باز شدن روزنه‌ها در شب: جذب دی‌اکسید کربن در گیاهان CAM
گیاهان چگونه نفس می‌کشند و غذا می‌سازند؟
همه‌ی ما می‌دانیم که انسان‌ها و حیوانات برای نفس کشیدن به اکسیژن نیاز دارند. اما گیاهان چطور؟ گیاهان نیز نفس می‌کشند، اما روش آن‌ها کمی پیچیده‌تر است. آن‌ها برای فرآیند بسیار مهم فتوسنتز به دی‌اکسید کربن (CO2) نیاز دارند. در فتوسنتز، گیاهان با استفاده از انرژی نور خورشید، آب و دی‌اکسید کربن را به قند (غذای گیاه) و اکسیژن تبدیل می‌کنند. معادله‌ی ساده‌ی این فرآیند به صورت زیر است:
دریافت CO2 از طریق منافذ بسیار ریزی در سطح برگ‌ها به نام روزنه5 انجام می‌شود. اما یک مشکل بزرگ وجود دارد: وقتی روزنه‌ها برای جذب CO2 باز می‌شوند، آب نیز از گیاه به صورت بخار خارج می‌شود. این فرآیند تعرق6 نام دارد. برای یک گیاه که در بیابان زندگی می‌کند، از دست دادن آب می‌تواند مرگبار باشد.
راه حل هوشمندانه: متابولیسم اسید کراسولاسه (CAM)
برخی از گیاهان، مانند کاکتوس‌ها و آناناس، یک راه حل فوق‌العاده برای این مشکل پیدا کرده‌اند. آن‌ها از روشی به نام متابولیسم اسید کراسولاسه استفاده می‌کنند. این گیاهان، برخلاف بیشتر گیاهان که روزنه‌های خود را در روز باز می‌کنند، این کار را در شب انجام می‌دهند.
| ویژگی | گیاهان معمولی | گیاهان CAM |
|---|---|---|
| زمان باز شدن روزنه‌ها | روز | شب |
| اتلاف آب (تعرق) | بسیار بالا (به دلیل گرمای روز) | بسیار پایین (به دلیل خنکی شب) |
| محل زندگی معمول | مناطق معتدل و پرآب | مناطق گرم و خشک (بیابان‌ها) |
| مثال‌ها | درخت بلوط، چمن | کاکتوس، آلوئه‌ورا، آناناس |
در شب، هوا خنک‌تر و مرطوب‌تر است. بنابراین، هنگامی که روزنه‌ها باز می‌شوند، گیاه CO2 جذب می‌کند اما آب بسیار کمتری از دست می‌دهد. این CO2 بلافاصله برای فتوسنتز استفاده نمی‌شود (چون نور خورشید وجود ندارد). در عوض، آن را به یک اسید ساده مانند اسید مالیک7 تبدیل و در واکوئل8 سلول‌های خود ذخیره می‌کنند. این کار مانند پر کردن یک بانک ذخیره‌ی غذایی است!
یک روز در زندگی یک کاکتوس: از شب تا روز
بیایید این فرآیند را در یک کاکتوس که در بیابان زندگی می‌کند، قدم به قدم دنبال کنیم:
شب: هوا خنک است. روزنه‌های کاکتوس باز می‌شوند و CO2 جذب می‌شود. این CO2 بلافاصله به اسید مالیک تبدیل و در واکوئل ذخیره می‌شود. برگ‌های کاکتوس در پایان شب به دلیل تجمع این اسیدها، مزه‌ی ترش‌تری دارند.
روز: خورشید می‌درخشد و هوا بسیار گرم می‌شود. کاکتوس برای حفظ آب، روزنه‌های خود را می‌بندد. اکنون، اسید مالیکی که شب قبل ذخیره شده است، از واکوئل خارج می‌شود. با استفاده از انرژی نور خورشید، اسید مالیک تجزیه و CO2 از آن آزاد می‌شود. این CO2 دقیقاً همان چیزی است که برای انجام فتوسنتز و تولید قند نیاز است! بنابراین، گیاه بدون اینکه مجبور باشد در گرمای روز روزنه‌هایش را باز کند، غذا می‌سازد.
کاربردهای شگفت‌انگیز در زندگی ما
این مکانیسم هوشمندانه فقط یک پدیده‌ی علمی جالب نیست؛ کاربردهای عملی زیادی در زندگی انسان دارد. برای مثال، گیاه آلوئه‌ورا که یک گیاه CAM است، به خاطر ژل داخل برگ‌هایش معروف است. این گیاه می‌تواند در شرایط کم‌آبی به خوبی رشد کند، به همین دلیل نگهداری از آن در خانه بسیار آسان است. گیاه آناناس نیز از این گروه است و کشت آن در مناطق گرمسیری رایج است. مطالعه‌ی این گیاهان به دانشمندان کمک می‌کند تا درک بهتری از چگونگی مقابله با کم‌آبی و تغییر اقلیم پیدا کنند. شاید در آینده بتوان ژن‌های مسئول این مکانیسم را به محصولات کشاورزی دیگر منتقل کرد تا در برابر خشکی مقاوم شوند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر، اگرچه اکثر آن‌ها این ویژگی را دارند، اما استثناهایی هم وجود دارد. برخی از ساکولنت‌ها می‌توانند در شرایط خاص، الگوی باز و بسته شدن روزنه‌های خود را تغییر دهند.
پاسخ: دقیقاً! فرآیند اصلی تولید اکسیژن (فتوسنتز) فقط در روز و با نور خورشید انجام می‌شود. در شب، گیاهان CAM نیز مانند سایر گیاهان فقط تنفس سلولی انجام می‌دهند که در آن اکسیژن مصرف و دی‌اکسید کربن تولید می‌شود. بنابراین، قرار دادن تعداد زیادی از این گیاهان در یک اتاق خواب کوچک و دربسته چندان ایده‌ی خوبی نیست.
پاسخ: خیر، معمولاً رشد آن‌ها کند است. دلیل این است که ذخیره‌سازی CO2 در شب و سپس استفاده از آن در روز، یک فرآیند پیچیده و انرژی‌بر است که در مقایسه با فتوسنتز مستقیم در گیاهان معمولی، بازده کمتری دارد. این قیمتی است که آن‌ها برای زنده ماندن در محیط‌های سخت می‌پردازند.
پاورقی
1 Nocturnal Stomatal Opening
2 Crassulacean Acid Metabolism (CAM)
3 Photosynthesis
4 Crassulacean Acid Metabolism
5 Stomata
6 Transpiration
7 Malic Acid
8 Vacuole
9 Adaptation (سازگاری)