روزنه‌ها (Stomata): منافذ میکروسکوپی در برگ‌ها و ساقه برای تبادل گاز
روزنه‌ها چیستند و در کجا قرار دارند؟
اگر بتوانید یک برگ را زیر یک میکروسکوپ قوی قرار دهید، با دنیای شگفت‌انگیزی روبرو خواهید شد. روی سطح برگ، به‌ویژه سطح زیرین آن، منافذ بسیار کوچکی را می‌بینید که شبیه به دهان‌های ریز هستند. این منافذ، روزنه نام دارند. هر روزنه از دو سلول لوبیایی شکل به نام سلول محافظ تشکیل شده است که کنار هم قرار گرفته‌اند و یک سوراخ مرکزی به نام منفذ روزنه۴ را ایجاد می‌کنند. اندازه‌ی این منفذ می‌تواند تغییر کند. گیاهان برای زنده ماندن نیاز به تبادل گاز با محیط دارند. آنها برای انجام فتوسنتز۵ به گاز دی‌اکسید کربن (CO2) نیاز دارند و در طی این فرآیند، گاز اکسیژن (O2) تولید می‌کنند که باید از گیاه خارج شود. این تبادل گاز اصلی‌ترین وظیفه‌ی روزنه‌هاست.
به عنوان یک مثال ساده، می‌توانید روزنه‌ها را مانند پنجره‌های یک ساختمان در نظر بگیرید. ساکنان ساختمان (سلول‌های برگ) برای تهویه‌ی هوا نیاز به باز کردن پنجره دارند تا هوای تازه (CO2) وارد شود و هوای کهنه (O2) خارج گردد. سلول‌های محافظ نیز مانند افرادی هستند که این پنجره‌ها را باز و بسته می‌کنند.
| نام گیاه | محل زندگی | تراکم تقریبی روزنه در هر میلی‌متر مربع | توضیح |
|---|---|---|---|
| کاج | مناطق سرد و کوهستانی | 50-100 | برای کاهش از دست دادن آب، روزنه‌های کمتری دارد. |
| لوبیا | باغچه‌ها و مزارع | 200-300 | نیاز به تبادل گاز سریع برای رشد دارد. |
| نیلوفر آبی | محیط آبی | 500-600 (روی سطح برگ) | روزنه‌ها فقط روی سطح بالایی برگ قرار دارند زیرا سطح زیرین در آب است. |
سلول‌های محافظ: مغز متفکر روزنه
عملکرد هوشمندانه‌ی روزنه‌ها به دلیل وجود سلول‌های محافظ است. این سلول‌ها دیواره‌ی داخلی ضخیم‌تری نسبت به دیواره‌ی خارجی دارند. هنگامی که این سلول‌ها پر از آب می‌شوند (حالت تورژسانس۶)، مانند بادکنک‌های کشیده شده، به سمت بیرون خم می‌شوند و در نتیجه منفذ روزنه باز می‌شود. برعکس، وقتی آب خود را از دست می‌دهند (حالت پلاسمولیز۷)، شل شده و به هم نزدیک می‌شوند و منفذ روزنه بسته می‌شود.
$ 6CO_2 + 6H_2O + \text{انرژی نور} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2 $
دی‌اکسید کربن + آب + نور خورشید → گلوکز (قند) + اکسیژن. روزنه‌ها اجازه‌ی ورود CO_2 و خروج O_2 را می‌دهند.
تعریق: قیمت پرداختی برای تبادل گاز
هنگامی که روزنه‌ها برای جذب CO_2 باز هستند، مقدار زیادی آب به صورت بخار از گیاه خارج می‌شود. به این فرآیند تعریق می‌گویند. اگرچه این عمل باعث از دست رفتن آب می‌شود، اما فواید مهمی نیز دارد. خروج آب از برگ، مانند یک پمپ مکش طبیعی عمل می‌کند که آب و مواد معدنی را از ریشه به ساقه و برگ‌ها می‌کشد. همچنین، این عمل مانند عرق کردن در انسان، به خنک‌کردن سطح برگ کمک می‌کند.
گیاهان چگونه روزنه‌های خود را کنترل می‌کنند؟
گیاهان بر اساس شرایط محیطی، باز و بسته شدن روزنه‌ها را کنترل می‌کنند. این یک مکانیسم دفاعی و بقا است. عوامل اصلی مؤثر بر روزنه‌ها عبارتند از:
- نور: معمولاً با طلوع خورشید، روزنه‌ها باز می‌شوند تا فتوسنتز آغاز شود.
- آب: اگر خاک خشک باشد و گیاه با کم‌آبی مواجه شود، روزنه‌ها بسته می‌شوند تا از هدررفت بیشتر آب جلوگیری کنند.
- غلظت دی‌اکسید کربن: اگر غلظت CO_2 در فضای بین سلولی برگ کم باشد، روزنه‌ها تحریک به باز شدن می‌کنند.
- دما: دمای بسیار بالا می‌تواند منجر به بسته شدن روزنه‌ها شود.
گیاهانی مانند کاکتوس که در بیابان زندگی می‌کنند، یک استراتژی خاص دارند: آنها روزنه‌های خود را فقط در شب باز می‌کنند. در این زمان، هوا خنک‌تر و مرطوب‌تر است، بنابراین هنگام جذب CO_2، آب بسیار کمتری از دست می‌دهند. این نوع فتوسنتز را فتوسنتز CAM۸ می‌نامند.
یک آزمایش ساده برای مشاهده‌ی غیرمستقیم روزنه‌ها
شما می‌توانید اثر تعریق را که توسط روزنه‌ها انجام می‌شود، در خانه مشاهده کنید. یک برگ سالم از یک گیاه گلدانی (مانند شمعدانی) را جدا کنید. سریعاً سطح زیرین برگ را با یک نوار چسب شفاف و پهن بپوشانید و آن را فشار دهید تا کاملاً بچسبد. سپس نوار چسب را به آرامی از برگ جدا کنید. حالا می‌توانید نوار چسب را روی یک شیشه‌ی ساعت یا یک تکه کاغذ قرار دهید. با یک ذره‌بین به دقت به اثر به جا مانده روی چسب نگاه کنید. شما می‌توانید طرح‌هایی را ببینید که مربوط به سلول‌های اپیدرم و احتمالاً جای روزنه‌ها هستند. این یک روش ساده برای درک حضور این ساختارهای میکروسکوپی است.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. اگرچه بیشترین تراکم روزنه‌ها در برگ‌هاست، اما در ساقه‌های جوان و سبز برخی گیاهان نیز یافت می‌شوند. در گیاهانی مانند کاکتوس که برگ ندارند، روزنه‌ها روی ساقه‌ی سبز آنها قرار دارند.
پاسخ: روزنه‌ها برای تبادل گاز طراحی شده‌اند. سطح برگ توسط یک لایه مومی به نام کوتیکول۹ پوشیده شده که آن را ضد آب می‌کند. قطرات آب نمی‌توانند از منفذ روزنه که بسیار کوچک است و توسط این لایه محافظت می‌شود، به راحتی عبور کنند. آب عمدتاً از طریق ریشه جذب می‌شود.
پاسخ: خیر. باز و بسته شدن روزنه‌ها یک فرآیند کاملاً یکنواخت نیست. ممکن است در یک لحظه، برخی روزنه‌ها به دلیل شرایط موضعی کمی بازتر یا بسته‌تر از دیگران باشند. این یک استراتژی است تا گیاه بتواند در شرایط استرس، همزمان هم مقداری فتوسنتز انجام دهد و هم آب خود را حفظ کند.
پاورقی
۱روزنه (Stomata): منافذ کوچک روی سطح برگ و ساقه‌ی گیاهان.
۲تعریق (Transpiration): فرآیند خروج آب به صورت بخار از طریق روزنه‌ها.
۳سلول‌های محافظ (Guard Cells): سلول‌های لوبیایی شکل کنار هر روزنه که اندازه‌ی منفذ را کنترل می‌کنند.
۴منفذ روزنه (Stomatal Pore): سوراخ مرکزی بین دو سلول محافظ.
۵فتوسنتز (Photosynthesis): فرآیند ساخت غذا (گلوکز) توسط گیاهان با استفاده از نور، آب و دی‌اکسید کربن.
۶تورژسانس (Turgor Pressure): فشار داخلی ناشی از آب درون سلول که به آن استحکام می‌دهد.
۷پلاسمولیز (Plasmolysis): از دست دادن آب و جدا شدن غشای سلول از دیواره در اثر آن.
۸فتوسنتز CAM (Crassulacean Acid Metabolism): نوعی فتوسنتز که در آن گیاهان برای کاهش تعریق، جذب CO_2 را در شب انجام می‌دهند.
۹کوتیکول (Cuticle): لایه‌ای مومی روی سطح برگ که مانع از هدررفت آب می‌شود.