كيف تحمي النباتات نفسها من الجليد؟
عندما تنخفض درجات الحرارة البيئية إلى ما دون الصفر، تتشكل بلورات الجليد على العديد من أوراق النباتات دائمة الخضرة، وعادة ما ينجون من مراحل الصقيع دون أن تصاب بأذى.
باستخدام المجهر الإلكتروني الخاص بالمسح الضوئي بالتبريد، تمكن باحثون من معهد علم الحيوان في كريستيان ألبريشت- جامعة زو كيل (CAU) من التقاط صور عالية الدقة لعمليات الجليد على أسطح النباتات في ألمانيا والقارة القطبية الجنوبية على المقياسين الجزئي والنانوي لأول مرة. في هذه العملية، اكتشفوا العديد من الهياكل الصغيرة على أسطح الأوراق التي تحمي بها النباتات نفسها من درجات الحرارة المنخفضة.
قد يكون الفهم الأفضل لهذه الاستراتيجيات الوقائية مفيدًا أيضًا لحماية المحاصيل أو الأسطح الاصطناعية مثل الطائرات. نُشرت النتائج في المجلة العلمية The Science of Nature .
الإلهام للأسطح الاصطناعية المضادة للجليد
يتم معالجة الطائرات بسوائل خاصة أو يتم تصنيعها بأسطح قابلة للتسخين لحمايتها من الجليد. يبحث العلم والصناعة في جميع أنحاء العالم عن الطلاءات المناسبة للطيران. يوضح البروفيسور ستانيسلاف جورب، المتخصص في مجال والميكانيكا الحيوية: ” طورت العديد من نباتاتنا البرية الحماية الطبيعية الخاصة بها ضد الجليد على مدار التطور”. لأكثر من 20 عامًا، كان عالم الحيوان يدرس أسطح النباتات في جامعة كاليفورنيا مع زوجته الدكتورة إيلينا جورب، عالمة النبات من خلال التدريب.
العمليات الكيميائية للخلايا النباتات
لمعرفة كيف تحمي النباتات نفسها من الجليد، ركزت الأبحاث حتى الآن بشكل أساسي على العمليات الكيميائية في خلايا النباتات، مثل السكر أو غيره من المواد المضادة للتجمد. تمكن فريق البحث من Kiel الآن من إظهار أن البنية السطحية للأوراق لها أيضًا وظيفة وقائية مهمة في درجات الحرارة الباردة.
لهذا الغرض، قام الباحثان بفحص تكوين بلورات الجليد على أنواع مختلفة من أوراق النباتات البرية المحلية. “يمكننا أن نظهر أن الشعر الناعم، أو ما يسمى بالترايخومات، أو الطبقة الشمعية على الأوراق هي تكيفات فعالة للنباتات لمنع أو السيطرة على الجليد مباشرة على سطح الورقة. إذا تشكلت طبقة من الجليد مباشرة على البشرة، فإن خلايا النبات سوف يتجمد قريبًا أيضًا “، كما تقول إيلينا جورب.
تطور أسطح الأوراق تكيفات مختلفة
من خلال التحقيقات في الطبيعة وفي المختبر، تمكن الباحثان من تحديد آليات الحماية المختلفة على الأوراق.
عادة ما تكون أوراق النبات ذات الأشكال ثلاثية الألوان، مثل أوراق الأقحوان (بيليس بيرينس)، محبة للماء. لذلك تتشكل بلورات الجليد أولاً عند أطرافها وبمجرد ارتفاع درجات الحرارة مرة أخرى، فإنها تذوب مرة أخرى بسرعة هنا. يظل سطح الورقة الحساس تحتها خاليًا من الجليد وغير تالف.
من ناحية أخرى، فإن أسطح الأوراق المغطاة بإسقاطات شمعية نانوية ثلاثية الأبعاد، مثل تلك الخاصة ببعض أنواع الخزامى (Tulipa gesneriana)، شديدة المقاومة للماء: قطرات الماء تتدحرج على الفور، والمعروفة أيضًا باسم “تأثير اللوتس”. يمكن أن تتشكل بلورات الجليد هنا فقط إذا توقفت جزيئات الماء بسبب عيوب في طبقة الشمع. ولكن حتى مع ذلك، فإنها لا تلحق الضرر بطبقة الشمع وتظل الورقة الموجودة تحتها سليمة.
وجد العلماء إستراتيجية الشمع المضاد للجليد للنباتات ليس فقط في ألمانيا، ولكن أيضًا في الدائرة القطبية الجنوبية: ديشامبسيا أنتاركتيكا، أحد النباتات المزهرة الوحيدين في القارة القطبية الجنوبية، حتى أنه يتمتع بحماية مزدوجة مع تغطية شمعية بارزة تتكون من طبقتان متراكبتان على جانبي الورقة. يفترض الباحثون في منشور حديث آخر في مجلة Beilstein Journal of Nanotechnology أن الشمع ذو الطبقتين قد يساهم بشكل أكبر في تكيف النبات مع الظروف البيئية القاسية في أنتاركتيكا بسبب زيادة مقاومته لدرجات الحرارة الباردة، والجليد، والأشعة فوق البنفسجية الضارة، وتجفيف.
النباتات ذات الأوراق الناعمة نسبيًا مثل غار الكرز (Prunus laurocerasus) هي الأقل حماية للوهلة الأولى: يمكن أن تتشكل بلورات الجليد على السطح بالكامل. عند التعرض لأشعة الشمس، تتراكم المياه الذائبة في المناطق السفلية من الورقة. عندما تنخفض درجات الحرارة مرة أخرى، تتجمد هذه “البرك” ويمكن أن تسبب ضررًا دائمًا لخلايا النبات. ويشك ستانيسلاف غورب في أنه “بما أن مثل هذه النباتات تعيش في الشتاء، فإننا نعتقد أن لديها حماية كافية ضد التجمد الكيميائي”.
يتيح المجهر المبرد الحصول على صور عند 140 درجة تحت الصفر.
الفريق قادرًا فقط على دراسة بلورات الجليد النانوية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح بالتبريد. على عكس الطرق الأخرى، لا يتم تجفيف العينات البيولوجية هنا ولكن يتم تجميدها بسرعة كبيرة. هذا يحافظ على هياكلها جيدًا ويسمح بدراستها في حالتها الأصلية تقريبًا. للقيام بذلك، قام العلماء بتجميد الأوراق عن طريق غمس الأوراق لفترة وجيزة في النيتروجين السائل عند 196 درجة تحت الصفر. في المجهر، الذي تم تبريده إلى 140 درجة تحت الصفر، يمكن الآن التقاط صور عالية الدقة لبلورات الجليد الناتجة. في درجة حرارة الغرفة، تذوب بلورات الثلج مرة أخرى ويمكن تكرار العملية. وبهذه الطريقة، يمكن تقليد ذوبان متوسط في الطبيعة مثل ضوء الشمس أثناء النهار.
يلخص ستانيسلاف غورب: “في النهاية، طورت النباتات طرقًا عديدة لحماية نفسها من البرد أثناء التطور”. تعد التفاعلات على وجه الخصوص مع الماء على سطح الورقة بأفكار مثيرة، وكذلك لتطوير الأسطح التقنية “المضادة للتجمد”. “لكننا ما زلنا نعرف القليل جدًا عن هذه العمليات”.
