ท่ามกลางความร้อนแรง พืชบางชนิดเปิดรูขุมขน

การพยายามรักษาความเย็นในสภาพอากาศที่ร้อนทำให้พืชบางชนิดเสี่ยงต่อการแห้งมากขึ้น

จากการศึกษาใหม่พบว่าในคลื่นความร้อนที่ร้อนจัด พืชที่แห้งแล้งบางต้นรู้สึกได้ถึงการไหม้โดยเฉพาะ ความร้อนที่ลุกโชนจะขยายรูพรุนเล็กๆ ในใบและทำให้แห้งเร็วขึ้น พืชเหล่านี้อาจมีความเสี่ยงมากที่สุดเมื่อสภาพอากาศเปลี่ยนแปลง

ปากใบ (Stow-MAH-tuh) เป็นช่องระบายอากาศขนาดเล็กบนลำต้นและใบของพืช พวกมันดูเหมือนปากเล็กๆ ที่เปิดปิดด้วยแสงและอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลง คุณสามารถมองสิ่งเหล่านี้เป็นวิธีการหายใจและความเย็นของพืช เมื่อเปิดปากใบจะดูดคาร์บอนไดออกไซด์และหายใจออกออกซิเจน

ปากใบเปิดยังปล่อยไอน้ำออกมา มันเป็นเวอร์ชั่นของการขับเหงื่อ ที่ช่วยให้พืชเย็นตัว แต่การปล่อยไอน้ำมากเกินไปอาจทำให้พืชแห้งได้ ดังนั้นในความร้อนจัด ปากใบมักจะปิดเพื่อประหยัดน้ำ

หรืออย่างน้อย นั่นคือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์หลายคนคิด “ทุกคนพูดว่าปิดปากใบ พืชไม่ต้องการสูญเสียน้ำ พวกเขาปิดตัวลง” Renée Marchin Prokopavicius กล่าว เธอเป็นนักชีววิทยาพืชที่มหาวิทยาลัยเวสเทิร์นซิดนีย์ นั่นอยู่ในเมืองเพนริธ ประเทศออสเตรเลีย

แต่เมื่อคลื่นความร้อนและความแห้งแล้งมาปะทะกัน พืชก็ต้องเผชิญกับภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออก เมื่อขาดแคลนน้ำ ดินก็แห้งเป็นขุย ใบอบให้กรอบ ความเขียวขจีที่แผดเผาจะทำอย่างไร? วางลงและถือน้ำ? หรือปล่อยไอเพื่อพยายามทำให้ใบที่ร้อนระอุของมันเย็นลง?

ในความร้อนจัด พืชที่มีความเครียดบางชนิดเปิดปากใบอีกครั้ง การวิจัยของ Marchin แสดงให้เห็นแล้ว เป็นความพยายามอย่างยิ่งยวดที่จะเย็นลงและช่วยใบไม้จากการคั่วจนตาย แต่ในกระบวนการ น้ำจะสูญเสียเร็วขึ้น

“พวกเขาไม่ควรสูญเสียน้ำเพราะนั่นจะผลักดันพวกเขาไปสู่ความตายอย่างรวดเร็ว” Marchin กล่าว “แต่พวกเขาทำมันต่อไป ที่น่าแปลกใจและไม่ได้สันนิษฐานโดยทั่วไป” เธอและทีมงานได้อธิบายการค้นพบของพวกเขาในวารสาร Global Change Biology ฉบับเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2565

การทดลองที่แผดเผาเหงื่อออก

ทีมของ Marchin ต้องการทราบว่าพืชในออสเตรเลีย 20 สายพันธุ์จัดการกับคลื่นความร้อนและความแห้งแล้งได้อย่างไร นักวิทยาศาสตร์เริ่มต้นด้วยต้นกล้ามากกว่า 200 ต้นที่ปลูกในเรือนเพาะชำในพันธุ์พืชพื้นเมือง พวกเขาเก็บพืชไว้ในโรงเรือน ครึ่งหนึ่งของพืชได้รับการรดน้ำอย่างสม่ำเสมอ แต่เพื่อเลียนแบบความแห้งแล้ง นักวิทยาศาสตร์ยังคงกระหายน้ำอีกครึ่งหนึ่งเป็นเวลาห้าสัปดาห์

ต่อมา ส่วนที่เหนียวเหนอะหนะของงานก็เริ่มขึ้น ทีมงานของ Marchin ได้เพิ่มอุณหภูมิในเรือนกระจก ทำให้เกิดคลื่นความร้อน เป็นเวลาหกวัน พืชจะย่างที่อุณหภูมิ 40 องศาเซลเซียสขึ้นไป (104 องศาฟาเรนไฮต์)

พืชที่ได้รับน้ำดีสามารถรับมือกับคลื่นความร้อนได้ไม่ว่าจะเป็นสายพันธุ์ใดก็ตาม ส่วนใหญ่ไม่ได้รับความเสียหายจากใบไม้มากนัก พืชมีแนวโน้มที่จะปิดปากใบและจับน้ำไว้ ไม่มีใครเสียชีวิต

แต่พืชที่กระหายน้ำต้องดิ้นรนมากขึ้นภายใต้ความเครียดจากความร้อน พวกเขามีแนวโน้มที่จะจบลงด้วยใบที่กรอบและเกรียม หกใน 20 สายพันธุ์สูญเสียใบมากกว่า 10 เปอร์เซ็นต์

ในความร้อนที่โหดร้าย สามสายพันธุ์ขยายปากใบให้กว้างขึ้น ทำให้สูญเสียน้ำมากขึ้นเมื่อต้องการมากที่สุด สองในนั้น – หนองบึงและแปรงขวดสีแดง – เปิดปากใบให้กว้างกว่าปกติหกเท่า สายพันธุ์เหล่านั้นมีความเสี่ยงเป็นพิเศษ พืชสามชนิดตายเมื่อสิ้นสุดการทดลอง แม้แต่ต้นแบงค์เซียที่ยังหลงเหลืออยู่ก็สูญเสียใบโดยเฉลี่ยมากกว่าสี่ใบในทุก ๆ 10 ใบ

อนาคตของความเขียวขจีในโลกที่อบอุ่น

การศึกษานี้ก่อให้เกิด “พายุที่สมบูรณ์แบบ” ของความแห้งแล้งและความร้อนจัด มาร์ชินอธิบาย เงื่อนไขดังกล่าวน่าจะเป็นเรื่องปกติในปีต่อ ๆ ไป นั่นอาจทำให้พืชบางชนิดเสี่ยงต่อการสูญเสียใบและชีวิต

David Breshears เห็นด้วย เขาเป็นนักนิเวศวิทยาที่มหาวิทยาลัยแอริโซนาในทูซอน “เป็นการศึกษาที่น่าตื่นเต้นจริงๆ” เขากล่าว เนื่องจากคลื่นความร้อนจะเกิดบ่อยและรุนแรงขึ้นเมื่อสภาพอากาศอุ่นขึ้น ตอนนี้เขาตั้งข้อสังเกตว่า “เราไม่มีการศึกษาจำนวนมากที่บอกเราว่าจะทำอย่างไรกับพืช”

การทำการทดลองซ้ำในที่อื่นสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ทราบว่าปากใบของพืชชนิดอื่นจะตอบสนองในลักษณะนี้ด้วยหรือไม่ และถ้าเป็นเช่นนั้น Breshears กล่าวว่า “เรามีความเสี่ยงมากขึ้นที่พืชเหล่านั้นจะเสียชีวิตจากคลื่นความร้อน”

มาร์ชินสงสัยว่ามีพืชที่เปราะบางอื่นๆ อยู่ที่นั่น คลื่นความร้อนที่รุนแรงอาจคุกคามการอยู่รอดของพวกเขา แต่การวิจัยของ Marchin ยังสอนบทเรียนที่น่าประหลาดใจและมีความหวังให้เธอด้วย: พืชเป็นผู้รอดชีวิต

“เมื่อเราเริ่มต้นครั้งแรก” มาร์ชินเล่าว่า “ฉันเครียดแบบว่า ‘ทุกอย่างกำลังจะตาย’” ใบไม้สีเขียวจำนวนมากจบลงด้วยขอบสีน้ำตาลไหม้เกรียม แต่พืชที่กรอบและกระหายน้ำเกือบทั้งหมดนั้นผ่านการทดลองนี้

“จริงๆ แล้ว การฆ่าพืชเป็นเรื่องยากจริงๆ” มาร์ชินพบ “พืชสามารถไปได้สวยเกือบตลอดเวลา”

‘รอยสัก’ ใหม่อาจนำไปสู่พืชที่ทนแล้งได้

เซ็นเซอร์ที่ทำจากกราฟีนจะวัดว่าพืชดูดน้ำจากดินได้เร็วแค่ไหน

นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างเซ็นเซอร์แบบติดเทปสำหรับใบพืช มันวัดปริมาณน้ำที่พืชดื่มจากดิน ด้วยข้อมูลนี้ นักปรับปรุงพันธุ์พืชจะรู้ว่าควรเลือกบุคคลใดเป็นพ่อแม่พันธุ์สำหรับพืชที่สามารถอยู่รอดได้ในฤดูแล้งโดยการใช้น้ำให้เกิดประโยชน์สูงสุด นั่นเป็นสิ่งสำคัญเพราะในขณะที่สภาพอากาศของโลกร้อนขึ้น ช่วงเวลาของภัยแล้งที่รุนแรงนั้นคาดว่าจะกลายเป็นเรื่องปกติมากขึ้น

เหลียงดองนำทีมพัฒนาเซ็นเซอร์ใหม่ เขาทำงานที่ Iowa State University ในเอมส์ ในฐานะวิศวกรไฟฟ้า เขาออกแบบ สร้าง และวิเคราะห์ระบบไฟฟ้าเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะ

Dong เรียกเซ็นเซอร์ของเขาว่า “รอยสักของพืช” เป็นเทปใสที่ฝังด้วยการออกแบบคล้ายรอยสักที่ทำจากเกล็ดกราฟีนหลายชั้น กราฟีนเป็นแผ่นคาร์บอนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว ไม่เพียงแต่นำไฟฟ้าได้ดีเท่านั้นแต่ยังมีความแข็งแกร่งทางกลไกด้วย ซึ่งหมายความว่าจะไม่แตกหักง่าย

เมื่อคาร์บอนจับตัวกับตัวมันเองเพื่อสร้างกราฟีน แต่ละชั้นจะบางมากจนคุณมองไม่เห็นด้วยซ้ำ ลวดลายของรอยสักนั้นมองเห็นได้เพราะทำมาจากหลายชั้น

สำหรับรอยสัก สิ่งสำคัญคือต้องวางกราฟีนในรูปแบบแทนที่จะเป็นแผ่นสม่ำเสมอ บางรูปแบบนำไฟฟ้าได้ดีกว่าแบบอื่นๆ Dong ใช้สูตรทางคณิตศาสตร์เพื่อหารูปแบบที่เหมาะสมที่สุด

เมื่อติดเทปบนใบพืช รอยสักสามารถติดด้วยลวดเส้นเล็กๆ ได้ สิ่งเหล่านี้เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่และอุปกรณ์ที่สามารถวัดกระแสไฟฟ้าได้ แบตเตอรี่ส่งกระแสผ่านกราฟีน กระแสนั้นจะเปลี่ยนแปลงขึ้นอยู่กับความเร็วของน้ำที่เคลื่อนขึ้นไปบนต้นไม้ สิ่งนี้จะเผยให้เห็นว่าพืชดื่มความชื้นจากดินได้เร็วแค่ไหน

Dong และทีมของเขาอธิบายเซ็นเซอร์ของพวกเขาใน Advanced Materials Technologies ฉบับเดือนธันวาคม 2560

พวกเขาทำได้อย่างไร

ขั้นตอนแรกในการสร้างรอยสักใหม่คือการทำแม่พิมพ์จากบล็อกพลาสติก “เราทำเยื้องและช่องในบล็อกแล้วเทสารละลายกราฟีนลงไป” Dong อธิบาย

เมื่อกราฟีนแห้งเป็นเกล็ด Dong ก็ใช้เทปกาวดึงส่วนที่เกินออกจากพื้นผิวของบล็อก จากนั้นเขาก็ติดเทปที่สองแล้วกดลงไปให้แน่น เมื่อเขาดึงมันขึ้นมาอีกครั้ง กราฟีนก็ติดอยู่กับเทปแล้ว

Dong และทีมของเขาทำการทดลองกับสารประกอบต่างๆ ที่สร้างขึ้นโดยใช้กราฟีน พวกเขาตกลงบนตัวหนึ่งที่เรียกว่ากราฟีน-ออกไซด์ เป็นสารประกอบของคาร์บอนและออกซิเจนที่ไวต่อความชื้นมาก เมื่อสัมผัสกับไอน้ำ ความเร็วของประจุหรือกระแสไฟฟ้าจะเคลื่อนที่ผ่านกราฟีน-ออกไซด์จะช้าลง

นี่เป็นลักษณะที่มีประโยชน์ เมื่อพืชดูดน้ำจากดิน ไอน้ำจะหลุดออกจากรูเล็กๆ ในใบที่เรียกว่าปากใบ โดยการวัดว่ากระแสไฟฟ้าช้าลงมากเพียงใดหลังจากที่เซ็นเซอร์ติดอยู่ที่ใบพืช นักวิจัยสามารถทราบได้ว่าพืชดูดน้ำได้เร็วแค่ไหน

นักวิจัยได้ทดลองใช้เซ็นเซอร์พืชกับต้นข้าวโพด พวกเขาวัดว่าต้นข้าวโพดสองสายพันธุ์ใช้เวลานานเท่าใดในการเคลื่อนน้ำจากรากของพวกมันไปยังใบล่าง และจากนั้นไปยังใบบนของพวกมัน สำหรับพืชหนึ่งต้น โดยเฉลี่ยแล้วจะใช้เวลา 80 นาทีในการเคลื่อนย้ายน้ำจากใบที่สี่ไปยังใบที่เก้า โรงงานอื่นทำสิ่งนี้ในเวลาเพียง 28 นาที

Elizabeth Lee เป็นนักวิทยาศาสตร์พืชในแคนาดาที่มหาวิทยาลัย Guelph ในออนแทรีโอ ผู้เชี่ยวชาญด้านข้าวโพดรายนี้กล่าวว่าข้าวโพดบางพันธุ์ปิดปากใบได้เร็วกว่าพันธุ์อื่นๆ เมื่อดินแห้ง ช่วยให้พวกเขาประหยัดน้ำและอยู่รอดในฤดูแล้งได้ดีขึ้น

เซ็นเซอร์ใหม่นี้เป็น “วิธีที่ดีในการระบุได้อย่างง่ายดายว่าพันธุ์ใดดีกว่าในการอนุรักษ์น้ำ” Lee ตั้งข้อสังเกต พ่อพันธุ์แม่พันธุ์อาจต้องการมุ่งเน้นไปที่สิ่งเหล่านี้เมื่อพัฒนาพันธุ์ที่ทนแล้ง

Dong กล่าวว่าขั้นตอนต่อไปในการวิจัยของเขาคือการใช้เซ็นเซอร์เพื่อดูว่าการใช้น้ำของพืชมีผลอย่างไรต่อจำนวนฝักข้าวโพดที่ผลิตและขนาดของข้าวโพด

“เป้าหมายสูงสุดของงานของเราคือการพัฒนาพืชผลที่ทนแล้งซึ่งสามารถรับมือกับการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้” เขากล่าว

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ http-sniffer.com