Az extra fényenergia fordítja a napraforgóvirágot kelet felé
A napraforgó fejlődő virágzatot tartalmazó éretlen feje és levelei nappal folyamatosan úgy változtatják irányukat, hogy felületük mindig közelítőleg a Nap felé irányul. Napnyugtakor a napkövető fiatal fej normálvektora vízszintes vetületének egy adott égtájjal bezárt szöge (azimutja) közel nyugatra mutat, éjjel pedig már jóval napkelte előtt visszafordul keletre: ezt nevezzük napkövetésnek vagy heliotropizmusnak. A levelek és a fej azimutváltozása körülbelül 12°-kal marad le a Nap azimutjától. Felhős napokon a fiatal napraforgófej azimutjának kelet-nyugati oszcillációja (szokott változása) leáll, és a fej normálvektora közelítőleg függőleges marad, de felhős időben az idősebb fej a belső bioritmus miatt mindaddig oszcillál, amíg a szár növekszik.
A napraforgó tenyészidőszakában csak a tavaszi napéjegyenlőségkor (március 21-én vagy 22-én) kel és nyugszik a Nap pontosan a földrajzi keleti, illetve nyugati irányban. A tavaszi napéjegyenlőség előtt/után a Nap dél-keleten/észak-keleten kel és dél-nyugaton/észak-nyugaton nyugszik. Ennek eredményeként
a napkövető fiatal napraforgófej hajnalban észak-kelet, alkonyatkor pedig észak-nyugat felé néz.
A napraforgó virágképzése körülbelül a vetés utáni 60. napon kezdődik. E fejlődési szakaszban kezd a kis virágokból álló éretlen virágzat nyílni, amely már nem követi a Napot, és normálvektorának azimutja állandóan keletre néz. Virágképzéskor a levelek fejlődése leáll, és a napraforgó az erőforrásait magtermelésre fordítja. A Napot nem követő érett fej közel 25%-kal járul hozzá az egész napraforgó fényelnyeléséhez. A virágképzés után a virágzat normálvektora fokozatosan egyre lejjebb hajlik a fej növekvő súlya miatt, a levelek napkövetése pedig egyre csökkenő amplitúdóval folytatódik.
A Nap égi mozgását már nem követő napraforgók virágzata (balra) és érett magokkal teli feje (jobbra) mindig keletre néz. (Horváth Gábor fényképei)
Bár a fiatal napraforgófej napkövetésének és éjszakai visszafordulásának már számos élettani részletére fény derült, a Napot már nem követő érett napraforgóvirágzat keletre nézésének környezeti és/vagy növényfiziológiai okaira és ökológiai szerepére eddig még nem volt kielégítő magyarázat.
Horváth Gábor biofizikus professzor (ELTE Biológiai Fizika Tanszék, Környezetoptika Laboratórium) szerint a jelenséget az okozhatja, hogy
a növényeket délelőtt több közvetlen napfény éri, mint délután, mivel a délutánok általában felhősebbek a délelőttöknél.
Az ötlet még a professzor középiskolás korából származik, amikor rendszeresen járta a Kiskunhalas környéki napraforgóföldeket. Mivel a feltevéssel eddig senki nem élt, 2020-ban Horváth Gábor hozzálátott az ellenőrzéséhez. Az eredményekről a Scientific Reports 2020. decemberi számában számolt be kutatótársaival.
A munka során csillagászati, meteorológiai és növényfiziológiai adatok felhasználásával meghatározták a Napot nem követő érett napraforgófej virágzata és hátoldala által elnyelt fényenergiát (beleértve a közvetlen napfényt és a szórt égfényt is) a virágképzés kezdete (július 1.) és a magok teljes érése (szeptember 7.) között. A kutatók megállapították: ha a délutánok felhősebbek a délelőttöknél, akkor a keletre néző napraforgóvirágzat nyeli el a legtöbb fényenergiát. Azt is kimutatták, hogy a virágzat nyugati orientációja előnyösebb lenne, mint a déli.
A napraforgóvirágzat maximális fényenergiát α = ‒94° azimutszögnél nyel el (2. ábra), ami majdnem megegyezik a keleti iránnyal (αkelet = ‒90°). A virágzat e(α) energiafüggvényének másodlagos maximuma α = +92° azimutnál van, ami közel azonos a nyugati iránnyal (αnyugat = +90°). e(α) minimuma α = +1° azimutnál van, ami gyakorlatilag egybeesik a déli iránnyal (αdél = 0°). Egy kelet felé néző virágzat 1.1-szer és 1.5-szer több fényenergiát nyel el, mint egy nyugatra, illetve délre néző. Ezzel szemben, egy dél helyett nyugat felé néző virágzat 1.36-szor több energiát nyel el (2. ábra). Mivel a napraforgófej fotoszintetizáló zöld háta akkor nyeli el a legtöbb fényenergiát, amikor a virágzat nyugatra néz, a zöld fejhát által elnyelt fényenergia maximalizálása nem magyarázhatná a virágzat keletre nézését.
Egy napraforgófej virágzatának egységnyi felülete által elnyelt e teljes fényenergia a virágképzés (július 1.) és öregedés (szeptember 7.) között a virágzat normálvektorának (az óramutató járásával egyezően, déltől mért) α azimutszöge függvényében Boone County-ban, Közép-Olaszországban és Közép-Magyarországon. A görbék elsődleges maximumait pontok jelzik.
A keletre néző érett napraforgóvirágzat nyugat-dél felé néző virágzathoz képesti 10–50% energiatöbblete számos előnnyel jár a napraforgó számára. Miközben serkentheti a mag fejlődését és érését, felgyorsíthatja a virágzatra lecsapódott harmat reggeli elpárolgását is, ami pedig csökkentheti a gombásodás veszélyét. Ráadásul a délelőtt aktív beporzók is erősebben vonzódhatnak a keletre néző virágzatokhoz. Ez utóbbi két szempontot már mások is fölvetették, ennélfogva a napraforgóvirágzat keleti orientációjának előnyére adott új környezetoptikai magyarázat korábbi hipotézisekkel is összhangban áll.
„A napraforgóvirág keletre nézésének
egyértelmű előnye, hogy maximalizálja a virágzat által elnyelt teljes fényenergiát,
ha a délutánok felhősebbek, mint a délelőttök, ahogy ez a háziasított napraforgó származási helyének számító Boone County-t, valamint például Közép-Olaszországot és Közép-Magyarországot is jellemzi. Ez az extra fényenergia kézenfekvő környezetoptikai magyarázatot ad arra, miért a napraforgóvirágzat keleti iránya a legelőnyösebb a napraforgó domesztikációs helyére jellemző aszimmetrikus délelőtti-délutáni felhőviszonyok között” – foglalja össze az eredményeket Horváth Gábor.
A kutatásban Horváth Gábor mellett Slíz-Balogh Judit csillagász (ELTE Csillagászati Tanszék), Jánosi Imre fizikus professzor (ELTE Komplex Rendszerek Fizikája Tanszék), Horváth Ákos meteorológus (Hamburgi Egyetem, Meteorológiai Intézet), Virágh Balázs diplomandusz (ELTE Biológiai Fizika Tanszék), Egri Ádám (MTA Ökológiai Kutatóközpont, Duna-kutató Intézet) és Horváth Dániel (ELTE Biológiai Fizika Tanszék) vett részt.
Az eredményekről angol nyelven további részletek a Scientific Reports-ban olvashatók.