گیاهانی که در یخبندان زنده می‌مانند

با استفاده از یک میکروسکوپ الکترونی اسکن انجمادی ویژه، محققان موسسه جانورشناسی Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) توانستند تصاویری با وضوح بالا از فرآیندهای یخ زدن سطوح گیاهان بومی آلمان و قطب جنوب در در مقیاس نانو تهیه کنند. آنها ساختارهای ریز مختلفی را روی سطوح برگ کشف کردند که با آن گیاهان از خود در برابر دمای پایین محافظت می‌کنند.

درک بهتر این راهبردهای حفاظتی می‌تواند برای حفاظت از محصولات کشاورزی یا سطوح مصنوعی مانند هواپیما نیز جالب باشد. نتایج این کار در مجله The Science of Nature منتشر شده است.

در هوای بسیار سرد، هواپیماها با مایعات خاصی شسته می‌شوند یا با سطوح قابل حرارت ساخته می‌شوند تا از یخ‌زدگی محافظت شوند. علم و صنعت در سراسر جهان در حال بررسی پوشش‌های مناسب برای حمل و نقل هوایی است.

استانیسلاو گورب رئیس گروه تحقیقاتی مورفولوژی عملکردی و بیومکانیک در این زمینه توضیح داد: بسیاری از گیاهان حفاظت طبیعی را در برابر یخ‌زدگی در طول دوره تکامل خود ایجاد کرده‌اند.

بیش از ۲۰ سال است که این جانورشناس به همراه همسرش النا گورب گیاهان را مطالعه می‌کند. برای یافتن اینکه چگونه گیاهان از خود در برابر یخ‌زدگی محافظت می‌کنند، تحقیقات تاکنون بیشتر روی فرآیندهای شیمیایی در سلول گیاهان، مانند قند یا سایر محتوای ضدیخ متمرکز شده است.

تیم تحقیقاتی وی اکنون توانسته است، نشان دهد که ساختار سطحی برگ‌ها نیز در دماهای سرد عملکرد محافظتی مهمی دارند. برای این منظور، این دو محقق تشکیل بلورهای یخ را روی انواع مختلف برگ گیاهان وحشی بومی بررسی کردند.

النا گورب در این زمینه اظهار داشت: ما می‌توانیم نشان دهیم که موهای ریز، موسوم به تریکوم یا لایه‌ای مومی روی برگ‌ها سازگاری مؤثر گیاهان برای جلوگیری یا کنترل یخ‌زدگی مستقیم سطح برگ هستند. اگر لایه‌ای از یخ مستقیم روی کوتیکول تشکیل شود، سلول‌های گیاهی به سرعت یخ می‌زند.

این دو محقق توانستند مکانیسم‌های محافظتی متفاوتی را روی برگ‌ها شناسایی کنند. برگ‌های گیاه با تریکوم، مانند برگ‌های دیزی (Bellis perennis)، معمولاً آب دوست هستند، بنابراین کریستال‌های یخ ابتدا در نوک آنها تشکیل می‌شوند و به محض اینکه دما بالا رفت به سرعت ذوب می‌شوند بنابراین سطح حساس زیرین برگ بدون یخ‌زدگی و آسیب نخورده باقی می‌ماند.

از سوی دیگر، سطوح برگ‌های پوشیده شده با برجستگی‌های مومی در مقیاس نانو، مانند سطوح برخی از گونه‌های لاله (Tulipa gesneriana)، فوق‌آب‌گریز هستند، قطرات آب بلافاصله می‌ریزد که به‌عنوان «اثر نیلوفر آبی» نیز شناخته می‌شود. بلورهای یخ تنها زمانی می‌توانند در اینجا تشکیل شوند که مولکول‌های آب به دلیل نقص در لایه موم در آنجا جمع شوند. اما حتی در این صورت هم به لایه موم آسیب نمی‌رسانند و برگ زیر آن دست نخورده باقی می‌ماند.

گیاهانی با برگ‌های نسبتاً صاف مانند لورل گیلاس (Prunus laurocerasus) در نگاه اول کمترین محافظت را دارند: کریستال‌های یخ می‌توانند در سراسر سطح برگ تشکیل شوند. هنگامی که در معرض نور خورشید قرار می‌گیرد، آب در قسمت‌های پایین‌تر برگ تجمع می‌یابد. هنگامی که دما دوباره کاهش می یابد، این “گودال‌ها” یخ می‌زنند و می‌توانند باعث آسیب دائمی به سلول‌های گیاه شوند.

استانیسلاو گورب گفت: اما از آنجایی که چنین گیاهانی در زمستان زنده می‌مانند، فکر می‌کنیم که از محافظت شیمیایی کافی در برابر یخ‌زدگی برخوردار هستند.

به گزارش ستاد ویژه توسعه فناوری نانو، این تیم تنها قادر به مطالعه بلورهای یخ در مقیاس نانو با میکروسکوپ الکترونی انجمادی بود. برخلاف روش‌های دیگر، نمونه‌های بیولوژیکی در اینجا خشک نمی‌شوند بلکه خیلی سریع منجمد می‌شوند. این ساختار آنها را به خوبی حفظ می‌کند و به آنان اجازه می‌دهد تا در حالت تقریبا اصلی مورد مطالعه قرار گیرند.

این محقق تصریح کرد: گیاهان راه‌های زیادی برای محافظت از خود در برابر سرما در جریان تکامل پیدا کرده‌اند. فعل و انفعالات با آب روی سطح برگ، به ویژه برای توسعه سطوح «ضد یخ»، نوید بینش‌های هیجان‌انگیزی می‌دهد. اما ما هنوز اطلاعات کمی در مورد این فرآیندها داریم.