لماذا تتحرك النباتات؟ العلماء يحلون لغزًا قديمًا حير تشارلز داروين

كشفت دراسة أن حركات عباد الشمس غير المنتظمة تساعدها على تحديد موقع ضوء الشمس، مما يوفر رؤى حول سلوك النبات والفوائد الزراعية المحتملة.

في دراسة جديدة، ربما نجح علماء فيزياء من الولايات المتحدة وإسرائيل في التوصل إلى تفسير لسلوك غريب في نمو النباتات، وهو اللغز الذي حير تشارلز داروين نفسه خلال العقود الأخيرة من حياته.

بالنسبة للعديد من البشر، قد تبدو النباتات ثابتة وحتى باهتة بعض الشيء. لكن الأشياء الخضراء في الواقع تتحرك كثيرًا. إذا شاهدت مقطع فيديو بتقنية التصوير الفوتوغرافي الفاصل الزمني لشتلة عباد الشمس وهي تنبت من التربة، على سبيل المثال، فإنها لا تنمو بشكل مستقيم إلى الأعلى. بدلاً من ذلك، مع نمو عباد الشمس، يدور تاجها في دوائر، ويلتوي على شكل لولبي، وبشكل عام، يتلوى – وإن كان ببطء شديد.

والآن، اكتشف باحثون بقيادة أوريت بيليج من جامعة كولورادو بولدر وياسمين ميروز من جامعة تل أبيب دوراً لهذه الحركات الفوضوية، المعروفة أيضاً باسم “الدوران”. وفي تجارب البيوت الزجاجية والمحاكاة الحاسوبية، أظهرت المجموعة أن عباد الشمس تستفيد من الدوران للبحث في البيئة المحيطة بها عن بقع من ضوء الشمس.

قال بيليج، أحد مؤلفي الدراسة وأستاذ مشارك في معهد بيوفرونتيرز وقسم علوم الكمبيوتر: “الكثير من الناس لا يأخذون في الاعتبار حقًا حركة النباتات، لأننا كبشر ننظر عادةً إلى النباتات بمعدل إطارات خاطئ”.

ونشر الفريق نتائجه في 15 أغسطس/آب في المجلة المراجعة الفيزيائية X.

وقد تساعد هذه النتائج المزارعين يومًا ما على التوصل إلى استراتيجيات جديدة لزراعة مجموعة من المحاصيل بترتيبات أكثر كفاءة.

قالت شانتال نجوين، المؤلفة الرئيسية وباحثة ما بعد الدكتوراه في بيوفرونتيرز: “يقوم فريقنا بالكثير من العمل على التفاعلات الاجتماعية في أسراب الحشرات ومجموعات أخرى من الحيوانات”.

“ولكن هذا البحث مثير للاهتمام بشكل خاص لأننا نرى ديناميكيات مماثلة في النباتات. فهي متجذرة في الأرض.”

خيار داروين

وأضاف نجوين أن النباتات لا تتحرك عادة مثل الحيوانات، بل تتحرك بدلاً من ذلك عن طريق النمو في اتجاهات مختلفة بمرور الوقت. وقد سحرت هذه الظاهرة داروين لفترة طويلة بعد عودته من رحلته على متن السفينة الحربية بيجل. وفقا للروايات التاريخية.

في ستينيات القرن التاسع عشر، كان داروين، الذي كان يعاني آنذاك من مجموعة من الأمراض التي حدت من قدرته على الحركة، يقضي أياماً في مراقبة النباتات في منزله. فزرع بذور الخيار وغيره من النباتات. صِنفثم تتبعوا كيف تحركت تيجانهم من يوم لآخر – وكانت الخرائط الناتجة تبدو عشوائية ومجنونة.

“أشعر بقدر كبير من المتعة بسبب تجعيداتي – إنها مجرد نوع من العمل المزعج الذي يناسبني” كتب إلى صديق في عام 1863.

سواء أكان داروين مسليًا أم لا، فإنه لم يستطع أن يفسر سبب التواء بعض خصلات شعره.

إنه لغز حير أيضًا ميروز، وهو عالم فيزياء بالتدريب. دراسة واحدة أجريت عام 2017 لقد أشار لها هذا البحث إلى الاتجاه الصحيح. ففي هذا البحث، قام علماء بقيادة جامعة بوينس آيرس بزراعة صفوف من عباد الشمس في ظل ظروف ضيقة. واكتشفوا أن النباتات رتبت نفسها بشكل طبيعي ومتسق في نمط متعرج، تقريبًا مثل أسنان السحّاب. ومن المرجح أن يساعد هذا الترتيب النباتات على تعظيم وصولها إلى ضوء الشمس كمجموعة.

وتساءل ميروز عما إذا كانت اهتزازات النبات يمكن أن تكون المحرك الذي يقود مثل هذه الأنماط في نمو النبات.

قال ميروز، أستاذ علوم النبات والأمن الغذائي: “بالنسبة للنباتات المتسلقة، من الواضح أن الأمر يتعلق بالبحث عن دعامات للتشبث بها. ولكن بالنسبة للنباتات الأخرى، ليس من الواضح لماذا الأمر يستحق ذلك”.

ها هي الشمس تأتي

وللتعرف على ذلك، قامت هي وزملاؤها بزراعة خمس عباد شمس عمرها أسبوع واحد في صفوف. ثم، مثل داروين من قبلهم، قاموا برسم خريطة لكيفية تحرك النباتات على مدار الأسبوع.

وبعد ذلك، قام نجوين وبليغ بتطوير برنامج كمبيوتر لتحليل الأنماط التي تحكم نمو عباد الشمس. كما تمكن الباحثون من استخدام محاكاة الكمبيوتر لمعرفة ما قد يحدث إذا تحركت عباد الشمس بشكل أكثر أو أقل – أو بعبارة أخرى، إذا تحركت بشكل عشوائي أو في نمط بطيء وثابت.

وقد اكتشفت المجموعة أنه إذا لم تتحرك النباتات الرقمية على الإطلاق، فإنها ستميل جميعها بعيدًا عن بعضها البعض في خط مستقيم. وعلى النقيض من ذلك، إذا تحركت كثيرًا، فإنها ستنمو في نمط عشوائي. ولكن إذا تحركت بالقدر المناسب من العشوائية، فإن عباد الشمس تشكل ذلك الشكل المتعرج المميز، والذي يوفر في النباتات الحقيقية قدرًا كبيرًا من الوصول إلى ضوء الشمس. وأوضح نجوين أن النباتات تبدو وكأنها تدور حول نفسها للعثور على المكان الذي يأتي منه أفضل ضوء، ثم تنمو في ذلك الاتجاه.

وقالت “عندما تضيف القليل من الضوضاء إلى النظام، فإن ذلك يسمح للنبات باستكشاف محيطه والاستقرار في تلك التكوينات التي تسمح لكل نبات بالعثور على أقصى قدر من التعرض للضوء. وهذا يؤدي إلى هذا النمط المتعرج الجميل الذي نراه”.

وفي التجارب المستقبلية، سيختبر الباحثون كيف تنمو عباد الشمس في ترتيبات أكثر تعقيداً. ومن جانبها، تشعر ميروز بالسعادة لرؤية النباتات تحظى ببعض التقدير على قدرتها على الحركة والتأثير.

“إذا كنا نعيش جميعًا في نفس المقاييس الزمنية التي تعيش فيها النباتات، فمن الممكن أن تمشي في الشارع وتشاهدها تتحرك”، قالت. “ربما نمتلك جميعًا نباتات كحيوانات أليفة”.

مرجع: “الدوائر الصاخبة تسهل تجنب الظل المنظم ذاتيًا في عباد الشمس” بقلم شانتال نجوين وإمري درومي وأهرون كمبينسكي وغابرييلا إي سي جال وأوريت بيليج وياسمين ميروز، 15 أغسطس 2024، المراجعة الفيزيائية X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.14.031027