متى فو شوانغ لي، عالم الكيمياء الحيوية وعالم الأبحاث في معهد وايتهيد في كامبريدج ، ماساتشوستس ، احتاج إلى بعض حبوب اللقاح لأبحاثه ، كان يعرف إلى أين يذهب. في كل ربيع ، تُطلق أشجار الصنوبر التي تحلق حول والدن بوند في كونكورد سحبًا من حبوب اللقاح الذهبية التي تغطي المياه وتتجمع في دوامات مجرية على الشاطئ. يختتم هنري ديفيد ثورو ، الذي أمضى عامين في العيش بجانب البركة في أربعينيات القرن التاسع عشر ، روايته الشهيرة للتجربة بوصف الكثير من حبوب اللقاح ، "كان من الممكن أن تجمع برميلًا ممتلئًا."
كان لي جالسًا على حافة البركة مرتديًا هوديًا أسود وبنطلونًا رياضيًا ، غمس في أنبوب اختبار ، وسحب بضع مئات من الملليترات من الماء المحمّل بحبوب اللقاح وأي شيء آخر كان ينمو فيه. لقد كان بعيدًا عن كونه برميلًا مليئًا بالمادة ، لكنه كان أكثر من كافٍ لجهود لي لدراسة التركيب الجزيئي للقشرة الخارجية لحبوب اللقاح. المادة التي تتكون منها القشرة ، التي يطلق عليها اسم سبوروبولينين ، شديدة الصلابة لدرجة أنه يُطلق عليها أحيانًا اسم الماس في عالم النبات.
لأكثر من قرن ، حاول العلماء فهم الأساس الكيميائي لقوة sporopollenin التي لا مثيل لها. يحمي Sporopollenin الحمض النووي في حبوب اللقاح والجراثيم من الضوء والحرارة والبرودة والجفاف. بدونها ، لن تتمكن النباتات من العيش على الأرض. لكن صلابة sporopollenin جعلت من الصعب دراستها ، حتى بعد عقود من الحيرة للتركيبات الجزيئية للسليلوز واللجنين والبوليمرات النباتية الأساسية الأخرى. قال لي: "لقد طورت الطبيعة سبوروبولينين لمقاومة أي هجوم". "بما في ذلك من قبل العلماء."
في الآونة الأخيرة ، ومع ذلك ، ربما تم التغلب على دفاعات sporopollenin. في عام 2018 ، لي وباحثون آخرون في وايتهيد ، بقيادة عالم الأحياء النباتية جينغ كي ونغ، نشر أول هيكل كامل للسبوروبولينين. العمل اللاحق الذي قام به الفريق ، وبعضها لم يُنشر بعد ، قد ملأ مزيدًا من التفاصيل حول كيفية قيام مجموعات مختلفة من النباتات بضبط هذا الهيكل لتلبية احتياجاتهم بشكل أفضل. لا يخلو هيكلهم المقترح والرؤية المحسنة للسبوروبولينين الذي يقدمه من الجدل ، لكنه أوضح الدور الأساسي للجزيء في مساعدة النباتات على غزو الأرض.
اللغز الخامل
جميع نباتات البذر تصنع حبوب اللقاح. تنتج النباتات البرية الأخرى ، مثل الطحالب ، الأبواغ. تحمل نصف المعلومات الجينية التي تحتاجها النباتات للتكاثر ، وتتحرك حبوب اللقاح والجراثيم عبر البيئة على الريح أو على حيوان مفيد ، للوصول إلى نبات آخر من نوعه وتخصيب خلية البويضة الخاصة به. ولكن على طول الطريق ، يجب أن تتعامل حبوب اللقاح والجراثيم مع الأخطار التي تتراوح من الجفاف إلى أشعة الشمس فوق البنفسجية إلى الحشرات الجائعة. منذ أن تم شراء النباتات لأول مرة على الأرض منذ حوالي 470 مليون سنة ، كان الحفاظ على المعلومات الجينية داخل حبوب اللقاح والجراثيم آمنة أثناء رحلتهم إلى الإخصاب أمرًا مهمًا للغاية.
تتمثل الإستراتيجية الرئيسية التي تستخدمها النباتات لحماية هذا الحمض النووي في تغليفه في غلاف متخصص من سبوروبولينين ، وهو منيع من العناصر ومن بين أصعب المواد التي ينتجها أي كائن حي. تم العثور عليها سليمة في صخور عمرها نصف مليار سنة. أ ورقة 2016 وجد أنه بسبب متانة sporopollenin ، حافظت الأبواغ على ثباتها في سندان الماس عند ضغوط 10 جيجا باسكال ، أو 725 طنًا لكل بوصة مربعة.
لقد عرف الباحثون وتساءلوا عن sporopollenin منذ عام 1814 على الأقل. لاحظوا أنه حتى بعد ذوبان بقية حبوب اللقاح أو الجراثيم كيميائيًا ، بقيت مادة غريبة دائمًا. بالنسبة لمعظم القرن التالي ، عمل أولئك الذين درسوها في الأبواغ وحبوب اللقاح بشكل منفصل ، مشيرين إليها حصريًا إما بالسبورونين أو حبوب اللقاح. أطلق عليها اسم سبوروبولين في عام 1931 لإرضاء كلا المجتمعين.
لعقود بعد ذلك ، انتهت المعرفة حول الجزيء إلى حد كبير بالاسم. أدرك الباحثون أن sporopollenin يمكن أن يكون مفتاحًا لفهم كيفية غزو النباتات لكل موائل على الأرض تقريبًا ، وكانوا يحلمون باستخدام المادة في كل شيء بدءًا من طلاء أجسام السفن إلى حماية البروتينات الهشة في اللقاحات الفموية. لكن الحصول على التركيب والتركيب الكيميائي للسبوروبولينين كان شرطًا أساسيًا لأي عمل إضافي ، وقد أحبط سبوروبولينين كل جهد.
عادةً ما يحدد الكيميائيون بنية الجزيء المعقد عن طريق تقسيمه إلى الأجزاء المكونة له ، وإيجاد بنية تلك الجزيئات ، ثم إعادة تجميعها معًا. لكن sporopollenin كان خاملًا جدًا بالنسبة للعوامل الكيميائية المعتادة لهضمه. ابتداءً من الستينيات ، أحرزت الطرق البيوكيميائية الجديدة وقياس الطيف الكتلي بعض التقدم في التركيب والتركيب الكيميائي ، واستنتج علماء الأحياء لاحقًا بعض التفاصيل من معرفة الجينات والعمليات الأنزيمية التي تصنع sporopollenin.
ومع ذلك ، لا يمكن لأي من هذه الطرق تقديم صورة كاملة للجزيء. يبدو أن Sporopollenin يحتوي على عمودين فقريين متوازيين مكونين من جزيئات تسمى polyketides ، لا تختلف عن العمود الفقري للسكر في الحلزون المزدوج للحمض النووي. يبدو أن هذه الأعمدة الفقرية متصلة بواسطة نسج روابط من أنواع مختلفة. لكن هذا المخطط كان غير مكتمل ، وتعارضت بعض النتائج من الطرق البيوكيميائية والجينية مع بعضها البعض.
قال "الشيء الوحيد الذي اتفق عليه الجميع هو الصيغة التجريبية لتكوين الكربون والهيدروجين والأكسجين" جوزيف بانوب، أستاذ الكيمياء والكيمياء الحيوية في جامعة ميموريال في نيوفاوندلاند في كندا.
الملعب الصنوبر الكمال
بدأ لي العمل على sporopollenin بعد فترة وجيزة من انضمامه إلى مختبر Weng في معهد Whitehead باعتباره باحثًا لما بعد الدكتوراة في عام 2014. في حي كامبريدج في Kendall Square ، حيث تمثل الأبحاث الطبية الحيوية الهاجس الأساسي ، يعد المختبر أحد الأماكن القليلة التي يدرس فيها الناس النباتات ، مع تركيز بحثي على مجرة الجزيئات النباتية التي لا تزال غير مميزة.
كان Sporopollenin تحديًا لا يقاوم بالنسبة لـ Li. كانت وظيفتها معروفة جيدًا ، وكانت الجينات المستخدمة في صنعها موجودة في كل نبات منتِج للبذور والأبواغ ، مما يعني أن سبوروبولينين كان تكيفًا أساسيًا يمكّن النباتات من العيش على الأرض في بداية هروبها من المحيطات. (تصنع بعض أنواع الطحالب أيضًا مادة تشبه sporopollenin ، مما يشير إلى أن نباتات الأرض تكيفت مع التخليق الحيوي لهذا الجزيء أثناء تطورها). ومع ذلك ، ظلت الكيمياء الكامنة وراء هذه القدرة ضبابية.
كان من الممكن أن يكون شاعريًا لو استخدمت أعمال لي المبكرة على سبوروبولينين حبوب اللقاح التي تم جمعها من مياه بحيرة والدن. لكن الملاءمة تغلبت على الرومانسية: فقد تم طلب حبوب اللقاح التي درسها فريقه في البداية من أمازون. (تُباع حبوب اللقاح من خشب الصنوبر ، والتي تنتج بوفرة ، على نطاق واسع كمكمل صحي.) أما الباقي فقد جاء من كيب كود.
لأشهر ، أجرى لي ومعاونوه اختبار التجربة والخطأ على مركبات يمكن أن تحلل البوليمرات الحيوية الصعبة الأخرى. في النهاية ، طوروا عملية جديدة متعددة الخطوات يمكن أن تأخذ عينات من حبوب اللقاح ، وتضربها في آلة طحن بالكرات ، وتكسر جزيئات سبوروبولينين الموجودة كيميائيًا. ينقسم نصف كل جزيء إلى ست قطع مميزة يمكن بعد ذلك تمييزها بمقياس الطيف الكتلي.
النصف الآخر من الجزيء ، الذي أطلقوا عليه مجموعة R (لـ "المتمرد") ، يتفكك فقط عند مزجه مع عامل إذابة آخر. يمكنهم الحصول على نظرة جزئية لـ R بهذه الطريقة ، لكن العملية أفسدت ميزات أخرى للجزيء ، لذلك لجأت مجموعة Li إلى تقنية أكثر غرابة ، وهي التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي للحالة الصلبة ، لتوصيفها.
الزهور أحدثت فرقا
ثمرة هذا العمل ، ورقة نشرت في النباتات الطبيعة في ديسمبر 2018 ، اقترح التركيب الجزيئي الأكثر اكتمالا للسبوروبولينين حتى الآن.
في المحادثة ، استخدم لي يديه لوصف الشكل المعقد للهيكل. بإبهامه وسبابته ، أظهر كيف تتدلى الجزيئات العطرية من العمود الفقري في أشكال L بالتناوب. لقد أوضح كيف يرتبط العمود الفقري بالروابط المتقاطعة من خلال توجيه يد واحدة بالارض إلى الأخرى بزاوية ، كما لو كان ينخرط في شكل غريب من الصلاة. ترتبط هذه الوحدات الأساسية معًا لتشكيل غلاف exine الكامل ، والذي يتخذ أشكالًا مختلفة جذريًا في نباتات مختلفة ، على الرغم من أن الوحدات الفرعية الجزيئية الأساسية متشابهة بشكل أساسي.
أعطى الهيكل مصداقية لفكرة أن صلابة sporopollenin تنشأ من الروابط المتنوعة والمضفرة بين العمود الفقري. وهذه الروابط بين الإستر والأثير مقاومة ، على التوالي ، للظروف الأساسية والحمضية ؛ معا يقاومان كليهما. تضمنت البنية التي اقترحتها مجموعة Li أيضًا العديد من الجزيئات العطرية المعروفة بمقاومتها للأشعة فوق البنفسجية ، والتي كانت مسؤولة عن قدرة sporopollenin على حماية الحمض النووي من العناصر.
كتب وينغ في رسالة بريد إلكتروني إلى كوانتا.
في الآونة الأخيرة ، استخدم لي وزملاؤه طريقتهم لوصف sporopollenin من أكثر من 100 نوع من النباتات البرية المتنوعة التي تم جمعها من الحدائق النباتية حول شمال شرق الولايات المتحدة. وفقًا لـ Li ، الذي يستعد لتقديم نتائج الدراسة للنشر ، فإن بنية sporopollenin تختلف باختلاف أنواع النباتات بنمط غريب.
ووجدوا أن عاريات البذور ، وهي مجموعة نباتات الأرض التي تشمل السيكاسيات والصنوبريات مثل قبة الصنوبر ، وما يسمى بالنباتات السفلية مثل الطحالب والسراخس ، تميل إلى امتلاك سبوروبولينين طويلة متشابهة. وهذا أمر منطقي لأن هذه النباتات تنشر حبوب اللقاح الخاصة بها شريئًا على مهب الريح ؛ يحتاجون sporopollenin طويل السلسلة لحمايته.
لكن الوضع أكثر تعقيدًا بين نباتات كاسيات البذور أو النباتات المزهرة. تحجب أزهارهم حبوب اللقاح من أشعة الشمس والجفاف ، وتقوم الحشرات بنقل حبوب اللقاح بكفاءة من زهرة إلى زهرة ، مما يقلل من التعرض للمخاطر الأخرى. وبالتالي ، لا تحتاج كاسيات البذور إلى أن تكون sporopollenin قوية بشكل موحد.
وقال لي إن تصنيع سبوروبولين طويل السلسلة عملية كثيفة الطاقة ، لذلك "عندما تطورت الأزهار ، لم يعودوا يريدون إنتاج سبوروبولين مثل الصنوبر". وفقًا لـ Li و Weng ، يبدو أن اختلافات كبيرة قد تطورت بين sporopollenins التي تنتجها فئتان رئيسيتان من كاسيات البذور ، monocots و dicots ، والتي تتباعد في هياكل الأجنة ، والأوعية الدموية ، والسيقان ، والجذور ، والزهور.
بالطبع ، الفروق ليست مطلقة. قال لي إن بعض النباتات المزهرة تنتج سبوروبولينين لهيكل يشبه الصنوبر. "ربما إذا كان لدينا 6 ملايين سنة أخرى ، فقد يفقدون وظيفة هؤلاء" ، أو ربما هناك ضوابط وتوازنات بيئية أخرى في الحفاظ على بنية سبوروبولينين لمجموعات معينة من النباتات.
قال لي: "التطور ليس خطاً". ”مثل الحيتان. في وقت من الأوقات كانوا يعيشون على الأرض. الآن يعيشون في المحيط ". ومع ذلك ، لا تزال الحيتان تتمتع ببعض خصائص الحيوانات البرية. ربما تحتفظ بعض حبوب لقاح الأزهار بآثار قديمة من تاريخها.
البوليمر الغامض
يتفق باحثو النبات الآخرون على أن العمل الهيكلي لـ Li و Weng على sporopollenin قد حسن معرفتنا بالجزيء. لكن لم يقتنعوا جميعًا بأن اقتراحهم صحيح أو أنه يختتم البحث الذي استمر قرنًا من الزمان عن بنية سبوروبولينين.
قال "لقد كان أوضح بكثير من ذي قبل" تشونغ نان يانغ، عالم الأحياء الذي يدرس sporopollenin في جامعة شنغهاي للمعلمين. "ولكن يجب التحقق من ذلك." وقال إنه لا يزال يتعين على لي وزملائه تحديد الجينات المسؤولة عن الإنزيمات اللازمة لعمل سمات معينة من سبوروبولين الصنوبر.
A 2020 الدراسة يهدف إلى "إزالة الغموض وكشف" التركيب الجزيئي للسبوروبولينين الذي شكل تحديًا مباشرًا أكثر. باستخدام مجموعة من الأساليب والعمل على sporopollenin من طحلب النادي بدلاً من الصنوبر ، توصلت مجموعة بانوب في جامعة ميموريال إلى هيكل يختلف في عدة نواحٍ مهمة عن تلك التي اقترحها لي ووينغ. وقال بانوب إن الأهم من ذلك ، "لقد أثبتنا عدم وجود مركبات عطرية في سبوروبولينين". ويعتقد أن هذا التفاوت يمكن تفسيره بالاختلافات بين سبوروبولينين في طحلب الصنوبر والطحالب.
قال لي: "وجهة نظري الشخصية هي أنها غير صحيحة" ، لكنه يفضل عدم التعليق أكثر حتى تصبح بعض النتائج ذات الصلة من مختبره جاهزة للنشر.
علق تيجين كيليشيني ، عالِم الأحياء النباتية في المجلس القومي للبحوث الكندي الذي أجرى درس سبوروبولينين، في رسالة بريد إلكتروني. "على الرغم مما توحي به بعض التقارير ".
صعبة ولكن لا تزال صالحة للأكل؟
على الرغم من الجدل حول هيكلهم للسبوروبولينين ، انتقل لي وآخرون في مختبر وينغ إلى سؤال تطوري آخر: هل اكتشفت الطبيعة كيفية تفكيك هذه المادة غير القابلة للتلف تقريبًا التي جمعتها معًا؟
بينما كان يتجول حول Walden Pond بحثًا عن مداخل أخرى مغطاة بحبوب اللقاح ، قارن لي sporopollenin باللجنين ، وهو البوليمر النباتي الذي يقوي الخشب واللحاء. بعد أن تطورت النباتات الخشبية لأول مرة منذ حوالي 360 مليون سنة ، أظهر السجل الجيولوجي وفرة من اللجنين المتحجر في طبقات لعشرات الملايين من السنين. ثم فجأة منذ حوالي 300 مليون سنة ، يختفي اللجنين. يمثل اختفائه اللحظة التي طور فيها فطر يسمى العفن الأبيض إنزيمات قادرة على تحطيم اللجنين وأكلت الكثير منه قبل أن تصبح متحجرة.
يعتقد لي أن Sporopollenin يجب أن يكون لديه أيضًا فطر أو ميكروب آخر قادر على تحطيمه. وإلا فإننا سنغرق في الأشياء. تشير حسابات لي إلى أن 100 مليون طن من sporopollenin يتم إنتاجها في الغابات كل عام. هذا لا يفسر حتى sporopollenin الذي تنتجه الحشائش. إذا لم يكن هناك شيء يأكله ، فأين يذهب كل شيء؟
لهذا السبب ، كمصدر لأحدث عينة من حبوب اللقاح ، اختار لي التخلي عن Amazon Prime لصالح يوم واحد في Walden Pond. تشير الملاحظات التي أجراها فريقه إلى أن بعض الكائنات الحية الدقيقة التي تزرع في أطباق بتري يمكن أن تعيش عندما لا تتغذى إلا على سبوروبولين والنيتروجين. يجب أن تساعد العينات من والدن ، المليئة بشكل طبيعي بالمجتمعات الميكروبية للبحيرة ، لي في تحديد ما إذا كانت مجموعات الفطريات والميكروبات الأخرى في البرية يمكنها تحرير العناصر الغذائية في جزيئات سبوروبولينين التي تبدو غير قابلة للكسر.
عندما كنا نتناول وجبات خفيفة من الأعشاب البحرية وألواح الجرانولا على حافة البركة ، كان من السهل رؤية الوضع برمته من منظور الفطريات. تكره الطبيعة إضاعة وجبة - حتى لو كان من الصعب مضغها.
