تجد النباتات الضوء باستخدام الفجوات الموجودة بين خلاياها | مجلة كوانتا

على رف مبطن بأواني تيرا كوتا، تثني الأعشاب سيقانها نحو أقرب نافذة. في حقل من الزهور البرية الذهبية، تدور الأوراق مع مسار الشمس. في غابة مرقطة، تلتف أشجار الكروم حول الأشجار، وتصل دائمًا إلى أعلى وبعيدًا عن الظلام.

منذ العصور القديمة، كانت قدرة النباتات على توجيه أجسامها الخالية من العيون نحو أقرب مصدر للضوء وأكثر سطوعًا - المعروف اليوم باسم التوجه الضوئي - قد فتنت العلماء وأثارت مناقشات علمية وفلسفية لا حصر لها. وعلى مدار الـ 150 عامًا الماضية، نجح علماء النبات في كشف العديد من المسارات الجزيئية الرئيسية التي تدعم كيفية استشعار النباتات للضوء والتصرف بناءً على تلك المعلومات.

ومع ذلك، فقد ظل هناك لغز بالغ الأهمية. تستخدم الحيوانات العيون - وهي عضو معقد من العدسات والمستقبلات الضوئية - للحصول على صورة مفصلة للعالم من حولها، بما في ذلك اتجاه الضوء. أثبت علماء الأحياء أن النباتات تمتلك مجموعة قوية من الأدوات الجزيئية لقياس الإضاءة. ولكن في غياب أجهزة الاستشعار المادية الواضحة مثل العدسات، كيف يمكن للنباتات تحديد الاتجاه الدقيق الذي يأتي منه الضوء؟

الآن، توصل فريق من الباحثين الأوروبيين إلى إجابة. في ورقة حديثة نشرت في علوم، أفادوا أن هناك أعشابًا على جانب الطريق - ل arabidopsis، وهو المفضل لدى علماء الوراثة النباتية - يستخدم المساحات الهوائية بين خلاياه لتشتيت الضوء، وتعديل مسار الضوء الذي يمر عبر أنسجته. وبهذه الطريقة، تخلق قنوات الهواء تدرجًا ضوئيًا يساعد الشتلات على تحديد مصدر الضوء بدقة.

ومن خلال الاستفادة من القنوات الهوائية لتشتيت الضوء، تتجنب النباتات الحاجة إلى أعضاء منفصلة مثل العيون لصالح خدعة أكثر دقة: وهي القدرة في الواقع على "الرؤية" بأجسامها بأكملها.

نقاش عميق الجذور

لماذا وكيف توجه النباتات نفسها نحو الضوء؟ موضوع نقاش حاد لأكثر من 2,000 سنة. جادل الفلاسفة اليونانيون الأوائل بأن النباتات، مثل الحيوانات، كانت قادرة على الإحساس والحركة، وحتى الرغبة والذكاء. لكن المفكرين اللاحقين مثل أرسطو أكدوا أن النباتات كانت سلبية بالفطرة، وغير قادرة على استشعار بيئتها، ناهيك عن التحرك معها. وكتب في كتابه: "النباتات ليس لديها إحساس ولا رغبة". على النباتات. "يجب أن نرفض هذه الآراء باعتبارها غير سليمة." لعدة قرون، مال العلماء إلى الاتفاق معه.

لم يكن الأمر كذلك حتى عام 1658 عندما أسس الكيميائي والفيلسوف الطبيعي توماس براون التوجه الضوئي كحقيقة من خلال توثيق أن شتلات الخردل التي تنمو في أوعية في الطابق السفلي توجه نموها باستمرار نحو نافذة مفتوحة. ولكن لأكثر من قرنين من الزمان بعد ذلك، استمر علماء الأحياء في الجدال حول كيفية قيام النباتات بذلك، وما إذا كانت تستجيب لضوء الشمس أو حرارتها.

في عام 1880، أجرى تشارلز داروين وابنه فرانسيس تجارب لوصف الآلية الضوئية، والتي تم إثبات صحتها في النهاية. كما هو موضح في قوة الحركة في النباتاتقام الثنائي بزراعة شتلات - نباتات لم تتمكن بعد من إجراء عملية التمثيل الضوئي، واعتمدت بدلاً من ذلك على الطاقة المخزنة من بذورها - في غرفة مظلمة. وعندما سلط عليها الضوء الأزرق من اتجاه معين، وصلت النباتات نحوه. بعد ذلك، عندما قام آل داروين بتحريك الضوء في جميع أنحاء الغرفة، قاموا بتتبع الحركات المقابلة للشتلات.

وبناءً على تجاربهم، اقترح الداروينيون أن الشتلات كانت أكثر حساسية للضوء عند طرف النبتة، وأن ما استشعروه هناك أدى إلى إنتاج بعض المواد التي أثرت في اتجاه نمو النبات. بحلول العشرينيات من القرن العشرين، توصل علماء النبات إلى إجماع مريح يوضح هذا النموذج: أن النباتات لديها أجهزة استشعار للضوء عند أطرافها وأنها تنتج هرمونات (تم تحديدها لاحقًا باسم الأوكسين) تشجع المزيد من النمو على جوانبها المظللة، مما يتسبب في سيقانها وأوراقها. للانحناء نحو الضوء.

مثل العديد من الاكتشافات العظيمة، فتح هذا الاكتشاف سؤالاً جديدًا: كيف يمكن للنباتات أن تستشعر الضوء في المقام الأول؟ كانوا يفتقرون إلى أي عضو حسي واضح. بدأ الباحثون يشتبهون في أن النباتات يجب أن تتمتع بقدرات حسية متطورة.

وقد تولى علماء الأحياء الجزيئية هذه المهمة، فأظهروا أن النباتات يمكنها أن تقيس وتتفاعل مع طيف أوسع بكثير من الضوء مما نستطيع أن نفعله بأعين الحيوانات، على الرغم من أنها تفتقر إلى عضو متخصص للإدراك. تعمل خمس عائلات مختلفة من المستقبلات الضوئية، بالإضافة إلى الهرمونات ومسارات الإشارة، معًا لإملاء الاتجاه الذي يبني فيه النبات أنسجة جديدة على المستوى الخلوي، وهو ما يوضح كيف تلتوي السيقان وتدور وتنطلق للأعلى حسب الحاجة. وقال إن هذه المستقبلات الضوئية تنتشر في جميع أنحاء أجسام النباتات ولكنها تتركز إلى حد كبير في الأنسجة الداخلية للساق كريستيان فانكهاوزر، عالم الأحياء النباتية في جامعة لوزان في سويسرا ومؤلف الدراسة الجديدة.

ومع ذلك، فإن أجهزة الاستشعار البسيطة ليست كافية بمفردها لمنح النباتات القدرة على تحديد اتجاه الضوء. لتحديد اتجاه الإضاءة القوية بشكل أفضل، يجب أن يكون النبات قادرًا على مقارنة الإشارات بين المستقبلات الضوئية المختلفة حتى تتمكن من توجيه نموها نحو الضوء الأكثر كثافة. ولهذا يحتاجون إلى سقوط الضوء الوارد على أجهزة الاستشعار الخاصة بهم بتدرج من الأكثر سطوعًا إلى الأكثر خفوتًا.

لقد قامت الحيوانات بحل هذه المشكلة من خلال تطور العيون. كائن حي بسيط، مثل دودة المستورقات، يتعايش مع "بقع العين" التي تستشعر فقط وجود الضوء أو غيابه. في عيون الحيوانات الأكثر تعقيدًا مثل عيوننا، تكون السمات التشريحية مثل العدسة الضوء المباشر نحو شبكية العين، المليئة بأجهزة الاستشعار الضوئية. ثم يقارن الدماغ كمية الضوء التي تصل عبر العدسة المنحنية مع الكمية المسجلة على خلايا منفصلة. هذا النظام، الذي يجمع بين المعالجة الفيزيائية للضوء وأجهزة الاستشعار الجزيئية، يسمح باكتشاف التدرجات الدقيقة للسطوع والظل، ودقة وضوحها في الصورة التي نسميها البصر.

ولكن بما أن النباتات ليس لها دماغ، فإنها تحتاج إلى نظام سلبي للوصول إلى نفس الاستنتاجات. ولهذا السبب تعد قدرة النباتات على تكوين التدرجات الفيزيائية مهمة: فهي تخلق تمييزات متأصلة بين الخلايا دون مطالبة النبات بإجراء مقارنات نشطة.

وهكذا، واجه علماء النبات معضلة. هل كانت الانتحاء الضوئي عملية جزيئية بالكامل، كما يظن البعض، أم هل تستطيع النباتات تغيير أشعة الضوء لإنشاء تدرج وتوجيه استجابتها بشكل أفضل؟ إذا كان هذا الأخير صحيحا، فيجب أن يكون للنباتات هياكل فيزيائية تسمح لها بتركيز الضوء.

سيتم التعرف أخيرًا على هذا الهيكل في نسخة متحولة من عشبة على جانب الطريق تكافح للعثور على الضوء.

المتحول الأعمى

ثال كريس — المعروف علميا باسم نبات الأرابيدوبسيس thaliana - ليس نباتًا جذابًا بشكل خاص. هذه الحشائش التي يبلغ طولها 25 سم مغرمة بالأراضي المضطربة وحواف الحقول وأكتاف الطرق. موطنه الأصلي أفريقيا وأوراسيا، وهو موجود الآن في كل القارات باستثناء القارة القطبية الجنوبية. ومنذ ذلك الحين، قام علماء الأحياء النباتية بتكييفه مع أسلوب حياة علمي: دورة حياته القصيرة، وجينومه الصغير (تم رسمها بالكامل في عام 2000) والميل إلى إنتاج طفرات مفيدة في المختبر، كلها تجعل منه كائنًا نموذجيًا ممتازًا لفهم نمو النبات وعلم الوراثة.

لقد عمل فانكهاوزر مع ل arabidopsis منذ عام 1995 لدراسة كيفية تشكيل الضوء لنمو النبات. وفي عام 2016، قام مختبره بفحص جينات الشتلات للعثور على نباتات متحولة ذات استجابات غير عادية للضوء. وقاموا بزراعة البذور في غرفة مظلمة بأضواء زرقاء لتوجيه الشتلات جانبًا. ومن هناك، جرت التجربة بشكل أو بآخر كما فعلت عائلة داروين قبل 150 عامًا: عندما غيّر الباحثون اتجاه الضوء، أعادت النباتات توجيه نفسها نحوه.

ومع ذلك، كافح نبات واحد متحولة. ورغم أنه لم يكن لديه مشكلة في استشعار الجاذبية، إلا أنه بدا غير قادر على تتبع الضوء. وبدلاً من ذلك انحنى في كل الاتجاهات، كما لو كان أعمى ويتحسس ما حوله في الظلام.

يبدو أن هناك خطأ ما في قدرة المتحولة على استشعار الضوء. عندما فحص الفريق النبات، وجدوا أنه يحتوي على مستقبلات ضوئية نموذجية، وفقًا لعالمة الأحياء النباتية مارتينا ليجريس، وهي باحثة ما بعد الدكتوراه في مختبر فانكهاوزر ومؤلفة مشاركة في الورقة الجديدة. ولكن عندما نظر الفريق إلى الجذع تحت المجهر، لاحظوا شيئًا غريبًا.

البرية ل arabidopsisمثل معظم النباتات، لديها قنوات هوائية بين خلاياها. تشبه هذه الهياكل أعمدة التهوية المنسوجة حول الأجزاء الخلوية المغلقة، ومن المعروف أنها تلعب أدوارًا مهمة في عملية التمثيل الضوئي وفي الخلايا المؤكسجة. لكن القنوات الهوائية للنبات المتحول غمرتها المياه. قام الفريق بتتبع الطفرة الجينية abcg5، الذي ينتج بروتينًا قد يساعد على مقاومة جدار الخلية لضمان أن أعمدة الهواء في النبات مقاومة للماء.

مفتونًا، جرب الباحثون تجربة. لقد ملأوا أعمدة الهواء بين الخلايا للنباتات غير الطافرة بالماء لمعرفة ما إذا كان ذلك يؤثر على نموها. مثل الطفرات، واجهت هذه النباتات صعوبة في تحديد مصدر الضوء. وقال ليجريس: "يمكننا أن نرى أن هذه النباتات طبيعية وراثيا". "الشيء الوحيد الذي يفتقدونه هو هذه القنوات الجوية."

واستنتج الباحثون أن النبات يوجه نفسه للضوء من خلال آلية تعتمد على ظاهرة الانكسار - ميل الضوء إلى تغيير اتجاهه أثناء مروره عبر الوسائط المختلفة. وأوضح ليجريس أن الضوء يمر عبر خط طبيعي بسبب الانكسار ل arabidopsis سوف ينتشر تحت سطح الجذع: في كل مرة يتحرك عبر خلية نباتية، والتي تتكون في معظمها من الماء، ثم عبر قناة هوائية، يغير اتجاهه. وبما أن بعض الضوء يتم إعادة توجيهه في هذه العملية، فإن القنوات الهوائية تنشئ تدرجًا ضوئيًا حادًا عبر الخلايا المختلفة، والذي يمكن للنبات استخدامه لتقييم اتجاه الضوء ثم النمو باتجاهه.

في المقابل، عندما تمتلئ هذه القنوات الهوائية بالماء، يقل تشتت الضوء. تكسر الخلايا النباتية الضوء بطريقة مشابهة للقناة المغمورة بالمياه، حيث أن كلاهما يحتوي على الماء. بدلاً من التشتت، يمر الضوء بشكل مستقيم تقريبًا عبر الخلايا والقنوات المغمورة إلى عمق الأنسجة، مما يقلل من تدرج الضوء ويحرم الشتلات من الاختلافات في شدة الضوء.

رؤية النور

ويشير البحث إلى أن هذه القنوات الهوائية تلعب دورا حاسما في مساعدة النباتات الصغيرة على تتبع الضوء. روجر هانجارتروأشاد عالم الأحياء النباتية بجامعة إنديانا بلومنجتون، والذي لم يشارك في الدراسة الجديدة، بالدراسة لأنها وجدت حلاً ذكيًا لمشكلة طويلة الأمد. وقال إن فانكهاوزر وليجريس وزملائهما "ثبتوا بشكل جيد المسمار في نعش أهمية هذه المساحات الجوية".

وأشار هانغارتر إلى أن الفكرة طرحت من قبل. وفي عام 1984، اقترح فريق من الباحثين في جامعة يورك ذلك قنوات الهواء بين الخلايا النباتية قد يساعد في تحديد التدرج الضوئي اللازم. ولكن بما أن الفريق لم يكن لديه التمويل اللازم لإجراء تجارب باهظة الثمن، فقد ذهب اقتراحهم دون اختبار.

قال هانغارتر: "لقد كان من المحير بالنسبة لنا دائمًا كيف يمكن لهذه النباتات الجنينية الصغيرة جدًا - شبه الشفافة - اكتشاف التدرج". "لم نعطي أبدًا الكثير من المصداقية لموضوع الفضاء الجوي لأننا كنا مشتتين بالبحث عن الجزيئات المشاركة. إنك تسلك مسارًا بحثيًا معينًا، وتضعك في غمامتك.»

وتنضم آلية قنوات الهواء إلى أجهزة بارعة أخرى طورتها النباتات للتحكم في كيفية تحرك الضوء من خلالها. على سبيل المثال، ساعد البحث الذي أجراه هانجارتر في إثبات أن البلاستيدات الخضراء - العضيات الخلوية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي - الرقص بنشاط داخل خلايا الورقة لتحريك الضوء. يمكن أن تتجمع البلاستيدات الخضراء بشراهة في وسط الخلية لامتصاص الضوء الضعيف أو الفرار إلى الهوامش للسماح للضوء الأقوى بالمرور بشكل أعمق إلى أنسجة النبات.

في الوقت الحالي، تمتد النتائج الجديدة حول القنوات الهوائية إلى الشتلات فقط. قال ليجريس إنه بينما تظهر هذه القنوات الهوائية أيضًا في الأوراق البالغة، حيث ثبت أنها تلعب دورًا في تشتت الضوء وتوزيعه، لم يتم اختبار أحد بعد ما إذا كانت تلعب دورًا في الانتحاء الضوئي.

ومن غير الواضح منذ متى ظلت القنوات الجوية تلعب هذا الدور. لا تظهر حفريات النباتات البرية البدائية منذ 400 مليون سنة أي جذور ولا أوراق، لكن الأنسجة الأساسية للنباتات تظهر ذلك مساحات هوائية كبيرة جدًا بين الخلايا. وقال فانكهاوزر إنه ربما نشأت في البداية من أجل تهوية الأنسجة أو تبادل الغازات، ثم تم تكييفها بعد ذلك لتتناسب مع دورها في التوجه الضوئي. أو ربما طورت النباتات مساحات هوائية في السيقان جزئيًا لمساعدتها على استشعار الضوء، ثم اختارتها لأداء وظائف أخرى.

قال فانكهاوزر: "إن المزيد من فهم هذه الهياكل - كيف يتم بناؤها، وما هي الآلية التي تقف وراءها - أمر مثير للاهتمام بالنسبة لعلماء الأحياء النباتية بما يتجاوز مسألة كيفية شعور النباتات باتجاه الضوء".

وقال إنه يمكن أن يساعد أيضًا في طرد شبح أرسطو، الذي لا يزال باقياً في تصورات الناس للنباتات. «يشعر الكثير من الناس أن النباتات كائنات سلبية للغاية، ولا يمكنها توقع أي شيء؛ إنهم يفعلون فقط ما يحدث لهم”.

لكن هذه الفكرة مبنية على توقعاتنا لما يجب أن تبدو عليه العيون. لقد تبين أن النباتات قد طورت طريقة للرؤية من خلال أجسامها بأكملها، وهي طريقة منسوجة في الفجوات بين خلاياها. إنهم لا يحتاجون إلى أي شيء أخرق مثل زوج من العيون لمتابعة الضوء.