นักวิทยาศาสตร์ไขปริศนาอายุ 100 ปีเกี่ยวกับการที่พืชหยั่งรากลงในดินได้อย่างไร

ทีมนักวิทยาศาสตร์ที่นำโดยนักวิจัยแห่งมหาวิทยาลัยเยล คิดว่าในที่สุดพวกเขาก็ค้นพบว่าทำไมพืชบกถึงพัฒนาระบบหลอดเลือดที่ซับซ้อนเช่นนี้ ซึ่งเป็นความลึกลับที่มีมานานราวหนึ่งศตวรรษ

เมื่อพืชบกถือกำเนิดขึ้นเป็นครั้งแรกเมื่อประมาณ 500 ล้านปีก่อน ระบบหลอดเลือดของพวกมันนั้นเรียบง่ายมาก

ด้านในของรากและลำต้นดูเหมือนมัดฟางซึ่งจะดึงน้ำและสารอาหารจากสภาพแวดล้อมโดยรอบ

อย่างไรก็ตาม เมื่อราว 420 ล้านปีก่อน ระบบดูดน้ำที่ตรงไปตรงมานี้แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ โดยค่อยๆ แยก ‘ฟาง’ ออกเป็นรูปทรง โครงสร้าง และขนาดที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น

เป็นเวลาเกือบ 100 ปีที่นักวิทยาศาสตร์ไม่รู้ว่าเหตุใดวิวัฒนาการจึงสนับสนุนการตกแต่งภายในที่ซับซ้อนกว่านี้ แต่การวิเคราะห์ใหม่เกี่ยวกับบันทึกฟอสซิลชี้ให้เห็นว่าระบบหลอดเลือดที่ทันสมัยกว่าสามารถทนแล้งได้ดีกว่า

ผู้เขียนสรุปได้ว่าการขาดน้ำอาจเป็นสิ่งที่สร้างรูปร่างภายในของพืชเป็นอย่างแรก

พืชบกชนิดแรกของโลกมีขนาดเล็ก ไม่ซับซ้อน รูปร่างคล้ายตะไคร่น้ำ พวกมันไม่มีระบบราก ซึ่งหมายความว่าพวกมันถูกกักขังอยู่ในบริเวณที่มีน้ำอุดมสมบูรณ์

เมื่อพืชเริ่มย้ายถิ่นฐานไปสู่พื้นที่แห้งแล้งมากขึ้น พวกเขาต้องการวิธีใหม่ๆ ในการกักเก็บน้ำ แสงแดด และสารอาหาร ในขณะเดียวกันก็ปกป้องตัวเองจากการระเหยและการคายน้ำ

นั่นคือจุดที่กิ่งและรากมีประโยชน์ และในขณะเดียวกัน โครงสร้างเหล่านี้ยังสร้างความท้าทายใหม่ๆ อีกด้วย

ในช่วงฤดูแล้ง พืชจะแห้งได้ง่าย ทำให้เกิดฟองไอน้ำ คล้ายกับเส้นเลือดอุดตันที่ปิดกั้นน้ำไม่ให้ไหลผ่านราก

ในระบบหลอดเลือดที่เรียบง่ายและดั้งเดิม ฟองอากาศภายในพืชสามารถแพร่กระจายไปยังช่องทางอื่นหรือ ‘ฟาง’ ได้อย่างง่ายดาย ทำให้เกิดการกีดขวางน้ำและสารอาหารเพิ่มเติม ผลที่ได้อาจทำให้เนื้อเยื่อตาย และอาจถึงตายทั้งต้น

การสร้างแบบจำลองระบบหลอดเลือดต่างๆ ของพืชสมัยใหม่และสูญพันธุ์บางชนิดที่เก็บรักษาไว้ในบันทึกฟอสซิล นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่ารูปแบบหลอดเลือดที่ซับซ้อนมากขึ้นสามารถปิดล้อมฟองอากาศได้

เมื่อหลอดที่ประกอบกันเป็นระบบลำเลียงของพืชถูกแยกออกเป็นรูปแบบต่างๆ การจำลองจะบ่งชี้ว่าฟองอากาศมีเพื่อนบ้านที่จะแพร่กระจายน้อยลง

แอนิเมชั่นด้านล่างแสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างเส้นเลือดอุดตันที่แพร่กระจายในเส้นเลือดของพืชดั้งเดิมที่เรียบง่ายกับพืชสมัยใหม่ที่ซับซ้อนกว่า

การค้นพบนี้มีนักวิจัยสรุปว่าความแห้งแล้งเป็นแรงกดดันในการเลือก “ในทางทฤษฎี” สำหรับระบบหลอดเลือดของพืช

 

Craig Brodersen นักสรีรวิทยาของพืชจาก Yale School of the Environment อธิบายว่า “ทุกครั้งที่พืชเบี่ยงเบนไปจากระบบหลอดเลือดทรงกระบอกนั้น ทุกครั้งที่มันเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย พืชจะได้รับรางวัลในแง่ของความสามารถในการอยู่รอดจากภัยแล้ง”

“และหากรางวัลนั้นมีอยู่เรื่อยๆ มันก็จะบังคับให้พืชเปลี่ยนทิศทางออกจากระบบหลอดเลือดทรงกระบอกโบราณไปสู่รูปแบบที่ซับซ้อนมากขึ้นเหล่านี้

“ด้วยการเปลี่ยนแปลงเล็กๆ น้อยๆ เหล่านี้ พืชสามารถแก้ปัญหานี้ที่พวกเขาต้องคิดให้พบตั้งแต่เนิ่นๆ ในประวัติศาสตร์ของโลก มิฉะนั้น ป่าที่เราเห็นทุกวันนี้ก็จะไม่มีอยู่จริง”

 

การค้นพบนี้ไม่เพียงเปิดเผยแง่มุมที่น่าสนใจเกี่ยวกับอดีตของโลกเท่านั้น แต่ยังช่วยอธิบายว่ารูปแบบหลอดเลือดจำนวนมากที่เห็นในพืชสมัยใหม่ในปัจจุบันเกิดขึ้นได้อย่างไรและพูดถึงแนวทางแก้ไขในอนาคต

ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับวิธีที่พืชรับมือกับภัยแล้งอาจช่วยให้นักวิจัยเตรียมพืชที่สำคัญสำหรับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอย่างรวดเร็วที่รออยู่ข้างหน้าได้

หากผู้เชี่ยวชาญสามารถหาวิธีขยายพันธุ์ระบบรากและหลอดเลือดได้ดีขึ้น พืชผลบางชนิดอาจสามารถเลี้ยงเราได้นานในอนาคต

 

พืชหยั่งรากลงในดิน

หากคุณเคยสังเกตเห็นฟิล์มสาหร่ายลื่นๆ บนก้อนหิน เป็นไปได้ว่าคุณจะไม่ได้สนใจมันมากนัก แต่บางสายพันธุ์ที่ถูกมองข้ามเหล่านี้มีเงื่อนงำของหนึ่งในความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของวิวัฒนาการ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบ: พืชขึ้นมาบนบกได้อย่างไร

เมื่อวันพฤหัสบดีที่ผ่านมา นักวิจัยได้เผยแพร่จีโนมของสาหร่าย 2 ชนิดที่จัดอยู่ในกลุ่มญาติสนิทของพืชบกที่รู้จักกันมากที่สุด พวกมันมียีนสำคัญที่พืชต้องการในการเจริญเติบโตบนพื้นที่แห้งแล้งอยู่แล้ว

ผู้เขียนผลการศึกษาใหม่พบว่าบรรพบุรุษของพืชได้รับความสามารถในการอยู่รอดบนบกโดยการจับยีนจากสายพันธุ์อื่นโดยเฉพาะจากแบคทีเรีย

นักวิจัยคนอื่น ๆ กำลังวางแผนว่าจะใช้จีโนมใหม่เพื่อทำการทดลองของตนเองอย่างไร Jan de Vries นักชีววิทยาพืชแห่งมหาวิทยาลัย Göttingen ประเทศเยอรมนี ซึ่งไม่ได้มีส่วนร่วมในการศึกษากล่าวว่า “เอกสารฉบับนี้แสดงถึงความสำเร็จครั้งสำคัญในด้านวิวัฒนาการของพืชยุคแรก”

พืชมีความสำคัญต่อชีวิตของเรามากจนยากจะจินตนาการว่าโลกนี้เคยเป็นเช่นไรมาก่อน จนกระทั่งเมื่อครึ่งพันล้านปีก่อน ทวีปส่วนใหญ่ว่างเปล่า ยกเว้นเปลือกของแบคทีเรียและอาจมีเชื้อราบางชนิด

เมื่อพืชหยั่งรากบนบก พวกมันก็จะเติบโตเป็นป่า พุ่มไม้ และหนองน้ำ พวกเขาสร้างพรมจากดิน เติมออกซิเจนในชั้นบรรยากาศ และทำให้สัตว์สามารถออกจากทะเลได้เช่นกัน

“พวกมันเปลี่ยนพื้นผิวโลกไปตลอดกาล” Stefan Rensing นักชีววิทยาด้านพืชแห่งมหาวิทยาลัย Marburg ในเยอรมนีกล่าว

ปัจจุบัน พืชเป็นส่วนประกอบของมวลชีวภาพส่วนใหญ่ของโลก พวกมันประกอบด้วยคาร์บอนประมาณ 500 พันล้านตัน ซึ่งมากกว่าคาร์บอนในสิ่งมีชีวิตอื่นๆ รวมกันถึงสี่เท่า

หลังจากที่พืชแพร่หลายบนบก พวกมันได้ทิ้งซากดึกดำบรรพ์ไว้มากมาย แต่บทแรกสุดของวิวัฒนาการพืชไม่ได้บันทึกไว้อย่างดีในบันทึกฟอสซิล

ดังนั้น นักวิจัยจึงหันไปหาสิ่งมีชีวิต โดยเฉพาะ DNA ของพวกมัน เพื่อหาคำแนะนำว่าพืชบกมีวิวัฒนาการอย่างไร

พืชจับแสงแดดและคาร์บอนไดออกไซด์ในช่องเซลล์ที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ ช่องเหล่านี้เคยเป็นแบคทีเรียในมหาสมุทร เมื่อกว่าพันล้านปีก่อน พวกมันถูกกลืนกินโดยสิ่งมีชีวิตที่มีลักษณะคล้ายอะมีบา ซึ่งเป็นบรรพบุรุษของสาหร่าย ซึ่งเริ่มควบคุมพลังของแสงอาทิตย์ด้วยตัวมันเอง

สาหร่ายสีเขียววิวัฒนาการเป็นรูปแบบใหม่มากมาย บางคนอยู่ในมหาสมุทรในขณะที่คนอื่นย้ายไปอยู่ในน้ำจืด

นักวิทยาศาสตร์สงสัยมานานแล้วว่าสาหร่ายน้ำจืดชนิดใดก่อให้เกิดพืชบก และพวกมันจัดการสิ่งที่ไม่มีเชื้อสายอื่นทำได้อย่างไร เพื่อหาคำตอบ นักวิจัยได้เริ่มจัดลำดับชิ้นส่วนของ DNA และวาดแผนผังครอบครัว

ในตอนแรก กลุ่มของสาหร่ายที่เรียกว่า charophytes กลายเป็นญาติสนิทของพืชบก การค้นพบนั้นดูเหมือนจะสมเหตุสมผล ประการหนึ่ง charophytes ไม่ใช่สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว พวกมันเติบโตร่างกายที่แตกแขนงและซับซ้อนแทน

“พวกมันดูเหมือนพืชใต้น้ำ” ดร. เรนซิงกล่าว

แต่เมื่อนักวิจัยวิเคราะห์สาหร่ายมากขึ้น วงศ์อื่นที่เรียกว่า Zygnematophyceae ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นญาติที่ใกล้เคียงที่สุดกับพืช เป็นเรื่องที่น่าประหลาดใจเพราะพวกมันง่ายกว่าพืชประเภทชาร์โรไฟต์มาก พวกมันอยู่เป็นเซลล์เดี่ยวๆ หรือก่อตัวเป็นเส้นใยเล็กๆ ที่เรียบง่าย

Gane Ka-Shu Wong นักจีโนมิกวิทยาแห่ง the มหาวิทยาลัยอัลเบอร์ตาในแคนาดาและผู้เขียนร่วมของการศึกษาใหม่

ดร. หว่องและเพื่อนร่วมงานได้เลือก Zygnematophyceae สองสายพันธุ์ที่เก็บไว้ในกลุ่มสาหร่ายในประเทศเยอรมนีเพื่อศึกษาอย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น ทั้งสองชนิดสามารถอาศัยอยู่นอกบ่อหรือลำธารได้ สัตว์ชนิดหนึ่งถูกขูดออกจากหินในป่าในเยอรมนี พบอีกชนิดหนึ่งที่เติบโตบนมอสในโปรตุเกส

นักวิจัยจัดลำดับจีโนมทั้งหมดของทั้งสองสปีชีส์ และพบยีนจำนวนหนึ่งที่สาหร่ายร่วมกับพืชบกแต่ไม่มียีนที่เกี่ยวข้องกับสาหร่ายที่อยู่ห่างไกลกันมากขึ้น เป็นการยืนยันว่า Zygnematophyceae เป็นญาติที่ใกล้เคียงที่สุดกับพืชบก

ยีนเหล่านี้บางส่วนน่าจะพัฒนามาจากยีนเก่า เมื่อสาหร่ายบรรพบุรุษจำลอง DNA ของพวกมัน พวกเขาจึงทำสำเนาเพิ่มเติม เป็นเวลาหลายล้านปี สิ่งมีชีวิตที่ซ้ำกันกลายพันธุ์เป็นยีนใหม่ที่ทำให้สิ่งมีชีวิตมีความสามารถใหม่

แต่ยีนสำคัญชุดหนึ่งใน Zygnematophyceae นั้นเกิดขึ้นในลักษณะที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ดูเหมือนว่าสาหร่ายจะขโมยพวกมันมาจากแบคทีเรีย

ยีนเหล่านี้ช่วยให้พืชสามารถอยู่รอดได้ในช่วงฤดูแล้งและความเครียดอื่นๆ แม้แต่ในปัจจุบัน พืชบกก็อาศัยยีนดังกล่าวในการสร้างสปอร์และเมล็ดพืชที่สามารถอยู่รอดได้เป็นเวลาหลายเดือนหรือหลายปีเมื่ออยู่เฉยๆ

นักวิจัยพบว่าไม่มียีนเหล่านี้ในสาหร่ายชนิดอื่น แต่มีอยู่ในแบคทีเรีย โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในดิน

Michael Melkonian ผู้เชี่ยวชาญด้านสาหร่ายแห่งมหาวิทยาลัยโคโลญจน์ในเยอรมนีและผู้ร่วมเขียนงานวิจัยชิ้นใหม่นี้ ได้ศึกษา Zygnematophyceae และได้ค้นพบเงื่อนงำบางอย่างที่บ่งชี้ว่าสาหร่ายโบราณสามารถรับยีนของแบคทีเรียได้อย่างไร

สาหร่ายสร้างขนเป็นรูพรุนเพื่ออุ้มน้ำ และแบคทีเรียบางชนิดก็กินคาร์โบไฮเดรตที่ประกอบกันเป็นขน “ในทางกลับกัน พวกมันผลิตวิตามินที่สาหร่ายอาจต้องการ” ดร. เมลโคเนียนกล่าว

ความเชื่อมโยงที่ใกล้ชิดนี้อาจทำให้ยีนจากแบคทีเรียหลุดเข้าไปใน DNA ของสาหร่ายได้ เขาสันนิษฐาน เป็นแนวคิดที่น่าสนใจ แต่อีกครึ่งพันล้านปีต่อมาก็ยากที่จะทดสอบ

“ยังไม่มีวิธีพิสูจน์ว่าสิ่งนี้เป็นความจริง” ดร. เรนซิงกล่าว

จีโนมใหม่นี้อาจทำให้สามารถทราบได้ว่ายีนที่มีลักษณะคล้ายพืชเหล่านั้นกำลังทำอะไรอยู่ในเซลล์ของพวกมัน และวิธีที่พวกมันวิวัฒนาการเพื่อรับบทบาทใหม่ในพืชบก ดร. เดอ วรีส กล่าว

สิ่งหนึ่งที่ชัดเจนอยู่แล้ว ดร. เมลโคเนียนกล่าวว่า งานวิจัยใหม่ทั้งหมดเกี่ยวกับสาหร่ายบ่งชี้ว่าพืชบกไม่ได้เกิดขึ้นจากการก้าวกระโดดของวิวัฒนาการครั้งใหญ่ พวกเขาสร้างจากคำนำยาวของการดัดแปลงในบรรพบุรุษที่เรียบง่ายของพวกเขา

ดร. เมลโคเนียนกล่าวว่า “พื้นผิวของดาวเคราะห์เป็นสีเขียวเมื่อหลายร้อยล้านปีก่อนจะมีพืชบกขึ้นเป็นครั้งแรก

 

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ anclotefire.com