Wstydliwa roślina
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Biologia w Szkole (6/2015):
Zwierzęta i rośliny – czy są aż tak różne?
Nie ulega wątpliwości, że rośliny odgrywają olbrzymią rolę w życiu na Ziemi. Można powiedzieć, że znaczenie organizmów zdolnych do fotosyntezy, w tym roślin, jest wręcz podstawowe. Pomyślmy, skąd bierze się cała energia, którą wykorzystują organizmy żywe? Znana nam z fizyki zasada pozostaje przecież w mocy – energia nie może powstać z niczego ani zniknąć bezpowrotnie. Chwila zastanowienia pozwala z łatwością stwierdzić, że w zdecydowanej większości pochodzi one ze Słońca, z naszej życiodajnej gwiazdy. Wyjątek stanowią jedynie pewne prymitywne bakterie chemotroficzne, dla których źródłem energii jest utlenianie określonych związków nieorganicznych lub metanu [1]. Tak więc cała energia z jakiej korzystamy my, zwierzęta i większość innych organizmów powstała kiedyś wewnątrz Słońca w wyniku procesów jądrowych, dotarła do Ziemi w postaci energii fal elektromagnetycznych o różnej długości i została częściowo przekształcona przez rośliny do energii chemicznej. Dopiero w tej formie jest ona dostępna dla większości organizmów poza roślinami. Muszę jednak zaznaczyć, że w ostatnich latach udowodniono, iż od tej reguły istnieją pewne wyjątki. Jednym z nich jest morski ślimak (Elysia chlorotica), który w pewnym okresie życia może odżywiać się fotoautotroficznie, wykorzystując chloroplasty pochodzące z glonów [2].
W przeważającej mierze zwierzęta nie posiadają więc mechanizmu pozwalającego na bezpośrednie pobieranie energii światła słonecznego. Zastanawiający jest więc fakt, że według powszechnej w społeczeństwie opinii rośliny są uważane za organizmy bardziej prymitywne od zwierząt. Moim zdaniem ma to podłoże w braku zrozumienia odmienności strategii ewolucyjnych, które przyjęły zwierzęta i rośliny.
Zwierzęta i rośliny niewątpliwie dzieli bardzo wiele różnic, zarówno jeśli chodzi o metabolizm, budowę komórek, tkanek czy całych organów, jak i interakcje z innymi organizmami i środowiskiem.
Jedną z bardziej rzucających się w oczy różnic jest posiadana przez zwierzęta zdolność do ruchu, której rośliny wydają się być pozbawione. Nie jest to jednak prawdą. O ile rzeczywiście rośliny w przeciwieństwie do większości zwierząt nie są zdolne do lokomocji, tj. autonomicznego przemieszczenia całego organizmu, to jak najbardziej mogą się poruszać. Roślinne mechanizmy ruchu są jednak zupełnie inne od zwierzęcych, opierających się głównie na wykorzystaniu odpowiednich białek, np. miozyny. U roślin są to głównie ruchy wzrostowe i turgorowe. Pierwsze zachodzą na skutek wzrostu i podziałów komórek, zaś drugie dzięki zmianie ciśnienia turgorowego, pociągającej za sobą zmianę objętości komórek.
W zależności od mechanizmu można tu wyróżnić:
- tropizmy,
- taksje,
- nastie.
Tropizmy są reakcjami wzrostowymi roślin wywołanymi ukierunkowanym bodźcem. Za tropizmy odpowiedzialny jest nierównomierny rozkład hormonów roślinnych (auksyn) w obrębie tkanek lub organów roślinnych. Powoduje to zróżnicowany wzrost komórek w różnych rejonach organu, a co za tym idzie jego wygięcie. Tropizm może być dodatni, kiedy organ kieruje się do miejsca o silniejszym działaniu bodźca, lub ujemny, kiedy reakcja zachodzi w przeciwnym kierunku. W zależności od rodzaju bodźca możemy wyróżnić fototropizm, geotropizm, hydrotropizm, termotropizm i inne.
Ruchy całych niewielkich organizmów (np. orzęsków) będące reakcją na ukierunkowany bodziec nazywamy taksjami. Ruch w kierunku bodźca to taksja dodatnia, w kierunku przeciwnym – ujemna. Ruchy te służą poszukiwaniu najlepszych dla danego organizmu warunków środowiskowych.
O nastiach mówimy w przypadku ruchów wygięciowych niezależnych od kierunku działania bodźca. Ruchy te mogą być więc wywołane także przez bodźce rozproszone. Nastie różnią się w sposób zdecydowany od tropizmów, ponieważ w odróżnieniu od tamtych są w przeważającej mierze ruchami spowodowanymi przez zmiany turgoru odpowiednich komórek.
Turgorem nazywamy stan napięcia ściany komórkowej w wyniku działania na nią ciśnienia hydrostatycznego panującego wewnątrz komórki. Turgor zapewnia jędrność tkanek roślinnych i pełni rolę w zachowaniu kształtu komórek, a co za tym idzie, także całych organów rośliny.
Ze względu na rodzaj bodźca można wyróżnić tutaj:
- chemonastię – odpowiedź na bodźce chemiczne,
- termonastię – odpowiedź na zmiany temperatury otoczenia,
- sejsmonastię – odpowiedź na bodźce mechaniczne, termiczne i elektryczne,
- fotonastię – odpowiedź na zmiany natężenia światła [3].
Poza wspomnianymi tu przykładami motoryki roślin występują też inne, np. ruchy higroskopowe. Powstają one na skutek nierównomiernego wysychania lub nasiąkania wodą martwych włókien ścian i błon komórkowych.
Możemy więc z całą pewnością stwierdzić, że nieprawdą jest, że rośliny się nie poruszają. Dlaczego więc powszechne mniemanie jest inne? Odpowiedź wydaje się prosta: ruchy roślin najczęściej są bardzo powolne – ich prędkości są znacznie mniejsze od prędkości z jakimi mamy do czynienia w przypadku zwierząt. Co najważniejsze, poruszanie się z taką prędkością jest niezauważalne gołym okiem. Chcąc zaobserwować zjawisko ruchu roślin trzeba się więc uciekać do różnych pomysłowych i często uciążliwych rozwiązań, np. fotografii poklatkowej w długich odstępach czasu, co może trwać tygodniami.
Istnieją jednak rośliny, których ruch jest możliwy do zaobserwowania gołym okiem, bez pośrednictwa urządzeń technicznych. Można tu wymienić na przykład muchołówkę amerykańską (Dionaea muscipula), będącą rośliną mięsożerną. Jej liście pułapkowe chwytając ofiarę, np. owada, zamykają się zwykle w czasie pojedynczych sekund.
Hodowla muchołówek, podobnie jak innych roślin mięsożernych może sprawiać pewne problemy, szczególnie w warunkach pracowni szkolnej. Jest to oczywiście także godne polecenia, lecz tym razem chciałbym przedstawić Szanownemu Czytelnikowi przykład innej rośliny, której hodowlę mogę z czystym sumieniem polecić każdemu zainteresowanemu. Mam tu na myśli bardzo interesującą roślinę jaką jest mimoza wstydliwa (Mimosa pudica), nazywana także czułkiem wstydliwym. Wykazuje ona bardzo wyraźne ruchy sejsmonastyczne.
Hodowla i obserwacje
Mimoza wstydliwa (Mimosa pudica) jest rośliną należącą do rodziny bobowatych (Fabaceae) i podrodziny mimozowych (Mimosoideae). Mimo, że jako roślina ruderalna jest szeroko rozpowszechniona w całej strefie międzyzwrotnikowej, to pochodzi najprawdopodobniej z Ameryki Południowej [4]. W sprzyjających warunkach może tworzyć gęste skupienia, które utrudniają rozwój innych gatunków roślin.
Mimoza bywa uprawiana jako roślina ozdobna. W Polsce, ze względu na zbyt chłodny klimat nie może być uprawiana w gruncie, dobrze jednak sprawia się jako roślina szklarniowa i pokojowa. Wymagania środowiskowe tej rośliny są nieco wygórowane, ponieważ potrzebuje ona wilgotnego, ciepłego powietrza (około 25°C), żyznego podłoża i dobrze nasłonecznionego stanowiska przez cały rok. Mimoza wymaga częstego podlewania. W czasie kwitnienia dobrze jest stosować nawóz wieloskładnikowy.
Roślina jest zdrewniałym półkrzewem lub byliną osiągająca do 1 m wysokości. Pędy posiadają ciernie, a osadzenie ogonków liściowych jest naprzemianległe. Liście mimozy są złożone, podwójnie pierzaste. Każdy z nich jest podzielony na 10-26 naprzeciwległych par listków (Fot.1).
Mimozę dosyć łatwo hodować w domu lub szkolnej pracowni biologicznej. W dobrych warunkach może dojść nawet do kwitnienia rośliny. Kwiatostany mimozy w formie główki są niezbyt duże, ale mają bardzo interesujący wygląd. Ich barwa jest różowofioletowa, z korony wystają długie pręciki (Fot.2). Kwiaty są zapylane przez wiatr lub niewielkie owady. Kwitnienie ma zwykle miejsce w okresie od lipca do października.
W warunkach hodowli pokojowej bywa jednak, że mimoza kwitnie także w zupełnie innym czasie. U mnie zdarzyło się to np. w lutym, co można zaobserwować na Fot.3 – nietypowość sytuacji podkreśla śnieg widoczny za oknem.
Po zapyleniu każdy kwiatostan daje początek dużej liczbie wielonasiennych strąków (Fot.4).
Strąki o długości 15–25mm są szorstko owłosione na krawędziach klap. Pojedynczy strąk można zobaczyć na Fot.5.
Wyschnięte strąki rozsypują się na fragmenty (Fot.6A) zawierające po jednym nasieniu o owalnym kształcie (Fot.6B).
Łuski łatwo pękają uwalniając nasiona (Fot.7).
W przypadku mimozy najbardziej interesujące dla nas są liście zdolne do ruchów nastycznych. Roślina reaguje wyraźnie na dotyk, o czym łatwo się przekonać. Wystarczy delikatnie dotknąć liścia, najlepiej w jego apikalnym rejonie, by wywołać odpowiedź rośliny (Fot.8A). Listki drugiego rzędu składają się wtedy do góry i stykają ze sobą górnymi powierzchniami (Fot.8B-E). Przy silniejszym pobudzeniu całe odcinki liścia złożonego zbliżają się do siebie, a ogonek liściowy zwisa. Po ustąpieniu czynnika pobudzającego powrót do położenia wyjściowego zajmuje zwykle 15–20 minut (Fot.8F). Daje się zauważyć pewna zależność szybkości reakcji rośliny od temperatury otoczenia – w niższych temperaturach reakcja jest wyraźnie wolniejsza.
Obserwowane zmiany są spowodowane zmianą turgoru w określonych grupach komórek zginających i prostujących. Pierwsze z nich leżą po górnej, drugie zaś po dolnej stronie tzw. poduszeczek liściowych. Są to twory mieszczące się u podstawy ogonków liściowych oraz listków [5].
Bodziec mechaniczny wywołuje w komórkach czuciowych mimozy potencjał czynnościowy, objawiający się zmianą potencjału elektrycznego błony komórkowej. Jest on przewodzony wzdłuż błon komórkowych na znaczne odległości, podobnie jak w komórkach nerwowych zwierząt. Prędkość przenoszenia impulsów może wynosić blisko 20cm na sekundę. Rozprzestrzenianie potencjału czynnościowego jest związane z transbłonowym ruchem określonych jonów, co może uruchamiać kolejne procesy. W przypadku zmian turgoru komórek motorycznych poduszeczek najważniejszym czynnikiem jest ruch kationów potasu K+. Po spodniej stronie poduszeczek liściowych w wyniku pobudzenia są one intensywnie transportowane na zewnątrz komórek, co pociąga za sobą także wypływ wody z protoplastów. Turgor wspomnianych komórek ulega zmianie, co skutkuje obserwowanym ruchem ogonków liściowych. Powrót do stanu wyjściowego wymaga przetransportowania kationów potasowych i wody ponownie do wnętrza komórek [5] [6].
Dzięki szybkiemu przewodzeniu potencjału czynnościowego zamknięcie całego liścia trwa bardzo krótko, jedynie kilka sekund.
Czemu właściwie służą ruchy nastyczne? O ile w przypadku roślin mięsożernych sprawa wydaje się oczywista, to jeśli chodzi o mimozę o wiele trudniej odpowiedzieć na to pytanie. Być może w przypadku omawianej rośliny składanie liści w odpowiedzi na bodziec dotykowy ma na celu ochronę przed roślinożercami.
Jak widzimy, mimoza jest bardzo interesującą rośliną pozwalającą na zapoznanie się z fascynującym tematem ruchu roślin. Łatwość uprawy pozwala na zastosowanie jej w nauczaniu biologii na wszystkich etapach kształcenia. Widok rośliny poruszającej liśćmi zawsze wywołuje u obserwatorów duże zdziwienie, które można umiejętnie wykorzystać i przekształcić w zainteresowanie, a ostatecznie także w zrozumienie.
Literatura:
- [1] Kunicki-Goldfinger W., Życie bakterii, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2005, str. 206-213 powrót
- [2] Brahic C., Solar-powered sea slug harnesses stolen plant genes, New Scientist, 24.11.2008 powrót
- [3] Schumacher W., Fizjologia, w: Strasburger E., Botanika: podręcznik dla szkół wyższych, Powszechne Wydawnictwo Rolnicze i Leśne, Warszawa, 1967 powrót
- [4] Barneby R. C., Sensitivae censitae: a description of the genus Mimosa Linnaeus (Mimosaceae) in the New World, Memoirs of the New York Botanical Garden, 65, str. 624, powrót
- [5] Allen R. D., Mechanism of the Seismonastic Reaction in Mimosa pudica, Plant Physiology, 44, 1969, str. 1101-1107 powrót
- [6] Weintraub M., Leaf movements in Mimosa pudica L., New Phytologist, Vol. 50, No. 3, 1952, str. 357-382 powrót
Wszystkie fotografie i rysunki zostały wykonane przez autora
Uzupełnienie autora
Ruchy sejsmonastyczne mimozy prezentują się też bardzo dobrze na filmie:
Marek Ples