תַקצִיר
האם אכלתם לאחרונה לחם או אורז? או אולי משהו שמכיל שמן? אם התשובה היא כן, סביר להניח שאכלתם מזון שעשוי מזרעים. הזרעים הם מקור מזון חשוב לבני אדם ולבעלי חיים – אלו הם הדגנים, העדשים, האגוזים ושמני הבישול שאנו צורכים. הזרעים חשובים גם לצמח עצמו, כי אפשר לשתול אותם באדמה ולגדל מהם צמחים חדשים. בחלק מהצמחים, הזרעים נמצאים בתוך פירות. פרי העגבנייה, למשל, מכיל זרעים רבים, ובתוך פרי האבוקדו יש זרע אחד גדול (הגלעין). לצמחים אחרים כמו עצי אורן יש זרעים "עירומים", שלא מכוסים על ידי פרי. מָהם בעצם הזרעים, ואיך נוצרים מהם צמחים חדשים? למה זרעים גדלים כששותלים אותם באדמה, אבל לא בחבילות זרעים הנמכרות בחנות? המשיכו לקרוא ותמצאו את התשובות לשאלות הללו – כך תוכלו ללמוד עד כמה הזרעים הם עולם מרתק, מורכב ומגוון ביותר.
עולמם של צמחי הזרע
זרעים נמצאים בכל מקום סביבנו – החל מהדגנים שאתם אוכלים לארוחת הבוקר והקפה שהוריכם שותים, ועד לבגדי הכותנה שאתם לובשים – ויש להם השפעה ישירה על חיינו. צמחים שמייצרים זרעים (הנקראים צמחי זרע) נמצאים בכל מקום, והם קיימים בכל הצורות והגדלים. למעשה, צמחי זרע הם קבוצת הצמחים הנפוצה ביותר על פני כדור הארץ, וניתן למצוא אותם בכל מיני סביבות. חשוב לדעת שהזרעים עצמם שיחקו תפקיד מכריע בהתפתחות הגיוון והשפע המדהימים של צמחי הזרע.
הזרע מורכב משלושה חלקים עיקריים: העובר, הרקמה המספקת חומרים מזינים (המכונה לעתים קרובות אֶנְדּוֹסְפֶּרְם), וקליפת הזרע (איור 1). העובר הוא "צמח תינוק", כלומר, דור חדש שגדל מצמח האם. באופן כללי, רוב הזרע עשוי מהאנדוספרם, המספק לעובר את כל חומרי ההזנה הדרושים לו כדי לשרוד עד שהוא מגיע לנביטה וגדל לכדי צמח חדש. קליפת הזרע היא שכבת ההגנה של האנדוספרם ושל העובר, המספקת לעובר סביבה בטוחה להתפתחות. היא משמשת כמחסום המגן על החלקים הפנימיים מפני סכנות חיצוניות (חיידקים, וירוסים ופטריות) שעלולות לפגוע בעובר, וכך עוזרת לעובר לשרוד לפרקי זמן ארוכים. קליפת הזרע משפיעה לפעמים גם על הזמן שבו העובר יגיע לשלב הנביטה [1, 2].
- איור 1 - חלקי הזרע העיקריים.
- (A) שלושת החלקים העיקריים המרכיבים את הזרע. (B) הביציות מתחילות להתפתח בתוך פרחיהם של הצמחים מְכֻסֵּי הזֶרַע (בעלי הפרחים). אם נוציא ביצית ונחתוך אותה לשניים, נוכל לראות שלקליפת הזרע יש שתי שכבות, ובתוכה שמונה תאים. ברגע שהביצית מופרית על ידי האבקן, היא הופכת לזרע. בצמחים מכוסי הזרע, הזרעים נמצאים תמיד בתוך פרי. (C) התפתחות זרעים בצמחים חשופי זרע, למשל באצטרובלים. ניתן לראות שיש רק שכבה אחת בקליפת הזרע. בצמחים אלה התפתחות הביצית לכדי זרע אורכת זמן רב יותר.
מקרא משמאל לימין:
A
Embryo = עובר;
Seed coat = קליפת הזרע;
Endosperm = אֶנְדּוֹסְפֶּרְם.
B
Angiosperms = מכוסי זרע;
Flower = פרח;
Ovule = ביצית;
Egg cell = תא ביצית;
Synergids = סינרג’ידים;
Polar nuclei = גרעיני האבקן;
Antipodals = אנטיפודלים;
Fertilization = הפריה;
Young seeds in a fruit = זרעים צעירים בפרי.
C
Gymnosperms = חשופי זרע;
Pine cone = אצטרובל;
Young seed = זרע צעיר.
קיימות שתי קבוצות עיקריות של צמחי זרעים: צמחים בעלי פרחים, הנקראים צמחים מְכֻסֵּי זֶרַע (Angiosperms), וצמחים ללא פרחים, הנקראים צמחים חשופי זרע (Gymnosperms) (איורים C), 1B). מכוסי הזרע כוללים את כל הצמחים שמייצרים פרחים ופירות. החלק הנקבי של הפרח מתפתח לכדי פרי, שמגן על הזרעים ומסייע בהפצתם למקומות חדשים [1]. הפירות מסייעים בהפצה בכך שהם טעימים לבעלי חיים או בכך שהם עפים עם הרוח. מה לגבי צמחים חשופי זרע? השם בא מהביטוי היווני ל"זרע עירום", המתייחס לעובדה שקבוצת צמחים זו אינה מייצרת פירות המכסים את הזרעים, ולכן הזרעים עצמם גלויים לעין. עצי מחט (כמו עצי אורן) וגינקו הם שתי דוגמאות מקבוצת צמחים זו (איור 1C). למרות שלחשופי הזרע אין פירות, הם פיתחו אסטרטגיות להפצת הזרעים שלהם. לדוגמה, רבים מהצמחים חשופי הזרע מאכסנים את הזרעים שלהם בתוך אצטרובלים עד שהם מוכנים להפצה, ואז האצטרובלים נפתחים.
מאיפה הזרע מגיע?
השלב המוקדם ביותר של הזרע ידוע בשם ביצית. הביציות מתחילות להתפתח לכדי זרעים בתהליך ההפריה. כמו אצל בעלי חיים, ההפריה מתרחשת כאשר תא רבייה זכרי, שבצמחים הוא האבקן, מתמזג עם תא רבייה נקבי, המגיע מהביצית, כדי ליצור צמח חדש – העובר (איור 1).
מעניין לציין שלא לכל הצמחים יש זרעים! שתי דוגמאות לכך הן טחב ושרכים. לפני שצמחי הזרע הופיעו, לפני כ-400 מיליון שנה, כדור הארץ היה מאוכלס ברובו על ידי צמחים כמו טחב ושרכים, שהעוברים שלהם אינם מוגנים על ידי קליפת זרע; לכן, מינים אלה רגישים יותר לתנאי סביבה קשים. מקורם של הזרעים עדיין לא ברור, והמדענים עוד מנסים למצוא תשובות לכך. עם זאת, אנחנו יודעים שבזכות קליפת הזרע, הזרעים יכולים לשרוד הרבה דברים, והיא זו שמעניקה לצמחי הזרע יתרון יוצא דופן.
מה גורם לזרע להתחיל לצמוח?
אם אי פעם ניסיתם לגדל צמחים מזרעים, אולי שמתם לב שהזרעים לא מתחילים לצמוח בכל התנאים. הסיבה לכך היא שזרעים בוגרים הם רדומים: זה אומר שהצמיחה וההתפתחות שלהם הואטו, או אפילו נעצרו. התרדמה יכולה לנבוע מכך שקליפת הזרע מונעת כניסה של מים או חמצן לזרע, או שהיא יכולה לנבוע ממצב העובר עצמו. זרעים יכולים להישאר רדומים לפרקי זמן ארוכים מאוד – מדענים הצליחו לגדל צמחים מזרעים בני למעלה מ-2,000 שנה [3]!
התרדמה מאפשרת לעוברים לחכות לאותות הסביבתיים הנכונים לפני שהם נובטים וגדלים לכדי צמחים חדשים. בעוד שלכל מין יש דרישות שונות, רוב הזרעים לא יתחילו לצמוח לפני שיקבלו את כמויות אור השמש והמים הנכונות. לצמחים מסוימים יש דרישות קיצוניות יותר כדי "להתעורר". באקלים קר, זרעים שנוצרים בסתיו צריכים לרוב חשיפה לקור קיצוני לכדי להתעורר – זאת כדי למנוע מהעוברים לנבוט מוקדם מדי, במהלך החורף, ולקפוא. זרעים שנוצרים בסביבות שבהן מתחוללות שריפות קבועות, כמו ערבות, צריכים לרוב חשיפה לחום או לעשן כדי "להתעורר" [2]. כיוון ששריפות "מחסלות" הרבה מהתחרות הקיימת, המתבטאת בצורת צמחים אחרים, כאשר הזרעים הללו יוצאים מהתרדמה, לצמחים החדשים יש שפע של מקום וחומרי מזון כדי לגדול. המדענים יכולים להשפיע על אותות ה"התעוררות" כדי לגרום לזרעים לנבוט, או להשאיר את הזרעים במצב תרדמה במשך זמן רב כדי לאחסן אותם.
כיצד הצמחים מפיצים את הזרעים שלהם?
יש צורות שונות ומשונות של זרעים – החל מזרעים בגודל ראש של ילד בגילכם ועד לזרעים שניתן לראות רק במיקרוסקופ. כל הזרעים הללו צריכים דרכים להתרחק מצמח האם – תהליך שנקרא הפצה (איור 2). יש ארבעה סוגים עיקריים של אסטרטגיות להפצת זרעים [4].
- איור 2 - אסטרטגיות להפצת זרעים.
- לזרעים יש מגוון מבנים ופונקציות. זרעים של פרחים מכוסי זרע יכולים להתפזר באמצעות (A) רוח; (B) בעלי חיים; (C) שחרור בליסטי; ו-(D) "טרמפים". (E) דוגמאות לצורות זרעים שהתפתחו בקרב חשופי זרע, הידועים בכינויים "זרעים עירומים". למרות שאין להם פירות שמסייעים להם בהפצה, יש להם אסטרטגיות הפצה דומות לאלו של מכוסי הזרע (קרדיט לאיור D: CC BY-SA 4.0, https://commons.m.wikimedia.org/wiki/File:Sandspurs_1.jpg).
מקרא (משמאל לימין):
A
Clematis = זלזלת.
B
Tomato = עגבנייה;
Fruit = פרי;
Seed = זרע.
C
Impatients = בשמת;
Immature fruit = פרי בוסר;
Fruit after exploding = פרי לאחר התפוצצות.
D
Sandspur = סנחריב (סנדספור).
E
Gymnosperm seed diversity = מגוון הזרעים חשופי הזרע;
Sciadopitys = אורן המטרייה היפני;
Welwitschia mirabilis = וֶלְוִיטְשִיָה;
Yew tree = תאשור;
Podocarpus = פודוקרפוס;
Zamia = זמיה;
Ginkgo = גינקו.
האסטרטגיה הראשונה היא פיזור הזרעים בעזרת הרוח. אם אי פעם נשפתם על "שערות סבא" של שן הארי, עזרתם לפזר את הזרעים שלו! ה"מצנחים" הלבנים הללו נושאים את הזרעים, והם יכולים לעוף לכל מרחק שאליו הרוח תישא אותם. דוגמאות נוספות לצמחים עם זרעים המתפזרים ברוח הם סחלבים, "צמחי ברבור" (swan plants), עצי אֶדֶר, סוגים שונים של עצי צפצפה, והזַלְזֶלֶת (איור 2A).
אסטרטגיית ההפצה השנייה היא על ידי בעלי חיים שאוכלים את הזרעים. שיטה זו נפוצה בקרב צמחים מכוסי זרע, כלומר, אלו המייצרים פירות שבתוכם זרעים. הם בדרך כלל טעימים או מושכים, כדי לפתות בעלי חיים לאכול אותם. החיה בולעת את הפרי, כמו גם את הזרעים, שעוברים לאחר מכן דרך מערכת העיכול של החיה ומופצים למקומות חדשים דרך הצואה שלה. יש בעלי חיים שאוכלים את הפירות (כמו דובדבנים ואפרסקים) ומשליכים את הזרעים. גם בני האדם מפיצים זרעים בדרך זו (איור 2B)! שיטת ההפצה הזו לא נכונה לכל הצמחים – יש צמחים שמייצרים זרעים רעילים מאוד כדי למנוע מבעלי חיים לאכול אותם.
האסטרטגיה השלישית נקראת "שחרור בליסטי" –, זוהי דרך מהנה ותיאטרלית של צמחים מסוימים לפיזור הזרעים שלהם. בצמחים אלו, הפרי "מתפוצץ" ומשגר את הזרעים בעוצמה רבה עד שהם נופלים לקרקע במרחק-מה מצמח האם. שיטה זו מבטיחה שהצמחים החדשים לא יתחרו בהורים. דוגמה אחת היא צמח ממשפחת האברשאים בשם "הצמח חסר הסבלנות" (או Busy Lizzies), שניתן למצוא לעיתים בגינות (איור 2C).
האסטרטגיה הרביעית היא שיטת ה"טרמפים". לחלק מהזרעים יש קוצים או דוקרנים מיוחדים שנדבקים לנוצות ולפרוות של בעלי חיים, או לבגדים של אנשים, בזמן שהם חולפים על פניהם, עד שהם נושרים בסופו של דבר במקום חדש. דוגמאות לצמחים המשתמשים בשיטת ה"טרמפים" הזו כוללות את הברדוק ואת הסנחריב (sandspur), והם זכו לכינוי "מדבקות". צמחים אלו נפוצים מאוד בדרום ארצות הברית (איור 2D).
הצמחים חשופי הזרע מצאו גם הם דרכים ייחודיות להגן על הזרעים שלהם ולהפיץ אותם. זרעים אלו קיימים במגוון עצום של צורות וצבעים (איור 2E). האצטרובלים הטיפוסיים של עצי האורן קשיחים ועמידים, וכך הם מגינים על הזרעים שבתוכם. יש גם זרעים מכונפים מצמחים כמו וֶלְוִיטְשִיָה,שמופצים בעזרת הרוח, וכן זרעים צבעוניים ובשרניים שמופצים בעזרת בעלי החיים.
הזרעים שאנחנו אוכלים
לא קשה לפספס את העובדה שאנחנו אוכלים זרעים כמו שומשום או גרעיני חמניות, אבל יש עוד הרבה מזונות נפוצים שמגיעים גם הם מזרעים! ניתן לבשל ולאכול דגנים כגון אורז, חיטה ותירס כמו שהם, או לטחון אותם לקמח. למעשה, רוב המזון שבני אדם ברחבי העולם אוכלים מבוסס על דגנים! שעועית, עדשים ואגוזים הם גם זרעי מאכל נפוצים (איור 3). אפילו כוס הקפה שהמבוגרים שותים בבוקר וחטיף השוקולד האהוב עליכם מיוצרים מזרעים של צמחי הקפה והקקאו. שמנים נפוצים רבים המשמשים לבישול, כגון שמן קנולה ושמן בוטנים, מיוצרים על ידי כבישה של הזרעים כדי להגיר את השמנים שנמצאים בהם. למרות שאלו נדירים, גם הצמחים חשופי הזרע מייצרים זרעים אכילים, כמו צנוברים ואגוזי גינקו (איור 2). זרעים הם מזון מומלץ, כיוון שהאנדוספרם מכיל הרבה חומרים מזינים. עם זאת, החומרים המזינים הללו משתנים מצמח לצמח, ומינים מסוימים מייצרים זרעים שאינם אכילים (כמו אבוקדו) או רעילים לאכילה (כמו קיקיון). בפעם הבאה שאתם בטבע או במכולת, בדקו כמה סוגי זרעים אתם יכולים לזהות, וזכרו את המגוון המופלא של הזרעים הקיימים, ועד כמה הם חשובים גם למחזור החיים של הצמחים.
- איור 3 - דוגמאות לזרעים המהווים מקורות מזון חשובים.
- חשוב לציין שהזרעים בתמונה זו עובדו כך שיהיו אכילים ויחזיקו מעמד לאורך זמן – הם לא נראים כך על הצמח.
מקרא (משמאל לימין):
Oats = שיבולת שועל;
Red lentils = עדשים אדומות;
Peanuts = בוטנים;
Quinoa = קינואה;
Black sesame = שומשום שחור;
Rice = אורז;
Coffee Beans = פולי קפה.
מילון מונחים
עובר (Embryo): ↑ צמח זעיר בתוך הזרע שיגדל לכדי צמח חדש.
אֶנְדּוֹסְפֶּרְם (Endosperm): ↑ רקמה עשירה בחומרים מזינים בתוך הזרע המספקת מזון לעובר הצמח.
קליפת הזרע (Seed Coat): ↑ הרקמה החיצונית ביותר של הזרע, המכסה את הרקמות הפנימיות, את העובר ואת האנדוספרם, ומגינה עליהן.
נְבִיטָה (Germinate): ↑ כאשר הצמח החדש פורץ מהזרע כי התנאים לגדילת הצמח טובים.
בֵּיצִית (Ovule): ↑ שלב מוקדם של הזרע, הכולל את תא הרבייה הנשי.
אַבְקָן (Pollen): ↑ תא הרבייה הזכרי.
רָדוּם (Dormant): ↑ כאשר זרע "מחכה" לתנאים המתאימים לנבוט ולצמוח.
הפצה (Dispersal): ↑ פיזור הזרעים למקומות חדשים, הרחק מצמח האם.
זרעים אכילים (Edible Seeds): ↑ זרעים שבני אדם יכולים לאכול ללא סיכון.
תודות
המחברים מודים לסוקרים הצעירים על הביקורת המדוקדקת ועל ההערות המועילות, כמו גם לעורך ולמנטוריות המדעיות. העבודה זכתה למימון של NSF-PGRP:IOS- 1758800, ולתמיכה נוספת מ-The Eppley Foundation for Research, Inc., תוכנית NIH QBIST ומלגת NYU Henry M. MacCracken. אנו מודים גם למנטורים Gloria Coruzzi ו-Damon P. Little, וליועצי התזה Manpreet Katari, Michael Purugganan ו-Deren Eaton.
הצהרת כלי בינה מלאכותית
טקסט חלופי הנלווה לאיורים במאמר זה נוצר על ידי פרונטירז בסיוע כלי בינה מלאכותית, ונעשו מאמצים על מנת להבטיח את דיוקו, כולל בדיקה על ידי כותבי המאמר כאשר הדבר התאפשר. אם ברצונכם לדווח על בעיה, אנו צרו איתנו קשר.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מקורות
[1] ↑ Foster, A. S., and Gifford, E. M. 1959. Comparative morphology of vascular plants. Comp. Morphol. Vasc. Plants 10:39.
[2] ↑ Finch-Savage, W. E., and Leubner-Metzger, G. 2006. Seed dormancy and the control of germination. New Phytol. 171:501–23. doi: 10.1111/j.1469-8137.2006.01787.x
[3] ↑ Sallon, S., Solowey, E., Cohen, Y., Korchinsky, R., Egli, M., Woodhatch, I., et al. 2008. Germination, genetics, and growth of an ancient date seed. Science 320:1464. doi: 10.1126/science.1153600
[4] ↑ Howe, H. F., and Smallwood, J. 1982. Ecology of seed dispersal. Ann. Rev. Ecol. Syst. 13:301–28.