Roślinny bokser
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (3/2020):
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).
Najczęściej przytaczany podział ruchów roślinnych obejmuje:
- tropizmy
- taksje
- nastie
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.
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).
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 wykorzystywane jako rośliny ozdobne. Tak jest np. z berberysem Thunberga Berberis thunbergii pochodzącym z Japonii (Fot.2).
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.
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].
Jak widać, zarówno 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.
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.
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.
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:
- [1] War A. R., Paulraj M. G., Ahmad T., Buhroo A. A., Mechanisms of plant defense against insect herbivores, Plant Signaling and Behavior, 7 (10), 2012, str. 1306-1320 powrót
- [2] Rasmann S., Agrawal A. A., Plant defense against herbivory: progress in identifying synergism, redundancy, and antagonism between resistance traits, Current Opinion in Plant Biology, 12 (4), 2009, str. 473-478 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] Schumacher W., Fizjologia, w: Strasburger E., Botanika: podręcznik dla szkół wyższych, Powszechne Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa, 1967 powrót
- [5] Ples M., Wstydliwa roślina, Biologia w Szkole, 6 (2015), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 52-56 powrót
- [6] Rodriguez-Algaba J., Walter S., Soerensen Ch., Hovmøller M., Justesen A., Sexual structures and recombination of the wheat rust fungus Puccinia striiformis on Berberis vulgaris, Fungal genetics and biology, 70, 2014, str. 77-85 powrót
- [7] Vuddanda P. R., Chakraborty S., Singh S., Berberine: a potential phytochemical with multispectrum therapeutic activities, Expert Opinion on Investigational Drugs, 19 (10), 2010, str. 1297-1307 powrót
- [8] Ples M., Światło zimne z natury - berberyna i parietyna, Biologia w Szkole, 4 (2018), Forum Media Polska Sp. z o.o., str. 59-63 powrót
- [9] Kebert T., Floral diagram generator, dostępne online: http://kvetnidiagram.8u.cz/ [dostęp 05.05.2020] powrót
- [10] Szweykowska A, Szweykowski J., Botanika, t. 2 – Systematyka, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2009, str. 367 powrót
Autorem fotografii i rysunków jest Marek Ples.
Marek Ples