اكتشف علماء معهد وايزمان للعلوم مؤخرًا أنه في ظل ظروف معينة، تقوم النباتات بتعديل مستوى التمثيل الضوئي لديها للتغيرات في شدة ضوء الشمس من خلال نظام استشعار متطور، يذكرنا برد فعل حدقة أعيننا
من الواضح أن النباتات لا ترى ولا تتذوق ولا تشم، لكن آليات التحكم الخاصة بها تعمل أحيانًا بشكل مشابه لحواسنا. اكتشف علماء معهد وايزمان للعلوم مؤخرًا أنه في ظل ظروف معينة، تقوم النباتات بضبط مستوى التمثيل الضوئي الخاص بها مع التغيرات في شدة ضوء الشمس من خلال نظام استشعار متطور، يذكرنا برد فعل حدقة أعيننا. وكما ورد في المجلة العلمية iScience، فإن هذا التحكم "الحسي" يعمل عند شدة ضوء منخفضة نسبيًا، عندما تكون الآلية الجزيئية لعملية التمثيل الضوئي فعالة للغاية، ولكنها أيضًا معرضة للخطر بشكل خاص في حالة حدوث زيادة مفاجئة في مستوى الإشعاع - على غرار ارتفاع مستوى الإشعاع. الشخص الذي اعتاد على مكان معتم ويتعرض فجأة لشعاع قوي من الضوء.
وبما أن النباتات تحتاج إلى طاقة ضوئية لتنمو، فقد كان الرأي السائد أن مستوى التمثيل الضوئي في النبات يرتفع ويتناسب طرديا مع شدة ضوء الشمس، حتى يصل إلى مستوى مرتفع جدا، مما ينتج عنه إجهاد ويتسبب في إجهاد النبات. تنشيط آليات الإصلاح وإبطاء عملية التمثيل الضوئي. ولكن عندما قام البروفيسور أفيحاي دانون وأعضاء مجموعته في قسم علوم النبات والبيئة في المعهد بقياس مضان النبات عند مستويات الإضاءة المنخفضة - الإشعاع المنبعث من النبات أثناء عملية التمثيل الضوئي والذي يعد مؤشرا على مستوى التمثيل الضوئي - اكتشفوا نمط مدهش من عملية التمثيل الضوئي الذي يزيد وينقص بالتناوب.
بعد النتائج، بدأ البروفيسور دانون تعاونًا مع المجموعة البحثية للبروفيسور أوري ألون من قسم البيولوجيا الجزيئية للخلية، والمتخصص في الدوائر والشبكات البيولوجية. كشف الطالب الباحث أفيهاي تندلر من مختبر البروفيسور ألون والدكتور بات تشين وولف والدكتور فيوكناند تيواري من مختبر البروفيسور دانون عن نباتات من عائلة الخردل تسمى Arabidopsis thaliana، في ضوء أن قوتها تزداد كل 10 دقائق، مرتبة مرتبة، في نطاق ضوء منخفض إلى متوسط يتوافق مع إشعاع الشمس في الصباح - أي أقل من المستوى الذي يسبب الإجهاد للنباتات. وأظهرت التجربة أن مستوى التألق لم يرتفع بشكل دائم مع زيادة الضوء، بل قفز لفترة قصيرة ثم عاد إلى مستواه السابق؛ في كل نبضة، كانت الذروة أصغر من المرتبة السابقة. ووجد العلماء أنه كلما أصبح الضوء أقوى، وصل عدد أقل من الفوتونات مما كان متوقعًا إلى مركز تفاعل التمثيل الضوئي في النبات، ولهذا السبب أصبحت قمم التألق أصغر تدريجيًا. في الواقع، كان على العلماء في كل مستوى مضاعفة شدة الضوء من أجل خلق نفس ذروة التألق كما في النبضة السابقة - وهو نمط نموذجي للآليات الحسية في البكتيريا والحيوانات والبشر.
تشير هذه النتائج إلى أنه عند شدة الإضاءة المنخفضة، تشبه آليات التحكم في عملية التمثيل الضوئي الأنظمة الحسية، مثل النظام البصري البشري. عندما يضبط حدقة العين نفسها مع شدة الضوء، فإن التعديلات لا تحمي شبكية العين فحسب، بل تضمن أيضًا أن نظل حساسين للبيئة. באור חזק, כאשר האישונים צרים, אנחנו מבדילים רק בין ניגודי אור גדולים, אך באור חלש, כאשר האישונים מתרחבים כדי להכניס לעין מספר פוטונים רב יותר, באפשרותנו לזהות חפצים הנבדלים במעט באור המשתקף מהם, וכך אנחנו יכולים לראות מה קורה בדמדומים, בלילה או בתוך كهف. وبالمثل، فمن المعروف أن هوائيات التمثيل الضوئي - مجمعات حصاد الضوء من البروتينات وجزيئات الكلوروفيل - تنكمش في الضوء القوي وتتوسع في الضوء الضعيف. مثل حدقة العين، عندما تنتشر قرون الاستشعار، فإنها تجمع الضوء بكفاءة أكبر وتصبح أكثر حساسية للتغيرات الصغيرة في شدته، وخاصة التغييرات المفاجئة.
ربما يكون هذا هو السبب وراء إجراء التحكم في مستوى التمثيل الضوئي عند شدة الإضاءة المنخفضة بطريقة دقيقة للغاية. ويظهر البحث أن النبات يتفاعل فوراً مع الزيادات المفاجئة في مستوى الضوء، بما في ذلك الزيادات الصغيرة جداً، وكأنه استعد للأسوأ، أي إلى زيادة خطيرة في شدة الضوء. ثم يقوم بعد ذلك بفحص ظروف الإضاءة الفعلية وضبط مستوى التمثيل الضوئي وفقًا لذلك. وبهذه الطريقة يصل إلى التوازن الصحيح بين الأمان والكفاءة.
يقول البروفيسور دانون: "تدير النباتات عملية التمثيل الضوئي بطريقة حذرة، مما يضحي بالكفاءة على المدى القصير من أجل الاستقرار على المدى الطويل". "إن آلات التمثيل الضوئي في الواقع "تستشعر" البيئة وتتكيف بسرعة مع كمية الضوء التي تستقبلها قبل أن يخرج الوضع عن السيطرة، بدلاً من زيادة النشاط بطريقة غير منضبطة حتى يحدث الضرر."
تستجيب آلية التحكم المكتشفة في الدراسة بسرعة للتغيرات في شدة الضوء و"تشتري" النبات وقتًا ثمينًا حتى يتم تنشيط آليات أبطأ تعمل على ضبط مستوى التمثيل الضوئي وفقًا للظروف النامية. وتعد هذه الآلية إحدى استراتيجيات التكيف التي يتبعها النبات، والتي تتيح له الاستفادة من ضوء الشمس على النحو الأمثل في ظل الظروف المتغيرة، على سبيل المثال، عندما تأتي الغيوم وتذهب أو عندما تغير الرياح زاوية الأوراق بالنسبة للشمس.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
