چرا برخی گیاهان برگ‌های بسیار بزرگ و برخی برگ‌های کوچک دارند
لحظه‌ای به نواحی استوایی فکر کنید؛ احتمالا اولین چیزی که به ذهنتان می‌رسد، جنگل‌های فشرده و انبوه سبز با برگ‌های بزرگ و پهن باشد. اگر به همین شکل به نواحی کم‌آب‌تر و خشک‌تر برویم، برگ‌های پوشش گیاهی باریک‌تر و کوچک‌تر می‌شوند.
با این تفاسیر می‌توان به‌راحتی چنین نتیجه گرفت که برگ‌های گیاهان در نواحی مختلف به شکل‌های مختلف برای سازگار شدن با دما و رطوبت آن ناحیه‌ها، دستخوش تکامل شده است. اکنون دانشمندان به تصویر بهتر و دقیق‌تری از ماجرا دست یافته‌اند و چنین برمی‌آید که برخی گوشه‌های پنهان در این مورد برایمان آشکار شوند.
اندازه‌ی برگ‌های گیاهان در پهنه‌ی این کره‌ی خاکی، در پاره‌ای موارد تا میزان ۱۰۰ برابر متفاوت است. این تفاوت اندازه‌ی گستره‌ای از برگ‌های کوچک‌تر از یک میلی‌متر مربع تا برگ‌هایی با مساحت سطح بیش از یک متر مربع را شامل می‌شود. به‌طور غافلگیرکننده‌ای ما شاهد هستیم که پژوهش‌های اندکی برای فهمیدن چرایی این تنوع صورت گرفته است.
پژوهش جدیدی که توسط گروه بین‌المللی از دانشمندان انجام شده، نشان داده است که دمای ساعات شب و خطر نابودی بر اثر یخ‌زدگی از عوامل کلیدی در داشتن برگ‌های بزرگ و پهن در درخت موز فیلیپینی هستند. این در حالی است که گیاه خارشتر (با نام علمی Acacia erioloba) دارای برگ‌هایی ریز و نسبتا باریک است. یان رایت، پژوهشگر سرپرست این گروه از دانشگاه مکوایر، در این باره می‌گوید:
توضیح متداولی که برای این موضع وجود داشت به این صورت بود که دسترسی آب و گرم شدن بیش از حد به‌عنوان دو محدودکننده‌ی اصلی برای اندازه‌ی برگ‌ها عمل می‌کنند.
تمامی برگ‌ها در طی ترادمش (تعرق یا Transpiration) مقداری آب از دست می‌دهند که این کار باعث حرکت بخار آب و همچنین خنک شدن برگ می‌شود. روند فوق در واقع همان چیزی است که در بدن ما هم روی می‌دهد و ما با عرق کردن، باعث کاهش دمای بدن و جلوگیری از گرمازدگی در بدنمان می‌شویم.
نکته‌ی قابل توجه این است که گیاهان یادشده نمی‌توانند همانند انسان‌ها به محل‌های سایه یا خنک‌تر بروند و از همین رو، تنظیم دما به روش ترادمش در گرمای شدید نواحی استوایی فرایندی پراهمیت تلقی می‌شود.
اما از طرفی معمولا برگ‌های بزرگ‌تر دارای ضخامت بیشتری هستند و همین امر کار آزادسازی گرما به‌صورت کارآمد را برای برگ دشوارتر می‌کند.
راهکار پیش روی برگ برای جبران این کاستی، افزایش پمپاژ آب است. با افزایش پمپاژ آب، مسئله‌ی اول حل می‌شود؛ اما نوعی رقابت سخت بر سر یک منبع محدود (آب) برای خنک نگه داشتن گیاه آغاز می‌شود.
بر پایه‌ی مدل‌هایی که بر اساس تئوری کلاسیک تقسیم‌بندی انرژی ایجاد شده‌اند، می‌توانیم بگوییم که برگ‌های اقلیم‌های خنک‌تر باید نور خورشید را با نگرانی کمتری در قبال افزایش دمای بیش از حد، در قیاس با برگ‌های اقلیم‌های استوایی و گرمسیری دریافت کنند.
اما داده‌های به‌دست‌آمده از مطالعه‌های قبلی تأیید کرده است که با بالاتر رفتن دمای متوسط در یک محیط، اندازه‌ی متوسط برگ نیز در آن محیط‌ها بیشتر بوده است.
گروه پژوهشی برای پی بردن به اینکه چه عواملی در عمل روی مسیر تکامل برگ‌ها مؤثرند، به جمع‌آوری یک مجموعه‌ی بزرگ از برگ‌ها روی آوردند. آن‌ها از بیش از ۷۶۰۰ گیاه مختلف در بیش از صد ناحیه‌ی غیر کشاورزی در سراسر دنیا نمونه‌هایی را تهیه کردند.
پژوهشگران در ادامه با سنجش ده‌ها هزار برگ مختلف به یک پایگاه داده‌ی قابل تعمیم به‌منظور تجزیه و تحلیل همبستگی‌های چشمگیر میان عوامل مختلف دست یافتند. رایت در این باره می‌نویسد:
ما با نمونه‌گیری از تمامی قاره‌ها، نواحی آب‌وهوایی و انواع گیاهی توانستیم نشان دهیم که ظاهرا قوانین ساده‌ای در میان تمام گونه‌های گیاهان دنیا به‌طور مشترک برقرار است؛ قوانینی که در تحلیل‌های محدود گذشته به این شکل آشکار نشده بودند.
همان‌طور که انتظار می‌رفت، یک بار دیگر مشخص شد که برگ‌های گیاهان در نواحی استوایی دارای اندازه‌ی بزرگ‌تری هستند و هر قدر که از نواحی استوایی دورتر شده و به‌سوی قطب‌ها حرکت می‌کنیم، برگ‌ها کوچک‌تر می‌شوند. مقدار میانگین بارندگی‌ها نیز در این پژوهش به‌حساب آورده شده است.
در ادامه نیز معلوم شد که ترکیبی از عوامل دخیل در شرایط اقلیمی از قبیل دمای محیط، رطوبت و نور خورشید نیز در اندازه‌ی برگ بسیار کلیدی است.
با این وجود، جزئیاتی نیز در این پژوهش به دست آمد که منجر به آشکار شدن برخی نکات جدید شد. کالین پرنتیس از کالج سلطنتی لندن یکی از پژوهشگران این تحقیق است و می‌گوید:
شگفت‌انگیزترین نتیجه این بود که در بخش عمده‌ای از جهان هستی، بیشینه اندازه‌ی برگ‌ها بر اساس خطر گرم شدن بیش از حد آن‌ها تنظیم نمی‌شود؛ بلکه بیشتر بر اساس خطر نابود شدن در پی شبنم‌ها و یخ‌زدگی‌های شبانه تعیین می‌شود.
به بیان دیگر، اصلی‌ترین موردی که برگ‌ها را از افزایش اندازه و در نتیجه جذب بیشتر نور خورشید بازمی‌دارد، مربوط به گرم شدن بیش از حد برگ‌ها یا حتی از دست دادن آب فراوان نیست؛ بلکه به‌جای این موارد، گرم نگه داشته شدن برگ‌ها در ساعت شب و افت دمای آن در اولویت قرار دارد.
برگ‌های بزرگ دارای نواحی وسیعی هستند که خود را به نحو بهتری در تماس با لایه‌ی نازکی از هوا موسوم به لایه‌ی مرزی قرار می‌دهند.
هنگامی که در ساعت شب، گرما از برگ‌ها در اثر تابش گرمایی خارج می‌شود، گیاهان نمی‌توانند این گرمای ازدست‌رفته را با گرمای محیط به‌سادگی جبران کنند و این امر به لطف همان لایه‌ی نازک عایق صورت می‌گیرد؛ این لایه همانند یک ژاکت گرم در زمستان عمل می‌کند.
کشف اخیر می‌تواند به بوم‌شناسان کمک کند تا مدل‌های خود را در مورد چگونگی سازگار شدن و مواجهه با شرایط مختلف را به‌روزرسانی کنند. این روندها در مطالعه‌ی تغییرات اقلیمی که در چند سال آینده باید با آن مواجه شویم، حائز اهمیت بسیار زیادی هستند.
دستاوردهای این پژوهش در ژورنال Science منتشر شده است.