Weird Science

Iglica pospolita - roślinna katapulta i ruchliwe nasiona

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

Ilustracja

Ples M., Iglica pospo­lita - roślinna kata­pulta i ruch­liwe nasiona, Bio­lo­gia w Szkole, 5 (2020), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 54-57

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.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Kwit­nąca iglica pospo­lita, foto­gra­fia z natury

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.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Iglica pospo­lita, okaz wyi­zo­lo­wany ze śro­do­wi­ska

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Liść iglicy pospo­li­tej

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Kwiat iglicy pospo­li­tej, widok z przodu

Działki kie­li­cha oma­wia­nej rośliny są gru­czo­ło­wato owło­sione, lan­ce­to­wate lub podłu­go­wate, o bło­nia­stych brze­gach – na szczy­cie posia­dają kończyk (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Kwiat iglicy pospo­li­tej, widok z boku

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Owoc iglicy pospo­li­tej, foto­gra­fia z natury

Owoc ten należy zakla­sy­fi­ko­wać jako roz­łup­nię z wydłu­żo­nym dziób­kiem (Fot.7). Łatwo dostrzec pozo­sta­ło­ści dzia­łek kie­li­cha, a także roz­łupki wcho­dzące w skład roz­łupni.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Doj­rzały owoc iglicy pospo­li­tej

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.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Ele­menty owocu; u góry – roz­łupki, u dołu - pozo­stałe ele­menty

Wew­nątrz każdej roz­łupki można zna­leźć jedno gład­kie, brązowe nasiono (Fot.9). Roślina wytwa­rza ich kil­ka­set, zwy­kle od 200 do 600.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Nasiono iglicy pospo­li­tej

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:

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:

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Roz­łupki; po lewej – roz­łupka wil­gotna, po pra­wej – roz­łupka sucha

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.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Bal­lo­cho­ria iglicy pospo­li­tej; A – 0ms (moment roz­po­częcia ruchu), B – 5ms, C – 10ms, D – 15ms, E – 20ms; aste­ry­skiem zazna­czono igłę

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.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Ruchy ości nie­łupki pod­czas wysy­cha­nia; A – 0s (moment wyciągnięcia z wil­got­nej komory), B – 30s, C – 60s, D – 90s, E – 120s; widok z boku
Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

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.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.13 – Ruchy ości nie­łupki pod­czas wysy­cha­nia; A – 0s (moment wyciągnięcia z wil­got­nej komory), B – 30s, C – 60s, D – 90s, E – 120s; widok z góry, strzałka wska­zuje kie­ru­nek ruchu
Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.14 – Foto­mon­taż uka­zu­jący poło­że­nia ości w kolej­nych momen­tach ruchu,; strzałka wska­zuje kie­ru­nek ruchu

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:

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