هوش در گياهان
يكي از تفاوت‌‌هاي آشكار بين ما جانوران و خويشاوندان سبز رنگ دورمان، يعني گياهان، ميزان جنبش و جابه‌جايي ماست. ما پذيرفته‌ايم كه هوش را از روي كارها بسنجيم، زيرا كارهايي كه انجام مي‌دهيم نشان مي‌دهند كه در مغز ما چه مي‌گذرد. بنابراين، چون گياهان خاموش و بي جنبش به چشم مي‌آيند و در يك جا ريشه دوانده‌‌اند، زياد تيز هوش و زرنگ به نظر نمي‌رسند. اما گياهان نيز جنبش دارند و به برانگيزاننده‌هاي پيرامون خود پاسخ مي دهند.
گياهان با حساسيت چشمگيري دست كم 15 متغير محيطي گوناگون را پيوسته بررسي مي‌كنند. آن‌ها مي‌توانند اين پيام هاي ورودي را پردازش كنند و با كمك دسته‌اي از مولكول‌ها و راه‌هاي پيام رساني، خود را براي پاسخ درست آماده سازند. بنابراين، توان محاسبه گري گياهان بي‌مغز شايد به اندازه‌ي بسياري از جانوران با مغزي باشد كه مي‌شناسسيم.
ساقه‌ي در حال رشد مي‌تواند با كمك پرتوهاي قرمز دور(مادن قرمز)، نزديك‌ترين همسايه‌هاي رقيب خود را حس كند و پيامد كارهاي آن‌ها را پيش‌بيني كند و اگر لازم باشد، به شيوه‌اي از رخ‌دادن آن پيامدها پيش‌گيري كند. براي مثال، هنگامي كه همسايه‌هاي رقيب به نخل استيلت (Stilt) نزديك مي شوند همه‌ي گياه به سادگي جابه‌جا مي‌شود. ريزوم برخي گياهان علفي با رشد كردن به سوي بخش بدون رقيب و يا سرشار از مواد غذايي، جاي زندگي خود را بر مي‌گزيند. سس كه نوعي گياه انگل است، طي يك يا دو ساعت پس از نخستين برخوردش با گياه ميزبان، توانايي بهره‌برداري از آن را مي‌سنجد. خلاصه، گياهان مي‌توانند ببينند، بچشند، لمس كنند، بشنوند و ببويند.
در اين مقاله كه در دو بخش تنظيم شده است، با گوشه‌هايي از رفتارهاي هوشمند گياهان و سازوكار چگونگي رخ دادن آن‌ها آشنا مي‌شويم.
دوري از سايه
ساقه‌ي در حال رشد مي‌تواند با كمك نور قرمز دور، نزديك‌ترين همسايه‌هاي رقيب خود را حس كند و پيامد كارهاي آن‌ها را پيش‌بيني كند و اگر نياز باشد، به شيوه‌اي از رخ‌دادن آن پيامدها پيش‌گيري كند. اين فرايندها را مولكول‌هايي به نام فيتوكروم ميانجي‌‌گري مي‌كنند. فيتوكروم‌ها، گيرنده‌ها و حسگرهاي نور در گياهان هستند.
هر فيتوكروم از يك بخش دريافت‌كننده‌ي نور و يك بخش دگرگون‌كنند‌ي پيام تشكيل شده است. بخش دريافت‌كننده‌ي نور ساختمان تتراپيرولي دارد و از راه اسيد آمينه‌ي سيستئين به بخش دگرگون‌كننده كه گونه‌اي پروتئين است، پيوند مي‌شود. فيتوكروم در پاسخ به طول موج‌هاي گوناگون نور، به شكل كارا و ناكارا درمي‌آيد. شكل ناكارا (Pr) پس از جذب فوتون‌هاي قرمز به شكل كارا (Pfr) در مي‌آيد. Pfr كه فوتون‌هاي قرمز دور (مادون قرمز) را بهتر دريافت مي‌كند، در پاسخ به اين طول موج‌ها به Pr دگرگونه مي‌شود.
ساز و كار فيتوكروم
در نور خورشيد، نسبت نور قرمز به قرمز دور نزديك 2/1 است. اما در يك جامعه‌‌ي گياهي اين اندازه كاهش مي‌يابد، زيرا رنگيزه‌هاي فتوسنتزي، از جمله كلروفيل، نور قرمز را جذب مي‌كنند. تغيير در نسبت نور قرمز به مادون قرمز شاخص قابل اطميناني براي ارزيابي نزديكي گياهان رقيب است. در جامعه‌هاي فشرده پرتوهاي قرمز دوري كه از برگ‌هاي گياهان بازتاب مي‌يابند يا پراكنده مي‌شوند، پيام روشن و منحصر به فردي است كه از نزديكي رقيبان آگاهي مي‌دهد. پس از درك نسبت پا ييني از نور قرمز به قرمز دور، گياهي كه از سايه دوري مي‌گزنيد (گياه آ فتاب پسند) بر رشد طولي خود مي‌افزايد و اگر ترفنندهايش كارگر افتند، جنبه‌هاي ديگر پاسخ دوري از سايه باعث شتاب گرفتن گلدهي و توليد پيش از زمان دانه مي‌شوند تا بخت ماندگاري افزايش يابد.
دانشمندان در آزمايشي گروهي از گياهان را زير فيلتري پرورش دادند كه نسبت نور قرمز به قرمز دور را كاهش مي‌داد و بنابراين، پاسخ دوري از سايه را بر مي انگيخت. اين گياهان نسبت به گياهاني كه زير نور كامل خورشيد مي‌روييدند، رشد طولي بيش‌تري پيدا كردند. البته، اندازه‌ي رشد طولي به اندازه‌ي آفتاب‌پسندي گياه ارتباط دارد. گياهان صحرايي نسبت به گياهاني كه به طور معمول در سايه‌ي درختان چنگل مي‌رونيد، رشد طولي بيش‌تري پيدا كردند.
فيتوكروم‌ها اغلب فعاليت پروتئين‌كنيازي را از خو د نشان مي‌دهند. اين مولكول‌ها با پيوند زدن گروه‌هاي فسفات به پروتئين ها، فعاليت آن‌ها را تغيير مي‌دهند. بر اين اساس، آن‌ها با تغيير فعاليت پروتئين‌هايي كه در تنظيم ژن‌ها دخالت دارند، بر فعاليت آن‌ها تاثير مي‌گذارند. ژن‌هاي زيادي در گياهان شناخته شده‌اند كه از راه فيتوكروم در پاسخ به نور تنظيم مي‌شوند. البته، فيتوكروم‌ها بخشي از پاسخ‌هاي زيستي را از راه تغييرهايي در تعادل يون‌ها در سلول پديد مي‌آورند. به هر حال،
تكامل فيتوكروم‌ها
توان درك نسبت نور قرمز به قرمز دور، در نهاندانگان رشد چشمگيري پيدا كرده است. سرخس‌ها و خزنده‌ها به طور معمول با واكنش‌هاي بردباري به سايه، به انبوهي جامعه گياهي پاسخ مي‌دهند. بازدانگان تا اندازه‌اي واكنش‌هاي دوري از سايه را نشان مي‌دهند. شايد تكامل توان شناسايي پيام‌هاي نوري كه از گياهان پيرامون بازتاب مي‌يابد، براي پيشرفت نهاندانگان تا وضعيت كنوني كه در فرمانروي گياهان حرف اول را ميزنند، سرنو شت‌ساز بوده است. اگر فيتوكروم ها نبودند هنوز هم گياهان دوران كربونيفر ما را در بر گرفته بودند.
فيتوكروم‌ها در آغاز در نياكان پروكاريوتي گياهان امروزي به وجود آمدند. به نظر مي‌رسد در آن‌ها به صورت حسگرهاي نور كار مي‌كردند. شايد توانايي بي‌نظير فيتوكروم ها در دگرگونه شدن به شكل‌هاي كارا و ناكارا در پاسخ به كيفيت نور، در پروكاريوت‌هاي آغازين اهميت كاركردي زيادي نداشته است، اما اين ويژگي طي تكامل گياهان خشكي، گزينش و اصلاح شده و به صورت حسگر پيچيده‌اي در آمده است كه اهميت آن با اهميت بينايي در جانوران برابري مي كند. به عبارت ديگر، شايد بتوان فيتوكروم‌ها را چشم‌هاي گياهان به شمار آورد.
فرار از سايه
گياهان براي دوري از چتر سايه‌انداز همسايگان خود، مي‌توانند به كارهاي چشم‌گيرتري دست بزنند. براي مثال، نخل استيلت (Socratea exorthiza) ساقه‌اي دارد كه مانند شخصي كه عصا زير بغل دارد، بر ريشه‌هاي عصا مانند گياه تكيه دارد و اغلب نيز به طور مستقيم با زمين تماس ندارد. نام معمولي اين گياه نيز به همين ويژگي اشاره دارد. (واژه استيلت به معناي پايه و تكيه گاه است.) از اين رو، اين گياه استوايي را مي‌توان نخل پايه‌دار ناميد.
هنگامي كه همسايگان نخل پايه‌دار بر ميزان نور دريافتي گياه تاثير مي‌گذارند يا به منبع غذايي آن دست درازي مي‌كنند، نخل فرار را برقرار تريجح مي‌دهد و همه‌ي گياه به جايي جابه‌جا مي شود كه بسيار آفتابي است. براي اين جابه جايي ريشه هاي تكيه گاهي جديد به سوي جاي آفتابي رشد مي‌كنند و ريشه‌هاي طرف سايه‌انداز شده,،آرام‌آرام مي‌ميرند. در اين رفتار گياه، به خوبي هدف‌دار كار كردن را مي‌بينيم.
در جست و جوي غذا
گياهان در جست و جوي مواد غذايي مي توانند خاك پيرامون خود را ارزيابي كنند و به جاهايي سر بكشند كه بهترين چيزها در آن جا يافت مي‌شوند. دانشمندان به تازگي براي گياهان آزمون‌هاي هوشي را سامان داده‌اند كه به كمك آن‌ها مي‌توان دريافت گياهان در كندوكاو پرامون‌شان تا چه اندازه‌اي خردمندانه كار مي‌كنند. آنان با كاشتن گياهان در خاك ناهمگون، يعني خاكي كه قطعه‌هاي آن از نظر كيفيت مواد غذايي با هم تفاوت دارند، هوش گياهان را مي‌سنجد.
پيچك باغي (Glechoma hederace) توجه گياه‌شناسان را به خود جلب كرده است. اين گياه همان طور كه روي زمين مي خزد، در دو بعد رشد مي كند. هر جا كه مناسب باشد، از ساقه زير زميني آن ريشه‌هايي به سوي زمين و ساقه‌هايي به سوي بالا پديد مي‌آيند. وقتي گياه در خاك مرغوبي قرار گيرد، انشعاب و شاخ و برگ بيش‌تري توليد مي كند. هم‌چنين، توده‌هايي از ريشه پديد مي‌آورد تا با سرعت بيش‌تري از خاك قطعه‌اي كه در آن مي‌رويد، بهره برداري كند. اما هنگامي كه اين گياه خزنده در قطعه‌ي فقيرتري قرار مي‌گيرد، با سرعت بيش‌تري گسترش خود را به بيرون از آن قطعه، پيش مي‌برد تا به هر گونه‌اي از آن جا فرار كند. در اين حالت، ساقه‌ي زير زميني گياه نازك‌تر است و انعشاب كم‌تري دارد.
اين تغيير در الگوي رشد باعث مي شود، ساقه‌هاي هوايي جديد دورتر از گياه والد شكل گيرند و در محيط تازه‌اي به جست و جوي مواد غذايي بپردازند. البته، ميزان رشد فقط با كيفيت مطلق يك قطعه ارتباط ندارد، بلكه ميزان مرغوبيت آن در مقايسه با قطعه‌هاي پيراون نيز براي گياه مهم است. در واقع، گياه قطعه‌اي را به عنوان قطعه‌ي مرغوب شناسايي مي‌كند كه دست كم دو برابر سرشار تر از قطعه‌هاي پيرامون باشد. اما پيش از اين پاسخ‌هاي هوشمندانه، گياه بايد بتواند كيفيت قطعه‌اي را كه در آن مي‌رويد بسنجد.
دو پژوهشگر انگليسي ژني را در گياه رشادي (Arabidopsis) كشف كرده‌اند كه به ريشه‌ها اين توانايي را مي‌دهند كه براي پيدا كردن قطعه‌هاي سرشار از نيترات و نمك‌هاي آمونيوم، خاك را بچشد. فراورده‌ي اين ژن به ريشه‌ها امكان مي‌دهد به جاي جست و جوي تصادفي و پر هزينه، به سوي مواد غذايي رشد كنند. اين دو پژوهشگر براي شناسايي ژن‌هايي كه ممكن است در اين كار دخالت داشته باشند، جهش يافته‌هاي گوناگوني از رشادي را پرورش دادند تا سرانجام جهش يافته‌اي را پيدا كردند كه نمي‌توانست با توسعه‌ي ريشه‌هاي جانبي از ريشه‌هاي اصلي، به جست و جوي نيترات بپردازد. به اين ترتيب آنان ژني را كشف كردند كه براي شناسايي نيترات ضروري است.
چشايي در گياهان
ريشه‌هاي گياهان مي‌توانند رفتارهاي هوشمندانه‌تري نيز از خود بروز دهند. در دانشگاه تگزاس، استنلي روكس و كولين توماس آنزيمي به نام آپيراز را بر سطح ريشه‌ها كشف كردند كه به آن‌ها توانايي مي‌دهد در جست و جوي ATP توليد شده از سوي ميكروب‌هاي خاك، قطعه‌هاي گوناگون خاك را مزه مزه كنند. آپيراز به صورت پروتئيني متصل به غشا توليد مي‌شود كه بخش داراي فعاليت كاتاليزوري آن به سوي بيرون سلول است. اين آنزيم با فعاليت آبكافتي خود فسفات گاما و بتا را از مولكلول ATP يا ADP جدا مي كند. گياهان به كمك اين آنزيم بخشي از فسفات معدني لازم براي رشد خود را به دست مي‌آورند. اين دو پژوهشگر در آزمايشي نشان دادند، گياهان تراژني كه مقدار زيادي آپيراز توليد مي‌كردند، نسبت به گياهان ديگر، رشد بيش تري داشتند.
مكنده‌هاي گياه سس (Cuscuta) نيز براي غارت بهترين گياه ميزبان از حس چشايي بهره مي‌گيرند. اين گياه كه توان فتوسنتز كردن ندارد، به گرد ساقه‌هاي ميزبان مي پيچد و براي به دست آوردن مواد غذايي و آب، ساختارهاي مكنده خود را درون آن‌ها فرو مي‌كند. هوش اين انگل گياهي در ارزيابي مقدار انرژي كه مي‌توان از ميزبان به دست آورد و مقدار انرژي كه براي بهره برداري از آن بايد صرف شود، به كمك گياه مي‌آيد.
از لحظه برخورد انگل با گياه ميزبان تا آغاز گرد آوري مواد غذايي از آن، نزديك 4 روز است. اين زمان براي ارزيابي ميزان پرباري ميزبان و تصميم گيري براي توليد پيچ هاي كم تر يا بيش تر به دور آن، كافي است. پيچ‌هاي بيش‌تر به توليد مكنده‌هاي بيش‌تر و در نتيجه بهره برداري بيش تر از ميزبان مي‌انجامند. اما اگر ميزبان پربار نباشد توليد پيچ‌هاي بيش‌تر نوعي هدر دادن انرژي به شمار مي آيد.
در دهه 1990 كولين كلي نشان داد راهبردهايي كه گياه سس براي جست و جوي بهترين ميزبان به كار مي‌گيرد، با مدل‌هاي رياضي كه براي توضيح جنبه‌هاي اقتصادي جست و جوي غذا در جانوران ابداع شده بودند، هماهنگي دارند. بنابراين، سس ممكن است زرنگ‌ترين شكارچي پيرامون ما نباشد، اما در جست و جوي شكار به خوبي جانوراني كه مي شناسيم، كار مي كند.
لامسه در گياهان
گياهان گوشتخوار از جمله گياه ديونه (Dionea muscipula) با سرعت شگفت‌آوري به برخورد حشره‌ها با كرك‌هاي حساس روي برگ‌هايشان پاسخ مي‌دهند. با واكنش گل قهر (Mimosa pudica) به كوچك‌ترين برخورد آشنا هستيد. اما اين گياهان، تنها گياهاني نيستند كه مي‌توانند برخورد را درك كنند. آن‌ها نسبت به ديگر گياهان، فقط لامسه نيرومند‌تري دارند.
گياهان معمولي براي پاسخ دادن به كشيدهاي باد به لامسه نياز دارند. باد مي‌تواند بر ميزان شاخ و برگ در گياهان اثر منفي داشته باشد. از اين رو، گياهان مي‌كوشند با تقويت بافت‌هاي بخش‌هايي كه به نوسان در مي‌آيند، در برابر باد پايداري كنند. البته، هزينه كردن انرژي براي بافت‌ها ممكن است كشاورزان را نگران كند. در يك آزمايش مشاهده شد وقتي گياه ذرت هر روز به مدت 30 ثانيه تكان داده شود، ميزان محصول تا 30 الي 40 درصد كاهش مي‌يابد.
پژوهشگران مي‌خواهند بدانند چگونه پيام لمس، بافت‌هاي محكم‌تري توليد مي‌كند. بيش‌تر پژوهش‌هاي كنوني روي كلسيم متمركز شده است. هنگامي كه گياهان به سويي كشيده مي‌شوند، يون‌هاي كلسسيم از واكوئل‌ها به درون سيتوزول جريان پيدا مي‌كنند. بيرون رفتن اين يون‌ها ، كه تنها يك دهم ثانيه به درازا مي كشد، به فعال شدن ژن‌هايي مي‌انجامد كه با تقويت ديواره‌ي سلول ارتباط دارند. تاكنون پنج ژن از اين ژن‌هاي لامسه (TCH) شناسايي شده‌اند. يكي از اين ژن ها، رمز ساختن پروتئين كالمودولين را در خود دارد كه حسگر اصلي كلسيم در گياهان و جانوران است. در سال 1995 جانت برام چهارمين ژن لامسه (TCH4) را كشف كرد كه آنزيمي به نام زيلوگلوكان اندوترانس گيكوزيلاز را رمز مي‌دهد. اين آنزيم روي ديواره‌ي سلولي گياهان اثر مي‌گذارد و با تغييرهايي كه در اجزاي اصلي سازنده‌ي آن‌ها پديد مي‌آورد، بر قدرت و استحكام آن‌ها مي‌افزايد.