Thực vật tìm thấy ánh sáng nhờ những khoảng trống giữa các tế bào của chúng | Tạp chí Quanta

Trên kệ lót những chậu đất nung, các loại thảo mộc uốn thân về phía cửa sổ gần nhất. Trên cánh đồng hoa dại vàng rực, những chiếc lá xoay theo đường đi của mặt trời. Trong một khu rừng lốm đốm, những dây leo quấn quanh cây, vươn cao mãi và tránh xa bóng tối.

Từ thời cổ đại, khả năng định hướng cơ thể không có mắt của thực vật về phía nguồn ánh sáng gần nhất, sáng nhất - ngày nay được gọi là thuyết hướng quang - đã mê hoặc các học giả và tạo ra vô số cuộc tranh luận về khoa học và triết học. Và trong hơn 150 năm qua, các nhà thực vật học đã làm sáng tỏ thành công nhiều con đường phân tử quan trọng củng cố cách thức thực vật cảm nhận ánh sáng và hành động theo thông tin đó.

Tuy nhiên, một bí ẩn quan trọng đã tồn tại. Động vật sử dụng mắt - một cơ quan phức tạp gồm thấu kính và cơ quan cảm quang - để thu được hình ảnh chi tiết về thế giới xung quanh, bao gồm cả hướng ánh sáng. Các nhà sinh học đã xác định rằng thực vật sở hữu một bộ công cụ phân tử mạnh mẽ để đo độ chiếu sáng. Nhưng trong trường hợp không có các cơ quan cảm nhận vật lý rõ ràng như thấu kính, làm thế nào thực vật xác định được hướng chính xác mà ánh sáng tới?

Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu châu Âu đã tìm ra câu trả lời. Trong một bài báo gần đây xuất bản năm Khoa học, họ báo cáo rằng một loại cỏ dại ven đường -- Cây xạ hương, một loại cây ưa thích của các nhà di truyền học thực vật - sử dụng khoảng trống giữa các tế bào của nó để phân tán ánh sáng, điều chỉnh đường đi của ánh sáng xuyên qua các mô của nó. Bằng cách này, các kênh không khí tạo ra một dải ánh sáng giúp cây con xác định chính xác nơi ánh sáng đến.

Bằng cách tận dụng các kênh không khí để phân tán ánh sáng, thực vật bỏ qua nhu cầu về các cơ quan riêng biệt như mắt để có được một thủ thuật gọn gàng hơn: khả năng “nhìn” bằng toàn bộ cơ thể của chúng.

Một cuộc tranh luận sâu sắc

Tại sao và làm thế nào thực vật tự định hướng về phía ánh sáng chủ đề của cuộc tranh luận gay gắt trong hơn 2,000 năm. Các nhà triết học Hy Lạp thời kỳ đầu lập luận rằng thực vật, giống như động vật, có khả năng cảm giác và chuyển động, thậm chí cả ham muốn và trí thông minh. Nhưng những nhà tư tưởng sau này như Aristotle khẳng định rằng thực vật bẩm sinh đã thụ động, không có khả năng cảm nhận môi trường và càng không thể di chuyển theo nó. “Thực vật không có cảm giác cũng như ham muốn,” ông viết trong Trên thực vật. “Chúng ta phải bác bỏ những quan điểm này vì cho rằng chúng không có cơ sở.” Trong nhiều thế kỷ, các học giả có xu hướng đồng ý với ông.

Mãi đến năm 1658, nhà giả kim và triết học tự nhiên Thomas Browne mới xác lập thuyết hướng quang bằng cách chứng minh rằng cây mù tạt mọc trong chậu dưới tầng hầm liên tục hướng sự phát triển của chúng về phía cửa sổ đang mở. Nhưng trong hơn hai thế kỷ sau đó, các nhà sinh vật học tiếp tục tranh cãi về cách thực vật làm điều đó và liệu chúng phản ứng với ánh sáng mặt trời hay sức nóng của nó.

Năm 1880, Charles Darwin và con trai ông là Francis đã tiến hành các thí nghiệm mô tả cơ chế quang hướng và cơ chế này cuối cùng đã được chứng minh. Như được mô tả trong Sức mạnh của chuyển động trong thực vật, cặp đôi đã trồng cây con - những cây chưa thể thực hiện quá trình quang hợp, thay vào đó dựa vào năng lượng dự trữ từ hạt giống của chúng - trong một căn phòng tối. Khi ánh sáng xanh chiếu vào chúng từ một hướng cụ thể, thực vật sẽ tiến về phía đó. Sau đó, khi gia đình Darwin di chuyển ánh sáng quanh phòng, họ theo dõi chuyển động tương ứng của cây con.

Dựa trên các thí nghiệm của họ, vợ chồng Darwin cho rằng cây con nhạy cảm nhất với ánh sáng ở đầu chồi và những gì họ cảm nhận được ở đó đã dẫn đến việc sản xuất một số chất ảnh hưởng đến hướng phát triển của cây. Đến những năm 1920, các nhà thực vật học đã đạt được một sự đồng thuận thoải mái dựa trên mô hình đó: rằng thực vật có cảm biến ánh sáng ở đầu và chúng sản sinh ra các hormone (sau này được xác định là auxin) khuyến khích tăng trưởng nhiều hơn ở các mặt có bóng râm, khiến thân và lá của chúng uốn cong về phía ánh sáng.

Giống như nhiều khám phá vĩ đại khác, phát hiện này đã mở ra một câu hỏi mới: Chính xác thì làm thế nào thực vật có thể cảm nhận được ánh sáng ngay từ đầu? Họ thiếu bất kỳ cơ quan cảm giác rõ ràng nào. Các nhà nghiên cứu bắt đầu nghi ngờ rằng thực vật phải có khả năng cảm nhận phức tạp.

Các nhà sinh học phân tử đã đảm nhận trách nhiệm này, chứng minh rằng thực vật có thể đo lường và phản ứng với phổ ánh sáng rộng hơn nhiều so với mắt động vật của chúng ta, mặc dù chúng thiếu cơ quan chuyên biệt để nhận thức. Năm họ tế bào cảm quang khác nhau, cùng với các hormone và đường truyền tín hiệu, phối hợp với nhau để xác định ở cấp độ tế bào hướng mà cây tạo ra mô mới - giải thích cách thân cây xoắn, quay và hướng lên trên khi cần thiết. Những cơ quan cảm quang này phân bố khắp cơ thể thực vật nhưng phần lớn tập trung ở mô bên trong của thân cây. Christian Fankhauser, nhà sinh vật học thực vật tại Đại học Lausanne ở Thụy Sĩ và là tác giả của nghiên cứu mới.

Tuy nhiên, chỉ riêng các cảm biến đơn giản là không đủ để cung cấp cho thực vật khả năng xác định hướng ánh sáng. Để xác định chính xác nhất hướng chiếu sáng mạnh, cây cần có khả năng so sánh tín hiệu giữa các cơ quan cảm quang khác nhau để chúng có thể định hướng sự phát triển của mình về phía ánh sáng mạnh nhất. Và để làm được điều đó, họ cần ánh sáng tới chiếu vào cảm biến theo độ dốc từ sáng nhất đến mờ nhất.

Động vật đã giải quyết được vấn đề này thông qua sự phát triển của mắt. Một sinh vật đơn giản, chẳng hạn như giun hành tinh, tồn tại nhờ các “đốm mắt” chỉ cảm nhận được sự hiện diện hay vắng mặt của ánh sáng. Trong mắt động vật phức tạp hơn như mắt của chúng ta, các đặc điểm giải phẫu như thấu kính ánh sáng chiếu thẳng vào võng mạc, được đóng gói với cảm biến quang. Sau đó, não sẽ so sánh lượng ánh sáng đi qua thấu kính cong với lượng ánh sáng ghi trên các tế bào riêng biệt. Hệ thống này, kết hợp thao tác vật lý của ánh sáng với các cảm biến phân tử, cho phép phát hiện các dải sáng và bóng mịn, cũng như độ phân giải của nó thành hình ảnh mà chúng ta gọi là thị giác.

Nhưng vì thực vật không có não nên chúng cần một hệ thống thụ động để đưa ra những kết luận tương tự. Đó là lý do tại sao khả năng hình thành các gradient vật lý của thực vật lại quan trọng: Chúng tạo ra sự khác biệt vốn có giữa các tế bào mà không yêu cầu thực vật phải chủ động so sánh.

Vì vậy, các nhà thực vật học phải đối mặt với một câu hỏi hóc búa. Liệu tính hướng quang hoàn toàn là một quá trình phân tử như một số người nghi ngờ, hay thực vật có thể thay đổi chùm ánh sáng để tạo ra độ dốc và điều khiển phản ứng của chúng tốt hơn không? Nếu điều sau là đúng thì thực vật phải có cấu trúc vật lý cho phép chúng tập trung ánh sáng.

Cấu trúc đó cuối cùng sẽ được xác định trong một phiên bản đột biến của loài cỏ dại ven đường đang cố gắng tìm kiếm ánh sáng.

Người đột biến mù

Cải xoong - được khoa học gọi là Arabidopsis thaliana - không phải là một loại cây đặc biệt hấp dẫn. Loại cỏ cao 25 ​​cm ưa đất bị xáo trộn, mép ruộng và lề đường. Có nguồn gốc từ Châu Phi và Âu Á, hiện nay nó được tìm thấy ở mọi châu lục ngoại trừ Nam Cực. Kể từ đó, các nhà sinh học thực vật đã điều chỉnh nó cho phù hợp với lối sống khoa học: Vòng đời ngắn, bộ gen nhỏ (được lập bản đồ đầy đủ vào năm 2000) và xu hướng tạo ra các đột biến hữu ích trong phòng thí nghiệm, tất cả đều khiến nó trở thành sinh vật mẫu tuyệt vời để tìm hiểu sự phát triển và di truyền của thực vật.

Fankhauser đã làm việc với Cây xạ hương từ năm 1995 để nghiên cứu ánh sáng ảnh hưởng như thế nào đến sự phát triển của thực vật. Năm 2016, phòng thí nghiệm của ông đã sàng lọc gen của cây con để tìm ra những cây đột biến có phản ứng bất thường với ánh sáng. Họ ươm hạt trong phòng tối có đèn xanh để hướng cây con sang một bên. Từ đó, thí nghiệm diễn ra ít nhiều giống như nhà Darwin đã làm cách đây 150 năm: Khi các nhà nghiên cứu thay đổi hướng của ánh sáng, thực vật sẽ tự định hướng lại theo hướng đó.

Tuy nhiên, một cây đột biến đã gặp khó khăn. Mặc dù nó không gặp vấn đề gì trong việc cảm nhận trọng lực nhưng dường như nó không thể theo dõi ánh sáng. Thay vào đó, nó uốn cong theo mọi hướng, như thể bị mù và cảm nhận được xung quanh trong bóng tối.

Rõ ràng có điều gì đó không ổn với khả năng cảm nhận ánh sáng của người đột biến. Theo nhà sinh vật học thực vật Martina Legris, một postdoc trong phòng thí nghiệm của Fankhauser và đồng tác giả của bài báo mới, khi nhóm nghiên cứu kiểm tra cây, họ phát hiện ra nó có các cơ quan cảm quang điển hình. Nhưng khi nhóm nghiên cứu nhìn vào thân cây dưới kính hiển vi, họ nhận thấy có điều gì đó kỳ lạ.

Hoang dã Cây xạ hương, giống như hầu hết các loài thực vật, có các kênh không khí giữa các tế bào của nó. Những cấu trúc này giống như các trục thông gió được dệt xung quanh các ngăn tế bào kín và chúng được biết là đóng vai trò quan trọng cả trong quá trình quang hợp và cung cấp oxy cho tế bào. Nhưng các đường dẫn khí của cây đột biến đã bị ngập trong nước. Nhóm nghiên cứu đã theo dõi đột biến gen abcg5, tạo ra một loại protein có thể giúp chống thấm cho thành tế bào để đảm bảo các trục không khí của cây được kín nước.

Tò mò, các nhà nghiên cứu đã thử một thí nghiệm. Họ đổ đầy nước vào các trục không khí giữa các tế bào của thực vật không đột biến để xem liệu điều này có ảnh hưởng đến sự phát triển của chúng hay không. Giống như các loài đột biến, những loài thực vật này gặp khó khăn trong việc xác định ánh sáng đến từ đâu. Legris nói: “Chúng ta có thể thấy rằng những cây này có gen bình thường. “Thứ duy nhất họ còn thiếu là những kênh dẫn khí này.”

Các nhà nghiên cứu suy luận rằng thực vật tự định hướng ánh sáng thông qua cơ chế dựa trên hiện tượng khúc xạ – xu hướng ánh sáng thay đổi hướng khi nó đi qua các môi trường khác nhau. Vì sự khúc xạ, Legris giải thích, ánh sáng truyền qua một bình thường Cây xạ hương sẽ phân tán dưới bề mặt của thân cây: Mỗi khi nó di chuyển qua tế bào thực vật, phần lớn là nước, rồi qua kênh không khí, nó sẽ đổi hướng. Vì một số ánh sáng được chuyển hướng trong quá trình này nên các kênh không khí thiết lập một dải ánh sáng dốc trên các tế bào khác nhau mà cây có thể sử dụng để đánh giá hướng của ánh sáng và sau đó phát triển về phía đó.

Ngược lại, khi các kênh không khí này chứa đầy nước thì sự tán xạ ánh sáng sẽ giảm đi. Tế bào thực vật khúc xạ ánh sáng theo cách tương tự như một kênh ngập nước, vì cả hai đều chứa nước. Thay vì tán xạ, ánh sáng gần như truyền thẳng qua các tế bào và các kênh tràn vào sâu hơn bên trong mô, làm giảm độ dốc ánh sáng và làm mất đi sự khác biệt về cường độ ánh sáng của cây con.

Nhìn thấy ánh sáng

Nghiên cứu cho thấy các kênh không khí này đóng một vai trò quan trọng trong việc giúp cây non theo dõi ánh sáng. Roger Hangarter, một nhà sinh vật học thực vật tại Đại học Indiana Bloomington, người không tham gia vào nghiên cứu mới, đã ca ngợi nó vì đã tìm ra giải pháp thông minh cho một vấn đề tồn tại lâu dài. Ông Fankhauser, Legris và các đồng nghiệp của họ “đã xác định khá rõ tầm quan trọng của những không gian này”.

Hangarter lưu ý rằng ý tưởng này đã được đưa ra trước đó. Năm 1984, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học York đề xuất rằng kênh dẫn khí giữa các tế bào thực vật có thể giúp thiết lập gradient ánh sáng cần thiết. Nhưng vì nhóm nghiên cứu không có kinh phí để thực hiện những thí nghiệm tốn kém nên đề xuất của họ không được kiểm chứng.

Hangarter nói: “Chúng tôi luôn bối rối làm thế nào những [thực vật phôi] nhỏ bé - gần như trong suốt này lại có thể phát hiện được độ dốc. “Chúng tôi chưa bao giờ thực sự tin tưởng nhiều vào vấn đề không gian vì chúng tôi đã mất tập trung khi tìm kiếm các phân tử có liên quan. Bạn đi trên một con đường nghiên cứu nhất định và bạn sẽ bị mù quáng.”

Cơ chế kênh không khí kết hợp với các thiết bị khéo léo khác mà thực vật đã phát triển để kiểm soát cách ánh sáng di chuyển qua chúng. Ví dụ, nghiên cứu của Hangarter đã giúp xác định rằng lục lạp - các bào quan tế bào thực hiện quá trình quang hợp - tích cực nhảy múa bên trong tế bào lá để di chuyển ánh sáng xung quanh. Lục lạp có thể tập trung đông đảo ở trung tâm tế bào để hấp thụ ánh sáng yếu hoặc trốn ra rìa để ánh sáng mạnh hơn đi sâu hơn vào mô thực vật.

Hiện tại, những phát hiện mới về các kênh dẫn khí chỉ áp dụng cho cây con. Mặc dù các kênh không khí này cũng xuất hiện ở lá trưởng thành, nơi chúng được chứng minh là có vai trò trong việc phân tán và phân phối ánh sáng, nhưng vẫn chưa có ai kiểm tra xem liệu chúng có đóng vai trò trong hiện tượng hướng quang hay không, Legris cho biết.

Không rõ các kênh không khí đã đóng vai trò này trong bao lâu. Hóa thạch thực vật nguyên thủy từ 400 triệu năm trước không cho thấy rễ hay lá - nhưng các mô lõi của thực vật cho thấy khoảng không khí giữa các tế bào khá lớn. Có lẽ ban đầu chúng sinh ra để thông khí hoặc trao đổi khí ở mô, Fankhauser nói, và sau đó thích nghi với vai trò của chúng trong quá trình quang hướng. Hoặc có lẽ thực vật đã tiến hóa các khoảng không khí trong thân cây một phần để giúp chúng cảm nhận được ánh sáng, sau đó kết hợp chúng để thực hiện các chức năng khác.

Fankhauser cho biết: “Hiểu sâu hơn về các cấu trúc này - cách chúng được tạo ra, cơ chế đằng sau chúng là gì - là điều thú vị đối với các nhà sinh học thực vật ngoài câu hỏi làm thế nào thực vật cảm nhận được hướng ánh sáng”.

Ông nói, nó cũng có thể giúp xua đuổi bóng ma của Aristotle, thứ vẫn còn tồn tại trong nhận thức của con người về thực vật. “Nhiều người có cảm giác rằng thực vật là sinh vật rất thụ động - chúng không thể đoán trước được điều gì; họ chỉ làm những gì xảy ra với họ.”

Nhưng ý tưởng đó dựa trên sự mong đợi của chúng ta về đôi mắt sẽ trông như thế nào. Hóa ra, thực vật đã phát triển cách nhìn bằng toàn bộ cơ thể của chúng, một cơ thể đan xen vào những khoảng trống giữa các tế bào của chúng. Họ không cần thứ gì vụng về như một đôi mắt để dõi theo ánh sáng.