ما هي ميكانيكية فتح وغلق الثغور في النبات
الثغور هي المسام الموجودة بكثرة في السطح السفلي لأوراق النبات وأعلى الجذع، وتساعد في التبادل الغازي والنتح، وتحتوي الثغور على خلايا حراسة تساعد في تنظيم فتحها وإغلاقها، وتفتح الثغور نهارا لتسمح بتبادل الغازات وإطلاق بخار الماء عن طريق النتح، وتتغير عملية فتح وإغلاق الثغور بفعل ضغط التمزق على خلايا الحفاظ.
وفي النهار تقوم الجذور بإمتصاص الماء نتيجة لزيادة النتح ويتم انتقاله إلى أجزاء متنوعة في النبات عن طريق نسيج الخشب، وتكبر خلية الحراسة حين تلتقي مع الماء وتكون منتفخة، وبسبب ذلك ، يتم فتح مسام الفم، وفي اثناء الليل ، تمتص الجذور كمية قليلة من الماء ، وبالتبعية تكون الخلية الحامية مترهلة ومتقلصة ونتيجة لهذا تقفل مسام الفم.
يتم خلال فترة النهار، من خلال التمثيل الضوئي، أخذ النبات ثاني أكسيد الكربون من الجو وإفراز الأكسجين الذي يتنفسه البشر، وذلك عن طريق المسام الموجودة في الفم، في حين لا يحدث التمثيل الضوئي أثناء الليل، حيث يأخذ النبات الأكسجين للتنفس ويطرح ثاني أكسيد الكربون.
عملية خروج الماء الزائد “النتح” في النبات من الثغور
يعد النتح هو العملية التي يتم فيها استخدام النباتات للماء الموجود داخلها في شكل الرطوبة أو البخار ليصل إلى الغلاف الجوي الخارجي، ويتم استخدام أقل من 1٪ من المياه التي تصل إلى الأوراق خلال عملية التمثيل الضوئي ونمو النبات، ويفقد معظمه عن طريق الثغور داخل الأوراق، وتسمى هذه العملية فقدان الماء أو النتح، ومن ثم يتم فقد الماء الزائد من خلال الثغور.
يستعمل النتح لوصف القيام بأمر التبخر بالماء من النبات، ولكن تستعمل كلمة النتح أيضًا ليتم وصف طريقة تحرك الماء في النباتات بصورة عامة، حين يدخل الماء إلى النبات عن طريق الجذور، يتم سحبه عن طريق نسيج الخشب داخل ساق النبات ثم للأوراق النبات من خلال العمل الشعري وتماسك جزيئات الماء، وحين يصل الماء إلى الثغور، والتي تعتبر ثقوب صغيرة في الأوراق، فيتبخر نتيجة الانتشار ، فمحتوى الرطوبة داخل الهواء أقل من الرطوبة داخل الورقة ، لذا يتدفق الماء بصورة طبيعية في الهواء المحيط حتى تتم معادلة التركيزات.
يؤثر النتح على الكائنات الحية الأخرى داخل النظام البيئي بشكل جانبي، إذ يساهم في المحافظة على مستوى رطوبة محدد في البيئة، وهذا يعتمد على عدد وأنواع النباتات الموجودة في البيئة. وبالتالي، يوفر هذا عن غير قصد فرصا أفضل لبعض الكائنات الحية للبقاء على قيد الحياة، حيث تعتمد على معدلات الرطوبة التي تحتاجها للنمو.
أنواع الثغور في النبات
هناك أنواع متعددة من الثغور، وتم تقسيمها بشكل رئيسي وفقًا لعددها وخصائص الخلايا الفرعية المحيطة بها،وتشمل الأنواع المختلفة من الثغور التي تم إدراجها أدناه.
شذوذ الثغور
تمثل الثغور المحيطة بخلايا الجلد مساحة ثابتة ومحددة من السطح الخلوي، حيث تكون محفورة في الخلايا السطحية ولا يوجد عدد أو ترتيب محدد للخلايا المحيطة بالثغور.
ثغور متباين
الخلايا الفرعية الثلاث المحاطة بالثغور لها أحجام غير متساوية، وإحداها أصغر بالمقارنة مع الاثنتين الأخريين.
مخطط الثغور
تشير إلى الثغور المحيطة بزوج من الخلايا الفرعية المتعامدة مع خلية الحراسة.
الثغور المتجاورة
يحيط الثغور دائمًا بفرعينين، يتم ترتيبهما بالتوازي مع المسام الثغور والخلايا الحامية.
الثغور الجرامينية
تحتوي كل ثغرة على خليتي حراسة، وتعتبر هذه الخلايا الفرعية موازية للخلايا الحامية، وتتواجد خلايا الحراسة بصورة ضيقة في الوسط وأوسع في النهايات.
العوامل المؤثرة بآلية فتح وغلق الثغور في النبات
- الضوء: يؤثر الضوء بشكل كبير على فتح وإغلاق الثغور، حيث ينشط إنتاج حمض الماليك نتيجة تحويل النشا إلى سكر، لذا لا تفتح الثغور في ضوء الأشعة فوق البنفسجية والضوء الأخضر، ولكن تظل مفتوحة في المناطق الزرقاء والحمراء من الطيف.
- درجة الحرارة: يتم فتح الثغور خلال ارتفاع درجة الحرارة ويتم إغلاقها مع انخفاض درجة الحرارة، حيث يتم ربط الإشارة الخاصة بالضوء ودرجة الحرارة بشكل مباشر، ولكن درجات الحرارة العالية أيضا تؤدي إلى إغلاق الثغور.
- كلوريد البوتاسيوم: يؤدي تراكم كلوريد البوتاسيوم إلى فتح الثغور.
- الحمض العضوي: يتسبب ارتفاع محتوى الأحماض العضوية داخل الخلايا الحامية في فتح الثغور.
- تركيز ثاني أكسيد الكربون: تتأثر حركة الفم بتركيز ثاني أكسيد الكربون. عندما ينخفض تركيز ثاني أكسيد الكربون، تفتح الفتحات، وعندما يرتفع تركيز ثاني أكسيد الكربون، تبدأ الفتحات في الإغلاق. عندما يكون تركيز ثاني أكسيد الكربون في الفراغات بين الخلايا في الورقة أعلى من تركيزه في الهواء، تغلق الفتحات تماما. وتتأثر حركة الفتحات باستمرار بتركيز ثاني أكسيد الكربون داخل الفراغات وليس بتركيز الهواء.
- الماء: يتحمل الماء مسؤولية عمل تغييرات في انتفاخ الخلايا الحامية، وقد تصبح خلايا الحراسة مترهلة عند فقدان الماء وبالتالي تغلق الثغور. وبالمثل، تتورم الخلايا الحراسة بشدة عند اكتساب الماء وفتح الثغور، وفي ظروف نقص الماء، تغلق الثغور.
- الحمض الأبسيسيك: يتم تراكم حمض الأبسيسيك داخل الأوراق عندما تتعرض النباتات لإجهاد مائي أو نقص مائي، وقد تم اكتشاف أن حمض الأبسيسيك هو المسؤول عن إغلاق المسام في هذه الظروف.
الوظائف الرئيسية للثغور في النبات
- يساهم فتح وإغلاق الثغور في التبادل الغازي بين النبات والمناطق المحيطة به.
- يُساهم في النتح وإزالة الماء الزائد عن طريق تحويله إلى بخار ماء.
- يمنع دخول الماء من المسام إلى الفم ليلاً.
- يجب المحافظة على توازن الرطوبة وفقًا للظروف الجوية عن طريق فتح وإغلاق النوافذ.
- يتم تسهيل امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الثغور وإطلاق الأكسجين خلال عملية التمثيل الضوئي.
- تعمل آلية فتح وإغلاق الفم على فتح وإغلاق الحنجرة بالضغط على التمزق الناتج عن تدفق الماء في الخلايا الحامية.
- عندما تكون الخلايا الحامية منتفخة، فإنها تتسع وتفتح الثغور، وعندما تفقد الخلايا الحامية الماء، فإنها تترهل وتغلق الفم، وعادةً ما تفتح الثغور في النهار وتغلق في الليل.
كيف يؤثر ثاني أكسيد الكربون على فتح الثغور
تؤثر ثلاثة عوامل بيئية متنوعة على فتح وإغلاق ثغرات النبات فمع تركيزات الضوء والماء وثاني أكسيد الكربون، يتم غلق الثغور النباتية بالظلام وحين تكون الاجواء جافة جدًا، وبسبب أن الخلايا النباتية تحتاج لثاني أكسيد الكربون حتى يتم التمثيل الضوئي ، فإن تركيزات ثاني أكسيد الكربون تعتبر عامل رئيسي آخر.
يؤدي تراجع تركيز ثاني أكسيد الكربون إلى مسار كيميائي حيوي يؤدي إلى فتح الثغرات، ولم يتم تحديد جميع مكونات هذا المسار الحيوي حتى الآن، ولكن اللاعبين الرئيسيين هم ناقلات البوتاسيوم والكلوريد، وتضخ هذه البروتينات البوتاسيوم المشحون إيجابيا وأيونات الكلوريد السالبة الشحنة عبر أغشية الخلايا، مما يتسبب في تغيير تركيز الأيونات وتقلص أو توسع الخلايا المحيطة بها.
تم تحديد عدد من الجينات التي تظهر الالتزام بالاستجابة لتغير معدلات ثاني أكسيد الكربون، ولا يزال العلماء يحاولون فهم كيفية تفعيل سقوط ثاني أكسيد الكربون لناقلات الأيونات البوتاسيوم والكلوريد.