העיניים הירוקות של הצמחים

צמחים לכאורה אינם רואים, טועמים או מריחים, אך מנגנוני הבקרה שלהם פועלים לעתים בדומה לחושים שלנו. באחרונה גילו מדעני מכון ויצמן למדע כי בתנאים מסוימים, צמחים מתאימים את רמת הפוטוסינתזה שלהם לשינויים בעוצמת אור השמש באמצעות מערכת חישה מתוחכמת, המזכירה את תגובת אישוני העיניים שלנו. כפי שדווח בכתב-העת המדעי iScience, בקרה "חושית" זו פועלת בעוצמות אור נמוכות יחסית, כאשר המכונות המולקולריות של הפוטוסינתזה יעילות מאוד, אך גם חשופות במיוחד לפגיעות במקרה של עלייה פתאומית ברמת הקרינה - בדומה לאדם שהתרגל למקום אפלולי ולפתע נחשף לאלומת אור חזקה.

Arabidopsis thaliana(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

עוד כתבות במסע הקסם המדעי של מכון ויצמן למדע:

לא כל כך עצלים

צעירים לנצח - גרסת המעבדה

פגישה מקרית עם איינשטיין

מכיוון שצמחים זקוקים לאנרגיית אור כדי לצמוח, הדעה הרווחת הייתה כי רמת הפוטוסינתזה בצמח גוברת והולכת ביחס ישיר לעוצמת אור השמש, עד שהיא מגיעה לרמה גבוהה מדי המייצרת עקה (stress) וגורמת לצמח להפעיל מנגנוני תיקון ולהוריד הילוך בפוטוסינתזה. אך כאשר פרופ' אביחי דנון וחברי קבוצתו במחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון מדדו ברמות אור נמוכות פְלוּאוֹרֶסַנְצְיָה של צמחים - קרינה הנפלטת מהצמח במהלך הפוטוסינתזה ומהווה אינדיקציה לרמת הפוטוסינתזה - הם גילו דפוס מפתיע של פוטוסינתזה המתגבר ונחלש לסירוגין.

בעקבות הממצאים יזם פרופ' דנון שיתוף פעולה עם קבוצת המחקר של פרופ' אורי אלון מהמחלקה לביולוגיה מולקולרית של התא, המתמחה במעגלים וברשתות ביולוגיים. תלמיד המחקר אביחי טנדלר ממעבדתו של פרופ' אלון וד"ר בת-חן וולף וד"ר ויוקנאנד טיווארי ממעבדתו של פרופ' דנון חשפו צמחים ממשפחת החרדליים, הקרויים Arabidopsis thaliana, לאור שעוצמתו גדלה בכל 10 דקות, דרגה אחר דרגה, בטווח אור נמוך עד בינוני המקביל לקרינת השמש בבוקר - כלומר, מתחת לרמה הגורמת עקה לצמחים.

הניסוי הראה כי רמת הפלואורסנציה לא עלתה באופן קבוע עם התגברות האור, אלא קפצה לזמן קצר ואז חזרה לרמתה הקודמת; בכל פעימה, השיא היה קטן יותר מאשר בדרגה הקודמת. המדענים גילו כי בכל פעם שהאור התחזק, פחות פוטונים מהמצופה הגיעו למרכז ריאקציית הפוטוסינתזה בצמח, וזו הסיבה לכך ששיאי הפלואורסנציה נהפכו בהדרגה לקטנים יותר. למעשה, בכל דרגה המדענים נאלצו להכפיל את עוצמת האור על מנת ליצור אותו שיא פלואורסנציה כמו בפעימה הקודמת - דפוס האופייני למנגנונים חושיים בחיידקים, בחיות ובבני אדם.

ד"ר ויוקנאנד טיווארי, פרופ' אביחי דנון, אביחי טנדלר, ד"ר בת-חן וולף ופרופ' אורי אלון(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן)

ממצאים אלה מעידים על כך כי בעוצמות אור נמוכות, מנגנוני הבקרה על הפוטוסינתזה מזכירים מערכות חישה, כגון מערכת הראייה של האדם. כאשר האישון שלנו מתאים עצמו לעוצמת האור, ההתאמות לא רק מגינות על הרשתית, אלא גם מבטיחות שנישאר רגישים לסביבה. 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 מערה.

בדומה לכך, ידוע כי האנטנות של הפוטוסינתזה - קומפלקסים קוצרי אור של חלבונים ומולקולות כלורופיל - מצטמקות באור חזק ומתרחבות באור חלש. בדומה לאישונים, כאשר האנטנות נפרסות, הן קוצרות את האור בצורה יעילה יותר והופכות לרגישות יותר לשינויים קטנים בעוצמתו, במיוחד שינויים פתאומיים.

זאת כנראה הסיבה לכך שהבקרה על רמת הפוטוסינתזה בעוצמות אור נמוכות מתנהלת בצורה זהירה ביותר. מהמחקר עולה כי הצמח מגיב באופן מיידי לעליות פתאומיות ברמת האור, כולל עליות קטנות ביותר, כאילו הוא נערך לגרוע מכל, כלומר, לעלייה מסוכנת בעוצמת האור. לאחר מכן, הוא בודק את תנאי האור הקיימים בפועל ומתאים את רמת הפוטוסינתזה בהתאם. כך הוא מגיע למאזן נכון בין ביטחון ליעילות.

"הצמחים מנהלים את הפוטוסינתזה בצורה זהירה, המקריבה יעילות בטווח הקצר למען יציבות בטווח הארוך", אומר פרופ' דנון. "מכונות הפוטוסינתזה למעשה 'חשות' את הסביבה ומתאימות עצמן במהירות לכמות האור הנקלטת לפני שהמצב יוצא משליטה, במקום להגביר את הפעילות בצורה בלתי-מבוקרת עד שייגרם נזק".

מנגנון הבקרה שהתגלה במחקר מגיב במהירות לשינויים בעוצמת האור ו"קונה" לצמח זמן יקר עד שמופעלים מנגנונים איטיים יותר המתאימים את רמת הפוטוסינתזה לתנאים המתפתחים. מנגנון זה הוא אחת מאסטרטגיות ההתמודדות של הצמח, המאפשרת לו לנצל את אור השמש בצורה מיטבית בתנאים משתנים, למשל, כאשר עננים באים וחולפים או כאשר הרוח משנה את הזווית של העלים ביחס לשמש.

למחקר:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2589004218301548?via%3Dihub