قبل أن تصفر الأوراق.. تقنية يابانية ترصد الإشارات الكهربائية للنباتات وتكشف تعرضها للإجهاد

طوّر باحثون في اليابان مستشعرًا كهربائيًا فائق الرقة يمكنه الالتصاق بأوراق النباتات المشعرة، مثل فول الصويا والطماطم والباذنجان، دون الحاجة إلى مواد لاصقة، في خطوة قد تساعد على اكتشاف تعرض المحاصيل للإجهاد البيئي قبل ظهور علامات واضحة عليه.

ويعالج الابتكار مشكلة واجهت الباحثين نحو عشر سنوات؛ إذ كانت الشعيرات الدقيقة الموجودة على أسطح بعض الأوراق تمنع الأقطاب الكهربائية التقليدية من ملامسة أنسجة النبات بصورة مناسبة، ما يضعف قدرتها على تسجيل الإشارات الكهربائية الصادرة عنه.

ويعتمد المستشعر الجديد على غشاء من الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار، مثبت على بوليمر مرن يشبه المطاط. ويبلغ سمكه في أنحف نسخه نحو 70 نانومترًا، أي جزءًا ضئيلًا للغاية من سمك شعرة الإنسان.

وطوّر الفريق البحثي الجهاز في معهد العلوم بطوكيو، بقيادة البروفيسور توشينوري فوجي، ونُشرت نتائج الدراسة في دورية Advanced Science.

النباتات ترسل إشارات كهربائية عند تعرضها للإجهاد

لا تقتصر استجابة النباتات للبيئة المحيطة على التغيرات المرئية، مثل اصفرار الأوراق أو الذبول أو تباطؤ النمو؛ إذ يمكنها أيضًا إظهار تغيرات في الإشارات الكهربائية عند تعرضها لظروف غير ملائمة، من بينها الجفاف والحرارة والمواد الكيميائية والأمراض.

وتكمن أهمية هذه الإشارات في أنها قد تتغير قبل ظهور بعض الأعراض التي يستطيع المزارع ملاحظتها بالعين المجردة، ما يفتح المجال لتطوير أنظمة إنذار مبكر تساعد على متابعة صحة النباتات بصورة أكثر استباقية.

لكن تسجيل هذه الإشارات يتطلب اتصالًا جيدًا بين المستشعر وسطح الورقة، دون إلحاق الضرر بأنسجتها أو التأثير بصورة كبيرة في وظائفها الحيوية.

وتواجه الأقطاب الإبرية مشكلة اختراق الأنسجة وإصابتها، بينما قد تفقد الأقطاب الهلامية التقليدية تماسكها عند تعرضها للماء أو المطر. أما الأغشية الرقيقة التي نجحت على الأوراق الملساء، فكانت ترتفع فوق سطح الأوراق المشعرة بدلًا من ملامسته، بسبب الشعيرات الدقيقة المعروفة باسم «الترايكومات».

كيف تغلب المستشعر على شعيرات الأوراق؟

اختبر الباحثون أغشية بأسمك مختلفة، تراوحت بين 480 و70 نانومترًا، على أوراق فول الصويا، لمراقبة طريقة استقرارها فوق سطح الورقة.

وأظهرت التجارب أن الأغشية الأكثر سمكًا كانت ترتكز فوق الشعيرات، كما لو أنها خيمة صغيرة مرفوعة عن سطح الورقة، وهو ما يضعف الاتصال الكهربائي.

أما الغشاء الذي يبلغ سمكه 70 نانومترًا، فقد تمزق موضعيًا حول الشعيرات الدقيقة، بينما استقر باقي الغشاء على سطح الورقة نفسه. وسمحت هذه البنية بتحقيق تلامس أفضل دون الحاجة إلى مادة لاصقة.

ولم يكن الهدف مجرد جعل المستشعر أكثر نحافة؛ بل الوصول إلى توازن بين المرونة والقدرة على تسجيل الإشارات والحفاظ على الوظائف الطبيعية للورقة.

ووفقًا للدراسة، يسمح الغشاء بمرور أكثر من 80% من الضوء الساقط عليه، كما يتيح خروج بخار الماء من الورقة. وتكتسب هاتان الخاصيتان أهمية خاصة لأن حجب الضوء أو إعاقة تبادل بخار الماء قد يؤثر في العمليات الفسيولوجية للنبات، بما فيها التمثيل الضوئي وتنظيم فقد الماء.

تسجيل الإشارات لمدة 300 يوم

بلغت أبعاد كل قطب كهربائي نحو 15 × 20 مليمترًا، ووضع الباحثون قطبين على جانبي العرق الوسطي للورقة، تفصل بينهما مسافة تقارب سنتيمترًا واحدًا.

واستخدم الفريق المستشعر لتسجيل ما يُعرف بجهد الفعل الحيوي المستحث بالضوء، أي التغير في الجهد الكهربائي الذي يظهر عندما تتعرض الورقة لتغير في الإضاءة.

وفي تجربة على نبات البوتس المنزلي، استمر تسجيل الإشارات لمدة 300 يوم، مع احتفاظ الإشارة المسجلة في اليوم الأخير بجودة مماثلة لما سُجل في اليوم الأول.

وفي المقابل، تركت الأقطاب القرصية التقليدية آثار تغير في لون الأنسجة الموجودة أسفلها بعد أسبوعين من الاستخدام على أوراق البوتس. كما ألحقت الأقطاب التقليدية التي اختبرها الفريق أضرارًا بأوراق فول الصويا والتبغ، بينما لم يُظهر الغشاء النانوي الضرر نفسه في التجارب الموصوفة.

واختبر الباحثون أيضًا قدرة المستشعر على البقاء في مكانه عند محاكاة المطر وغمر الورقة بالماء، فظل الغشاء مثبتًا، بينما لم تصمد الأقطاب الهلامية التجارية المستخدمة للمقارنة أمام الاختبارات نفسها.

وتشير هذه النتائج إلى تحسن في الاستقرار والقدرة على تسجيل الإشارات لفترات طويلة في ظروف التجارب، لكنها لا تثبت بعد قدرة الجهاز على العمل بكفاءة مماثلة في جميع الظروف الزراعية الخارجية.

اكتشاف الإجهاد الكيميائي قبل ظهور الأعراض

لاختبار قدرة الجهاز على رصد مشكلة فعلية، عرّض الباحثون أوراق نبات البوتس لمادة DCMU، وهي مركب يُستخدم في الأبحاث ويثبط انتقال الإلكترونات داخل منظومة التمثيل الضوئي.

ومع تأثير المادة في هذه المنظومة، انخفضت الإشارة الكهربائية المستحثة بالضوء، ما أتاح للباحثين رصد تغير في استجابة الورقة.

وقال قائد الفريق، توشينوري فوجي، إن تغير شكل موجة الجهد الكهربائي الحيوي أتاح الكشف عن الإجهاد الكيميائي في التجربة.

وتوضح هذه النتيجة كيف يمكن للإشارات الكهربائية أن تعمل مؤشرًا مبكرًا على تعرض النبات لمادة تؤثر في وظائفه الحيوية. فعلى سبيل المثال، قد يكون من المفيد للمزارعين اكتشاف انتقال مبيد أعشاب من حقل مجاور إلى المحاصيل قبل ظهور علامات مرئية على الأوراق.

ومع ذلك، لا يعني انخفاض الإشارة الكهربائية وحده تحديد المادة التي سببت الإجهاد أو تشخيص نوع المشكلة؛ إذ يمكن أن تتغير الإشارات استجابة لعوامل متعددة، مثل الجفاف والملوحة والأمراض والتعرض للمواد الكيميائية.

ولذلك، يحتاج الاستخدام الزراعي العملي إلى بناء قاعدة بيانات واسعة للإشارات الكهربائية المسجلة تحت ظروف معروفة، حتى يمكن التمييز بين أسباب الإجهاد المختلفة وتقليل الإنذارات الخاطئة.

من مراقبة لون الورقة إلى قراءة استجابتها الكهربائية

تعتمد بعض تقنيات متابعة صحة النباتات على قياس لون الأوراق أو مؤشرات مرتبطة بمحتواها من الكلوروفيل. وتساعد هذه الطرق على اكتشاف تغيرات مرتبطة بصحة النبات، لكنها قد لا ترصد بعض الاضطرابات إلا بعد بدء حدوث تغيرات في خصائص الورقة.

أما المستشعر الكهربائي الجديد، فيحاول التقاط استجابة النبات الفسيولوجية مباشرة، بدلًا من الاعتماد على تغير مرئي لاحق.

ويأتي هذا الابتكار ضمن اتجاه أوسع لتطوير مستشعرات قابلة للارتداء على النباتات أو مدمجة فيها، بهدف مراقبة حالتها المائية والغذائية والفسيولوجية بصورة مستمرة.

وتشمل الأبحاث في هذا المجال أجهزة تعتمد على الجرافين لمتابعة ترطيب الأوراق، وأخرى ترصد معدل فقد الماء، وتقنيات تقيس مؤشرات كيميائية داخل السيقان. لكن الدراسة اليابانية تركز بصورة خاصة على مشكلة تثبيت الأقطاب الكهربائية فوق الأوراق المشعرة، وهي عقبة تحد من استخدام هذه المستشعرات على أنواع نباتية مهمة زراعيًا.

هل أصبح المستشعر جاهزًا للاستخدام في الحقول؟

رغم النتائج الواعدة، لا تزال التقنية في مرحلة البحث والتطوير. فقد أُجريت التجارب المنشورة في ظروف مختبرية، ولم يعلن الباحثون عن اختبار ميداني واسع النطاق أو نسخة لاسلكية جاهزة للاستخدام الزراعي.

كما أن المستشعر يرصد تغيرًا في الإشارة الكهربائية، لكنه لا يحدد وحده السبب وراء هذا التغير. ويتطلب تحويله إلى أداة إنذار موثوقة تطوير نماذج تحليلية تستطيع تفسير الإشارات وربطها بأنواع الإجهاد المختلفة.

ويحتاج الباحثون كذلك إلى اختبار الأداء على نطاق أوسع من المحاصيل، وفي ظروف متغيرة من الحرارة والرطوبة والإضاءة والري، قبل تقييم قدرته على العمل بصورة مستمرة في الحقول التجارية.

وحصل المشروع على تمويل من الجمعية اليابانية لتعزيز العلوم، والوكالة اليابانية للعلوم والتكنولوجيا، ومؤسستين خاصتين. كما أشار الباحثون إلى وجود طلب براءة اختراع يابانية قيد النظر يحمل الرقم JP2024-131682.

وقال فوجي إن الفريق يتوقع إمكانية تطبيق هذه التقنية مستقبلًا في مراقبة صحة المحاصيل داخل الحقول الزراعية.

وإذا نجحت الأبحاث اللاحقة في تحويل الإشارات الكهربائية إلى مؤشرات يمكن تفسيرها بصورة موثوقة، فقد تساعد هذه المستشعرات المزارعين على اكتشاف بعض المشكلات في مراحل مبكرة، وتحسين توقيت التدخل الزراعي، وتقليل الاعتماد على الفحص البصري وحده.

لكن القيمة العملية للابتكار ستتحدد بقدرته على التمييز بين أسباب الإجهاد المختلفة، والعمل في ظروف الحقول الحقيقية، وتقديم معلومات دقيقة يمكن للمزارع استخدامها لاتخاذ القرار المناسب.