Weird Science

A jednak się porusza! Ruchy higroskopowe roślin

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (3/2016):

Ilustracja

Ples M., A jed­nak się po­ru­sza! Ruchy higro­sko­powe roślin, Bio­lo­gia w Szkole, 3 (2016), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 52-56

Słowa, które wyko­rzy­sta­łem w tytule niniej­szego arty­kułu (wł. „eppur si muove”) miał wypo­wie­dzieć Gali­le­usz - wło­ski astro­nom, mate­ma­tyk, fizyk i filo­zof, o którym się uważa, że poło­żył pod­wa­liny pod współcze­sną fizykę i inne nauki ści­słe [1]. Padły one podobno z ust uczo­nego w roku 1633, kiedy został zmu­szony do odwo­ła­nia swo­ich tez o ruchu Ziemi wokół Słońca.

Podob­nie jak wielu współcze­snych Gali­le­u­szowi nie mogło uwie­rzyć w jego twier­dze­nia u ruchu Ziemi, tak i dziś fakt, że rośliny mogą się poru­szać wywo­łuje często zdzi­wie­nie, cho­ciaż jest dobrze znany.

Rośliny wyksz­tałc­iły wiele zróżn­i­co­wa­nych mecha­ni­zmów ruchu. Są one odmienne od spo­so­bów poru­sza­nia się zwie­rząt. Orga­ni­zmy zwie­rzęce do poru­sza­nia się wyko­rzy­stują tkankę mięśniową, zbu­do­waną m.in. ze spe­cy­ficz­nych bia­łek kurcz­li­wych: mio­zyny, aktyny i innych.

Rośliny mogą się poru­szać, ale nie posia­dają cha­rak­te­ry­stycz­nej dla zwie­rząt zdol­no­ści loko­mo­cji, czyli samo­dziel­nego prze­miesz­cza­nia całego orga­ni­zmu. W odróżn­ie­niu od zwie­rząt nie posia­dają mięśni, roz­wi­nęły więc inne stra­te­gie ruchu. Wyróżnić tu należy m.in. ruchy wzro­stowe i tur­go­rowe. Pierw­sze są związane ze wzro­stem komórek two­rzących dany organ roślinny, zaś przy­czyną dru­gich są zmiany tur­goru, tj. stanu napięcia ściany komór­ko­wej pow­sta­jącego w wyniku ciśnie­nia hydro­sta­tycz­nego panu­jącego wew­nątrz komórek. W więk­szo­ści przy­pad­ków ruchy roślin są zbyt powolne lub sub­telne, byśmy mogli je dostrzec gołym okiem. Ist­nieje tu jed­nak wiele wyjąt­ków, na przy­kład ruchy liści zło­żo­nych mimozy wsty­dli­wej Mimosa pudica (Fot.1A) [2], czy liści pułap­ko­wych u roślin mięso­żer­nych, takich jak mucho­łówka ame­ry­kańska Dio­nea musci­pula czy rosiczka przy­ląd­kowa Dro­sera capen­sis (Fot.1B) [3].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Rośliny wyka­zu­jące ruch możl­iwy do zau­wa­że­nia gołym okiem; A – Mimoza wsty­dliwa Mimosa pudica, B – Rosiczka przy­ląd­kowa Dro­sera capen­sis

Oprócz wspom­nia­nych ruchów wzro­sto­wych i tur­go­ro­wych ist­nieją też inne. Do rza­dziej opi­sy­wa­nych, a przy tym bar­dzo inte­re­su­jących należą tak zwane ruchy higro­sko­powe. Nie jest trudno prze­pro­wa­dzić odpo­wied­nie obser­wa­cje i prze­ko­nać się o ich ist­nie­niu w przy­padku nawet pow­szech­nie występu­jących gatun­ków roślin.

Obser­wa­cje

Ruchy higro­sko­powe łatwo zaob­ser­wo­wać w przy­padku szy­szek wielu gatun­ków drzew i krze­wów igla­stych nale­żących do grupy roślin nago­na­sien­nych Gym­no­sper­mae. Można wyko­rzy­stać szyszki sosny Pinus, ja jed­nak, z powodu dostęp­no­ści w przy­do­mo­wym ogro­dzie swoje obser­wa­cje prze­pro­wa­dzi­łem w odnie­sie­niu do szy­szek świerka Picea.

Świer­kowe szyszki żeńs­kie są cylin­dryczne i zwi­sają do dołu (Fot.2). Po doj­rze­niu nasion opa­dają w cało­ści.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Szyszki żeńs­kie świerka Picea

Opi­sy­wane zja­wi­sko można zaob­ser­wo­wać oczy­wi­ście w natu­rze, ale chcąc zba­dać je w bar­dziej kon­tro­lo­wa­nych warun­kach należy szyszkę zer­wać z drzewa.

W warun­kach umiar­ko­wa­nej wil­got­no­ści powie­trza łuski szyszki są deli­kat­nie roz­chy­lone – można to zaob­ser­wo­wać na Fot.2.

Spróbujmy jed­nak umie­ścić szyszkę w śro­do­wi­sku bar­dziej nasy­co­nym w parę wodną. Można to uzy­skać poprzez zamk­nięcie szyszki w pojem­niku, na którego dnie umiesz­czono kilka warstw wil­got­nej bibuły. Innym spo­so­bem jest owi­nięcie szyszki wil­got­nym ręcz­ni­kiem papie­ro­wym i pozo­sta­wie­nie jej w cie­płym miej­scu. Już po nie­dłu­gim cza­sie (od kilku minut do kilku godzin) można wtedy stwier­dzić, że poprzed­nio wyraźnie odsta­jące łuski przy­le­gają teraz ści­śle do sie­bie (Fot.3A).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Wygląd szyszki żeńs­kiej świerka Picea w zależn­o­ści od wil­got­no­ści powie­trza; A – szyszka w warun­kach wyso­kiej wil­got­no­ści, B – szyszka w warun­kach niskiej wil­got­no­ści

Jaki efekt wywoła umiesz­cze­nie szyszki w suchym powie­trzu? Aby się o tym prze­ko­nać wystar­czy umie­ścić szyszkę w pobliżu grzej­nika lub zamk­nąć ją w szczel­nym pojem­niku ze środ­kiem suszącym (np. żelem krze­mion­ko­wym lub chlor­kiem wap­nia CaCl2), czyli w tak zwa­nym eksy­ka­to­rze. Po pew­nym cza­sie szyszka przyj­muje zupełnie inny wygląd niż poprzed­nio – łuski prze­stają do sie­bie przy­le­gać i roz­chy­lają się jesz­cze bar­dziej niż na początku (Fot.3B).

Przed­sta­wiona na Fot.4 sekwen­cja zdjęć przed­sta­wia spo­sób, w jaki poru­szają się łuski. W tym przy­padku jako pierw­sze na spa­dek wil­got­no­ści rea­gują łuski poło­żone bli­żej nasady szyszki.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Ruchy higro­sko­powe szyszki żeńs­kiej świerka Picea; A – 0 min. (moment umiesz­cze­nia szyszki w eksy­ka­to­rze), B – 30min, C – 180min, D – 300min

Opi­sany ciąg zda­rzeń jest pow­ta­rzalny. Łuski wyko­nują cha­rak­te­ry­styczne ruchy każd­o­ra­zowo pod­czas zmian wil­got­no­ści ota­cza­jącego powie­trza. W suchym powie­trzu, w cza­sie gdy łuski są roz­su­nięte wystar­czy deli­kat­nie potrząsnąć szyszką, by wysy­pały się z niej cha­rak­te­ry­styczne nasiona (Fot.5). Są one wypo­sa­żone w skrzy­dełka, co jest wyraźnym przy­sto­so­wa­niem do wia­tro­siew­no­ści (ane­mo­cho­rii).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Nasie­nie świerka Picea

Innym gatun­kiem roślin wyka­zu­jącym ruchy higro­sko­powe są kocanki ogro­dowe Xero­ch­ry­sum brac­te­a­tum. Roślina jest nazy­wana także nie­śmier­tel­ni­kiem i należy do rodziny astro­wa­tych Aste­ra­ceae. Gatu­nek ten pocho­dzi z Austra­lii, ale jest upra­wiany na całym świe­cie jako roślina ozdobna [4]. Kocanki nadają się szcze­gól­nie dobrze na suche bukiety – po wysu­sze­niu długo zacho­wują natu­ralne, świeże barwy.

Roz­ga­łęziona i pokryta wło­skami łodyga koca­nek ma zwy­kle 30 – 100cm wyso­ko­ści. Liście o dłu­go­ści do 10cm są cało­brze­gie, lan­ce­to­wate.

Kwiaty koca­nek, podob­nie jak u pozo­sta­łych astro­wa­tych, są zebrane w kwia­to­stany typu koszycz­ków o zre­du­ko­wa­nym kie­li­chu umiesz­czone na roz­sze­rzo­nych szczy­tach pędów (Fot.6). Barwne ele­menty nie są płat­kami korony, lecz łuskami okrywy ota­cza­jącymi koszy­czek zawie­ra­jący rze­czy­wi­ste kwiaty [5].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Kwia­to­stan koca­nek ogro­do­wych Xero­ch­ry­sum brac­te­a­tum; strzałk­ami zazna­czono łuski okrywy

Wspom­niane łuski wyka­zują bar­dzo wyraźne ruchy higro­sko­powe: w wil­got­nych warun­kach zamy­kają się chro­niąc kwia­to­stan, w suchych zaś otwie­rają. Do doświad­czeń dobrze jest wyi­zo­lo­wać poje­dyn­czą łuskę (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Łuska okrywy kwia­to­stanu koca­nek ogro­do­wych Xero­ch­ry­sum brac­te­a­tum

Łuskę wygod­nie jest umie­ścić w odpo­wied­nim uch­wy­cie chwy­ta­jąc ją za nasadę - dosko­nale w tym celu nadaje się nie­wielka pin­ceta. Ruch higro­sko­powy łuski naj­le­piej jest obser­wo­wać z boku. W warun­kach niskiej wil­got­no­ści łuska jest wygięta w cha­rak­te­ry­styczny spo­sób (Fot.8A). Po umiesz­cze­niu kro­pli wody w miej­scu zgięcia roz­po­czyna się widoczny nawet gołym okiem ruch (Fot.8B, C). Po kil­ku­dzie­sięciu sekun­dach łuska przyj­muje formę widoczną na Fot.8D.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Ruch higro­sko­powy łuski okrywy kwia­to­stanu koca­nek ogro­do­wych Xero­ch­ry­sum brac­te­a­tum; A – wysu­szona łuska, B – 0s (moment umiesz­cze­nia kro­pli wody w miej­scu zgięcia łuski), C – 30s, D – 60s

Także w tym przy­padku pro­ces jest odw­ra­calny – pod­czas wysy­cha­nia łuska wraca do począt­ko­wego ksz­tałtu.

Wyja­śnie­nie

Ruchy wzro­stowe jako związane z nie­rów­no­mier­nym wzro­stem komórek w różn­ych rejo­nach organu są nie­o­dw­ra­calne. Prze­ciw­nie, ruchy tur­go­rowe są zwy­kle odw­ra­calne. Oba typy ruchu zacho­dzą jed­nak tylko w orga­nach zbu­do­wa­nych z żywych komórek, ponie­waż pro­cesy te wyma­gają udziału aktyw­nego meta­bo­licz­nie pro­to­pla­stu [6].

Ruchy higro­sko­powe nie są związane ze zmia­nami tur­goru ani ze wzro­stem. W skład struk­tury orga­nów zdol­nych do tego rodzaju ruchu wcho­dzą naj­czę­ściej komórki mar­twe. Są one zbu­do­wane jedy­nie ze ścian komór­ko­wych, ponie­waż nie zawie­rają już pro­to­pla­stów.

Ruchy higro­sko­powe są powo­do­wane przez nie­rów­no­mierne odksz­tałc­e­nia ściany komór­ko­wej, wyni­ka­jące ze zmian wymia­rów ścian komór­ko­wych (kur­cze­nie się, pęcz­nie­nie) w wyniku różnic wysy­ce­nia wodą. Nie­jed­na­kowa odpo­wiedź ścian komór­ko­wych wiąże się często z odmien­nym uło­że­niem mikro­fi­bryli celu­lo­zo­wych w obrębie ściany [7].

Mecha­nizm pow­sta­wa­nia ruchów higro­sko­po­wych jest podobny do dzia­ła­nia skon­stru­o­wa­nych przez czło­wieka urządzeń, takich jak odksz­tałc­a­jący się pod wpły­wem zmian tem­pe­ra­tury bime­tal, czy bimorf rea­gu­jący w podobny spo­sób na przy­ło­że­nie do niego napięcia elek­trycz­nego.

Tak więc mecha­ni­zmy ruchu w przy­padku łusek szyszki świerka Picea jak i okrywy kwia­to­stanu koca­nek ogro­do­wych Xero­ch­ry­sum brac­te­a­tum są do sie­bie podobne. Dokład­niej­sze obser­wa­cje poczy­nione w przy­padku łusek okrywy koca­nek pozwa­lają stwier­dzić, że za wygięcie odpo­wiada nie cała wspom­niana struk­tura, lecz jedy­nie jej region poło­żony w pobliżu pod­stawy. Jest to to spo­wo­do­wane różn­i­cami w budo­wie komórek budu­jących wierzch­nią i spod­nią powierzch­nię łuski. Ta cecha jest zresztą cha­rak­te­ry­styczna dla wszyst­kich orga­nów roślin­nych zdol­nych do wyko­ny­wa­nia ruchów higro­sko­po­wych [8].

W obu opi­sa­nych przy­pad­kach ruchy higro­sko­powe mają na celu och­ronę deli­kat­nych struk­tur (nasion, kwia­tów) przed nie­ko­rzyst­nymi warun­kami śro­do­wi­ska. Tego typu mecha­ni­zmy są często wyko­rzy­sty­wane przez rośliny do roz­sie­wa­nia nasion. Dzieje się tak w przy­padku np. otwie­ra­nia tore­bek mydl­nicy Sapo­na­ria. Nasiona roślin z rodzaju iglic Ero­dium, przy­kła­dowo występu­jącej w Pol­sce iglicy pospo­li­tej Ero­dium cicu­ta­rium samo­czyn­nie zagrze­bują się w gle­bie, czy raczej wkręcają się w nią wła­śnie przy udziale ruchów higro­sko­po­wych [9].

Myślę, że Czy­tel­nik zgo­dzi się ze mną, że ruchy higro­sko­powe nie są wcale mniej inte­re­su­jące niż inne. Pełnią one ważną rolę w życiu wielu gatun­ków roślin i są przy tym sto­sun­kowo łatwe do zaob­ser­wo­wa­nia, co czyni je przy­dat­nymi w roz­bu­dza­niu cie­ka­wo­ści przy­rod­ni­czej.

Lite­ra­tura:

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Poni­żej przed­sta­wiam film nawiązu­jący do tematu arty­kułu.

Marek Ples

Aa