Az ablakpárkányra helyezett szobanövények az ablak felé hajlanak szárukkal. A mezőkön a virágok és leveleik a Nap útját követve mozognak. Az erdőben a fák indái a fény felé növekednek. A növények körében számtalan bizonyítékot láthatunk arra, hogy ezek a szervezetek látás nélkül is képesek a fény érzékelésére, hogy ahhoz igazodva irányítsák viselkedésüket. A fototropizmus, vagyis a fényforrás felé mozgás régóta lenyűgözi a tudósokat. És az elmúlt 150 év vonatkozó kutatásai során a szakértők számos kulcsfontosságú molekuláris útvonalat tártak fel a növények fényérzékelésével és ezzel kapcsolatos aktivitásaikkal kapcsolatban.
Egy kritikus kérdés azonban továbbra is megválaszolatlan maradt. Az állatok a szemüket – egy lencséből és fotoreceptorokból álló, összetett szervet – használják arra, hogy részletes képet kapjanak az őket körülvevő világról, beleértve a fény irányát is. A növények a megvilágítás mérésére szolgáló molekuláris eszközök hatékony készletével rendelkeznek. De továbbra sem volt világos, hogy nyilvánvaló fizikai érzékszervek, például lencsék hiányában hogyan állapítják meg a növények, hogy pontosan milyen irányból érkezik a fény.
Egy európai kutatócsoport nemrégiben rátalált a válaszra. A Science oldalain megjelent tanulmányukban arról számolnak be, hogy a növénygenetikusok nagy kedvence, a lúdfű (Arabidopsis) vizsgálatai alapján a növények a sejtjeik közötti légréseket használja a fény szórására, így módosítva a szöveteken áthaladó fény útját. Ezek a légcsatornák olyan fénygradienst hoznak létre, amely segít a növényi szervezeteknek pontosan meghatározni, hogy honnan érkezik a fény.
A növények ezzel a trükkel kiváltják a szemhez hasonló különálló szervek szükségességét, sőt, tulajdonképpen egész testükkel képesek „látni”.
Mélyen gyökerező vita
Az, hogy a növények miért és hogyan tájolódnak a fény felé, már több mint 2000 éve heves viták tárgya. A korai görög filozófusok azt állították, hogy a növények az állatokhoz hasonlóan képesek az érzékelésre és a mozgásra, sőt, vágyakozni is tudnak és intelligensek. a későbbi gondolkodók, mint például Arisztotelész, azonban azt mondták, hogy a növények eredendően passzívak, és képtelenek érzékelni a környezetüket, nemhogy mozogni benne. A későbbi tudósok pedig jobbára hajlamosak voltak egyetérteni ezzel a véleménnyel.
A fototropizmust elsőként csak 1658-ban írta le Thomas Browne alkimista és természetfilozófus, aki részletesen dokumentálta, ahogy a pincéjében növő mustárpalánták kitartóan a nyitott ablak felé tájolják növekedésüket. Ezt követően a biológusok további több mint két évszázadon át folytatták a vitát arról, hogy a növények hogyan képesek erre, és hogy vajon ténylegesen a fényre vagy inkább a hőre reagálnak.
Charles Darwin és fia, Francis a 19. század második felében végzett kísérleteket egy fototróp mechanizmus kapcsán, amelynek létét végül sikerült igazolniuk. 1880-ban megjelent, a The Power of Movement in Plants című könyvükben leírták, hogy mit tapasztaltak a sötétben nevelt, fotoszintézisre még nem képes csírák megfigyelése során. Amikor egy meghatározott irányból kék fényt irányítottak a növényekre, ezek a fényforrás felé orientálták magukat. Ahogy Darwinék a fényt a szobán belül mozgatták, úgy követték a növények is annak az útját.
Kísérleteik alapján Darwinék azt feltételezték, hogy a növények a hajtás csúcsán a legérzékenyebbek a fényre, és ha ott érzékelnek valamit, az valamilyen anyag termeléséhez vezet, amely befolyásolja a növény növekedési irányát. Az 1920-as évekre a botanikusok egyetértésre jutottak abban, hogy valóban ez lehet a helyes irány, és ezt a modellt fejlesztették tovább:
a növények a hajtáscsúcson fényérzékelőkkel rendelkeznek, és olyan hormonokat termelnek (később auxin néven azonosították ezeket), amelyek az árnyékos oldalukon nagyobb növekedésre ösztönzik a növényt, így száruk és leveleik a fény felé hajlanak.
Mint sok nagy felfedezés, ez is új kérdéseket vetett fel: Hogyan érzékelik a növények a fényt? Hiszen nem rendelkeznek semmilyen nyilvánvaló érzékszervvel. A kutatók gyanítani kezdték, hogy a növényeknek kifinomult érzékelőképességekkel kell bírniuk.
A molekuláris biológusok közben kimutatták, hogy a növények sokkal szélesebb spektrumú fényt tudnak detektálni, mint például mi, vagy a többi állat. Fotoreceptorok öt különböző családja, valamint hormonok és jelátviteli utak sokasága működik együtt, hogy egészen a sejtszintig meghatározzák, milyen irányban építsen új szöveteket a növény. Ezek a fotoreceptorok az egész növényi testben jelen vannak, de különösen nagy számban találhatók meg a szár belső szövetében, mondja Christian Fankhauser, a Lausanne-i Egyetem növénybiológusa, az új eredményekről beszámoló tanulmány egyik szerzője.
Az egyszerű érzékelők azonban önmagukban kevesek lennének ahhoz, hogy a növények képesek legyenek meghatározni a fény irányát. A növénynek a különböző fotoreceptorok által detektál jeleket is össze kell hasonlítania valahogy, hogy növekedését a legerősebb fényforrás felé tudja orientálni. Ehhez pedig arra van szükség, hogy a bejövő fényeket erősségi fokozatok szerint is detektálni tudja a növény.
Az állatok ezt a problémát a látószervek kifejlesztésével oldották meg. Az egyszerűbb fajok, például a laposférgek, szemek helyett olyan szemgödrökkel rendelkeznek, amelyek csupán a fény jelenlétét vagy hiányát érzékelik. Az összetettebb állati szemekben, mint amilyen a miénk is, jelen van egy lencse, amely a fényt a fényérzékeny sejtekből álló retina felé irányítja. Az agy ezután összehasonlítja a lencsén keresztül érkező fény mennyiségét a különálló sejteken detektált mennyiséggel. Ez a rendszer, amelyben a fény fizikai manipulációja molekuláris érzékelőkkel kombinálódik, lehetővé teszi a fény és az árnyék finom fokozatainak (avagy gradienseinek) érzékelését, és ezek felbontását az általunk látásnak nevezett képpé.
Mivel azonban a növényeknek nincs agyuk, valamilyen passzív rendszerre van szükségük ahhoz, hogy hasonló eredményre jussanak, hiszen esetükben nem opció az aktív összehasonlítás. A botanikusok ezen a ponton egy rejtélyes feladvánnyal szembesültek. Vajon a fototropizmus teljes egészében molekuláris folyamat, ahogy egyesek gyanították, vagy a növények képesek megváltoztatni a fénysugarakat, hogy gradienseket (fokozatokat) hozzanak létre, és jobban tudják irányítani válaszaikat? Ha ez utóbbi igaz, akkor a növényeknek rendelkezniük kell olyan fizikai struktúrákkal, amelyek lehetővé teszik számukra a fény manipulálását.
Ezeket a struktúrákat végül egy olyan gyomnövény mutáns változatában azonosították, amely nehezen találta meg a fényt.
A vak mutáns
A növénykutatók már említett kedvenc gyomnövénye, a lúdfű külsőre nem különösebben tetszetős. A 25 centiméter magas növény kedveli a megbolygatott talajokat, így a mezők és az utak szélét. Afrikában és Eurázsiában őshonos, de ma már az Antarktisz kivételével minden kontinensen megtalálható. A kutatók körében rövid életciklusa, igénytelensége, kis genomja és a laboratóriumban hasznos mutációk létrehozására való hajlama miatt népszerű, hiszen kiváló modellorganizmus a növénynövekedés és -genetika megértéséhez.
Fankhauser 1995 óta kísérletezik a lúdfűvel azt tanulmányozva, hogy a fény hogyan alakítja a növények növekedését. Laboratóriumában ennek keretében 2016-ban olyan mutánsokat kerestek, amelyek szokatlanul reagálnak a fényre. A magokat sötét szobában csíráztatták, és kék fénnyel világították meg. A kísérlet nagyjából úgy zajlott, mint Darwinéknál 150 évvel ezelőtt: ahogy a kutatók változtatták a fény irányát, a növények annak megfelelően orientálták magukat.
Az egyik növénynek azonban gondjai akadtak: képtelen volt követni a fényforrást. Helyette minden irányba elhajolt, mintha vakon tapogatózna a sötétben. Valami nyilvánvalóan „elromlott” a mutáns növény fényérzékelésében. Amikor a csapat megvizsgálta a kérdéses példányt, úgy találták, hogy rendelkezik a megszokott fotoreceptorokkal, mondta el Martina Legris növénybiológus, Fankhauser laboratóriumának posztdoktora, az új tanulmány társszerzője. Amikor azonban a csapat mikroszkóp alatt megvizsgálata a szárát, valami furcsát vettek észre.
A vad lúdfű szárában a legtöbb növényhez hasonlóan légcsatornák vannak a sejtek között. Ezekről ismert, hogy fontos szerepet játszanak mind a fotoszintézisben, mind a sejtek oxigénellátásában. A kérdéses mutáns légcsatornái azonban folyadékkal voltak tele. A kutatók a mutációt az abcg5 génre vezették vissza: ez egy olyan fehérjét termel, amely a sejtfal vízzáróságának biztosításában játszik szerepet, hogy a növény légcsatornái vízzáróak legyenek.
A kutatók ezt követően egy újabb kísérletbe vágtak bele. A nem mutáns növények sejtközi légcsatornáit is vízzel töltötték fel, hogy megnézzék, ez befolyásolja-e a növekedésüket. A mutánsokhoz hasonlóan ezeknek a növényeknek is gondot okozott meghatározni, honnan jön a fény. „Láttuk, hogy ezek a növények genetikailag normálisak” – mondta Legris. „Az egyetlen, ami hiányzott belőlük, a légcsatornák a voltak.”
A kutatók arra következtettek, hogy a növény egy, a fénytörés jelenségén alapuló mechanizmus révén tájékozódik a fényforrás irányát illetően.
Vagyis a fény azon tulajdonsását aknázza ki, hogy annak a különböző közeghatárokon áthaladva megváltozik az iránya.
A fénytörés miatt, magyarázza Legris, a normál lúdfű esetében az áthaladó fény a száron belül szóródik: minden alkalommal, amikor áthalad a növényi sejteken, amelyek többnyire vízből állnak, majd egy légcsatornán, irányt változtat. Mivel a fény egy része e folyamat során irányt vált, a légcsatornák erős fénygradienst hoznak létre a különböző sejtek mentén, amelyet a növény arra használhat, hogy felmérje a fény fő irányát, majd annak megfelelően növekedjen.
Ezzel szemben, amikor a légcsatornák vízzel telnek fel, a fény szóródása csökken. A növényi sejtek hasonlóan törik meg a fényt, mint az elárasztott csatornák, mivel mindegyik sok vizet tartalmaz. Szóródás helyett a fény gyakorlatilag egyenesen áthalad a sejteken és az elárasztott csatornákon a szövet mélyebb rétegeibe, csökkentve a fénygradienst és megfosztva a növényt a fényintenzitásbeli különbségek észlelésének lehetőségétől.
Meglátni a fényt
A kutatás alapján a légcsatornák kritikus szerepet játszanak abban, hogy a fiatal növények nyomon tudják követni a fényt. Roger Hangarter, az Indianai Egyetem növénybiológusa, aki nem vett részt az új kutatásban, örömmel szögezte le, hogy milyen okos megoldást talált a csapat egy régóta fennálló problémára. A szakértő hozzátette, hogy az 1980-as években a Yorki Egyetem kutatói is felvetették a légcsatornák kulcsszerepének lehetőségét, de finanszírozás hiányában nem volt lehetőségük tesztelni a teóriájukat.
„Mindig is zavarba ejtő volt számunkra, hogy ezek a kicsi, apró – szinte átlátszó – hogyan képesek érzékelni a gradienst” – mondja Hangarter. „De igazából soha nem adtunk nagy hitelt a légcsatornák ötletének, mert azzal voltunk elfoglalva, hogy az érintett molekulákat keressük. Amikor az ember rálép egy kutatási útra, hajlamos szemellenzőt növeszteni.”
A légcsatorna-mechanizmussal tehát újabb zseniális megoldást sikerült felderíteni, amelyet a növények a fény kezelésére használnak. Ilyenekből mások is akadnak, Hangarter például saját kutatásai során igazolta, hogy a kloroplasztiszok – a fotoszintézist végző sejtszervecskék – aktívan mozognak a levélsejtekben, hogy a fény útját manipulálják. A szervecskék időnként a sejt közepére csoportosulnak, hogy „felszívják” a gyenge fényt, máskor a peremekre vándorolnak, hogy az erősebb fényt mélyebbre vezessék a növényi szövetekben.
Hogy a légcsatornák mióta játszanak ilyen szerepet, egyelőre nem világos. A 400 millió évvel ezelőtti primitív szárazföldi növények fosszíliáiban sem gyökerek, sem levelek nem őrződtek meg, ugyanakkor az ősi növények magszöveteiben meglehetősen nagy sejtközi légterek láthatók. Ezek talán kezdetben a szöveti légzésben játszottak elsődleges szerepet, mondja Fankhauser, majd fokozatosan alkalmazkodtak a fototropizmusban betöltött szerepükhöz. Vagy talán a növények részben azért alakítottak ki légtereket a szárakban, hogy hatékonyabbak legyenek a fényérzékelésben, aztán más funkciókat is kaptak a csatornák.
Fankhauser szerint az ilyen eredmények végleg ez segíthetnek megtörni Arisztotelész véleményét, amely még mindig nagyon meghatározó a növényekről alkotott elképzelésekben. „A legtöbben úgy vélik, hogy a növények nagyon passzív organizmusok – nem képesek előre látni semmit, csak elszenvedik, ami történik velük” – mondja a kutató. Holott a valóságban ez a vélt passzivitás abból ered, hogy saját tapasztalatainkat vetítjük a növényekre. Például azt hisszük, hogy szemekre van szükség a látáshoz.
A növények viszont a jelek szerint kifejlesztettek egy olyan módszert, amellyel az egész testükkel képesek egyfajta látásra.
