أطفئ الأضواء

عند قيادة السيارة، لا ينصح، على أقل تقدير، بالضغط على دواسة الوقود والفرامل في نفس الوقت. لكن علماء معهد وايزمان للعلوم اكتشفوا أن هذه هي بالضبط الطريقة التي تتصرف بها النباتات في بعض عملياتها الحيوية.

عند قيادة السيارة، لا ينصح، على أقل تقدير، بالضغط على دواسة الوقود والفرامل في نفس الوقت. لكن علماء معهد وايزمان للعلوم اكتشفوا أن هذه هي بالضبط الطريقة التي تتصرف بها النباتات في بعض عملياتها الحيوية.

البروفيسور افيحاي دانون من قسم علوم النبات والبيئة وأعضاء مجموعته قام باحث ما بعد الدكتوراه الدكتور إيرز إلياهو وطلبة البحث آنذاك إيدو روغ وعنبال دنغور بدراسة الآليات التي تتحكم في النبات في إنتاج النشا، الكربوهيدرات الأكثر شيوعاً في غذاء الإنسان والتي توجد بكميات كبيرة في الأطعمة الأساسية مثل الأرز والبطاطس والذرة. يبدأ النبات بإنتاج النشا في اللحظة التي ينشط فيها ضوء الشمس عملية التمثيل الضوئي في الصباح ويتوقف عن الإنتاج في المساء.

المفتاح الجزيئي الذي ينشط إنتاج النشا معروف للعلم منذ حوالي 40 عامًا. وهو إنزيم يتم تنشيطه، من خلال سلسلة من بروتينات التحكم، عن طريق استقبال الإلكترونات التي تنشأ في عملية التمثيل الضوئي. وفي دراسة جديدة، نشرت مؤخرا في المجلة العلمية السجلات الصادرة عن الأكاديمية الأمريكية للعلوم، PNASوأفاد علماء المعهد أنهم اكتشفوا مفتاح إيقاف هذه العملية، في تجارب على نبات شبيه بالخردل، يسمى الأرابيدوبسيس، والذي من خلاله يفقد الإنزيم الإلكترونات ويتوقف عن العمل. لقد قاموا بفك رموز سلسلة الأحداث الجزيئية التي أدت إلى التوقف: يؤدي تقليل الضوء إلى فقدان بروتين إشارة صغير يسمى ACTH4 للإلكترونات، مما يجعله يرسل إشارة "توقف" إلى الإنزيم المسؤول عن إنتاج النشا.

تعد القدرة على إيقاف إنتاج النشا بسرعة عند الضرورة أمرًا ضروريًا لحسن سير العمل في آليات المصنع. يجب أن يتوقف هذا الإنتاج عندما يتوقف الضوء، حتى يتمكن النبات خلال الليل من تفكيك النشا واستخدام مواد التحلل للنمو والتطور. وإذا لم يتوقف الإنتاج فقد يدخل المصنع في دورة عقيمة وإسراف يستمر فيها في تجميع النشا من مواده المتحللة بدلا من استخدامها لحاجات الوجود والنمو والتطور.

العلماء الذين فحصوا آلية الإغلاق هذه كانوا في حالة مفاجأة: آلية الإغلاق تظل نشطة عند مستوى منخفض طوال اليوم حتى عندما تكون الشمس مشرقة وعملية التمثيل الضوئي نشطة. يبدو الأمر كما لو أن المصنع يدير إنتاج النشا عن طريق الضغط على دواسة الوقود والفرامل في نفس الوقت: فهو ينشط الإنتاج ولكنه يبطئه أيضًا. وعندما أزال العلماء "المكابح" من المصنع عن طريق الهندسة الوراثية، زاد الإنتاج بنسبة 20% تقريبًا. وهذا يدل على أن كفاءة إنتاج النشا لا تتجاوز 80% لأن "دواسة الفرامل" نشطة طوال الوقت. وفي المستقبل، قد يكون من الممكن زيادة إنتاج النشا في المحاصيل الزراعية بناءً على الرؤى الجديدة.

لماذا تعمل النباتات بطريقة غير فعالة؟ يعتقد العلماء أن هذا النهج الذي يبدو مسرفًا هو في الواقع جزء لا يتجزأ من آلية التكيف التطوري. نظرًا لأن شدة الضوء وعملية التمثيل الضوئي تتغير أحيانًا بسرعة خلال النهار، فيجب على النبات تغيير معدل الأيض وفقًا لذلك. وبالتالي، يجب تعديل معدل إنتاج النشا وفقًا لكثافة عملية التمثيل الضوئي، بحيث تجد المواد المشحونة بالطاقة التي يتم إنشاؤها من خلالها استخدامًا سريعًا - وإلا فإن كميات كبيرة من جزيئات الأكسجين النشطة تسمى الجذور الحرة، والتي يتم إنشاؤها كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي سوف تتراكم بسرعة وتسبب ضرراً للنبات.

يتيح الضغط المزدوج على دواستي الغاز والفرامل للمصنع التحكم بسرعة ودقة في إنتاج النشا - عن طريق الضبط النسبي لشدة الضغط على "الدواستين". علاوة على ذلك، فإن الضغط الخفيف والمستمر على "دواسة الفرامل" يترك مجالاً لتسريع الإنتاج عندما تشتد أشعة الشمس فجأة. وفي تجاربهم، وجد العلماء أنه عندما تزداد شدة الضوء فجأة، يزداد إنتاج النشا أيضًا وفقًا لذلك.

إذا تمكنت النباتات من إدارة إنتاج النشا بأقصى قدر من الكفاءة طوال الوقت، فلن تتمكن من زيادته بالمعدل المطلوب وسوف تموت من الجذور الحرة الزائدة أثناء الزيادة المفاجئة في عملية التمثيل الضوئي. يعد الضغط على الدواسات في نفس الوقت جزءًا من الآليات التي سمحت للنباتات بالبقاء على قيد الحياة لمئات الملايين من السنين في بيئة غالبًا ما تتغير بشكل غير متوقع.