Owady napędzane światłem. Prawie

Granice między gatunkami, rodzinami i królestwami organizmów bywają rozmyte. Zasadniczo o odrębności gatunków decyduje zdolność do produkcji płodnego potomstwa. Im wyżej w podziałach systematycznych idziemy, tym bardziej ogólne i fundamentalne stają się wyznaczniki rozdzielności. Królestwa zwierząt (i koincydentalnie także grzybów) od roślin odróżnia kilka takich podstawowych różnic, z których najważniejszą chyba jest zdolność roślin – dzielona przez nie jedynie z glonami i bakteriami – do przeżycia tylko o słońcu i wodzie. Czyli do fotosyntezy.

Doniesienia o fotosyntetyzujących zwierzętach do tej pory można było włożyć albo między bajki albo niedopowiedzenia – znane jest bowiem wiele przypadków zwierząt żyjących w bardzo ścisłej symbiozie z fotosyntetyzującymi glonami. Dwa lata temu PNAS opisało nawet przypadek fotosyntetyzujących salamander – ale tu także przyczyną były symbiotyczne glony żyjące wewnątrz płaza.

O pierwszym zbadanym przypadku fotosyntezy u owadów doniosło kilka dni temu pismo Scientific Reports. Francusko-izraelska grupa badaczy opisała przypadek gatunku mszyc, Acyrthosiphon pisum. Mszyce wśród zwierząt są przypadkiem dość szczególnym, ponieważ zdolne są do syntezy karotenoidów – barwników, które inne zwierzęta przyswajać muszą z pokarmu. Oprócz karotenoidów produkują one zresztą jeszcze inne barwniki będące pochodnymi polifenoli, które mogą przyjmować różną barwę w zależności od pH otoczenia (czerwoną w zasadowym środowisku, zaś żółtą w obojętnym).

Barwniki produkowane przez mszyce A.pisum /źródło: Valmalette et al., Sci Rep (2012) 2:579 (CC BY-NC-SA)

Mszyce te, podobnie zresztą jak wiele innych owadów, rozmnażają się przez większą część roku partenogenetycznie (dziewiczo, czyli bez zapłodnienia). Formy zdolne do rozmnażania płciowego pojawiają się tylko jesienią.

Autorzy pracy wzięli potomstwo pochodzące od jednej matki i podzieli je na dwie grupy, które następnie trzymali w różnych warunkach, umożliwiając im dalszy rozwój i (partenogenetyczne) rozmnażanie. Jedna grupa trzymana była w 8ºC, podczas gdy druga – w 22ºC. I okazało się, że po jakimś czasie takiej środowiskowej selekcji owady hodowane w zimnych warunkach stawały się niemal jednolicie zielone, podczas gdy te hodowane w cieplarnianych dwudziestu dwóch stopniach – pomarańczowe.

W pracy tej na tym etapie pojawiły się dwa ciekawe aspekty: po pierwsze, partenogenetycznie rozmnażające się potomstwo jednej matki jest genetycznie identyczne. Pojawia się zatem pytanie, dlaczego w pewnych warunkach owady stają się zielona, w innych zaś – pomarańczowe. Tu muszę jeszcze dorzucić, że zaobserwowano jeszcze trzeci – białawy – fenotyp, który pojawiał się w warunkach dużego zagęszczenia owadów. Skąd więc biorą się te różnice u teoretycznie genetycznie identycznych owadów? Odpowiedzi dostarcza wspominana już przeze mnie epigenetyka – dziedzina biologii, która tłumaczy, jak zmiany nie w sekwencji DNA, ale w sposobie jego upakowania, w jego powierzchnownych modyfikacjach (wtajemniczeni będą oczywiście wiedzieć, że chodzi mi głównie o metylacje cytozyny), zmiany w modyfikacjach białek, na które nawinięte jest DNA, jak te wszystkie czynniki mogą tłumaczyć zmienność na poziomie fenotypowym, często wywołaną właśnie oddziaływaniem ze środowiskiem.

Tutaj jednak nie o tym chciałem.

Trzy różnokolorowe fenotypy mszyc: zielone, hodowane w zimnych warunkach, pomarańczowe, hodowane w warunkach ciepłych, oraz białawe (na dole) określane też jako bladożółte, które pojawiały się przy dużym zagęszczeniu owadów. /źródło: Valmalette et al., Sci Rep (2012) 2:579 (CC BY-NC-SA)

Karotenoidy bowiem od innych barwników biorących w fotosyntezie niczym się nie różnią – owszem, barwnikiem stosowanym przez większość fotosyntetyzujących organizmów są chlorofile, ale wynika to tylko i wyłącznie z większej ich wydajności w przetwarzaniu energii świetlnej na szybujące wewnątrz chloroplastowych błon elektrony. W zamierzchłych dziejach jednak to karotenoidy były stosowane dokładnie w tym samym celu – a jeśli pamiętacie, jak skomplikowana jest struktura chlorofili, łatwo możecie sobie wyobrazić, że prostszym organizmom takim jak bakterie łatwiej w istocie jest wyprodukować karoten.

Zwierzęta jednak z karotenów korzystają zazwyczaj w inny sposób: przekształcając go do retinalu – związku niezbędnego do działania jakichkolwiek fotoreceptorów, nie ważne czy mówimy o oczach owadzich, ludzkich, czy o prostej bakteriorodopsynie, białku będącym fotoreceptorem u mikrobów.

Dlatego tak niezwykłe było odkrycie – drugi punkt, na który chciałem zwrócić Waszą uwagę – że u A. pisum wolne elektrony wytwarzane w procesie absorpcji światła przez karoteny (a także inne obecne u tych owadów barwniki) zdawały się być przenoszone do komórkowej maszynerii odpowiedzialnej za produkcję ATP. Większość z nas będzie kojarzyć nieco przedszkolny (i już tu przeze mnie kiedyś wykorzystywany) zapis fotosyntezy jako:

dwutlenek węgla + woda –> (pod wpływem energii słonecznej) cukier + tlen

Osoby z nieco większym zacięciem biologicznym skojarzą jednak, że nieco bardziej zaawansowany (chociaż wciąż podstawowy) zapis fotosyntezy to:

2H₂O + 2NADP⁺ + 3ADP + 3P_i + światło → 2NADPH + 2H⁺ + 3ATP + O2

A teraz rzućcie jeszcze raz okiem na to obserwacje autorów pracy: pod wpływem światła wzbudzone karotenoidy uwalniały wolne elektrony, które były przenoszone do białek redukujących NADP do NADPH i produkujących ATP…

Innymi słowy, procesy zachodzące u owadów wyglądają jak uproszczona wersja fotosyntezy. Na potwierdzenie tej hipotezy badacze dostarczyli dość przekonujących dowodów, pokazując na przykład (i tu wykorzystano te różnokolorowe fenotypy owadów), że mszyce zielone, które zawierają więcej karotenoidów niż np. mszyce białawe, produkują więcej ATP.

Chociaż jednak udało się pokazać, że to właśnie karotenoidy odpowiadają za zwiększoną ilość ATP u owadów z większą ilością tych barwników, pozostaje do końca niewyjaśnioną zagadką, do jakiego stopnia proces ten przypomina fotosyntezę – bo w końcu jest całkowicie możliwe, że mamy do czynienia z nieco przypadkowym podobieństwem dwóch procesów na poziomie molekularnym – a jeśli w istocie jest to prosta forma fotosyntezy, to do czego jest ona tym owadom potrzebna?

A nie jest to zagadka do wyjaśnienia łatwa. Autorzy tłumaczą bowiem, że pomarańczowe mszyce są pomarańczowe, gdyż żyją w optymalnych warunkach (ciepło, dużo papu), więc mają dość energii na wytwarzanie większych ilości mniej lub bardziej zbędnych barwników. Gdy jedzenia zaczyna brakować, na przykład na skutek dużej konkurencji o nie, owady nie mogą sobie pozwolić na marnowanie cennych zasobów i dlatego tną tam, gdzie jest im to zbędne – na barwnikach, przyjmując bladożółty, tudzież białawy odcień.

No i tu pojawia się pytanie, na które nie potrafią na podstawie tej pracy odpowiedzieć, co zapewne oznacza, że i autorzy nie potrafią: jeśli proces ten działałby jak fotosynteza, czy nie miałoby więcej sensu uruchamianie go właśnie wówczas, gdy warunki są ciężkie? Natura jednak często kieruje się swoimi prawami, albo i też rachunek zysków i strat nie jest tutaj taki łatwy. W każdym razie odpowiedzi na to ostatnie pytanie dzisiaj jeszcze nie mamy.

Ryan Kerneya, Eunsoo Kim, Roger P. Hangarter, Aaron A. Heiss, Cory D. Bishop, and Brian K. Hall (2011). Intracellular invasion of green algae in a salamander host, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 108 (16): 6497-6502; doi: 10.1073/pnas.1018259108

Jean Christophe Valmalette, Aviv Dombrovsky, Pierre Brat, Christian Mertz, Maria Capovilla, and Alain Robichon (2012).Light- induced electron transfer and ATP synthesis in a carotene synthesizing insect, Scientific Reports, 2:579; doi: 10.1038/srep00579