איך צמחים יודעים מתי לעשות פוטוסינתזה ובאיזו שעה ביום לפתוח את הפרחים? הכירו את השעון הביולוגי של העצים, העשבים וכל מה שצומח

צמחים, בדומה ליצורים חיים נוספים על פני כדור הארץ, יודעים לזהות באיזה שלב של היום הם נמצאים. היכולת הזאת מתאפשרת תודות למנגנון פנימי שנקרא שעון ביולוגי או "שעון צירקדי". בעלי חיים, צמחים ואפילו חיידקים משתמשים במנגנון זה להערכת זמן ולצורך תכנון והוצאה לפועל של תהליכים פיזיולוגיים והתפתחותיים שנחוצים להם באופן קבוע ומחזורי. בזכות תחושת הזמן הפנימית זאת הם מסוגלים לעקוב אחר הזמן ולהיעזר ברמזים מהסביבה הטבעית כדי להסתגל לשינויים.

השעונים הביולוגיים נעזרים בכלים חיצוניים ומכוונים את עצמם באמצעותם. הכלי הבסיסי ביותר שמאפשר לשעון הזה לפעול הוא התנועה הסיבובית של כדור הארץ, שחושפת אותנו לשטף של גורמים קבועים כמו אור, חושך וטמפרטורה. הגורמים האלה מחזוריים ולכן חוזרים על עצמם בתבנית קבועה שאפשר לחזות. השעון הביולוגי נעזר בסימנים מגוונים כדי לווסת את שעות העֵרוּת והשינה של היצור החי ואף לקבוע מתי יבצע פעולות מסוימות.

הסרטון הופק במסגרת TEDed

עבור צמחים, הסימנים העיקריים שמניעים פעולות שבאות לידי ביטוי ברמה המולקולרית של הצמח הם אור וטמפרטורה. תאי הגבעול, העלה והפרח מכילים חומרים בשם "פיטוכרומים", שמורכבים מחלבונים ומחומרים רגישים לאור. כשהם מזהים אור הם מתחילים שרשרת של תגובות כימיות שמעבירות את המסר לגרעין שבתאים.

בתא יש גם חלבונים שנקשרים לרצפי דנ"א שעל הגרעין וגורמים לגנים לעבור תרגום ולבוא לידי ביטוי. השילוב של הפיטוכרומים עם החלבונים שבגרעין מאפשר את ייצור חלבונים הדרושים לביצוע תהליכים התלויים באור, כמו הפוטוסינתזה – תהליך ההמרה של אנרגיית אור למזון בצמח.

הפיטוכרומים חשים לא רק את כמות האור שהצמח מקבל אלא גם שינויים קלים בפיזור אורכי הגל שהצמח קולט. יכולת הכוונון הזאת מאפשרת לצמח לפענח זמן, כולל הבדלים בין אמצע היום לערב ואפילו את המקום שבו הוא נמצא: האם הצמח חשוף לאור שמש ישיר או שהוא נמצא בצל. כך יכול הצמח להתאים את התגובות הכימיות שלו לסביבתו.

התהליך בפועל
איך זה בא לידי ביטוי? שעות ספורות לפני זריחת השמש הצמחים כבר מתחילים להיות פעילים ויוצרים נגזרות של דנ"א שדרושות להם לפוטוסינתזה. כשהפיטוכרומים שלהם חשים שאור השמש מתחזק, הצמח מכין את המולקולות שלוכדות את האור וכך מתחיל תהליך הפוטוסינזה, שנחוץ לגדילת הצמח.

התהליך הזה מורכב מכמה שלבים שכוללים תגובה של מים עם פחמן דו-חמצני (CO2) ליצירת סוכרים שמזינים את הצמח. החלק הראשון של התגובה תלוי בנוכחות של אנרגיית אור.לאחר שהצמח ניצל את אור השמש בבוקר, הוא ישתמש בתוצרי עבודתו לצורך חלקי הריאקציה האחרים שאינם תלויים באור (כלומר מתקיימים גם באור וגם ב"משמרת השניה" , בחלקי היום האחרים). תוצרי השלבים האלה הם שרשראות ארוכות של אנרגיה בצורת סוכרים שמהם מפיק הצמח אנרגיה. נוסף על מולקולות הסוכר נפלטים בתגובה הזאת גם מים וחמצן.

כשהשמש שוקעת ויום העבודה מסתיים, הצמח שלנו עובר למשמרת שנייה. בשעות החושך הוא מתמקד בעבודת חילוף החומרים (מטבוליזם) והגדילה, על ידי שימוש באותן יחידות אנרגיה שהרכיב בעצמו בשעות האור.

מדהים לגלות שנוסף על תחושת הזמן צמחים מסוגלים לחוש גם את חילופי העונות. עם בוא האביב הפיטוכרומים מזהים שהיום מתארך והאור מתחזק. המדע לא פענח עדיין במלואו את המנגנון הזה, שבו הצמח מזהה את שינויי הטמפרטורה וכך יודע מתי לגרום לפרחים שלו להיפתח.

כך השעון הביולוגי משמש חוט מקשר בין הצמחים לסביבתם. בכדור הארץ,שהמחזוריות בו קבועה, השעון הביולוגי מאפשר לצמח להיצמד ללוחות הזמנים שלו ולעמוד בהם.

גם בעלי החיים משתמשים בשעון הביולוגי, שמבוסס על שינויים לאורך שעות היממה – למשל שעות הערות והשינה שלנו, שבאות לידי ביטוי בעזרת מאזן הורמונלי גמיש. בנוסף יש שעונים שמבוססים על מקצבים שונים משעות היממה, כמו עונות הנדידה של הציפורים.