الطريقة الغريبة و"الصاخبة" التي تستخدم بها الأوراق في النمو

كما وجدت الدراسة التي أجراها باحثون من الجامعة العبرية ونشرت في مجلة فيزياء الاتصالات، أن النمو الطبيعي للورقة يعتمد على تغييرات حادة في مجال النمو، سواء في الزمان أو المكان - وهي تغييرات تساعد الأنسجة على ما يبدو. يشعر بنفسه"

يعد نمو الأنسجة أحد أسرار العلم التي لم يتم حلها. كيف يمكن لمجموعة من الخلايا المتصلة ببعضها البعض أن تنمو بطريقة منسقة، بحيث يتطور العضو ذو الشكل المناسب؟ ومن ينسق بينهم وماذا يتم التنسيق من خلالهم؟ كيف يعرفون أين وكم وفي أي اتجاه ينموون؟ في الواقع، إن عملية النمو معقدة وتتضمن مجالات مختلفة من المعرفة. وهي مدفوعة بشبكة معقدة من العوامل البيولوجية والكيميائية، ولكنها تخضع أيضًا لقوانين الفيزياء والميكانيكا، وكل ذلك من أجل إنتاج هندسة، والتي تكون في بعض الأحيان غير مسطحة - تسمى الهندسة غير الإقليدية. ويترتب على ذلك أنه لغرض فهم آليات التحكم في النمو، من الضروري الاختيار الجيد للنظام، بحيث تكون بيولوجيته وميكانيكيته وهندسته قابلة للقياس والتفسير.

يمكن أن تكون ورقة النبات بمثابة نظام جيد لدراسة هذه الأسئلة. يمكن للورقة مضاعفة مساحتها مائة مرة والحفاظ على الشكل الصحيح، ومعظمها مسطح. الأوراق تشبه السطح، ويكون نموها بشكل رئيسي في بعدين، وبالتالي فإن شكل سطحها الذي يمكن قياسه يحتوي على معظم المعلومات المتعلقة بعملية النمو. علاوة على ذلك، من المعروف أن الأمراض والتلاعب الجيني والمبيدات الحشرية يمكن أن تتداخل مع النمو الطبيعي ومن ثم تتشوه الورقة إلى أشكال ثلاثية الأبعاد، كما هو متوقع من طبقة رقيقة من المادة - أي أن هندسة الورقة حساسة للغاية لعدم الدقة في النمو. وأخيرًا، تنمو الأوراق بسهولة في الهواء الطلق، وبالتالي تشكل نظامًا نموذجيًا موثوقًا ويمكن الوصول إليه.

وكانت الفرضية الشائعة هي أن الورقة سرعان ما تنمو مثل البالون المسطح - حيث تزداد مساحتها تدريجياً ومعتدلة بطريقة مماثلة في مناطق مختلفة، وبالتالي تحافظ على شكلها، أثناء نموها. في مثل هذا السيناريو، يعد التحكم في النمو وتنسيقه عمليتين دقيقتين وبطيئتين يتعين عليهما "تصحيح" التشوهات (أو الأخطاء) التي تتراكم على خلايا ذات مساحة كبيرة. وهذه أيضًا هي الصورة التي تم الحصول عليها عندما يتم قياس نمو الأوراق بدقة منخفضة في الزمان والمكان، أي قياسات الخلايا السطحية الكبيرة على فترات زمنية طويلة.

التغييرات التي تجعل الأنسجة "تشعر بنفسها"

دراسة جديدة أجريت بقيادة الدكتور شاف عمرون، في مختبر البروفيسور عيران شارون في معهد راكاح للفيزياء في الجامعة العبرية، بالتعاون مع الدكتور ميخائيل موشيه، من معهد راكاح أيضًا، تظهر أن بالضبط والعكس هو الصحيح - فالنمو الطبيعي للورقة يعتمد على تغيرات حادة في مجال النمو، سواء في الزمان أو المكان، وهي تغيرات تساعد الأنسجة على "الشعور بنفسها". نُشرت الدراسة الشهر الماضي في المجلة العلمية Communications Physics. قام الدكتور عمرون ببناء نظام يقيس نمو الورقة بشكل ثلاثي الأبعاد بدقة عالية، ويحلل قياساتها بمساعدة التقنيات المقبولة في مجالات الفيزياء غير الخطية والفيزياء الإحصائية والهندسة التفاضلية. فاجأت القياسات الأولى الباحثين - حيث بدا أنه أثناء النمو، تنتفخ الخلايا السطحية الصغيرة للورقة (المكونة من 10-50 خلية) وتنكمش بمعدلات هائلة وبالتناوب. لماذا تتقلص الورقة التي تنمو؟

وخصص الدكتور عمرون نصف عام للبحث عن مصدر "الخطأ" و"إصلاح" نظام القياس. وأخيراً فهمت أن مجال النمو "الصاخب" الذي يقيسه حقيقي وموثوق. اتضح أن هذه هي الطريقة التي تتطور بها الورقة وتنمو - في أي لحظة، يبدو مجال النمو وكأنه فوضى كبيرة حيث تنتفخ المناطق وتتقلص، وفي المتوسط ​​فقط، على مدى فترة طويلة ومساحة كبيرة، يكون "السلس" "وتم الحصول على المجال المنسق. أجرى الدكتور عمرون تحليلات إحصائية وحدد الأوقات والمسافات النموذجية للتقلبات (التذبذبات) في النمو. وبمساعدة هذه الأحجام، تمكنت حتى من إظهار وجود اختلافات جوهرية بين نمو الورقة أثناء النهار والليل. وفي التحليل النظري لمجالات النمو أوضح الدكتور موشيه ذلك لا يمكن أن تكون الفوضى المقاسة عشوائية ويجب تنسيقها في أوقات ومسافات قصيرة.

يقدم هذا الاكتشاف صورة جديدة لآلية التحكم في النمو. هذه ليست تصحيحات لطيفة ومعتدلة للنمو الموحد (تقريبًا). على العكس من ذلك، فإن الخلايا الورقية تدفع بعضها البعض بقوة، وتدفع وتتحرر بشكل متكرر وتخلق مجال إجهاد ميكانيكي يتغير في الزمان والمكان. وهكذا، يتم تنظيم الأنسجة بأكملها بطريقة منسقة، مما يمنع تراكم الجهود الميكانيكية على مساحة كبيرة. بمعنى ما، تتواصل الخلايا مع بعضها البعض عن طريق النقر والاسترخاء، وهذه هي الطريقة التي تتشكل بها المعلومات حول حالة الورقة.

النباتات ليس لديها دماغ مركزي

يضيف البروفيسور شارون ويوضح: "من المهم أن نفهم أن هذه المعلومات لا تتم معالجتها بواسطة "الدماغ" المركزي، ولكن بواسطة الأنسجة نفسها، محليًا. تتناسب هذه الصورة مع الأساليب الجديدة التي تشير إلى أن أنسجة النبات (وليس النبات فقط) قادرة على معالجة المعلومات البيئية بشكل جماعي. في الواقع، إذا كانت ملايين الخلايا الحساسة لبيئتها (الضوء والحرارة والرطوبة وما إلى ذلك) في تفاعل متبادل (من خلال مجال الجهد)، فإنها تكون قادرة على ترجمة الإشارات الخارجية إلى حالات مشتركة. وتشير هذه الحقيقة إلى التشويش بين مفهومي "النمو" و"السلوك"، الذي يميز عالم النبات".

في هذه الأيام، يقوم فريق البروفيسور شارون البحثي بإجراء تجارب متابعة، للتحقيق في الآليات الفيزيائية المشاركة في التحكم في نمو الأوراق وعلاقتها بالآليات البيولوجية في النبات.

للمادة العلمية