قدم زدن در میان یک جنگل بهخوبی نشان میدهد که گیاهان تا چه اندازه میتوانند بلند رشد کنند. درختان سر به آسمان میکشند و برگهایشان برای دسترسی به نور خورشید به سمت بالا امتداد مییابد. این رشد عمودی گیاهان نقش حیاتی در بقای آنها دارد، اما به سامانههای درونی پیچیدهای وابسته است که آب و مواد غذایی را در سراسر گیاه جابهجا میکنند.
این سامانهها یکباره پدید نیامدند. نخستین گیاهان خشکیزی بسیار کوچک بودند و ساختارهای سادهای داشتند. دانشمندان سالها تلاش کردهاند بفهمند چگونه این گیاهان ابتدایی در نهایت به درختان بلند امروزی تبدیل شدند. اکنون یک فسیل گیاهی بیش از ۴۰۰ میلیون ساله سرنخ مهمی از این تحول شگفتانگیز در اختیار پژوهشگران قرار داده است.
گیاهان اولیه چرا کوچک باقی میماندند؟
زمانی که گیاهان برای نخستین بار خشکی را استعمار کردند، اندازه آنها بهشدت محدود بود. گونههای اولیه فاقد ریشه، برگ و بافتهای انتقالدهنده داخلی بودند. به همین دلیل آب و مواد مغذی تنها میتوانستند در فواصل کوتاه جابهجا شوند.
این طراحی ابتدایی، رشد گیاهان را محدود میکرد و آنها را به محیطهای مرطوبی وابسته میساخت که منابع حیاتی در دسترس باقی میماندند.
برای بخش زیادی از قرن گذشته، پژوهشگران تصور میکردند این مشکل راهحل سادهای دارد. بر اساس دیدگاه سنتی، جلبکها به گیاهان خزهمانند تبدیل شدند و این گیاهان نیز بهتدریج به گونههای آونددار با بافتهای انتقالی تخصصی تکامل یافتند. این توالی منطقی به نظر میرسید.
اما پژوهشهای ژنتیکی جدید این روایت ساده را پیچیده کردهاند. مطالعات اخیر نشان میدهد که نیای مشترک گیاهان خشکیزی نه شبیه خزهها بوده است و نه شبیه گیاهان آونددار امروزی. این کشف پرسشهای تازهای درباره شکل ظاهری آن نیا و نحوه عملکرد بافتهای درونیاش مطرح کرده است.
فسیلی که راز رشد درختان را آشکار کرد
منطقه Rhynie Chert در شمال اسکاتلند، برخی از بهترین فسیلهای گیاهی اولیه جهان را در خود حفظ کرده است. در میان آنها گیاهی کوچک به نام Horneophyton lignieri قرار دارد که اوایل قرن بیستم کشف شد.
مطالعات اولیه، بافتهای داخلی این گیاه را نسخهای ابتدایی از سامانههای آوندی مدرن توصیف کرده بودند. اما فناوریهای تصویربرداری پیشرفته، این برداشت را تغییر دادند.
پژوهشگرانی که دوباره این فسیل را با میکروسکوپهای پیشرفته بررسی کردند، جزئیاتی را مشاهده کردند که در مطالعات قدیمی قابل تشخیص نبود. این ویژگیها نشان میداد که Horneophyton از یک طراحی درونی کاملاً متفاوت پیروی میکرد.
«برخلاف گیاهان امروزی که آب و قندها را بهصورت جداگانه منتقل میکنند، Horneophyton این مواد را بهطور همزمان در سراسر بدن خود جابهجا میکرد. چنین سامانه آوندی تاکنون در هیچ گیاه زندهای دیده نشده است.»
دکتر پل کنریک، نویسنده اصلی مطالعه
کشف این سامانه انتقالی منحصربهفرد، درک دانشمندان از تکامل گیاهان اولیه را دگرگون کرد.
یک مسیر مشترک برای انتقال مواد در گیاهان
گیاهان امروزی برای انتقال مواد به دو بافت جداگانه متکی هستند:
- زایلم که آب و مواد معدنی را به سمت بالا منتقل میکند.
- فلوئم که قندهای حاصل از فتوسنتز را در سراسر گیاه توزیع میکند.
این جداسازی به گیاهان امکان میدهد بسیار بلند شوند و ساختارهای بزرگ را پشتیبانی کنند.
اما Horneophyton چنین نبود. بافتهای داخلی آن آب و قندها را از طریق یک نوع سلول مشترک جابهجا میکردند. این روش بازده کمتری داشت، اما گامی مهم فراتر از سادهترین گیاهان خشکیزی بهشمار میرفت.
کنریک و همکارانش با بررسی سهبعدی فسیل، به ساختار درونی آن پی بردند.
«با استفاده از میکروسکوپ لیزری کانفوکال، توانستیم مدلهای سهبعدی از ساختار داخلی Horneophyton بسازیم. این مدلها بهوضوح نشان دادند که این گیاه دارای یک بافت انتقالی نوآورانه است که به مرحلهای اولیه از تکامل سامانه آوندی تعلق دارد.»
این گیاه بهشدت به سلولهای انتقالی وابسته بود. سلولهایی که مواد را بین سلولهای مجاور جابهجا میکنند. چنین سامانهای تنها در فواصل کوتاه کارآمد است و همین موضوع توضیح میدهد چرا Horneophyton با وجود پیچیدگی درونی، کوچک باقی ماند.
درختان چگونه قد کشیدند؟
این ساختار غیرمعمول، بینش تازهای درباره تکامل سامانههای آوندی ارائه میدهد. شواهد جدید نشان میدهد که انتقال قندها پیش از انتقال کارآمد آب تکامل یافته است.
بهنظر میرسد گیاهان اولیه ابتدا مشکل توزیع مواد غذایی را حل کردند و سپس بهتدریج بافتهایی را توسعه دادند که قادر به انتقال حجم زیادی از آب به سمت بالا بودند.
«سامانه آوندی این گیاه عمدتاً از سلولهای انتقالی تشکیل شده بود که هم آب و هم قندها را جابهجا میکردند. این موضوع نشان میدهد سلولهای شبیه فلوئم احتمالاً زودتر تکامل یافتهاند و زایلم بعدها پدید آمده است. چنین سامانهای تنها در گیاهان کوچک قابلکاربرد است.»
Horneophyton دقیقاً در میانه این مسیر تکاملی قرار میگیرد؛ جایی میان نخستین گیاهان خشکیزی و گونههای آونددار پیشرفتهتر.
رقابت، برتری و حذف
منطقه Rhynie Chert چندین گونه گیاهی را حفظ کرده است که همزمان در کنار یکدیگر زندگی میکردند. برخی از آنها از سامانههای داخلی پیشرفتهتری برخوردار بودند.
برای نمونه، Asteroxylon دارای زایلم و فلوئم کاملاً جداگانه بود. همین ویژگی به آن اجازه میداد از Horneophyton بلندتر رشد کند.
این جداسازی یک مزیت بزرگ محسوب میشد. گیاهانی که میتوانستند قد بکشند و ساختار درختی بسازند، نور بیشتری دریافت میکردند و سریعتر در خشکی گسترش مییافتند. در نهایت، گونههایی با سامانههای انتقالی کاملاً تفکیکشده بر محیطهای خشکی مسلط شدند.
Horneophyton مسیر متفاوتی را پیمود. سامانه ترکیبی آن بهسرعت منسوخ شد و هیچ بازمانده مستقیمی از خود بر جای نگذاشت. با این حال، فسیل این گیاه مرحلهای حیاتی از تاریخ تکامل گیاهان را ثبت کرده است.
بازنگری در رشد اولیه درختان
بسیاری از فسیلهای گیاهی اولیه با فرضیات مدرن تفسیر شدهاند؛ فرضیاتی که گاهی ماهیت واقعی آنها را پنهان کردهاند.
بازبینی این نمونهها با ابزارهای نوین نشان میدهد که تکامل گیاهان اولیه تا چه اندازه آزمایشی و متنوع بوده است.
«این گیاهان مدتهاست شناخته شدهاند، اما اغلب در قالب دستهبندیهایی قرار داده شدهاند که با آنها سازگار نیست. وقتی پیشفرضهای قدیمی را کنار میگذاریم و با فناوری مدرن به آنها نگاه میکنیم، میبینیم بافتهایشان کاملاً متفاوت از انتظار ماست.»
هر فسیل بازبینیشده، لایهای تازه به داستان سبز شدن زمین میافزاید. مدتها پیش از آنکه جنگلها پدید آیند، گیاهان کوچک راهحلهای گوناگونی را برای زندگی در خشکی آزمودند. یکی از همان آزمایشها امروز به ما کمک میکند بفهمیم زمین چگونه به سیارهای سبز تبدیل شد.
این پژوهش در مجله علمی New Phytologist منتشر شده است.
اگر به تکامل گیاهان و تاریخچه شکلگیری جنگلها علاقهمند هستید، سایر مقالات علمی ما را مطالعه کنید و دیدگاه خود را در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.
