روش‌های انطباق گیاهان با تغییرات ناشی از گرمایش زمین/ ۵ استراتژی طبیعی برای زنده ماندن در چالش‌های شدید
تینا مزدکی_تحقیقات در زمینه بزرگ‌ترین انقراض جمعی تاریخ سیاره زمین نشان می‌دهد که برخی از گیاهان با تکیه بر سازگاری‌های ژنتیکی و زیستی خود، توانایی عبور از تغییرات شدید زیست‌محیطی را دارند. از ذخیره‌سازی بذر در خاک و رشد مجدد پس از حوادثی همچون آتش‌سوزی، تا تغییرات در شیوه فتوسنتز و تکامل سریع، این مکانیزم‌ها ممکن است به حفظ بخشی از گونه‌های گیاهی در برابر گرمایش جهانی یاری رسانند. با این وجود، سرنوشت این گیاهان به تنوع ژنتیکی، وضعیت محیطی و میزان ارتباط جمعیت‌های گیاهی مختلف نیز وابسته است.
- حدود ۲۵۱ میلیون سال پیش، انقراض پرمین-تریاس موجب نابودی بیش از ۹۰ درصد از گونه‌های دریایی و تقریباً ۷۰ درصد از گونه‌های خشکی‌زی گردید.
- برخی گیاهان با توانایی رشد مجدد، حتی پس از آتش‌سوزی یا خشکسالی، می‌توانند به حیات خود ادامه دهند.
- ذخیره بذر در خاک به گیاهان اجازه می‌دهد تا در دوره‌های نامناسب زنده بمانند و در شرایط مساعد دوباره جوانه بزنند.
- مطالعه‌ای که بر روی ۵۵ جمعیت از گیاه میمون گل قرمز انجام شد، نشان داد که برخی جمعیت‌ها با فرآیند تکامل سریع به سازگاری با خشکسالی دست یافته‌اند.
- فتوسنتز CAM به برخی گیاهان کمک می‌کند تا با کاهش اتلاف آب در گرمای روز، شرایط سخت زیست‌محیطی را تحمل نمایند.
- حفظ جمعیت‌های بزرگ و به هم پیوسته گیاهی، می‌تواند تنوع ژنتیکی و ظرفیت سازگاری آن‌ها با تغییرات اقلیمی را افزایش دهد.
انقراض بزرگ چه درس‌هایی برای بقای گیاهان ارائه می‌دهد؟
حدود ۲۵۱ میلیون سال پیش، فوران‌های آتشفشانی وسیع در منطقه تله‌های سیبری، حجم عظیمی دی‌اکسید کربن به جو زمین افزود. این فرایند که به مدت تقریباً یک میلیون سال ادامه داشت، منجر به گرمایش شدید در نواحی استوایی، اسیدی شدن اقیانوس‌ها و کاهش سطح اکسیژن آب‌ها گردید.
این رویداد که به نام انقراض جمعی پرمین‌تریاس یا «مرگ بزرگ» شناخته می‌شود، به عنوان شدیدترین انقراض جمعی در تاریخ زمین شناخته می‌شود. با وجود نابودی بخش عظیمی از موجودات زنده، برخی از گیاهان در نواحی نظیر بخش‌هایی از چین امروزی توانستند ادامه حیات دهند و زیستگاه‌هایی را برای حفظ جانوران فراهم کنند.
محققان معتقدند گیاهان به دلیل ناتوانی در جابه‌جایی سریع، در طی میلیون‌ها سال، ابزارهایی برای تحمل شرایط دشوار در همان اکوسیستم‌های خود تکامل یافته‌اند. این ویژگی‌ها می‌توانند در مواجهه با تغییرات اقلیمی کنونی نیز دارای اهمیت باشند.
رشد مجدد؛ راهکاری از سوی گیاهان برای سازگاری با محیط
بسیاری از گیاهان به نسبت جانوران، از انعطاف‌پذیری بیشتری در رشد و شکل‌گیری اندام‌های خود برخوردارند. آن‌ها قادرند شاخه‌های آسیب‌دیده را دوباره رشد دهند و ساختارهای نوینی به وجود آورند که با شرایط زیست محیطی تازه تطابق بیشتری دارند.
ایمی انگرت، گیاه‌شناس دانشگاه بریتیش کلمبیا، اظهار دارد که اکثر گیاهان دارای رشد نامحدود و ساختار ماژولار هستند. به این معنا که رشد آن‌ها در طول زندگی ادامه دارد و از بین رفتن یک بخش به معنای حذف دائمی آن نیست.
برای نمونه، تحقیقات نشان داده‌اند که شاخه‌های جدید و تازه‌روییده درخت بلوط همیشه‌سبز در برخی شرایط، می‌توانند نسبت به شاخه‌هایی که مجدد رشد نکرده‌اند، خشکسالی را بهتر تحمل کنند. برخی گیاهان نیز پس از آتش‌سوزی با استفاده از جوانه‌های محافظت‌شده خود مجدداً رشد می‌کنند. در منطقه فلوریستیک کیپ در آفریقای جنوبی، بسیاری از گونه‌های گیاهی وابسته به آتش هستند و بذرهای آن‌ها برای جوانه‌زنی به شرایط ایجاد شده توسط آتش‌سوزی نیاز دارند.
از دیگر گونه‌ها می‌توان به اکالیپتوس برفی اشاره کرد که حافظه جوانه‌ها را در یک لایه ضخیم پوست درخت نگهداری می‌کند. همچنین، گیاهانی چون گزنه جوانه‌های خود را در زیر خاک قرار می‌دهند تا از گرما، سرما و آتش محافظت شوند.
ذخیره‌ای برای یافتن روزهای بهتر
یکی از استراتژی‌های بقای گیاهان، نگهداری بذر در خاک است. این بذرها می‌توانند برای مدت طولانی در حالت خواب باقی بمانند و زمانی که شرایط محیطی بهبود یافت، جوانه بزنند. دانیل آنستت، بوم‌شناس تکاملی دانشگاه کرنل، «بانک بذر» را به عنوان نوعی ذخیره اطلاعات ژنتیکی توصیف می‌کند که به گیاهان این امکان را می‌دهد که در دوران سخت از بین نروند و در آینده مجدداً رشد کنند.
تحقیقی که در سال ۲۰۲۱ در مجله Nature Communications منتشر شد، اهمیت بانک‌های بذر در افزایش تاب‌آوری گونه‌های گیاهی را مورد بررسی قرار داد. این ذخایر می‌توانند امکان بازگشت گیاهان به چرخه رشد و تولید مثل را بعد از بهبود شرایط فراهم نمایند.
از این رو، حتی اگر بخش عظیمی از پوشش گیاهی در یک ناحیه از میان برود، بذرهای باقی‌مانده در خاک ممکن است پایه‌گذار بازسازی مجدد آن منطقه شوند. البته، این امکان به ماندگاری بذرها و بازگشت شرایط مساعد برای جوانه‌زنی بستگی دارد.
تکامل سریع و تأثیر آن در نجات گیاهان از خشکسالی
تنوع ژنتیکی از عوامل اصلی سازگاری گونه‌ها با شرایط متغیر است. هرچه یک جمعیت دارای تنوع ژنتیکی بیشتری باشد، شانس وجود ویژگی‌هایی که به تحمل شرایط جدید کمک نمی‌کند، افزایش می‌یابد.
در پژوهشی که سال جاری در مجله Science منتشر شد، محققان تغییرات جمعیت‌های گیاه میمون گل قرمز را در ایالات متحده و مکزیک در خلال خشکسالی‌های مداوم از سال‌های ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۸ بررسی کردند. پژوهشگران با تعیین توالی ژنوم ۵۵ جمعیت از این گیاه، بخش‌هایی از ژنوم که به تحمل تنش و خشکسالی مرتبط بودند را شناسایی کردند. نتایج نشان‌دهنده این بود که برخی جمعیت‌ها در مدت زمان نسبتا کوتاهی به تکامل پرداخته و با شرایط جدید سازگار شده‌اند.
این گیاهان از استراتژی‌های متفاوتی برای بقا استفاده می‌کردند. بعضی از آن‌ها به سرعت رشد کرده و گل می‌دادند و بذر خود را پیش از آغاز خشکسالی پاییزی تولید می‌کردند. برخی دیگر با رشد کندتر و حفظ انرژی خود، به تحمل شرایط دشوار پرداخته بودند.
محققان همچنین به این نتیجه رسیدند که تنوع ژنتیکی جمعیت‌ها می‌تواند در پیش‌بینی توانایی آن‌ها برای بقا در برابر خشکسالی موثر باشد. با این حال، هنوز مشخص نیست که این نتیجه به چه اندازه برای تمامی گونه‌های گیاهی قابل تعمیم است.
فتوسنتز انعطاف‌پذیر؛ سازگاری با گرما و کم‌آبی
فتوسنتز فرآیندی است که گیاهان با استفاده از نور، دی‌اکسید کربن و آب، قند تولید می‌کنند. برای تنظیم ورود دی‌اکسید کربن، گیاهان از روزنه‌های کوچکی روی سطح برگ استفاده می‌کنند که باز و بسته شدن آن‌ها بر تبادل گازها و اتلاف آب تأثیرگذار است.
برخی گیاهان از روشی به نام فتوسنتز CAM بهره می‌برند. در این روش، روزنه‌ها عمدتاً در شب باز می‌شوند تا دی‌اکسید کربن جذب و به شکل ترکیبات اسیدی ذخیره گردد. سپس در طول روز از این ترکیبات برای تولید قند استفاده می‌شود.
این روش به کاهش اتلاف آب در ساعات گرم روز کمک می‌کند و در گیاهان بیابانی مانند کاکتوس‌ها و بسیاری از گیاهان گوشتی مشاهده می‌شود. ژن شو، دیرین‌شناس دانشگاه لیدز، و همکارانش در پژوهشی که اخیراً در مجله Nature Ecology & Evolution منتشر شد، شواهدی ارائه دادند که نشان می‌دهد گیاهان با فتوسنتز CAM در دوره انقراض پرمین-تریاس از مزیت خاصی برخوردار بوده‌اند.
بررسی آن‌ها نشان داد که برخی گیاهان لیکوفیت، به عنوان گروهی از گیاهان آوندی باستانی، در زمان وقوع این رویداد به استفاده از این روش فتوسنتز روی آوردند. پژوهشگران بر این باورند که این فرایند در بقای آن‌ها و گسترش بعدی‌شان نقش حیاتی ایفا کرده است.
دو برابر شدن ژنوم؛ فرصتی برای سازگاری بهتر
برخی گیاهان در طول تاریخ تکامل، استراتژی‌های ژنتیکی گسترده‌ای برای مقاومت در برابر تغییرات محیطی به کار گرفته‌اند. یکی از این استراتژی‌ها، دو برابر شدن کل ژنوم است؛ فرایندی که می‌تواند نسخه‌های اضافی از اطلاعات ژنتیکی را در اختیار گیاهان قرار دهد.
بر اساس پژوهشی که در سال جاری در مجله Cell منتشر شد، در ۹ رویداد جداگانه در طول ۱۵۰ میلیون سال گذشته، بسیاری از گیاهان گل‌دار کل ژنوم خود را دو برابر کرده‌اند. نسخه‌های اضافی ژن‌ها می‌توانند امکانات بیشتری برای تغییرات تکاملی و شکل‌گیری ویژگی‌های سازگار با محیط فراهم آورند. پژوهشگران همچنین متوجه شدند که دوره‌های دو برابر شدن ژنوم در مقاطع مختلف زمین‌شناسی و همزمان با رویدادهایی چون گرم‌شدن یا سردشدن جهانی و انقراض‌های جمعی رخ داده‌اند.
با این حال، دو برابر شدن ژنوم به‌تنهایی نمی‌تواند بقای یک گونه را تضمین کند. نتیجه‌گیری نهایی به نحوه تعامل تغییرات ژنتیکی و شرایطی که گیاه در آن قرار دارد وابسته است.
بقا تنها به سازگاری بستگی ندارد
علیرغم وجود این سازوکارها، دانشمندان بر این عقیده هستند که وجود ویژگی‌های سازگارانه به‌تنهایی برای ضامن بقای گیاهان کافی نیست. اینکه کدام ویژگی به کمک یک گونه می‌آید، به نوع و شدت تغییرات محیطی بستگی دارد.
در انقراض پرمین-تریاس، برخی گیاهان در پناهگاه‌های طبیعی و مناطقی با شرایط رضایت‌بخش‌تر باقی مانده و از تنوع ژنتیکی خود برای ادامه حیات استفاده کرده‌اند. موقعیت جغرافیایی و زمان وقوع تغییرات نیز در این بقا مؤثر بودند.
این موضوع در شرایط کنونی تغییرات اقلیمی نیز دارای اهمیت است. ایمی انگرت بر این باور است که حفظ جمعیت‌های بزرگ‌تر و برقراری ارتباط بین زیستگاه‌های جدا مانع از افت تنوع ژنتیکی و کاهش ظرفیت سازگاری آن‌ها خواهد شد. دانیل آنستت نیز هشدار می‌دهد که جدایی جمعیت‌ها می‌تواند به کاهش تنوع ژنتیکی و از دست رفتن بخشی از ظرفیت سازگاری آن‌ها منتهی شود. در نهایت، گیاهان در اختیار دارند مجموعه‌ای از ابزارهای زیستی و تکاملی برای مقابله با تغییرات زیست‌محیطی، اما موفقیت آن‌ها در برابر تغییرات اقلیمی به حفظ تنوع ژنتیکی، اتصال زیستگاه‌ها و شدت تغییرات اقلیمی بستگی خواهد داشت.
منبع: livescience
۵۸۳۲۳