Weird Science

Biała czy czerwona?

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (2/2020):

Ilustracja

Ples M., Biała czy czer­wona? O wyższo­ści niek­tórych odmian cebuli w kon­tek­ście obser­wa­cji pla­zmo­lizy, Bio­lo­gia w Szkole, 2 (2020), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 54-57

Nie­wiele jest związ­ków che­micz­nych tak ważn­ych dla każd­ego żywego orga­ni­zmu jak oksy­dan, czyli ina­czej mono­tle­nek diwo­doru H2O, nazy­wany przez nas czę­ściej po pro­stu wodą. Woda występuje w w warun­kach stan­dar­do­wych w sta­nie cie­kłym. W sta­nie gazo­wym wodę okre­śla się mia­nem pary wod­nej, a w sta­łym sta­nie sku­pie­nia – jak wia­domo - lodem. Dzięki swoim wła­ści­wo­ściom che­micz­nym związek ten w warun­kach natu­ral­nych może występo­wać na Ziemi we wszyst­kich sta­nach sku­pie­nia, co jest wła­ści­wie ewe­ne­men­tem.

Woda jest pow­szech­nym roz­pusz­czal­ni­kiem związ­ków che­micz­nych o zna­cze­niu bio­lo­gicz­nym. Uczest­ni­czy w prze­biegu więk­szo­ści reak­cji meta­bo­licz­nych, sta­nowi ośro­dek tran­s­portu wew­nątrzu­stro­jo­wego (m.in. pro­duk­tów prze­miany mate­rii, sub­stan­cji odżyw­czych, hor­mo­nów i enzy­mów). Dzięki wyso­kiej war­to­ści cie­pła wła­ści­wego i cie­pła paro­wa­nia umożl­i­wia sprawną ter­mo­re­gu­la­cję. Wymie­nione powy­żej to tylko niek­tóre z powo­dów spra­wia­jących, że oma­wiana sub­stan­cja jest nie­o­dzow­nym uzu­pełn­ie­niem pokarmu wszyst­kich zna­nych orga­ni­zmów – cho­ciaż ich zapo­trze­bo­wa­nie na nią może być bar­dzo zróżn­i­co­wane. Woda sta­nowi śred­nio 70% masy doro­słego czło­wieka, w tym 60–70% limfy, 95% oso­cza krwi, 90% liści, owo­ców, 20% kości, 10% szkliwa zębów, tkanki tłusz­czo­wej.

Jeśli cho­dzi o rośliny, to wypra­co­wały one pewne mecha­ni­zmy związane z gospo­darką wodną odmienne niż w przy­padku zwie­rząt. Gospo­darkę taką rozu­mie się jako zespół pro­ce­sów fizjo­lo­gicz­nych, które umożl­i­wiają rośli­nom utrzy­ma­nie wła­ści­wej zawar­to­ści wody w tkan­kach. Odpo­wied­nie uwod­nie­nie tka­nek jest konieczne w celu zapew­nie­nia ciągło­ści pro­ce­sów meta­bo­licz­nych, tran­s­portu ksy­le­mo­wego i flo­e­mo­wego oraz utrzy­ma­nia ksz­tałtu komórek i całej rośliny. Ciśnie­nie panu­jące wew­nątrz komórek jest ważnym czyn­ni­kiem umożl­i­wia­jącym wzrost komórek. Jako roz­pusz­czal­nik woda umożl­i­wia tran­s­por­to­wa­nie asy­mi­la­tów i sub­stan­cji regu­la­to­ro­wych we flo­e­mie oraz soli mine­ral­nych w ksy­le­mie. Paro­wa­nie wody z nadziem­nych orga­nów roślin umożl­i­wia pow­sta­wa­nie tzw. siły ssącej, która jest siłą napędową tran­s­por­tu­jącą duże masy wody nawet kil­ka­dzie­siąt metrów w górę, jak ma to miej­sce w przy­padku wyso­kich drzew [1] [2].

W szkol­nej, uczel­nia­nej lub nawet hob­by­stycz­nej pra­cowni bio­lo­gicz­nej można prze­pro­wa­dzić wiele doświad­czeń związa­nych z gospo­darką wodną różn­o­rod­nych orga­ni­zmów. Przy­kła­dem mogą tu być prace uka­zu­jące zasadę zja­wi­ska osmozy przy wyko­rzy­sta­niu błon bio­lo­gicz­nych, a także budowa modelu obra­zu­jącego siłę ssącą liści [3] [4]. Innym zja­wi­skiem związa­nym z zagad­nie­niem tran­s­portu wody jest pla­zmo­liza, o której wspo­mi­na­łem już daw­niej w arty­ku­łach. Z kore­spon­den­cji z Sza­now­nymi Czy­tel­ni­kami wynika jed­nak, że pożądane jest, abym poświęcił więcej miej­sca samemu zja­wi­sku, jak i meto­dom jego obser­wa­cji w warun­kach pod­sta­wowo wypo­sa­żo­nej pra­cowni.

Doświad­cze­nie

Pla­zmo­lizę możemy obser­wo­wać w zróżn­i­co­wa­nych komór­kach wielu gatun­ków roślin. Naj­pow­szech­niej sto­suje się komórki skórki wew­nętrz­nych powierzchni liści spi­ch­rzo­wych cebuli zwy­czaj­nej Allium cepa.

Cho­ciaż wszy­scy uży­wamy w odnie­sie­niu do tego zna­nego wszyst­kim warzywa okre­śle­nia "cebula", to pra­wi­dłową nazwą bota­niczną jest w tym przy­padku czo­snek cebula. Roślina ta należy do rodziny ama­ryl­ko­wa­tych Ama­ryl­li­da­ceae - tej samej, w skład której wcho­dzi wiele roślin ozdob­nych, m.in nar­cyz trąb­kowy Nar­cis­sus pseu­do­nar­cis­sus [5].

Cebula jest jedną z naj­daw­niej upra­wia­nych przez czło­wieka roślin i obec­nie nie występuje już w sta­nie dzi­kim [4]. Roślina pocho­dzi praw­do­po­dob­nie z Azji Środ­ko­wej, ale dziś występuje prak­tycz­nie na całym świe­cie. Ślady wska­zu­jące na wyko­rzy­sta­nie cebuli znaj­do­wane są na wyko­pa­li­skach w Pale­sty­nie pocho­dzących z epoki brązu, sprzed około 5000 lat p.n.e - są to rysunki przed­sta­wia­jące to warzywo, a także jego zasto­so­wa­nie w celach kon­sump­cyj­nych [6].

Cała roślina, a głów­nie jej cebula jest bogata w przy­datne związki che­mi­cze, także w wita­miny. Występują w niej olejki lotne, takie jak dwu­siar­czek alilo-pro­py­lowy o cha­rak­te­ry­stycz­nym zapa­chu oraz inne siarczki i związki alki­lowe, w tym sub­stan­cje o sil­nych wła­ści­wo­ściach fiton­cy­do­wych, czemu cebula zna­la­zła zasto­so­wa­nie w medy­cy­nie ludo­wej i fito­te­ra­pii [7].

Dzięki pro­wa­dzo­nej przez wieki hodowli otrzy­mano wiele różn­ych, tak pod względem wyglądu, jak i smaku oraz war­to­ści odżyw­czych, odmian. Foto­gra­fia 1 przed­sta­wia cebule odmiany bia­łej i czer­wo­nej.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 1 – Cebula zwy­czajna; po lewej – odmiana biała, po pra­wej – odmiana czer­wona

Po prze­kro­je­niu możemy obser­wo­wać budowę wew­nętrzną tego inte­re­su­jącego organu roślin­nego (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

2 – Cebula w prze­kroju; po lewej – odmiana biała, po pra­wej – odmiana czer­wona

Cebula bul­bus jest sil­nie wyspe­cja­li­zo­wa­nym pędem podziem­nym o funk­cji spi­ch­rzo­wej i prze­tr­wal­ni­ko­wej, którego główną część sta­no­wią prze­ksz­tałc­one liście. Łodyga rośliny cebu­lo­wej jest mocno skrócona i przyj­muje postać tzw. piętki, na której gęsto osa­dzone są zgru­białe liście spi­ch­rzowe gro­ma­dzące sub­stan­cje zapa­sowe, przy czym liście zew­nętrzne są zwy­kle mar­twe i two­rzą łuski o funk­cji och­ron­nej. Część nadziemna rośliny bie­rze swój początek z tak zwa­nego pąka wierz­chołk­o­wego.

Jak widać, obie przed­sta­wione cebule nie różnią się budową, a jedy­nie kolo­rem. Oka­zuje się, że do obser­wa­cji pla­zmo­lizy bar­dziej przy­datna jest odmiana czer­wona – myślę, że powód takiego stanu rze­czy sta­nie się za parę chwil jasny.

Aby móc obser­wo­wać pla­zmo­lizę, naj­le­piej jest naciąć za pomocą skal­pela lub żyletki odpo­wiedni frag­ment skórki wew­nętrz­nej strony liścia spi­ch­rzo­wego w rejo­nie ozna­czo­nym na Fot.3 strzałką. Są to rejony szczy­towe liścia, po stro­nie prze­ciw­nej do umiej­sco­wie­nia piętki cebuli.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 3 – Miej­sce pobra­nia skórki liścia do doświad­cze­nia

Jak widać na Fot.4, w niek­tórych przy­pad­kach skórka tak łatwo daje się odwar­stwić od głębiej leżących warstw komórek, że można ją zdjąć z całej powierzchni liścia wła­ści­wie w jed­nym kawałku. Do doświad­czeń pole­cam pobie­rać jed­nak mniej­sze frag­menty.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 4 – Skórka liścia spi­ch­rzo­wego cebuli

Pra­wi­dłowo pobrany frag­ment skórki ma gru­bość jed­nej komórki i powi­nien szybko zostać umiesz­czony na szkiełku pod­sta­wo­wym w kro­pli wody, tak aby nie wysechł, a następ­nie przy­kryty szkiełk­iem nakryw­ko­wym. Obser­wa­cje pro­wa­dzimy w świe­tle prze­cho­dzącym, w jasnym polu.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot. 5 – Komórki skórki cebuli w powięk­sze­niu; A – odmiana biała, B – odmiana czer­wona

Foto­gra­fia 5 pozwala na stwier­dze­nie, że komórki skórki u obu odmian nie różnią się od sie­bie ksz­tałtem – są wydłu­żo­nymi wie­lo­kątami. W ich wnętrzu można zau­wa­żyć słabo widoczne jądra komór­kowe doci­śnięte do wew­nętrz­nej powierzchni błony komór­ko­wej poprzez sil­nie roz­ro­śnięte i zaj­mu­jące pra­wie całą dostępną objętość waku­ole (cyto­pla­zma two­rzy led­wie dostrze­galną war­stwę). Można zau­wa­żyć jed­nak pewną dosyć cie­kawą różn­icę: pro­to­plast komórek cebuli odmiany bia­łej jest prak­tycz­nie bez­barwny, nato­miast u odmiany czer­wo­nej ma wyraźne fio­le­towe zabar­wie­nie spo­wo­do­wane obec­no­ścią barw­ni­ków anto­cy­ja­no­wych. Takie natu­ralne wybar­wie­nie spra­wia, że obraz komórek odmiany czer­wo­nej cebuli jest dużo bar­dziej kon­tra­stowy niż w przy­padku odmiany bia­łej, co zde­cy­do­wa­nie uła­twia obser­wa­cje mikro­sko­powe, m.in. w trak­cie pla­zmo­lizy. Z tego powodu wyko­rzy­sta­nie cebuli odmiany czer­wo­nej jest godne pole­ce­nia do wyko­rzy­sta­nia w prak­tyce szkol­nej.

Aby zaob­ser­wo­wać pla­zmo­lizę badane komórki należy umie­ścić na kilka, kil­ka­na­ście minut np. w dosyć stężo­nym roz­two­rze glu­kozy lub sacha­rozy (roz­two­rze hiper­to­nicz­nym względem wnętrza komórki), po czym pow­tórzyć obser­wa­cje. Możemy wtedy zano­to­wać wyraźną zmianę: waku­ola wraz z całym pro­to­pla­stem zmniej­sza wyraźnie swoją objętość i zaczyna wyraźnie odsta­wać od ściany komór­ko­wej (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – pla­zmo­liza komórek skórki liści spi­ch­rzo­wych czer­wo­nej odmiany cebuli

Różn­ica sta­nie się jesz­cze bar­dziej wyraźna, jeśli porów­namy Fot.6 z Fot.5B. Pla­zmo­lizę możemy odw­rócić (o ile w jej trak­cie nie zostały zbyt­nio usz­ko­dzone błony bio­lo­giczne komórki) po prze­nie­sie­niu pre­pa­ratu do roz­tworu hipo­to­nicz­nego, tj. o mniej­szym stęże­niu niż we wnętrzu pro­to­pla­stu.

Wyja­śnie­nie

Pla­zmo­liza powo­duje utratę tzw. tur­goru, czyli stanu napięcia ściany komór­ko­wej spo­wo­do­wa­nego dzia­ła­niem ciśnie­nia hydro­sta­tycz­nego panu­jącego wew­nątrz komórki. Efek­tem ist­nie­nia tur­goru jest stan jędr­no­ści tka­nek roślin­nych oraz możl­i­wość zacho­wa­nia ksz­tałtu i sztyw­no­ści nawet tych ele­men­tów, które pozba­wione są typo­wych tka­nek mecha­nicz­nych.

Osmoza jest zja­wi­skiem występu­jącym w przy­padku, kiedy roz­twory o różnym stęże­niu zostaną roz­dzie­lone barierą półp­rze­pusz­czalną. Bariera posiada tę cechę, że cząsteczki roz­pusz­czal­nika mogą się przez nią prze­miesz­czać bez więk­szych trud­no­ści, zaś cząsteczki sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej w dużo mniej­szym stop­niu. Osmoza zacho­dzi spon­ta­nicz­nie w kie­runku od roz­tworu o niższym stęże­niu do roz­tworu o wyższym, co pro­wa­dzi do wyrów­na­nia obu stężeń. Efek­tem tego jest powięk­sze­nie się objęto­ści roz­tworu bar­dziej stężo­nego, zmniej­sza­nie zaś mniej stężo­nego. Jaki jed­nak mecha­nizm stoi za tym feno­me­nem?

Klu­czem do zro­zu­mie­nia osmozy jest fakt ist­nie­nia dyfu­zji, jako samo­rzut­nego (spon­ta­nicz­nego) pro­cesu roz­prze­strze­nia­nia się cząste­czek lub ener­gii w każdym ośrodku o tem­pe­ra­tu­rze wyższej od zera bezw­zględ­nego, co jest spo­wo­do­wane cha­o­tycz­nymi zde­rze­niami cząste­czek budu­jących roz­pa­try­wany układ. Wpro­wa­dze­nie do układu bariery półp­rze­pusz­czal­nej roz­dzie­la­jącej roz­twory o różnym stęże­niu pozwala na obser­wa­cję inte­re­su­jących pra­wi­dło­wo­ści, których zro­zu­mie­nie powi­nien pomóc Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 - Osmoza; opis w tek­ście

Począt­kowo (Rys.1.A) po obu stro­nach bariery półp­rze­pusz­czal­nej (szara) występują różne stęże­nia sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej (żółte koła) w ten spo­sób, że w lewej czę­ści naczy­nia stęże­nie jest mniej­sze niż w pra­wej. Pamiętajmy też, że przez barierę prze­ni­kać mogą tylko cząsteczki roz­pusz­czal­nika (nie­bie­ski), zaś cząsteczki sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej nie posia­dają tej zdol­no­ści. W takiej sytu­a­cji cząsteczki roz­pusz­czal­nika mają częst­szy kon­takt z barierą po stro­nie o niższym stęże­niu, ponie­waż po prze­ciw­nej stro­nie ist­nieje więk­sza ilość cząste­czek sub­stan­cji roz­pusz­czo­nej, jako swego rodzaju kon­ku­ren­tów. Powo­duje to, że więcej cząste­czek roz­pusz­czal­nika prze­nika przez błonę w kie­runku od roz­tworu mniej stężo­nego do bar­dziej stężo­nego, niż odw­rot­nie - zja­wi­sko to nazy­wamy wła­śnie osmozą (czarna strzałka). Po pew­nym cza­sie możemy zaob­ser­wo­wać zmianę objęto­ści roz­two­rów - w przy­padku roz­tworu mniej stężo­nego zmniej­szyła się (stęże­nie wzro­sło), a u dru­giego zwięk­szyła się (stęże­nie zma­lało), co obra­zuje Rys.1.B.

Pla­zmo­liza jest wyni­kiem osmozy, w której rolę bariery półp­rze­pusz­czal­nej pełnią błony bio­lo­giczne. W momen­cie zanu­rze­nia komórki w bar­dziej stężo­nym w sto­sunku do jej wnętrza roz­two­rze woda zaczyna wypły­wać przez błony bio­lo­giczne – np. błonę ota­cza­jącą waku­olę, czy błonę komór­kową – na zew­nątrz, co pociąga za sobą odwod­nie­nie komórki i zmniej­sze­nie się objęto­ści pro­to­pla­stu. Prze­nie­sie­nie komórki, u której zaob­ser­wo­wano już pla­zmo­lizę, do roz­tworu hipo­to­nicz­nego spo­wo­duje napływ wody do komórki i odzy­ska­nie tur­goru, co nazy­wamy depla­zmo­lizą. Zarówno pla­zmo­liza (poprzez odwod­nie­nie komórki), jak i depla­zmo­liza (poprzez rozer­wa­nie błon) mogą – choć nie muszą – pro­wa­dzić do śmierci komórki.

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

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.

Marek Ples

Aa