چرا درختان برگ‌های متفاوتی دارند؟

حتی درختانی از یک گونه می‌توانند در آب و هوای مختلف برگ‌هایی با ظاهر بسیار متفاوت داشته باشند. علاوه بر شکل کلی و ساختار رگبرگ، ضخامت برگ و اندازه و ساختار سلولی ویژگی‌هایی مهم هستند. هر یک از این ویژگی‌ها یک سازگاری یا بهینه سازی محسوب می‌شود که به برگ‌ها کمک می‌کند نور خورشید را جذب کنند، آب را توزیع نمایند، اتلاف گرما را تنظیم کنند، از آفات جلوگیری کنند، یا به یکی از بسیاری از مسائل دیگر، که همگی مختص محیط برگ‌ها هستند رسیدگی کنند.
  

برگ افرای پنجه‌ای و منشعب و نمادین کانادایی. یک برگ نخل بزرگ و سرسبز فلوریدا. احتمالا می‌توانید بسیاری از اشکال برگ‌های مختلف را از مکان‌های مختلف به یاد بیاورید. اما آیا می‌دانستید که مکان‌ها به ایجاد اشکال مختلف برگ‌ها کمک کردند؟

به نقل از واشنگتن پست، "دن چیتوود" زیست‌شناس و دانشیار دانشگاه میشیگان که متخصص در رشد برگ است می‌گوید: "هر برگ داستانی دارد و انواع و ژانر‌های مختلف داستان در هر برگ وجود دارد. ویژگی‌های بصری یک برگ، اندازه آن یا شکل لبه‌های آن می‌تواند به بیان داستان آن برگ کمک کند از جمله شرایطی که در آن رشد می‌کند و حتی آثاری از تاریخ تکامل آن برگ. می‌توانید به دو برگ نگاه کنید. به نظر شما کدام یک از آب و هوای گرمتر می‌آید؟ برگ A یک برگ گرد و صاف با رگبرگ‌های ساده و مساوی را نشان می‌دهد که از یک ساقه مرکزی به سمت پایین بیرون می‌آید. برگ B یک برگ خوشه‌ای شکل با دندانه‌های اره مانند در لبه‌ها و رگه‌هایی که از ساقه مرکزی جدا شده و سپس بیش‌تر تقسیم می‌شوند را نشان می‌دهد. به بیان ساده برگ‌ها از مکانی به مکان دیگر متفاوت هستند.

"دن پپه" دانشیار دانشگاه بیلور که چگونگی تاثیر آب و هوا بر ویژگی‌های برگ را مطالعه کرده می‌گوید:" همه ما به طور شهودی این را می‌دانیم درست است؟ اگر به مکان‌های مختلف برویم می‌دانیم که گیاهان متفاوت خواهند بود و اغلب گیاهان متفاوت هستند، زیرا آب و هوا متفاوت است. گیاهان شاخص واقعا جالب و حساس اکوسیستم هستند".

"شکل برگ" چیست؟
همه چیز در مورد یک برگ از صافی سطح گرفته تا ساختار رگبرگی و نحوه تقسیم بندی بخشی از عملکرد آن محسوب می‌شود. حتی درختانی از یک گونه می‌توانند در آب و هوای مختلف برگ‌هایی با ظاهر بسیار متفاوت داشته باشند. علاوه بر شکل کلی و ساختار رگبرگ، ضخامت برگ و اندازه و ساختار سلولی آن مهم هستند. هر یک از این ویژگی‌ها یک سازگاری یا بهینه سازی است که به برگ‌ها کمک می‌کند نور خورشید را جذب کنند، آب را توزیع کنند، اتلاف گرما را تنظیم کنند، از آفات جلوگیری کنند یا به یکی از بسیاری از مسائل دیگر که همگی مختص محیط برگ‌ها هستند رسیدگی کنند.

به گفته پپه دو عامل اصلی که بر شکل برگ تاثیر می‌گذارند تاریخ تکامل و محیط هستند. حتی در آمریکای شمالی همان گونه افرای قرمز می‌تواند در شرایط دمایی متفاوت برگ‌های بسیار متفاوتی داشته باشد. در یک مطالعه محققان بذر افرای قرمز از انتاریو را در فلوریدا کاشتند و دانه‌های افرای قرمز فلوریدا را در رود آیلند کاشتند. آنان دریافتند که دانه‌های انتاریو که در فلوریدا رشد می‌کنند برگ‌هایی با ویژگی‌های معمول هوای گرم‌تر تولید می‌کنند. برعکس، دانه‌های فلوریدا که در رود آیلند رشد می‌کنند برگ‌هایی با ویژگی‌های معمول هوای سردتر تولید کردند. شکل نرم‌تر برگ‌های هوای گرم تیزتر شد با دندان‌های بیش‌تر و نوک دندانه دار.

آن چه ما می‌بینیم آن است که برخی از گیاهان همان چیزی هستند که ما آن را پلاستیک می‌نامیم. آنان می‌توانند با شرایط آب و هوایی مختلف سازگار شوند. تحقیقات دیگر همبستگی‌هایی مانند عرض جغرافیایی و شکل (نزدیک‌تر به خط استوا = برگ‌های ساده تر)، دما و دندان‌ها (آب و هوای سردتر = دندان‌های بیش تر) و رطوبت و اندازه (محیط مرطوب‌تر = برگ‌های بزرگ تر) را نشان داده اند.

چرا این حجم از اشکال مختلف برگ وجود دارند؟
دانشمندان نمی‌دانند اشکال برگ‌ها چرا تا این اندازه متنوع هستند. با این وجود، آنان ایده‌هایی را در این باره مطرح کرده است. هدف اصلی برگ فتوسنتز یا استفاده از نور برای تبدیل دی اکسید کربن به قند و اکسیژن است که به نوبه خود تقریبا از همه موجودات زنده پشتیبانی می‌کند.

"اریکا ادواردز" استاد اکولوژی و زیست شناسی تکاملی که چگونگی بهینه سازی گیاهان برای فتوسنتز را مطالعه کرده می‌گوید: "این برگ‌های متنوع واقعا کار مهمی انجام می‌دهند. آن‌ها اساس زندگی روی زمین هستند". ادواردز چندین نظریه احتمالی در مورد شکل برگ بیان کرد از جمله آن که پیکربندی لوب‌ها می‌تواند بر جریان هوا و جذب دی اکسید کربن تاثیر بگذارد یا آن که فصل‌های رشد کوتاه‌تر در آب و هوای سرد می‌تواند رشد برگ را در اطراف سیستم رگبرگ متمرکز کنند و رشد لوب را تشویق نمایند.

تیم او فرضیه جدیدی به نام "بسته بندی جوانه ها" را ارائه کرد که در آن اشکال لوب خاصی به برگ‌های ریز درون جوانه‌ها اجازه می‌دهند تا تقریبا مانند اوریگامی فشرده‌تر شوند. به گفته "ایان رایت" که اندازه برگ را در رابطه با آب و هوا مطالعه کرده اندازه یکی از ویژگی‌هایی است که دانشمندان به خوبی درک می‌کنند. رایت می‌گوید رگ‌های پهن و بزرگ در یک جنگل بارانی نور خورشید بیش تری را جذب می‌کنند، اما آب بیش تری را در تلاش برای خنک کردن آن سطح بزرگ از دست می‌دهند. این مبادله به خوبی کار می‌کند، زیرا آب فراوان است. با این وجود، در جنگل‌های شمالی خشک‌تر و سردتر تنظیم گرما مشکل بزرگ تری می‌باشد. درختان کاج در آنجا دسته‌ای از برگ‌های سوزنی مانند فوق العاده نازک دارند که یکدیگر را عایق می‌کنند.

در نهایت آن که بهترین شکل برگ وجود ندارد و حتی در همان محیط انواع برگ‌ها ممکن است به خوبی کار کنند. برای مثال، ساسافراس یک درخت زینتی با پوستی صاف و برگ‌هایی معطر و بومی شرق ایالات متحده دارای سه شکل برگ مشخص در یک درخت است. "سوزان پل" مدیر اجرایی باغ گیاه شناسی ایالات متحده می‌گوید:"هیچ مزیت تکاملی‌ای برای یک شکل نسبت به شکل دیگر وجود ندارد". او می‌گوید که در آن صورت اشکال مختلف به سادگی می‌توانند بقایای ژنتیکی فرآیند انتخاب طبیعی باشند.

زمانی که آب و هوا تغییر می‌کند چه اتفاقی رخ می‌دهد؟
برخی از درختان ممکن است برای قرن‌ها زندگی کنند، اما اگر محیط آن‌ها کمتر مهمان نواز شود در جای خود گرفتار شده، کار نسبتا کمی انجام می‌دهند، اما رنج می‌برند. چیتوود می‌گوید به این ترتیب، آن‌ها به عنوان "نگهبان تغییرات آب و هوا" عمل می‌کنند.

ادواردز می‌گوید: "نتایج مطالعات اخیر نشان می‌دهند که گیاهان در شرایط ناشی از تغییرات آب و هوای جهانی به ویژه دما‌های گرم‌تر و خشکسالی به شدت آسیب خواهند دید".

به گفته ادواردز به دلیل نحوه پراکندگی دانه‌ها، گیاهان میلیون‌ها سال است که در واکنش به تغییرات آب و هوایی در سراسر جهان تغییراتی را در خود ایجاد می‌کنند، اما این تغییر به سرعت تغییرات اقلیمی که اکنون شاهد آن هستیم نزدیک نیست.

او می‌گوید: "درختان می‌توانند برای زنده ماندن بهتر برگ‌های خود را اصلاح کنند، اما محدودیت‌هایی دارند". چیتوود می‌گوید:"وقتی به تغییرات آب و هوایی فکر فکر می‌کنم ابتدا گیاهان در ذهن ام متبادر می‌شوند، زیرا بقای انسان از بسیاری جهات به گیاهان بستگی دارد. اگرچه تغییر در محیط رخ می‌دهد در نهایت این واکنش گیاهان به آن تغییر است که بر ما تاثیر می‌گذارد. در تمام این چرخه بزرگ برگ‌ها به مثابه یک پیام عمل می‌کنند".

فرارو