Środowisko

Burzliwe życie roślin

Numer 1/2018
Smileus / Shutterstock
Choć otaczają nas zewsząd, na co dzień nie zauważamy ich prawdziwej i skomplikowanej natury. Z pozoru bierne, tak naprawdę prowadzą intensywne życie wewnętrzne.
Liście dzbanecznika to śmiertelna pułapka dla owadów.Wikipedia Liście dzbanecznika to śmiertelna pułapka dla owadów.
Jaja bielinka kapustnika.Manfred Ruckszio/Shutterstock Jaja bielinka kapustnika.
Trening sadzonek. „Uczono” je, w którą stronę mają rosnąć w zależności od bodźca.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Trening sadzonek. „Uczono” je, w którą stronę mają rosnąć w zależności od bodźca.
Muszka owocowa składa jaja.Mr.Aukid Phumsirichat/Shutterstock Muszka owocowa składa jaja.
Wydzielane przez nawłoć substancje chemiczne odstraszają tego owada i zapobiegają złożeniu jaj na łodygach.Tatyana Mi/Shutterstock Wydzielane przez nawłoć substancje chemiczne odstraszają tego owada i zapobiegają złożeniu jaj na łodygach.
System komunikacyjny roślin.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz System komunikacyjny roślin.
Niecierpek.F_studio/Shutterstock Niecierpek.
Ruchy liści mimozy zależą od turgoru (nawodnienia) komórek motorycznych. Turgor spada w nocy.Infografika Zuzanna Sandomierska-Moroz Ruchy liści mimozy zależą od turgoru (nawodnienia) komórek motorycznych. Turgor spada w nocy.
Utworzony przez bakterie biofilm.Kateryna Kon/Shutterstock Utworzony przez bakterie biofilm.
Rosiczka chwyta owady dzięki produkowanej na szczytach czułków słodkiej lepkiej cieczy.Olexandr Taranukhin/Shutterstock Rosiczka chwyta owady dzięki produkowanej na szczytach czułków słodkiej lepkiej cieczy.

Już Karol Darwin poświęcał im szczególną uwagę w swoich pracach. Twierdził, że rosną „głową w dół”, bo namiastkę mózgu mają w korzeniach. Po upływie 120 lat naukowcy już wiedzą, że rośliny podobnie jak ludzie posiadają swoiste układy immunologiczny i nerwowy, podejmują decyzje i wykazują zdolności poznawcze. W barwnym świecie roślin toczą się wojny i zawierane są sojusze, kwitnie handel i opieka nad krewnymi. Rośliny manipulują innymi organizmami, uczą się, obserwują, polują i uciekają. Wszystkie te cechy brzmią znajomo, nieprawdaż?

Mali manipulatorzy

Sposób roślin na przetrwanie to przede wszystkim rozsiewanie nasion. Ostatnie badania pokazują, że nie jest to proces przypadkowy, kontrolowany jedynie przez wiatr – rośliny potrafią wykorzystać do tego celu zwierzęta i owady. Biolodzy z Izraela i USA odkryli niesamowity związek pomiędzy kolcomyszami a ochradenusem jagodowym. Słodkie owoce tej rośliny stały się jednym z ulubionych przysmaków gryzoni, ale w tym przypadku dokładnie oddzielały one miąższ od nasion, które wypluwały. Okazało się, że nasiona zawierają gorzki, niesmaczny olej gorczycowy. Takie wypluwanie ich po okolicy ułatwiało roślinie ekspansję na nowe terytoria.

Nawłoć to jedyna roślina, w której łodydze muszki owocówki składają jaja. Niestety, rozwój larw (pod wpływem ich śliny tworzy się charakterystyczna narośl) negatywnie oddziałuje na kondycję rośliny, zmniejszając produkcję nasion. Ta na pierwszy rzut oka niepozorna roślina znalazła jednak imponujący mechanizm obronny. Jest w stanie wyczuć zbliżającego się samca, poszukującego partnerki, i aby zapobiec ich spotkaniu, a tym samym złożeniu jaj, wydziela substancje chemiczne odstraszające amanta. Ogródkowa kapusta również wie, jak się bronić. Bielinek kapustnik, który składa jaja na jej liściach, niekiedy pada ofiarą os, zwabionych wydzielanym przez roślinę zapachem.

Prawdziwym strategiem jest również dzbanecznik Nepenthes gracilis, wykorzystujący krople deszczu do polowania na mrówki. Oszukiwanie owadów nic go nie kosztuje, nie zużywa do tego własnej energii, jedynie siłę spadającej kropli. Kiedy dzbanecznik wyczuwa padający deszcz, wydziela niebywale słodki, atrakcyjny dla owadów nektar. Nieświadome zagrożenia mrówki wędrują w okolicę dzbana, który po uderzeniu w niego kropli wody zaczyna wibrować, co sprawia, że ofiary wpadają do jego wnętrza. Dzban się zamyka, a uwięzione owady zostają poddane wpływowi soków trawiennych.

Nauka poprzez nagrodę

W jednym ze swoich sławetnych eksperymentów rosyjski naukowiec Iwan Pawłow udowodnił, że u psów występuje odruch bezwarunkowy (wrodzony) w reakcji na różne bodźce. Naturalnie czworonogi te wydzielają ślinę, gdy widzą pokarm. Pawłow natomiast „nauczył” je wydzielania śliny w reakcji na inny bodziec, jakim był dźwięk dzwonka. Kiedy każdą kolejną porcję jedzenia zaczął poprzedzać dzwonek, po pewnym czasie psy zaczęły wydzielać ślinę już po usłyszeniu jego dźwięku. Taką formę uczenia się nazwano warunkowaniem klasycznym i do tej pory przypisywano ją wyłącznie ludziom i zwierzętom. Najnowsze badania pokazały, że w podobny sposób uczą się także rośliny, co po raz kolejny pokazało, jak bardzo nie docenialiśmy umiejętności poznawczych tych organizmów.

Mimo braku mózgu i skomplikowanej sieci połączeń komórek nerwowych rośliny potrafią się uczyć. Naukowcy z Australii opublikowali zdumiewające wyniki badań, które potwierdzają, że rośliny, podobnie jak psy Pawłowa, mogą nauczyć się reakcji na konkretny bodziec. W ich eksperymencie psy zostały zastąpione przez sadzonki groszku, dźwięk dzwonka – przez podmuch wiatru, a jedzenie – przez życiodajne dla roślin światło. Młode rośliny hodowano przez tydzień w naczyniach o kształcie litery Y, a samo szkolenie trwało trzy dni. Siewki rosły przez większość czasu w ciemnościach, a ekspozycja na światło niebieskie trwała zaledwie godzinę dziennie i towarzyszył jej delikatny podmuch wiatru. Oba bodźce dochodziły do rośliny z tego samego kierunku. Okazało się, że przeszkolone sadzonki wykazały tendencję do wzrostu w kierunku wiatru nawet przy nieobecności światła – co było analogicznym zachowaniem do wydzielania śliny przez psy powodowane sygnałem dzwonka! Wcześniej uważano, że rośliny bezwarunkowo reagują na światło, aby przetrwać. Te rewolucyjne badania pokazują, że są w stanie przewidywać, co się wydarzy, i na tej podstawie decydować o kierunku swojego wzrostu. To z kolei stawia pytanie o prawdziwą naturę roślin i o to, czy posiadają jakąś formę świadomości. Na razie tę sferę ich życia otacza mgła tajemnicy i niewiele wiemy na temat mechanizmów regulujących ich procesy poznawcze.

Roślinna komunikacja

Mamy tutaj do czynienia z dwoma systemami: bezprzewodowym i poprzez charakterystyczne grzybowe „łącze”. System bezprzewodowy to przede wszystkim wydzielane przez rośliny lotne substancje chemiczne. Ta chemiczna „wiadomość” przekształcana jest następnie na sygnał elektryczny u „odbiorcy”. Z kolei sieć przewodowa to podziemne łącze grzybowe. Zjawisko to, znane pod nazwą mikoryza, trwa nieprzerwanie od 460 mln lat. Korzenie otulone przez gęstą sieć grzybni kilkaset razy zwiększają powierzchnię chłonną i są zabezpieczone przed atakiem patogennych nicieni. Grzyb z kolei zaopatrywany jest w substancje odżywcze pozyskiwane dzięki fotosyntezie, której sam prowadzić nie może. Dodatkowo zwiększa roślinną przyswajalność związków fosforu i wapnia.

Mikoryza umożliwia szybką reakcję na pojawiające się szkodniki. Zaatakowane przez mszyce liście bobu, dzięki obecności tej niesamowitej podziemnej sieci komunikacyjnej, przekazały chemiczną informację o zagrożeniu sąsiadującym roślinom. Wspomniana sieć pada także ofiarą terroryzmu – orzech amerykański wydziela do niej toksyny, niszcząc łączność między roślinami i utrudniając im pobieranie wody.

W przekazywaniu sygnału w obrębie ciała rośliny udział biorą komórki floemu – tkanki transportującej substancje odżywcze. Stanowią więc one prymitywny odpowiednik komórek nerwowych występujących u zwierząt i ludzi. Aktywacja komórek roślinnych przez padające na liście promienie słoneczne uruchamia skomplikowaną kaskadę sygnałową. Uczestniczą w niej m.in. chloroplasty, czyli organelle zamieniające energię świetlną na chemiczną, niezbędną roślinom do życia. Okazało się, że oprócz tego chloroplasty generują także ładunek elektryczny. Taki „sygnał” przekazywany jest w obrębie całej rośliny za pośrednictwem „hiperłącza”, jakim są właśnie komórki floemu. Odkrycie światłoczułego systemu przekazywania informacji u roślin to prawdziwa rewolucja, która może przysłużyć się identyfikacji substancji zwiększających ich odporność na infekcje. Badacze sugerują również, że za fenomen roślinnych rozmówek odpowiedzialne mogą być także ultradźwięki.

Po odbiorze sygnału ostrzegawczego sąsiadujące rośliny mogą zabezpieczyć się przed atakiem patogenów – pokrywają liście gorzką substancją. Po mechanicznym uszkodzeniu jednej z bylic rosnącej w grupie szybko padła ona ofiarą żarłocznych owadów. Naukowcy zaobserwowali jednak, że rosnące w okolicy pozostałe rośliny nie poddały się inwazji, najprawdopodobniej dzięki wydzielaniu niesmacznej dla intruzów substancji. Sytuacja się zmieniała, gdy okolicę nacięcia szczelnie zamykano folią. Sąsiednie rośliny stawały się bezbronne, bo nie docierała do nich wiadomość ostrzegawcza. W ten sposób rośliny wysyłają także sygnał SOS wabiący zwierzęta polujące na intruza. Pod wpływem ataku przędziorków fasola wydziela substancję przyzywającą owady żywiące się tymi szkodnikami.

W trosce o krewnych

Rośliny podobnie jak zwierzęta altruistycznie dzielą się pokarmem z najbliższymi krewnymi. Są w stanie pomóc sobie nawzajem m.in. dzięki obecności wspomnianej już grzybowej sieci. W ten sposób brzoza oddaje część węgla rosnącym w zacienionym miejscu siewkom, którym brakuje substancji odżywczych. Naukowcy szacują, że wsparcie to pozwala przetrwać wielu siewkom na całym świecie.

Szczególnie opiekuńczymi przedstawicielami drzew są buki. Gdy stare drzewo przewraca się i traci liście, nie jest w stanie prowadzić fotosyntezy dostarczającej energii do życia. Ale korzenie rośliny nadal znajdują się w glebie, dzięki czemu może ona pobierać z niej wodę. W takiej sytuacji życiodajnych cukrów dostarczają bukowi kuzyni i ratują go przed śmiercią, sprawiając, że przeistacza się w twardy, porośnięty mchem drzewny „kamień”. Dzięki wsparciu rodziny będzie żył jeszcze długo, najpewniej nawet kilkaset lat.

Niecierpek – niewielka i niepozorna bylina występująca w cienistych lasach – także może pochwalić się troską o najbliższych. W wilgotnym środowisku ma swobodny dostęp do wody, ale z dostępem do światła jest o wiele gorzej. Gdy „wyczuje” korzeniami, że ma obok siebie krewniaka, przyspiesza wzrost i odchyla się od sąsiada tak, by nie pozbawić go dostępu do promieni słonecznych. Dlaczego rośliny wyzbyły się egoizmu? Przecież upadek drzewa rosnącego w pobliżu przynosi niezwykłą korzyść – większy dostęp do światła. Dlaczego więc niecierpek, zamiast wyprzeć rywala, ustępuje mu miejsca? Choć te pytania z pewnością skłaniają do refleksji, nadal nie jesteśmy w stanie na nie odpowiedzieć.

Słodkich snów

Jak się okazuje, potrzeba snu to nie tylko cecha zwierząt. Do tej pory udowodniono, że długotrwałe czuwanie prowadzi do śmierci szczurów. Sen umożliwia regenerację organizmu, reguluje gospodarkę hormonalną, sprzyja utrzymaniu równowagi fizycznej i pozytywnie reguluje pracę ośrodkowego układu nerwowego. Większość organizmów dostosowuje się do dobowego rytmu dnia i nocy. Jak sytuacja wygląda w przypadku roślin? Już sam Karol Darwin postulował, że nocne ruchy łodyg i liści to nic innego jak sen. Z kolei Karol Linneusz, wybitny przyrodnik, zaobserwował, że nawet pomimo braku dostępu do światła kwiaty otwierają się i zamykają.

Najnowsze badania przeprowadzone przez austriackich badaczy potwierdziły, jak ważny jest sen również w życiu roślin – w tym wypadku drzew. Za pomocą skanowania laserowego, wykorzystującego podczerwień odbijaną przez liście, dokładnie określili oni zmiany ich położenia. Okazało się, że w nocy drzewa „opadają” – maleją o ok. 10 cm! Najmniejsze były tuż przed wschodem słońca. Gdy promienie zaczęły „wybudzać je ze snu”, drzewa wracały do swojego pierwotnego wzrostu. Za ruch roślin odpowiadają zmiany nawodnienia ich komórek, regulowane dostępnością światła. Ten do tej pory nieuchwytny ruch stał się wreszcie mierzalny dzięki zastosowaniu najnowszych technologii. Naukowcy wierzą, że dzięki skanowaniu laserowemu jeszcze lepiej poznają mechanizmy tajemniczego cyklu dobowego roślin.

Podobnie do drzew zachowują się także ich mniejsi kuzyni – liście fasoli i mimozy codziennie „kładą się do snu”, opuszczając wieczorem. Rankiem liście „budzą” się i podnoszą do stanu pierwotnego. Jedna z hipotez wyjaśniających to tajemnicze zjawisko głosi, że rośliny wykonują odruchy senne, aby uniknąć ekspozycji na jasne światło księżyca, co mogłoby zaburzyć ich dobowy rytm. Podobnie robimy i my, zasłaniając okna przed utrudniającym zaśnięcie światłem miejskich lamp. Budzikiem roślin są pierwsze promienie słońca, które umożliwiają syntezę energii niezbędnej do życia. Liście się rozwijają, aby zwiększyć powierzchnię chłonącą życiodajne światło. Rachunek jest prosty: więcej promieni słonecznych, więcej energii do wzrostu i wytworzenia nasion.

Wyczuwanie dźwięku

Korzyści z posiadania zmysłu słuchu wydają się oczywiste. Dzięki niemu zwierzęta mogą zareagować na zbliżające się niebezpieczeństwo i podjąć próbę ucieczki. Badania nad „słuchem” roślin zaczęły się już w XX w., kiedy próbowano określić wpływ muzyki na ich zachowanie. Najnowsze ustalenia naukowców z University of Missouri dowodzą, że rośliny wyczuwają dźwięki wydawane przez owady, które je pożerają lub zapylają. Mało tego, potrafią szybko zareagować na inwazję i przekazać informację o niej sąsiadującym osobnikom. Wszystko to dzięki mechanoreceptorom reagującym na mikrowibracje w otoczeniu. Ten sam mechanizm odpowiada za zwiększone wydzielanie pyłku, gdy w pobliżu rośliny znajdzie się pszczoła. Kolejne badania pokazały, że rośliny „słyszą” dźwięk wody i zaczynają rosnąć w jego kierunku. Fakt ten jest szczególnie istotny w przypadku suszy i może znacznie zwiększać szanse roślin na przetrwanie. Badania wykonano na grochu posadzonym w specjalnych rozgałęzionych donicach, pozwalających wybrać kierunek wzrostu. Roślinę ustawiano w pobliżu źródła płynącej wody lub głośnika emitującego jej dźwięk dochodzący z nagrania. Roślina potrafiła odróżnić jeden sygnał od drugiego i wykazała wzrost tylko w stronę „prawdziwej” wody! Niesamowite integracje roślin z otaczającymi dźwiękami badamy od niedawna, a otrzymane wyniki już wprawiają w zachwyt i zdumienie.

W obronie przed agresorem

Rośliny, podobnie jak ludzie i zwierzęta, muszą się mierzyć z otaczającymi je zewsząd patogenami. Są atakowane np. przez bakterie. Główne objawy bakterioz to przede wszystkim więdnięcie, zgnilizna i powstawanie narośli, zjawiska powodujące znaczne straty w uzyskanym plonie. W przeciwieństwie do nas rośliny nie posiadają wyspecjalizowanych komórek układu odpornościowego, chroniących organizm przed infekcjami. Badania na roślinie modelowej – rzodkiewniku pospolitym – pokazały jednak, że w przypadku roślin każda komórka może skutecznie odeprzeć atak patogenów dzięki niezwykłym mechanizmom obronnym. Receptory zlokalizowane w błonie komórkowej wyczuwają atak patogenów i uruchamiają kaskadę obronną regulującą poziom hormonów i ekspresję genów (powstają odpowiednie białka) związanych z procesem immunologicznym. To daje roślinie sygnał do umocnienia ścian komórkowych i uwolnienia toksycznych dla napastników reaktywnych form tlenu i niespecyficznych substancji antybakteryjnych. Jeśli proces nie okaże się wystarczająco skuteczny, uruchamiają lokalną apoptozę (śmierć) zainfekowanych komórek, aby ochronić resztę rośliny.

Niektóre z roślin wykazują się niebywałym sprytem i nauczyły się manipulować zachowaniem bakterii. Mechanizm quorum sensing (w znaczeniu dosłownym: poczucie obecności) umożliwia bakteriom porozumiewanie się za pomocą różnych związków chemicznych. Te „pogawędki” mają olbrzymie znaczenie dla środowiska zewnętrznego. Dodatkowo umożliwiają tworzenie biofilmu – trójwymiarowego skupiska bakterii, niezwykle trudnego do usunięcia. Rośliny z rodziny jasnotowatych nauczyły się jednak przerywać te „rozmowy”. Wydzielają kwas rozmarynowy – bioaktywny związek fenolowy zaburzający przebieg quorum sensing i tworzenie biofilmu przez pałeczkę ropy błękitnej. Dokładnie mechanizm tego procesu obronnego nie został jeszcze poznany. Naukowcy wciąż pracują nad rozszyfrowaniem procesów odpornościowych roślin, co ułatwiłoby wyhodowanie roślin odpornych na infekcje i zwiększenie plonów.

Cisi zabójcy

Australijski cefalotus bukłakowaty cierpliwie wabi swoje ofiary słodkim nektarem. Nieświadome zagrożenia, zbliżają się one w okolicę otworu dzbanka odpowiedzialnego za produkcję tej cieczy. Gdy stracą równowagę, wpadają wprost do wnętrza kielicha, a więc paszczy lwa. Obecne tu woski (roślinne wydzieliny występujące najczęściej w formie nalotu) uniemożliwiają owadom ucieczkę, a enzymy i bakterie zaczynają trawić ich ciała, dostarczając roślinie substancji odżywczych.

Przedstawiciele roślin mięsożernych polują nie tylko na owady, ale też na pajęczaki czy nawet niewielkie skorupiaki! Dzięki obecności przystosowań takich jak liście pułapkowe stały się bardzo skutecznymi drapieżnikami. W Polsce przedstawicielem tej grupy jest rosiczka, niewielka roślina występująca na podmokłych, bagnistych terenach. Wytworzyła ona liście pułapkowe zaopatrzone we włoski gruczołowe, które wydzielają lepką ciecz. To właśnie do niej przykleja się ofiara. Po jakichś trzech godzinach wydzielany przez roślinę kwas mrówkowy zaczyna rozpuszczać ciało owada. Ostatnie badania rzucają nowe światło na pochodzenie roślin owadożernych. Okazuje się, że zdolności do wydzielania enzymów trawiennych u australijskiego cefalotusa i rosiczki mają podobne pochodzenie genetyczne. Rośliny te zmodyfikowały geny występujące u ich zwyczajnych, przeprowadzających fotosyntezę krewnych. Na drodze ewolucji zaadaptowały je do procesu polowania na ofiary. Między innymi wykształciły gen odpowiedzialny za syntezę enzymu o nazwie chitynaza, rozkładającego owadzi szkielet zbudowany właśnie z chityny.

Rośliny od zawsze były obecne w życiu człowieka. Wykorzystujemy je jako pożywienie, źródło leczniczych substancji czy materiał budulcowy. Mało jednak wiedzieliśmy o ich bujnym życiu wewnętrznym. Na szczęście zmienia się to wraz z kolejnymi rewolucyjnymi doniesieniami naukowymi, które ukazują je jako zdecydowanie bliższe nam organizmy, niż do tej pory sądziliśmy.

Katarzyna Kornicka
Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, Katedra Biologii Eksperymentalnej

01.01.2018 Numer 1/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną