לא תמיד הולכים בעקבות האור: למה צמחים לא בהכרח צומחים לכיוון האור החזק ביותר?

בעוד שלבעלי חיים יש איברי חישה ייעודיים כמו עיניים ומערכת עצבים מרכזית שמעבדת את הנתונים, צמחים פועלים כמערכות מבוזרות לחלוטין. קולטני האור שלהם ממוקמים בשכבת התאים החיצונית של הגבעול, כך שכל אזור קולט באופן עצמאי את האור המגיע אליו. כדי להבין כיצד המידע המקומי הזה הופך לבסוף להחלטה אחת בנוגע לכיוון הצמיחה, חוקרים מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון ומהמרכז לפיזיקה וכימיה של מערכות חיות באוניברסיטת תל אביב פיתחו מסגרת פיזיקלית וגיאומטרית חדשה. המחקר נערך על ידי אהרון קמפינסקי, ד"ר אמיר פורת, ד"ר מתייה ריבייר ופרופ' יסמין מרוז, ופורסם בכתב העת PNAS.

כששני אורות חזקים מבטלים זה את את זה

במסגרת הניסויים, החוקרים חשפו נבטי חמנייה לאור כחול בעוצמות שונות ומכיוונים שונות ותיעדו את תנועתם במשך יותר מ־20 שעות. כשהנבטים נחשפו לשני מקורות אור מנוגדים, הם אמנם צמחו לעבר הצד החזק יותר, אך מידת הכיפוף לא הייתה ביחס ישר להפרש בין העוצמות.

הסיבה לכך היא שתגובת הצמח אינה ליניארית: מקור אור שעוצמתו כפולה אינו יוצר אות ביולוגי חזק פי שניים. כאשר הצמח סוכם אותות שכבר עברו עיבוד מקומי, הכיוון הסופי עשוי להיות שונה מחיבור פיזיקלי פשוט. כדי להוכיח זאת, הציבו החוקרים שני מקורות אור חזקים ושווים זה מול זה, ומקור שלישי חלש יותר בניצב אליהם. שני המקורות החזקים ביטלו זה את השפעתו של זה, ולכן הנבטים צמחו בסופו של דבר דווקא לעבר האור החלש.

^{מתוך הניסוי. צילום: רוני קמפינסקי}

הפער שיוצר אשליה אופטית

כאשר מדובר במקורות אור מכיוונים שונים, המודל, שמתבסס על סכימה של אותות לא ליניאריים, ניבא "אשליה אופטית": לא מדובר בכך שהצמח "רואה" תמונה, אלא בפער בין מפת האור במציאות לבין האופן שבו היא מיוצגת בתגובת הצמיחה שלו. המודל חזה פערים קטנים, אולם בשל התנודות הטבעיות בתנועת הצמחים לא ניתן היה למדוד אותו ישירות בניסוי הנוכחי.

פרופ' יסמין מרוז מסכמת: "הצמח אינו מודד את סביבתו מנקודת חישה מרכזית, כמו העין האנושית. המידע נאסף באזורים שונים של הגבעול, וכל אות עובר עיבוד מקומי לפני שהוא משתלב בתגובה הכוללת. כתוצאה מכך עשוי להיווצר פער בין כיוון התאורה המרבי לבין כיוון הצמיחה. העיקרון שחשפנו עשוי להיות רלוונטי גם לתאים, לחיידקים ולמערכות ביולוגיות נוספות שפועלות עם חישה מבוזרת וללא מרכז בקרה."