تاب‌آوری گیاهان در برابر تغییر اقلیم: درس‌هایی از انقراض بزرگ

انقراض بزرگ: زمانی که زمین تقریباً خالی شد

حدود ۲۵۱ میلیون سال پیش، زمین دوره‌ای را تجربه کرد که در تاریخ حیات بی‌همتا است. فوران‌های آتشفشانی منطقه تله‌های سیبری (Siberian Traps) در روسیه امروزی، نزدیک به یک میلیون سال ابرهای عظیم دی‌اکسید کربن را به جو فرستادند. نتیجه، شدیدترین رویداد انقراض در تمام تاریخ سیاره بود. دمای نواحی استوایی به‌شدت بالا رفت و بخش بزرگی از خشکی‌ها برای حیات بیش از حد داغ شد. اقیانوس‌ها اسیدی شدند و بیشتر موجودات دریایی به دلیل کمبود اکسیژن خفه شدند. این رویداد که به انقراض جمعی پرمین-تریاس (Permian-Triassic mass extinction) یا «انقراض بزرگ» (Great Dying) شناخته می‌شود، بیش از ۹۰ درصد گونه‌های دریایی و حدود ۷۰ درصد گونه‌های خشکی‌زی را از میان برد.

با این حال، در گوشه‌ای از سرزمینی که امروز چین نامیده می‌شود، جامعه‌ای از گیاهان گرده‌زا از این سرنوشت گریختند و واحه‌ای برای جانوران بازمانده ساختند. پژوهش‌ها نشان می‌دهد این پناهگاه تنها نمونه نبوده است. شواهد دیرینه‌شناسی حاکی از آن است که گیاهان در برابر آن بحران اقلیمی، بسیار بهتر از بسیاری از جانوران دوام آوردند.

چرا گیاهان بهتر تاب می‌آورند؟

کریس توماس (Chris Thomas)، بوم‌شناس و زیست‌شناس تکاملی دانشگاه یورک بریتانیا، توضیح می‌دهد که گیاهان نمی‌توانند مانند جانوران جابه‌جا شوند؛ حتی در سطح جمعیت نیز توان جابه‌جایی‌شان محدود است. به همین دلیل، بسیاری از گونه‌های گیاهی سازوکارهایی را تکامل داده‌اند که به آن‌ها امکان می‌دهد در همان مکان، در شرایط دشوار زنده بمانند.

کلید نخست، تفاوت بنیادی در ساختار بدن است. بسیاری از گیاهان رشد نامعین (indeterminate growth) و طرح بدنی پیمانه‌ای (modular body plan) دارند؛ یعنی در طول عمر خود به رشد و نمو ادامه می‌دهند و بدنشان از واحدهای تکرارشونده ساخته شده است. امی انگرت (Amy Angert)، گیاه‌شناس دانشگاه بریتیش کلمبیا، این تفاوت را چنین بیان می‌کند: اگر انسان دست خود را از دست بدهد، برای همیشه از دست رفته است؛ اما اگر شاخه‌ای از گیاه بریده شود، گیاه می‌تواند شاخه‌های تازه‌ای برویاند و این اندام‌های نو، پیام‌های محیط کنونی را دریافت می‌کنند، نه برنامه‌های رشدی محیط گذشته را.

می‌توان گیاه را به ساختمانی تشبیه کرد که هر بخش آن را می‌توان بر اساس شرایط امروز بازسازی کرد، در حالی که جانور مانند ماشینی یکپارچه است که قطعاتش از پیش تنظیم شده‌اند. پژوهشگران دریافته‌اند که شاخه‌های روییده بر درخت بلوط چوب‌پنبه (Quercus ilex) پس از قطع، در برابر خشکی مقاوم‌تر از شاخه‌های اصلی هستند.

جوانه‌ها: سپرهای پنهان زیر خاک

بسیاری از گیاهان جوانه‌های خود را در جایگاهی امن پنهان می‌کنند. درخت اکالیپتوس برفی (Eucalyptus pauciflora) لایه‌ای ضخیم از پوست عایق دارد که جوانه‌ها را از آتش و سرمای شدید حفظ می‌کند. گیاهانی مانند گزنه (Urtica dioica) جوانه‌های خود را در «بانک جوانه» (bud bank) زیر زمین جای می‌دهند؛ خاک مانند یک عایق حرارتی عمل می‌کند و بافت‌های حساس را از گرمای کشنده و سرمای ویرانگر دور نگه می‌دارد. همین سازگاری است که گیاهان علفی را قادر می‌سازد زمستان را پشت سر بگذارند و گیاهان پیازی از آسیب آتش در امان بمانند. در منطقه فلورستیکی کیپ در آفریقای جنوبی، بیشتر گونه‌های گیاهی به آتش وابسته‌اند: پس از آتش دوباره می‌رویند و بسیاری از بذرهایشان تنها در پی آتش جوانه می‌زنند.

بانک بذر: کتابخانه‌ای در حالت خواب

راهبرد دوم، ذخیره بذر است. نزدیک به ۳۵۰ هزار گونه گیاهی بذر تولید می‌کنند و در بیشتر آن‌ها، بذر نسخه‌ای کوچک و خفته از گیاه جوان را در خود دارد، با همه ساختارهایی که بعداً به برگ و ریشه تبدیل می‌شوند. دانیل آنستت (Daniel Anstett)، بوم‌شناس تکاملی دانشگاه کرنل، می‌گوید بذرها می‌توانند عملاً در حالت سکون (stasis) در خاک زنده بمانند. بانک بذر (seed bank) در واقع کتابخانه‌ای از اطلاعات ژنتیکی گذشته است که گیاه می‌تواند در آینده به آن مراجعه کند.

بر پایه مقاله‌ای که در سال ۲۰۲۱ در نشریه Nature Communications منتشر شد، بانک بذر ابزاری حیاتی برای تاب‌آوری بسیاری از گونه‌های گیاهی است، زیرا فرصت می‌دهد افرادی که متابولیسم‌شان عملاً متوقف شده است، هنگام بهبود شرایط محیطی دوباره فعال شوند.

تکامل سریع: نجات در چند نسل

بانک بذر تنها ذخیره‌گاه تنوع ژنتیکی نیست؛ این تنوع، ماده خام سازگاری است. انگرت توضیح می‌دهد که تنوع ژنتیکی در جمعیت‌های بزرگ‌تر بیشتر است و در صورت توانایی پراکنش افراد میان جمعیت‌ها، این تنوع می‌تواند به اشتراک گذاشته شود.

در پژوهشی که در سال جاری در نشریه Science منتشر شد، گروهی از پژوهشگران نشان دادند تکامل سریع، جمعیت‌های گیاه گل‌میمونی سرخ (Erythranthe cardinalis) را در دوره خشکسالی طولانی سال‌های ۲۰۱۰ تا ۲۰۱۸ در آمریکا و مکزیک از نابودی نجات داد. این گیاهان دو راهبرد متفاوت دارند: یا بسیار سریع رشد می‌کنند، گل می‌دهند و پیش از آغاز خشکی پاییزی بذر تولید می‌کنند، یا بسیار کند رشد می‌کنند و به اصطلاح در سنگر خود پناه می‌گیرند. پژوهشگران ژنوم ۵۵ جمعیت را توالی‌یابی کردند و دریافتند بر پایه تنوع ژنتیکی هر جمعیت می‌توان پیش‌بینی کرد که آن جمعیت خشکسالی را پشت سر می‌گذارد یا نه، حتی پیش از آغاز خشکسالی.

فتوسنتز CAM: راهبردی هوشمندانه برای بقا

گیاهان برای تولید انرژی، دی‌اکسید کربن و آب را با فتوسنتز (photosynthesis) به قند و اکسیژن تبدیل می‌کنند و ورود دی‌اکسید کربن را با روزنه‌های ریز سطح برگ (stomata) تنظیم می‌کنند. بیشتر گیاهان روزنه‌هایشان را در روز باز می‌کنند؛ اما گروهی از گیاهان از مسیر سوخت‌وساز اسیدی کراسولاسه‌ای (Crassulacean acid metabolism) یا CAM استفاده می‌کنند: روزنه‌ها در روز بسته است و گیاه از گرما در امان می‌ماند، و در شب دی‌اکسید کربن جذب و به اسید تبدیل و در بافت‌ها ذخیره می‌شود تا در روز برای ساخت قند به کار رود.

ژن سو (Zhen Xu)، دیرینه‌گیاه‌شناس دانشگاه لیدز، در پژوهشی که در نشریه Nature Ecology & Evolution منتشر شد نشان داد گیاهانی که فتوسنتز CAM دارند در انقراض بزرگ پرمین-تریاس مزیت داشته‌اند. گروهی از لیکوفیت‌ها (Lycophytes)، از گیاهان آوندی کهن، در همان دوره به این شیوه روی آوردند. می‌توان این راهبرد را به فروشگاهی تشبیه کرد که به جای ساعات شلوغی و گرمای روز، در آرامش شب بارگیری می‌کند.

مرزهای تاب‌آوری

این سازگاری‌ها نامحدود نیستند. توان پراکنش گیاهان محدود است و تکه‌تکه شدن زیستگاه‌ها، سرعت تغییر اقلیم و از میان رفتن گرده‌افشان‌ها می‌تواند حتی تاب‌آورترین گونه‌ها را در تنگنا بگذارد. به گفته پژوهشگران، ترکیب این سازگاری‌ها با سهمی از شانس، مرز میان بقا و انقراض را تعیین می‌کند. درس انقراض بزرگ روشن است: گیاهان ابزارهای شگفت‌انگیزی برای ایستادگی در برابر بحران دارند، اما این ابزارها تنها در صورتی کارسازند که ما به آن‌ها زمان و فضای کافی بدهیم.