บนชั้นวางที่เรียงรายไปด้วยกระถางดินเผา สมุนไพรจะงอก้านไปทางหน้าต่างที่ใกล้ที่สุด ในทุ่งดอกไม้ป่าสีทอง ใบไม้หมุนไปตามเส้นทางของดวงอาทิตย์ ในป่าที่มีรอยด่าง เถาวัลย์พันต้นไม้ ขึ้นไปด้านบนและห่างไกลจากความมืด

ตั้งแต่สมัยโบราณ ความสามารถของพืชในการปรับทิศทางวัตถุที่ไร้ดวงตาไปยังแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างที่สุดและใกล้ที่สุด ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าโฟโตโทรปิซึม สร้างความหลงใหลให้กับนักวิชาการและทำให้เกิดการถกเถียงทางวิทยาศาสตร์และปรัชญานับไม่ถ้วน และตลอด 150 ปีที่ผ่านมา นักพฤกษศาสตร์ได้ประสบความสำเร็จในการค้นพบวิถีทางโมเลกุลที่สำคัญหลายประการ ซึ่งเป็นรากฐานของการที่พืชรับรู้แสงและกระทำต่อข้อมูลนั้น

แต่ความลึกลับที่สำคัญยังคงอยู่ สัตว์ต่างๆ ใช้ดวงตา ซึ่งเป็นอวัยวะที่ซับซ้อนของเลนส์และเซลล์รับแสง เพื่อให้ได้ภาพที่มีรายละเอียดของโลกรอบตัว รวมถึงทิศทางของแสงด้วย พืช นักชีววิทยาได้ก่อตั้ง มีชุดเครื่องมือโมเลกุลอันทรงพลังสำหรับการวัดความสว่าง แต่หากไม่มีอวัยวะรับสัมผัสทางกายภาพที่ชัดเจน เช่น เลนส์ พืชจะหาทิศทางที่แม่นยำของแสงที่เข้ามาได้อย่างไร

ขณะนี้ทีมนักวิจัยชาวยุโรปได้รับคำตอบแล้ว ในรายงานล่าสุด ตีพิมพ์ใน วิทยาศาสตร์พวกเขารายงานว่ามีวัชพืชริมถนน — Arabidopsisซึ่งเป็นที่โปรดปรานของนักพันธุศาสตร์พืช - ใช้ช่องว่างอากาศระหว่างเซลล์เพื่อกระจายแสง โดยปรับเปลี่ยนเส้นทางของแสงที่ผ่านเนื้อเยื่อของมัน ด้วยวิธีนี้ ช่องอากาศจะสร้างการไล่ระดับแสงที่ช่วยให้ต้นกล้าระบุได้อย่างแม่นยำว่าแสงมาจากไหน

ด้วยการใช้ประโยชน์จากช่องอากาศเพื่อกระจายแสง ต้นไม้จึงหลีกเลี่ยงความต้องการอวัยวะที่แยกจากกัน เช่น ดวงตา และใช้กลอุบายที่ประณีตกว่า นั่นคือความสามารถในการ "มองเห็น" ด้วยร่างกายทั้งหมด

การถกเถียงที่หยั่งรากลึก

เหตุใดพืชจึงปรับทิศทางเข้าหาแสงได้อย่างไร ประเด็นถกเถียงอันดุเดือด เป็นเวลากว่า 2,000 ปีแล้ว นักปรัชญาชาวกรีกยุคแรกแย้งว่าพืชก็เหมือนกับสัตว์ที่สามารถรับรู้ความรู้สึกและการเคลื่อนไหวได้ แม้กระทั่งความปรารถนาและสติปัญญาด้วย แต่นักคิดในเวลาต่อมาอย่างอริสโตเติลยืนยันว่าพืชมีความเฉื่อยชาโดยกำเนิด ไม่สามารถรับรู้ถึงสภาพแวดล้อมของพวกมันได้ และเคลื่อนไหวไปกับสิ่งแวดล้อมได้น้อยมาก “พืชไม่มีความรู้สึกหรือความปรารถนา” เขาเขียนไว้ บนพืช. “มุมมองเหล่านี้เราต้องปฏิเสธว่าไม่ยุติธรรม” เป็นเวลาหลายศตวรรษแล้วที่นักวิชาการมักจะเห็นด้วยกับเขา

จนกระทั่งถึงปี 1658 นักเล่นแร่แปรธาตุและนักปรัชญาธรรมชาติ โธมัส บราวน์ ได้ก่อตั้ง phototropism ขึ้นมาโดยบันทึกว่าต้นกล้ามัสตาร์ดที่ปลูกในกระถางในห้องใต้ดินมุ่งการเติบโตไปทางหน้าต่างที่เปิดอยู่อย่างต่อเนื่อง แต่เป็นเวลากว่าสองศตวรรษหลังจากนั้น นักชีววิทยายังคงโต้เถียงกันว่าพืชทำได้อย่างไร และพวกมันตอบสนองต่อแสงจากดวงอาทิตย์หรือความร้อนของมันหรือไม่

ในปี ค.ศ. 1880 ชาลส์ ดาร์วินและฟรานซิส ลูกชายของเขาได้ทำการทดลองเพื่ออธิบายกลไกการถ่ายภาพซึ่งในที่สุดก็ได้รับการพิสูจน์แล้ว ตามที่อธิบายไว้ใน พลังแห่งการเคลื่อนไหวในพืชทั้งคู่ได้เพาะกล้าไม้ ซึ่งเป็นพืชที่ยังไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้ โดยอาศัยพลังงานที่สะสมไว้จากเมล็ดพืชในห้องมืด เมื่อแสงสีฟ้าส่องมาที่พวกเขาจากทิศทางใดทิศทางหนึ่ง ต้นไม้ก็เอื้อมเข้ามาหามัน จากนั้น ขณะที่ดาร์วินเคลื่อนแสงไปรอบๆ ห้อง พวกเขาก็ติดตามการเคลื่อนไหวที่สอดคล้องกันของต้นกล้า

จากการทดลองของพวกเขา ดาร์วินแนะนำว่าต้นกล้ามีความไวต่อแสงมากที่สุดที่ปลายยอด และสิ่งที่พวกเขาสัมผัสได้ทำให้เกิดการผลิตสารบางอย่างที่มีอิทธิพลต่อทิศทางการเจริญเติบโตของพืช ในช่วงทศวรรษปี ค.ศ. 1920 นักพฤกษศาสตร์ได้ตกลงร่วมกันอย่างเป็นเอกฉันท์โดยให้รายละเอียดเกี่ยวกับแบบจำลองดังกล่าว: พืชมีเซ็นเซอร์วัดแสงอยู่ที่ปลาย และพวกมันผลิตฮอร์โมน (ต่อมาเรียกว่าออกซิน) ที่กระตุ้นให้พืชมีการเจริญเติบโตมากขึ้นในด้านที่มีร่มเงา ทำให้เกิดก้านและใบ เพื่อโค้งงอไปทางแสง

เช่นเดียวกับการค้นพบครั้งยิ่งใหญ่อื่นๆ การค้นพบนี้ได้เปิดคำถามใหม่ขึ้นมาว่า พืชสามารถรับรู้ถึงแสงได้อย่างไรตั้งแต่แรก พวกเขาขาดอวัยวะรับสัมผัสที่ชัดเจน นักวิจัยเริ่มสงสัยว่าพืชต้องมีความสามารถทางประสาทสัมผัสที่ซับซ้อน

นักชีววิทยาระดับโมเลกุลรับหน้าที่นี้ โดยแสดงให้เห็นว่าพืชสามารถวัดและตอบสนองต่อสเปกตรัมของแสงได้กว้างกว่าตาสัตว์ของเรา แม้ว่าพวกมันจะขาดอวัยวะพิเศษในการรับรู้ก็ตาม เซลล์รับแสงห้าตระกูลที่แตกต่างกัน รวมถึงฮอร์โมนและวิถีการส่งสัญญาณ ทำงานร่วมกันเพื่อกำหนดทิศทางที่พืชจะสร้างเนื้อเยื่อใหม่จนถึงระดับเซลล์ โดยอธิบายว่าลำต้นบิด หมุน และพุ่งขึ้นตามความจำเป็นอย่างไร สารรับแสงเหล่านี้แพร่กระจายไปทั่วร่างกายของพืช แต่ส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในเนื้อเยื่อชั้นในของลำต้น คริสเตียน ฟานเฮาเซอร์นักชีววิทยาด้านพืชจากมหาวิทยาลัยโลซานน์ในสวิตเซอร์แลนด์และเป็นผู้เขียนผลการศึกษาใหม่

อย่างไรก็ตาม เซ็นเซอร์ธรรมดาไม่เพียงพอที่จะทำให้พืชสามารถกำหนดทิศทางของแสงได้ เพื่อระบุทิศทางของการส่องสว่างที่รุนแรงได้ดีที่สุด พืชจะต้องสามารถเปรียบเทียบสัญญาณระหว่างเซลล์รับแสงต่างๆ เพื่อที่พวกมันจะสามารถกำหนดทิศทางการเติบโตไปสู่แสงที่เข้มข้นที่สุดได้ และเพื่อการนั้น พวกเขาต้องการแสงที่เข้ามาตกบนเซ็นเซอร์โดยไล่ระดับจากสว่างที่สุดไปหาสลัวที่สุด

สัตว์สามารถแก้ไขปัญหานี้ได้ด้วยการพัฒนาดวงตา สิ่งมีชีวิตธรรมดาๆ เช่น หนอนพลานาเรีย เข้ามาได้ด้วย "จุดตา" ซึ่งเพียงรับรู้ว่ามีแสงหรือไม่มีแสงเท่านั้น ในดวงตาของสัตว์ที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่นเดียวกับของเราเอง มีลักษณะทางกายวิภาคเช่นเลนส์ แสงตรงไปยังเรตินาซึ่งอัดแน่นไปด้วยเซ็นเซอร์รับแสง จากนั้นสมองจะเปรียบเทียบปริมาณแสงที่ส่องผ่านเลนส์โค้งกับปริมาณที่บันทึกบนเซลล์ที่แยกจากกัน ระบบนี้ซึ่งรวมการจัดการทางกายภาพของแสงเข้ากับเซ็นเซอร์ระดับโมเลกุล ช่วยให้สามารถตรวจจับการไล่ระดับความสว่างและเงาที่ละเอียด และความละเอียดของแสงลงในภาพที่เราเรียกว่าการมองเห็นได้

แต่เนื่องจากพืชไม่มีสมอง จึงจำเป็นต้องมีระบบที่ไม่โต้ตอบเพื่อให้ได้ข้อสรุปเดียวกัน นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมความสามารถของพืชในการสร้างการไล่ระดับสีทางกายภาพจึงมีความสำคัญ: พวกมันสร้างความแตกต่างโดยธรรมชาติระหว่างเซลล์โดยไม่ต้องให้พืชทำการเปรียบเทียบเชิงรุก

ดังนั้นนักพฤกษศาสตร์จึงต้องเผชิญกับปริศนา ดังที่บางคนสงสัย phototropism เป็นกระบวนการระดับโมเลกุลทั้งหมด หรือพืชสามารถเปลี่ยนลำแสงเพื่อสร้างการไล่ระดับสีและควบคุมการตอบสนองได้ดีขึ้น หากอย่างหลังเป็นจริง พืชจะต้องมีโครงสร้างทางกายภาพที่ช่วยให้สามารถโฟกัสแสงได้

ในที่สุดโครงสร้างนั้นก็จะถูกระบุเป็นวัชพืชริมถนนเวอร์ชันกลายพันธุ์ที่พยายามหาแสงสว่าง

คนตาบอดกลายพันธุ์

Thale cres – นักวิทยาศาสตร์รู้จักในชื่อ อะราบิดอปซิส ทาเลียนา — ไม่ใช่พืชที่น่าดึงดูดเป็นพิเศษ วัชพืชที่มีความสูง 25 เซนติเมตรชอบพื้นที่ที่ถูกรบกวน ขอบสนาม และไหล่ถนน มีถิ่นกำเนิดในแอฟริกาและยูเรเซีย ปัจจุบันพบได้ในทุกทวีป ยกเว้นแอนตาร์กติกา ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา นักชีววิทยาด้านพืชได้ดัดแปลงพืชชนิดนี้ให้เข้ากับวิถีชีวิตทางวิทยาศาสตร์: วงจรชีวิตสั้น มีจีโนมขนาดเล็ก (ทำแผนที่อย่างสมบูรณ์ในปี 2000) และแนวโน้มที่จะทำให้เกิดการกลายพันธุ์ที่เป็นประโยชน์ในห้องปฏิบัติการ ทั้งหมดนี้ทำให้เป็นสิ่งมีชีวิตต้นแบบที่ดีเยี่ยมสำหรับการทำความเข้าใจการเจริญเติบโตของพืชและพันธุศาสตร์

Fankhauser ได้ร่วมงานด้วย Arabidopsis ตั้งแต่ปี 1995 เพื่อศึกษาว่าแสงส่งผลต่อการเจริญเติบโตของพืชอย่างไร ในปี 2016 ห้องทดลองของเขาได้คัดกรองยีนของต้นกล้าเพื่อค้นหาพืชกลายพันธุ์ที่มีการตอบสนองต่อแสงอย่างผิดปกติ พวกเขาเพาะเมล็ดไว้ในห้องมืดที่มีไฟสีฟ้าเพื่อนำต้นกล้าไปด้านข้าง จากนั้น การทดลองดำเนินไปไม่มากก็น้อยเหมือนกับที่ดาร์วินทำเมื่อ 150 ปีที่แล้ว เมื่อนักวิจัยเปลี่ยนทิศทางของแสง ต้นไม้ก็ปรับทิศทางเข้าหาแสงใหม่

อย่างไรก็ตาม มีพืชกลายพันธุ์ตัวหนึ่งต้องดิ้นรน แม้ว่าจะไม่มีปัญหาในการตรวจจับแรงโน้มถ่วง แต่ดูเหมือนว่าจะไม่สามารถติดตามแสงได้ แต่กลับโค้งงอไปทุกทิศทุกทางราวกับตาบอดและรู้สึกไปในความมืด

เห็นได้ชัดว่ามีบางอย่างผิดปกติกับความสามารถในการรับรู้แสงของมนุษย์กลายพันธุ์ เมื่อทีมงานตรวจสอบพืช พวกเขาพบว่ามันมีเซลล์รับแสงทั่วไป ตามที่นักชีววิทยาพืช Martina Legris นัก postdoc ในห้องทดลองของ Fankhauser และผู้ร่วมเขียนรายงานฉบับใหม่กล่าว แต่เมื่อทีมงานตรวจดูก้านที่อยู่ใต้กล้องจุลทรรศน์ ก็สังเกตเห็นบางสิ่งที่แปลก

ความดุร้าย Arabidopsisเช่นเดียวกับพืชส่วนใหญ่ มีช่องอากาศระหว่างเซลล์ โครงสร้างเหล่านี้เปรียบเสมือนปล่องระบายอากาศที่พันรอบช่องเซลล์ที่ปิดสนิท และเป็นที่รู้กันว่ามีบทบาทสำคัญในทั้งในการสังเคราะห์ด้วยแสงและในเซลล์ที่ให้ออกซิเจน แต่ช่องอากาศของพืชกลายพันธุ์กลับเต็มไปด้วยน้ำ ทีมงานติดตามการกลายพันธุ์ของยีน เอบีซี5ซึ่งผลิตโปรตีนที่อาจช่วยกันน้ำผนังเซลล์เพื่อให้แน่ใจว่าเพลาอากาศของพืชกันน้ำได้

นักวิจัยได้ทดลองทดลองด้วยความสนใจ พวกเขาเติมน้ำลงในท่ออากาศระหว่างเซลล์ของพืชที่ไม่กลายพันธุ์เพื่อดูว่าสิ่งนี้ส่งผลต่อการเจริญเติบโตของพวกเขาหรือไม่ เช่นเดียวกับมนุษย์กลายพันธุ์ ต้นไม้เหล่านี้มีช่วงเวลาที่ยากลำบากในการพิจารณาว่าแสงมาจากไหน “เราเห็นได้ว่าพืชเหล่านี้มีพันธุกรรมปกติ” Legris กล่าว “สิ่งเดียวที่พวกเขาขาดหายไปคือช่องอากาศเหล่านี้”

นักวิจัยสรุปได้ว่าพืชปรับทิศทางแสงผ่านกลไกที่อิงจากปรากฏการณ์การหักเหของแสง ซึ่งเป็นแนวโน้มที่แสงจะเปลี่ยนทิศทางเมื่อมันผ่านตัวกลางต่างๆ เนื่องจากการหักเหของแสง Legris อธิบายว่าแสงส่องผ่านเส้นปกติ Arabidopsis จะกระจายอยู่ใต้ผิวลำต้น ทุกครั้งที่เคลื่อนผ่านเซลล์พืชซึ่งส่วนใหญ่เป็นน้ำ แล้วผ่านช่องอากาศจะเปลี่ยนทิศทาง เนื่องจากแสงบางส่วนถูกเปลี่ยนเส้นทางในกระบวนการ ช่องอากาศจึงสร้างการไล่ระดับแสงที่สูงชันข้ามเซลล์ต่างๆ ซึ่งพืชสามารถใช้เพื่อประเมินทิศทางของแสงแล้วขยายไปทางนั้น

ในทางตรงกันข้าม เมื่อช่องอากาศเหล่านี้เต็มไปด้วยน้ำ การกระเจิงของแสงก็จะลดลง เซลล์พืชหักเหแสงในลักษณะเดียวกันกับช่องทางที่มีน้ำท่วม เนื่องจากทั้งสองเซลล์มีน้ำอยู่ แทนที่จะกระจาย แสงจะส่องผ่านเซลล์เกือบเป็นเส้นตรงและช่องทางที่ท่วมขังลงลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อ ทำให้การไล่ระดับสีของแสงลดลง และทำให้ต้นกล้าขาดความแตกต่างของความเข้มของแสง

มองเห็นแสงสว่าง

การวิจัยชี้ให้เห็นว่าช่องอากาศเหล่านี้มีบทบาทสำคัญในการช่วยให้ต้นอ่อนติดตามแสงได้ โรเจอร์ แฮงการ์เตอร์นักชีววิทยาด้านพืชจากมหาวิทยาลัยอินเดียนา บลูมิงตัน ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการศึกษาใหม่นี้ ยกย่องการค้นพบนี้ในการหาวิธีแก้ไขปัญหาที่ชาญฉลาดสำหรับปัญหาที่มีมายาวนาน Fankhauser, Legris และเพื่อนร่วมงานของพวกเขา “ได้ตอกย้ำถึงความสำคัญของช่องอากาศเหล่านี้เป็นอย่างดี” เขากล่าว

แนวคิดนี้เคยเกิดขึ้นมาก่อนแล้ว Hangarter กล่าว ในปี 1984 ทีมนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยยอร์กเสนอแนะเรื่องนี้ ช่องอากาศระหว่างเซลล์พืช อาจช่วยสร้างการไล่ระดับแสงที่จำเป็นได้ แต่เนื่องจากทีมไม่มีเงินทุนสำหรับทำการทดลองที่มีราคาแพง ข้อเสนอแนะของพวกเขาจึงไม่ได้รับการทดสอบ

“มันทำให้เรางุนงงอยู่เสมอว่าพืชตัวอ่อนขนาดเล็กจิ๋วเกือบโปร่งใสเหล่านี้สามารถตรวจจับการไล่ระดับสีได้อย่างไร” Hangarter กล่าว “เราไม่เคยให้ความสำคัญกับเรื่องอากาศและอวกาศมากนัก เพราะเราเสียสมาธิในการมองหาโมเลกุลที่เกี่ยวข้อง คุณได้รับเส้นทางการวิจัยที่แน่นอนและคุณก็มองไม่เห็น”

กลไกช่องอากาศเชื่อมต่อกับอุปกรณ์อันชาญฉลาดอื่นๆ ที่พืชได้พัฒนาขึ้นเพื่อควบคุมวิธีที่แสงเคลื่อนที่ผ่านพวกมัน ตัวอย่างเช่น การวิจัยของ Hangarter ช่วยสร้างคลอโรพลาสซึ่งเป็นออร์แกเนลล์ของเซลล์ที่ทำหน้าที่สังเคราะห์ด้วยแสง เต้นอย่างแข็งขันภายในเซลล์ใบ เพื่อเคลื่อนแสงไปรอบๆ คลอโรพลาสต์สามารถจับกลุ่มกันอย่างตะกละตะกลามตรงกลางเซลล์เพื่อดูดซับแสงที่อ่อนแอหรือหนีไปที่ขอบเพื่อให้แสงที่สว่างกว่าผ่านลึกเข้าไปในเนื้อเยื่อพืช

ในตอนนี้ การค้นพบใหม่เกี่ยวกับช่องอากาศขยายไปถึงต้นกล้าเท่านั้น แม้ว่าช่องอากาศเหล่านี้จะปรากฏบนใบไม้ที่โตเต็มที่ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าพวกมันมีบทบาทในการกระเจิงและการกระจายแสง แต่ยังไม่มีใครทดสอบว่าพวกมันมีบทบาทในการถ่ายภาพด้วยแสงหรือไม่ Legris กล่าว

บทบาทนี้ออกอากาศมานานแค่ไหนแล้วยังไม่ชัดเจน ฟอสซิลพืชบกดึกดำบรรพ์เมื่อ 400 ล้านปีก่อนไม่แสดงทั้งรากและใบ แต่เนื้อเยื่อแกนกลางของพืชแสดงให้เห็น ช่องอากาศระหว่างเซลล์ค่อนข้างใหญ่. บางทีพวกมันอาจเกิดขึ้นในตอนแรกเนื่องจากการเติมอากาศหรือการแลกเปลี่ยนก๊าซ Fankhauser กล่าว จากนั้นจึงถูกปรับให้เข้ากับบทบาทของพวกเขาในการถ่ายภาพด้วยแสง หรือบางทีพืชอาจพัฒนาช่องอากาศในลำต้นเป็นส่วนหนึ่งเพื่อช่วยให้พวกมันสัมผัสได้ถึงแสง จากนั้นจึงเลือกใช้พวกมันเพื่อทำหน้าที่อื่น

Fankhauser กล่าวว่า "การทำความเข้าใจโครงสร้างเหล่านี้เพิ่มเติมว่าพวกมันถูกสร้างขึ้นมาอย่างไร มีกลไกอะไรอยู่เบื้องหลัง เป็นเรื่องที่น่าสนใจสำหรับนักชีววิทยาด้านพืช นอกเหนือจากคำถามที่ว่าพืชรับรู้ทิศทางของแสงได้อย่างไร"

นอกจากนี้ยังสามารถช่วยขับไล่ผีของอริสโตเติล ซึ่งยังคงสะท้อนอยู่ในการรับรู้ของผู้คนเกี่ยวกับพืช เขากล่าว “หลายๆ คนมีความรู้สึกว่าพืชเป็นสิ่งมีชีวิตที่ไม่โต้ตอบมาก พวกเขาไม่สามารถคาดเดาอะไรได้เลย พวกเขาแค่ทำสิ่งที่เกิดขึ้นกับพวกเขา”

แต่แนวคิดนั้นขึ้นอยู่กับความคาดหวังของเราว่าดวงตาควรมีลักษณะอย่างไร ปรากฎว่าพืชได้พัฒนาวิธีการมองเห็นด้วยร่างกายทั้งหมด โดยถักทอเป็นช่องว่างระหว่างเซลล์ของพวกมัน พวกเขาไม่ต้องการอะไรที่งุ่มง่ามเหมือนดวงตาคู่หนึ่งเพื่อติดตามแสง