Weird Science

Roślinny bokser

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (3/2020):

Ilustracja

Ples M., Roślinny bok­ser? Szyb­kie ruchy pręci­ków ber­be­rysu, Bio­lo­gia w Szkole, 3 (2020), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 81-85

Szyb­kie ruchy pręci­ków ber­be­rysu

Zaw­sze mnie zasta­na­wiało, dla­czego zde­cy­do­wana więk­szość ludzi - nie tylko lai­ków w dzie­dzi­nie bio­lo­gii - uważa rośliny za orga­ni­zmy bar­dziej pry­mi­tywne od zwie­rząt. To wła­śnie te ostat­nie (z nie­licz­nymi i to sto­sun­kowo nie­dawno odkry­tymi wyjąt­kami) nie są prze­cież wypo­sa­żone we wspa­niały mecha­nizm pozwa­la­jący na bez­po­śred­nie pobie­ra­nie ener­gii na wła­sny uży­tek z łatwo dostęp­nego świa­tła sło­necz­nego. Prze­ko­na­nie o więk­szej pry­mi­tyw­no­ści roślin w sto­sunku do zwie­rząt ma z pew­no­ścią pod­łoże w ich odmien­no­ści od nas samych. Jako ludzie nale­żymy wła­śnie do króle­stwa zwie­rząt i łatwiej nam zro­zu­mieć - a przy­najm­niej zwy­kle tak sądzimy - innych przed­sta­wi­cieli tej samej grupy. Orga­nizm roślinny wydaje nam się mniej zaa­wan­so­wany choćby dla­tego, że z naszego punktu widze­nia nie broni się on np. przed mani­pu­la­cjami, pod­czas gdy każde zwie­rzę powo­do­wane instynk­tem samo­za­cho­waw­czym będzie się sta­rało, w miarę możl­i­wo­ści, chro­nić swoje życie. Jest to oczy­wi­ście nie­prawdą, ponie­waż rośliny także posia­dają odpo­wied­nie do ich potrzeb mecha­ni­zmy obronne [1] [2]. Często są one jed­nak trud­niej­sze do zaob­ser­wo­wa­nia dla naszych zmy­słów (i mniej oczy­wi­ste niż ucieczka zwie­rzęcia) co ma związek z odmien­nymi stra­te­giami ewo­lu­cyj­nymi przy­jętymi przez te grupy orga­ni­zmów.

Jedną z istot­nych różnic między rośli­nami a zwie­rzętami jest brak zdol­no­ści tych pierw­szych do ruchu w rozu­mie­niu loko­mo­cji, tj. auto­no­micz­nego prze­miesz­cze­nia się całego orga­ni­zmu. Mimo to, orga­ni­zmy roślinne są jak naj­bar­dziej zdolne do całej gamy ruchów innego rodzaju, zde­cy­do­wa­nie odmien­nych w swym mecha­ni­zmie od ruchów zwie­rzęcych opar­tych głów­nie na wyko­rzy­sta­niu mięśni.

Ruch w świe­cie roślin - jeśli bie­rzemy pod uwagę struk­tury żywe, ponie­waż ist­nieją także mecha­ni­zmy oparte na wyko­rzy­sta­niu ele­men­tów mar­twych, np. ruchy higro­sko­powe łusek okrywy kwia­to­stanu kocanki ogro­do­wej Xero­ch­ry­sum brac­te­a­tum, a także ele­men­tów szy­szek świerka Picea abies [3] - jest prze­ja­wem głów­nie wzro­stu komórek (ruchy wzro­stowe) lub zmian ciśnie­nia wew­nątrz nich (ruchy tur­go­rowe).

Ilustracja
Ruch łuski okrywy kwia­to­stanu kocanki
ani­ma­cja: doda­tek autora
Ilustracja
Szyszka świerku
ani­ma­cja: doda­tek autora

Naj­czę­ściej przy­ta­czany podział ruchów roślin­nych obej­muje:

Tro­pi­zmy są reak­cjami roślin wywo­ła­nymi ukie­run­ko­wa­nym bodźcem i są to ruchy wzro­stowe, u pod­łoża których leży nie­rów­no­mierne roz­miesz­cze­nie odpo­wied­nich hor­mo­nów roślin­nych (auk­syn) w obrębie tka­nek. Tro­pi­zmy są ruchami polar­nymi: mogą być dodat­nie, kiedy organ kie­ruje się do miej­sca o sil­niej­szym dzia­ła­niu bodźca, lub ujemny (w przy­padku prze­ciw­nej reak­cji). W zależn­o­ści od rodzaju bodźca wywo­łu­jącego dany tro­pizm możemy wyróżnić np. foto­tro­pizm, geo­tro­pizm, hydro­tro­pizm, ter­mo­tro­pizm i inne.

Tak­sjami nato­miast nazy­wamy ruchy całych nie­wiel­kich orga­ni­zmów (np. orzęsków Cil­liata) będące reak­cją na ukie­run­ko­wany bodziec - mogą więc być one, podob­nie jak tro­pi­zmy, dodat­nie lub ujemne. Ruchy te służą poszu­ki­wa­niu naj­lep­szych dla danego orga­ni­zmu warun­ków śro­do­wi­sko­wych, np. tem­pe­ra­tury (ter­mo­tak­sja), stęże­nia okre­ślo­nych związ­ków che­micz­nych (che­mo­tak­sja), natęże­nia świa­tła (foto­tak­sja) i wielu innych.

O nastiach mówimy w przy­padku ruchów wygięcio­wych, których kie­ru­nek jest nie­za­leżny od dzia­ła­nia bodźca. Nastie, w prze­ci­wieńs­twie do tro­pi­zmów, są w więk­szo­ści ruchami spo­wo­do­wa­nymi przez zmiany tur­goru przy­sto­so­wa­nych do tego celu komórek. Bio­rąc pod uwagę rodzaj bodźca można wyróżnić m.in. che­mo­na­stię, ter­mo­na­stię, sej­smo­na­stię (odpo­wiedź na bodźce mecha­niczne, ale też ter­miczne i elek­tryczne) i foto­na­stię [4].

Poru­sza­nie się roślin jest zwy­kle nie­zau­wa­żalne gołym okiem i jego efekty możemy dostrzec dopiero po dłuższym cza­sie. Chcąc zaob­ser­wo­wać zja­wi­sko ruchu roślin możemy jed­nak wyko­rzy­stać tech­nikę foto­gra­fii poklat­ko­wej. Jest to jed­nak dosyć żmudny pro­ces.

Ist­nieją rośliny, których ruch jest możl­iwy do zaob­ser­wo­wa­nia gołym okiem, bez pośred­nic­twa urządzeń. Można tu wymie­nić na przy­kład niek­tóre rośliny mięso­żerne, jak np. mucho­łówka ame­ry­kańską Dio­naea musci­pula, której liście pułap­kowe chwy­ta­jąc ofiarę zamy­kają się zwy­kle w cza­sie rzędu sekund, a także przed­sta­wi­cieli rosi­czek.

Ilustracja
Mrówka sch­wy­tana przez liść pułap­kowy rosiczki przy­ląd­ko­wej
ani­ma­cja: doda­tek autora

Przed­sta­wi­cie­lem wyjąt­kowo ruch­li­wych roślin innych niż mięso­żerne jest nato­miast mimoza wsty­dliwa Mimosa pudica, nazy­wana ina­czej czułk­iem wsty­dli­wym [5]. Wyka­zuje ona bar­dzo wyraźne ruchy sej­smo­na­styczne: ele­menty jej liści zło­żo­nych (Fot.1A) po nawet deli­kat­nym dotk­nięciu w ciągu paru sekund stu­lają się razem (Fot.1B).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Sej­smo­na­stia mimozy wsty­dli­wej; A – liść roz­ło­żony (strzałką wska­zano miej­sce przy­ło­że­nia bodźca mecha­nicz­nego), B – liść stu­lony w wyniku ruchów sej­smo­na­stycz­nych
Ilustracja
Ruch liści mimozy
ani­ma­cja: doda­tek autora

Można sądzić, że rośliny, które wyka­zują szyb­kie ruchy są przed­sta­wi­cie­lami jedy­nie egzo­tycz­nych gatun­ków. Oka­zuje się jed­nak, że także wśród gatun­ków występu­jących natu­ral­nie na tere­nie Pol­ski także można zna­leźć takie, których ruchy z łatwo­ścią będziemy mogli zaob­ser­wo­wać gołym okiem.

Ber­be­rys

Wspom­nianą rodzimą i ruch­liwą rośliną jest ber­be­rys zwy­czajny Ber­be­ris vul­ga­ris, ina­czej nazy­wany też kwa­śnicą. Oma­wiana roślina jest krze­wem nale­żącym do rodziny ber­be­ry­so­wa­tych Ber­be­ri­da­ceae.

Ber­be­rys zwy­czajny występo­wał kie­dyś pospo­li­cie na całym obsza­rze Pol­ski - podob­nie jak i w całej kon­ty­nen­tal­nej czę­ści Europy, a także (jako zaw­le­czony) na Półw­y­spie Skan­dy­naw­skim i Wyspach Bry­tyj­skich. Rósł na mie­dzach, zbo­czach, w zaro­ślach i na obrze­żach lasów. Już dawno rol­nicy zau­wa­żyli jed­nak, że obec­ność ber­be­rysu może być szko­dliwa dla oko­licz­nych upraw, ponie­waż krzew ten jest żywi­cie­lem pośred­nim rdzy zbo­żo­wej Puc­ci­nia gra­mi­nis - grzyb ten wywo­łuje groźną cho­robę zbóż zwaną rdzą źdźb­łową [6]. Stało się to powo­dem pra­wie całk­o­wi­tego wynisz­cze­nia tej rośliny w natu­rze. Dla­tego, jeśli spot­kamy gdzieś ber­be­rys zwy­czajny, to obser­wujmy tą roślinę, ale jej nie usz­ka­dzajmy.

Gatunki pokrewne rodzi­memu są dziś często wyko­rzy­sty­wany jako rośliny ozdobne. Tak jest np. z ber­be­ry­sem Thun­berga Ber­be­ris thun­ber­gii pocho­dzącym z Japo­nii (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Ber­be­rys Thun­berga

Ber­be­rysy posia­dają cier­nie, w ich kątach wyra­stają liście i kwiaty. Blaszka liściowa nie­po­dzie­lona, piłk­o­wana. Mój ber­be­rys Thun­berga należy do odmiany Atro­pur­pu­rea, czyli jed­nej z naj­czę­ściej sadzo­nych. Jego liście nie są zie­lone, a pur­pu­rowo-czer­wone. Roz­ro­śnięta roślina ma cha­rak­te­ry­styczny kopu­la­sty pokrój.

Tkanki ber­be­rysu zawie­rają duże ilo­ści inte­re­su­jącego związku che­micz­nego, nazy­wa­nego ber­be­ryną C20H18NO4+. Sub­stan­cja ta wyka­zuje silną aktyw­ność bio­lo­giczną na wielu polach: działa prze­ciw­bak­te­ryj­nie, prze­ciw­pier­wot­nia­kowo, prze­ciw­bie­gun­kowo, prze­ciw­ra­kowo, prze­ciw­cu­krzy­cowo, prze­ciw­nad­ci­śnie­niowo, anty­de­pre­syjno, prze­ciw­za­pal­nie oraz obniża poziom cho­le­ste­rolu. Trzeba jed­nak wspom­nieć, że posiada też liczne dzia­ła­nia nie­po­żądane, np. związane z uwal­nia­niem bili­ru­biny z jej nie­roz­pusz­czal­nego kom­pleksu z albu­miną we krwi [7]. Ber­be­ryna ma dodat­kowo inte­re­su­jące wła­ści­wo­ści optyczne: nadzwy­czaj sil­nie flu­o­ry­zuje w kon­tak­cie z świa­tłem ultra­fio­le­to­wym, a barwa wypro­mie­nio­wa­nego świa­tła jest żółt­o­zie­lona [8].

Nas jed­nak naj­bar­dziej inte­re­sują dziś organy gene­ra­tywne oma­wia­nej rośliny, ponie­waż to wła­śnie one - czy raczej okre­ślone ich ele­menty - wyka­zują cie­kawe przy­sto­so­wa­nie związane z ruchem.

Kwiaty ber­be­rysu są drobne, o bar­wie żółtej (Fot.3). Są zgru­po­wane w bal­da­chy i nie­zbyt mocno, ale przy­jem­nie pachną.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Kwiaty ber­be­rysu na tle rośliny

Pręciki i słupki doj­rze­wają jed­no­cze­śnie. Kwiaty z racji nie­wiel­kich wymia­rów nie są naj­bar­dziej ozdob­nym ele­men­tem ber­be­rysu, ale trzeba przy­znać, że w okre­sie kwit­nie­nia (na wio­snę) roślina jest jesz­cze ład­niej­sza - kon­trast między barwą liści i kwia­tów może być źródłem naprawdę miłych wra­żeń natury este­tycz­nej. Ber­be­rys jest owa­do­pylny.

Budowę kwiatu obra­zuje narys przed­sta­wiony na Rys.1 [9] [10].

Ilustracja
Rys. 1 – Narys kwia­towy ber­be­rysu

Jak widać, zarówno kie­lich kie­lich calyx, jak i korona corolla zawie­rają po dwa okółki zło­żone z trzech ele­men­tów, odpo­wied­nio dzia­łek kie­li­cha sepala i płat­ków petala. Podob­nie jest zbu­do­wane pręci­ko­wie, w skład którego wcho­dzi sześć pręci­ków sta­men. Słu­pek pistyl­lum jest zbu­do­wany z jed­nego owo­co­listka car­pel­lae. U pod­stawy płat­ków znaj­dują się miod­niki nec­ta­ria wydzie­la­jące nek­tar, który wabi owady zapy­la­jące ber­be­rys. Opi­sane ele­menty można zoba­czyć na Fot.4.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Kwiat ber­be­rysu, A – wygląd natu­ralny, B – po usu­nięciu ele­men­tów korony i roz­chy­le­niu dzia­łek kie­li­cha

Foto­gra­fia 4A przed­sta­wia natu­ralny wygląd kwia­tów – możemy z łatwo­ścią zaob­ser­wo­wać pięk­nie wybar­wione działki kie­li­cha, koronę i zna­mię słupka. Płatki jed­nak zakry­wają przed naszym wzro­kiem pręciki, a to wła­śnie one posia­dają zdol­ność szyb­kiego ruchu. Można oczy­wi­ście pro­wa­dzić obser­wa­cje nawet w takim przy­padku, ale łatwiej jest to zro­bić pre­pa­ru­jąc wcze­śniej odpo­wied­nio kwiat, poprzez deli­katne odcięcie lub oder­wa­nie pęsetą płat­ków korony przy ich pod­sta­wie (w pobliżu uwi­docz­nio­nych w ten spo­sób miod­ni­ków), tak by nie usz­ko­dzić pozo­sta­łych ele­men­tów kwiatu (fot. 4B). W ten spo­sób zostają pięk­nie wyek­s­po­no­wane pręciki. Przy­znam, że opi­sana ope­ra­cja wymaga pew­nej ręki i dobrego oka (lub szkła powięk­sza­jącego) jed­nak po odro­bi­nie tre­ningu jest możl­iwa do wyko­na­nia nie tylko przy stole labo­ra­to­ryj­nym na kwie­cie odciętym z rośliny, ale także na zew­nątrz, bez­po­śred­nio na krze­wie. Oczy­wi­ście, w przy­padku odcięcia kwiatu od rośliny obser­wa­cje trzeba prze­pro­wa­dzić sto­sun­kowo szybko, tak by nie doszło jesz­cze do obu­mar­cia i odwod­nie­nia tka­nek.

Wynik przy­kła­do­wych obser­wa­cji ruchów pyl­ni­ków ber­be­rysu przed­sta­wia foto­gra­fia 5. Począt­kowo pręciki są rów­no­mier­nie roz­chy­lone na zew­nątrz, a linia łącząca pyl­niki the­cae two­rzy dosyć regu­larny okrąg (Fot.5A). Wystar­czy jed­nak – nawet nadzwy­czaj deli­kat­nie – dotk­nąć pręcika przy pomocy igły pre­pa­ra­cyj­nej lub innego narzędzia (fot. 5B), aby móc zoba­czyć inte­re­su­jące zja­wi­sko. Mia­no­wi­cie tuż po kon­tak­cie cały pręcik wyko­nuje bar­dzo szybki ruch (trwa­jący zale­d­wie uła­mek sekundy) zbli­ża­jąc się w kie­runku słupka (Fot.5C). Foto­gra­fia dla łatwiej­szego porów­na­nia pozy­cji słup­ków sprzed i po wyko­na­niu ruchu przed­sta­wia efekt dotk­nięcia jedy­nie dwóch pręci­ków, ale opi­saną zdol­ność prze­ja­wiają wszyst­kie z nich.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Sej­smo­na­stia pręci­ków ber­be­rysu; A – stan począt­kowy, pręciki wypro­sto­wane, B – tuż przed dotk­nięciem pręci­ków igłą a, C – dotk­nięte pręciki zgięte do słupka w wyniku ruchu sej­smo­na­stycz­nego (zazna­czone okręgiem)
Ilustracja
Ruch pręci­ków
ani­ma­cja: doda­tek autora

Warto zazna­czyć, że opi­sany ruch sej­smo­na­styczny nie jest w żad­nym razie jed­no­ra­zowy. Już po upły­wie pew­nego czasu pręciki – o ile kwiaty nie zostały odcięte od rośliny lub dostar­czono im w inny spo­sób wody i skład­ni­ków odżyw­czych – wra­cają do pier­wot­nego poło­że­nia. Pręciki tuż po wyko­na­niu ruchu, jak już widzie­li­śmy, przy­le­gają do słupka (Fot.6A). Po upły­wie kil­ku­dzie­sięciu minut docho­dzi do wypro­sto­wa­nia pręci­ków, po czym są one zdolne do wyko­na­nia kolej­nego cyklu ruchu typu zgięcie-wypro­sto­wa­nie (Fot.6B). Można też zau­wa­żyć tutaj pewne wygięcie dzia­łek kie­li­cha, ale jest ono spo­wo­do­wane naj­praw­do­po­dob­niej ich wysy­cha­niem pod wpły­wem oświe­tle­nia koniecz­nego przy wyko­ny­wa­niu zdjęcia.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Pow­rót pręci­ków do poło­że­nia wyj­ścio­wego; A – tuż po sej­smo­na­stii (pręciki zgięte w kie­runku słupka), B – po upły­wie 1h (pręciki w dużej mie­rze pow­róciły do stanu wyj­ścio­wego)
Ilustracja
Relak­sa­cja pręci­ków
ani­ma­cja: doda­tek autora

Opi­sane obser­wa­cje są bar­dzo inte­re­su­jące i, mimo nie­wiel­kiej skali, naprawdę wido­wi­skowe. Ozdobne odmiany ber­be­ry­sów są często spo­ty­kane w naszych ogro­dach, ale także w miej­skich par­kach, jako nie­wiel­kie żywo­płoty itp. Zapew­nia to wysoką dostęp­ność mate­riału do badań, co jest nie­o­ce­nione z punktu widze­nia każd­ego przy­rod­nika

Wyja­śnie­nie

Ruchy pręci­ków ber­be­rysu są nie­wąt­pli­wie powo­do­wane zmianą tur­goru w gru­pach spe­cy­ficz­nych komórek. Dotyk powo­duje prze­miesz­cze­nie się okre­ślo­nych jonów w poprzek błony komór­ko­wej. W przy­padku zmian tur­goru komórek odpo­wie­dzial­nych za ruchy sej­smo­na­styczne naj­ważn­iej­szym czyn­ni­kiem wydaje się być ruch katio­nów potasu K+. W wyniku pobu­dze­nia są one inten­syw­nie tran­s­por­to­wane na zew­nątrz komórek, co pociąga za sobą także wypływ wody z pro­to­pla­stów. Tur­gor wspom­nia­nych komórek ulega obni­że­niu, co skut­kuje zmianą ich wymia­rów, która cho­ciaż nie­wielka, to dzięki dużej licz­bie sumuje się do postaci obser­wo­wa­nego ruchu. Pow­rót do stanu wyj­ścio­wego wymaga prze­tran­s­por­to­wa­nia wody ponow­nie do wnętrza komórek, co zaj­muje rośli­nie nieco czasu.

W jakim celu roślina wyksz­tałc­iła tak cie­kawy mecha­nizm ruchu pręci­ków? Myślę, że odpo­wiedź na to pyta­nie nie będzie zbyt trudna dla Czy­tel­nika, ale mimo wszystko posta­ram się odpo­wie­dzieć. Jest to oczy­wi­ście przy­sto­so­wa­nie do owa­do­pyl­no­ści. Jeśli spoj­rzymy na Fot.4A, to z łatwo­ścią zau­wa­żymy, że owad chcący się dostać do nek­taru pro­du­ko­wa­nego u pod­stawy płat­ków musi zna­leźć drogę przez nie­wielki otwór wytwo­rzony przez zbie­ga­jące się płatki korony, a następ­nie przejść między słup­kiem a pręci­kami. Te ostat­nie, w momen­cie ich dotk­nięcia wyko­nują ruchy, nie­jako ude­rza­jąc pyl­ni­kami ama­tora nek­taru, co oczy­wi­ście było inspi­ra­cją dla tytułu niniej­szego opra­co­wa­nia. W ten spo­sób na powierzchni ciała zapy­la­cza zostaje zde­po­no­wane dużo więcej pyłku, niż gdyby pręciki pozo­sta­wały nie­ru­chome. Z dru­giej strony, doci­śnięcie owada do słupka zwięk­sza szansę prze­nie­sie­nia już znaj­du­jącego się na nim pyłku na zna­mię rośliny. Jak więc widać, sej­smo­na­stia ber­be­rysu może wydat­nie zwięk­szać szanse rośliny na tran­s­port jej pyłku i zapy­le­nie (a więc roz­ród), co z punktu widze­nia każd­ego orga­ni­zmu żywego jest żywot­nym pro­ble­mem.

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