در قفسه ای که با گلدان های سفالی پوشیده شده است، گیاهان ساقه های خود را به سمت نزدیک ترین پنجره خم می کنند. در مزرعه ای از گل های وحشی طلایی، برگ ها با مسیر خورشید می چرخند. انگورها در جنگلی پر از تاریکی درختان را به هم می‌پیچانند و همیشه به سمت بالا و دور از تاریکی می‌رسند.

از زمان های قدیم، توانایی گیاهان برای جهت دهی بدن بدون چشم خود به سمت نزدیک ترین و درخشان ترین منبع نور - که امروزه به عنوان نور تروپیسم شناخته می شود - دانشمندان را مجذوب خود کرده و بحث های علمی و فلسفی بی شماری را ایجاد کرده است. و در طول 150 سال گذشته، گیاه شناسان با موفقیت بسیاری از مسیرهای مولکولی کلیدی را کشف کرده اند که چگونگی درک نور و عملکرد گیاهان بر اساس آن اطلاعات را نشان می دهد.

با این حال، یک راز حیاتی باقی مانده است. حیوانات از چشم ها - اندام پیچیده ای از عدسی ها و گیرنده های نور - برای به دست آوردن تصویری دقیق از جهان اطراف خود از جمله جهت نور استفاده می کنند. زیست شناسان تاسیس کرده اند که گیاهان دارای مجموعه قدرتمندی از ابزارهای مولکولی برای اندازه گیری روشنایی هستند. اما در غیاب اندام‌های حسگر فیزیکی آشکار مانند عدسی‌ها، گیاهان چگونه مسیر دقیقی را که نور از آن می‌آید، تعیین می‌کنند؟

اکنون، تیمی از محققان اروپایی به پاسخی رسیده اند. در یک مقاله اخیر منتشر شده در علم، آنها گزارش می دهند که یک علف هرز کنار جاده - Arabidopsis داردمورد علاقه ژنتیک دانان گیاهی - از فضاهای هوایی بین سلول های خود برای پراکندگی نور استفاده می کند و مسیر عبور نور از بافت های آن را تغییر می دهد. به این ترتیب، کانال های هوا یک گرادیان نوری ایجاد می کنند که به نهال ها کمک می کند تا دقیقاً تعیین کنند که نور از کجا می آید.

گیاهان با بهره‌گیری از کانال‌های هوا برای پراکندگی نور، نیاز به اندام‌های مجزا مانند چشم‌ها را به نفع یک ترفند دقیق‌تر کنار می‌زنند: توانایی در واقع «دیدن» با تمام بدن‌شان.

یک بحث ریشه دار

چرایی و چگونگی جهت گیری گیاهان به سمت نور بوده است موضوع بحث شدید برای بیش از 2,000 سال فیلسوفان اولیه یونان استدلال می کردند که گیاهان نیز مانند حیوانات قادر به احساس و حرکت و حتی میل و هوش هستند. اما متفکران بعدی مانند ارسطو اظهار داشتند که گیاهان ذاتاً منفعل هستند و قادر به درک محیط خود نیستند، چه رسد به اینکه با آن حرکت کنند. او در نوشت: "گیاهان نه حس دارند و نه میل." روی گیاهان. ما باید این دیدگاه‌ها را نادرست رد کنیم.» برای قرن ها، دانشمندان تمایل داشتند با او موافق باشند.

تا اینکه در سال 1658 کیمیاگر و فیلسوف طبیعی توماس براون با مستند کردن اینکه نهال های خردل در گلدان های زیرزمین رشد می کنند دائماً رشد خود را به سمت یک پنجره باز هدایت می کنند، فوتوتروپیسم را به عنوان یک واقعیت ثابت کرد. اما برای بیش از دو قرن پس از آن، زیست شناسان به بحث در مورد اینکه گیاهان چگونه این کار را انجام می دهند و اینکه آیا آنها به نور خورشید یا گرمای آن واکنش نشان می دهند، ادامه دادند.

در سال 1880، چارلز داروین و پسرش فرانسیس آزمایش‌هایی را برای توصیف مکانیسم فوتوتروپیک هدایت کردند که در نهایت ثابت شد. همانطور که در قدرت حرکت در گیاهان، این جفت نهال ها را رشد داد - گیاهانی که هنوز نمی توانستند فتوسنتز را انجام دهند و در عوض به انرژی ذخیره شده از دانه خود متکی بودند - در یک اتاق تاریک. هنگامی که نور آبی از جهت خاصی به آنها می تابد، گیاهان به سمت آن می رسیدند. سپس، همانطور که داروین ها نور را در اطراف اتاق حرکت می دادند، حرکات مربوط به نهال ها را دنبال کردند.

داروین‌ها بر اساس آزمایش‌های خود پیشنهاد کردند که نهال‌ها در نوک شاخه به نور حساس‌تر هستند و آنچه در آنجا احساس می‌کنند منجر به تولید ماده‌ای می‌شود که جهت رشد گیاه را تحت تأثیر قرار می‌دهد. در دهه 1920، گیاه شناسان بر سر یک اجماع راحت به توافق رسیدند که این مدل را توضیح می داد: اینکه گیاهان دارای حسگرهای نور در نوک خود هستند و هورمون هایی (که بعداً به عنوان اکسین شناخته شد) تولید می کنند که باعث رشد بیشتر در طرف های سایه دار آنها می شود و باعث ایجاد ساقه ها و برگ های آنها می شود. خم شدن به سمت نور

مانند بسیاری از اکتشافات بزرگ، این اکتشاف نیز سؤال جدیدی را مطرح کرد: گیاهان دقیقاً چگونه می‌توانستند نور را درک کنند؟ آنها فاقد هر گونه اندام حسی آشکار بودند. محققان شروع به شک کردند که گیاهان باید قابلیت های حسی پیچیده ای داشته باشند.

زیست شناسان مولکولی این مسئولیت را بر عهده گرفتند و نشان دادند که گیاهان می توانند طیف بسیار گسترده تری از نور را نسبت به ما با چشم حیوانات خود اندازه گیری کرده و به آن واکنش نشان دهند، حتی اگر آنها فاقد اندام تخصصی برای درک باشند. پنج خانواده مختلف از گیرنده‌های نور، به‌علاوه هورمون‌ها و مسیرهای سیگنال، با هم کار می‌کنند تا جهتی را که گیاه در آن بافت جدید می‌سازد، به سطح سلولی دیکته کند – توضیح می‌دهد که چگونه ساقه‌ها در صورت لزوم می‌پیچند، می‌چرخند و به سمت بالا شلیک می‌کنند. این گیرنده های نوری در سراسر بدن گیاهان پخش شده اند اما تا حد زیادی در بافت داخلی ساقه متمرکز شده اند. کریستین فانکهاوزر، زیست شناس گیاهی در دانشگاه لوزان سوئیس و نویسنده این مطالعه جدید.

با این حال، حسگرهای ساده به تنهایی برای دادن توانایی تعیین جهت نور به گیاهان کافی نیستند. برای مشخص کردن بهترین جهت روشنایی قوی، گیاه باید بتواند سیگنال‌ها را بین گیرنده‌های نوری مختلف مقایسه کند تا بتوانند رشد خود را به سمت شدیدترین نور هدایت کنند. و برای این کار، آنها به نور ورودی نیاز دارند تا بر روی حسگرهایشان در شیب از روشن‌ترین تا کم‌رنگ‌تر بیفتد.

حیوانات این مشکل را از طریق رشد چشم حل کرده اند. یک ارگانیسم ساده، مانند یک کرم پلاریار، با «نقاط چشمی» که صرفاً وجود یا عدم وجود نور را حس می‌کنند، کنار می‌آید. در چشم‌های پیچیده‌تر حیوانات مانند خود ما، ویژگی‌های آناتومیک مانند لنز مستقیم نور به سمت شبکیه چشم، که با حسگرهای نوری بسته بندی شده است. سپس مغز مقدار نور وارد شده از لنز منحنی را با مقدار ثبت شده در سلول های جداگانه مقایسه می کند. این سیستم که دستکاری فیزیکی نور را با حسگرهای مولکولی ترکیب می‌کند، امکان تشخیص گرادیان‌های ریز روشنایی و سایه و وضوح آن را در تصویری که ما آن را بینایی می‌نامیم، می‌دهد.

اما از آنجایی که گیاهان مغز ندارند، برای رسیدن به نتایج مشابه به یک سیستم غیرفعال نیاز دارند. به همین دلیل است که توانایی گیاهان برای تشکیل شیب های فیزیکی مهم است: آنها تمایزات ذاتی بین سلول ها ایجاد می کنند بدون اینکه گیاه نیاز به مقایسه فعال داشته باشد.

بنابراین، گیاه شناسان با معمایی مواجه شدند. آیا همان طور که برخی گمان می‌کردند نوروتروپیسم کاملاً یک فرآیند مولکولی بود یا گیاهان می‌توانند پرتوهای نور را تغییر دهند تا شیب ایجاد کنند و پاسخ خود را بهتر هدایت کنند؟ اگر مورد دوم درست بود، گیاهان باید ساختارهای فیزیکی داشته باشند که به آنها اجازه می دهد نور را متمرکز کنند.

این ساختار در نهایت در یک نسخه جهش یافته از یک علف هرز کنار جاده ای که در تلاش برای یافتن نور بود، شناسایی می شود.

جهش یافته کور

شاهی تال - معروف به علم Arabidopsis thaliana - گیاه جذابی نیست. علف هرز 25 سانتی متری به زمین های آشفته، لبه های مزرعه و شانه های جاده ها علاقه دارد. بومی آفریقا و اوراسیا است و اکنون در همه قاره ها به جز قطب جنوب یافت می شود. زیست شناسان گیاهی از آن زمان آن را با یک سبک زندگی علمی تطبیق داده اند: چرخه زندگی کوتاه، ژنوم کوچک (به طور کامل در سال 2000 نقشه برداری شده است) و تمایل به تولید جهش های مفید در آزمایشگاه همگی آن را به یک ارگانیسم مدل عالی برای درک رشد و ژنتیک گیاه تبدیل می کند.

فانکهاوزر با او کار کرده است Arabidopsis دارد از سال 1995 برای مطالعه چگونگی شکل دادن نور به رشد گیاهان. در سال 2016، آزمایشگاه او ژن‌های نهال‌ها را برای یافتن گیاهان جهش‌یافته با واکنش‌های غیرعادی به نور بررسی کرد. آنها بذرها را در یک اتاق تاریک با نورهای آبی رشد دادند تا نهال ها را به طرفین هدایت کنند. از آنجا، آزمایش کم و بیش مانند داروین ها در 150 سال پیش انجام شد: همانطور که محققان جهت نور را تغییر دادند، گیاهان به سمت نور تغییر جهت دادند.

با این حال، یک گیاه جهش یافته مبارزه کرد. در حالی که هیچ مشکلی در تشخیص گرانش نداشت، به نظر می رسید قادر به ردیابی نور نیست. در عوض در همه جهات خم شد، انگار کور است و در تاریکی احساس می کند.

ظاهراً مشکلی در توانایی جهش یافته در حس نور رخ داده است. به گفته زیست شناس گیاهی، مارتینا لگریس، فوق دکترای آزمایشگاه فانکهاوزر و یکی از نویسندگان مقاله جدید، هنگامی که تیم گیاه را بررسی کردند، متوجه شدند که گیرنده های نوری معمولی دارد. اما وقتی تیم به ساقه زیر میکروسکوپ نگاه کرد، متوجه چیز عجیبی شد.

وحشی Arabidopsis داردمانند اکثر گیاهان، کانال های هوا بین سلول های خود دارد. این ساختارها مانند محورهای تهویه بافته شده در اطراف محفظه های سلولی مهر و موم شده هستند و نقش مهمی در فتوسنتز و اکسیژن رسانی سلول ها ایفا می کنند. اما کانال های هوای گیاه جهش یافته پر از آب بود. این تیم جهش به ژن را ردیابی کردند abcg5، که پروتئینی تولید می کند که ممکن است به ضد آب بودن دیواره سلولی کمک کند تا از ضد آب بودن محورهای هوای گیاه اطمینان حاصل کند.

محققان با کنجکاوی، آزمایشی را امتحان کردند. آنها شفت های هوای بین سلولی گیاهان غیرجهش یافته را با آب پر کردند تا ببینند آیا این روی رشد آنها تأثیر می گذارد یا خیر. مانند جهش‌یافته‌ها، این گیاهان هم در تعیین اینکه نور از کجا می‌آید مشکل داشتند. لگریس گفت: "ما می توانیم ببینیم که این گیاهان از نظر ژنتیکی طبیعی هستند." "تنها چیزی که آنها از دست می دهند همین کانال های هوایی است."

محققان نتیجه گرفتند که گیاه از طریق مکانیزمی مبتنی بر پدیده انکسار - تمایل نور به تغییر جهت هنگام عبور از محیط های مختلف - به سمت نور هدایت می شود. لگریس توضیح داد که به دلیل شکست، نور از یک حالت عادی عبور می کند Arabidopsis دارد در زیر سطح ساقه پراکنده خواهد شد: هر بار که از طریق یک سلول گیاهی که عمدتاً آب است حرکت می کند و سپس از طریق کانال هوا تغییر جهت می دهد. از آنجایی که مقداری از نور در این فرآیند هدایت می‌شود، کانال‌های هوا یک گرادیان نوری تند در سلول‌های مختلف ایجاد می‌کنند که گیاه می‌تواند از آن برای ارزیابی جهت نور و سپس رشد به سمت آن استفاده کند.

در مقابل، هنگامی که این کانال های هوا با آب پر می شوند، پراکندگی نور کاهش می یابد. سلول های گیاهی نور را به روشی مشابه کانال غرقابی می شکنند، زیرا هر دو حاوی آب هستند. به جای پراکندگی، نور تقریباً مستقیماً از سلول ها و کانال های غرقابی به عمق بافت عبور می کند و گرادیان نور را کاهش می دهد و نهال را از تفاوت در شدت نور محروم می کند.

دیدن نور

این تحقیقات نشان می دهد که این کانال های هوا نقش مهمی در کمک به گیاهان جوان برای ردیابی نور دارند. راجر هنگرتریک زیست شناس گیاهی در دانشگاه بلومینگتون ایندیانا، که در مطالعه جدید شرکت نداشت، از آن به دلیل یافتن راه حلی هوشمندانه برای یک مشکل دیرینه استقبال کرد. او گفت که فانکهاوزر، لگریس و همکارانشان «به خوبی اهمیت این فضاهای هوایی را در تابوت قرار دادند».

Hangarter اشاره کرد که این ایده قبلا مطرح شده است. در سال 1984، تیمی از محققان دانشگاه یورک پیشنهاد کردند کانال های هوا بین سلول های گیاهی ممکن است به ایجاد گرادیان نور لازم کمک کند. اما از آنجایی که تیم بودجه لازم برای انجام آزمایش های گران قیمت را نداشت، پیشنهاد آنها مورد آزمایش قرار نگرفت.

هانگارتر گفت: «همیشه برای ما گیج کننده بود که چگونه این گیاهان کوچک و کوچک - تقریباً شفاف - [گیاهان جنینی] می توانند شیب را تشخیص دهند. ما هرگز واقعاً اعتبار زیادی به موضوع فضای هوا قائل نشدیم، زیرا حواسمان به دنبال مولکول‌هایی بود که درگیر بودند. شما در یک مسیر تحقیقاتی خاص قرار می گیرید و در این مسیر کور می شوید.»

مکانیسم کانال هوا به سایر دستگاه‌های مبتکرانه‌ای می‌پیوندد که گیاهان برای کنترل نحوه حرکت نور در آنها تکامل یافته‌اند. به عنوان مثال، تحقیقات Hangarter کمک کرد تا مشخص شود که کلروپلاست ها - اندامک های سلولی که فتوسنتز را انجام می دهند - به طور فعال در داخل سلول های برگ می رقصند برای حرکت نور به اطراف کلروپلاست ها می توانند حریصانه در مرکز سلول جمع شوند تا نور ضعیف را جذب کنند یا به حاشیه فرار کنند تا نور قوی تر به عمق بافت های گیاهی نفوذ کند.

در حال حاضر، یافته های جدید در مورد کانال های هوا فقط به نهال ها گسترش می یابد. لگریس گفت، در حالی که این کانال‌های هوا در برگ‌های بالغ نیز ظاهر می‌شوند، جایی که نشان داده شده است که نقشی در پراکندگی و توزیع نور بازی می‌کنند، اما هنوز هیچ‌کس آزمایش نکرده است که آیا آنها نقشی در فوتوتروپیسم دارند یا خیر.

مدت زمانی است که کانال های هوایی این نقش را ایفا می کنند نامشخص است. فسیل های اولیه گیاهان زمینی مربوط به 400 میلیون سال پیش نه ریشه و نه برگ را نشان می دهند - اما بافت هسته گیاهان نشان می دهد. فضاهای هوایی بین سلولی بسیار بزرگ. به گفته فانکهاوزر، شاید آنها ابتدا برای هوادهی بافت یا تبادل گاز پدید آمدند و سپس با نقش خود در فوتوتروپیسم سازگار شدند. یا شاید گیاهان تا حدودی فضاهای هوایی را در ساقه‌ها تکامل دادند تا به آنها کمک کند نور را حس کنند و سپس آنها را برای انجام سایر عملکردها انتخاب کردند.

فانکهاوزر گفت: "درک بیشتر این ساختارها - نحوه ساخت آنها، مکانیسم پشت آنها - برای زیست شناسان گیاهی فراتر از این سوال که گیاهان چگونه جهت نور را حس می کنند جالب است."

او گفت، همچنین می‌تواند به جن‌گیری روح ارسطو کمک کند، روحی که هنوز در درک مردم از گیاهان باقی مانده است. بسیاری از مردم این احساس را دارند که گیاهان موجودات بسیار منفعل هستند - آنها نمی توانند چیزی را پیش بینی کنند. آنها فقط کاری را انجام می دهند که برای آنها اتفاق می افتد."

اما این ایده بر اساس انتظارات ما از این است که چشم ها چگونه باید باشند. به نظر می رسد که گیاهان راهی برای دیدن با تمام بدنشان تکامل داده اند که در شکاف های بین سلول هایشان بافته شده است. آنها به هیچ چیز دست و پا چلفتی مانند یک جفت چشم برای دنبال کردن نور نیاز ندارند.