पौधे अपनी कोशिकाओं के बीच अंतराल का उपयोग करके प्रकाश पाते हैं | क्वांटा पत्रिका

टेराकोटा के बर्तनों से सजी एक शेल्फ पर, जड़ी-बूटियाँ अपने तनों को निकटतम खिड़की की ओर झुकाती हैं। सुनहरे जंगली फूलों के खेत में, पत्तियाँ सूर्य के पथ के साथ घूमती हैं। एक घने जंगल में, लताएँ पेड़ों को जकड़ लेती हैं, जो हमेशा ऊपर की ओर और अंधेरे से दूर पहुँचती हैं।

प्राचीन काल से, पौधों की अपने नेत्रहीन शरीर को प्रकाश के निकटतम, सबसे चमकीले स्रोत की ओर उन्मुख करने की क्षमता - जिसे आज फोटोट्रोपिज्म के रूप में जाना जाता है - ने विद्वानों को आकर्षित किया है और अनगिनत वैज्ञानिक और दार्शनिक बहसें उत्पन्न की हैं। और पिछले 150 वर्षों में, वनस्पतिशास्त्रियों ने कई प्रमुख आणविक मार्गों को सफलतापूर्वक उजागर किया है जो इस बात पर आधारित हैं कि पौधे प्रकाश को कैसे महसूस करते हैं और उस जानकारी पर कैसे कार्य करते हैं।

फिर भी एक गंभीर रहस्य कायम है। जानवर आंखों का उपयोग करते हैं - लेंस और फोटोरिसेप्टर का एक जटिल अंग - प्रकाश की दिशा सहित, उनके आसपास की दुनिया की एक विस्तृत तस्वीर प्राप्त करने के लिए। जीवविज्ञानियों ने स्थापित किया है कि पौधों के पास रोशनी मापने के लिए आणविक उपकरणों का एक शक्तिशाली समूह होता है। लेकिन लेंस जैसे स्पष्ट भौतिक संवेदी अंगों की अनुपस्थिति में, पौधे सटीक दिशा कैसे निर्धारित करते हैं कि प्रकाश किस दिशा से आ रहा है?

अब, यूरोपीय शोधकर्ताओं की एक टीम को एक उत्तर मिल गया है। हाल ही के एक पेपर में में प्रकाशित विज्ञान, वे रिपोर्ट करते हैं कि सड़क के किनारे एक खरपतवार - Arabidopsisपादप आनुवंशिकीविदों का पसंदीदा - प्रकाश बिखेरने के लिए अपनी कोशिकाओं के बीच वायु रिक्त स्थान का उपयोग करता है, अपने ऊतकों से गुजरने वाले प्रकाश के मार्ग को संशोधित करता है। इस तरह, वायु चैनल एक प्रकाश ढाल बनाते हैं जो पौधों को सटीक रूप से यह निर्धारित करने में मदद करता है कि प्रकाश कहाँ से आ रहा है।

प्रकाश बिखेरने के लिए वायु चैनलों का लाभ उठाकर, पौधे एक साफ-सुथरी चाल के पक्ष में आंखों जैसे अलग-अलग अंगों की आवश्यकता को दरकिनार कर देते हैं: वास्तव में उनके पूरे शरीर को "देखने" की क्षमता।

एक गहरी बहस

पौधे स्वयं को प्रकाश की ओर उन्मुख क्यों और कैसे करते हैं? तीखी बहस का विषय 2,000 वर्षों से भी अधिक समय से। प्रारंभिक यूनानी दार्शनिकों ने तर्क दिया कि पौधे, जानवरों की तरह, संवेदना और गति और यहां तक ​​कि इच्छा और बुद्धि में सक्षम थे। लेकिन बाद में अरस्तू जैसे विचारकों ने इस बात पर जोर दिया कि पौधे स्वाभाविक रूप से निष्क्रिय होते हैं, अपने पर्यावरण को महसूस करने में असमर्थ होते हैं, उसके साथ चलना तो दूर की बात है। "पौधों में न तो संवेदना होती है और न ही इच्छा," उन्होंने लिखा पौधों पर. "इन विचारों को हमें निराधार मानकर अस्वीकार कर देना चाहिए।" सदियों तक विद्वान उनसे सहमत रहे।

यह 1658 तक नहीं था कि कीमियागर और प्राकृतिक दार्शनिक थॉमस ब्राउन ने फोटोट्रोपिज्म को एक तथ्य के रूप में स्थापित किया था, जिसमें यह दस्तावेजीकरण किया गया था कि एक तहखाने में बर्तनों में उगने वाले सरसों के पौधे लगातार अपनी वृद्धि को एक खुली खिड़की की ओर उन्मुख करते थे। लेकिन उसके बाद दो शताब्दियों से अधिक समय तक, जीवविज्ञानी इस बात पर बहस करते रहे कि पौधों ने ऐसा कैसे किया, और क्या वे सूर्य की रोशनी या उसकी गर्मी पर प्रतिक्रिया कर रहे थे।

1880 में, चार्ल्स डार्विन और उनके बेटे फ्रांसिस ने एक फोटोट्रोपिक तंत्र का वर्णन करने के लिए प्रयोगों का नेतृत्व किया जो अंततः साबित हुआ। जैसा कि इसमें वर्णित है पौधों में गति की शक्ति, इस जोड़ी ने एक अंधेरे कमरे में अंकुर उगाए - ऐसे पौधे जो अभी तक प्रकाश संश्लेषण नहीं कर सकते थे, इसके बजाय वे अपने बीज से संग्रहीत ऊर्जा पर निर्भर थे। जब एक खास दिशा से नीली रोशनी उन पर पड़ी तो पौधे उसकी ओर पहुंच गए। फिर, जैसे ही डार्विन ने कमरे के चारों ओर प्रकाश घुमाया, उन्होंने अंकुरों की संगत गतिविधियों पर नज़र रखी।

अपने प्रयोगों के आधार पर, डार्विन ने सुझाव दिया कि अंकुर की नोक पर अंकुर सबसे अधिक प्रकाश के प्रति संवेदनशील थे, और उन्होंने वहां जो महसूस किया उससे कुछ पदार्थ का उत्पादन हुआ जिसने पौधे के विकास की दिशा को प्रभावित किया। 1920 के दशक तक, वनस्पति विज्ञानियों ने एक सहज सहमति बना ली थी जो उस मॉडल पर विस्तार से बताती थी: पौधों के सिरों पर प्रकाश सेंसर होते थे और वे हार्मोन उत्पन्न करते थे (बाद में ऑक्सिन के रूप में पहचाने गए) जो उनके छायांकित पक्षों पर अधिक विकास को प्रोत्साहित करते थे, जिससे उनके डंठल और पत्तियां बनती थीं। प्रकाश की ओर झुकना.

कई महान खोजों की तरह, इसने एक नया प्रश्न खोला: पौधे वास्तव में प्रकाश को कैसे महसूस कर सकते हैं? उनमें किसी भी स्पष्ट इंद्रिय का अभाव था। शोधकर्ताओं को संदेह होने लगा कि पौधों में परिष्कृत संवेदी क्षमताएँ होनी चाहिए।

आणविक जीवविज्ञानियों ने कार्यभार संभाला और दिखाया कि पौधे प्रकाश के कहीं अधिक व्यापक स्पेक्ट्रम को माप सकते हैं और उस पर प्रतिक्रिया कर सकते हैं, जितना कि हम अपनी जानवरों की आँखों से कर सकते हैं, भले ही उनके पास धारणा के लिए एक विशेष अंग की कमी हो। फोटोरिसेप्टर के पांच अलग-अलग परिवार, प्लस हार्मोन और सिग्नल पाथवे, सेलुलर स्तर पर उस दिशा को निर्देशित करने के लिए मिलकर काम करते हैं जिसमें एक पौधा नए ऊतक का निर्माण करता है - यह समझाते हुए कि आवश्यकतानुसार तने कैसे मुड़ते हैं, मुड़ते हैं और ऊपर की ओर बढ़ते हैं। ये फोटोरिसेप्टर पूरे पौधे के शरीर में फैले हुए हैं, लेकिन बड़े पैमाने पर तने के आंतरिक ऊतकों में केंद्रित हैं क्रिस्चियन फनखौसरस्विटज़रलैंड में लॉज़ेन विश्वविद्यालय के एक पादप जीवविज्ञानी और नए अध्ययन के लेखक।

हालाँकि, पौधों को प्रकाश की दिशा निर्धारित करने की क्षमता देने के लिए साधारण सेंसर अपने आप में पर्याप्त नहीं हैं। तेज़ रोशनी की दिशा को सर्वोत्तम ढंग से इंगित करने के लिए, एक पौधे को विभिन्न फोटोरिसेप्टर के बीच संकेतों की तुलना करने में सक्षम होना चाहिए ताकि वे अपने विकास को सबसे तीव्र रोशनी की ओर उन्मुख कर सकें। और इसके लिए उन्हें अपने सेंसरों पर आने वाली रोशनी को सबसे चमकीले से सबसे मंद की ओर गिरने की आवश्यकता होती है।

जानवरों ने आँखों के विकास से इस समस्या का समाधान कर लिया है। एक साधारण जीव, जैसे कि प्लैनेरियन कीड़ा, "आईस्पॉट" से काम चलाता है जो केवल प्रकाश की उपस्थिति या अनुपस्थिति को महसूस करता है। हमारी जैसी अधिक जटिल जानवरों की आंखों में, लेंस जैसी शारीरिक विशेषताएं होती हैं रेटिना की ओर सीधा प्रकाश, जो फोटोसेंसर से भरा हुआ है। फिर मस्तिष्क घुमावदार लेंस के माध्यम से आने वाले प्रकाश की मात्रा की तुलना अलग-अलग कोशिकाओं पर दर्ज होने वाली मात्रा से करता है। यह प्रणाली, जो आणविक सेंसर के साथ प्रकाश के भौतिक हेरफेर को जोड़ती है, चमक और छाया के बारीक ग्रेडिएंट का पता लगाने की अनुमति देती है, और चित्र में इसके रिज़ॉल्यूशन को हम दृष्टि कहते हैं।

लेकिन चूंकि पौधों के पास कोई मस्तिष्क नहीं होता, इसलिए उन्हें समान निष्कर्षों पर पहुंचने के लिए एक निष्क्रिय प्रणाली की आवश्यकता होती है। इसीलिए पौधों की भौतिक ग्रेडिएंट बनाने की क्षमता महत्वपूर्ण है: वे पौधों को सक्रिय तुलना करने की आवश्यकता के बिना कोशिकाओं के बीच अंतर्निहित अंतर पैदा करते हैं।

इस प्रकार, वनस्पतिशास्त्रियों को एक पहेली का सामना करना पड़ा। क्या फोटोट्रोपिज्म पूरी तरह से एक आणविक प्रक्रिया है, जैसा कि कुछ लोगों को संदेह है, या क्या पौधे एक ढाल बनाने और अपनी प्रतिक्रिया को बेहतर ढंग से निर्देशित करने के लिए प्रकाश किरणों को बदल सकते हैं? यदि उत्तरार्द्ध सत्य था, तो पौधों में भौतिक संरचनाएं होनी चाहिए जो उन्हें प्रकाश पर ध्यान केंद्रित करने की अनुमति देती हैं।

अंततः उस संरचना की पहचान सड़क किनारे उगने वाली घास के एक उत्परिवर्ती संस्करण में की जाएगी जो प्रकाश खोजने के लिए संघर्ष कर रही थी।

द ब्लाइंड म्यूटेंट

थेल क्रेस - विज्ञान के लिए जाना जाता है अरबीडोफिसिस थालीआना — कोई विशेष आकर्षक पौधा नहीं है। 25 सेंटीमीटर लंबा यह खरपतवार अशांत भूमि, खेत के किनारों और सड़कों के किनारों को पसंद करता है। अफ्रीका और यूरेशिया का मूल निवासी, यह अब अंटार्कटिका को छोड़कर हर महाद्वीप पर पाया जाता है। पादप जीवविज्ञानियों ने तब से इसे वैज्ञानिक जीवनशैली में अपना लिया है: इसका छोटा जीवन चक्र, छोटा जीनोम (2000 में पूरी तरह से मैप किया गया) और प्रयोगशाला में उपयोगी उत्परिवर्तन उत्पन्न करने की प्रवृत्ति इसे पौधों की वृद्धि और आनुवंशिकी को समझने के लिए एक उत्कृष्ट मॉडल जीव बनाती है।

फैनखौसर के साथ काम किया है Arabidopsis 1995 से यह अध्ययन करने के लिए कि प्रकाश पौधों की वृद्धि को कैसे आकार देता है। 2016 में, उनकी प्रयोगशाला ने प्रकाश के प्रति असामान्य प्रतिक्रिया वाले उत्परिवर्ती पौधों को खोजने के लिए पौधों के जीन की जांच की। उन्होंने अंकुरों को किनारे की ओर निर्देशित करने के लिए नीली रोशनी वाले एक अंधेरे कमरे में बीज उगाए। वहां से, प्रयोग कमोबेश वैसे ही चला जैसे 150 साल पहले डार्विन ने किया था: जैसे ही शोधकर्ताओं ने प्रकाश की दिशा बदली, पौधों ने खुद को इसकी ओर फिर से मोड़ लिया।

हालाँकि, एक उत्परिवर्ती पौधे को संघर्ष करना पड़ा। हालाँकि इसे गुरुत्वाकर्षण को महसूस करने में कोई समस्या नहीं थी, लेकिन यह प्रकाश को ट्रैक करने में असमर्थ लग रहा था। इसके बजाय यह सभी दिशाओं में झुक गया, जैसे कि अंधा हो और अंधेरे में चारों ओर महसूस हो रहा हो।

जाहिरा तौर पर उत्परिवर्ती की प्रकाश को महसूस करने की क्षमता में कुछ गड़बड़ हो गई थी। जब टीम ने पौधे की जांच की, तो उन्होंने पाया कि इसमें विशिष्ट फोटोरिसेप्टर थे, जैसा कि पादप जीवविज्ञानी मार्टिना लेग्रिस, फैनखौसर की प्रयोगशाला में पोस्टडॉक और नए पेपर की सह-लेखिका के अनुसार था। लेकिन जब टीम ने माइक्रोस्कोप के नीचे तने को देखा तो उन्हें कुछ अजीब सा नजर आया।

जंगली Arabidopsisअधिकांश पौधों की तरह, इसकी कोशिकाओं के बीच वायु चैनल होते हैं। ये संरचनाएं सीलबंद सेलुलर डिब्बों के चारों ओर बुने गए वेंटिलेशन शाफ्ट की तरह हैं, और वे प्रकाश संश्लेषण और ऑक्सीजनिंग कोशिकाओं दोनों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाने के लिए जाने जाते हैं। लेकिन उत्परिवर्ती पौधे के वायु चैनल पानी से भर गए थे। टीम ने जीन में उत्परिवर्तन को ट्रैक किया एबीसीजी5, जो एक प्रोटीन का उत्पादन करता है जो कोशिका दीवार को जलरोधक बनाने में मदद कर सकता है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि पौधे के वायु शाफ्ट जलरोधक हैं।

उत्सुक होकर, शोधकर्ताओं ने एक प्रयोग करने की कोशिश की। उन्होंने यह देखने के लिए कि क्या इससे उनकी वृद्धि प्रभावित होती है, गैर-उत्परिवर्ती पौधों के अंतरकोशिकीय वायु शाफ्ट में पानी भर दिया। म्यूटेंट की तरह, इन पौधों को यह निर्धारित करने में कठिनाई हुई कि प्रकाश कहाँ से आ रहा है। लेग्रिस ने कहा, "हम देख सकते हैं कि ये पौधे आनुवंशिक रूप से सामान्य हैं।" "केवल एक चीज़ जो उन्हें खल रही है वह ये हवाई चैनल हैं।"

शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि पौधा अपवर्तन की घटना पर आधारित एक तंत्र के माध्यम से खुद को प्रकाश की ओर उन्मुख करता है - विभिन्न मीडिया से गुजरते समय प्रकाश की दिशा बदलने की प्रवृत्ति। लेग्रिस ने बताया कि अपवर्तन के कारण प्रकाश सामान्य से होकर गुजरता है Arabidopsis तने की सतह के नीचे बिखर जाएगा: हर बार जब यह पौधे की कोशिका से होकर गुजरता है, जिसमें ज्यादातर पानी होता है, और फिर वायु चैनल के माध्यम से, यह दिशा बदल देता है। चूँकि इस प्रक्रिया में कुछ प्रकाश को पुनर्निर्देशित किया जाता है, वायु चैनल विभिन्न कोशिकाओं में एक तेज प्रकाश ढाल स्थापित करते हैं, जिसका उपयोग पौधा प्रकाश की दिशा का आकलन करने और फिर उसकी ओर बढ़ने के लिए कर सकता है।

इसके विपरीत, जब ये वायु चैनल पानी से भर जाते हैं, तो प्रकाश का प्रकीर्णन कम हो जाता है। पौधों की कोशिकाएँ बाढ़ वाले चैनल की तरह ही प्रकाश को अपवर्तित करती हैं, क्योंकि उन दोनों में पानी होता है। बिखरने के बजाय, प्रकाश लगभग सीधे कोशिकाओं और बाढ़ वाले चैनलों के माध्यम से ऊतक के भीतर गहराई तक गुजरता है, जिससे प्रकाश प्रवणता कम हो जाती है और अंकुर प्रकाश की तीव्रता में अंतर से वंचित हो जाते हैं।

रोशनी देखना

शोध से पता चलता है कि ये वायु चैनल युवा पौधों को प्रकाश का पता लगाने में मदद करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। रोजर हैंगार्टरइंडियाना यूनिवर्सिटी ब्लूमिंगटन के एक पादप जीवविज्ञानी, जो नए अध्ययन में शामिल नहीं थे, ने लंबे समय से चली आ रही समस्या का एक चतुर समाधान खोजने के लिए इसकी सराहना की। फैनखौसर, लेग्रिस और उनके सहयोगियों ने "इन हवाई क्षेत्रों के महत्व को बहुत अच्छी तरह से ताबूत में डाल दिया है," उन्होंने कहा।

हैंगार्टर ने कहा, यह विचार पहले भी सामने आ चुका है। 1984 में, यॉर्क विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने यह सुझाव दिया था पादप कोशिकाओं के बीच वायु चैनल आवश्यक प्रकाश प्रवणता स्थापित करने में मदद मिल सकती है। लेकिन चूंकि टीम के पास महंगे प्रयोग करने के लिए धन नहीं था, इसलिए उनके सुझाव का परीक्षण नहीं किया गया।

हैंगार्टर ने कहा, "यह हमारे लिए हमेशा चकित करने वाला था कि कैसे ये छोटे, छोटे - लगभग पारदर्शी - [भ्रूण पौधे] एक ढाल का पता लगा सकते हैं।" “हमने कभी भी वायु-अंतरिक्ष वाली चीज़ को अधिक महत्व नहीं दिया क्योंकि हम इसमें शामिल अणुओं की तलाश में विचलित थे। आप एक निश्चित शोध पथ पर आगे बढ़ते हैं, और आप अंधे हो जाते हैं।''

वायु-चैनल तंत्र अन्य सरल उपकरणों से जुड़ता है जिन्हें पौधों ने यह नियंत्रित करने के लिए विकसित किया है कि प्रकाश उनके माध्यम से कैसे चलता है। उदाहरण के लिए, हैंगार्टर के शोध ने यह स्थापित करने में मदद की कि क्लोरोप्लास्ट - सेलुलर अंग जो प्रकाश संश्लेषण करते हैं - पत्ती कोशिकाओं के अंदर सक्रिय रूप से नृत्य करें प्रकाश को चारों ओर ले जाना। क्लोरोप्लास्ट कमजोर प्रकाश को सोखने के लिए कोशिका के केंद्र में लालच से एकत्रित हो सकते हैं या मजबूत प्रकाश को पौधों के ऊतकों में गहराई तक जाने देने के लिए हाशिये पर भाग सकते हैं।

अभी के लिए, वायु चैनलों के बारे में नए निष्कर्ष केवल अंकुरों तक ही विस्तारित हैं। जबकि ये वायु चैनल वयस्क पत्तियों में भी दिखाई देते हैं, जहां उन्हें प्रकाश बिखरने और वितरण में भूमिका निभाते हुए दिखाया गया है, लेग्रिस ने कहा, किसी ने अभी तक परीक्षण नहीं किया है कि वे फोटोट्रोपिज्म में भूमिका निभाते हैं या नहीं।

यह स्पष्ट नहीं है कि एयर चैनल कितने समय से यह भूमिका निभा रहे हैं। 400 मिलियन वर्ष पहले के आदिम भूमि-पादप जीवाश्मों में न तो जड़ें और न ही पत्तियाँ दिखाई देती हैं - लेकिन पौधों के मूल ऊतक दिखाई देते हैं काफी बड़े अंतरकोशिकीय वायु स्थान. शायद वे शुरू में ऊतक वातन या गैस विनिमय के लिए पैदा हुए थे, फैनखौसर ने कहा, और फिर फोटोट्रोपिज्म में उनकी भूमिका के लिए अनुकूलित किया गया। या शायद पौधों ने प्रकाश को महसूस करने में मदद करने के लिए तनों में वायु स्थान विकसित किया, और फिर उन्हें अन्य कार्य करने के लिए सहयोजित किया।

"इन संरचनाओं को और अधिक समझना - वे कैसे निर्मित होते हैं, उनके पीछे का तंत्र क्या है - पौधे जीवविज्ञानियों के लिए इस सवाल से परे दिलचस्प है कि पौधे प्रकाश की दिशा को कैसे समझते हैं," फनखौसर ने कहा।

उन्होंने कहा, इससे अरस्तू के भूत को भगाने में भी मदद मिल सकती है, जो अभी भी पौधों के बारे में लोगों की धारणा में मौजूद है। “बहुत से लोगों को लगता है कि पौधे बहुत निष्क्रिय जीव हैं - वे किसी भी चीज़ का पूर्वानुमान नहीं लगा सकते; वे वही करते हैं जो उनके साथ होता है।”

लेकिन यह विचार हमारी अपेक्षाओं पर आधारित है कि आँखें कैसी दिखनी चाहिए। यह पता चला है कि पौधों ने अपने पूरे शरीर को देखने का एक तरीका विकसित कर लिया है, जो कि उनकी कोशिकाओं के बीच अंतराल में बुना गया है। उन्हें प्रकाश का अनुसरण करने के लिए एक जोड़ी आँखों जैसी अनाड़ी चीज़ की आवश्यकता नहीं है।