Iglica pospolita - roślinna katapulta i ruchliwe nasiona
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (3/2020):
W niniejszym artykule chciałbym kontynuować wątek zjawiska ruchu w świecie roślin. W poprzednich spotkaniach z tym tematem przekonaliśmy się już, że rośliny jak najbardziej są zdolne do poruszania się – z tym jednak, że powody i cele ich ruchów, podobnie zresztą jak stojące za tym mechanizmy, są zupełnie inne niż u zwierząt. Ma to związek z odmiennością fizjologii przedstawicieli królestw zwierząt Animalia i roślin Plantae, co wynika z różnych dróg ewolucyjnych, którymi oni podążali.
Łatwą do zauważenia na pierwszy rzut oka różnicą między roślinami a zwierzętami jest brak zdolności tych pierwszych do ruchu w rozumieniu lokomocji, tj. autonomicznego przemieszczenia się całego organizmu. Skoro rośliny nie mogą się przemieszczać z miejsca na miejsce tak jak zwierzęta, to w jaki sposób zajmują one nowe obszary?
Dla roślin najważniejszym mechanizmem kolonizowania nowych siedlisk nie jest przemieszczanie się pojedynczych osobników (lokomocja), lecz rozprzestrzenianie diaspor. Mianem tym (z gr. dia - przez, na wskroś, sporos - nasiono) określa się każdy twór roślinny, który służy do rozmnażania i rozprzestrzeniania. W podobnym znaczeniu diaspory wytwarzają także grzyby [1]. Diasporą może być więc zarówno cały organizm, jak i jego część zdolna do wytworzenia nowego osobnika. Diaspory dzielą się na generatywne (nasiona, owoce i owocostany) i wegetatywne (fragmenty plechy, bulwy i bulwki, kłącza, turiony, rozmnóżki, zarodniki) [2].
Oczywiście poza rozprzestrzenianiem się przez rozsiewanie nasion rośliny wykonują także inne ruchy, np. związane z chwytaniem pokarmu zwierzęcego (muchołówka amerykańska Dionea muscipula, rosiczka przylądkowa Drosera capensis), zapylaniem (berberys zwyczajny Berberis vulgaris) czy ochroną kwiatów przez niekorzystnymi warunkami środowiska (kocanki Xerochrysum), ale są one zwykle – z rzadkimi wyjątkami – dosyć powolne [3] [4] [5]. Chcąc je zaobserwować zjawisko ruchu roślin musimy zwykle jednak wykorzystywać technikę fotografii poklatkowej.
Okazuje się jednak, że istnieją rośliny, które posiadają zdolność do nadawania swoim elementom tak wielkich prędkości, że abyśmy mogli je obserwować jest konieczne wykorzystanie specjalnych technik filmowych pozwalających na spowolnienie zarejestrowanego obrazu. Nasiona rośliny, którą mam na myśli, posiadają dodatkowo zdolność do samodzielnego… zakopywania się w podłożu. Co ciekawe, wspomniany organizm nie należy wcale do przedstawicieli gatunków egzotycznych i można go odnaleźć na terenie naszego kraju.
Iglica
Iglica pospolita Erodium cicutarium należy do rzadko do tej pory wspominanej w moich pracach rodziny bodziszkowatych Geraniaceae. Rodzaj Erodium obejmuje - w zależności od źródła - od 60 do nawet 130 potwierdzonych gatunków [6] [7]. Iglice żyją przeważnie w miejscach niezbyt gościnnych, a więc piaszczystych i skalistych. Europa południowa oferuje największe bogactwo gatunkowe tych roślin, ale można spotkać je też na innych kontynentach. Będąca przedmiotem naszego zainteresowania iglica pospolita występuje w Polsce w stanie dzikim (jest najprawdopodobniej archeofitem), ale niektóre pokrewne gatunki bywają uprawiane jako rośliny ozdobne. Poza tym żyje ona wszędzie, poza Antarktydą.
Z pewnych względów, które staną się zrozumiałe za chwilę, iglica bywa zwyczajowo nazywana bocianim noskiem lub noskami (także dziobami, dziobkami), bocianami, bocianim dziobem, dziębrenoskami i bekaskiem szaleniowym.
Iglica pospolita wyraźnie preferuje gleby kwaśne i lekkie, piaszczyste lub piaszczysto-gliniaste, a przy tym zasobne w składniki pokarmowe - jest rośliną zdecydowanie azotolubną. Można ją spotkać na terenach wykorzystywanych rolniczo, przez co jest traktowana jako chwast w uprawach roślin okopowych i zbóż, w tym kukurydzy - często można ją zaobserwować także w koniczynie. Obecność iglicy w uprawach może prowadzić do nadmiernego przesuszenia gleby i jej wyjałowienia. Dodatkowo jej szybki wzrost często powoduje zagłuszanie siewek innych roślin. Dzięki swoim przystosowaniom iglica może się też bardzo sprawnie rozmnażać, a także rozsiewać swoje nasiona na stosunkowo dużym obszarze [8] [9].
W naszym klimacie iglica pospolita jest niewielką rośliną jednoroczną. Przyznam, że mimo jej rozpowszechnienia w naturze, musiałem poświęcić nieco czasu na znalezienie okazów do obserwacji. Co jednak interesujące, trafiłem na nie w końcu w moim ogrodzie, gdzie iglica zasiała się najwyraźniej przypadkiem (Fot.1).
Iglica nie jest rośliną chronioną, więc dla dokładniejszych obserwacji możemy pobrać ją ze środowiska we fragmentach lub w całości (Fot.2). Oczywiście okaz tej interesującej rośliny może być także ozdobą naszego zielnika.
Łodyga iglicy jest zwykle wzniesiona i pokryta długimi, miękkimi włoskami, a w górnej części również gruczołami. Liście odziomkowe tworzą rozetę, natomiast łodygowe wyrastają naprzemianlegle i ku górze są coraz mniejsze (Fot.3).
Niewielkie kwiaty na długich szypułkach są zebrane po trzy do dziesięciu w baldachokształtne kwiatostany. Są delikatnie grzbieciste, purpurowe, niekiedy białe lub z jaśniejszymi plamami, o pięciu jajowatych płatkach korony, wyraźnie dłuższych od działek kielicha. Występuje pięć płodnych i tyle samo płonnych pręcików (Fot.4).
Działki kielicha omawianej rośliny są gruczołowato owłosione, lancetowate lub podługowate, o błoniastych brzegach – na szczycie posiadają kończyk (Fot.5).
Iglica, podobnie jak pozostałe bodziszkowate, jest owadopylna – jej kwiaty posiadają niewielkie miodniki. Po zapyleniu powstaje owoc, który u iglicy wykazuje interesujące cechy budowy i zaskakujące zachowanie.
Naturalna maszyna
Owoce iglicy pospolitej (także innych gatunków z tego rodzaju) są bardzo charakterystyczne - ich kształt rzeczywiście może łatwo skojarzyć się z igłą lub bocianim dziobem, co dało początek tak botanicznej, jak i potocznym nazwom tej rośliny (Fot.6).
Owoc ten należy zaklasyfikować jako rozłupnię z wydłużonym dzióbkiem (Fot.7). Łatwo dostrzec pozostałości działek kielicha, a także rozłupki wchodzące w skład rozłupni.
Dojrzała, sucha rozłupnia z łatwością rozpada się na 5 rozłupek oddzielających się od centralnego, wydłużonego elementu (Fot.8). Każda z nich posiada długą, cienką ość.
Wewnątrz każdej rozłupki można znaleźć jedno gładkie, brązowe nasiono (Fot.9). Roślina wytwarza ich kilkaset, zwykle od 200 do 600.
Sposób w jaki iglica przystosowała się do warunków życia i wykształciła odpowiednie metody rozsiewania jest wręcz uderzający.
Wiemy, że wśród roślin możemy zaobserwować różne strategie rozprzestrzeniania swoich nasion. Po pierwsze, możemy więc wyróżnić allochorię, inaczej nazywaną obcosiewnością, ponieważ rośliny wykorzystują tu do rozsiewania różnorodne czynniki zewnętrze. W ramach tej kategorii możemy wskazać między innymi:
- hydrochorię; przez wodę,
- anemochorię; przez wiatr,
- zoochorię; przez zwierzęta np. ornitochoria (przez ptaki), myrmekochoria (przez mrówki) i inne,
- antropochorię; przez człowieka.
Z drugiej strony, istnieją także mechanizmy, w których roślina nie angażuje do rozsiewania swoich diaspor czynników zewnętrznych. Jest to oczywiście autochoria, czyli samosiewność. Tutaj także możemy dokonać pewnego podziału:
- blastochoria; przez wzrost pędu na długość i pozostawianie nasion w pewnej odległości od rośliny macierzystej,
- barochoria; dzięki grawitacji, przez bezpośredni spadek nasion na powierzchnię gruntu,
- ballochoria; za pomocą mechanizmów eksplozyjnych,
- herpochoria; na skutek wykonywania samodzielnych ruchów [10].
Co ciekawe, rośliny z rodzaju iglica – a więc także prezentowana iglica pospolita – korzystają jednocześnie z dwóch rodzajów autochorii, a mianowicie z ballochorii i herpochorii… Tak! Iglica potrafi samodzielnie wyrzucać swoje nasiona (czy raczej rozłupki) w powietrze, a one same posiadają zdolność do autonomicznego ruchu. Przyjrzyjmy się więc im bliżej (Fot.10).
Jak możemy zauważyć, obie przedstawione rozłupki różnią się kształtem ości. Wiąże się to ze stopniem wysycenia ich wodą: ość rozłupki nawodnionej - umieszczonej np. w wilgotnym powietrzu - jest stosunkowo prosta, natomiast w miarę jej wysychania ulega wyraźnemu wygięciu. Proces ten jest odwracalny i jest możliwe wielokrotne powtarzanie cyklu wilgotno – sucho (ość prosta – zgięta). Roślina wykorzystuje właśnie ten ruch do rozsiewania swoich nasion.
Pamiętajmy, że póki rozłupnia pozostaje w całości, rozłupki są z nią związane. W przypadku dojrzałego owocu połączenie rozłupek z pozostałymi elementami owocu jest dosyć delikatne i pełni rolę swoistego spustu. Gdyby rozłupka nie była unieruchomiona, to podczas jej wysychania doszłoby po prostu do wygięcia ości. W opisanym wypadku jednak jest to niemożliwe z powodu połączenia ości na całej swojej długości z pozostałymi tkankami rozłupni – w tkankach fragmentu ości odpowiedzialnego za ruch wygięciowy kumulują się naprężenia. Dzięki temu roślina gromadzi energię potencjalną, która może zostać wyzwolona poprzez nawet delikatne dotknięcie dojrzałego owocu, poruszenie go wiatrem, a nawet spontanicznie, kiedy zostanie przekroczona wytrzymałość odpowiednich tkanek. Zjawisko to jest tak szybkie, że gołym okiem nie jesteśmy w stanie zauważyć żadnych szczegółów. Na szczęście mając dostęp do szybkiej kamery cyfrowej, mogłem zarejestrować ten naturalny fenomen (Fot.11). Zaznaczę, że wykorzystałem szybkość rejestracji obrazu wynoszącą prawie cztery tysiące klatek na sekundę (4000fps), podczas gdy w normalnych warunkach i sztuce filmowej stosuje się zwykle rejestrację z szybkością 25-60 klatek na sekundę (25-60fps). Doświadczenie wykonałem w ten sposób, że dojrzały owoc iglicy umieściłem w uchwycie (metalowej pincecie zamocowanej na statywie), a następnie delikatnie dotykałem rozłupek igłą widoczną na fotografiach. Jeśli owoc był odpowiednio suchy, to już nawet delikatne trącenie powodowało zainicjowanie reakcji.
Jak możemy się przekonać, w wyniku delikatnego bodźca mechanicznego nasiono zostało dosłownie wystrzelone dzięki nagromadzonym w ości naprężeniom - ta ostatnia przyjmuje przy tym wyraźny kształt łuku.
W przypadku moich doświadczeń prędkość początkowa wyrzucanych nasion mierzona na dystansie 10cm od momentu utraty kontaktu ości z rośliną macierzystą wyniosła około 3m/s (±1m/s, wysokie odchylenie spowodowane jest najprawdopodobniej różnicami w wilgotności), co wydaje się całkiem dobrym wynikiem, jak dla tak niewielkiej rośliny. Z dostępnej literatury wynika, że prędkość początkowa może przekraczać nawet 4m/s, a nasiona są rozprzestrzeniane w promieniu 0,5m od rośliny macierzystej – co potwierdziły także moje obserwacje [11]. Muszę zwrócić uwagę na ten fakt jeszcze raz: pojedyncza, kilkunastocentymetrowa roślina jest w stanie pokryć gęsto nasionami obszar o średnicy jednego metra wokół niej. Już samo to mogłoby uzasadniać spory sukces ewolucyjny iglic, ale to nie koniec ich ciekawych przystosowań. Jak już wspomniałem wcześniej, posługują się one nie tylko ballochorią, ale także herpochorią.
Ość niełupki stanowi nie tylko napęd dla wyrzuconego nasiona, ale jest także jest zdolna do wielokrotnych skrętów w czasie wysychania. Aby to zaobserwować należy unieruchomić nawilżoną (np. poprzez przechowywanie w komorze, na której dnie umieszczono wilgotny ręcznik papierowy) niełupkę, tak by jej ość zachowała swobodę ruchu. Podczas wysychania możemy wtedy zauważyć dosyć szybkie, bo w ciągu zaledwie kilku minut, zwijanie się ości (Fot.12). Ilość powstających skrętów może dochodzić nawet do dziewięciu.
Szczegóły opisanego ruchu jest nawet łatwiej zaobserwować w widoku z góry (Fot.13). W tym przypadku dla zachowania przejrzystości, niełupka została umocowana przez wbicie w nią igły do zastrzyków umocowanej w strzykawce umieszczonej na statywie.
Warto zauważyć, że wyginanie się ości zachodzi zawsze w taki sposób, że jej koniec podąża w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara – szczególnie łatwo prześledzić to na montażu wykonanym z fotografii kolejnych faz ruchu (Fot.14).
Opisany mechanizm ruchów higroskopowych pozwala nasionom iglicy na samodzielne… zakopywanie się w gruncie. Podczas zmian wilgotności (np. w cyklu dzień – noc) ość rozłupki na przemian się prostuje i skręca. Jej wolny, nie ulegający wygięciu koniec może przy tym zostać unieruchomiony np. poprzez zaczepienie o pędy sąsiednich roślin. W takim wypadku w ruch obrotowy zostaje wprawiony przeciwny, zaostrzony koniec rozłupki zawierający nasiono, które w ten sposób niejako wkręca się w glebę. Dzięki kolejnym cyklom zmian wilgotności nasiono zostaje wprowadzone w glebę na głębokość kilku milimetrów, co jest dla niego wystarczającą ochroną i zapewnia dogodne warunki do przeżycia i wykiełkowania.
Wyjaśnienie
Zmiany kształtu ości niełupek iglicy mają charakter ruchów higroskopowych. Struktury wykazujące takie właściwości są zbudowane zwykle jako dwuwarstwowe. Wspomniane warstwy reagują na obecność wody niejednakową zmianą objętości, co pociąga za sobą wygięcie całego elementu. Tego rodzaju konstrukcję struktur przejawiających ruchy higroskopowe jest charakterystyczny i występuje także u innych roślin. Przykładem mogą być np. łuski szyszek żeńskich świerka Picea, a także elatery zarodników skrzypu polnego Equisetum arvense [12].
W ruchach higroskopowych biorą udział tkanki i komórki martwe – nie wymagają więc one nakładów energii i są niejako zasilane z zewnątrz, poprzez zmiany wilgotności. Trzeba jednak pamiętać, że samo wytworzenie tak skomplikowanych struktur jest związane z poczynieniem przez roślinę dużych wydatków energetycznych. Jednak możliwość rozsiewania się na stosunkowo dużym obszarze dzięki ballochorii i zapewnienie nasionom bezpiecznych oraz dogodnych warunków na drodze herpochorii daje roślinie najwyraźniej tak duże korzyści, że to rozwiązanie ewolucyjne zapewniło iglicy sukces.
Literatura:
- [1] Szweykowska A., Szweykowski J., Słownik botaniczny (wyd. II, zmienione i uzupełnione), Wiedza Powszechna, Warszawa, 2003, str. 241 powrót
- [2] Kuta E., diaspora, w: Otałęga Z., Encyklopedia biologiczna, Agencja Publicystyczno-Wydawnicza Opres, Kraków, 1998 powrót
- [3] Ples M., A jednak się porusza! Ruchy higroskopowe roślin, Biologia w Szkole, 3 (2016), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 52-56 powrót
- [4] 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
- [5] Ples M., Roślinny bokser? Szybkie ruchy pręcików berberysu, Biologia w Szkole, 3 (2020), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 81-85 powrót
- [6] Philips R., Rix M., The Botanical Garden (vol. 2), Macmillan, Londyn, 2011, str. 115 powrót
- [7] Erodium, w serwsie: http://www.theplantlist.org/, dostępne online: http://www.theplantlist.org/1.1/browse/A/Geraniaceae/Erodium/ [dostęp: 10.08.2020] powrót
- [8] Paradowski A., Atlas chwastów, Plantpress, Kraków, 2013 powrót
- [9] Tymrakiewicz W., Atlas chwastów, Państwowe Wydawnictwa Rolnicze i Leśne, Warszawa, 1976 powrót
- [10] Vittoz P., Engler R., Seed dispersal distances: a typology based on dispersal modes and plant traits, Botanica Helvetica, 117 (2), 2008, str. 109-124 powrót
- [11] Evangelista D., Hotton S., Dumais J., The mechanics of explosive dispersal and self-burial in the seeds of the filaree, Erodium cicutarium (Geraniaceae), Journal of Experimental Biology, 214 (4), 2011, str. 521-529 powrót
- [12] Ples M., Skrzyp - roślina z przeszłości, Biologia w Szkole, 4 (2016), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 56-60 powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
Uzupełnienie autora
Lot nasion - a raczej rozłupek - iglicy prezentuje się pięknie na filmie nagranym przy pomocy superszybkiej kamery, co można zobaczyć w poniższym materiale:
Marek Ples