افزایش جمعیت انسان

یکی از دلایل افزایش جمعیت، کشت گیاهان زراعی بوده، و علت مهم تر دیگر، شروع انقلاب صنعتی از اواسط قرن هجدهم است که تاکنون نیز ادامه دارد.

رشد سریع جمعیت انسان عواقب فراوان و متنوعی به دنبال دارد در ایالات متحده و سایر بخش های توسعه یافته جهان، این عواقب نه تنها شامل افزایش تعداد مردم، بلکه شامل مصرف گسترده منابع فسیلی غیر قابل تجدید و به دنبال آن، ایجاد آلودگی است، که این آلودگی هم ناشی از احتراق سوخت های فسیلی و هم ناشی از اتفاقات احتمالی همچون انفجار مخازن نفت و یا انفجار تانکرهای حامل سوخت های فسیلی است. در بخش هایی از دنیا که کمتر توسعه پیدا کرده اند، عواقب این افزایش جمعیت، شامل سوء تغذیه و همچنین، وقوع قحطی و به دنبال آن، مستعد شدن به انواع بیماریهای عفونی است.

موجودات دیگر نیز، نه تنها متحمل اثرات مستقیم ناشی از آلودگی خواهند بود، بلکه متحمل معضل مهمتر دیگری خواهند شد و آن چیزی نیست، مگر از بین رفتن زیستگاه. با هیبریدهای قبلی تولید شوند.

با افزایش کشفیات جدید و گسترش ابزارهای جدید، سالانه راهکارهای جدیدی جهت بهره برداری از گیاهان ابداع می شود.

صنعت تولید خربزه درختی در هاوایی با بهره گیری از درختان تراریخت نجات پیدا کرد. این درختان تراریخت قابلیت مقاومت در برابر ویروسی را به دست آوردند که منجر به ایجاد زخمهای حلقوی گرد در سطح گیاه شده و همراه با ایجاد کلروز و نکروز بود.

از موارد دیگر می توان به سویای تراریخت اشاره نمود که در برابر علف کش Roundup مقاوم شد این علف کش، علاوه بر از بین بردن علف های هرز پهن برگ، منجر به از بین رفتن سویا نیز می شد.

ظهور انسان

انسان نسبت به تازگی در روی کره زمین ظهور کرده است.

با فرض اینکه کل تاریخ تکاملی زمین به صورت یک روز ۲۴ ساعتی در نظر گرفته شود که از نیمه شب آغاز میشود، سلول ها قبل از طلوع آفتاب، در دریاهای گرم پدیدار شدند. اولین موجودات چند سلولی تا چند ساعت بعد از غروب زیست شناسی گیاهی شامل مطالعات بسیار متنوعی است.

مطالعه گیاهان به هزاران سال پیش برمی گردد، ولی مشابه تمامی گرایش های زیست شناسی، تنها در قرن بیستم به علمی متنوع و تخصصی تبدیل شد. تا اواخر دهه ۱۸۰۰، گیاه شناسی شاخه ای از پزشکی بود و گیاهان غالبا توسط پزشکان و به منظور درمان بیماریها مورد استفاده قرار می گرفتند. همچنین برخی افراد نیز به منظور بررسی اثرات درمانی گیاهان، به بررسی شباهت ها و تفاوت های بین گیاهان و جانوران می پرداختند.

 Genomics علم مطالعه محتوا، سازماندهی و عملکرد اطلاعات ژنتیکی موجود در کل ژنوم بوده؛

زیست شناسی مولکولی (Molecular Biology علم مطالعه ساختار و عملکرد مولکولهای زیستی است؛

گیاه شناسی اقتصادی (Economic Botany ) به بررسی استفاده گیاهان توسط انسان در زمان گذشته، حال و آینده پرداخته؛ گیاه شناسی سنتی (Ethnobotany ) علم مطالعه کاربردهای گیاهان برای اهداف دارویی و سایر اهداف توسط افراد بومی بوده؛

اکولوژی یا بوم شناسی (Ecology) علم مطالعه و بررسی روابط بین موجودات زنده و محیط پیرامونی است و دیرینه شناسی گیاهی (Paleobotany) نیز به مطالعه زیست شناسی و تکامل گیاهان فسیل می پردازد.

گرچه جلبک ها، قارچها، پروکاریوت ها یا ویروس ها به عنوان گیاه در نظر گرفته نمی شوند و در این کتاب نیز با نام گیاه شناخته نمی شوند، به دلیل سنت های حاکم و همچنین به دلیل اینکه به طور معمول به عنوان بخشی از گیاه شناسی در نظر گرفته می شدند (درست مانند گیاه شناسی که زمانی بخشی از علم پزشکی به شمار می‌آمد)، در این کتاب مورد بررسی قرار خواهند گرفت. به علاوه، هم پروکاریوت ها (به طور مثال، باکتریهای تثبیت کننده نیتروژن) و هم قارچ ها (به عنوان مثال، قارچهای میکوریزایی) تشکیل تجمعات همزیستی مسالمت آمیز با میزبان های گیاهی خود می دهند. ویروس شناسی، باکتری شناسی، جلبک شناسی و قارچ شناسی گرایش هایی مجزا هستند، ولی هنوز تحت رشته گیاهشناسی نیز مورد بررسی قرار می گیرند.

منقرض شده که عامل انباشت گسترده گاز، نفت و زغال سنگ بوده اند که تمدن صنعتی امروزی بشر به آن وابسته است.

حتی گذشته از این، گیاهان به همراه جلبکها و باکتری های فتوسنتز کننده، نقش بسیار مهم تری دارند که باید به آن توجه شود. موجودات فتوسنتز کننده به عنوان تولیدکنندگان ترکیبات محتوی انرژی، موجودات واسطه ای هستند که از طریق آنها تمام موجودات زنده، که شامل انسان نیز می شود، کسب انرژی و اکسیژن نموده و بسیاری دیگر از مواد ضروری جهت بقای خود را به دست می آورند.

در دهه دوم قرن بیست و یکم، کاملا واضح است که انسان با جمعیت ۶.5 میلیارد نفری در سال ۲۰۱۰ و جمعیت ۹ میلیارد نفری در سال ۲۰۵۰، جهان را طوری مدیریت می نماید که در چند دهه اخیر، غیرممکن به نظر می رسید. در هر ساعت، مواد شیمیایی صنعتی در هر سانتی متر مربع از سطح این سیاره فرود می آیند.

لایه استراتوسفری لایه اوزون که ۴۵۰ میلیون سال پیش ایجاد شده است، با استفاده از کلروفلوروکربن ها (CFCs) به طور جدی تحلیل رفته و سوراخ شده است.

بر همین اساس، اشعه های مضر ماورا بنفش با نفوذ به لایه های تحلیل رفته اوزون منجر به افزایش سرطان پوست در سرتاسر جهان شده است. به علاوه تخمین زده میشود که به دلیل اثر گلخانه ای (Greenhouse Effect)، تا اواسط این قرن، میانگین دمای هوا بین 1.5 تا 4.5 درجه سانتی گراد افزایش پیدا خواهد کرد.

این فرآیند گرمایش جهانی ( Global – Warming) به دام انداختن انرژی گرمایی انعکاس یافته از زمین به فضا) با افزایش مقدار دی اکسیدکربن، اکسیدهای نیتروژن، CFCs و متان ناشی از فعالیت های بشر، تشدید می شود.

 مهم ترین معضل، این است که در نتیجه بهره برداری انسان از منابع محیطی، بخش عظیمی از گونه های گیاهی، جانوری، قارچی و بسیاری از میکروارگانیسم ها از روی زمین محو شده و تنقع زیستی کاهش می یابد. تمامی این مشکلات، هشداری جهت توجه ویژه انسان به محیط زیست است.

طی سال های اخیر، راههای شگفت انگیزی جهت بهره برداری بهتر از گیاهان گسترش پیدا کرده که این پیشرفت ها در سرتاسر این کتاب مورد ارزیابی و بحث قرار می گیرد. به عنوان مثال، امروزه این امکان وجود دارد که با استفاده از گیاه پالایی (Phytoremediation) محیطهای آلوده پاکسازی شده، رشد گیاهان تحریک شده، آفات توسط گیاهان دفع شده، علف های هرز در مزارع کنترل شده و هیبریدهایی با دقت بسیار بالا در مقایسه گیاه شناسی، علمی مهم جهت رویارویی با چالش های امروز و آینده است.

تکامل جوامع

تکامل جوامع

یورش گیاهان به خشکی، سیمای قاره ها را دستخوش تغییر کرد. با نگاه کردن به پایین از درون یک هواپیمای در حال گذر از یکی از مناطق بیابانی گسترده موجود در روی زمین و یا یکی از نواحی کوهستانی، می توان تصور نمود که زمین قبل از ظهور گیاهان، به چه شکلی بوده است. حتی با پیاده روی در این نواحی، میتوان تنوع حیرت انگیزی از گیاهان را مشاهده نمود که نواحی صخره ای و شنی را پوشانده اند.

در نواحی از زمین که اقلیمی معتدل تر و بارندگی بیشتری حاکم است، جوامع گیاهی بخش غالب خشکی را به خود اختصاص داده و ویژگیهای منطقه را تعیین می نمایند. در حقیقت باید این گونه عنوان نمود که تا حد زیادی، جوامع گیاهی به عنوان آنچه که ما خشکی میشناسیم، مطرح هستند. هر یک از کلمات جنگل بارانی، ساوان، درختزار، بیابان و توندرا، بخشی از  مهم ترین شاخصه این مناظر، گیاهان آنها هستند، به طوری که یک جنگل بارانی خیالی، در ذهن ما مشابه کلیسای بزرگی به رنگ سبز تیره بوده، در یک چمنزاره زمین توسط فرشی از گلهای وحشی پوشانده شده، و در یک مرتع خیالی، در درون موجی زرد رنگ از انواع گل ها قدم می زنیم که تا دوردست ها ادامه دارد.

تنها در صورتی که طرحی کلی از درختان، درختچهها و گیاهان علفی موجود در این بیوم ها (Biomesجوامع طبیعی دارای گستره وسیع که دارای گروههای مجزا و کنترل شده ای از گیاهان و جانوران هستند) داشته باشیم، می توان سایر ویژگی های موجود در چنین نواحی را (همچون أحوی کوهی، بز، خرگوش یا گرگها) را مشخص و تکمیل نمود.

چنین جوامع گیاهی وسیعی، مانند جوامع موجود در مقیاس قاردای. چگونه ایجاد می شوند؟ ما حتی قادر به ردیابی نحوه تکامل انواع مختلف گیاهان و جانوران تشکیل دهنده این جوامع هستیم این در حالی است که حتی علیرغم افزایش دانش ماه اطلاعاتی بسیار ناچیز از الگوی به مراتب پیچیده تر تکوین سیستم مشکل از موجودات زنده تشکیل دهنده این جوامع وجود دارد.

 

ynnyn

ریشه ها، ساقه ها و برگها توسط سیستم آوندی پیچیده و کارآمدی باهم در ارتباط بوده و آب و مواد غذایی را بین همدیگر انتقال می دهند. سلول های تولید مثلی گیاهان در درون ساختارهای چند سلولی محافظی احاطه شده و در گیاهان دانه دار، جنین توسط پوششی مقاوم نگهداری میشود. تمامی این ویژگیها، سازگاریهایی جهت حضور موجودات فتوسنتز کننده در خشکی هستند.

اندام ها شامل ریشه، ساقه و برگ، متشکل از بافت ها هستند که شامل گروهی از سلول ها با ساختار و عملکرد مجزا می‌باشند.

تکامل فتوسنتز کننده ها

در اوایل تاریخ تکاملی زمین، مهم ترین موجودات فتوسنتز کننده به صورت سلول های میکروسکوپی غوطه ور در زیر سطح آب های موجود در زیر نور آفتاب بوده اند.

گرچه این موجودات ذخیره انرژی بالایی داشتند، ولی به هنگام تولید مثل و تکثیر، به سرعت منابع معدنی موجود در اقیانوس را مصرف نموده و باعث کاهش شدید آن می‌شدند (همین موضوع کمبود عناصر معدنی ضروری است که امروزه نیز به عنوان فاکتوری محدود کننده مانع از موفقیت هر گونه طرحی جهت بهره برداری از دریاها می شود).

در نتیجه این محدودیت، حیات بیشتر به سمت سواحل گسترش پیدا کرد، مناطقی که غنی از نیترات ها و مواد معدنی حمل شده از نواحی کوهستانی توسط رودخانه ها و و سیلاب ها بودند که به دنبال وقوع امواج دائمی، از سواحل زدوده می شدند.

موجودات فتوسنتزی چند سلولی، در مراحل اولیه تکامل خود، به سواحل صخره ای متصل بودند. این کلبها (Durvillaea potatorum) که هنگام جزر و مد خفیف در روی صخره های موجود در حاشیه سواحل ویکتوریا و تاسمانیا واقع در استرالیا دیده می شوند، مربوط به جلبکهای قهوه ای (رده Phaeophyceae) بوده که ایجاد حالت چند سلولی در این گروه، به طور مستقل از سایر گروههای موجودات زنده تکامل پیدا کرده است.

فتوسنتز؛ تغییرات اتمسفر زمین

فتوسنتز، اتمسفر زمین را تغییر داده و این تغییر به نوبه خود بر تکامل حیات تأثیر گذاشت.

 

با افزایش تعداد موجودات فتوسنتز کننده، سیمای زمین دچار دگرگونی شد. این انقلاب زیستی به این دلیل ایجاد شد که فتوسنتز اصولا مستلزم شکافت مولکول آب (H2O) و رهاسازی اکسیژن آن به صورت مولکولهای آزاد اکسیژن (02) است. بیش از ۲.۲ میلیارد سال پیش، اکسیژن به درون اقیانوس ها و دریاچه ها آزاد شده و به واسطه واکنش با آهن محلول، منجر به رسوب اکسیدهای آهن شد. حدود 2.7 تا 2.2 میلیارد سال پیش، اکسیژن به تدریج شروع به انباشته شدن در اتمسفر نمود.

تا حدود ۷۰۰ میلیون سال پیش، میزان اکسیژن موجود در اتمسفر به طور قابل توجهی افزایش پیدا کرد و طی دوره کامبرین (۵۷۰ تا ۵۱۰ میلیون سال پیش) میزان آن به مقادیر امروزی رسید.

افزایش میزان اکسیژن، دو نتیجه مهم به دنبال داشت: اول اینکه برخی مولکولهای اکسیژن موجود در لایه خارجی اتمسفر تبدیل به مولکولهای اوزون (0) شدند. وقتی که میزان اوزون موجود در اتمسفر به یک حد مناسب رسید، اشعه های ماورای بنفش (اشته هایی به شدت مخرب برای موجودات زنده) موجود در نور خورشید که به سطح زمین می رسیدند، جذب شده و در نتیجه به سطح زمین نمی رسیدند.

موجودات اتوتروف

موجودات اتوتروف، مواد غذایی مورد نیاز خود را تولید می نمایند، ولی موجودات هتروتروف باید مواد غذایی مورد نیاز خود را از منابع خارجی کسب نمایند.

سلول هایی که نیازهای انرژی خود را با مصرف ترکیبات آلی تولید شده توسط منابع خارجی تأمین می کنند، موسوم به موجودات هتروتروف (Heterotrophs) هستند (از کلمات یونانی Heteros به معنای "دیگری" و Trophos به معنای "تغذیه کننده").

یک موجود هتروتروف برای تأمین انرژی مورد نیاز خود به منبع خارجی از ترکیبات آلی وابسته است. جانوران، قارچها  و بسیاری از موجودات تک سلولی، همچون برخی باکتری ها و آغازیان، جزو هتروتروف ها به شمار می آیند.

با افزایش تعداد موجودات هتروتروف باستانی، میزان استفاده از مولکول های پیچیده جهت تأمین انرژی نیز افزایش یافت، مولکول هایی که طی میلیونها سال در زمین انباشته شده بودند. با کاهش پیوسته مولکولهای آلی موجود در محلول آزاد (یعنی در داخل سلول نیست)، رقابت نیز آغاز شد.

با اعمال فشار ناشی از رقابت، سلول های دارای توانایی بیشتر جهت استفاده از منابع محدود انرژی، شانس بیشتری برای بقا داشتند.

طی یک دوره زمانی و به واسطه فرآیند طولانی و آهسته حذف سلول های دارای کمترین سازگاری، سلولهایی تکامل پیدا کردند که قادر به تولید انرژی از طریق مواد غیر آلی ساده بودند. چنین موجوداتی موسوم به موجودات اتوتروف خود تغذیه کنندگان هستند. بدون تکامل این گروه از موجودات، حیات در روی زمین به زودی به اتمام می رسید.

موفق ترین گروه موجودات اتوتروف، موجوداتی بودند که سیستمی جهت بهره برداری مستقیم از انرژی خورشید تعبیه کرده و فرآیند فتوسنتز را انجام میدادند (شکل ۱-۵).

موجودات فتوسنتز کننده اولیه، گرچه در مقایسه با گیاهان، دارای ساختاری ساده بودند، ولی در مقایسه با هتروتروف های اولیه ساختاری به مراتب پیچیده تر داشتند. استفاده از انرژی خورشید، نیازمند سیستم رنگیزه ای پیچیده ای جهت به دام انداختن انرژی نورانی و همچنین وجود راهکاری برای ذخیره انرژی در یک مولکول آلی بود.

شواهدی دال بر فعالیتهای موجودات فتوسنتز کننده در صخره های مربوط به 3.4 میلیارد سال پیش، یعنی در حدود ۱۰۰ میلیون سال پس از اولین شواهد فسیلی حاکی از وجود حیات در روی کره زمین به دست آمده است.

البته ما تقریبا مطمئن هستیم که هم حیات و هم موجودات فتوسنتز کننده در زمانهای قدیمی تری از آنچه شواهد پیشنهاد می کنند، ایجاد شده اند. به علاوه، به نظر می رسد که هیچ شکی وجود ندارد که هتروتروفها قبل از اتوتروفها تکامل پیدا کرده اند. با ظهور موجودات اتوتروف،جریان انرژی در بیوسفرBiosphere) ) یعنی جهان زنده و محیط پیرامونی آن به شکل امروزی آن تبدیل شد: انرژی نورانی خورشید از کانال موجودات اتوتروف فتوسنتز کننده به تمامی اشکال حیات منتقل شد.

مقدمات گیاه شناسی

"آنچه موجب حیات در روی کره زمین می شود، وقوع جریان کوچکی است که به واسطه تابش آفتاب انجام میشود. این بخشی از نوشته Albert Szent – Gyorgyi برنده جایزه نوبل است.

با بیان این جمله ساده، وی یکی از بزرگترین شگفتی های تکامل، یعنی فتوسنتز را معرفی نموده است.

طی فرآیند فتوسنتز، انرژی نورانی خورشید به دام افتاده و منجر به تولید قندها می شود که تمامی اشکال حیات بر روی کره زمین که شامل انسان نیز می شود، به این ترکیبات وابسته هستند.

همچنین طی این فرآیند، اکسیژن به عنوان ترکیب ضروری جهت بقای حیات، به عنوان یکی از فرآورده های جانبی تولید می شود.

"جریان کوچک" هنگامی آغاز می گردد که نور با برخورد به یک مولکول کلروفیل منجر به انتقال یکی از الکترونهای موجود در کلروفیل به تراز بالاتری از انرژی می شود. این الکترون "برانگیخته"، به نوبه خود، با آغاز جریانی از الکترونها نهایتا منجر به تبدیل انرژی نورانی خورشید به انرژی شیمیایی موجود در مولکولهای قندی می شود.

به عنوان مثال، برخورد نور به برگهای نیلوفر آبی که در تصویر بالا نمایش داده شده است، اولین مرحله در تولید مولکولهایی است که منجر به تشکیل گل، دانه های گرده، همچنین برگها و ساقه و تمامی اجزای مولکولی دخیل در رشد و تکوین می شوند.

انواع محدودی از موجودات زنده (گیاهان، جلبکها و آرکی باتری ها دارای کلروفیل هستند که جهت انجام فتوسنتز، ضروری است. با به دام افتادن انرژی نورانی به شکل شیمیایی، این نوع انرژی به صورت منبع انرژی قابل بهره برداری توسط تمامی انواع موجودات زنده مورد استفاده قرار می گیرد.

انسان وابستگی کاملی به فتوسنتز دارد، فرآیندی که گیاهان سازگاری ظریفی جهت انجام آن کسب نموده اند.

واژه گیاه شناسی یا "Botany" از کلمه یونانی botane به معنای "گیاه" و فعل boskein به معنای تغذیه کردن" گرفته شده است.

گیاهان تنها به عنوان منبع غذایی مطرح نبوده و بسیاری از نیازهای انسان را تأمین می نمایند.

به عنوان مثال، گیاهان در تأمین الیاف مورد نیاز جهت تولید پوشاک؛ چوب مورد نیاز در تولید مبلمان، پناهگاه یاسوخت؛ کاغذ (مثل صفحات کاغذی که در حال مطالعه این مطالب هستید)؛

تأمین ادویه جات، دارو و همچنین اکسیژن مورد نیاز جهت تنقس دخیل هستند.

انسان وابستگی کاملی به گیاهان دارد. همچنین گیاهان نقش بسزایی در احساسات انسان داشته و باغها، پارکها و پوششهای طبیعی تأثیر بسزایی در روحیات انسانها ایفاء می نمایند.

مطالعه گیاهان منجر به افزایش قابل توجهی در علم مانسبت به تمام اشکال حیات شده و یقینا در آینده نیز نتایج بیشتری به دست خواهد آمد.

همچنین با پیشرفت تکنیکهای مهندسی ژنتیک و سایر ابزارهای تکنولوژیکی جدید، وارد مهیج ترین دوره در تاریخ گیاه شناسی شده ایم، به طوری که با بهره گیری از این ابزارهای می توان گیاهان را طوری تغییر شکل داد که به عنوان مثال، در برابر بیماری پایدار شده، آفات گیاهی را از بین برده، تولید واکسن نموده، مواد پلاستیکی زیستی قابل تجزیه تولید کرده، مقاوم به خاک های با شوری بالا بوده، مقاومت بالایی در برابر یخ زدگی داشته و منجر به تولید مقادیر بالایی از ویتامین ها و مواد معدنی در گیاهانی همچون ذرت و برنج شوند.

انتظار می رود که با مطالعه این سلسله مطالب بتوانید به این پرسش ها پاسخ دهید:

1. چرا زیست شناسان بر این باورند که تمامی جانداران موجود در کره زمین دارای جدی مشترک هستند؟

 ۲- تفاوت اصلی بین موجودات هتروتروف و اتوتروف چیست؟ هر یک از این موجودات چه نقشی در مراحل اولیه کره زمین ایفا نموده اند؟

فتوسنتز چه اهمیتی طی تکامل داشته است؟

۴- برخی چالش های پیش روی گیاهان طی انتقال از محیط آبی به محیط خشکی چیست؟ برخی ساختارهای ایجاد شده در گیاهان جهت رفع این مشکلات را نام ببرید.

۵- بیوم چیست؟ گیاهان در یک اکوسیستم، چه وظایف اصلی بر عهده دارند؟

یوکاریوت

سلول یوکاریوتی

 

گیاهان - جانوران - قارچ ها و آغازیان همه دارای سلول های یوکاریوتی هستند. این سلول ها می توانند حتی هزاران بار بزرگتر از سلول های ساده ی پروکاریوتی باشند.  اصلی ترین تفاوت سلول های یوکاریوتی و پروکاریوتی در این است که سلول های یوکاریوتی دارای اندامک ها و بخش های داخل سلولی احاطه شده توسط غشا های داخل سلولی هستند که در این بخش ها فعالیت های متابولیک خاصی انجام می گیرد.  مهم ترین این اندامک ها هسته است.  هسته بخشی از سلول یوکاریوتی است که توسط دو لایه غشای پلاسمایی ( 4 لایه فسفولیپید ) پوشیده شده است و حاوی ماده ژنتیک سلول یوکاریوتی می باشد. نام یوکاریوت ها نیز که در لاتین به معنی "هسته واقعی" می باشد از همین گرفته شده است.