W królestwie nasion

Nasiona to jedno z największych osiągnięć ewolucyjnych roślin. Ich niezwykłe bogactwo kształtów, barw oraz szeregu niezwykłych przystosowań przyczyniły się w ogromnym stopniu do opanowania przez rośliny nasienne tak różnorodnych siedlisk. Bez tych „kapsuł życia” jak się czasem nazywa nasiona, nie byłoby to możliwe.

Na początku było… sucho?

Według tradycyjnego poglądu wszystko zaczęło się na początku karbonu lub nieco wcześniej czyli jakieś 350 mln lat temu. Klimat na naszej planecie różnił się wtedy znacznie od tego w jakim przyszło nam obecnie żyć. Średnia objętość tlenu wynosiła około 32% (163% obecnego stężenia),  CO₂ – 800 ppm (3-krotnie więcej niż przed rewolucją przemysłową), a średnia temperatura wynosiła około 14°C (porównywalna z obecną).

Według powszechnego obrazu tamtego okresu, karbońska flora składała się głównie ze skrzypów, paproci drzewiastych i widłaków, które dziś, pod postacią węgla kamiennego i ropy naftowej, napędzają nasz świat. W krajobrazie natomiast dominowały bagna i obszary podmokłe. Jednakże najnowsze odkrycia, zdają się potwierdzać hipotezę, że obraz ten może być fałszywy. Przemawia za tym chociażby fakt, że szereg przystosowań nasion, jakie kształtowały się w tamtym okresie (np. czasowy spoczynek, substancje zapasowe i ochronne w nasionach) ewoluowały w odniesieniu do warunków jakie panują w suchym i sezonowo zmiennym klimacie. Taka hipoteza również dobrze wyjaśnia gwałtowny rozwój roślin nasiennych w następnym okresie ery paleozoicznej czyli w permie.

Nasiona – milowy krok w ewolucji

Gdy klimat stał się na dobre suchy, rośliny, których rozmnażanie, w przeciwieństwie do roślin zarodnikowych, nie było zależne od wody, już od dawna istniały i mogły przejąć ewolucyjną pałeczkę. Ustalenie dokładnego przebiegu zdarzeń jest bardzo trudne, paradoksalnie przez to, że rośliny nasienne występowały w wyższych położeniach i ich zapis kopalny (doskonale zachowujący się w warunkach beztlenowych jakie panują na bagnach) jest niezwykle skromny. Jednakże przejście od rozmnażania za pomocą zarodników do łączenia genów rodziców w nasionach, było milowym krokiem w ewolucji roślin.

Filogenetycznie starsze rośliny nagozalążkowe (drzewa iglaste ale także miłorząb i sagowce) dominowały na Ziemi aż do czasów dinozaurów, a i dziś jest ich całkiem sporo. Na obszarze strefy umiarkowanej, lasy w skład których wchodzą sosny, jodły, choiny, świerki, cedry i inne drzewa iglaste zajmują większy obszar niż jakiekolwiek inne rośliny.

Najnowszym (w ewolucyjnej skali czasu) osiągnieciem roślin jest okrycie nagich zalążków w zrośniętych owocolistkach, które tworzą słupek. Dalsze zmiany doprowadziły do powstawania owoców, których głównym zadaniem jest przyciągać uwagę i wabić potencjalnych roznosicieli nasion. Dało to szansę okrytonasiennym (bo tak nazywa się ta najmłodsza grupa roślin) na oszałamiający sukces ewolucyjny.

Woda już nie taka ważna

Przed pojawieniem się roślin nasiennych, seks roślin był… nudny. A do tego dość skomplikowany. Aby to lepiej zrozumieć trzeba wyobrazić sobie, że z naszych komórek jajowych i plemników wyrastają nasze odpowiedniki, i że żeby narodził się nasz potomek to właśnie one muszą uprawiać seks. Do tego te mniejsze wersje wcale nas nie przypominają i nie zdają sobie sprawy z naszego istnienia. Tak mniej więcej wygląda rozmnażanie za pomocą zarodników, z których wyrasta przedrośle czyli gametofit, który produkuje komórki jajowe i plemniki. Aby doszło do zapłodnienia niezbędna jest woda. To wszystko świetnie działa, gdy wilgoci jest pod dostatkiem. Gorzej, gdy klimat staje się suchszy.

Zastąpienie pływających plemników pyłkiem oraz przeniesienie zapłodnienia do organów żeńskich pozostających na roślinie, sprawiło, że możliwe stało się uniezależnienie od wody i tym samym pozwoliło objąć we władanie praktycznie każde środowisko na Ziemi (poza Antarktydą).

Nie oznacza to jednak, że warunki pogodowe nie mają żadnego wpływu na rozwój nasion. W związku z tym, że cykl rozwojowy nasion trwa niekiedy kilka lat, to ile nasion zostanie wyprodukowanych i ile z nich osiągnie dojrzałość w dużej mierze zależy od warunków jakie panowały w okresie zapylenia, zapłodnienia i zawiązywania się nasion.

Co wpływa na obfitość nasion?

Do gatunków zaliczanych do wrażliwych na warunki atmosferyczne w okresie kwitnienia należą nasze rodzime dęby. Wystarczy zbyt wilgotna lub wietrzna aura w okresie kwietnia/maja i nici z dużej ilości nasion w danym roku. W późniejszym okresie rozwoju nasion duże znaczenie mają późne przymrozki, które także potrafią zniszczyć już zawiązane nasiona. Wiąże się to między innymi z dużą zawartością wody w żołędziach (to nasiona z kategorii reclacitrant, które nie mogą być podsuszane poniżej pewnego zwykle wysokiego poziomu – w przypadku dębów 44-48%). Urodzaj nasion zależy także od dostępności wody oraz składników pokarmowych (np. azotu) niezbędnych dla wydania nasion. Jest to na tyle energochłonny proces, że gatunki wydające duże nasiona potrzebują nawet kilkuletnich przerw pomiędzy obfitymi urodzajami nasion w celu odbudowy zasobów. Widoczne jest to nawet w przyrostach rocznych, które są znacznie węższe w latach obfitego urodzaju (ang. mast year).

Jednym z ważniejszych czynników regulujących kwitnienie i dojrzewanie nasion jest także temperatura. Postępujące zmiany klimatu wraz rosnącą depozycją (gromadzeniem) azotu sprawiają, że od lat 90-tych ubiegłego wieku naukowcy obserwują skracanie się odstępów pomiędzy latami nasiennymi praktycznie wszystkich gatunków drzew leśnych w Polsce. Dotyczy to także takich gatunków jak dąb czy buk, których lata obfitego urodzaju nasion przypadały zwykle co 5-8 lat (Ryc.1). Obecnie praktycznie co roku można spodziewać się dość wysokiego urodzaju, choć zauważyć można także swego rodzaju regionalizm (szczególnie w przypadku buka zwyczajnego – Ryc. 2)

Inwestycja w potomstwo

W związku z tym, że rośliny uważane są generalnie za organizmy niezdolne do przemieszczania się (co nie znaczy, że nie wykonują ruchów!), ich przetrwanie zależy w głównej mierze od nieustannej adaptacji do warunków środowiska. Jako, że całe swoje życie spędzają w miejscu w którym kiedyś wykiełkowały, rośliny bardzo dużo wysiłku wkładają w odpowiednie przygotowanie i wysłanie w świat swojego potomstwa. Wiąże się z tym szereg przystosowań, których szczegółowe opisanie zajęło już niejedną książkę.

Jednym z nich jest spoczynek nasion, czyli stan w którym procesy metaboliczne zwalniają do poziomu, porównywalnego ze śmiercią. Większość gatunków roślin produkuje nasiona znoszące dość znaczne wysuszenie, co dodatkowo zwiększa ich długowieczność. Odwodnienie sprawia, że zmienia się cała struktura wnętrza komórki, zahamowaniu ulegają procesy transkrypcji genów, a nasiono zamienia się w rodzaj wehikułu zdolnego do podróżowania w czasie i przestrzeni.

Ta wyrafinowana strategia (choć może trochę sprzeczna z intuicją, bo czyż podstawowym zadaniem nasiona nie jest kiełkowanie?) pozwala na wybór odpowiedniego momentu do kiełkowania w powiązaniu z wieloma czynnikami zewnętrznymi takimi jak: ilość opadów (nasiona potrafią odróżnić przelotną mżawkę od ulewnych deszczy), dostęp światła (są nasiona do których kiełkowania niezbędne jest światło pełne i takie, które kiełkują w ciemności albo tylko, gdy dociera do nich światło o określonej długości fali), temperatura (wpływ temperatury na nasiona jest bardzo złożony, a wymagania nasion pod tym względem niezwykle się różnią).

Niektóre nasiona do przerwania spoczynku wymagają okresu chłodu, różnego układu warunków ciepło-chłodnych lub jeszcze bardziej skomplikowanych rozwiązań). Wszystko to po to, żeby zapewnić potomstwu (siewce) jak najkorzystniejsze warunki do rozwoju.

Inwestycja w potomstwo jest zbyt kosztowna, a ewolucyjna stawka zbyt wysoka, aby to zignorować. Dobrze ilustrują to gatunki, które występują na obszarach z cyklicznie pojawiającymi się pożarami. Nasiona takich gatunków, jak niektóre akacje (także robinia, choć oczywiście akacją nie jest), sumaki, czy niektóre gatunki sosen, są praktycznie wodoodporne i do czasu, gdy nie zostaną uszkodzone przez ogień nie są zdolne do imbibicji czyli wchłaniania wody. Dopiero pożar jest w stanie spowodować spękanie ich bardzo twardej i nieprzepuszczalnej okrywy umożliwić wniknięcie wody do wnętrza nasiona. Bez wody nie ma kiełkowania.

Z kolei nasiona roślin występujących na obszarach pustynnych muszą umieć odróżnić przelotny deszczyk od nadejścia wilgotnej pory roku, kiedy mogą bezpiecznie kiełkować. Mechanizm tego rozpoznawania nie został jeszcze dokładnie poznany ale obecnie uważa się, że w łupinie tych nasion nagromadzone są substancje hamujące kiełkowanie (inhibitory). Ich wypłukanie przez duże ilości wody stanowi swego rodzaju „wskaźnik wielkości opadów” i umożliwia kiełkowanie w sprzyjających warunkach.

Spoczynek nasion umożliwia ich przetrwanie w naturze oraz możliwość przechowywania przez człowieka. Dzięki temu możliwa stała się rewolucja agrarna, w wyniku której z myśliwych i zbieraczy, zmieniliśmy się w osiadłych rolników.

Liczy się miejsce

Nie wystarczy jednak wykiełkować w odpowiednim momencie. Ważne jest także gdzie się wykiełkuje. Z punktu widzenia zapewnienia sukcesu reprodukcyjnego, młode pokolenie powinno wzrastać w pewnym oddaleniu od rośliny macierzystej. Wiąże się to z faktem uniknięcia konkurencji rozwijających się siewek z dojrzałą rośliną o ograniczone zasoby pokarmowe. Sposobów na uniknięcie takiej konkurencji jest kilka.

Jedną z nich jest wytwarzanie toksycznych substancji (działających jak herbicydy), uniemożliwiających wzrost w pobliżu rośliny macierzystej (np. u buka zwyczajnego). Zjawisko to nosi nazwę allelopatii. Jednak najbardziej powszechnym (i znacznie bardziej skutecznym) sposobem na zdobywanie nowych terytoriów jest wysłanie potomstwa (nasion) w świat, wykorzystując do tego wiatr (anemochoria), grawitację (barochoria), wodę (hydrochoria) oraz zwierzęta (zoochoria). Każda z tych metod dyspersji (rozsiewania) nasion wiąże się ze specyficznymi przystosowaniami.

Nasiona roznoszone przez wiatr posiadają struktury umożliwiające szybowanie lub wolne opadanie (co zwiększa szanse na porwanie przez podmuch powietrza). Nasiona gatunków rosnących w pobliżu cieków wodnych często posiadają korkowe okrywy umożliwiające im unoszenie się na wodzie. Najbardziej spektakularne są natomiast adaptacje roślin, których nasiona przenoszą zwierzęta. To właśnie one ukryte są w soczystych miąższach owoców, stanowiących rodzaj nagrody dla roznosiciela.

Zwierzęta roznosiciele

Jednymi z najbardziej oczywistych zwierząt roznoszących nasiona są jedyni żyjący potomkowie dinozaurów czyli ptaki. Prezentują one całą gamę przystosowań, od rodzajów dziobów do budowy układu pokarmowego. Drugą grupę silnie związaną z dyspersją nasion są gryzonie, które co prawda zjadają pokaźną część nasion ale o całkiem sporej liczbie, ukrytych w różnych spiżarniach, po prostu zapominają, umożliwiając tym samym rozwój nowych siewek.

Najmniej oczywiste wydają się związki nasion z niektórymi przedstawicielami ssaków i owadów. O ile udział np. dzików w roznoszeniu żołędzi nie jest dla nas niczym dziwnym, o tyle roznoszenie nasion borówki przez niedźwiedzie czy nasion maruli (drzewo z południowej Afryki) przez słonie już takie oczywiste nie jest. Naukowcy wiążą nawet wymieranie  dawnych gatunków roślin właśnie z wyginięciem przedstawicieli megafauny. Podobnie rzecz ma się z nietoperzami. Te jedyne latające ssaki, a dokładnie ich owocożerni przedstawiciele przyczyniają się do roznoszenia nasion potężnego Dipteryx panamensis, drzewa rosnącego w centralnej Ameryce Południowej, znanego też pod hiszpańską nazwą – almendro. Nasiona tego drzewa należą do najtwardszych na świecie ale dla wielkiego owocożernego nietoperza Artibeus lituratus (rozpiętość skrzydeł 45 cm), ważniejszy (i smaczniejszy) jest miąższ otaczający to nasiono. Wielkość tego nietoperza pozwala na przenoszenie nasion almendro nawet do 1,5 km od drzewa macierzystego.

Prawdopodobnie jeszcze mniej oczywisty jest związek nasion z owadami. Jednak także i z tą grupą zwierząt rośliny weszły w swego rodzaju kooperatywę. Nasiona roznoszone przez mrówki (myrmekochoria) zawierają tzw. ciałka mrówcze (elajosomy), niewielkie pakuneczki tłustej i bogatej w białko substancji przytwierdzone do nasiona. Mrówki po przeniesieniu nasiona do mrowiska zjadają elajosom, a nasiona pozostawiają nietknięte. Tego typu transport nie odbywa się na zbyt duże odległości, choć udokumentowano przypadek, w którym mrówki przeniosły nasiona na odległość 180 metrów, co zważywszy na rozmiary tych owadów jest nie lada wyczynem.

Nasiona – osnowa życia

Nasiona potrafią także się bronić. W toku ewolucji wykształciły cały zestaw broni chemicznej (głównie pod postacią związków zwanych alkaloidami), za pomocą której są w stanie odpierać ataki wygłodniałych hord wszelakich amatorów ich odżywczego wnętrza. Niektóre z nich wykorzystywane są przez ludzi do ich własnych, partykularnych i merkantylnych celów.

Najlepszym przykładem jest kofeina, która w naturze stanowi środek odstraszający ślimaki i owady lub kapsaicyna, obecna w papryczce chili, która pierwotnie używana była przez roślinę jako fungicyd. Oba te związki chemiczne stały się podstawą fortuny niejednego milionera. Także nasze dęby chronią swoje nasiona (a właściwie owoce) przed nadmiernym drapieżnictwem wyposażając je w gorzkie alkaloidy z grupy tanin (o ile wiem nikt jak dotąd fortuny na tym nie zarobił, choć w czasie II wojny światowej żołędzie używane były jako substytut kawy).

Wiele z substancji zawartych w nasionach wciąż czeka na opisanie. Wiele z nich już daje obiecujące wyniki np. w leczeniu chorób nowotworowych. Wielu substancji wciąż nie odkryliśmy. Dlatego tak ważne jest zachowanie i zwiększanie bioróżnorodności. W przeciwnym razie, być może, właśnie tracimy coś co mogło nas w przyszłości ocalić.

Thor Hanson, biolog i obrońca środowiska napisał: „Żyjemy w świecie pełnym nasion. Zawsze są blisko nas (…), dają nam pożywienie, paliwo, trunki i trucizny, oleje, barwniki, włókna, przyprawy. Nasiona są osnową życia, podstawą wyżywienia, ekonomii i stylu życia współczesnego świata”. Pamiętajmy o tym parząc poranną filiżankę kawy lub zbierając szyszki w drzewostanie nasiennym.

Autor: dr inż. Szymon Jastrzębowski