آیا گیاهان از تغییرات آب و هوایی جان سالم به در خواهند برد؟ "مرگ بزرگ" سرنخ هایی را در مورد انعطاف پذیری آنها فاش می کند.

حدود 251 میلیون سال پیش، فوران های آتشفشانی بیشتر حیات روی زمین را از بین برد. برای حدود یک میلیون سال، تله‌های سیبری در روسیه ابرهای عظیمی از دی اکسید کربن را به جو پرتاب کردند که منجر به شدیدترین رویداد انقراض در تاریخ سیاره ما شد.

دمای استوایی افزایش یافت و بسیاری از زمین ها را برای زندگی بسیار گرم کرد. در همین حال، اقیانوس ها اسیدی شدند و بیشتر موجودات موجود در آنها به دلیل کمبود اکسیژن خفه شدند. این انقراض که به عنوان انقراض دسته جمعی پرمین-تریاس یا "مرگ بزرگ" شناخته می شود، در نهایت بیش از 90 درصد از حیات اقیانوس ها و 70 درصد از گونه های زمینی را نابود کرد.

با این حال، در گوشه ای از چین کنونی، پناهگاهی از گیاهان مولد گرده از این سرنوشت دور شد و واحه ای برای جانوران زنده به وجود آورد. تحقیقات نشان می‌دهد که این تنها جایی نبود که گیاهان توانستند تغییرات آب و هوایی فاجعه‌بار را در طول مرگ بزرگ تحمل کنند و ممکن است گیاهان بهتر از سایر موجودات در برابر رویداد انقراض مقاومت کنند.

کریس توماس، بوم‌شناس و زیست‌شناس تکاملی در دانشگاه یورک در بریتانیا، به لایو ساینس گفت: «گیاهان واقعا گاهی اوقات انعطاف‌پذیری زیادی دارند، زیرا نمی‌توانند به صورت جداگانه حرکت کنند، و حتی به عنوان یک جمعیت، در حرکت خیلی خوب نیستند. او گفت که در نتیجه، بسیاری از گیاهان مکانیسم هایی را برای زنده ماندن در محل با وجود شرایط دشوار تکامل داده اند.

از آنجایی که تغییرات آب و هوایی دمای جهانی را افزایش می‌دهد و اکوسیستم‌ها را دچار تحول می‌کند، گیاهان باید بار دیگر از این انعطاف‌پذیری استفاده کنند. بسیاری از گونه های گیاهی سازگاری های منحصر به فردی را ایجاد کرده اند که به آنها کمک می کند شرایط سخت را تحمل کنند. کارشناسان به Live Science گفتند که این سازگاری‌ها - همراه با مقدار زیادی شانس - اکنون تفاوت بین بقا و انقراض را تعیین خواهند کرد.

رشد با جریان

برخلاف بسیاری از حیوانات، بسیاری از گیاهان توانایی بازسازی اندام ها را دارند - و این اندام ها می توانند آنها را بهتر با شرایط محیطی جدید سازگار کنند. گیاهان به طور کلی انعطاف پذیری رشدی بالاتری نسبت به حیوانات دارند، به این معنی که انعطاف پذیری بیشتری برای تغییر نحوه رشد و نمو سلول ها و بافت هایشان دارند.

امی آنگرت، گیاه شناس در دانشگاه بریتیش کلمبیا در کانادا، به لایو ساینس گفت: بسیاری از گیاهان دارای چیزی هستند که ما آن را رشد نامشخص و طرح های بدن مدولار می نامیم. رشد نامعین به این معنی است که یک موجود زنده در طول عمر خود به طور نامحدود به رشد و توسعه ادامه می دهد.

"اگر ما یک بازوی خود را از دست می‌دادیم، برای همیشه از بین می‌رفت. اما روی گیاهان، اگر شاخه‌ای را قطع کنید، آنها می‌توانند شاخه‌های جدیدی را جوانه بزنند و آن دسته‌های جدید می‌توانند سیگنال‌هایی را از محیط فعلی دریافت کنند، به‌جای اینکه با نوعی برنامه‌های توسعه از محیط گذشته گیر کنند."

به عنوان مثال، محققان دریافتند که جوانه‌های درختان بلوط (Quercus ilex) نسبت به آنهایی که جوانه زده‌اند بهتر می‌توانند با خشکسالی کنار بیایند.

و از آنجایی که جوانه ها می توانند به خواب بروند، بسیاری از گونه های گیاهی می توانند پس از رویدادهای فاجعه بار مانند آتش، جوانه بزنند. به عنوان مثال، منطقه کیپ فلوریستیک در آفریقای جنوبی، کوچکترین از شش پادشاهی شناخته شده گل در جهان است و بیشتر گونه های گیاهی آن به آتش وابسته هستند - گیاهان آن پس از آتش جوانه می زنند و بسیاری از دانه های آنها برای جوانه زدن به آتش نیاز دارند.

برخی از گیاهان، مانند صمغ برفی (Eucalyptus pauciflora)، دارای یک لایه ضخیم از پوست عایق برای محافظت از جوانه های خود هستند، در حالی که برخی دیگر مانند گزنه (Urtica dioica) آنها را در زیر زمین در یک "بانک غنچه" دفن می کنند. خاک جوانه های بذر را از گرما و سرمای شدید عایق می کند و بیشتر گیاه را از شرایط تهدید کننده حیات محافظت می کند. این سازگاری گسترده به گیاهان علفی اجازه می دهد تا در طول زمستان و گیاهان دارای پیاز برای مخفی کردن بافت های خود از آسیب های آتش سوزی دوام بیاورند.

آدامس برفی (Eucalyptus pauciflora) زیر برف در کوه فرانکلین، پارک ملی Namadgi، استرالیا. (اعتبار تصویر: Auscape از طریق Getty Images) ذخیره سازی دانه ها برای زمان های بهتر

گیاهان همچنین می توانند دانه ها را در زیر زمین در مواقع دشوار ذخیره کنند. تقریبا 350000 گونه گیاهی بذر تولید می کنند. برای بیشتر این گونه‌ها، دانه‌ها حاوی نسخه‌های کوچک خفته گیاه جوان هستند، با تمام ساختارهایی که به برگ و ریشه تبدیل می‌شوند.

دانیل آنستت، اکولوژیست تکاملی در دانشگاه کرنل، به لایو ساینس گفت: "بذرها می توانند اساسا در حالت سکون در خاک زندگی کنند." "شما می توانید بانک بذری داشته باشید که بذرهای خاصی ممکن است در آنجا برگردند، و دسترسی به کتابخانه عقب مانده اطلاعات ژنتیکی وجود دارد که بسیاری از گیاهان در نهایت می توانند از آن استفاده کنند."

بانک بذر ابزاری حیاتی برای انعطاف پذیری در بسیاری از گونه های گیاهی است. بر اساس مقاله ای که در سال 2021 در مجله Nature Communications منتشر شد، آنها فرصتی را برای افراد غیرفعال متابولیک ایجاد می کنند تا با بهبود شرایط محیطی دوباره زنده شوند. نویسندگان نوشتند: "وقتی خوش شانس باشند، حداقل برخی از این افراد در آینده زمانی که محیط برای رشد و تولیدمثل مساعدتر باشد، بیدار خواهند شد."

تکامل سریع

بانک های بذر همچنین می توانند مخازن تنوع ژنتیکی باشند که برای سازگاری با محیط های جدید ضروری است.

آنگرت گفت: "مواد خام برای سازگاری از تنوع ژنتیکی می آید." تنوع ژنتیکی در جمعیت‌های بزرگ بزرگ‌تر است، و تنوع ژنتیکی می‌تواند بین جمعیت‌ها با تغییر محیط به اشتراک گذاشته شود - اگر افراد بتوانند با موفقیت بین آنها پراکنده شوند.

در مقاله‌ای که در اوایل سال جاری در مجله Science منتشر شد، محققان از جمله Angert و Anstett نشان دادند که تکامل سریع جمعیت گل میمون قرمز (Erythranthe cardinalis) را از خشکسالی طولانی در ایالات متحده و مکزیک بین سال‌های 2010 تا 2018 نجات داد.

Anstett توضیح داد: "آنها یا می توانند خیلی سریع رشد کنند، گل دهند و قبل از تأثیر خشکسالی پاییزی بذر بدهند، یا می توانند بسیار آهسته تر رشد کنند و پایین بیایند."

گل میمون قرمز (Erythranthe Cardinalis) در آزمایش خشکسالی گلخانه ای. (اعتبار تصویر: دانیل آنستت) محققان توالی ژنوم 55 جمعیت گل میمون قرمز را تعیین کردند تا مناطقی را در ژنوم آنها پیدا کنند که با استرس و خشکسالی مقابله می کند. آنها جمعیت ها و چگونگی تغییر آنها را در طول دوره پیگیری کردند. برخی از جمعیت ها برای کنار آمدن با محیط در حال تغییر، تکامل سریعی را تجربه کردند.

آنها دریافتند که بر اساس تنوع ژنتیکی جمعیت ها، می توانند پیش بینی کنند که آیا یک جمعیت می تواند از خشکسالی جان سالم به در ببرد - حتی قبل از شروع آن.

در حالی که این تنها یک گونه گیاهی است، Anstett معتقد است که می تواند در مورد سایر موجودات نیز صادق باشد.

فتوسنتز انعطاف پذیر

برخی از گیاهان قادر به تغییر نحوه تولید انرژی برای تحمل یک محیط متغیر هستند. این همان چیزی است که ژن ژو، گیاه‌شناس دیرینه در دانشگاه لیدز در بریتانیا، فکر می‌کند که به برخی از گونه‌های گیاهی اجازه می‌دهد تا از انقراض دسته جمعی پرمین-تریاس جان سالم به در ببرند و ممکن است در آب و هوای متغیر امروزی اهمیت فزاینده‌ای برای گیاهان پیدا کنند.

گیاهان از فتوسنتز برای تبدیل دی اکسید کربن و آب به قند و اکسیژن استفاده می کنند و از روزنه ها یا منافذ کوچک روی سطح برگ خود برای تنظیم میزان دی اکسید کربن وارد شده به گیاه استفاده می کنند.

مخروط زایشی (strobilus) یک لیکوفیت تریاس از جنوب چین. طول آن تقریبا 2.4 اینچ (6 سانتی متر) است. (اعتبار تصویر: ژن خو) بسیاری از گیاهان روزنه های خود را در طول روز باز می کنند تا CO2 وارد آن شده و اکسیژن آزاد کنند. برخی دیگر از فتوسنتز CAM که مخفف "متابولیسم اسید کراسولاسه" است برای بستن روزنه های خود در طول روز و محافظت از خود در برابر گرما استفاده می کنند. آنها در شب CO 2 را جذب می کنند و آن را به اسید تبدیل می کنند و آن را در بافت های خود ذخیره می کنند تا در طول روز از آن برای تولید قند استفاده شود.

Xu به Live Science گفت: «فتوسنتز CAM در گیاهان بیابانی امروزی مانند کاکتوس و ساکولنت بسیار رایج است. "این یک راه بسیار هوشمندانه برای فرار از دمای بالا یا خشکی در طول روز است."

در مطالعه‌ای که در اوایل سال جاری در مجله Nature Ecology & Evolution منتشر شد، Xu و همکارانش نشان دادند که گیاهانی که از فتوسنتز CAM استفاده می‌کردند، در طول انقراض دسته جمعی پرمین-تریاس یک مزیت داشتند.

آنها دریافتند که Lycophytes، یا گیاهان آوندی باستانی، در حوالی زمان انقراض دسته جمعی به فتوسنتز CAM روی آوردند. خو گفت: "ما فکر می کنیم فتوسنتز CAM ممکن است استراتژی خاصی برای بقا باشد" و به این گیاهان اجازه داد تا پس از انقراض دسته جمعی تسلط پیدا کنند.

هیولاهای امیدوار

برخی از گیاهان حتی به طول های شدیدتر می روند. تحقیقات گذشته نشان می‌دهد که در طی رویدادهای فاجعه‌بار، گیاهان برای زنده ماندن از تحولات محیطی به "هیولاهای امیدوار" تبدیل شده‌اند.

بر اساس تحقیقات منتشر شده در مجله Cell در اوایل سال جاری، در 9 رویداد جداگانه در 150 میلیون سال گذشته، بسیاری از گیاهان گلدار کل ژنوم خود را تکرار کردند تا شانس بیشتری برای بقا داشته باشند. ژنوم تکراری به آنها فرصت های بیشتری برای تکامل و سازگاری با شرایط محیطی چالش برانگیز می دهد.

ایو وان دی پیر، یکی از نویسندگان این مطالعه، زیست شناس ژنوم در دانشگاه گنت در بلژیک، به Live Science در آن زمان گفت: «ما خوشه هایی از تکثیر کل ژنوم را در زمان می بینیم و هر بار که با یک رویداد زمین شناسی توصیف شده و مهم مطابقت دارد، خواه دوره خنک شدن جهانی باشد، خواه یک دوره گرمایش جهانی باشد یا یک رویداد انقراض.

به شانس خلاصه می شود

کارشناسان به Live Science گفتند با این حال، بقای جمعیت‌ها یا گونه‌های گیاهی خاص اغلب به شانس خلاصه می‌شود.

آنستت گفت: گیاهان «اساسا این ابزار وسیع را دارند» اما «برخی از گیاهان مسیرهایی دارند و گیاهان دیگر مسیرهای دیگری دارند و برخی دارای برخی ویژگی‌ها و برخی دیگر». این که آیا ابزار خاصی که در اختیار دارند کمک خواهد کرد یا خیر بستگی به شرایطی دارد که با آن روبرو هستند.

در طول انقراض دسته جمعی تریاس-پرمین، گیاهان در رفوژیا در چین (و جاهای دیگر) در زمان مناسب در مکان مناسب قرار گرفتند، با مجموعه مناسبی از سازگاری های بالقوه در اختیارشان و تنوع ژنتیکی کافی برای استفاده از آنها.

انحصاری Live Science Pro

«سیبی که می‌خورید، سیبی نیست که نوه‌تان می‌خورد»: منوی غذا در دنیایی که گرم می‌شود چیست؟

"اگر کشوری وجود دارد که این کار را انجام دهد، آن چین است": چرا چین برخی از قدرتمندترین رودخانه های جهان را هزاران مایل منحرف می کند؟

یک "آخرالزمان حشره" در حال پیشروی می تواند منابع غذایی جهانی را به خطر بیندازد. آیا می توانیم قبل از اینکه خیلی دیر شود آن را متوقف کنیم؟

همین امر در مورد گونه های امروزی که با تغییر آب و هوا و انقراض احتمالی روبرو هستند نیز صادق است. آنگرت گفت راه‌هایی برای «خوش‌شانس‌تر کردن» گونه‌های گیاهی در سال‌های آینده وجود دارد، مانند اتصال جمعیت‌های تکه تکه‌شده برای افزایش تنوع ژنتیکی، که مجموعه ابزارهای بالقوه در اختیار گونه‌های گیاهی را افزایش می‌دهد.

او گفت: «بهترین کاری که می‌توانیم انجام دهیم این است که جمعیت‌های بزرگ‌تر و مرتبط‌تر را در چشم‌انداز باقی بگذاریم.

آنستت موافقت کرد. اگر ارتباط جمعیت‌ها واقعا قطع شود، به طور بالقوه ما هر ابزاری را که این گیاهان برای سازگاری دارند، از بین می‌بریم.»

به ما در بهبود Live Science Pro کمک کنید: ما همیشه در تلاش هستیم تا محتوای خود را بهتر کنیم. نظرات خود را در مورد Pro در اینجا برای ما بگذارید.