هوش در نباتات

مقدمه
یکی از تفاوت‌‌های آشکار بین ما انسان‌ها (حیوانات) و خویشاوندان سبز رنگ دورمان، یعنی نباتات، حرکت و جابه‌جایی ما است. ما پذیرفته‌ایم که هوش را از روی کارها اندازه‌گیری کنیم، زیرا کارهایی که می‌کنیم می‌دهیم نشان می‌دهند که در مغز ما چه می‌گذرد. بنا بر این، چون نباتات خاموش و بی‌حرکت به چشم می‌آیند و در یک جا ریشه دوانده‌اند، زیاد تیز هوش و زرنگ به نظر نمی‌رسند. اما نباتات نیز حرکت دارند و به اتفاقات محیط خود پاسخ می‌دهند.
نباتات با حساسیت چشم‌گیری کم‌ازکم ۱۵ متغیّر محیطی مختلف را پیوسته بررسی می‌کنند. آن‌ها می‌توانند این پیام‌های ورودی را پردازش کنند و با کمک دسته‌ای از مالیکول‌ها و راه‌های پیام‌رسانی، خود را برای پاسخ درست آماده سازند. بنا بر این، توان محاسبه‌‌گری نباتات بی‌مغز شاید به اندازه‌ بسیاری از حیوانات بامغزی باشد که می‌شناسیم. ساقه‌ در حال رشد می‌تواند با کمک اشعه‌های مادون سرخ، نزدیک‌ترین همسایه‌های رقیب خود را حس کند و پی‌آمد کارهای‌ آن‌ها را پیش‌بینی کند و اگر لازم باشد، به شیوه‌ای از رخ‌دادن آن پی‌آمدها پیش‌گیری کند.
برای مثال، هنگامی که همسایه‌های رقیب به نخل (Stilt) نزدیک می‌شوند همه‌ نبات به ساده‌گی جابه‌جا می‌شود. رایزوم برخی نباتات علفی با انکشاف به سوی بخش بدون رقیب و یا مملو از مواد غذایی، جای زنده‌گی خود را بر می‌گزیند. زردپیچک که نوعی نبات پرازیتی است، طی یک یا دو ساعت پس از نخستین برخوردش با نبات میزبان، توانایی بهره‌برداری از آن را می‌سنجد. خلاصه، نباتات می‌توانند ببینند، بچشند، لمس کنند، بشنوند و ببویند.

دوری از سایه
ساقه‌ در حال رشد می‌تواند با کمک نور مادون‌قرمز، نزدیک‌ترین همسایه‌های رقیبش را حس کند و پی‌آمد کارهای‌ آن‌ها را پیش‌بینی کند و اگر نیاز باشد، به شیوه‌ای از رخ‌دادن آن پی‌آمدها پیش‌گیری کند. این فرآیندها را مالیکول‌هایی به نام فیتوکروم میانجی‌‌گری می‌کنند. فیتوکروم‌ها، گیرنده‌ها و حسگرهای نور در نباتات هستند. هر فیتوکروم از یک بخش دریافت‌کننده‌ نور و یک بخش متحول‌کنند‌ه‌ی پیام تشکیل شده است.
بخش دریافت‌کننده‌ نور ساختمان تتراپیرول دارد و از راه آمینو اسید سیستین به بخش متحول‌کننده‌ که نوعی پروتین است، پیوند می‌شود. فیتوکروم در پاسخ به طول موج‌های گوناگون نور به شکل کارا و ناکارا درمی‌آید. شکل ناکارا «Pr» پس از جذب فوتون‌های سرخ به شکل کارا «Pfr» در می‌آید. «Pfr» که فوتون‌های مادون سرخ را بهتر دریافت می‌کند، در پاسخ به این طول موج‌ها به «Pr» دگرگون می‌شود.

ساز و کار فیتوکروم
در نور خورشید، نسبت نور سرخ به مادون قرمز نزدیک ۲/۱ است. اما در یک جامعه‌‌ نباتی این اندازه کاهش می‌یابد، زیرا کلروپلاست عملیه ترکیب ضیایی، از جمله کلروفیل، نور سرخ را جذب می‌کنند. تغییر در نسبت نورسرخ به مادون قرمز شاخص قابل اطمینانی برای ارزیابی نزدیکی نباتات رقیب است. در جامعه‌های فشرده پرتوهای مادون سرخ که از برگ‌های نباتات بازتاب می‌یابند یا پراکنده می‌شوند، پیام روشن و منحصر به فردی است که از نزدیکی رقیبان آگاهی می‌دهد.
پس از درک نسبت پایینی از نور سرخ به مادون سرخ، نباتی که از سایه دوری می‌گزیند (نبات آفتاب پسند) بر رشد طولی خود می‌افزاید و اگر ترفندهایش کارگر افتند، جنبه‌های دیگر پاسخ دوری از سایه باعث سرعت گرفتن گل‌دهی و تولید پیش از زمان دانه می‌شوند تا بخت ماندگاری افزایش یابد. دانشمندان در آزمایشی گروهی از نباتات را در زیر فیلتری پرورش دادند که نسبت نور سرخ به مادون سرخ را کاهش می‌داد و بنا بر این، پاسخ دوری از سایه را برمی‌انگیخت. این نباتات نسبت به نباتاتی که زیر نور کامل خورشید رشد می کردند، رشد طولی بیش‌تری پیدا کردند. البته، اندازه‌ رشد طولی به اندازه‌ آفتاب‌پسندی نبات ارتباط دارد. نباتات صحرایی نسبت به نباتاتی که به طور معمول در سایه‌ی درختان جنگل رشد می کنند، رشد طولی بیش‌تری پیدا کردند.
فیتوکروم‌ها اغلب فعالیت پروتین‌کینازی را از خود نشان می‌دهند. این مالیکول‌ها با پیوند زدن گروه‌های فاسفیت به پروتین‌ها، فعالیت آن‌ها را تغییر می‌دهند. بر این اساس، آن‌ها با تغییر فعالیت پروتین‌هایی که در تنظیم جین‌ها دخالت دارند، بر فعالیت آن‌ها تاثیر می‌گذارند. جین‌های زیادی در نباتات شناخته شده‌اند که از راه فیتوکروم در پاسخ به نور تنظیم می‌شوند. البته، فیتوکروم‌ها بخشی از پاسخ‌های زیستی را از راه تغییرهایی در تعادل یون‌ها در حجره پدید می‌آورند.

فرار از سایه
نباتات برای دوری از چتری سایه‌انداز همسایه‌گان‌شان، می‌توانند به کارهای چشم‌گیرتری دست بزنند. برای مثال، نخل استیلت (Socratea exorthiza) ساقه‌ای دارد که مانند شخصی که عصا چوب زیر بغل دارد، بر ریشه‌های عصامانند نبات تکیه دارد و اغلب نیز بطور مستقیم با زمین تماس ندارد. نام معمولی این نبات نیز به همین ویژگی اشاره دارد. (واژه استیلت به معنای پایه و تکیه گاه است.) از این رو، این نبات استوایی را می‌توان نخل پایه‌دار نامید.
هنگامی که همسایگان نخل پایه‌دار بر مقدار نور دریافتی نبات تاثیر می‌گذارند یا به منبع غذایی آن دست درازی می‌کنند، نخل فرار را برقرار ترجیح می‌دهد و همه‌ نبات به جایی جابه‌جا می‌شود که بسیار آفتابی است. برای این جابه‌جایی ریشه‌های تکیه‌گاهی جدید به سوی جای آفتابی رشد می‌کنند و ریشه‌های طرف سایه‌انداز شده آرام‌آرام می‌میرند. در این رفتار نبات، به خوبی هدف‌دار کار کردن را می‌بینیم.

در جست‌وجوی غذا
نباتات در جست‌وجوی مواد غذایی می‌توانند خاک پیرامون خود را ارزیابی کنند و به جاهایی سر بکشند که بهترین چیزها در آن جا یافت می‌شوند. دانشمندان به تازگی برای نباتات آزمون‌های هوشی را سامان داده‌اند که به کمک آن‌ها می‌توان دریافت نباتات در کندوکاو پیرامون‌شان تا چه اندازه‌ای خردمندانه کار می‌کنند. آنان با کاشتن نباتات در خاک نامتجانس، یعنی خاکی که قطعه‌های آن از نظر کیفیت مواد غذایی باهم تفاوت دارند، هوش نباتات را می‌سنجد. پیچک باغی (Glechoma hederace) توجه نبات‌شناسان را به خود جلب کرده است.
این نبات همانطور که روی زمین می‌خزد، در دو بعد رشد می‌کند. هر جا که مناسب باشد، از ساقه زیر زمینی آن ریشه‌هایی به سوی زمین و ساقه‌هایی به سوی بالا پدید می‌آیند. وقتی نبات در خاک مرغوبی قرار گیرد، انشعاب و شاخ و برگ بیش‌تری تولید می کند. هم‌چنین، کتله‌هایی از ریشه پدید می‌آورد تا با سرعت بیش‌تری از خاک قطعه‌ای که در آن می‌روید، بهره‌برداری کند. اما هنگامی که این نبات خزنده در قطعه‌ی فقیرتری قرار می‌گیرد، با سرعت بیش‌تری انکشاف خود را به بیرون از آن قطعه، پیش می‌برد تا به هر نوعی از آن‌جا فرار کند.
در این حالت، ساقه‌ی زیر زمینی نبات نازک‌تر است و انشعاب کم‌تری دارد. این تغییر در الگوی رشد باعث می‌شود، ساقه‌های هوایی جدید دورتر از نبات والد شکل گیرند و در محیط تازه‌ای به جست‌وجوی مواد غذایی بپردازند. البته، میزان رشد فقط با کیفیت مطلق یک قطعه ارتباط ندارد، بلکه میزان مرغوبیت آن در مقایسه با قطعه‌های اطراف نیز برای نبات مهم است. در واقع، نبات قطعه‌ای را به عنوان قطعه‌ مرغوب شناسایی می‌کند که دست کم دو برابر سرشارتر از قطعه‌های پیرامون باشد. اما پیش از این پاسخ‌های هوشمندانه، نبات باید بتواند کیفیت قطعه‌ای را که در آن می‌روید بسنجد.
دو پژوهشگر انگلیسی جینی را در نبات رشادی (Arabidopsis) کشف کرده‌اند که به ریشه‌ها این توانایی را می‌دهند که برای پیدا کردن قطعه‌های سرشار از نایترت و نمک‌های آمونیم، خاک را بچشد. فراورده‌ این جین به ریشه‌ها امکان می‌دهد به جای جست‌وجوی تصادفی و پر هزینه، به سوی مواد غذایی رشد کنند. این دو پژوهشگر برای شناسایی جین‌هایی که ممکن است در این کار دخالت داشته باشند، جهش یافته‌های((mutant گوناگونی از رشادی را پرورش دادند تا سرانجام جهش یافته‌ای را پیدا کردند که نمی‌توانست با توسعه‌ ریشه‌های جانبی از ریشه‌های اصلی، به جست‌و‌جوی نایترت بپردازد. به این ترتیب آنان جینی را کشف کردند که برای شناسایی نایتات ضروری است.

ذایقه در نباتات
ریشه‌های نباتات می‌توانند رفتارهای هوشمندانه‌تری نیز از خود بروز دهند. در دانشگاه تگزاس، استنلی روکس و کولین توماس انزایمی به نام آپیراز را بر سطح ریشه‌ها کشف کردند که به آن‌ها توانایی می‌دهد در جست‌وجوی ATPتولید شده از سوی مایکروارگانیزم‌های خاک، قطعه‌های گوناگون خاک را مزه کنند. آپیراز به صورت پروتینی متصل به غشا تولید می‌شود که بخش دارای فعالیت کاتالیزوری آن به سوی بیرون سلول است. این انزایم با فعالیت آب‌کافتی خود فاسفیت گاما و بتا را از مالیکول ATP یا ADP جدا می کند.
نباتات به کمک این انزایم بخشی از فاسفیت معدنی لازم برای رشد خود را بدست می‌آورند. این دو پژوهشگر در آزمایشی نشان دادند، نباتات تراژنی که مقدار زیادی آپیراز تولید می‌کردند، نسبت به نباتات دیگر، رشد بیش تری داشتند. مکنده‌های نبات زردپیچک ((Cuscuta نیز برای غارت بهترین نبات میزبان از حس ذایقه بهره می‌گیرند. این نبات که توان عمل ترکیب ضیایی را ندارد، به دور ساقه‌های میزبان می پیچد و برای بدست آوردن مواد غذایی و آب، ساختارهای مکنده خود را درون آن‌ها فرو می‌کند.
هوش این نبات پرازیتی در ارزیابی مقدار انرژی که می‌توان از میزبان بدست آورد و مقدار انرژی که برای بهره‌برداری از آن باید صرف شود، به کمک نبات می‌آید. از لحظه برخورد پرازیت با نبات میزبان تا آغاز گردآوری مواد غذایی از آن، نزدیک ۴ روز است. این زمان برای ارزیابی میزان پرباری میزبان و تصمیم گیری برای تولید پیچ‌های کم تر یا بیشتر به دور آن، کافی است. پیچ‌های بیش‌تر به تولید مکنده‌های بیش‌تر و در نتیجه بهره‌برداری بیشتر از میزبان می‌انجامند. اما اگر میزبان پربار نباشد تولید پیچ‌های بیش‌تر نوعی هدر دادن انرژی به شمار می‌‌آید.
در دهه ۱۹۹۰ کولین کلی نشان داد راهبردهایی که نبات زردپیچک برای جست‌وجوی بهترین میزبان بکار می‌گیرد، با مدل‌های ریاضی که برای توضیح جنبه‌های اقتصادی جست‌وجوی غذا در جانوران ابداع شده بودند، هم‌آهنگی دارند. بنا بر این، زردپیچک ممکن است زرنگ‌ترین شکارچی پیرامون ما نباشد، اما در جست‌وجوی شکار به خوبی جانورانی که می‌شناسیم، کار می‌کند.

لامسه در نباتات
نباتات گوشتخوار از جمله نبات دیونا (Dionea muscipula) با سرعت شگفت‌آوری به برخورد حشره‌ها با کرک‌های حساس روی برگ‌های‌شان پاسخ می‌دهند. با واکنش گل قهر (Mimosa pudica) به کوچک‌ترین برخورد آشنا هستید. اما این نباتات، تنها نباتاتی نیستند که می‌توانند برخورد را درک کنند. آن‌ها نسبت به دیگر نباتات، فقط لامسه نیرومند‌تری دارند. نباتات معمولی برای پاسخ دادن به کشیدن‌های باد به لامسه نیاز دارند. باد می‌تواند بر میزان شاخ و برگ در نباتات اثر منفی داشته باشد.
از اینرو، نباتات می‌کوشند با تقویت انساج بخش‌هایی که به نوسان درمی‌آیند، در برابر باد پایداری کنند. البته، مصرف کردن انرژی برای انساج ممکن است دهقانان را نگران کند. در یک آزمایش مشاهده شد وقتی نبات جواری هر روز به مدت ۳۰ ثانیه تکان داده شود، میزان محصول تا ۳۰ الی ۴۰ درصد کاهش می‌یابد. پژوهشگران می‌خواهند بدانند چگونه پیام لامسه، بافت‌های محکم‌تری تولید می‌کند. بیش‌تر پژوهش‌های کنونی بالای کلسیم متمرکز شده است. هنگامی که نباتات به طرفی کشیده می‌شوند، یون‌های کلسیم از واکیول‌ها به درون سیتوسول جریان پیدا می‌کنند.
بیرون رفتن این یون‌ها، که تنها یک دهم ثانیه به درازا می‌کشد، به فعال شدن جین‌هایی می‌انجامد که با تقویت دیواره‌ حجره ارتباط دارند. تاکنون پنج جین از این جین‌های لامسه ((TCH شناسایی شده‌اند. یکی از این جینها، رمز ساختن پروتین کالمودولین را در خود دارد که حس‌گر اصلی کلسیم در نباتات و حیوانات است. در سال ۱۹۹۵ جانت برام چهارمین جین لامسه (TCH4) را کشف کرد که انزایمی به نام زیلوگلوکان اندوترانس گیکوزیلاز را رمز می‌دهد. این انزایم بالای دیوار حجره‌ای نباتات اثر می‌گذارد و با تغییرهایی که در اجزای اصلی سازنده‌ آن‌ها پدید می‌آورد، بر قدرت و استحکام آن‌ها می‌افزاید.