نباتات تدفئ نفسها

نباتات تدفئ نفسها

تولّد بعض النباتات حرارة مذهلة عندما تُزهِر،

بل إن بعضا منها ينظم درجة حرارته ضمن حدود

ضيقة كما تفعل الحيوانات ذات الدم الحار.

<S .R. سيمور>

 

في ربيع عام 1972 دعا <A .G. بارثولوميو> الرائد في فسيولوجيا الحيوان، مجموعة من طلبته ومساعديه من جامعة كاليفورنيا (لوس أنجلوس) إلى حفلة عشاء، وكان من بين ضيوفه <K .D. أودل>، الذي ينتمي الآن إلى مؤسسة عالم البحر Sea World بفلوريدا. وفي طريقه إلى الحفل، شاهد دانيال أزهارا غريبة ذات شكل قضيبي بارز طولها نحو 23 سنتيمتر ومغلفة جزئيا ببنية شبه ورقية، فقطف واحدة منها متعجبا ليريها لرفاقه المدعوين. وعندما عرضها علّي وعلى <A .K. ناگي>، أدهشنا أن نجدها دافئة. وأكثر من ذلك أن حرارة الزهرة ازدادت بتقدم المساء، بل وبدت أكثر حرارة من جسم الإنسان. كعلماء حيوان أصابنا ذلك بالذهول. فكيف يستطيع مجرد نبات أن يسخِّن نفسه أكثر من الحيوانات ذات الدم الحار التي وصلت إلى قمة التطور العضوي؟

 

منذ تلك الحادثة تابعت البحث عن النباتات الساخنة وتحليلها كلما استطعتُ سرقة بعض الوقت من بحوثي عن الحيوانات. أذهلني ما وجدته مع زملائي ومع باحثين آخرين. فكان من بين ما اكتشفناه أن بضعة نباتات تنتج قدرا من الحرارة ـ منسوبا لوزنها ـ يعادل ما تنتجه الطيور أو الحشرات أثناء طيرانها، وهي أعظم مولِّدات للحرارة في عالم الحيوان. بل إن بعضا من تلك النباتات ينظم الحرارة كما لو كان من الطيور أو الثدييات. فهي لا تنتج الحرارة وحسب، بل تعدل إنتاجها منها لتحافظ على درجتها ثابتة بصورة مدهشة في هواء تتأرجح حرارته على الدوام.

 

ثلاثة نباتات فقط أمكن حتى الآن إثبات تحكمها في درجة حرارتها. توجد هذه الظاهرة في الأعضاء الزهرية لكل من فيلودندرون سيلّوم Philodendron selloum، والكرنب المنتن Symplocarpus foetidus واللوتس (النيلوفر) المقدس Nelumbo nucifera. فيلودندرون سيلّوم حرارة الزهرة: 38 إلى 46 درجة سيليزية في جو حرارته: 4 إلى 39 درجة سيليزية مدة التحكم في الحرارة: 18 إلى 24 ساعة

 

لم نكن، كما اتضح فيما بعد، أول من اكتشف أن بعض النباتات تطلق الحرارة. فعندما بحثنا في المراجع النباتية، وجدنا أن عالِم الطبيعة الفرنسي المعروف جان ـ باتيست دو لامارك قد أشار عام 1778 ـ أي منذ أكثر من مئتي سنة ـ إلى أن زنبق الأروم الأوروبي (اللوف الإيطالي Arum italicum) يصبح دافئا عند إزهاره. وينتمي هذا النبات إلى الفصيلة⁽¹⁾ القلقاسية Araceae، وهي فصيلة كبيرة تضم أيضا الجنس فيلودندرون Philodendron، وهو النبات الذي قطفه دانيال في البداية. كما تضم الفصيلة نباتات مألوفة عديدة منها لفت الهنود الحمر Jack-in-the-pulpit والكرنب المنتن (كرنب الظربان ) skunk cabbage. في هذه النباتات القلقاسية، كما في زنابق الأروم، يُطْلَق على الجزء المزهر اصطلاح الإغريض (الطلع) spadix. وهو ليس زهرة حقيقية وإنما «ازهرار» inflorescence، أي نورة  زهرية^(2). يتألف إغريض القلقاسيات من مئات من الأزهار الصغيرة (الزهيراتflorets) مرتبة على محور مشترك، ويكون مغلفا جزئيا بقنابة عريضة، أي ورقة متخصصة، تعرف باسم الكُفُري (الكافور) spathe. إذًا الزهرة التي قطفها دانيال من نبات فيلودندرون سيلّوم Philodendron selloum  لم تكن زهرة حقيقية وإنما هي  نَوْرَة.

 

اكتشف العلماء فيما بعد أن أنواعا أخرى من نباتات الفصيلة العجيبة تُسخِّن نفسها. كما لاحظوا إنتاجا ضعيفا للحرارة لدى بضعة نباتات من غير القلقاسيات. هناك على سبيل المثال أزهار زنبق ماء الأمازون Amazon water lilyوأزهار شجرة القشطة custard apple ونورات بعض أنواع النخيل والمخاريط المذكرة لبعض السيكادات cycads (نباتات قديمة التطور من معراة البذور تشبه النخيل). ولقد كشف بعض الباحثين ـ ومنهم <D .J .B. ميوز> (من جامعة واشنطن) النقاب عن كيفية توليد الحرارة في خلايا نباتات مختلفة [انظر: TheVoodoo Lily, by Bastiaan J. D. Meeuse; Scientific American, July 1966].

 

الكرنب المنتن حرارة الزهرة: 15 إلى 22 درجة سيليزية في جو حرارته: 15- إلى 10 درجات سيليزية مدة التحكم في الحرارة: أسبوعان أو أكثر

 

لقد وجدوا على سبيل المثال أن القلقاسيات تنتج الحرارة بتنشيط مسارينpathways مختلفين في الكيمياء الحيوية. ويحدث ذلك في الميتوكوندريا (المتقدرات) mitochondria التي كثيرا ما توصف بأنها مصانع الطاقة في الخلية. يتميز هذان المساران أحدهما عن الآخر بحساسيتهما المتباينة تجاه السيانيد. فالمسار المعرَّض للتسمم بهذا المركب مشترك بين النباتات والحيوانات. أما المسار الآخر غير الحساس للسيانيد فيوجد في النباتات المولِّدة للحرارة وبعض النباتات الأخرى، كما يوجد في الفطريات وفي بعض المتعضيات وحيدة الخلية. كلا المسارين يستخدم المغذيات والأكسجين ليصنع جزيئا غنيا بالطاقة يدعىATP (أدينوزين ثلاثي الفوسفات)، الذي قد يتفكك فيما بعد لإمداد الخلية بالطاقة اللازمة لنشاطاتها أو لإنتاج الحرارة. ومع ذلك فلا يزال من غير الواضح كيف يحدث هذا في خلايا القلقاسيات التي تسخن نفسها، هل تبدأ عموما بصنعATP أولا ثم تكسيره، أم أنها تطلق الحرارة مباشرة من المسارات دون إنتاج هذا  المركب كوسيط؟

 

بدأنا ننظر إلى النبات فيلودندرون سيلّوم من زاوية مختلفة تماما. فبدلا من تفحُّص خلايا مفردة أو جزيئات كما فعل حتى الآن معظم علماء النبات، قمنا بدراسة النَّورات الزهرية كما لو كانت حيوانات كاملة. لقد أجرى مختبر بارثولوميو بجامعة كاليفورنيا (لوس أنجلوس) دراسات مقارنة عن إنتاج الحرارة والتحكم فيها لدى الحيوانات، فكان كل ما يلزم من معدات وطرائق في متناول اليد. بل إن نباتات عديدة من فيلودندرون سيلّوم كانت مزهرة في الحديقة أمام نافذة المختبر مباشرة مما سهَّل وصولنا إليها.

 

اللوتس المقدس حرارة الزهرة: 30 إلى 37 درجة سيليزية في جو حرارته: 10 إلى 35 درجة سيليزية مدة التحكم في الحرارة: يومان إلى أربعة أيام

 

لم تطمح تجاربنا المبكرة، المدفوعة بالفضول المجرد، إلى ما يزيد كثيرا على تأكيد ما إذا كانت النورات تَسْخُن فعلا إلى الحد الذي ظنناه في حفل العشاء. غرسنا في الإغريض مجسات حرارية تتصل في المختبر بوساطة جهاز تسجيل مستمر لدرجات الحرارة. خلال فترة القياس كان معدل حرارة الهواء في الخارج نحو 20 درجة سيليزية، بينما بقيت حرارة الإغريض أعلى من ذلك بنحو 20 درجة أخرى، أي قريبا من 40 درجة سيليزية. وقد كانت النورة الزهرية بالفعل أسخن من المحيط بل وأسخن من الإنسان.

 

بهذا أصبحنا مأسورين بالرغبة في معرفة المزيد، مثل مدى قدرة النبات فيلودندرون سيلّوم على إنتاج الحرارة. ولتعذر السيطرة على درجة حرارة الهواء في الخارج، فقد قطفنا بعض العينات ووضعناها في حاضنات داخلية يمكن تغيير درجة حرارتها حسب الطلب. ويمكننا داخل المختبر أيضا دراسة معدل إنتاج الحرارة في النبات عن طريق حيلة بسيطة هي قياس معدل استهلاك الأكسجين. وشعرنا بالثقة عند تطبيق هذا المعيار نظرا للصلة الوثيقة بين استعمال الأكسجين وتوليد الحرارة. في الحيوانات ينتج كل ملّيلتر واحد من الأكسجين المستهلك نحو 20 جول من   الحرارة. يمكن إذًا تحويل معدل استعمال الأكسجين مباشرة إلى معدل لإنتاج الحرارة بالواط (جول/ثانية).

 

لقد تفحّصنا النورات الزهرية في درجات حرارة هواء تتراوح ما بين تحت درجة التجمد إلى الحر الشديد المزعج للإنسان. وفي الشروط الأكثر برودة، لم تتمكن بعض النورات من تسخين نفسها، إلا أن حرارتها قفزت لتصل إلى 38 درجة سيليزية في وسط بارد نسبيا (4 درجات سيليزية)، بفارق 34 درجة بين حرارة النورة والجو المحيط، بل ازدادت سخونة الأعضاء النباتية عندما رفعنا درجة حرارة الهواء أكثر من ذلك، إلا أن الفرق بين الدرجتين تناقص تدريجيا. وبلغت ذروة الحرارة في النورات 46 درجة سيليزية عندما كانت حرارة جو الحاضنة 39 درجة سيليزية. إضافة إلى ذلك فقد تناقص معدل إنتاج الحرارة المقدر مع ازدياد درجة حرارة الوسط.

 

كان من الواضح إذًا أن النبات يتحكم في إنتاج الحرارة ليحافظ على الدفء في الجو البارد وليتفادى فرط التسخين في الظروف الحارة. كان الاستنتاجُ مروعا: فهذه النورات تفعل أكثر من إنتاج الحرارة، إنها تتحكم في درجة حرارتها كما تفعل الطيور والثدييات ذات الدم الثابت الحرارة.

 

الخنافس هي الملقحات الطبيعية للنبات فيلودندرون سيلّوم الذي تتألف نورته من ثلاثة طرز من الأزهار الصغيرة (الزهيرات). فهي مذكرة خصبة ومذكرة عقيمة ومؤنثة، تنشأ جميعها على محور مشترك (في أعلى اليسار). أثناء فترة التحكم الحراري للنبات تنفتح القنابة الشبيهة بالورقة والمحيطة بالنورة سامحة للحشرات بالوصول إلى الزهيرات (في أسفل اليسار)، وتنثر الخنافس حبوب الطلع (اللقاح) التي تحملها على الزهيرات المؤنثة المتقبلة، ثم يبرد النبات وتلتف القنابة حول النورة من جديد حابسة بعضها من الحشرات. بعد ذلك تنفرج القنابة بعض الشيء من جديد (في الوسط) وينتثر الطلع من الزهيرات المذكرة الخصبة، وتجبر الفتحة الصغيرة الخنافس الهاربة على الزحف عبر الطلع (في اليمين) فيعلق بعضه بالحشرات التي تطير بها إلى نورات أخرى. هذا التزامن بين تسخين النبات ومراحل تكاثره يدعم الرأي القائل بأن التحكم في الحرارة عند فيلودندرون سلّوم قد تطور تشجيعا للخنافس المُلَقِّحة pollinating.

 

بعد سنتين من اكتشافنا قدرة النبات فيلودندرون سيلّوم على التحكم الحراري، سجل <M .R. كنتسون>، وكان حينذاك في كلية لوثر بولاية أيوا، أن إغريض نبات الكرنب المنتن الشرقي Symplocarpus foetidus  يحافظ على درجة حرارته بين 15 و33 درجة سيليزية لمدة أسبوعين على الأقل خلال الشهرين 2 و  3 عندما تكون درجات حرارة الجو أقل من درجة التجمد (يذكر أن هذا النبات يذيب الثلج من حوله). وفي العام 1996 فقط اكتشفت مع <P. شولتز-موتل>، في جامعة أدلايد بأستراليا، أن زهرة نبات اللوتس المقدس Nelumbo nucifera  تحافظ على درجة حرارتها قريبا من 322 درجة سيليزية لمدة يومين إلى أربعة أيام في منتصف فترة إزهارها الصيفية، حتى عندما تنخفض درجة حرارة الجو إلى 10 درجات سيليزية. وفي هذه الحالة ينتج معظم الحرارة من مركز الزهرة الإسفنجي ذي الشكل المخروطي المقلوب المسمى كرسي الزهرة receptacle. ينتمي اللوتس المقدس إلى فصيلة نباتية مختلفة عن القلقاسية التي ينتمي إليها كل من النبات فيلودندرون والكرنب المنتن. ويوحي ذلك بأن التحكم الحراري قد نشأ في كل من المجموعتين بصورة مستقلة.

 

لماذا تتحكم النباتات في حرارتها؟ إن تنظيم درجة الحرارة يوفر للطيور والثدييات الدفء المناسب الذي تحتاج إليه الخلايا لإنجاز تفاعلاتها الكيمياحيوية بكفاءة. وبهذا التحكم تستطيع الحيوانات ذات الدم ثابت الحرارة أن تبقى نشطة وتستمر في البحث عن الطعام حتى في الطقس البارد الذي تتعرض فيه حيوانات من ذات الدم متغير الحرارة (البارد) كالزواحف إلى تباطؤ في التفاعلات الخلوية وبالتالي في النشاط العام. وتوفر الطيور والثدييات، ذات النواظم الحرارية المرتفعة الدرجة (قريبا من 40 درجة سيليزية)، لأنسجتها معدلات عالية من الطاقة اللازمة لجهد شاق طويل الأمد كالجري أو الطيران. لكن من الواضح أن علينا البحث عن تفسير آخر للتحكم الحراري لدى أزهار مقيمة في المكان.

 

قيمة التحكم في الحرارة

طرحتْ أعمالٌ سابقة لآخرين حجة معقولة مفادها أن القلقاسيات وبعض النباتات الأخرى تسخن نفسها لتبخر الروائح الجاذبة للحشرات. وبينما يبرر تبخير المواد الجاذبة التسخين في هذه النباتات بصيغة جزئية، إلا أنه لا يفسر زيادة وإنقاص إنتاج الحرارة للمحافظة على درجتها في نطاق محدد. ويمكننا أن نقترح سببين لنشوء التحكم الحراري في بعض الأنواع النباتية.

 

أولا، يمكن أن يوافر ذلك بيئة مستقرة للمُلقِّحات⁽³⁾ ويسهل بذلك تكاثر النباتات. فالحشرات الكبيرة التي تحمل غبار الطلع من زهرة لأخرى تتطلب نموذجيا أن تكون حرارة الجسم مرتفعة من أجل الطيران والتنقل والنشاط الاجتماعي، وكثيرا ما تستهلك نسبة كبيرة من الطاقة لتبقى دافئة. فعندما تزور الأزهار المولِّدة للحرارة يتوافر لها مستوى ثابت من الدفء الصادر عن النبات. وبهذا تستطيع أن تأكل وتهضم الطعام وتتزاوج وتعمل دون أن تحتاج إلى إهدار طاقتها الذاتية في تدفئة نفسها. ومن جهة أخرى فالسبب الآخر قد يكمن في احتياج الحشرات نفسها إلى درجة حرارة مستقرة لتشكيل البنى التكاثرية الخاصة بها أو لحماية الأجزاء الحساسة من الضرر الذي يمكن أن يحدث فيما لو كان إنتاج الحرارة غير متحكم فيه.

 

يمكن لأي من الفرضيتين أن تفسر تنشؤ القدرة على التحكم في الحرارة لدى النبات، إلا أن التفاعل بين فيلودندرون سيلّوم والحشرات الناقلة لغبار الطلع يعطي فعلا بعض الرصيد للفكرة القائلة بأن التحكم في الحرارة في هذا النبات ربما تم تبنيه لأنه مشجع لعملية الإخصاب (التلقيح) لقد درس <G. گوتسبرگر> (من جامعة آلم بألمانيا) هذا التفاعل عن كثب في البرازيل، وهو بلد المنشأ للنبات المذكور من قبل.

 

كيف يحقق فيلودندرون حرارة مستقرة

يتحقق ثبات درجة الحرارة في نورة فيلودندرون سيلّوم أساسا بضبط الناظم الحراري لأزهارها المذكرة العقيمة ـ وهي المنتج الرئيسي للحرارة ـ على 37 درجة سيليزية (انظر الرسم). إذا انخفضت درجة حرارة هذه الزهيرات تحت ذلك زادت من إنتاجها للحرارة (الدورة اليسرى). وطالما فاقت كمية الحرارة المنتجة كمية الضائع ارتفعت درجة حرارة الزهيرة، إلى أن تتجاوز 37 درجة سيليزية (الدورة اليمنى) فتتأثر الإنزيمات المعنية بتوليد الحرارة ويقل نشاطها تدريجيا، ويؤدي تثبيطها إلى انخفاض الناتج الحراري. يستمر هذا الانخفاض إلى أن تتساوى كمية الحرارة المنتجة مع تلك المفقودة فتستقر درجة الحرارة عند هذه النقطة. وتعتمد درجة الحرارة النهائية للزهيرة على درجة حرارة الوسط (الرسوم البيانية). فإذا كان الجو باردا فقدت الزهيرات الحرارة بشدة، واحتاجت إلى إنتاج ما يعوضها بشدة أيضا، واستقرت حرارتها قريبا من 37 درجة سيليزية. أما إذا كان الجو حارا فإن الزهيرات تحتفظ بالحرارة، وتنتج بالتالي القليل منها، وتستقر حرارتها قريبا من 46 درجة سيليزية.

تحوي نورة فيلودندرون سيلّوم ثلاثة طرز مختلفة من الزُهَيْرات. ففي أعلى الإغريض توجد الزهيرات المذكرة الخصبة المولِّدة  للطلع، وعلى قاعدته تتوضع الزهيرات المؤنثة القادرة على إعطاء الثمار فيما لو أُخصبت. ويفصل بين هاتين المجموعتين نطاق من الزهيرات المذكرة العقيمة التي توفر الغذاء للحشرات المُلقِّحة وتزود النورة بمعظم حرارتها. ومن باب الإغواء للحشرات فإن فترة التنظيم الحراري للنورة ومدتها 18 إلى 24 ساعة تمتد عبر فترة قابلية الأزهار المؤنثة للإخصاب. خلال هذه الساعات، تنفرج القنابة المحيطة بالإغريض لتسمح بدخول الحشرات الحاملة لغبار الطلع ـ وهي غالبا من الخنافس beetles ـ إلى الأزهار العقيمة الدافئة وإلى الغذاء. بعد ذلك يبرد الإغريض وتلتف القنابة حوله من جديد حابسة في الداخل عددا من الخنافس. وبعد نحو 12 ساعة يتأكد خلالها إخصاب الزهيرات المؤنثة، تسخن النورة من جديد وتنفتح القنابة جزئيا مرة أخرى وينتثر غبار الطلع من الزهيرات المذكرة الخصبة، ويعلق بعضه بالحشرات الهاربة التي تطير خارجا لتعيد الدورة. يشجع هذا التتابع في الأحداث على التلقيح المتصالب (الخلطي) cross-pollination  ويمنع التلقيح الذاتي، مما يزيد من التغاير الجيني (التنوع الوراثي) genetic diversity، الذي يحابي بدوره نجاح التكاثر.

 

يتشابه نبات اللوتس المقدس مع فيلودندرون سيلّوم بمحافظته على درجات حرارة مرتفعة عندما تكون المياسم المؤنثة رطبة ومتقبلة وقبل أن ينتثر غبار الطلع. ويبدأ التسخين في هذا النبات قبل تباعد البتلات وينتهي عند تمام التفتح. إن شكل هذه الزهرة مناسب أيضا للإخصاب بوساطة الخنافس. ولكن من غير الواضح إن كان التحكم الحراري قد نشأ خصيصا لمساعدة الخنافس في هذه المهمة أم لا. ومصدر الشك هو عدم معرفتنا لموطن نشوء هذا النبات، وفيما إذا كانت الخنافس هي المُلقِّحات الأهم في تلك المنطقة. بل من الواضح أن الزهرة لا تعتمد في ذلك على الخنافس، إذ يمكن أن تلقحها حشرات أخرى بعد أن تنفرج بتلاتها تماما وينخفض إنتاج الحرارة.

 

الزهيرات المذكرة العقيمة للنبات فيلودندرون سيلّوم (في اليسار) تأخذ الأكسجين عبر مسام تدعى الثغور stomates. تمثل الصورة المجهرية الوسطى قمة إحدى هذه الزهيرات وتشاهد فيها عدة ثغور (النقط المعتمة). وفي الصورة المجهرية اليمنى تكبير لثغر واحد.

 

كيف يعمل فيلودندرون

مسألة كيف تنظم النباتات الحرارة لا تقل روعة عن مسألة لماذا تفعل ذلك، وكانت هي فعلا محور اهتمامي عندما بدأت جديا بدراسة النبات فيلودندرون. لتناول هذه المسألة شكّلت فريقا في بداية الثمانينات مع بارثولوميو و <Ch .M. بارنهارت> الذي يعمل حاليا في جامعة جنوب غرب ولاية ميسوري. لم تكن الإجابة عن هذا التساؤل جلية على  الإطلاق؛ لأن النباتات تعمل بصورة مختلفة تماما عن الحيوانات.

 

التحكم في درجة الحرارة لدى الحيوانات قضية معقدة تتطلب مستقبلات لدرجة الحرارة temperature receptors في مواضع عديدة من الجسم، وتحتاج إلى جهاز عصبي يستوعب المعلومات الداخلة، ويوجه أجزاء الجسم المختلفة لتغيير نشاطاتها. فعلى سبيل المثال، كثيرا ما يؤشر الجهاز العصبي إلى الجسم للتكيف مع هبوط في درجة حرارة الجو بتنفيش الفراء أو الريش مما يزيد العزل ويقلل ضياع الحرارة. على أية حال هذه الخطة تصلح فقط ضمن حدود يمكن للحيوانات بعدها أن تزيد إنتاج الحرارة أيضا كلما ازدادت برودة الوسط المحيط بأن تأخذ هذه الحيوانات نموذجيا بالارتجاف وتحريك العضلات وإجبارها على استعمال ATP. ويحتاج تسخين الجسم أيضا إلى زيادة معدلات التنفس ودوران الدم بحيث يزداد إمداد النسيج المنتج للحرارة بالمغذيات والأكسجين.

 

إلا أن النباتات ليس لديها فرو أو ريش أو جهاز عصبي أو عضلات أو رئات أو دم أو دماغ. تساؤلنا إذًا كيف يتمكن فيلودندرون سيلّوم من رفع وخفض درجة حرارته ليحافظ على نورته الزهرية في مدى 38 إلى 46 درجة سيليزية.

 

كان علينا أولا أن نحدد الجزء من النورة الذي يولد الحرارة، وهو ما كان لغزا في حينه. نزعنا الطرز الثلاثة من الزهيرات عن محور النورة، وقسنا معدل استهلاك كل منها للأكسجين، واستنادا إلى هذه القياسات حسبنا معدل إنتاج الحرارة. لقد استهلكت الزهيرات المذكَّرة العقيمة الجزء الأكبر من الأكسجين، واستهلكت الزهيرات المذكَّرة الخصبة قليلا منه، وكان ما أخذه كل من الزهيرات المؤنثة والمحور لا شيء تقريبا. فالأزهار العقيمة، على ما يبدو، هي المسؤولة عن التحكم في الحرارة في النورة. أكدت الدراسات اللاحقة هذا الاستنتاج وبينت أن الأزهار ليست بحاجة إلى منظومات (أجهزة) الحيوانات المعقدة للتحكم في درجة الحرارة، وأنها تحتوي على نواظمها الحرارية thermostats الخاصة بها وعلى مؤونتها الذاتية من الغذاء، ولها وسائلها الخاصة لاكتساب الأكسجين.

 

تظهر في الصورة اليمنى جميع مراحل الإزهار في اللوتس المقدس. يبدأ التحكم الحراري في وقت ما بين تشكل البرعم الزهري المغلق (في يمين الوسط) وانفكاك البتلات عن بعضها (في اليسار) عندما تدخل الحشرات إلى الزهرة، وينتهي ذلك عند اكتمال تفتح البتلات (في الأعلى). بعد انتثار غبار الطلع تسقط البتلات (في أقصى اليمين) ويبدأ قرص الزهرة الحاوي للبذور بالنمو. هذا القرص (ويقال له أيضا كرسي الزهرة) الذي نشاهده في المقطع الطولي (الصورة اليسرى) كبنية إسفنجية صفراء هو أيضا مصدر معظم الحرارة في الزهرة. الرسم البياني (في اليمين) الذي يمثل قياسات على زهرة واحدة نموذج للنتائج التي تبرهن على تحكم فعّال في درجة الحرارة لدى زهرة اللوتس. لقد حافظت الزهرة على درجة حرارتها ثابتة تقريبا (في الأعلى) على الرغم من تقلب درجة حرارة الجو. توصلت الزهرة إلى هذا الاستقرار الحراري بزيادة استهلاك الأكسجين (وبالتالي إنتاج الحرارة) عندما كان الجو باردا، وبإنقاص ذلك الاستهلاك في الجو الحار (في الأسفل)

 

في الاختبارات التي أظهرت وجود النواظم الحرارية، فصلنا الزهيرات المذكرة العقيمة عن الإغريض ووضعناها إفراديا في حاضنات في درجات حرارة محددة، بحيث لم تكن قادرة على تدفئة بعضها بعضا، بل متأثرة فقط بدرجة حرارة الهواء المحيط. وبهذا تمكنا من تقدير كمية الحرارة التي أنتجتها في درجات الحرارة المختارة.

 

كانت الحرارة الصادرة عن زهيرات منفردة ضئيلة عند وضعها في جو قريب من درجة التجمد، ربما لأن الإنزيمات اللازمة لإنتاج الحرارة ـ كمعظم الإنزيمات في الكائنات الحية ـ لا تعمل بسرعة في البرودة الشديدة. لكن الأزهار أبدت نمطا لافتا من إنتاج الحرارة في درجات حرارة أعلى (يحدث هذا النمط أيضا عندما تكون الزهيرات في مكانها على الإغريض، خلا أنها في هذه الحال تكسب دفئا إضافيا من الحرارة الصادرة عن الزهيرات المجاورة). وكلما زادت درجة حرارة الزهيرات زاد معدل إنتاج الحرارة مما يؤدي إلى مزيد من التسخين. هذا التزايد المقوّى ذاتيا يستمر حتى تصل درجة حرارة الزهرة إلى 37 درجة سيليزية، وعلى درجات أعلى من ذلك تقوم الزهيرات بإيقاف التسخين، فيهبط معدل إنتاج الحرارة بصورة حادة.

 

تحدد درجة حرارة المحيط بدقة مدى تراجع هذا المعدل. فإذا كان الجو باردا، ولنفترض نحو 4 درجات سيليزية، فإن الأزهار تفقد الحرارة بسرعة وتستقر على نحو 38 درجة سيليزية (مع استمرار معدل مرتفع من توليد الحرارة). بالمقابل، إذا كان الوسط دافئا، ربما 39 درجة سيليزية، فإن فقد الحرارة يكون بطيئا وتستقر حول 46 درجة سيليزية (مع معدل منخفض من توليد الحرارة). هذا النمط عكوس (قابل للانعكاس). فالزهيرة التي تقلل إنتاج الحرارة في دفء النهار تزيده من جديد في برودة الليل.

 

يتراجع إنتاج الحرارة في الزهيرات الساخنة؛ لأن درجة الحرارة المرتفعة تؤدي على الأغلب إلى تثبيط المسارات المسؤولة عن توليد الحرارة. ومن غير المعروف فيما لو كانت الحرارة المرتفعة تؤثر مباشرة في إنزيمات معينة في المسارات، أم أنها تتدخل بالنشاط الإنزيمي عن طريق تغيير بنية الأغشية التي تربط الإنزيمات.

 

وبعد أن نظرنا في الوضع الذي يحكمه الناظم الحراري للزهيرات، بدأنا بالتقصي عن كيفية حصول هذه الأخيرة على المغذيات والأكسجين اللذين تستعملهما أثناء التسخين، وكم من الحرارة ينتج منها بالضبط. فمع أن دراساتي المبكرة اعتمدت تقدير إنتاج الحرارة على أساس قياس استعمال الأكسجين، فإن نتائجها لم تكن قد تأكدت بعد.

 

يقترب معدل إنتاج الحرارة (مقدرا بالواط/ غرام) للنباتات القلقاسية ـ التي تضم فيلودندرون سيلّوم وزنبق الأروم (اللوف) الملطخ Arum maculatum ـ من المستويات المرتفعة التي تولدها عضلات النحل أثناء الطيران أو النسيج المتخصص بإنتاج الحرارة (الشحم البني) في حيوان الهامستر. بل تتفوق هذه النباتات في إنتاج الحرارة على بعض الحيوانات ذات الدم ثابت الحرارة.

 

ولقد تبين أن جميع الطاقة المكرسة للتسخين لدى فيلودندرون سيلّوم كانت موجودة في الزهيرات منذ البداية (قد لا تعكس هذه الخاصية وضع نباتات أخرى منظِّمة للحرارة على أية حال. فزهرة الكرنب المنتن تحتاج إلى استيراد الوقود من جذور النبات). وكان مدهشا لنا أن نجد هذه الأزهار تحرق الدهن بدلا من الكربوهيدرات التي تستعملها نباتات قلقاسية أخرى. أوضح الفحص بالمجهر الإلكتروني فعلا أن أنسجة الأزهار المذكَّرة العقيمة تحوي قطيرات دهنية (شحمية) وعددا كبيرا من الميتوكوندريا. بعبارة أخرى وجدنا تشابها «ملحوظا» بين هذه الأنسجة والدهن البني brown fat، وهو نسيج متخصص بإنتاج الحرارة عُثِر عليه في الثدييات. إن كلا من الخلايا النباتية والحيوانية تستخدم الميتوكوندريا نموذجيا ليخزن معظم الطاقة المشتقة من المغذيات على صورةATP. إلا أن كلا من الشحم البني ونسيج زهرة فيلودندرون سيلّوم غير المألوف يستعمل المغذيات والأكسجين لإنتاج الحرارة مباشرة.

 

ربما أمكن تثمين قدرة فيلودندرون سيلّوم المدهشة على إنتاج الحرارة بصورة أفضل إذا قورن ذلك بنتاج نباتات وحيوانات أخرى. فالإغريض الذي يزن 125 غراما ينتج نحو 9 واط من الحرارة ليبقي نفسه على 40 درجة سيليزية في جو حرارته 10 درجات. ويعادل ذلك تقريبا ما يتولد من حرارة عن قطة تزن 3 كيلوغرام في الظروف نفسها (كثيرا ما تخيلت نورات فيلودندرون سيلّوم كقطط نامية على ساق النبات بسبب هذه المقارنة). إن جرذًا وزنه 125 غراما يمكنه إنتاج 2 واط فقط. وليس ذلك لعجزه عن إنتاج المزيد، إنما لأن ما يفقده من الحرارة في الجو أقل مما يفقده النبات لكون الجرذ معزولا بفروته، وبذلك يستطيع توفير الطاقة لاستخدامها في وظائف أخرى.

 

إذا قورن معدل إنتاج الحرارة منسوبا للوزن، فإن زُهَيْرات فيلودندرون سيلّوم تقترب من أعلى المعدلات الموجودة لدى الطيور والحشرات أثناء طيرانها. فهذه الزهيرات التي يزن كل منها نحو 8 ملّيغرام، تطلق 0.16 واط/غرام للنسيج النباتي، مقارنة بـ 0.2 إلى 0.7 واط/غرام للطيور والحشرات. فإذا قُدّرت بهذه الطريقة تأتي القلقاسيات عموما بين أعظم الكائنات المنتجة للحرارة بما في ذلك الحيوانات. وإن أكثرها كفاءة بهذا الشأن هو زنبق الأروم (اللوف) الملطخ Arummaculatum الذي تولِّد زهيراته 0.44 واط/غرام. وهذا الرقم ليس بعيدا جدا عن الواط الواحد بالغرام الذي يصدر عن الشحم البني لحيوان الهامستر السيبيريSiberian hamster ـ ولا حتى عن ناتج عضلات النحل أثناء الطيران الذي يعادل تقريبا 2.4 واط/غرام، وهو أعلى معدل أعرفه لإنتاج الحرارة في نسيج حيواني.

 

لقد طرحت الطاقة الكبيرة التي يطلقها فيلودندرون سيلّوم سؤالا عن طريقة الحصول على الحاجة من الأكسجين، نظرا لغياب الرئات وجهاز الدورة الدموية والهرمونات المسؤولة عن زيادة التنفس ودوران الدم في الحيوانات. وجدنا أن الزهيرات تكتسب الأكسجين ببساطة بوساطة الانتشار diffusion من الهواء المحيط الذي يحوي عادة 21 في المئة أكسجينا. ولما كانت نسبته داخل الزهيرات أقل من ذلك بسبب استهلاكه في التنفس فإنه يتحرك بالتدريج داخل النسيج النباتي. وأظهرت تجاربنا أن انتشار الأكسجين نحو الداخل لا يبدأ بالتناقص إلا بعد انخفاض تركيزه حول الزهيرات إلى أقل من 17 في المئة تقريبا، وهو مستوى لا يبلغه في الواقع حتى عندما تنهمك الزهيرات في إنتاج الحرارة بأعلى المعدلات.

 

حددت دراساتي التشريحية الأخيرة المسار الذي يتخذه الأكسجين لاختراق الزهيرات. يبلغ طول الزهيرة الواحدة سبعة ملّيمترات تقريبا وسماكتها 1.2 ملّيمتر (فهي تقريبا بحجم حبة أُرْز غير مطبوخة). ومن العجيب أن الأكسجين يدخل الزهيرة عبر نحو 170 ثقبا فقط، هي الثغور stomates. ويتوزع الغاز بعد دخوله عبر شبكة فرعية من الدهاليز تشغل أقل من واحد في المئة من حجم الزهيرة. يبلغ طول مسار الانتشار من سطح الزهيرة إلى كل خلية فيها ما يقل قليلا عن 0.75 ملّيمتر، وهذه المسافة مماثلة بدرجة مدهشة لطول الأنابيب الهوائية التي تزود عضلات الطيران في الحشرات بالأكسجين.

 

لقد أظهر تعاملنا مع النباتات الساخنة قوة الأفكار والطرائق التي طُوِّرت في حقل علمي معين عند تطبيقها في حقل آخر. ولقد تمكنتُ والعاملون معي ـ منساقين وراء الفضول والمنطق ـ من مراقبة ظاهرة غير مألوفة، بعيدا عن المفاهيم المسبقة التي تبدو مسيرة للبحث العلمي في قنوات محددة الاتجاهات. ووجدنا نتيجةً لعملنا تشابهات مدهشة بين الحيوانات والنباتات، وهما مجموعتان من المتعضيات لا تعتبران عادة مشتركتين في كثير من الأمور.

 

 المؤلف

Roger S. Seymour

حصل على الدكتوراه في علم الحيوان من جامعة كاليفورنيا (لوس أنجلوس)، وهو الآن أستاذ مشارك في علم الحيوان في جامعة أدلايد بجنوب أستراليا. إضافة إلى دراسته للأزهار المنتجة للحرارة فقد ركَّز سيمور (الذي يشاهد في الصورة مع نبات فيلودندرون سيلّوم) اهتمامه مؤخرا على فسيولوجية البيوض. وهذه المقالة هي ثالث إسهاماته في مجلة ساينتفيك أمريكان.

 

مراجع للاستزادة 

RESPIRATION AND HEAT PRODUCTION BY THE INFLORESCENCE OF PHILODENDRON SELLOUM KocH. R. S. Seymour, G. A. Bartholomew and M. C. Barnhart in Planta, Vol. 157, No. 4, pages 336-343; April 1983.

RESPIRATORY GAS EXCHANGE DURING THERMOGENESIS IN PHILODENDRON SELLOUM KOCH. R. S. Seymour, M. C. Barnhart and G. A. Bartholomew in Planta, Vol. 161, No. 3, pages 229-232; June 1984.

SEXUAL REPRODUCTION IN THE ARUM LILY FAMILY, WITH EMPHASIS ON THERMO-GENICITY. B.J.D. Meeuse and I. Raskin in Sexual Plant Reproduction, Vol. 1, No. 1, pages 3-15; March 1988.

ANALYSIS OF HEAT PRODUCTION IN A THERMOGENIC ARUM LILY, PHILODENDRON SELLOUM, BY THREE CALORIMETRIC METHODS. R. S. Seymour in Thermochimica Acta, Vol. 193, pages 91-97; December 14, 1991.

THERMOREGULATING LOTUS FLOWERS. R, S. Seymour and P. Schultze-Motel in Nature, Vol. 383, page 305; September 26, 1996.

Scientific American, March 1997

 

(1) (عائلة) family: درجة تصنيفية هامة في الكائنات الحية.

(2) الازهرار أو النورة الزهرية (اختصارا نورة) inflorescence هو الجزء من النبات الذي تتجمع وتترتب عليه الأزهار، وهو أيضا نمط ترتيب هذه الأزهار المتجمعة، وله قيمة تصنيفية إلى جانب صفات الزهرة نفسها. (التحرير)

(3) غبار الطلع (اللقاح) pollen وهو حبوب دقيقة منتثرة تمثل خلايا النبات المذكرة، ومنه التطليع (التلقيح) pollination ويعني وصول غبار الطلع إلى مياسم الأزهار المؤنثة أو إيصاله إليها بوساطة الملقحات pollinators وهي غالبا من الحشرات. (التحرير)