مع ارتفاع درجات الحرارة والجفاف بسرعة ، هل يمكن للنباتات التكيف؟

في الوقت الذي يجعل فيه تغير المناخ العديد من مناطق الكوكب أكثر سخونة وجفافًا ، من الواقعي الاعتقاد بأن الصحاري هي مناطق أحيائية جديدة نسبيًا نمت بشكل كبير على مدار الثلاثين مليون سنة الماضية. بدأت المناطق القاحلة المنتشرة ، مثل الصحاري التي تغطي اليوم معظم غرب أمريكا الشمالية ، في الظهور فقط خلال الخمسة إلى السبعة ملايين سنة الماضية.

إن فهم كيف تمكنت النباتات التي غزت هذه المناطق الأحيائية الصحراوية القاسية من البقاء على قيد الحياة يمكن أن يساعد في التنبؤ بكيفية نجاح النظم البيئية في مستقبل أكثر جفافاً.

دراسة مكثفة لمجموعة من النباتات التي غزت لأول مرة الناشئة الصحاري منذ ملايين السنين يخلص إلى أن هؤلاء الرواد - الإقحوانات الصخرية - لم يأتوا غير مجهزين للتعامل مع الحرارة والشمس الحارقة ونقص المياه. لقد طوروا تكيفات مع مثل هذه الضغوط أثناء العيش على نتوءات صخرية جافة ومكشوفة داخل مناطق أقدم وأكثر رطوبة وحتى الغابات الاستوائية، كل ذلك سهّل عليهم غزو المناطق القاحلة المتوسعة.

نشر الباحث بجامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، إسحاق ليختر مارك ، وبروس بالدوين ، أستاذ علم الأحياء التكاملي في جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، أمين معشبة جيبسون ورئيس تحرير "دليل جيبسون الصحراوي: نباتات الأوعية الدموية في جنوب شرق كاليفورنيا" (2002) ، دراستهم حول تطور الإقحوانات الصخرية في صحاري أمريكا الشمالية هذا الأسبوع في المجلة وقائع الاكاديمية الوطنية للعلوم.

هذه الدراسة هي الأولى التي تقدم دليلاً لحل نقاش تطوري طويل الأمد: هل مبدع نباتات الصحراء، مثل صبار ساجوارو الفخم ، تتكيف الأوكوتيلوس المشتعلة والأغاف السوسية مع ظروف قاحلة فقط بعد أن غزوا الصحاري ، أم أنهم أتوا متأهبين مسبقًا لضغوط الحياة الصحراوية؟

قال ليختر مارك إن السؤال مهم اليوم ، لأن تسارع الجفاف بسبب تغير المناخ يمثل تحديًا للنباتات للتكيف بسرعة أكبر بكثير مما كانت عليه في الماضي. بالفعل ، حوالي خمس مساحة سطح الأرض عبارة عن صحراء. إذا كان التكيف مع الظروف الجافة ممكنًا فقط للنباتات التي تطورت بالفعل للتعامل مع مثل هذه الضغوط ، فقد لا يكون الكثيرون اليوم مجهزين بمجموعة أدوات وراثية مناسبة للبقاء على قيد الحياة.

"إذا كنت تفكر في الجفاف كمحفز لتطور النبات فقط ، ففي كثير من الحالات يمكن أن يقول الناس أن هذه النباتات ناجية ، وقابلة للتكيف ، وستكون بخير. قال ليختر مارك ، وهو أيضًا زميل أبحاث ما بعد الدكتوراه في مؤسسة العلوم الوطنية بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: "سيستفيدون من هذه الظروف الجديدة ، وسوف يزدهرون".

لكن تاريخ الإقحوانات الصخرية يشير إلى أنه "عندما ظهرت الصحاري ، كانت تلك النباتات التي لديها التكيفات المسبقة اللازمة للاستفادة من الظروف الجديدة هي تلك التي ازدهرت" ، على حد قوله. "إضافة المزيد من التجفيف إلى النظام لا يعني بالضرورة حدوث تطور تكيفي أسرع. هناك مصدر محدود للأنساب يمكن أن يستفيد من المستويات الجديدة للجفاف ، وهذا مهم لفهم تأثير تغير المناخ على التنوع البيولوجي ".

سبع سنوات تجوب الصحراء

أدرك علماء النبات منذ فترة طويلة أنه عندما غزت النباتات المناطق الصحراوية ، سرعان ما تنوعت لملء العديد من المنافذ التي أنشأها هذا النوع الجديد من الموائل.

"حتى في الآونة الأخيرة منذ مليون إلى 1 مليون سنة ، كان من الصعب العثور على موائل صحراوية منتشرة كما نراها اليوم في أمريكا الشمالية ، وهو أمر مثير للدهشة لأن الصحاري والموائل القاحلة الآن هي أكثر المناطق الأحيائية انتشارًا على وجه الأرض ، قال ليختر مارك. "ولكن خلال الحقبة الميوسينية المتأخرة ، انتشرت الموائل الجافة ، وخضعت سلالات النباتات الصحراوية في العالم ، وخاصة السلالات النضرة مثل الصبار والأغاف ونباتات الجليد - بالإضافة إلى العديد من السلالات الأخرى المقاومة للجفاف - لتنويع سريع متزامن. "

ومع ذلك ، أشار علماء الأحافير إلى أن النباتات المتحجرة التي ازدهرت عشرات الملايين من السنين قبل انتشار الصحاري لها خصائص مشابهة لتلك الموجودة في النباتات الصحراوية اليوم. جادل بعض العلماء ، مثل عالم الإيكولوجيا القديمة الراحل دانيال أكسلرود من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس وجامعة كاليفورنيا في ديفيس ، بأن هذا يعني أن النباتات التي ازدهرت في الصحراء اليوم تطورت في وقت سابق وتم تكييفها مسبقًا - أو تكيفتها - للبقاء على قيد الحياة في ظروف الصحراء من خلال النمو في المواقع المجهرية الجافة ، مثل النتوءات الصخرية أو ظلال المطر أو قمم الجبال. آخرون ، مثل ليديارد ستيبينز من جامعة كاليفورنيا في بيركلي ، عالم الأحياء التطوري الذي ساعد في تأسيس قسم علم الوراثة بجامعة كاليفورنيا في ديفيس ، جادل بأن الجفاف نفسه حفز النباتات على التنويع وتطوير سمات لتحمل الجفاف والحرارة وأشعة الشمس الشديدة والرياح القوية.

على الرغم من أوجه التشابه بين النتوءات الصخرية والصحاري ، فقد كان من الصعب إثبات أن النباتات الصحراوية تنحدر من نباتات تكيفت بالفعل مع ضغوط الجفاف ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الأحافير نادرًا ما تتشكل في الموائل الجافة ولا يمكنها أن تخبرنا كثيرًا عن الموطن الذي كانت فيه هذه الكائنات القديمة. كانت النباتات تنمو.

بالنسبة إلى Lichter-Marck و Baldwin ، بدت الإقحوانات الصخرية ، المصنفة في قبيلة Perityleae في عائلة عباد الشمس ، كمجموعة جيدة لاستكشاف الاتصال. تعيش بعض الأنواع على صخور جافة مكشوفة في المناطق الاستوائية من المكسيك - ما يمكن اعتباره "صحارى صغيرة" - بينما تكيفت أنواع أخرى تمامًا مع المناطق الصحراوية ، مثل Mojave في كاليفورنيا والحوض العظيم وصحاري Chihuahuan و Sonoran التي تغطي معظم غرب أمريكا الشمالية.

قال ليختر مارك: "تواجه النباتات التي تعيش على نتوءات صخرية العديد من التحديات نفسها التي تواجه تلك التي تعيش في بيئة صحراوية جافة". "تميل النتوءات الصخرية إلى التعرض للأشعة فوق البنفسجية والرياح والجفاف وظروف الجفاف ، فضلاً عن الحرارة والصقيع. كما أنهم يميلون إلى أن يكونوا أكثر عرضة للحيوانات العاشبة.

تتنوع الطرق التي تتعامل بها النباتات معها ، ولكنها عادةً ما تتضمن نوعًا من مورفولوجيا الجذور المتخصصة التي تساعدها على ترسيخ نتوءات الصخور ، فضلاً عن التعامل مع الظروف الجافة الشديدة. وتميل إلى أن تكون أوراقها أصغر حجمًا ، أو أوراقًا ذات غطاء كثيف من الشعر يساعد على حمايتها من الجفاف وحجب أشعة الشمس ، بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية. كما أنها تميل إلى زيادة الدفاعات الكيميائية ضد الحيوانات العاشبة ، لأنها تتطلب الكثير من الطاقة للتجديد بعد مضغها ".

في إطار أطروحته للدكتوراه في قسم علم الأحياء التكاملية وفي معشبة جيبسون، جاب ليختر-مارك، وهو من سكان جنوب كاليفورنيا الأصليين، صحاري Arizonaيسافر ليختر-مارك إلى كاليفورنيا وتكساس والمكسيك لشهور متواصلة في شاحنة صغيرة، برفقة كلبه من فصيلة بلو هيلر، ريو، لجمع مئات العينات من زهور الأقحوان الصخرية. بعض أنواع الأقحوان الصخرية من بين أكثر الأزهار إزهارًا في الربيع، حيث تغطي الصحراء بأزهار ملونة. مع ذلك، يقتصر وجود العديد منها على مناطق جغرافية صغيرة حيث تنمو فقط على واجهات صخرية عمودية أو سلاسل جبال جزرية، مما يجعل جمعها محفوفًا بالمخاطر. ليختر-مارك متسلق جبال متمرس، وهي مهارة مهمة بالنسبة له. العمل الميداني في أرض وعرة.

قام لاحقًا بتسلسل الحمض النووي لهذه العينات - 73 نوعًا من 84 نوعًا معترفًا به من صخور الأقحوان - وفهرس تاريخ حياتهم ، مثل مكان نموهم ، ونوع نظام الجذر لديهم ، وما إذا كانوا سنويًا أو معمرًا ، عشبًا أو شجيرة. ثم قارنها مع الإقحوانات المتحجرة لتطوير جدول زمني تقريبي لتطور هذه الخصائص وتحول النسب في نهاية المطاف إلى الصحاري.

سمح له ذلك باستنتاج أن معظم أزهار الصخر - على وجه الخصوص ، جنس Laphamia ، الذي كان أول من انتقل إلى الصحاري وهو أكبر جنس أقحوان صخري - قد تكيف مع إجهاد الحرارة والجفاف والرياح والشمس بحكم طبيعتهم. النمو على المنحدرات قبل غزو الصحاري.

قال ليختر مارك: "هذا عرض تجريبي واضح لما كان في الأصل فرضية أكسلرود - عن مجموعة نباتات صحراوية نشأت في مناخات جافة قبل ظهور الموائل الصحراوية على نطاق واسع". "ما يعنيه هذا هو أن استراتيجيات تحمل الجفاف التي هي سمة مميزة للنباتات الصحراوية قد لا تمثل في الواقع استجابات للظروف الجافة الموجودة في الصحاري. بدلاً من ذلك ، يمكن أن تكون سمات تطورت في وقت سابق بالاقتران مع المناخات المحلية الجافة الأقدم والأكثر استقرارًا ، مثل النتوءات الصخرية في المناطق الاستوائية. "

قد يكون التكيف المسبق هو المفتاح لنجاح العديد من النباتات الصحراوية ، بما في ذلك الصبار ، المعروف أنها تسكن النتوءات الصخرية أو تنمو كخلايا نباتية في مظلات الأشجار داخل المناطق الاستوائية ، على الرغم من أن هذه السلالات الكبيرة تتطلب تحليلًا أكثر شمولاً ، كما قال. .

تبرز الإقحوانات الصخرية ، التي يعيش الكثير منها في موائل متخصصة تجعلها عرضة للانقراض ، أهمية الحفاظ على الأنواع المتخصصة على ما يبدو.

"الكثير من الإقحوانات الصخرية متخصصة جدًا وتميل إلى أن تكون ضيقة جدًا في توزيعها وقد يُنظر إليها على أنها أقل أهمية لبقاء النظام البيئي ككل. في علم الأحياء التطوري وفي بيولوجيا الحفظ ، غالبًا ما تُعتبر الكائنات الحية المتخصصة ذات النطاقات الجغرافية الضيقة سلالات معرضة للخطر ، وقد يُطلق عليها أحيانًا حتى النهاية التطورية المسدودة ". "أحد الآثار المهمة هنا هو أن مجموعة من المتخصصين في البيئة تنمو على المنحدرات المتناثرة في الموائل الاستوائية بدأوا هذا الإشعاع الرئيسي في الصحراء. لذلك ، فإنه يظهر في الواقع أن المتخصصين ليسوا فقط هذه السلالات الضعيفة على حافة الانقراض. قد تكون في الواقع مصادر مهمة حقًا للابتكار في التطور ".

Lichter-Marck يقوم حاليًا بتوسيع دراسته لـ النباتات التي تنمو على نتوءات صخرية إلى هاواي ، حيث يعيش العديد من الأنواع المتوطنة النادرة فقط على جوانب الجبال شديدة الانحدار. بدلاً من تسلق المنحدرات غير المستقرة للوصول إلى عينات نادرة ، يأمل في استخدام طائرات بدون طيار.