يمكن لبعض النباتات أن تقصر الآثار السامة للمعادن – يحاول العلماء الآن تسخير قوتهم

للوهلة الأولى ، من الصعب أن نرى ما هو مشترك بين الذهب والحديد والرصاص والزرنيخ والفضة والبلاتين والقصدير. إن إلقاء نظرة على الجدول الدوري سيوضح الالتباس: فجميعها معادن ثقيلة ، تُصنف عادةً على أنها معادن ذات وزن وكثافة ذرية أكبر بخمس مرات على الأقل من الماء.

توجد هذه المعادن الثقيلة وغيرها بشكل طبيعي في البيئة ، وفي بعض الحالات ، في أجسامنا. تعتبر في الغالب غير ضارة ولكن عند مستويات معينة من التعرض يمكن أن تكون سامة لحياة الإنسان والنبات والحيوان. يمكن أن يؤدي التعرض المفرط للمعادن الثقيلة إلى إعاقة نمو النباتات وتقليل إنتاج البذور.

طورت بعض النباتات سمات تزيد من تحملها للمعادن الثقيلة. يعتقد العديد من الباحثين ، ومن بينهم ، أن فهم وتسخير هذه السمات التطورية قد يسمح لنا بحماية المحاصيل الزراعية من الآثار السيئة لسمية المعادن الثقيلة.

يركز بحثي على تحسين تحمل النباتات للمعادن الثقيلة ، وهو أمر مهم بشكل خاص في بلد مثل جنوب إفريقيا ، حيث تلوث أنشطة التعدين التربة. هذه التربة ضرورية للزراعة.

حتى النباتات في نفس العائلة تستخدم استراتيجيات مختلفة للتعامل مع المعادن. والبعض يأخذ المعادن من جذورها وينقلها إلى أوراقها. يأخذ البعض الآخر المعادن ويثبتها (ثابتة) في جذورها. هذا مهم للأمن الغذائي وسلامة الغذاء لأننا نريد نباتات يمكنها الحد من امتصاص المعادن في أجزائها الصالحة للأكل. ومع ذلك ، كما أوضحت أنا وزملائي في ورقة مراجعة حديثة ، ليس من السهل تسخير هذه الاستراتيجيات.

التعرض والمخاطر

يحدث إجهاد المعادن الثقيلة أو السمية في النباتات عندما تتعرض للمعادن الثقيلة في التربة.

عادة ما يكون هذا التعرض نتيجة للنفايات والملوثات من الأنشطة البشرية مثل الزراعة والتعدين والصناعة. في جنوب إفريقيا ، كان التعدين السبب الرئيسي للتلوث بالمعادن الثقيلة.

هذا يمنع نمو النباتات أو قدرتها على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة أساسية من خلال عملية التمثيل الضوئي. أو قد يؤثر على كيفية استيعابهم للمغذيات ، أو كيفية استجابتهم للجفاف أو مسببات الأمراض الضارة.

هذا له آثار على إنتاج المحاصيل الغذائية. وجدت الدراسات حول العالم أن سمية المعادن الثقيلة يمكن أن تقلل من غلة المحاصيل وكذلك جودتها. يمكن أن تتأثر النباتات الطبية أيضًا بالمعادن الثقيلة.

كيف النباتات تفعل ذلك

طورت النباتات بعض الآليات لدرء تأثيرات المعادن الثقيلة. قمت بدراسة واحدة من هذه: آليات الإشارات التي تستخدمها النباتات للتحكم في امتصاص المعادن الثقيلة – استجابتها “المناعية” للمعادن الثقيلة.

وبنفس الطريقة التي يتم بها تنبيه جهاز المناعة البشري إلى العوامل الممرضة والاستجابة لها ، طورت النباتات آليات إشارات تساعدها على تنظيم تحملها للمعادن الثقيلة.

آليات التأشير هذه مثيرة للإعجاب. على سبيل المثال ، يمكن للنباتات أن تطلق أحداث إشارات لإطلاق روابط منخفضة الوزن الجزيئي (أيونات أو جزيئات) ترتبط بإحكام بالمعادن الثقيلة وتمنعها من الانتقال من الجذور.

لكنهم بعيدون عن الكمال. كما أظهرت فيروسات بشرية مثل HIV و SARS-CoV-2 (الفيروس التاجي وراء COVID-19) ، يمكن لبعض مسببات الأمراض أن تقصر جهاز المناعة. يمكن للمعادن الثقيلة أن تفعل الشيء نفسه مع آليات إشارات النبات من خلال محاكاة العناصر الغذائية الأساسية ؛ على سبيل المثال ، معدن الفاناديوم يشبه الفوسفات.

كما ثبت أن المعادن الثقيلة مثل النحاس تلحق الضرر بسلامة غشاء جدران الخلايا في جذور النباتات. وبالمثل ، يمكن للمعادن الثقيلة أن تعطل بناء جدران الخلايا هذه ؛ ضعف الجدران يجعل الخلية تفقد سلامتها الهيكلية ، مما يعرض الأغشية الخلوية ويؤدي إلى موت الخلايا.

يمكن أن تضعف المعادن الثقيلة أيضًا من عمل غشاء البلازما ، الذي ينظم نقل المواد داخل وخارج الخلايا النباتية. هذا يمنع امتصاص العناصر الغذائية الأساسية عن طريق إبطال وظيفة العديد من البروتينات الناقلة في أغشية البلازما.

دروس مفيدة

على الرغم من عيوبها ، فإن آليات الإشارات هذه قوية. لهذا السبب قمت بدراستها: إذا تمكنا من الاستفادة من الطريقة التي تتكيف بها النباتات مع التهديدات من المعادن الثقيلة ، فهناك فرصة لتجديد شباب التربة الملوثة بالمعادن الثقيلة من خلال استخدام النباتات المناسبة ، أو أن هذا التحمل يمكن أن يكون تنتقل إلى النباتات الأخرى ، بما في ذلك المحاصيل الغذائية.

إن عملنا المستمر وعمل الآخرين واعد ، لكنه لا يزال في بدايته. ربما في يوم ما قريبًا ، ستشير التكيفات الذكية للنباتات إلى تغيير في كيفية تعاملنا مع سمية المعادن الثقيلة.