A jednak się porusza! Ruchy higroskopowe roślin
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (3/2016):
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].
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.
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).
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.
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).
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].
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).
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.
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:
- [1] Hall A.R., Galileo nel XVIII secolo, Rivista di filosofia, 15 (1979), str. 375-83 powrót
- [2] Ples M., Wstydliwa roślina, Biologia w Szkole, 6 (2015), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 52-56 powrót
- [3] Ples M., O rosiczce słów kilka, czyli wyhoduj żywą muchołapkę!, Biologia w Szkole, 1 (2016), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 51-56 powrót
- [4] Cheers G., Burnie G., Botanica, Könemann, 2005 powrót
- [5] Tołpa S., Radomski J., Botanika. Podręcznik dla Techników Rolniczych, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa, 1971 powrót
- [6] Kopcewicz J., Lewak S., Fizjologia Roślin, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2002, str. 588-599 powrót
- [7] Kopcewicz J., Lewak S., Fizjologia Roślin, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2002, str. 600 powrót
- [8] Schumacher W., Fizjologia, w: Strasburger E., Botanika: podręcznik dla szkół wyższych, Państwowe Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa, 1967 powrót
- [9] Stamp N. E., Self-burial behaviour of Erodium cicutarium seeds, Journal of Ecology, 72 (1984), str. 611–620 powrót
Autorem fotografii jest Marek Ples.
Uzupełnienie autora
Poniżej przedstawiam film ukazujący ruchy elementów szyszki świerku:
Następny film natomiast obrazuje ruchy łuski okrywy kwiatostanu kocanek:
Marek Ples