Karada, denizde ve diğer sulardaki ekosistemlerde, bitkiler çevreleriyle etkileşim içinde. Hücreleri ve organları arasında olduğu gibi, türdeşleriyle de bilgi alışverişinde bulunuyorlar. Diğer organizmalar, hayvanlar ve mikroplar ile diyalog kuruyorlar. Bu karmaşık iletişim, bitkilerin yapraklarından yayılan uçucu kimyasallar aracılığıyla ve kökleriyle beraber yaşayan yeraltı mantar ağlarının bazı çözünür bileşikleri taşıması ile gerçekleşiyor.

Antik Yunan filozofu Aristo’dan itibaren bitkiler büyüyen, nefes alan ve beslenen, ancak ne duyuları ne de iletişim yetenekleri olan, sadece yemiş veren pasif varlıklardan ibaret görüldü. Bitki dünyasıyla ilgili bu algıyı geliştiren, Charles Darwin ile oğlu Francis’in çalışmaları oldu. İki İngiliz bilgin, Bitkilerde Hareketin Gücü’nde (The Power of Mouvements in Plantes-1880) bitkilerin hareket edebildiklerini ve ışığa karşı duyarlı olduklarını gösterdi. Bir dizi deney yaparak, yulaf bitkisinin büyüme yönü üzerinde ışığın etkili olduğunu ortaya koydular. Bunun için, yulaf fidesi yerleştirdikleri kapalı kutu üzerinde, ışık demetlerinin girebilmesi için birkaç delik açtılar ve bebek yaprakların üzerindeki koruyucu kılıfların ışık kaynağına doğru eğildiğini gördüler. Koruyucu kılıfın ışığa karşı olan kısmı, ışıkla temas halinde olan kısımdan daha hızlı boy atmıştı. Kılıfın uç kısmını kestiklerinde ise fide, artık ışığa yönelmiyordu. Baba-oğul Darwinler, kılıfın uç kısmında ışık sayesinde oluşan büyüme sinyalinin aşağı kısma gönderildiği sonucuna vardılar. Bitkilerin duyusal yetenekleri olduğunu ve (sonradan oksin adı verilecek bu büyüme hormonu sayesinde) kendilerini çevreleyen dünya ile etkileşime girdiklerini ispatladı.

Bitkilerin duyusal hassasiyetleri vardır

O halde bitkiler ışık, ısı, su, temas gibi dış uyaranlara hızla tepki vererek kök ve sap gibi organlarının büyüme yönünü ve fonksiyonunu değiştirme yeteneğine sahiptiler. Algı ve cevap, duyusal hassasiyeti tanımlar. Darwin’den sonra gelen bilim insanları, bitkilerin birçok ışık sinyaline (kırmızı ve mavi), fiziksel (baskı) ve kimyasal maddelere (hormonlar, toksinler, gaz bileşenler) hassas olduklarını ve bunlara uyum sağlayarak bulundukları yerde pozisyonlarını belirlediklerini doğruladılar. Bitkiler de hayvanlar gibi birçok duyuya sahipler: Görme (ışık), koklama (uçan molekülleri algılama), tat alma (eriyik içindeki kimyasal varlıkları algılama), dokunma (mekanik uyaranları algılama), özduyum (vücudun farklı oranlarının pozisyonlarını algılama). İşitme duyusu (havadaki titeşimler) ise hâlâ tartışmalı bir konu.

Bitkileri etkileyen iç ve dış uyarıcılar var. Hormonlar, besin kaynakları ve elektrik sinyalleri, iç uyaranlar. Güneş ışığının farklı dalga uzunlukları, minerallerin konsantrasyonları, fiziksel ve kimyasal ataklar ise dış uyaranlar. Bunlar duyargalar ve alıcılarla algılanıyor. Bu sonuncular bitkinin yüzeyini kaplayan hücrelerde yerleşmiştir ; hayvanlarda gözde, kulakta olduğu gibi belli organlarda konumlanmamıştır. Fotoreseptör adı verilen üç protein ailesi sayesinde, bitkiler ışığın miktarını, kalitesini, yönünü ve tekrar sıklığını ölçebilir : Fotokromlar kırmızı ışığa ve uzak kırmızı ışığa, fototropinler mavi ışığa, kriptokromlar ise mavi ve ultraviyole ışığa karşı hassastırlar. Bitki, bu fotoreseptörler sayesinde, günlük ışık miktarına ve mevsimlere göre büyümesini ve işlevini düzenleyebilir.

Bitkiler iletişim kurar

Biyologlara göre bir canlı ışık, kimyasal içerik, elektrik sinyali gibi bilgi taşıyan uyarıları algıladığı andan itibaren davranışını, pozisyonunu değiştirir ve çevresindeki yeni koşullara, aldığı bilgilere göre uyum sağlar. Bu iletişim sinyalin yayınlanması, taşınması, alınması, işlenmesi ve uyum sağlayarak tepki vermeyi içerir. Bu tanıma göre, bitkiler etraflarını çevreleyen diğer bitkilerle iletişim kurabilirler. Örneğin, bir böcek zarar verdiği sırada bitkinin yaprağı etilen salgılar. Yayılan bu gazı, komşu yapraklar yapılarında bulunan bir protein alıcı ile algılar. Etilen ile etilen algılayıcı arasındaki bu iletişim, peşi sıra gelecek strese dayanabilmek için bir dizi biyokimyasal işlemi başlatır. O halde bitkiler duyumsayabilir, yani dış değişimleri -havadaki ve bulundukları zemindeki- algılarlar ve tepki verirler.

Peki bitkiler kendileri için tehdit oluşturan, çok sayıdaki dış sinyali nasıl algılıyor? Bu sinyalleri, elektrik ve kimyasal uyarı kanallarıyla nasıl alıyor ve yorumluyorlar? Bitkilerin hücre, doku ve organları çevresel sinyalleri nasıl cevaplıyor? Nasıl uyum sağlıyorlar? Bugün bütün sorulara cevap veremesek de, cevabı oluşturacak unsurlara sahibiz. Geniş bir bilimsel topluluk, birçok saldırı ve strese maruz kalan bitkilerin davranışları ile ilgililer: Bitkiler arası rekabet, besin yetersizliği, kuraklık veya aşırı su, termik şok, parazit saldırıları ve hayvanların otlaması. Bitkiler arasında verilen karşılıklı mesajların doğası, tıpkı mesaj yolları gibi çok çeşitli ve insanların sözlü iletişimi ya da hayvanların iletişim biçimi ile karıştırılmamalı. Eğer dili, düşünceyi ifade etme ve bir işaret sisteminin (dokunsal, işitsel, ses, beden dili vb.) iletişim aracı olarak görürsek, bitkilerin dili gerçekten de görme, koku alma, dokunma, kimyasal ve elektriksel işaretler aracılığı ile iletişim kurma kapasitesi olmakla kalır. Mevcut bilgileri temel aldıklarında, bilim insanları bitkilerin olası bir düşünceyi, dokunsal, işitsel, ses, beden dili gibi işaret araçları ile açıklama yetenekleri olmadığını kabul ediyor. Entler gibi konuşan ağaçlar, ancak yazar J.R.R. Tolkien’in yarattığı Orta Dünya’da karşılaşabileceğimiz kurgusal varlıklar.

Hayvanların aksine, bitkilerin merkezi sinir sistemi yoktur; ne beyne sahiptirler ne de sinir ağına. Buna karşılık, bitkilerin tüm organlarına su taşıyan damar ağı, karmaşık bir dolaşım sistemi oluşturur ve inanılmaz derecede etkilidir. Sadece özsuyundaki mineral ve besinlerin değil, aynı zamanda potansiyel besin kaynakları ve çevreden gelen diğer binlerce bilgiyi içeren farklı kimyasal sinyallerin de (hormonlar, aminoasitler, iletişim proteinleri ve küçük RNA) bitkinin farklı bölümlerine (köklerine, saplarına, yapraklarına) taşınmasını temin eder.

Fiziksel ve kimyasal sinyaller

Orman ve çayır bitkileri, yüzlerce farklı türün birlikteliğine şekil verir ve çoğunlukla optimal büyüme için ihtiyaçları olan kaynakları sağlamak üzere rekabet içindedirler. Bu bitkisel topluluk içinde, bir bitki bir yandan komşularının varlığını, diğer yandan kendi varlığını algılamak ve su, mineral, ışık gibi besin ve alan rekabetinden kaçınmak için ortama uyum sağlamak durumundadır. Güneş ışığını alan yapraklar, klorofil bakımından, güneş enerjisini alan pigmentlerden yana zengindirler. Fotosentez sayesinde pigmentler karbondioksit, hava ve sudan şeker sentezlemek için kullanılır. Kökler, yerdeki besleyici elemanları tespit etmek ve emmek üzere birçok dala ayrılır. Bu durumda, aynı zamanda rakipleri olan türdeşlerinin varlığını algılamak, ölüm kalım meselesi haline gelir. Bir buğday tarlasında veya ormanda, bütün bitkilerin diyalog içinde olması gereklidir. Çünkü bilgi taşıyan tek bir güçlü sinyal akımı bile, bitkisel topluluğun koordinasyonunu sağlayabilir.

Bitkiler, bizim, bir dizi fotoreseptör ve fotokrom pigmentin devreye girdiği görme duyumuzunkine yakın bir mekanizmayla ışığı algılar. Bunlar, bitkinin bütün canlı hücrelerinde bulunurlar ve uzak kırmızı ışık ile çok yakın kızılötesi ışınlar tarafından devre dışı bırakılsalar da açık kırmızı ışıkla aktif hale gelirler. Bitkiyi aydınlatan ışıktaki bu iki spektral bandın nispi oranı, bitkinin etrafındaki nesnelerin varlığına bağlı olarak değişir. Örneğin uzak kırmızı ışık, bir ağaç kabuğu tarafından değil, yapraklar tarafından yansıtılır. Böylece, bir bitki, fotokromları aracılığıyla ışık ortamının kalitesini çok hassas bir şekilde ölçerek komşu bitkinin varlığını, o komşunun gölgesinde kalmadan bile algılar. Işıktan yararlanmaya devam etmek ve büyümesini sürdürmek için ondan uzaklaşarak ortama uyum sağlar.

Bitkinin kök, sap ve yaprakları gibi farklı organları arasındaki haberleşme, hormonların da dahil olduğu iç sinyaller tarafından düzenlenir. Hormonlar, iç ve dış mesajların uyumlanmasında ve köklerle yapraklar arasındaki uyumlanma mesajlarını düzenlemede birincil rol oynar. Bu, çayır bitkilerinden ormanlara, bütün bitkilerde gerçekleşen bir fenomendir. Oksinler gibi büyümede rol oynayan bazı bitkisel hormonların varlığı, bir asırdan uzun zamandır biliniyor. Bu oksinler, bitkinin ilk yaşam evrelerinden itibaren devrededir. Embriyogenezi, kök ve sapların büyüme bölgelerindeki dip hücrelerin aktivitesini, kök ve dalların kollara ayrılmasını ve gelişmesini kontrol eder.

Yerçekiminin ağırlığını algılamada kökün rolünü ortaya koyan da yine Charles Darwin’dir. Yerçekiminin algılanması, bitkinin kök ve saplarının uçlarında yer alan özel hücreler sayesinde gerçekleşir. Bu yerçekimi algısı, köklerin veya gövdelerin uçlarında bulunan özel hücrelerin statositlerindeki nişasta tanelerinin tortulaşması ile meydana gelir. Bunlar, yerçekimi ağırlığının etkisiyle çökelen, otolit ismindeki küçük kalker çakıllarıdır. Buna karşılık, etilen ve metil jasmonat gibi gaz formunda yayılan diğer hormonların çalışma mekanizması tam olarak aydınlatılamamıştır. Bitkiler ile beraberindeki böcekler ve mikroplar arasındaki iletişimde birçok uçucu molekül rol oynar. Bitkilerin çevrelerinden gelen sinyallere hızlı, düzenli ve uyumlu cevap vermelerine imkân veren hormonal etkileşimi, araştırmacılar yavaş yavaş çözümlemekte. Hormonların oranı ve doğası kök, yaprak, dal gibi organlar tarafından ışık, yer çekimi, kuraklık, ısı, tahriş gibi algılanan sinyallerle belirlenir. Bütün bitkiler, konumlarını ve gelişmelerini çevresel uyaranlar bütününe göre bu süreç sayesinde belirler ve kontrol eder: Işık, yer çekimi, rüzgâr, kuraklık, besin düzeyi. Günümüzde, bitkisel hücrenin sinyal ve hormonlara cevap verdiği bu çoklu etkileşimi moleküler düzeyde anlamak için, matametik modeller ve bilişim simülasyonları geliştiriliyor.

O halde çok sayıda kimyasal sinyal, bitkilere gelişmelerini ve iç fonksiyonlarını düzenleme ve uyumlama fırsatı verir. Onlarca metrelik yüz yıllık meşe ağacında, en tepedeki yapraklar, özsuyunun dolaşımı sayesinde bilgi taşıyan kimyasal maddeleri ağacın küçük kökleriyle sürekli değiş tokuş ederler. Bu küçük kökler, toprağın çatlaklarını izleyerek, büyümeleri için kaçınılmaz olan mineral içerikleri keşfeder. Fotohormonların yanı sıra şeker, amino asit ve küçük sinyal proteinlerinin farklılıkları, böylece ağacı oluşturan milyarlarca hücrenin entegrasyonundan ve koordinasyonundan sorumlu iç iletişimi sağlar.

Mikrizyen ağ bitkileri birbirine bağlar

Bitkilerin küçük kökleri amanita, sep, şantarel ve glomeromset gibi bazı toprak mantarlarının iplikçikleri tarafından kaplanır. Kökçükler ve iplikçiklerin mikoriz adını alan (eski Yunanca’da myco mantar, rhiza kök anlamında) bu sembiyoz yaşamı, yaşadığımız gezegendeki en önemli biyolojik olaylardan biridir. Yüzeyin birkaç santimetre altında, çok sayıda mantar, ağaçlar ve ağaç altı bitkileri ile birlikte, mineralden fakir toprakta gelişmelerini sağlayan sembiyotik bir birliktelik oluştururlar. Mantar iplikçiklerinin çoğalması önemli olabilir, bir metre kök başına bin metreden fazla iplikçik düşer. Aynı şekilde mantarlı köklerin emme kapasitesi, yer altındaki bu ağ sayesinde katlanır. Mantar iplikçikleri tarafından toprak çözeltisinden çekilen ve köklere taşınan nitrat, fosfat, potasyum ve oligo-elemanlardan oluşan mineral akımı, giderek artar. Bu sembiyoz yaşam, ev sahibi bitkinin gelişmesini tetikler.

Ormanların çoğunda bu ortaklık çam, köknar, meşe, gürgen gibi birçok ağaç türü ve farklı mantar türleri için geçerlidir. Yer altındaki bu ortaklık, ondan fazla mantar cinsi ile bir ağaç ve onun komşu ağaçları arasında bir örtü dokur. Kanada’da, Colombie-Britannique Üniversitesi’nde Daniel Durall ve Suzanne Simard’ın ekibi, dikkat çekici bir deney ile Douglas köknar ağaçlarından oluşan bir ormanda bulunan rizopogon isimli sembiyotik bir mantarın on üç kolundan her birinin, en az yirmi komşu ağaçla ilişkiler kurduğunu gösterdi. Aynı ormanın ağaçlarını birbirine bağlayan bu yeraltı ağı, hem besin yönünden zengin bölgelerde hem de daha fakir topraklarda yetişen ağaçlar arasındaki mineral, şeker ve amino asit hareketini kolaylaştırıyor. Bu yeraltı ağı, hormon ve protein uyarısı gibi iletişim sinyallerinin taşınmasını sağlıyor ve hatta farklı türde bitkileri de kapsıyor gibi görünüyor.

Paris Ulusal Doğa Tarihi Müzesi’nden Prof. Marc-André Selosse’nin ekibinin deneyleri ise şunu ortaya koyuyor: Epipactis veya limodores gibi çeşitli orkide türleri, kısmen şeker eriyikleri ile besleniyor ve bu eriyik, bu orkide türlerini komşu kayın ve ladinlere bağlayan mantar iplikçik ağı tarafından sağlanıyor. Böylece ormanın gölgesine uyum sağlar ve aynı sembiyotik mantarları paylaştıklarından, bir yeraltı mikorizal ağı sayesinde komşu ağaçlardan karbonlu bileşikleri geri kazanarak fotosentetik beslenmelerini tamamlarlar. Ayrıca, klorofili olmayan orkideler, meselâ kuş yuvası gibi, tamamen mikorizal ağlar oluşturan mantarlarla beslenirler. Mikorizal ağ, bu bitkilere çok az ışık alan, girilemez ormanlardaki ağaç altlarında bile yaşama şansı verir.

Mantar ağıyla birbirine bağlı bitkiler, uyarı sinyallerini paylaşırlar. Gerçekten de, laboratuarda gerçekleştirilen deneylere göre, hastalıklı bir mantarın veya otçul bir böceğin zarar verdiği bir domates bitkisi, kendi yapraklarında ortaya çıkan savunma tepkilerinin benzerini komşu domateslerde de uyandırma yeteneğine sahip görünüyor. Bununla beraber, ilgili sinyallerin doğası ve mikorizal ağlardan geçme biçimleri bu bitkilerin köklerini birbirine bağlar. O halde, bu mantar yapıların içinde ya da yüzeyinde dolaşan veya nüfuz eden bir ya da daha fazla molekül mü söz konusu? Elektrik sinyallerinin yer altı mantar lifleri boyunca yayılmasından bile söz edilmekte.

Her şeye rağmen, ilgili biyokimyasal ve moleküler mekanizmalar hakkında henüz hiçbir şey bilmiyoruz. Mikorizal ağlar, bitki topluluklarında savunmaların koordinasyonunu sağlayabilir. Bununla birlikte, deneylerin ortaya koydukları henüz az olduğundan ve deneyler çok basitleştirilmiş sistemlerde gerçekleştirildiğinden, temkinli olmak gerekir.

Francis Martin, Ulusal Tarım Araştırmaları Enstitüsü (INRAE), Ağaç Mükemmelleştirme Laboratuarı Direktörü

Elephant Dergisi, Ağustos 2021

Fransızcadan çeviren: Perihan Özcan Chocardelle