การตอบสนองของพืชต่อสิ่งแวดล้อม

การตอบสนองของพืชต่อสิ่งแวดล้อม

             จากที่กล่าวมาแล้วเป็นการตอบสนองของพืชต่อสิ่งแวดล้อมภายใน นอกจากนี้พืชยังสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของปัจจัยสิ่งแวดล้อมภายนอก ต่างๆ ได้ สิ่งแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงไปและกระตุ้นให้พืชตอบสนองนี้ เรียกว่า
สิ่งเร้า โดยทั่วไปปัจจัยกระตุ้นจะชักนำให้กระบวนการในพืชดำเนินไป แม้ว่าปัจจัยกระตุ้นนั้นอาจไม่อยู่ในสภาพเริ่มต้น หรือหมดไปแล้ว เช่น ปลายยอดจะเจริญโค้งเข้าหาแสงแม้ว่าแสงที่กระตุ้นในช่วงแรกนั้นจะไม่มีแล้ว

             การตอบสนองของพืชต่อการเปลี่ยนแปลงของปัจจัยภายนอกจะ มีกระบวนการเช่นเดียวกับกระบวนการสื่อสารระหว่างเซลล์ที่นักเรียนทราบมาแล้ว ดังนี้

             การรับสัญญาณ คือ การที่พืชหรือส่วนของพืชรับสัญญาณการเปลี่ยนแปลงของปัจจัยภายใน และปัจจัยภายนอกที่มากระตุ้น เช่น กลไกการรับแสงของสารสีในกระบวนการตอบสนองต่อทิศทางของแสง เป็นต้น
             การส่งสัญญาณ คือ การที่กลไกรับสัญญาณในพืชส่งสัญญาณที่รับได้ไปให้เซลล์ในส่วนของพืชที่ตอบ สนองต่อปัจจัยกระตุ้นนั้น ในช่วงศตวรรษนี้นักวิจัยได้พยายามศึกษาลักษณะของสัญญาณที่ส่งไป ซึ่งรวมทั้งกระแสไฟฟ้า และสารเคมีต่างๆ เช่น ฮอร์โมนพืช เป็นต้น 
             การตอบสนองของพืช คือ การเปลี่ยนแปลงส่วนต่างๆ ของพืชที่ทำให้เกิดการตอบสนองต่อปัจจัยกระตุ้น

             พืชตอบสนองต่อปัจจัยกระตุ้นในหลายรูปแบบ ซึ่งรวมทั้งการตอบสนองทางชีวเคมี สรีรวิทยา สัณฐานวิทยา เป็นต้น แต่การตอบสนองที่สามารถสังเกตได้ง่ายที่สุดคือ การเคลื่อนไหว

             นักเรียนจะศึกษาตัวอย่างของการเคลื่อนไหวของพืชที่เป็นการตอบสนองต่อปัจจัย กระตุ้นได้จากกิจกรรมดังต่อไปนี้

กิจกรรมที่ 15.2 การตอบสนองต่อแรงโน้มถ่วง
อุปกรณ์
             1. เมล็ดถั่วดำ  หรือถั่วแดง
             2. กล่องพลาสติกใส
             3. กระดาษเยื่อ และกระดาษลูกฟูก
             4. เข็มหมุด
             5. พลาสติกสีดำ

วิธีการทดลอง
             1. นำเมล็ดถั่วดำ หรือเมล็ดถั่วแดงขนาดใหญ่แช่น้ำหนึ่งคืนแล้วเลือกเมล็ดที่กำลังงอกที่มีขนาด เท่ากันจำนวน 6 เมล็ด
             2. เตรียมกล่องพลาสติกใส แล้วนำกระดาษเยื่อวางในกล่องพลาสติกพรมน้ำพอชื้นแล้วปูด้วยกระดาษลูกฟูกให้ ความยาวของกระดาษลูกฟูกเท่ากับความยาวของกล่องพลาสติก ส่วนด้านกว้าง น้อยกว่าความกว้างกล่องพลาสติก 0.5 cm
             3. ใช้เข็มหมุดตรึงเมล็ดถั่วกับกระดาษลูกฟูกที่อยู่ในกล่องให้อยู่กับที่ใน ตำแหน่งต่างๆกัน ปิดฝากล่องและตะแคงกล่องลงดังภาพ

ภาพการตรึงเมล็ด ถั่วในทิศทางต่างๆกัน

             4. นำพลาสติกสีดำมาคลุมกล่องพลาสติก หรือนำไปเก็บไว้ในที่มืด
             5. สังเกตการณ์เจริญของต้นกล้าทุกๆ วันเป็นเวลา 3 วัน วาดภาพทุกครั้งที่สังเกต

             • การทดลองนี้มีสมมติฐานว่าอย่างไร
             • ตัวแปรต้น ตัวแปรตาม และตัวแปรที่ต้องควบคุมของการทดลองนี้คืออะไร
             • นักเรียนจะอธิบาย และสรุปผลการทดลองนี้ว่าอย่างไร
             • ในการทดลองถ้าไม่ใช้พลาสติกดำมาคลุมกล่อง ผลการทดลองจะเหมือนกันหรือไม่

             จากการทดลองนักเรียนคงเห็นว่าการเจริญเติบโตของพืชสามารถตอบสนองต่อแรงโน้ม ถ่วงของโลกโดยรากพืชจะเจริญเข้าหาแรงโน้มถ่วงของโลก (positive gravitropism) ส่วนยอดพืชจะเจริญในทิศทางตรงข้ามกับแรงโน้มถ่วงของโลก (negative gravitropism) 

ภาพที่ 15-10 ต้นถั่วเขียวเจริญเข้าหาแสง

การ เคลื่อนไหวของพืชชั้นสูง สามารถแบ่งลักษณะการตอบสนองต่อปัจจัยกระตุ้นได้เป็นสองกลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่

1.ทรอปิกมูฟเมนต์ (tropic movement) เป็นการเคลื่อนไหวของพืชที่เกิดจากการเจริญเติบโตอย่างมีทิศทาง โดยทิศทางของการเคลื่อนไหวของพืชถูกกำหนดโดยทิศทางของปัจจัยภายนอกที่มา กระตุ้น เช่น การตอบสนองต่อแรงโมถ่วงของโลก (gravitropism) การตอบสนองต่อทิศทางของแสง ในกรณีที่พืชเคลื่อนไหวเข้าหาปัจจัยกระตุ้นจะเรียกว่า เนกะทิฟโทรพิซึม (negative tropism) 

             การตอบสนองต่อการสัมผัสสิ่งเร้า (thigmotropism) เช่น การเจริญของมือเกาะของตำลึง กะทกรก หรือพืชตระกูลแตง เมื่อสัมผัสกับสิ่งเร้า การตอบสนองต่อความชื้นจากน้ำ (hydrotropism) เช่น การงอกเข้าหาน้ำของราก (positive hydrotropism) การตอบสนองต่อเคมี (chemotropism) เช่น การงอกของหลอดเรณูไปยังรังไข่ของพืชดอกเพื่อเข้าหาสารเคมีที่เป็นสิ่งเร้า

2. แนสติกมูฟเมนต์ (nastic movement) เป็นการตอบสนองของพืชที่ทิศทางของการเคลื่อนไหวของพืชไม่ถูกกำหนด โดยทิศทางของปัจจัยภายนอกที่มากระตุ้น เช่น การหุบและการบานของดอกเป็นต้น ปัจจัยภายนอกที่สำคัญ ได้แก่ แสงและอุณหภูมิ และกลไกการตอบสนองของพืชอาจเกิดได้จากการเจริญเติบโตที่แตกต่างกันของส่วน ต่างๆ หรืออาจเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความเต่งของเซลล์พิเศษ

ภาพที่ 15-11 การเคลื่อนไหวของดอกบัวบางชนิดที่ไม่สัมพันธ์กับทิศทางของสิ่งเร้า
ก. การบานของดอกบัวในเวลากลางวัน ข. การหุบของดอกบัวในเวลากลางคืน

             การหุบของดอกบัวในตอนกลางคืนและบานในเวลากลางวันหรือการหุบของดอกกระบอกเพชร ในเวลากลางวัน และบานในเวลากลางคืนเพราะเป็นการตอบสนองต่อแสงซึ่งเป็นสิ่งเร้า การที่ดอกไม้หุบหรือบานได้นั้น เนื่องจากกลุ่มเซลล์ด้านนอก และด้านในของกลีบดอกมีการขยายขนาดได้ไม่เท่ากัน การบานของดอกไม้เกิดจากกลุ่มเซลล์ด้านในของกลีบดอกขยายขนาดมากกว่าด้านนอก และดอกไม้จะหุบเมื่อกลุ่มเซลล์ด้านนอกของกลีบดอกขยายขนาดมากกว่าด้านใน

ภาพที่ 15-12 การบานของดอกไม้

             นอกจากนี้พืชยังมีการตอบสนองต่ออุณหภูมิของอากาศได้ เช่น ดอกมะลิ จะบานเมื่ออากาศอุ่น จะหุบเมื่ออากาศเย็น   
  
             พืชบางชนิดสามารถตอบสนองต่อการสัมผัสได้เร็ว โดยการสัมผัสจะไปทำให้มีการเปลี่ยนแปลงแรงดันเต่งภายในเซลล์ซึ่งเป็นไปอย่าง รวดเร็วแต่ไม่ถาวร เช่น ใบของต้นไมยราบแตะเพียงเบาๆ ใบจะหุบเข้าหากันอย่างรวดเร็ว

ภาพที่ 15-13 พัลไวนัสที่โคนก้านใบ

             เมื่อนำโคนก้านใบของไมยราบมาศึกษา พบว่า ที่โคนก้านใบมีลักษณะพองออกเป็นกระเปาะเรียกว่า พัลไวนัส (pulvinus) ประกอบด้วยกลุ่มเซลล์ที่มีขนาดใหญ่ผนังบางมีความไวสูงต่อสิ่งเร้าที่มา กระตุ้น เช่น การสัมผัส การกระตุ้นดังกล่าวจะมีผลทำให้แรงดันเต่งของเซลล์กลุ่มนี้เปลี่ยนแปลงอย่าง รวดเร็ว คือ เซลล์จะสูญเสียน้ำให้กับเซลล์ข้างเคียงใบจึงหุบทันที เมื่อเวลาผ่านไปน้ำจากเซลล์ข้างเคียงจะแพร่กลับเข้ามาในเซลล์อีกครั้งหนึ่ง ทำให้เซลล์เต่ง และใบกางออกดังเดิม

             • การตอบสนองแบบนี้เป็นการตอบสนองที่เกิดการเจริญเติบโตหรือไม่

             นอกจากต้นไมยราบแล้วยังมีพืชที่มีความไวต่อการสัมผัสได้แก่ กาบหอยแครง จะมีกลุ่มเซลล์ที่ไวต่อสิ่งเร้าอยู่ทางด้านในของใบเมื่อแมลงบินมาถูกก็จะตอบ สนองโดยหุบใบในทันทีพร้อมทั้งปล่อยเอนไซม์ออกมาย่อยแมลงแล้วดูดซึมธาตุอาหาร ที่พืชต้องการไปใช้ได้

             ในพืชตระกูลถั่ว เช่น จามจุรี กระถิน แค ผักกระเฉด ถั่วต่างๆ มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงต่อความเข้มของแสงจึงพบว่าใบจะหุบในเวลาพลบค่ำที่ เรียกว่า ต้นไม้นอน และกางใบออกเวลารุ่งเช้าที่มีแสงสว่าง

             • การเคลื่อนไหวที่เกิดจากแรงดันเต่งของเซลล์พืชโดยไม่ใช่การหุบหรือการกาง ใบ มีตัวอย่างอีกหลายชนิดนักเรียนพอจะยกตัวอย่างได้หรือไม่

             การเคลื่อนไหวของพืชที่ไม่เกี่ยวข้องกับแรงดันเต่งของเซลล์พืช เช่น การหมุนแกว่งของยอดพืชขณะที่มีการเจริญเติบโตที่ปลายยอดพืช อันเนื่องมาจากปลายยอดมีการแบ่งเซลล์สองด้านของลำต้นไม่เท่ากัน เรียกการเคลื่อนไหวแบบนี้ว่านิวเทชันมูฟเมนต์ (nutation movement) 

             ยอดพืชทุกชนิดมีการเคลื่อนไหวแบบนี้ แต่จะเห็นได้ชัดเจนในพืชที่มีลำต้นพันหลัก

             จากการศึกษาการตอบสนองของพืชคงพอจะทำให้นักเรียนเข้าใจถึงการปรับตัวในการ ดำรงชีวิตของพืช เพื่อสามารถเจริญเติบโตอยู่ในสิ่งแวดล้อมต่างๆ ได้เป็นอย่างดีนั่นเอง

ความรู้สำหรับนัก เรียน
พืชกินแมลง

             พืชบางชนิดมีแหล่งไนโตรเจนและแหล่งธาตุอาหารอื่นนอกจากที่ได้จากดิน แหล่งนั้นก็คือ แมลง พืชพวกนี้มักเจริญอยู่ในดินที่เป็นกรด ความเป็นกรดในดินจะยับยั้งการเจริญเติบโตของแบคทีเรีย จึงทำให้การย่อยสลายสารอินทรีย์ในดินเกิดขึ้นได้น้อยกว่าปกติ ดินจึงมีความอุดมสมบูรณ์ต่ำ ดังนั้นนอกจากพืชจะมีการสังเคราะห์ด้วยแสงตามปกติแล้วพืชยังต้องใช้แหล่ง ไนโตรเจนด้วยการจับแมลงเล็กๆ โดยใช้ใบที่เปลี่ยนรูปไปทำหน้าที่ทั้งดึงดูดแมลงและจับแมลง แล้วย่อยโปรตีนให้กลายเป็นกรดอะมิโนและดูดซึมเข้าสู่ใบ

             กลไกในการจับแมลงมีหลายแบบทั้งล่อให้ตกลงไปในกระเปาะ ล่อให้เกิดการเหนียวและจับไว้ในใบที่มีลักษณะเป็นกรง

             หม้อข้าวหม้อแกงลิง (Nepenthes mirabilis Druce) ดึงดูดแมลงโดยใช้ใบที่มีโครงสร้างเป็นกระเบาะที่มีสีสันสดใส มีสารที่หลั่งออกมาจากเซลล์เอพิเดอร์มิสที่มีรสหวาน เมื่อแมลงมาเกาะจะลื่นตกลงไปในกระเปาะที่มีเอนไซม์อยู่ภายใน
             สาหร่ายข้าวเหนียว (Utricularis sp.)  อาศัยอยู่ในน้ำจืด มีถุงพิเศษที่สามารถดักสัตว์น้ำให้อยู่ในถุงที่มีกลไกคล้ายประตูสปริงที่ เคลื่อนไหวด้วยความเร็วสูงกักสัตว์ไว้ภายใน และทำการย่อยภายในถุงนั้น
             หยาดน้ำ ค้าง (Drosera sp.) เป็นพืชกินแมลงที่อาศัยอยู่ในที่ชื้นแฉะ ใบที่มีขนตรงปลายเป็นต่อมหลั่งสารที่เป็นเมือกเหนียวเพื่อจับสัตว์เล็กๆ ไว้เป็นอาหาร
             กาบหอยแครง (Dionea muscipula) เป็นพืชกินแมลงที่มีกลไกต่างออกไป บริเวณขอบใบจะมีขนที่มีความไวสูงถึง 3 ชนิด เมื่อมีสิ่งใดมาสัมผัสจะกระตุ้นให้ขอบใบแต่ละด้านหุบเข้าหากัน บริเวณผิวใบมีน้ำหวานที่หลั่งออกมาจากเซลล์เอพิเดอร์มิส ใบกาบหอยแครงแต่ละใบจะมี 2 ส่วน เชื่อมกันด้วยบานพับ (ซึ่งส่วนใหญ่เป็นมัดท่อลำเลียง) ขอบใบจะมีหนามยาวกั้นไม่ให้แมลงที่อยู่ในกับดักหลุดออกมาได้ 

             กาบหอยแครงหุบใบกักแมลงไว้ในเวลาอันรวดเร็วได้อย่างไร มีทฤษฎีที่สนับสนุนปรากฏการณ์นี้ 2 ทฤษฎี ทฤษฎีแรกกล่าวว่าเมื่อใบได้รับการกระตุ้น เซลล์เอพิเดอร์มิสด้านล่างจะดูด  K⁺ และน้ำเข้าไปภายในเซลล์ทำให้เซลล์ขยายขนาดขึ้นใบจึงหุบได้อย่างรวดเร็ว ส่วนอีกทฤษฎีหนึ่งคือเซลล์เอพิเดอร์มิสด้านนอกจะหลั่ง H⁺ เข้าสู่ผนังเซลล์ ทำให้ผนังเซลล์ยอมให้น้ำผ่านเข้าเซลล์ได้มากขึ้น เซลล์จึงขยายขนาดใหญ่ขึ้น ทฤษฎีทั้งสองนี้มีการทดลองสนับสนุนมากมาย แต่ก็ยังต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมต่อไปเพื่อมายืนยันทฤษฎีดังกล่าว

กิจกรรมท้ายบทที่ 15

1. มีผู้ศึกษาการงอกของมันฝรั่ง พบว่าเมื่อสภาวะแวดล้อมเหมาะสมจะงอกต้นเล็กๆ จากหัวดังในภาพที่ 1 และถ้าตัดยอดต้นมันฝรั่งที่งอกออกมาพบว่าเกิดต้นเล็กๆ จากตาที่อยู่ถัดไปดังภาพที่ 2 แต่ถ้าตัดหัวมันฝรั่งออกเป็นส่วนๆตามขวาง แต่ละส่วนมีตาติดอยู่ผลการทดลองจะเป็นอย่างไร เพราะเหตุใด

2. ถ้าปักชำพืชให้งอกรากเร็วขึ้น โดยนำไปจุ่มออกซินก่อนนำไปปลูก นักเรียนคิดว่าออกซินควรจะมีความเข้มข้นประมาณเท่าใด

3. จงศึกษาการทดลองนี้แล้วตอบคำถาม
 มีผู้ทดลองเพาะต้นกล้าของถั่วพันธุ์ เตี้ยกับถั่วพันธุ์สูง ตัดยอดออกแล้วนำแผ่นวุ้นไปวางดังการทดลองในภาพ

เมื่อทดลองไป 2 สัปดาห์ พบว่าการทดลองที่ 1 และ 3 ต้นถั่วมีความสูงขึ้นมากพอๆกัน แต่ชุดการทดลองที่ 2 มีความสูงเพียงเล็กน้อยเท่านั้น นักเรียนสรุปผลกรทดลองอย่างไร

4. ในการเตรียมสารอาหารสำหรับเลี้ยงเนื้อเยื่อพืช จะต้องใส่ทั้งออกซินและไซโทไคนิน เพราะเหตุใด

5. ถ้าตัดยอดต้นกล้าของข้าวโพดไปวางบนแผ่นวุ้นแล้วนำวุ้นมาแบ่งออกเป็น 2 ส่วนแล้ว ทำการทดลองกับต้นกล้าข้าวโพด 2 ต้น ที่ตัดยอดอ่อนออก ดังในภาพ

             5.1 ผลการทดลองจะเป็นอย่างไร เพราะเหตุใด
             5.2 ถ้านำการทดลองไปไว้ในที่มืด ผลการทดลองจะเป็นเช่นไร เพราะเหตุใด