هوش در گياهان
يکى از تفاوتهاى آشکار بين ما جانوران و خويشاوندان سبز رنگ دورمان، يعنى گياهان، ميزان جنبش و جابهجايى ماست. ما پذيرفتهايم که هوش را از روى کارها بسنجيم، زيرا کارهايى که انجام ميدهيم نشان ميدهند که در مغز ما چه ميگذرد. بنابراين، چون گياهان خاموش و بى جنبش به چشم ميآيند و در يک جا ريشه دواندهاند، زياد تيز هوش و زرنگ به نظر نميرسند. اما گياهان نيز جنبش دارند و به برانگيزانندههاى پيرامون خود پاسخ مى دهند.
گياهان با حساسيت چشمگيرى دست کم 15 متغير محيطى گوناگون را پيوسته بررسى ميکنند. آنها ميتوانند اين پيام هاى ورودى را پردازش کنند و با کمک دستهاى از مولکولها و راههاى پيام رسانى، خود را براى پاسخ درست آماده سازند. بنابراين، توان محاسبه گرى گياهان بيمغز شايد به اندازهى بسيارى از جانوران با مغزى باشد که ميشناسسيم.
ساقهى در حال رشد ميتواند با کمک پرتوهاي قرمز دور(مادن قرمز)، نزديکترين همسايههاى رقيب خود را حس کند و پيامد کارهاي آنها را پيشبينى کند و اگر لازم باشد، به شيوهاى از رخدادن آن پيامدها پيشگيرى کند. براى مثال، هنگامى که همسايههاى رقيب به نخل استيلت (Stilt) نزديک مى شوند همهى گياه به سادگى جابهجا ميشود. ريزوم برخى گياهان علفى با رشد کردن به سوى بخش بدون رقيب و يا سرشار از مواد غذايى، جاى زندگى خود را بر ميگزيند. سس که نوعى گياه انگل است، طى يک يا دو ساعت پس از نخستين برخوردش با گياه ميزبان، توانايى بهرهبردارى از آن را ميسنجد. خلاصه، گياهان ميتوانند ببينند، بچشند، لمس کنند، بشنوند و ببويند.
در اين مقاله که در دو بخش تنظيم شده است، با گوشههايى از رفتارهاى هوشمند گياهان و سازوکار چگونگى رخ دادن آنها آشنا ميشويم.
دورى از سايه
ساقهى در حال رشد ميتواند با کمک نور قرمز دور، نزديکترين همسايههاى رقيب خود را حس کند و پيامد کارهاي آنها را پيشبينى کند و اگر نياز باشد، به شيوهاى از رخدادن آن پيامدها پيشگيرى کند. اين فرايندها را مولکولهايى به نام فيتوکروم ميانجيگرى ميکنند. فيتوکرومها، گيرندهها و حسگرهاى نور در گياهان هستند.
هر فيتوکروم از يک بخش دريافتکنندهى نور و يک بخش دگرگونکنندى پيام تشکيل شده است. بخش دريافتکنندهى نور ساختمان تتراپيرولى دارد و از راه اسيد آمينهى سيستئين به بخش دگرگونکننده که گونهاى پروتئين است، پيوند ميشود. فيتوکروم در پاسخ به طول موجهاى گوناگون نور، به شکل کارا و ناکارا درميآيد. شکل ناکارا (Pr) پس از جذب فوتونهاى قرمز به شکل کارا (Pfr) در ميآيد. Pfr که فوتونهاى قرمز دور (مادون قرمز) را بهتر دريافت ميکند، در پاسخ به اين طول موجها به Pr دگرگونه ميشود.
ساز و کار فيتوکروم
در نور خورشيد، نسبت نور قرمز به قرمز دور نزديک 2/1 است. اما در يک جامعهى گياهى اين اندازه کاهش مييابد، زيرا رنگيزههاى فتوسنتزى، از جمله کلروفيل، نور قرمز را جذب ميکنند. تغيير در نسبت نور قرمز به مادون قرمز شاخص قابل اطمينانى براى ارزيابى نزديکى گياهان رقيب است. در جامعههاى فشرده پرتوهاى قرمز دورى که از برگهاى گياهان بازتاب مييابند يا پراکنده ميشوند، پيام روشن و منحصر به فردى است که از نزديکى رقيبان آگاهى ميدهد. پس از درک نسبت پا يينى از نور قرمز به قرمز دور، گياهى که از سايه دورى ميگزنيد (گياه آ فتاب پسند) بر رشد طولى خود ميافزايد و اگر ترفنندهايش کارگر افتند، جنبههاى ديگر پاسخ دورى از سايه باعث شتاب گرفتن گلدهى و توليد پيش از زمان دانه ميشوند تا بخت ماندگارى افزايش يابد.
دانشمندان در آزمايشى گروهى از گياهان را زير فيلترى پرورش دادند که نسبت نور قرمز به قرمز دور را کاهش ميداد و بنابراين، پاسخ دورى از سايه را بر مى انگيخت. اين گياهان نسبت به گياهانى که زير نور کامل خورشيد ميروييدند، رشد طولى بيشترى پيدا کردند. البته، اندازهى رشد طولى به اندازهى آفتابپسندى گياه ارتباط دارد. گياهان صحرايى نسبت به گياهانى که به طور معمول در سايهى درختان چنگل ميرونيد، رشد طولى بيشترى پيدا کردند.
فيتوکرومها اغلب فعاليت پروتئينکنيازى را از خو د نشان ميدهند. اين مولکولها با پيوند زدن گروههاى فسفات به پروتئين ها، فعاليت آنها را تغيير ميدهند. بر اين اساس، آنها با تغيير فعاليت پروتئينهايى که در تنظيم ژنها دخالت دارند، بر فعاليت آنها تاثير ميگذارند. ژنهاى زيادى در گياهان شناخته شدهاند که از راه فيتوکروم در پاسخ به نور تنظيم ميشوند. البته، فيتوکرومها بخشى از پاسخهاى زيستى را از راه تغييرهايى در تعادل يونها در سلول پديد ميآورند. به هر حال،
تکامل فيتوکرومها
توان درک نسبت نور قرمز به قرمز دور، در نهاندانگان رشد چشمگيرى پيدا کرده است. سرخسها و خزندهها به طور معمول با واکنشهاى بردبارى به سايه، به انبوهى جامعه گياهى پاسخ ميدهند. بازدانگان تا اندازهاى واکنشهاى دورى از سايه را نشان ميدهند. شايد تکامل توان شناسايى پيامهاى نورى که از گياهان پيرامون بازتاب مييابد، براى پيشرفت نهاندانگان تا وضعيت کنونى که در فرمانروى گياهان حرف اول را ميزنند، سرنو شتساز بوده است. اگر فيتوکروم ها نبودند هنوز هم گياهان دوران کربونيفر ما را در بر گرفته بودند.
فيتوکرومها در آغاز در نياکان پروکاريوتى گياهان امروزى به وجود آمدند. به نظر ميرسد در آنها به صورت حسگرهاى نور کار ميکردند. شايد توانايى بينظير فيتوکروم ها در دگرگونه شدن به شکلهاى کارا و ناکارا در پاسخ به کيفيت نور، در پروکاريوتهاى آغازين اهميت کارکردى زيادى نداشته است، اما اين ويژگى طى تکامل گياهان خشکى، گزينش و اصلاح شده و به صورت حسگر پيچيدهاى در آمده است که اهميت آن با اهميت بينايى در جانوران برابرى مى کند. به عبارت ديگر، شايد بتوان فيتوکرومها را چشمهاى گياهان به شمار آورد.
فرار از سايه
گياهان براى دورى از چتر سايهانداز همسايگان خود، ميتوانند به کارهاى چشمگيرترى دست بزنند. براى مثال، نخل استيلت (Socratea exorthiza) ساقهاى دارد که مانند شخصى که عصا زير بغل دارد، بر ريشههاى عصا مانند گياه تکيه دارد و اغلب نيز به طور مستقيم با زمين تماس ندارد. نام معمولى اين گياه نيز به همين ويژگى اشاره دارد. (واژه استيلت به معناى پايه و تکيه گاه است.) از اين رو، اين گياه استوايى را ميتوان نخل پايهدار ناميد.
هنگامى که همسايگان نخل پايهدار بر ميزان نور دريافتى گياه تاثير ميگذارند يا به منبع غذايى آن دست درازى ميکنند، نخل فرار را برقرار تريجح ميدهد و همهى گياه به جايى جابهجا مى شود که بسيار آفتابى است. براى اين جابه جايى ريشه هاى تکيه گاهى جديد به سوى جاى آفتابى رشد ميکنند و ريشههاى طرف سايهانداز شده,،آرامآرام ميميرند. در اين رفتار گياه، به خوبى هدفدار کار کردن را ميبينيم.
در جست و جوى غذا
گياهان در جست و جوى مواد غذايى مى توانند خاک پيرامون خود را ارزيابى کنند و به جاهايى سر بکشند که بهترين چيزها در آن جا يافت ميشوند. دانشمندان به تازگى براى گياهان آزمونهاى هوشى را سامان دادهاند که به کمک آنها ميتوان دريافت گياهان در کندوکاو پرامونشان تا چه اندازهاى خردمندانه کار ميکنند. آنان با کاشتن گياهان در خاک ناهمگون، يعنى خاکى که قطعههاى آن از نظر کيفيت مواد غذايى با هم تفاوت دارند، هوش گياهان را ميسنجد.
پيچک باغى (Glechoma hederace) توجه گياهشناسان را به خود جلب کرده است. اين گياه همان طور که روى زمين مى خزد، در دو بعد رشد مى کند. هر جا که مناسب باشد، از ساقه زير زمينى آن ريشههايى به سوى زمين و ساقههايى به سوى بالا پديد ميآيند. وقتى گياه در خاک مرغوبى قرار گيرد، انشعاب و شاخ و برگ بيشترى توليد مى کند. همچنين، تودههايى از ريشه پديد ميآورد تا با سرعت بيشترى از خاک قطعهاى که در آن ميرويد، بهره بردارى کند. اما هنگامى که اين گياه خزنده در قطعهى فقيرترى قرار ميگيرد، با سرعت بيشترى گسترش خود را به بيرون از آن قطعه، پيش ميبرد تا به هر گونهاى از آن جا فرار کند. در اين حالت، ساقهى زير زمينى گياه نازکتر است و انعشاب کمترى دارد.
اين تغيير در الگوى رشد باعث مى شود، ساقههاى هوايى جديد دورتر از گياه والد شکل گيرند و در محيط تازهاى به جست و جوى مواد غذايى بپردازند. البته، ميزان رشد فقط با کيفيت مطلق يک قطعه ارتباط ندارد، بلکه ميزان مرغوبيت آن در مقايسه با قطعههاى پيراون نيز براى گياه مهم است. در واقع، گياه قطعهاى را به عنوان قطعهى مرغوب شناسايى ميکند که دست کم دو برابر سرشار تر از قطعههاى پيرامون باشد. اما پيش از اين پاسخهاى هوشمندانه، گياه بايد بتواند کيفيت قطعهاى را که در آن ميرويد بسنجد.
دو پژوهشگر انگليسى ژنى را در گياه رشادى (Arabidopsis) کشف کردهاند که به ريشهها اين توانايى را ميدهند که براى پيدا کردن قطعههاى سرشار از نيترات و نمکهاى آمونيوم، خاک را بچشد. فراوردهى اين ژن به ريشهها امکان ميدهد به جاى جست و جوى تصادفى و پر هزينه، به سوى مواد غذايى رشد کنند. اين دو پژوهشگر براى شناسايى ژنهايى که ممکن است در اين کار دخالت داشته باشند، جهش يافتههاى گوناگونى از رشادى را پرورش دادند تا سرانجام جهش يافتهاى را پيدا کردند که نميتوانست با توسعهى ريشههاى جانبى از ريشههاى اصلى، به جست و جوى نيترات بپردازد. به اين ترتيب آنان ژنى را کشف کردند که براى شناسايى نيترات ضرورى است.
چشايى در گياهان
ريشههاى گياهان ميتوانند رفتارهاى هوشمندانهترى نيز از خود بروز دهند. در دانشگاه تگزاس، استنلى روکس و کولين توماس آنزيمى به نام آپيراز را بر سطح ريشهها کشف کردند که به آنها توانايى ميدهد در جست و جوى ATP توليد شده از سوى ميکروبهاى خاک، قطعههاى گوناگون خاک را مزه مزه کنند. آپيراز به صورت پروتئينى متصل به غشا توليد ميشود که بخش داراى فعاليت کاتاليزورى آن به سوى بيرون سلول است. اين آنزيم با فعاليت آبکافتى خود فسفات گاما و بتا را از مولکلول ATP يا ADP جدا مى کند. گياهان به کمک اين آنزيم بخشى از فسفات معدنى لازم براى رشد خود را به دست ميآورند. اين دو پژوهشگر در آزمايشى نشان دادند، گياهان تراژنى که مقدار زيادى آپيراز توليد ميکردند، نسبت به گياهان ديگر، رشد بيش ترى داشتند.
مکندههاى گياه سس (Cuscuta) نيز براى غارت بهترين گياه ميزبان از حس چشايي بهره ميگيرند. اين گياه که توان فتوسنتز کردن ندارد، به گرد ساقههاى ميزبان مى پيچد و براى به دست آوردن مواد غذايى و آب، ساختارهاى مکنده خود را درون آنها فرو ميکند. هوش اين انگل گياهى در ارزيابى مقدار انرژى که ميتوان از ميزبان به دست آورد و مقدار انرژى که براى بهره بردارى از آن بايد صرف شود، به کمک گياه ميآيد.
از لحظه برخورد انگل با گياه ميزبان تا آغاز گرد آورى مواد غذايى از آن، نزديک 4 روز است. اين زمان براى ارزيابى ميزان پربارى ميزبان و تصميم گيرى براى توليد پيچ هاى کم تر يا بيش تر به دور آن، کافى است. پيچهاى بيشتر به توليد مکندههاى بيشتر و در نتيجه بهره بردارى بيش تر از ميزبان ميانجامند. اما اگر ميزبان پربار نباشد توليد پيچهاى بيشتر نوعى هدر دادن انرژى به شمار مى آيد.
در دهه 1990 کولين کلى نشان داد راهبردهايى که گياه سس براى جست و جوى بهترين ميزبان به کار ميگيرد، با مدلهاى رياضى که براى توضيح جنبههاى اقتصادى جست و جوى غذا در جانوران ابداع شده بودند، هماهنگى دارند. بنابراين، سس ممکن است زرنگترين شکارچى پيرامون ما نباشد، اما در جست و جوى شکار به خوبى جانورانى که مى شناسيم، کار مى کند.
لامسه در گياهان
گياهان گوشتخوار از جمله گياه ديونه (Dionea muscipula) با سرعت شگفتآورى به برخورد حشرهها با کرکهاى حساس روى برگهايشان پاسخ ميدهند. با واکنش گل قهر (Mimosa pudica) به کوچکترين برخورد آشنا هستيد. اما اين گياهان، تنها گياهانى نيستند که ميتوانند برخورد را درک کنند. آنها نسبت به ديگر گياهان، فقط لامسه نيرومندترى دارند.
گياهان معمولى براى پاسخ دادن به کشيدهاى باد به لامسه نياز دارند. باد ميتواند بر ميزان شاخ و برگ در گياهان اثر منفى داشته باشد. از اين رو، گياهان ميکوشند با تقويت بافتهاى بخشهايى که به نوسان در ميآيند، در برابر باد پايدارى کنند. البته، هزينه کردن انرژى براى بافتها ممکن است کشاورزان را نگران کند. در يک آزمايش مشاهده شد وقتى گياه ذرت هر روز به مدت 30 ثانيه تکان داده شود، ميزان محصول تا 30 الى 40 درصد کاهش مييابد.
پژوهشگران ميخواهند بدانند چگونه پيام لمس، بافتهاى محکمترى توليد ميکند. بيشتر پژوهشهاى کنونى روى کلسيم متمرکز شده است. هنگامى که گياهان به سويى کشيده ميشوند، يونهاى کلسسيم از واکوئلها به درون سيتوزول جريان پيدا ميکنند. بيرون رفتن اين يونها ، که تنها يک دهم ثانيه به درازا مى کشد، به فعال شدن ژنهايى ميانجامد که با تقويت ديوارهى سلول ارتباط دارند. تاکنون پنج ژن از اين ژنهاى لامسه (TCH) شناسايى شدهاند. يکى از اين ژن ها، رمز ساختن پروتئين کالمودولين را در خود دارد که حسگر اصلى کلسيم در گياهان و جانوران است. در سال 1995 جانت برام چهارمين ژن لامسه (TCH4) را کشف کرد که آنزيمى به نام زيلوگلوکان اندوترانس گيکوزيلاز را رمز ميدهد. اين آنزيم روى ديوارهى سلولى گياهان اثر ميگذارد و با تغييرهايى که در اجزاى اصلى سازندهى آنها پديد ميآورد، بر قدرت و استحکام آنها ميافزايد.
با سلام خدمت دوستان و بازديد كنندگان گرامي