر نور ابتدا با رسیدن به لایه آب و سپس از با عبور از کانال هوا جهت خود را تغییر می‌دهد. از آنجایی که بخشی از مسیر نور در این فرآیند تغییر می‌کند، کانال‌های هوا یک گرادیان نوری تند را در سلول‌های مختلف ایجاد می‌کنند که گیاه می‌تواند از آن برای ارزیابی جهت نور استفاده کند و در گام بعد، به سمت آن رشد کند.

 در مقابل، وقتی این کانال‌های هوا از آب پر می‌شوند پراکندگی نور نیز کاهش می‌یابد. سلول‌های گیاهی نور را به شیوه‌ای مشابه کانال‌های آب‌گرفته دچار شکست می‌کنند، چرا که هر دو حاوی آب هستند. به جای پراکندگی، نور تقریبا مستقیم از راه سلول‌ها و کانال‌های آب‌گرفته به عمق بافت نفود می‌کند. این امر گرادیان نور را کاهش داده و جوانه را از تفاوت‌های شدت نور محروم می‌سازد.

دیدن نور

 این تحقیق نشان می‌دهد کانال‌های هوایی نقش حیاتی در کمک به گیاهان جوان برای ردیابی نور دارند. راجر هنگارتر( Roger Hangarter) زیست‌شناس دانشگاه ایندیانا بلومینگتون (که در مطالعه جدید دخیل نبوده) آن را یافتن راه حلی خلاقانه برای یک مشکل دیرینه نامید و تلاش تیم را ستود. او گفت:« لگریس و همکارانش اهمیت فضاهای هوایی را ثابت کردند». هنگارتر در ادامه یادآوری کرد که این ایده قبلاً در سال 1984 توسط تیم تحقیقاتی دانشگاه یورک پیشنهاد شده بود. اما از آنجایی که آن تیم بودجه لازم برای انجام آزمایشات گران‌قیمت را نداشت، پیشنهاد آن‌ها بدون آزمایش باقی مانده بود.

 هنگارتر افزود:« همیشه برای ما مبهم بود که چگونه این گیاهان کوچک و تقریبا شفاف می‌توانند یک گرادیان را تشخیص دهند. ما هرگز به کانال‌های هوایی توجه نمی‌کردیم چون مشغول جستجو درباره مولکول‌ها بودیم. شما در یک مسیر تحقیقاتی خاص که قرار بگیرید کورکورانه پیش می‌روید.»

 مکانیزیم کانال‌های هوا به جمع ابزارهای نوآورانه‌ای ملحق می‌شود که گیاهان تکامل یافته برای کنترل نحوه‌ی حرکت نور در دل خود استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، تحقیقات انجام شده توسط هنگارتر نشان داده است که کلروپلاست‌ها - ارگان‌های سلولی که فتوسنتز انجام می‌دهند- با توجه به نور، به صورت فعال در داخل سلول‌های برگ حرکت می‌کنند. کلروپلاست‌ها (chloroplasts) می‌توانند در مرکز سلول برای جذب نور ضعیف تجمع کنند. همچنین آن‌ها می‌توانند به سمت لبه‌های برگ بروند تا نور با قدرت بیشتری به بافت‌های گیاه نفوذ کند.

لگریس:« با وجود ظهور کانال‌های هوا در گیاهان بالغ، در حال حاضر یافته‌های جدید درباره کانال‌های هوا فقط قابل تعمیم به جوانه‌ها هستند. هنوز کسی آزمایش نکرده است که فضاهای هوایی در گیاهان رشد یافته در فوتوتروپیسم هم نقش دارند یا نه».

مشخص نیست که کانال‌های هوا چه مدت است که این نقش را بازی می‌کنند. بافت‌های اصلی فسیل گیاهان خشکی‌زی اولیه که ۴۰۰ میلیون سال قدمت دارند، فضاهای بین سلولی بسیار بزرگی را نشان می‌دهند. فانکهاورزر گفت شاید این فضاها در ابتدا برای تهویه بافت یا مبادله گاز به وجود آمده‌اند و سپس برای ایفای نقش در فوتوتروپیسم به کار گرفته شده‌اند. شاید هم گیاهان فضاهای هوایی را نخست در ساقه‌ها تکامل دادند تا به یافتن نور کمک کنند و بعدها در ادامه برای انجام عملکردهای دیگر استفاده شده‌اند.

 فانکهاورزر در ادامه می‌گوید:« درک بیشتر این ساختارها اعم از گونگی تشکیل و مکانیزم پشت آن‌ها، برای زیست‌شناسان گیاهی فراتر از یک سوال علمی جالب است.»

 این مطالعه همچنین می‌تواند به دور کردن اندیشه ارسطو کمک کند، چرا که همچنان هم بعضی مردم تصوراتشان هم‌رای با او هستند.

 او ادامه داد:« بسیاری از افراد احساس می‌کنند که گیاهان موجودات منفعلی هستند که نمی‌توانند چیزی را پیش‌بینی کنند. آن‌ها فقط زنده هستند و به محیط اطرافشان بی‌تفاوت‌اند.»

 در نهایت معلوم شد گیاهان در راه دیدن با کل بدنشان تکامل یافته‌اند؛ راهی که از بین فضاهای بین سلول‌هایشان گذر می‌کند. آن‌ها به چیزی به اندازه یک جفت چشم ناشیانه برای دنبال کردن نور ندارند.