قارچ‌ها و بادها

برگردان: احسان سنایی

مدت‌ها پیش از آن‌که غازها پرواز دسته‌جمعی‌شان، و دوچرخه‌سواران ارزش مانور «دریفتینگ» را بیاموزند؛ قارچ‌ها روشی بهینه جهت کاستن از نیروی اصطکاک هوایی واردآمده بر هاگ‌ها را آموخته بودند، که به این ذرات امکان کسب سرعت و صعود حداکثری‌شان را می‌داد.

بر اساس پژوهش جدیدی توسط ریاضیدانان و زیست‌شناسان دانشگاه کالیفرنیا-برکلی، هاروارد و کرنل؛ یک قارچ از گونه‌ی سمی «Sclerotinia sclerotiorum»؛ در هر بار گرده‌افشانی‌اش، تقریباً به‌طور هم‌زمان هزاران هاگ را جهت ایجاد آرایشی دودمانند آزاد می‌کند، که همین امر اصطکاک با هوای ساکن پیرامون‌‌شان را بالنسبه صفر کرده و باد آهسته‌ای نیز حتی در این حین ایجاد می‌کند که هاگ‌ها را تا بیست برابر نسبت به مسافت طی‌گشته توسط یک هاگ منفرد، به‌پیش می‌راند.

فوران هاگ‌ها از کیسه‌های قارچ Sclerotinia sclerotiorum / عکس از Jack Kelly Clark

دکتر «مارکوس روپر» (Marcus Roper)؛ سرپرست نویسندگان پژوهش مزبور و پژوهش‌گر مقطع فوق‌دکترای دپارتمان ریاضیات دانشگاه برکلی و آزمایشگاه ملی لارنس برکلی؛ در این‌باره می‌گوید: «در [مسابقات] توردوفرانس؛ سوارکارانِ هر دسته، می‌توانند که تا 40 درصد از اصطکاک هوای پیرامون‌شان را بکاهند. هاگ‌های Sclerotinia، این حرکت دسته‌جمعی را بی‌نقص انجام می‌دهند: اصطکاک هوا را به صفر رسانده و با ایجاد جریانی از هوا، همدیگر را به‌پیش می‌رانند».

به‌گفته‌ی دانشمندان، احتمالاً این راهبرد، قارچ‌ها را قادر به رهاسازی هاگ‌هایشان از سطح زمین، [مستقیماً] به‌ مقصد شاخ و برگ گیاهان میزبان؛ یا به‌‌جانب جریان‌‌هایی از هوا می‌کند که به اهداف دورتر می‌رسانندشان. دکتر «آگنیس سمینارا» (Agnese Seminara)؛ پژوهشگر مقطع فوق‌دکترا و فیزیکدان نظری دانشکده‌ی مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه هاروارد و از کمک‌نویسندگان این بررسی نیز اضافه می‌کند که: «من فهمیده‌ام هاگ‌ها، رفتاری بسیار همسان با قطرات ابر دارند.

من به‌منظور پیگیری مسیرشان، از الگوریتم‌هایی بهره بردم که [اساساً] در شرح نحوه‌ی تشکیل ابرها تدوین‌شان کرده بودم». روپر، سمینارا و همکاران‌شان، این یافته‌ را طی همین هفته در شماره‌ی آنلاین نشریه‌ی علمی «پیشرفت‌های آکادمی ملی علوم» (PNAS) انتشار دادند.

دکتر «آنه پرینگل» (Anne Pringle)، استادیار زیست‌شناسی تکاملی و ارگانیزمیک دانشگاه هاروارد، در رابطه با این یافته می‌گوید: «این یافته‌ها، می‌توانند اشاراتی به روش‌های کنترل شیوع بیماری‌های قارچی هم داشته باشند. [قارچ‌های] Sclerotinia، به‌تنهایی هرساله ۱میلیارد دلار به کشاورزان ایالات متحده زیان می‌زنند و این شامل هزینه‌های کنترل قارچ‌ها و تلفات محصولات‌شان می‌شود. پژوهش‌هایی که هم‌اکنون معطوف به فهم نحوه‌ی توقف خروج دسته‌جمعی هاگ‌هاست؛ احتمالاً ابزاری نوین برای کنترل این قارچ‌های بیماری‌زا هم هست».

پژوهش‌گران حوزه‌ی «بیوبالستیک» - که به بررسی توانایی گیاهان، قارچ‌ها و جانوران در شتاب بخشیدن به بذرها، هاگ‌ها و حتی جزئی از بدنشان (همچون زبان قورباغه‌ها) با سرعت بالا، می‌پردازند – اخیراً پی به تنوع شگفت‌انگیزی از روش‌ها در چیره‌جویی بر نیروی اصطکاک هوا که محدودیتی عمده در فراروی بذرها و هاگ‌های ریز است؛ برده‌اند. «هلن دیلارد» (Helene Dillard)؛ یک آسیب‌شناس گیاهی و از رؤسای کالج علوم کشاورزی و حیات دانشگاه کرنل است. او می‌گوید:

«درک اینکه چگونه [قارچ‌های] Sclerotinia هاگ‌هایشان را تخلیه می‌کنند و به گیاهان مقصد می‌رسانندشان؛ در نهایت هدایت‌گر ما به‌سوی را‌ه‌های نوینی در نگرش به معماری گیاهی خواهد بود. وقتی‌که پرورش‌دهندگان گیاهی، محصولات جدیدی چون باقلا، کلم یا آفتاب‌گردان را برداشت می‌کنند؛ نحوه‌ی انتقال هاگ‌ از قارچ‌های Sclerotinia به مقصد نیز – که معمولاً این مقصد، همان گل این گیاهان است – را در خاطر خود می‌سپارند».

دانشمندان برای بیش از صد سال است که می‌دانند اکثریت قارچ‌های هاگ‌زا، این هاگ‌ها را به‌شکل یک جریان دودمانند، که به فواصل دوردست می‌رساندشان آزاد می‌کنند. بالغ بر ۵۰سال پیش، دانشمندان دریافتند که این جریانات هاگ، از خود باد می‌سازند؛ اما به‌گفته‌ی روپر، هیچ درکی از فیزیک این جریانات آیرودینامیک، صورت نپذیرفته بود.

تصویر میکروسکوپی از هاگ‌های قارچی از گونه‌ی Chaetomonium globosum / Denis Kunkel / Visuals Unlimited

به‌علاوه، تاکنون فعالیت اندکی بر درک نحوه‌ی همیاری بذرها یا هاگ‌ها به‌منظور بهبود راه‌های پراکنده‌شدن‌شان در محیط‌های جدید انجام گرفته بود. روپر و سمینارا با یادگیری ریاضیات و فیزیک حاکم بر جریان سیالات، تصمیم به همکاری با پرینگل، از قارچ‌شناسان دانشگاه هاروارد گرفتند.

در مقاله‌ی اخیری که در این‌زمینه در PNAS انتشار یافته؛ پژوهش‌گران از فیلم پرسرعتی جهت زمان‌سنجی حرکت هاگ‌های خروجی از قارچ Sclerotinia بهره بردند و متوجه شدند این هاگ‌ها، با سرعتی در حدود ۸.۴متر بر ثانیه (معادل ۳۰.۴کیلومتر بر ساعت) از کیسه‌های قارچ خارج می‌شوند. ولی به‌واسطه‌ی ابعاد ریز این هاگ‌ها – در حدود ۱۰میکرون – اصطکاک هوا، تنها در فاصله‌ی ۳میلیمتری از محل خروج‌شان، آن‌ها را متوقف می‌کند.

با این‌حال ‌هنگامی‌که هزاران هاگ، همزمان خارج شوند؛ امکان طی فواصلی بالغ بر یکصد میلیمتر را هم پیدا می‌کنند. این تصاویر ویدئویی پرسرعت، روپر و سمینارا را قادر به مد‌ل‌سازی دقیق نحوه‌ی حرکت این جریان دودمانند، از طریق معادلات استاندارد هیدرودینامیک نمود. آنان نشان دادند که پرتاب دسته‌جمعی، سریع و همزمان هزاران هاگ؛ همه‌ی اصطکاک پیش‌روی‌شان را می‌زداید و قادر به طی مسافتی در حدود یک‌سانتیمترشان می‌کند که در این بین، باد ایجادشده توسط خود هاگ‌ها هم می‌ربایدشان و سرعت‌شان را به ۶۰متر بر ثانیه افزایش می‌دهد.

به‌گفته‌ی روپر، حرکت بالارونده‌‌ی توده‌ی هاگ‌ها هم در این حین، فقط توسط نیروی گرانش متوقف می‌شود.این مسافت اضافی که تنها به‌واسطه‌ی «همیاری هیدرودینامیک» هاگ‌ها ممکن شده بود؛ قارچ‌ها را قادر به پرتاب زمینی هاگ‌هایشان به گل‌ها یا شکاف‌های موجود در بدنه‌ی گیاهان می‌کند و از این‌روست که قارچ‌ها به‌سرعت در سرتاسر آن گیاه ریشه دوانده و از میان‌اش می‌برند.

به‌گفته‌ی دیلارد، قارچ Sclerotinia که غالباً کپک سفید نامیده می‌شود، به بیش از ۴۰۰گونه‌ی گیاهی شامل باقلا، آفتاب‌گردان، سؤیا، شرشم (Canola) و بادام‌زمینی حمله‌ور می‌شود و قادر به نابودسازی کل مزارع‌شان است. این قارچ‌ها در فصول بهار و تابستان، اقدام به ساخت فنجانک‌هایی به ابعاد تقریباً 1.5 سانتیمتر می‌کنند که بدان‌وسیله هاگ‌ها را به‌منظور آلوده‌سازی گیاهان هدف‌شان در هوا رها می‌کنند.

این گونه‌ها همچنین در طول زمستان، ساختارهای دانه‌مانندی را موسوم به sclerotia در میان بافت‌ گیاه قربانی جاسازی می‌کنند. دیلارد می‌گوید: «این [قارچ] در سرتاسر سر کلم رشد کرده و این sclerotiaهای ریز را که شبیه فضله‌ی موش هستند؛ تولید می‌کند. سپس این دانه‌ها بر زمین می‌افتند و همان‌جا می‌مانند تا که در سال آینده باز این فرآیند عفونی از سر گرفته شود».

پژوهش‌گران همچنین کنجکاو نحوه‌ی انجام موفق پرتاب همزمان هاگ‌ها هم شده بودند. آن‌ها به‌منظور بررسی این فرآیند، کپک دیگری را از گونه‌قارچ‌های Ascobolus بر مدفوع اسب رشد داده و دوربین ویدئویی پرسرعت‌شان را به‌سمت جسم پیاله‌مانندی به ابعاد تنها دو میلیمتر که حاوی ده‌هاهزار کیسه‌ی هاگ بود و هرکدام‌شان نیز هشت هاگ را در خود جای داده بود؛ نشانه رفتند.

در نهایت مشخص شد هرچند که در نگاه اول خروج هاگ از کیسه‌ها تصادفی به‌نظر می‌رسد؛ اما پس از تخلیه‌ی اولین یا دومین کیسه، موجی از فوران به‌شکل حلقه‌های مارپیچ و متوالی، در گستره‌ی یکدست کیسه‌های هاگ انتشار می‌یابد. از آنجاکه چنین فرآیندی تنها در یک‌دهم ثانیه رخ می‌دهد؛ تاکنون پدیده‌ای آنی و انفجاری فرض می‌شد. روپر می‌گوید: «آنچه‌که به‌شکل دود دیده می‌شود؛ در حقیقت سلسله‌ای از صفحات خارج‌شونده است».

روپر و سمینارا با تغییر مدل ریاضیاتی‌شان به‌منظور درنظرگرفتن این حقیقت نامکشوف، فهمیدند که فوران دسته‌جمعی هاگ در صفحات متوالی، روشی شدیداً مؤثر برای پرتاب‌شدن‌شان به فواصل نسبتاً دوردست است. دانشمندان هم‌اکنون بررسی‌هایشان را به‌منظور درک سازوکار تحریک‌کننده‌ی این فوران پی گرفته‌اند.

منبع: EurekaAlert

پانوشت:

فیلم تهیه‌شده از فوران هاگ‌ها