آفتابگردان ها حرکات کوچکی برای به حداکثر رساندن قرار گرفتن در معرض خورشید انجام می دهند – فیزیکدانان می توانند آنها را برای پیش بینی نحوه رشد آنها مدل کنند.

بسیاری از ما روز خود را صرف تماشای رشد گیاهان آپارتمانی نمی کنیم. ما نشانه‌های زندگی آنها را فقط گاهی می‌بینیم – برگ جدیدی باز شده، ساقه‌ای که به سمت پنجره متمایل شده است.

اما در تابستان سال 1863، چارلز داروین بیمار در رختخواب دراز کشید و کاری جز تماشای گیاهانش آنقدر از نزدیک نداشت که بتواند حرکات کوچک آنها را به این طرف و آن طرف تشخیص دهد. پیچک‌های بوته‌های خیار او به صورت دایره‌ای جاروب می‌شد تا اینکه با چوبی برخورد کردند که آن را به دور آن پیچیدند.

او می‌نویسد: «من خیلی با پیچک‌هایم سرگرم می‌شوم.

این سرگرمی به شیفتگی چند دهه ای با دنیای کم توجه حرکات گیاهان شکوفا شد. او مشاهدات و آزمایشات دقیق خود را در کتابی به نام «قدرت حرکت در گیاهان» در سال 1880 گردآوری کرد.

در یک مطالعه، او حرکت یک برگ میخک را هر چند ساعت یک بار در طول سه روز ردیابی کرد و یک مسیر نامنظم و ناهموار را آشکار کرد. تکه های پیچک خیار و زاگ برگ های میخک نمونه هایی از حرکات گیاهی ذاتی و همه جا حاضر به نام circumnutation هستند – از لاتین circum به معنی دایره و nutare به معنی سر تکان دادن.

دور زدن از نظر اندازه، منظم و مقیاس زمانی در گونه های گیاهی متفاوت است. اما عملکرد دقیق آنها همچنان نامشخص است.

من یک فیزیکدان هستم که علاقه مند به درک رفتار جمعی در سیستم های زنده هستم. مانند داروین، من مجذوب دور زدن ها هستم، زیرا آنها ممکن است زمینه ساز پدیده های پیچیده تری در گروه های گیاهان باشند.

الگوهای آفتابگردان

یک مطالعه در سال 2017 مشاهدات جالبی را نشان داد که من و همکارانم را در مورد نقش دور زدن در الگوهای رشد گیاهان متعجب کرد. در این مطالعه، محققان دریافتند که آفتابگردان‌هایی که در یک ردیف متراکم رشد می‌کنند، به طور طبیعی یک الگوی زیگزاگی تقریباً کامل را تشکیل می‌دهند، که هر گیاه در جهت‌های متناوب از ردیف متمایل می‌شود.

این الگو به گیاهان اجازه می داد از سایه همسایگان خود دوری کنند و قرار گرفتن در معرض نور خورشید را به حداکثر برسانند. این آفتابگردان ها شکوفا شدند.

سپس محققان برخی از گیاهان را با همان تراکم کاشتند، اما آنها را محدود کردند تا بتوانند فقط به صورت عمودی و بدون تکیه رشد کنند. این گیاهان محدود روغن کمتری نسبت به گیاهانی که می‌توانستند تکیه کنند و حداکثر نور خورشید را دریافت کنند، تولید کردند.

در حالی که کشاورزان به دلیل احتمال شیوع بیماری نمی توانند آفتابگردان های خود را به این نزدیکی رشد دهند، در آینده ممکن است بتوانند از این الگوها برای ارائه استراتژی های کاشت جدید استفاده کنند.

خود سازماندهی و تصادفی

این شکل‌گیری الگوی خود به خود نمونه‌ای منظم از خودسازماندهی در طبیعت است. خود سازماندهی به زمانی اطلاق می‌شود که سیستم‌های نابسامان اولیه، مانند جنگلی از گیاهان یا دسته‌ای از زنبورها، بدون اینکه هیچ چیزی آنها را کنترل کند، به نظم می‌رسند. نظم از تعاملات بین تک تک اعضای سیستم و تعامل آنها با محیط پدید می آید.

سر و صدا – که تصادفی نامیده می شود – تا حدودی به طور غیر مستقیم، سازماندهی خود را تسهیل می کند. کلونی مورچه ها را در نظر بگیرید.

مورچه ها هنگام خزیدن به سمت منبع غذایی، فرمون هایی را پشت سر خود ترشح می کنند. مورچه‌های دیگر این منبع غذایی را با دنبال کردن مسیرهای فرمون پیدا می‌کنند و با ترشح فرمون‌های خود مسیری را که در پیش گرفته‌اند، بیشتر تقویت می‌کنند. با گذشت زمان، مورچه ها در بهترین مسیر برای رسیدن به غذا جمع می شوند و یک دنباله واحد غالب می شود.

اما اگر قرار بود مسیر کوتاه‌تری ممکن شود، مورچه‌ها لزوماً این مسیر را فقط با دنبال کردن دنباله موجود پیدا نمی‌کردند.

اگر چند مورچه به طور تصادفی از مسیر منحرف شوند، ممکن است به مسیر کوتاه‌تری برخورد کنند و دنباله جدیدی ایجاد کنند. بنابراین این تصادفی یک تغییر خود به خودی را به سیستم مورچه ها تزریق می کند که به آنها اجازه می دهد تا سناریوهای جایگزین را کشف کنند.

در نهایت، مورچه های بیشتری مسیر جدید را دنبال می کنند و به زودی مسیر کوتاهتر غالب می شود. این تصادفی به مورچه ها کمک می کند تا با تغییرات محیط سازگار شوند، زیرا تعداد کمی از مورچه ها به طور خود به خود به دنبال راه های مستقیم تری برای رسیدن به منبع غذایی خود هستند.

در زیست‌شناسی، سیستم‌های خودسازمان‌دهی شده را می‌توان در مقیاس‌های مختلفی یافت، از الگوهای پروتئین‌های درون سلول‌ها گرفته تا کلنی‌های پیچیده اجتماعی زنبورهای عسل که به طور جمعی لانه می‌سازند و برای شهد علوفه می‌سازند.

تصادفی در خود سازماندهی آفتابگردان

بنابراین، آیا دور زدن های تصادفی و نامنظم می تواند زیربنای خود سازماندهی آفتابگردان باشد؟

من و همکارانم با پیگیری رشد آفتابگردان های جوانی که در آزمایشگاه کاشتیم، این سوال را بررسی کردیم. با استفاده از دوربین هایی که هر پنج دقیقه از گیاهان تصویربرداری می کردند، حرکت گیاهان را دنبال کردیم تا مسیرهای دور آنها را ببینیم.

چند حلقه و مارپیچ و تعداد زیادی حرکات ناهموار دیدیم. اینها در نهایت تا حد زیادی تصادفی ظاهر شدند، بسیار شبیه میخک داروین. اما وقتی گیاهان را در ردیف‌هایی کنار هم قرار دادیم، آنها شروع به دور شدن از یکدیگر کردند و همان پیکربندی‌های زیگزاگی را تشکیل دادند که در مطالعه قبلی دیده بودیم.

ما اطراف گیاهان را تجزیه و تحلیل کردیم و دریافتیم که در هر زمان معین، جهت حرکت گیاه کاملاً مستقل از نحوه حرکت آن حدود نیم ساعت قبل ظاهر می شود. اگر حرکت یک گیاه را هر 30 دقیقه یک بار اندازه گیری کنید، به نظر می رسد که حرکت آن کاملاً تصادفی است.

ما همچنین میزان رشد برگ های گیاه را در طول دو هفته اندازه گرفتیم. با کنار هم قرار دادن همه این نتایج، تصویری از نحوه حرکت و رشد یک گیاه به خودی خود ترسیم کردیم. این اطلاعات به ما این امکان را می دهد که به صورت محاسباتی یک گل آفتابگردان را مدل سازی کنیم و نحوه رفتار آن را در طول دوره رشد خود شبیه سازی کنیم.

مدل گل آفتابگردان

ما هر گیاه را به سادگی به عنوان یک تاج دایره‌ای روی یک ساقه مدل‌سازی کردیم، با توجه به سرعت رشدی که به صورت تجربی اندازه‌گیری کردیم، تاج گسترش می‌یابد. گیاه شبیه سازی شده به صورت کاملا تصادفی حرکت می کرد و هر نیم ساعت یک “گام” برمی داشت.

ما با تغییر اندازه‌های گام، گل‌های آفتابگردان مدل را با حاشیه‌هایی با شدت کمتر یا بیشتر ایجاد کردیم. در یک انتهای طیف، گل‌های آفتابگردان بسیار بیشتر از آفتابگردان‌های بزرگ قدم‌های کوچک برمی‌دارند، که به طور متوسط ​​منجر به حرکت آهسته و حداقلی می‌شود. در انتهای دیگر گل‌های آفتابگردان قرار داشتند که به اندازه قدم‌های کوچک احتمال برداشتن گام‌های بزرگ را دارند و در نتیجه حرکت بسیار نامنظم را به همراه دارند. آفتابگردان های واقعی که در آزمایش خود مشاهده کردیم، جایی در وسط بودند.

گیاهان برای رشد به نور نیاز دارند و توانایی تشخیص سایه و تغییر جهت رشد خود را در پاسخ تکامل یافته اند.

ما می خواستیم آفتابگردان های مدل ما هم همین کار را انجام دهند. بنابراین، ما آن را طوری ساختیم که دو گیاه که خیلی به سایه یکدیگر نزدیک می شوند، شروع به خم شدن در جهت مخالف کنند.

در نهایت، می‌خواستیم ببینیم آیا می‌توانیم الگوی زیگزاگی را که با آفتابگردان‌های واقعی در مدل خود مشاهده کرده بودیم، تکرار کنیم.

ابتدا گل آفتابگردان های مدل را طوری تنظیم می کنیم که دورهای کوچکی ایجاد کنند. پاسخ‌های اجتناب از سایه آن‌ها را از یکدیگر دور می‌کرد، اما این برای ایجاد زیگزاگ کافی نبود – گیاهان مدل در یک خط گیر کرده بودند. در فیزیک، ما این سیستم را “ناامید” می نامیم.

سپس، گیاهان را طوری تنظیم می کنیم که دورهای بزرگ ایجاد کنند. گیاهان شروع به حرکت در الگوهای تصادفی کردند که اغلب گیاهان را به جای دورتر از هم نزدیکتر می کرد. باز هم، هیچ الگوی زیگزاگی مانند آنچه در میدان دیده بودیم.

اما زمانی که گیاهان مدل را طوری تنظیم می‌کنیم که حرکت‌های نسبتاً بزرگی انجام دهند، شبیه به اندازه‌گیری‌های تجربی ما، گیاهان می‌توانند خود را در یک الگوی زیگزاگی سازماندهی کنند که به هر آفتابگردان در معرض نور قرار گرفتن بهینه می‌دهد.

بنابراین، ما نشان دادیم که این حرکات تصادفی و نامنظم به گیاهان کمک کرد تا محیط اطراف خود را کشف کنند تا ترتیبات مطلوبی را پیدا کنند که برای رشد آنها مفید باشد.

گیاهان بسیار پویاتر از آن چیزی هستند که مردم به آنها اعتبار می دهند. با صرف زمان برای دنبال کردن آنها، دانشمندان و کشاورزان می توانند اسرار آنها را باز کنند و از حرکت گیاهان به نفع خود استفاده کنند.

این مقاله از The Conversation تحت مجوز Creative Commons بازنشر شده است. مقاله اصلی را بخوانید.