یاختههای نگهبان: فرماندهان کوچک تعریق برگ!
روزنه چیست و یاختههای نگهبان کجا قرار دارند؟
اگر زیر یک میکروسکوپ قدرتمند به سطح زیرین برگ یک گیاه نگاه کنید، منافذ کوچک و فراوانی را میبینید که شبیه به دهانهای ریز هستند. به هر کدام از این دهانهها یک روزنه[1] میگویند. هر روزنه توسط دو سلول ویژه به نام یاختههای نگهبان[2] محاصره شده است. این دو سلول معمولاً شکلی شبیه به یک لوبیا یا دو عدد نیمماه دارند که روبروی هم قرار گرفتهاند. فضای خالی بین این دو سلول، مجرای روزنه نامیده میشود.
اکثر روزنهها در سطح زیرین برگها قرار دارند تا از تابش مستقیم آفتاب و تبخیر بیش از حد آب در امان باشند. یاختههای نگهبان بر خلاف سایر سلولهای سطح برگ که معمولاً بیحرکت و صاف هستند، زنده بوده و دارای کلروپلاست[3] (مرکز فتوسنتز) هستند. همین کلروپلاستها به آنها انرژی و توانایی پاسخگویی به سیگنالهای محیطی را میدهند.
| ویژگی | یاختههای نگهبان | یاختههای معمولی اپیدرم |
|---|---|---|
| شکل | کلیهای یا هلالی | مربعی، چندضلعی یا نامنظم |
| کلروپلاست | دارند موفق | ندارند (در بیشتر گیاهان) |
| وظیفه اصلی | کنترل اندازه روزنه | حفاظت و پوشش سطح برگ |
| قابلیت حرکت | تغییر شکل میدهند پویا | ثابت و بیحرکت |
| تراکم در برگ | در هر میلیمتر مربع: بین 50 تا 500 عدد | هزاران عدد؛ بافت اصلی پوشش را تشکیل میدهند |
معمای باز و بسته شدن: یاختههای نگهبان چگونه کار میکنند؟
اساس کار یاختههای نگهبان بر مبنای تغییر تورژسانسTurgor Pressure است. تورژسانس همان فشار آب داخل سلول است. تصور کنید یک بادکنک را از آب پر کنید؛ هرچه آب بیشتری وارد شود، بادکنک سفتتر و کشیدهتر میشود. یاختههای نگهبان نیز دقیقاً همینگونه عمل میکنند.
هنگامی که یاختههای نگهبان پتاسیم یونK+ Ions و سایر مواد محلول را از سلولهای اطراف جذب میکنند، غلظت داخل آنها افزایش یافته و به طور طبیعی آب (از طریق اسمز) به داخل سلولهای نگهبان جریان مییابد. این ورود آب باعث افزایش تورژسانس و متورم شدن سلولها میشود. اما از آنجا که دیوارهٔ سلولی آنها به شکل خاصی ضخیمتر است (ضخامت در نواحی نزدیک به روزنه بیشتر از پشت سلول است)، این تورم باعث میشود سلولها به سمت بیرون خم شده و در نتیجه، مجرای روزنه باز شود.
برعکس، وقتی یونهای پتاسیم از سلولهای نگهبان خارج میشوند، غلظت داخلی کاهش یافته، آب از سلول خارج شده و تورژسانس کم میشود. در این حالت سلولها شل شده و مجرای روزنه بسته میشود. معادلهٔ سادهای که پشت این فرآیند است را میتوان اینگونه نشان داد:
$ \text{ورود K}^+ \text{ و مواد محلول} \rightarrow \text{ورود آب (اسمز)} \rightarrow \text{افزایش تورژسانس} \rightarrow \text{باز شدن روزنه} $
$ \text{خروج K}^+ \rightarrow \text{خروج آب} \rightarrow \text{کاهش تورژسانس} \rightarrow \text{بسته شدن روزنه} $
چه عواملی به یاختههای نگهبان فرمان میدهند؟
یاختههای نگهبان به تنهایی تصمیم نمیگیرند. آنها مانند سنسورهای کوچکی هستند که دائماً در حال دریافت پیام از محیط اطراف خود هستند. مهمترین این پیامها عبارتند از:
| عامل محیطی | تأثیر بر روزنه | دلیل و مثال عملی |
|---|---|---|
| نور | باز میشوند باز | برای جذب CO$_2$ و انجام فتوسنتز. صبحها با طلوع آفتاب، روزنهها باز میشوند. |
| کمآبی | بسته میشوند بسته | برای جلوگیری از هدررفت بیشتر آب. گیاهان در هوای خیلی گرم و خشک روزنهها را میبندند. |
| غلظت CO$_2$ | کمشدن: باز / زیادشدن: بسته | وقتی فتوسنتز شدید است و CO$_2$ داخل برگ کم میشود، روزنه باز میشود تا گاز بیشتری وارد شود. |
| دما | معمولاً زیادشدن تا حدی باعث بازشدن میشود | افزایش دما سرعت واکنشهای شیمیایی درون یاختههای نگهبان را بالا میبرد. اما دمای خیلی بالا به خاطر خطر کمآبی، باعث بسته شدن میشود. |
| باد | میتواند باعث بسته شدن شود | باد باعث افزایش تبخیر از سطح برگ میشود، بنابراین گیاه برای حفظ آب، روزنهها را میبندد. |
آزمایشی ساده برای مشاهدهی کار روزنهها
میتوانید نقش حیاتی یاختههای نگهبان و روزنهها را با یک آزمایش ساده در خانه یا مدرسه ببینید. یک برگ تازه و سالم از یک گیاه (مثل برگ بنفشهی آفریقایی یا برگ پیچک) را جدا کنید. سطح زیرین آن را (جایی که روزنهها فراوانند) با یک لایه نازک ژلهی نفتیVaseline کاملاً بپوشانید. برگ دیگری را به همان شکل انتخاب کنید اما سطح رویی آن را با ژله نفت بپوشانید (رویی که روزنهی کمتری دارد). هر دو برگ را با دمبرگشان داخل دو لیوان جداگانهی آب قرار دهید. پس از یک یا دو روز مشاهده خواهید کرد که برگی که سطح زیرین آن پوشانده شده، پژمردهتر شده است. چرا؟ زیرا با مسدود کردن روزنهها، شما عملاً راه خروج آب (تعرق) و تبادل گازها را بستهاید. این آزمایش به وضوح نشان میدهد که روزنهها مجرای اصلی خروج آب از گیاه هستند و یاختههای نگهبان، دروازهبانان این مجراها هستند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. اگرچه تمرکز و تراکم آنها در برگها (به ویژه سطح زیرین) بسیار زیاد است، اما در ساقههای جوان و گاهی حتی در گلبرگها نیز یافت میشوند. هر جایی از گیاه که نیاز به تبادل گاز با محیط بیرون باشد، ممکن است روزنه و یاختههای نگهبان حضور داشته باشند.
پاسخ: این یک اشتباه رایج است. گیاه باید بین دو نیاز حیاتی تعادل برقرار کند: جذب CO$_2$ برای فتوسنتز و جلوگیری از کمآبی. اگر روزنهها همیشه باز بمانند، گیاه در یک روز گرم و آفتابی به سرعت تمام آب خود را از دست میدهد و پژمرده میشود. بنابراین، بسته شدن دورهای روزنهها یک مکانیسم دفاعی هوشمندانه برای حفظ بقا است.
پاسخ: زیرا خطر از دست دادن آب در هوای مرطوب بسیار کم است. سرعت تبخیر کم است، بنابراین گیاه میتواند با خیال راحتتری روزنهها را باز نگه دارد تا فتوسنتز با حداکثر کارایی انجام شود. این موضوع نشان میدهد یاختههای نگهبان نه تنها به نور و CO$_2$، بلکه به رطوبت هوا نیز حساس هستند.
پاورقی
[1] روزنه (Stoma): به معنی دهانه. جمع آن استوماتا (Stomata) است.
[2] یاختههای نگهبان (Guard Cells): سلولهای محافظ.
[3] کلروپلاست (Chloroplast): اندامک درون سلولی حاوی کلروفیل که فرآیند فتوسنتز در آن انجام میشود.
[4] تورژسانس (Turgor Pressure): فشار هیدرواستاتیک داخل سلول که در اثر ورود آب ایجاد میشود و به سلول استحکام میدهد.
[5] پتاسیم یون (K+ Ions): ذرات باردار پتاسیم که نقش کلیدی در انتقال آب و تغییر تورژسانس سلول دارند.
[6] فتوسنتز (Photosynthesis): فرآیند ساخت مواد غذایی (گلوکز) از آب، دیاکسید کربن و نور در گیاهان.
[7] تعرق (Transpiration): فرآیند خروج آب به صورت بخار از طریق روزنههای برگ.
[8] اپیدرم (Epidermis): لایهٔ بیرونی و محافظتی برگ و ساقهٔ گیاهان.
