Bitkiler Işığı Hücreleri Arasındaki Boşluklardan Buluyor | Quanta Dergisi

Pişmiş toprak kaplarla kaplı bir rafta otlar saplarını en yakın pencereye doğru büküyor. Altın kır çiçekleriyle dolu bir tarlada yapraklar güneşin yolu doğrultusunda dönüyor. Benekli bir ormanda sarmaşıklar ağaçlara dolanıyor ve karanlıktan uzaklaşarak yukarıya doğru uzanıyor.

Antik çağlardan beri, bitkilerin gözsüz bedenlerini en yakındaki, en parlak ışık kaynağına (bugün fototropizm olarak bilinir) doğru yönlendirme yeteneği, bilim adamlarını büyüledi ve sayısız bilimsel ve felsefi tartışmaya yol açtı. Geçtiğimiz 150 yıl boyunca botanikçiler, bitkilerin ışığı nasıl algıladığını ve bu bilgiye göre nasıl hareket ettiğini destekleyen temel moleküler yolların çoğunu başarılı bir şekilde ortaya çıkardılar.

Ancak kritik bir gizem hala varlığını sürdürüyor. Hayvanlar, ışığın yönü de dahil olmak üzere etraflarındaki dünyanın ayrıntılı bir resmini elde etmek için merceklerden ve fotoreseptörlerden oluşan karmaşık bir organ olan gözleri kullanır. Biyologlar, bitkilerin aydınlatmayı ölçmek için güçlü bir moleküler araçlar paketine sahip olduğunu tespit etti. Ancak mercekler gibi bariz fiziksel algılama organlarının yokluğunda bitkiler ışığın geldiği yönü kesin olarak nasıl hesaplıyor?

Şimdi Avrupalı ​​araştırmacılardan oluşan bir ekip bir yanıt buldu. Yakın tarihli bir makalede yayınlanan Bilim, yol kenarındaki bir otun -- ArabidopsisBitki genetikçilerinin favorisi, ışığı dağıtmak için hücreleri arasındaki hava boşluklarını kullanıyor ve ışığın dokulardan geçen yolunu değiştiriyor. Bu şekilde hava kanalları, fidelerin ışığın nereden geldiğini doğru bir şekilde belirlemesine yardımcı olan bir ışık gradyanı oluşturur.

Bitkiler, ışığı dağıtmak için hava kanallarından yararlanarak, gözler gibi ayrı organlara duyulan ihtiyacı daha düzgün bir numara uğruna ortadan kaldırır: aslında tüm vücutlarıyla "görme" yeteneği.

Köklü Bir Tartışma

Bitkilerin kendilerini ışığa doğru neden ve nasıl yönlendirdikleri araştırılmıştır. şiddetli tartışma konusu 2,000 yılı aşkın süredir. İlk Yunan filozofları, hayvanlar gibi bitkilerin de duyu ve hareket yeteneğine, hatta arzu ve zekaya sahip olduğunu savundu. Ancak Aristoteles gibi daha sonraki düşünürler, bitkilerin doğuştan pasif olduklarını, çevrelerini algılamaktan aciz olduklarını, hatta onunla birlikte hareket etmediklerini ileri sürdüler. "Bitkilerin ne hissi ne de arzusu vardır" diye yazmıştı. Bitkilerde. "Bu görüşlerin sağlıksız olduğu gerekçesiyle reddedilmeliyiz." Yüzyıllar boyunca bilim adamları onunla aynı fikirde olma eğilimindeydi.

Simyacı ve doğa filozofu Thomas Browne'un bodrumdaki saksılarda büyüyen hardal fidelerinin büyümelerini ısrarla açık bir pencereye doğru yönlendirdiğini belgeleyerek fototropizmi bir gerçek olarak ortaya koyması 1658 yılına kadar mümkün değildi. Ancak bundan sonraki iki yüzyıldan fazla bir süre boyunca biyologlar bitkilerin bunu nasıl yaptığı ve güneş ışığına mı yoksa ısısına mı tepki verdikleri konusunda tartışmaya devam ettiler.

1880'de Charles Darwin ve oğlu Francis, fototropik mekanizmayı tanımlamak için deneyler başlattılar ve sonuçta kanıtlandı. Açıklandığı gibi Bitkilerde Hareket GücüÇift, karanlık bir odada henüz fotosentez yapamayan, bunun yerine tohumlarında depolanan enerjiye dayanan fideler yetiştirdi. Belirli bir yönden üzerlerine mavi ışık düştüğünde bitkiler ona doğru uzanıyordu. Daha sonra Darwin'ler ışığı odanın içinde hareket ettirirken, fidelerin buna karşılık gelen hareketlerini takip ettiler.

Darwin'ler, deneylerine dayanarak, fidelerin ışığa en çok sürgün ucunda duyarlı olduklarını ve orada hissettikleri şeyin, bitkinin büyüme yönünü etkileyen bazı maddelerin üretimine yol açtığını öne sürdü. 1920'lere gelindiğinde botanikçiler bu modeli detaylandıran rahat bir fikir birliğine varmışlardı: Bitkilerin uçlarında ışık sensörleri vardı ve gölgeli taraflarında daha fazla büyümeyi teşvik eden, sap ve yaprakların oluşmasına neden olan hormonlar (daha sonra oksin olarak tanımlandı) ürettiler. ışığa doğru eğilmek.

Pek çok büyük keşif gibi bu da yeni bir soruyu gündeme getirdi: Bitkiler ışığı tam olarak nasıl hissedebiliyordu? Herhangi bir belirgin duyu organından yoksundular. Araştırmacılar bitkilerin gelişmiş duyusal yeteneklere sahip olması gerektiğinden şüphelenmeye başladı.

Moleküler biyologlar bu sorumluluğu üstlendiler ve bitkilerin, algılama için özel bir organları olmasa da, bizim hayvan gözlerimiz ile yapabildiğimizden çok daha geniş bir ışık spektrumunu ölçebildiğini ve tepki verebildiğini gösterdiler. Beş farklı fotoreseptör ailesi, artı hormonlar ve sinyal yolları, bir bitkinin yeni doku oluşturma yönünü hücresel seviyeye kadar belirlemek için birlikte çalışır; gövdelerin nasıl büküldüğünü, döndüğünü ve gerektiğinde yukarı doğru fırladığını açıklar. Bu fotoreseptörler bitki gövdesi boyunca dağılmış durumda ancak büyük ölçüde gövdenin iç dokusunda yoğunlaşıyor. Christian Fankhauserİsviçre'deki Lozan Üniversitesi'nde bitki biyoloğu ve yeni çalışmanın yazarı.

Ancak bitkilere ışığın yönünü belirleme yeteneğini kazandırmak için basit sensörler tek başına yeterli değildir. Güçlü aydınlatmanın yönünü en iyi şekilde belirlemek için, bir bitkinin farklı fotoreseptörler arasındaki sinyalleri karşılaştırabilmesi gerekir; böylece büyümelerini en yoğun ışığa doğru yönlendirebilirler. Bunun için de gelen ışığın sensörlerine en parlaktan en loşluğa doğru bir eğimle düşmesi gerekiyor.

Hayvanlar bu sorunu gözlerin gelişmesiyle çözmüşlerdir. Planaryan solucan gibi basit bir organizma, yalnızca ışığın varlığını veya yokluğunu algılayan "göz lekeleri" ile idare eder. Bizimki gibi daha karmaşık hayvan gözlerinde mercek gibi anatomik özellikler ışığı retinaya doğru yönlendirin, fotosensörlerle doludur. Beyin daha sonra kavisli mercekten gelen ışık miktarını, ayrı hücrelere kaydedilen ışık miktarıyla karşılaştırır. Işığın fiziksel manipülasyonunu moleküler sensörlerle birleştiren bu sistem, ince taneli parlaklık ve gölge geçişlerinin algılanmasına ve bunun görüş dediğimiz resme dönüştürülmesine olanak sağlar.

Ancak bitkilerin beyni olmadığı için aynı sonuca ulaşabilmeleri için pasif bir sisteme ihtiyaçları vardır. Bu nedenle bitkilerin fiziksel gradyanlar oluşturma yeteneği önemlidir: Bitkilerin aktif karşılaştırmalar yapmasını gerektirmeden hücreler arasında doğal ayrımlar yaratırlar.

Böylece botanikçiler bir ikilemle karşı karşıya kaldılar. Bazılarının şüphelendiği gibi fototropizm tamamen moleküler bir süreç miydi, yoksa bitkiler bir gradyan oluşturmak ve tepkilerini daha iyi yönlendirmek için ışık ışınlarını değiştirebilir mi? Eğer ikincisi doğruysa, bitkilerin ışığı odaklamalarına olanak tanıyan fiziksel yapılara sahip olmaları gerekir.

Bu yapı en sonunda yol kenarındaki ışığı bulmakta zorlanan bir otun mutant versiyonunda tanımlanacaktı.

Kör Mutant

Thale teresi - bilimde şu şekilde bilinir: Arabidopsis thaliana - özellikle çekici bir bitki değil. 25 santimetre boyundaki yabani ot, bozuk arazileri, tarla kenarlarını ve yol banketlerini çok seviyor. Anavatanı Afrika ve Avrasya olan bu bitki, artık Antarktika hariç her kıtada bulunuyor. Bitki biyologları o zamandan beri onu bilimsel bir yaşam tarzına uyarladılar: Kısa yaşam döngüsü, küçük genomu (2000 yılında tamamen haritalandı) ve laboratuvarda faydalı mutasyonlar üretme eğilimi, onu bitki büyümesini ve genetiğini anlamak için mükemmel bir model organizma haline getirir.

Fankhauser'in çalıştığı Arabidopsis 1995'ten beri ışığın bitki büyümesini nasıl şekillendirdiğini incelemek için. 2016 yılında laboratuvarı, ışığa alışılmadık tepkiler veren mutant bitkileri bulmak için fidelerin genlerini taradı. Tohumları, fideleri yana doğru yönlendirmek için mavi ışıklı karanlık bir odada yetiştirdiler. Buradan itibaren deney aşağı yukarı Darwin'lerin 150 yıl önce yaptığı gibi yürütüldü: Araştırmacılar ışığın yönünü değiştirdikçe bitkiler de kendilerini ona göre yeniden yönlendirdiler.

Ancak mutant bir bitki mücadele etti. Yer çekimini algılamada herhangi bir sorun olmamasına rağmen, ışığı takip edemiyor gibi görünüyordu. Bunun yerine, sanki körmüş gibi ve karanlıkta etrafı yokluyormuş gibi her yöne eğildi.

Görünüşe göre mutantın ışığı algılama yeteneğinde bir şeyler ters gitmişti. Fankhauser'in laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan ve yeni makalenin ortak yazarı olan bitki biyoloğu Martina Legris'e göre ekip bitkiyi incelediğinde tipik fotoreseptörlere sahip olduğunu buldu. Ancak ekip mikroskop altında sapa baktığında tuhaf bir şey fark etti.

Vahşi ArabidopsisÇoğu bitki gibi hücreleri arasında hava kanalları vardır. Bu yapılar, kapalı hücresel bölmelerin etrafına örülmüş havalandırma bacaları gibidir ve hem fotosentezde hem de hücrelerin oksijenlenmesinde önemli rol oynadıkları bilinmektedir. Ancak mutant bitkinin hava kanalları suyla doldu. Ekip mutasyonun gene kadar izini sürdü abcg5Bitkinin hava boşluklarının su geçirmez olmasını sağlamak için hücre duvarının su geçirmez olmasına yardımcı olabilecek bir protein üretir.

İlgilenen araştırmacılar bir deney denedi. Bunun büyümelerini etkileyip etkilemediğini görmek için mutant olmayan bitkilerin hücreler arası hava boşluklarını suyla doldurdular. Mutantlar gibi bu bitkiler de ışığın nereden geldiğini belirlemekte zorlandılar. Legris, "Bu bitkilerin genetik olarak normal olduğunu görebiliyoruz" dedi. "Eksik oldukları tek şey bu hava kanalları."

Araştırmacılar, bitkinin kendisini ışığa, kırılma olgusuna (ışığın farklı ortamlardan geçerken yön değiştirme eğilimi) dayanan bir mekanizma yoluyla yönlendirdiği sonucuna vardı. Legris, kırılma nedeniyle ışığın normalden geçtiğini açıkladı. Arabidopsis gövde yüzeyinin altına dağılır: Çoğunlukla sudan oluşan bir bitki hücresinin içinden ve ardından bir hava kanalından geçtiğinde yön değiştirir. Işığın bir kısmı bu süreçte yeniden yönlendirildiğinden, hava kanalları farklı hücreler arasında dik bir ışık eğimi oluşturur ve bitki bunu ışığın yönünü değerlendirmek ve daha sonra ona doğru büyümek için kullanabilir.

Buna karşılık bu hava kanalları suyla doldurulduğunda ışığın saçılımı azalır. Bitki hücreleri, her ikisi de su içerdiğinden, ışığı su dolu bir kanala benzer şekilde kırar. Işık, saçılmak yerine neredeyse düz bir şekilde hücrelerden ve su dolu kanallardan doku içinde daha derine geçerek ışık gradyanını azaltır ve fideyi ışık yoğunluğundaki farklılıklardan mahrum bırakır.

Işığı görmek

Araştırma, bu hava kanallarının genç bitkilerin ışığı takip etmesinde kritik bir rol oynadığını öne sürüyor. Roger HangarterYeni araştırmada yer almayan Indiana Üniversitesi Bloomington'dan bitki biyoloğu, uzun süredir devam eden bir soruna akıllıca bir çözüm bulduğu için onu övdü. Fankhauser, Legris ve meslektaşları "bu hava sahalarının önemi konusunda tabuta çiviyi oldukça iyi çaktılar" dedi.

Hangarter, fikrin daha önce ortaya çıktığını belirtti. 1984 yılında York Üniversitesi'nden bir araştırma ekibi şunları önerdi: bitki hücreleri arasındaki hava kanalları gerekli ışık gradyanının oluşturulmasına yardımcı olabilir. Ancak ekibin pahalı deneyler gerçekleştirecek finansmanı olmadığından önerileri test edilmedi.

Hangarter, "Bu küçük, minik - neredeyse şeffaf - [embriyonik bitkilerin] bir eğimi nasıl algılayabildiği bizim için her zaman şaşırtıcıydı" dedi. “Hava sahası olayına hiçbir zaman pek güvenmedik çünkü ilgili molekülleri ararken dikkatimiz dağılmıştı. Belirli bir araştırma yoluna giriyorsunuz ve at gözlüğü takıyorsunuz.

Hava kanalı mekanizması, bitkilerin ışığın içlerinde nasıl hareket ettiğini kontrol etmek için geliştirdikleri diğer ustaca cihazlara katılıyor. Örneğin, Hangarter tarafından yapılan araştırma, fotosentezi gerçekleştiren hücresel organeller olan kloroplastların tespit edilmesine yardımcı oldu. yaprak hücrelerinin içinde aktif olarak dans eder ışığı etrafta dolaştırmak için. Kloroplastlar, zayıf ışığı emmek için hücrenin merkezinde açgözlülükle kümelenebilir veya daha güçlü ışığın bitki dokularına daha derin geçmesini sağlamak için kenarlara kaçabilir.

Hava kanallarıyla ilgili yeni bulgular şimdilik yalnızca fideleri kapsıyor. Legris, bu hava kanallarının aynı zamanda ışığın saçılması ve dağıtımında rol oynadıkları gösterilen yetişkin yapraklarda da görülmesine rağmen, fototropizmde bir rol oynayıp oynamadıklarını henüz hiç kimsenin test etmediğini söyledi.

Hava kanallarının bu rolü ne kadar süredir oynadığı belirsiz. 400 milyon yıl öncesine ait ilkel kara bitkisi fosilleri ne kökleri ne de yaprakları gösteriyor; ancak bitkilerin çekirdek dokuları gösteriyor oldukça geniş hücreler arası hava boşlukları. Fankhauser, belki de başlangıçta doku havalandırması veya gaz değişimi için ortaya çıktıklarını ve daha sonra fototropizmdeki rollerine adapte olduklarını söyledi. Veya belki de bitkiler, kısmen ışığı hissetmelerine yardımcı olmak için gövdelerindeki hava boşluklarını geliştirdiler ve daha sonra bunları başka işlevleri yerine getirmek üzere seçtiler.

Fankhauser, "Bu yapıların - nasıl inşa edildikleri, arkalarındaki mekanizmanın ne olduğu - daha fazla anlaşılması, bitki biyologları için bitkilerin ışık yönünü nasıl algıladıkları sorusunun ötesinde ilginçtir" dedi.

Aynı zamanda, insanların bitkilere ilişkin algılarında hala varlığını sürdüren Aristoteles'in hayaletinin defedilmesine de yardımcı olabileceğini söyledi. “Birçok insan bitkilerin çok pasif organizmalar olduğu hissine kapılıyor; hiçbir şeyi tahmin edemiyorlar; sadece başlarına geleni yapıyorlar.”

Ancak bu fikir, gözlerin nasıl görünmesi gerektiğine dair beklentilerimize dayanmaktadır. Görünüşe göre bitkiler, hücreleri arasındaki boşluklara örülmüş, tüm vücutlarıyla görmenin bir yolunu geliştirmişler. Işığı takip etmek için bir çift göz kadar beceriksiz bir şeye ihtiyaçları yoktur.