Τα φυτά βρίσκουν φως χρησιμοποιώντας κενά μεταξύ των κυττάρων τους | Περιοδικό Quanta

Σε ένα ράφι με επένδυση από γλάστρες από τερακότα, τα βότανα λυγίζουν τους μίσχους τους προς το πλησιέστερο παράθυρο. Σε ένα χωράφι με χρυσά αγριολούλουδα, τα φύλλα περιστρέφονται με το μονοπάτι του ήλιου. Σε ένα διαμελισμένο δάσος, τα αμπέλια τεντώνουν τα δέντρα, φτάνοντας συνεχώς προς τα πάνω και μακριά από το σκοτάδι.

Από την αρχαιότητα, η ικανότητα των φυτών να προσανατολίζουν το σώμα τους χωρίς μάτια προς την πλησιέστερη, φωτεινότερη πηγή φωτός - γνωστή σήμερα ως φωτοτροπισμός - έχει γοητεύσει τους μελετητές και έχει προκαλέσει αμέτρητες επιστημονικές και φιλοσοφικές συζητήσεις. Και τα τελευταία 150 χρόνια, οι βοτανολόγοι έχουν αποκαλύψει με επιτυχία πολλά από τα βασικά μοριακά μονοπάτια που υποστηρίζουν τον τρόπο με τον οποίο τα φυτά αισθάνονται το φως και ενεργούν με βάση αυτές τις πληροφορίες.

Ωστόσο, ένα κρίσιμο μυστήριο έχει διαρκέσει. Τα ζώα χρησιμοποιούν τα μάτια - ένα πολύπλοκο όργανο φακών και φωτοϋποδοχέων - για να αποκτήσουν μια λεπτομερή εικόνα του κόσμου γύρω τους, συμπεριλαμβανομένης της κατεύθυνσης του φωτός. Τα φυτά, έχουν καθορίσει οι βιολόγοι, διαθέτουν μια ισχυρή σειρά μοριακών εργαλείων για τη μέτρηση του φωτισμού. Αλλά ελλείψει προφανών φυσικών αισθητήριων οργάνων όπως οι φακοί, πώς τα φυτά προσδιορίζουν την ακριβή κατεύθυνση από την οποία έρχεται το φως;

Τώρα, μια ομάδα Ευρωπαίων ερευνητών βρήκε μια απάντηση. Σε πρόσφατη εφημερίδα δημοσιευτηκε σε Επιστήμη, αναφέρουν ότι ένα αγριόχορτο στην άκρη του δρόμου — Arabidopsis, ένα από τα αγαπημένα των φυτογενετιστών — χρησιμοποιεί τους εναέριους χώρους μεταξύ των κυττάρων του για να διασκορπίσει το φως, τροποποιώντας τη διαδρομή του φωτός που διέρχεται από τους ιστούς του. Με αυτόν τον τρόπο, τα κανάλια αέρα δημιουργούν μια κλίση φωτός που βοηθά τα σπορόφυτα να προσδιορίζουν με ακρίβεια από πού προέρχεται το φως.

Εκμεταλλευόμενοι τα κανάλια αέρα για να διασκορπίσουν το φως, τα φυτά παρακάμπτουν την ανάγκη για διακριτά όργανα όπως τα μάτια για να προτιμήσουν ένα πιο προσεγμένο κόλπο: την ικανότητα στην πραγματικότητα να «βλέπουν» με ολόκληρο το σώμα τους.

Μια βαθιά ριζωμένη συζήτηση

Γιατί και πώς τα φυτά προσανατολίζονται προς το φως ήταν αντικείμενο έντονης συζήτησης για περισσότερα από 2,000 χρόνια. Οι πρώτοι Έλληνες φιλόσοφοι υποστήριξαν ότι τα φυτά, όπως και τα ζώα, ήταν ικανά για αίσθηση και κίνηση, ακόμη και επιθυμία και ευφυΐα. Αλλά μεταγενέστεροι στοχαστές όπως ο Αριστοτέλης υποστήριξαν ότι τα φυτά ήταν εγγενώς παθητικά, ανίκανα να αισθανθούν το περιβάλλον τους, πολύ περισσότερο να κινούνται μαζί του. «Τα φυτά δεν έχουν ούτε αίσθηση ούτε επιθυμία», έγραψε στα φυτά. «Αυτές οι απόψεις πρέπει να απορρίψουμε ως αβάσιμες». Για αιώνες, οι μελετητές έτειναν να συμφωνούν μαζί του.

Μόλις το 1658 ο αλχημιστής και φυσικός φιλόσοφος Thomas Browne καθιέρωσε τον φωτοτροπισμό ως γεγονός τεκμηριώνοντας ότι τα δενδρύλλια μουστάρδας που φύτρωναν σε γλάστρες σε ένα υπόγειο προσανατολίζουν επίμονα την ανάπτυξή τους προς ένα ανοιχτό παράθυρο. Αλλά για περισσότερο από δύο αιώνες μετά, οι βιολόγοι συνέχισαν να διαφωνούν για το πώς τα φυτά το έκαναν και αν ανταποκρίνονταν στο φως του ήλιου ή στη ζέστη του.

Το 1880, ο Κάρολος Δαρβίνος και ο γιος του Φράνσις οδήγησαν πειράματα για να περιγράψουν έναν φωτοτροπικό μηχανισμό που τελικά αποδείχθηκε. Όπως περιγράφεται στο Η δύναμη της κίνησης στα φυτά, το ζεύγος μεγάλωσε σπορόφυτα —φυτά που δεν μπορούσαν ακόμη να πραγματοποιήσουν φωτοσύνθεση, βασιζόμενα στην αποθηκευμένη ενέργεια από τους σπόρους τους — σε ένα σκοτεινό δωμάτιο. Όταν το μπλε φως έλαμψε πάνω τους από μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, τα φυτά έφτασαν προς το μέρος του. Στη συνέχεια, καθώς οι Δαρβίνοι κινούσαν το φως στο δωμάτιο, παρακολούθησαν τις αντίστοιχες κινήσεις των φυταρίων.

Με βάση τα πειράματά τους, οι Δαρβίνοι πρότειναν ότι τα σπορόφυτα ήταν πιο ευαίσθητα στο φως στην άκρη του βλαστού και ότι αυτό που ένιωθαν εκεί οδήγησε στην παραγωγή κάποιας ουσίας που επηρέαζε την κατεύθυνση της ανάπτυξης του φυτού. Μέχρι τη δεκαετία του 1920, οι βοτανολόγοι είχαν καταλήξει σε μια άνετη συναίνεση που επεξεργάστηκε αυτό το μοντέλο: ότι τα φυτά είχαν αισθητήρες φωτός στις άκρες τους και ότι παρήγαγαν ορμόνες (αργότερα αναγνωρίστηκαν ως αυξίνη) που ενθάρρυναν περισσότερη ανάπτυξη στις σκιασμένες πλευρές τους, προκαλώντας τους μίσχους και τα φύλλα τους. να λυγίσει προς το φως.

Όπως πολλές μεγάλες ανακαλύψεις, αυτή άνοιξε ένα νέο ερώτημα: Πώς ακριβώς θα μπορούσαν τα φυτά να αισθανθούν το φως εξαρχής; Τους έλειπε κάποιο προφανές αισθητήριο όργανο. Οι ερευνητές άρχισαν να υποψιάζονται ότι τα φυτά πρέπει να έχουν εξελιγμένες αισθητηριακές ικανότητες.

Μοριακοί βιολόγοι ανέλαβαν την ευθύνη, δείχνοντας ότι τα φυτά μπορούν να μετρήσουν και να αντιδράσουν σε ένα πολύ ευρύτερο φάσμα φωτός από ό,τι μπορούμε με τα μάτια των ζώων μας, παρόλο που δεν διαθέτουν ένα εξειδικευμένο όργανο για την αντίληψη. Πέντε διαφορετικές οικογένειες φωτοϋποδοχέων, συν ορμόνες και μονοπάτια σήματος, συνεργάζονται για να υπαγορεύσουν στο κυτταρικό επίπεδο την κατεύθυνση προς την οποία ένα φυτό χτίζει νέο ιστό – εξηγώντας πώς στρίβουν, γυρίζουν και εκτοξεύονται προς τα πάνω, όπως απαιτείται. Αυτοί οι φωτοϋποδοχείς εξαπλώνονται σε όλα τα σώματα των φυτών, αλλά συγκεντρώνονται σε μεγάλο βαθμό στον εσωτερικό ιστό του στελέχους, είπε Κρίστιαν Φανκχάουζερ, φυτοβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Λωζάνης στην Ελβετία και συγγραφέας της νέας μελέτης.

Ωστόσο, οι απλοί αισθητήρες δεν επαρκούν από μόνοι τους για να δώσουν στα φυτά τη δυνατότητα να προσδιορίζουν την κατεύθυνση του φωτός. Για να εντοπίσει καλύτερα την κατεύθυνση του ισχυρού φωτισμού, ένα φυτό πρέπει να είναι σε θέση να συγκρίνει τα σήματα μεταξύ διαφορετικών φωτοϋποδοχέων, ώστε να μπορούν να προσανατολίσουν την ανάπτυξή τους προς το πιο έντονο φως. Και για αυτό χρειάζονται το εισερχόμενο φως για να πέσει στους αισθητήρες τους σε μια κλίση από το φωτεινότερο προς το πιο αμυδρό.

Τα ζώα έχουν λύσει αυτό το πρόβλημα μέσω της ανάπτυξης των ματιών. Ένας απλός οργανισμός, όπως ένα σκουλήκι σκουλήκι, τα βγάζει πέρα ​​με «κηλίδες» που απλώς αισθάνονται την παρουσία ή την απουσία φωτός. Σε πιο περίπλοκα μάτια ζώων όπως τα δικά μας, ανατομικά χαρακτηριστικά όπως ο φακός απευθείας φως προς τον αμφιβληστροειδή, το οποίο είναι γεμάτο με φωτοαισθητήρες. Στη συνέχεια, ο εγκέφαλος συγκρίνει την ποσότητα του φωτός που φτάνει μέσω του κυρτού φακού με την ποσότητα που καταγράφεται σε ξεχωριστά κύτταρα. Αυτό το σύστημα, το οποίο συνδυάζει φυσικό χειρισμό του φωτός με μοριακούς αισθητήρες, επιτρέπει την ανίχνευση λεπτών διαβαθμίσεων φωτεινότητας και σκιάς και την ανάλυσή του στην εικόνα που ονομάζουμε όραση.

Επειδή όμως τα φυτά δεν έχουν εγκέφαλο, χρειάζονται ένα παθητικό σύστημα για να καταλήξουν στα ίδια συμπεράσματα. Γι' αυτό η ικανότητα των φυτών να σχηματίζουν φυσικές κλίσεις είναι σημαντική: Δημιουργούν εγγενείς διακρίσεις μεταξύ των κυττάρων χωρίς να απαιτούν από το φυτό να κάνει ενεργές συγκρίσεις.

Έτσι, οι βοτανολόγοι αντιμετώπισαν ένα αίνιγμα. Ήταν ο φωτοτροπισμός εξ ολοκλήρου μια μοριακή διαδικασία, όπως υποψιάζονταν ορισμένοι, ή θα μπορούσαν τα φυτά να αλλάξουν τις δέσμες φωτός για να δημιουργήσουν μια κλίση και να κατευθύνουν καλύτερα την απόκρισή τους; Αν ίσχυε το τελευταίο, τότε τα φυτά πρέπει να έχουν φυσικές δομές που τους επιτρέπουν να εστιάζουν το φως.

Αυτή η δομή θα μπορούσε τελικά να αναγνωριστεί σε μια μεταλλαγμένη εκδοχή ενός ζιζανίου στην άκρη του δρόμου που πάλευε να βρει το φως.

Ο Τυφλός Μεταλλαγμένος

Thale cress — γνωστό στην επιστήμη ως Arabidopsis thaliana — δεν είναι ιδιαίτερα ελκυστικό φυτό. Το ζιζάνιο ύψους 25 εκατοστών λατρεύει την ταραγμένη γη, τις άκρες των χωραφιών και τους ώμους των δρόμων. Ιθαγενής της Αφρικής και της Ευρασίας, βρίσκεται πλέον σε κάθε ήπειρο εκτός από την Ανταρκτική. Οι βιολόγοι φυτών το έχουν προσαρμόσει από τότε σε έναν επιστημονικό τρόπο ζωής: Ο σύντομος κύκλος ζωής του, μικρό γονιδίωμα (πλήρως χαρτογραφημένο το 2000) και η τάση για παραγωγή χρήσιμων μεταλλάξεων στο εργαστήριο το καθιστούν ένα εξαιρετικό πρότυπο οργανισμό για την κατανόηση της ανάπτυξης των φυτών και της γενετικής.

Ο Φανκχάουζερ έχει συνεργαστεί με Arabidopsis από το 1995 για να μελετήσει πώς το φως διαμορφώνει την ανάπτυξη των φυτών. Το 2016, το εργαστήριό του εξέτασε τα γονίδια των δενδρυλλίων για να βρει μεταλλαγμένα φυτά με ασυνήθιστη ανταπόκριση στο φως. Μεγάλωσαν τους σπόρους σε ένα σκοτεινό δωμάτιο με μπλε φώτα για να κατευθύνουν τα σπορόφυτα στο πλάι. Από εκεί, το πείραμα διεξήχθη λίγο πολύ όπως έκαναν οι Δαρβίνοι πριν από 150 χρόνια: Καθώς οι ερευνητές άλλαζαν την κατεύθυνση του φωτός, τα φυτά επαναπροσανατολίστηκαν σε αυτό.

Ωστόσο, ένα μεταλλαγμένο φυτό πάλεψε. Αν και δεν είχε πρόβλημα να ανιχνεύσει τη βαρύτητα, φαινόταν ανίκανο να παρακολουθήσει το φως. Αντίθετα, λύγισε προς όλες τις κατευθύνσεις, σαν να ήταν τυφλός και να αισθάνεται γύρω στο σκοτάδι.

Κάτι είχε προφανώς πάει στραβά με την ικανότητα του μεταλλαγμένου να αισθάνεται το φως. Όταν η ομάδα εξέτασε το φυτό, διαπίστωσε ότι είχε τους τυπικούς φωτοϋποδοχείς, σύμφωνα με τη φυτική βιολόγο Martina Legris, μεταδιδακτορική στο εργαστήριο του Fankhauser και συν-συγγραφέα της νέας εργασίας. Αλλά όταν η ομάδα κοίταξε το στέλεχος στο μικροσκόπιο, παρατήρησε κάτι περίεργο.

Το άγριο Arabidopsis, όπως και τα περισσότερα φυτά, έχει κανάλια αέρα ανάμεσα στα κύτταρα του. Αυτές οι δομές είναι σαν άξονες αερισμού που υφαίνονται γύρω από τα σφραγισμένα κυτταρικά διαμερίσματα και είναι γνωστό ότι παίζουν σημαντικό ρόλο τόσο στη φωτοσύνθεση όσο και στην οξυγόνωση των κυττάρων. Όμως τα κανάλια αέρα του μεταλλαγμένου φυτού πλημμύρισαν με νερό. Η ομάδα παρακολούθησε τη μετάλλαξη στο γονίδιο abcg5, η οποία παράγει μια πρωτεΐνη που μπορεί να βοηθήσει στην αδιαβροχοποίηση του κυτταρικού τοιχώματος για να διασφαλίσει ότι οι άξονες αέρα του φυτού είναι στεγανοί.

Ενδιαφερόμενοι, οι ερευνητές δοκίμασαν ένα πείραμα. Γέμισαν τους μεσοκυτταρικούς άξονες αέρα των μη μεταλλαγμένων φυτών με νερό για να δουν αν αυτό επηρέαζε την ανάπτυξή τους. Όπως τα μεταλλαγμένα, αυτά τα φυτά δυσκολεύονταν να προσδιορίσουν από πού ερχόταν το φως. «Μπορούμε να δούμε ότι αυτά τα φυτά είναι γενετικά φυσιολογικά», είπε ο Legris. «Το μόνο που τους λείπει είναι αυτά τα κανάλια αέρα».

Οι ερευνητές συμπέραναν ότι το φυτό προσανατολίζεται στο φως μέσω ενός μηχανισμού που βασίζεται στο φαινόμενο της διάθλασης - την τάση του φωτός να αλλάζει κατεύθυνση καθώς περνά από διαφορετικά μέσα. Λόγω της διάθλασης, εξήγησε ο Legris, το φως διέρχεται από ένα κανονικό Arabidopsis θα διασκορπιστεί κάτω από την επιφάνεια του στελέχους: Κάθε φορά που κινείται μέσα από ένα φυτικό κύτταρο, το οποίο είναι κυρίως νερό, και στη συνέχεια μέσω ενός καναλιού αέρα, αλλάζει κατεύθυνση. Δεδομένου ότι μέρος του φωτός ανακατευθύνεται στη διαδικασία, τα κανάλια αέρα δημιουργούν μια απότομη κλίση φωτός σε διαφορετικά κύτταρα, την οποία το φυτό μπορεί να χρησιμοποιήσει για να εκτιμήσει την κατεύθυνση του φωτός και στη συνέχεια να αναπτυχθεί προς αυτό.

Αντίθετα, όταν αυτά τα κανάλια αέρα γεμίζουν με νερό, η σκέδαση του φωτός μειώνεται. Τα φυτικά κύτταρα διαθλούν το φως με παρόμοιο τρόπο όπως ένα πλημμυρισμένο κανάλι, καθώς και τα δύο περιέχουν νερό. Αντί να διασκορπιστεί, το φως περνά σχεδόν κατευθείαν μέσα από τα κύτταρα και τα πλημμυρισμένα κανάλια προς τα βαθύτερα μέσα στον ιστό, μειώνοντας την κλίση φωτός και στερώντας από το σπορόφυτο διαφορές στην ένταση φωτός.

Βλέποντας το Φως

Η έρευνα δείχνει ότι αυτά τα κανάλια αέρα παίζουν κρίσιμο ρόλο βοηθώντας τα νεαρά φυτά να παρακολουθούν το φως. Roger Hangarter, φυτοβιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Ιντιάνα Μπλούμινγκτον, ο οποίος δεν συμμετείχε στη νέα μελέτη, την χαιρέτισε για την εύρεση μιας έξυπνης λύσης σε ένα μακροχρόνιο πρόβλημα. Ο Φανκχάουζερ, ο Λεγκρίς και οι συνάδελφοί τους «πολύ καλά έβαλαν το καρφί στο φέρετρο για τη σημασία αυτών των εναέριων χώρων», είπε.

Η ιδέα έχει προκύψει στο παρελθόν, σημείωσε ο Hangarter. Το 1984, μια ομάδα ερευνητών στο Πανεπιστήμιο του York πρότεινε αυτό κανάλια αέρα μεταξύ των φυτικών κυττάρων μπορεί να βοηθήσει στη δημιουργία της απαραίτητης κλίσης φωτός. Αλλά επειδή η ομάδα δεν είχε τη χρηματοδότηση για να πραγματοποιήσει ακριβά πειράματα, η πρότασή τους δεν δοκιμάστηκε.

«Πάντα μας μπερδεύει το πώς αυτά τα μικρά, μικροσκοπικά —σχεδόν διαφανή— [εμβρυϊκά φυτά] μπορούσαν να ανιχνεύσουν μια κλίση», είπε ο Hangarter. «Ποτέ δεν δώσαμε μεγάλη πίστη στο θέμα του εναέριου χώρου επειδή αποσπάσαμε την προσοχή ψάχνοντας για μόρια που εμπλέκονταν. Μπαίνεις σε ένα συγκεκριμένο ερευνητικό μονοπάτι, και έχεις παρωπίδες».

Ο μηχανισμός του καναλιού αέρα ενώνει άλλες έξυπνες συσκευές που έχουν εξελίξει τα φυτά για να ελέγχουν τον τρόπο με τον οποίο το φως κινείται μέσα από αυτά. Για παράδειγμα, η έρευνα του Hangarter βοήθησε να διαπιστωθεί ότι οι χλωροπλάστες - τα κυτταρικά οργανίδια που εκτελούν τη φωτοσύνθεση - χορεύουν ενεργά μέσα στα κύτταρα των φύλλων να κινείται το φως. Οι χλωροπλάστες μπορούν να συγκεντρωθούν άπληστα στο κέντρο του κυττάρου για να απορροφήσουν αδύναμο φως ή να φύγουν στα περιθώρια για να αφήσουν το ισχυρότερο φως να περάσει βαθύτερα στους φυτικούς ιστούς.

Προς το παρόν, τα νέα ευρήματα σχετικά με τα κανάλια αέρα επεκτείνονται μόνο στα σπορόφυτα. Ενώ αυτά τα κανάλια αέρα εμφανίζονται επίσης σε ενήλικα φύλλα, όπου έχει αποδειχθεί ότι παίζουν ρόλο στη σκέδαση και τη διανομή του φωτός, κανείς δεν έχει ακόμη δοκιμάσει εάν παίζουν ρόλο στον φωτοτροπισμό, είπε ο Legris.

Το πόσο καιρό τα κανάλια αέρα παίζουν αυτόν τον ρόλο δεν είναι ξεκάθαρο. Τα πρωτόγονα απολιθώματα των φυτών της γης από 400 εκατομμύρια χρόνια πριν δεν δείχνουν ούτε ρίζες ούτε φύλλα — αλλά οι ιστοί του πυρήνα των φυτών δείχνουν αρκετά μεγάλοι μεσοκυττάριοι χώροι αέρα. Ίσως προέκυψαν αρχικά για αερισμό ιστού ή ανταλλαγή αερίων, είπε ο Fankhauser, και στη συνέχεια προσαρμόστηκαν στον ρόλο τους στον φωτοτροπισμό. Ή ίσως τα φυτά εξέλιξαν εναέριους χώρους σε στελέχη εν μέρει για να τα βοηθήσουν να αισθανθούν το φως, και στη συνέχεια τα επέλεξαν για να εκτελέσουν άλλες λειτουργίες.

«Η περαιτέρω κατανόηση αυτών των δομών - πώς χτίζονται, ποιος είναι ο μηχανισμός πίσω από αυτές - είναι ενδιαφέρουσα για τους φυτοβιολόγους πέρα ​​από το ερώτημα πώς τα φυτά αισθάνονται την κατεύθυνση του φωτός», είπε ο Fankhauser.

Θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στον ξορκισμό του φαντάσματος του Αριστοτέλη, το οποίο εξακολουθεί να παραμένει στις αντιλήψεις των ανθρώπων για τα φυτά, είπε. «Πολλοί άνθρωποι έχουν την αίσθηση ότι τα φυτά είναι πολύ παθητικοί οργανισμοί — δεν μπορούν να προβλέψουν τίποτα. κάνουν ό,τι τους συμβαίνει».

Αλλά αυτή η ιδέα βασίζεται στις προσδοκίες μας για το πώς πρέπει να φαίνονται τα μάτια. Τα φυτά, αποδεικνύεται, έχουν εξελίξει έναν τρόπο να βλέπουν με ολόκληρο το σώμα τους, ένα υφαντό στα κενά μεταξύ των κυττάρων τους. Δεν χρειάζονται τίποτα τόσο αδέξιο όσο ένα ζευγάρι μάτια για να ακολουθήσουν το φως.