źródło: flickr; Murray Williams (CC BY-NC-SA 2.0)

Ostatnimi czasy w Molekule Miesiąca królowała tematyka leczniczo-pozytywna: mieliśmy leki, afrodyzjaki, odchudzające hormony i zapobiegające starzeniu wino. Ponieważ jednak nastroje w narodzie są burzliwe (o ACTA już więcej nie piszę, żeby z siebie jeszcze bardziej idioty nie robić, ale Anonymous – jak również gówniarzy obrzucających cegłami urzędy – wciąż potępiam), postanowiłem na garaż wrzucić cząsteczkę odpowiednią do tychże nastrojów.

Dzisiaj zatem słów kilka o ojcu (nie historycznie, ale potencjałowo) wszystkich paraliżujących gazów bojowych: o gazie VX, o którym główny bohater filmu Twierdza, grany przez Nicolasa Cage’a, powiedział, że jest to jedna z tych rzeczy, które chcielibyśmy „odwynaleźć”.

Gazy bojowe paralityczno-drgawkowe (z ang. nerve agents) odkryte zostały – jak wiele innych mniej lub bardziej przydatnych związków – przypadkowo. W latach 30. XX wieku poszukujący dla niemieckiego koncernu IG Farben nowego insektycydu Gerhard Schrader odkrył związek z niezwykle potentnej rodziny związków fosfoorganicznych. Wkrótce na własnej skórze zapoznał się z efektami ubocznymi, które substancja ta wywołuje u ludzi, gdy rozchlapał niewielką jego odrobinę w laboratorium. Zarówno Schrader jak i jego asystent zostali wystawieni na działanie tabunu – morderczego gazu, który jest zasadniczo zakany przez Konwencję o Zakazie Broni Chemicznej z 1993 roku, niemniej wraz z iperytem był stosowany przez irakijczyków w wojnie iracko-irańskiej w 1988 roku. Wracając jednak do niemieckich badaczy – mimo niezwykle małej ilości rozlanego związku powrót do zdrowia zajął im obu niemal miesiąc. Nic więc dziwnego, że gdy ledwie półtora roku później wybuchła II Wojna Światowa, niemiecka armia bardzo się tym odkryciem zainteresowała. Jeszcze przed wojną jednak grupa badawcza Schradera odkryła kolejny z tzw. serii G gazów bojowych – sarin, nazwany od nazwisk odkrywców (Schradera, Ambrose’a, Rudigera i van der LINdego; nawiasem mówiąc paskudny sposób na zapisanie się w annałach historii). Paradoksalnie jednak, pomimo posiadania tak potężenej broni, Niemcy nie zdecydowali się tych gazów użyć w walce z Aliantami. Co ich powstrzymało, nie wiem, bo raczej przecież nie sumienie. W każdym razie wojna z 1988 oraz atak terrorystyczny w tokijskim metrze w połowie lat 90. przeprowadzoy przez sektę Aum-Najwyższa Prawda pozostają jedynymi potwierdzonymi użyciami sarinu na większą skalę.

Cząsteczka gazu VX, nazwę systematyczną aż boję się przytoczyć. /źródło: wiki (domena publiczna)

Badania nad związkami tego typu prowadzono w dalej w latach 40. i 50. Wówczas to dr Ranajit Ghosh z brytyjskiej firmy Imperial Chemical Industries (obecnie AkzoNobel) odkrył kolejną rodzinę związków fosfoorganicznych będących znakomitymi pestycydami. Tak narodziła się nowa, ulepszona seria gazów bojowych, tzw. gazy V. Gazy V od gazów G są znacznie bardziej toksyczne, a dodatkowo trudniej ulegają degradacji oraz ciężej jest je zmyć. W serii V jest conajmniej 5 gazów (o których wiemy): X, E, G, M i R. VX jest jednym z bardziej toksycznych w tej serii oraz z całą pewnością najlepiej przebadanym.

Powiedzmy więc wreszcie słów kilka o tym zabójczym związku. Uzyskać go można w procesie transestryfikacji, w skrócie przedstawionym poniżej. Nie wątpię, że na potrzeby chemików organików prędzej czy później z detalami opisze ten proces Marcin (a nawet jeśli nie, to pewnie i lepiej – nie potrzeba nam domorosłych specjalistów pichcących w kuchni broń chemiczną!).

Skrócony zapis procesu syntezy gazu VX. Dzieci, nie próbujcie tego w domu! /źródło: wiki (domena publiczna)

Aby wyjaśnić, jak działa gaz VX (tudzież i pozostałe gazy G i V), musimy tutaj odbyć błyskawiczny dwuzdaniowy kurs na temat przewodnictwa impulsów nerwowych (i tych, którzy wiedzą, o czym bajdurzę, proszę o wyrozumiałość). Sygnał nerwowy w naszych organizmach przekazywany jest w postaci impulsów elektrycznych biegnących po powierzchni komórek nerwowych. Pewną barierą w przekazywaniu tego sygnału są przeskoki pomiędzy poszczególnymi komórkami. Te interfejsy pomiędzy dwoma komórkami (niekoniecznie nerwowymi, ale najczęściej tak) nazywamy synapsami. Tych ostatnich są zasadniczo dwa rodzaje: elektryczne, które nas tutaj nie interesują, oraz chemiczne, które interesują nas bardzo.

Synapsa chemiczna. /źródło: wiki (domena publiczna)

Na rycinie obok możecie zobaczyć bardzo, bardzo ogólny schemat synapsy chemicznej. Gdy sygnał elektryczny dociera do końca komórki, wywołuje on w tymże zakończeniu całą kaskadę reakcji chemicznych prowadzących do uwolnienia z małych pęcherzyków znajdujących się tuż przy błonie komórkowej synapsy związków nazywanych neurotransmiterami (neuroprzekaźnikami). W procesie tym, alby nie uwolnić tych przekaźników do wnętrza komórki, pęcherzyki zlewają się z błoną komórkową neuronów i wypuszczają te związki na zewnątrz, w przestrzeń międzykomórkową. Rodzajów neuroprzekaźników jest na pęczki. Do tych bardziej znanych, o których zapewne gdzieś tam słyszeliście, należą na przykład endorfiny, melatonina, dopadmina, ale też i podtlenek azotu (ten od seksownej chemii). I wreszcie acetylocholina – neuroprzekaźnik kluczowy dla toksycznego działania gazu VX. Uwolniony do przestrzeni synapsy przekaźnik przemieszcza się siłami natury (czyli poprzez dyfuzję) w poprzek tejże synapsy, aż dociera do błony komórkowej drugiego neurona, która to błona usiana jest receptorami rozpoznającymi ten związek. Gdy przekaźnik łączy się z receptorem, wywołuje elektryczne pobudzenie błony, które jest przekazywane dalej, do kolejnej synapsy i kolejnej komórki i tak aż do mózgu.

I tu właśnie do akcji wkraca gaz VX. Wiąże się on kowalencyjnie (czyli bardzo, bardzo trwale) do tegoż enzymu metabolizującego acetylocholinę. Powoduje to ciągłe pobudzanie komórek post-synaptycznych prowadzące do czegoś, co możnaby nazwać zmęczeniem neuronu. No a dodatkowo, oczywiście, komórka pre-synaptyczna nie odzyskuje choliny, więc prędzej czy później wyczerpuje kompletnie jej rezerwy. Te biochemiczne zjawiska prowadzą do bardzo niemiłych objawów na poziomie fizjologicznym. Jednym z podstawowych jest ataksja – czyli utrata kontroli nad mięśniami. Problemy z mową są konsekwencją ataksji. Konwulsje, utrata odruchów to kolejne, ostatnim zaś jest oczywiście bardzo nieprzyjemna śmierć, najczęściej przez uduszenie.

Trwałość tego związku oznacza, że do zatrucia może dojść w miejscu, w które rozpylenie gazu widziało sto lat temu (gdyby sto lat temu istniał, oczywiście). To jest zapewne bardzo dobry powód do tego, aby nie używać gazu VX jako broni chemicznej – miejsce ataku pozostałoby przez lata niezdatne do zamieszkania. Nie wspominając o jądrowym odwecie w przypadku niektórych światowych potęg (bo też i ciężko przewidzieć, jakby zareagowały na coś tak groźnego).

O ile dawka przyjętego VX nie jest horrendalnie wysoka, istnieją pewne szanse na odratowanie. Podawać można jako antidotum pralidoksynę, która usuwa grupę fosforanową z zablokowanego enzymu. Pomaga też szybkie zmycie VX ze skóry, jeśli po nim następuje natychmiastowa hospitalizacja. Jednak paradoksalnie najbardziej skuteczną (zwłaszcza, gdyby trzeba jej było użyć na masową skalę) odtrutką przeciw VX jest atropina, czyli inny związek, który jest silną paraliżującą trucizną. Wielu z nas zna atropinę z wizyt u okulisty, gdzie podawana jest w celu poszerzenia źrenic np. przy badaniu dna oka. Działanie atropiny jest jednak odwrotne do VX – wiąże się ona do receptorów acetylocholiny, blokując przekazywanie sygnałów nerwowych. W przypadku przedawkowania także prowadzi do śmierci, jednak przy zatruciu vX jej podawanie w umiarkowanych dozach może ocalić Wam życie.

Jest to kolejny przykład ratowania życiu po zatruciu przez podawanie innej trucizny. Innym bliższym naszym polskim sercom przykładem jest ratowanie zatrucia metanolem poprzez podawanie etanolu. Z tym także jednak nie należy przesadzać (a o tym, dlaczego tak, a nie inaczej – może innym razem).

V jak Vendeta, czyli symbol społecznego oporu. /źródło: flickr; jacsonquerubin (CC BY-NC-SA 2.0)

W początkowym szale wpadłem w owczy pęd z całą resztą internetów i oprotestowałem dokument ACTA. Na swoją obronę powiem jedynie, że inspiracją były wiki i wordpress, które jednak protestują – o czym nie powinniśmy zapominać – przeciwko ustawodawstwu amerykańskiemu, a więc projektom PIPA i SOPA, a nie przeciwko umowie ACTA. Dokładnej treści amerykańskich dokumentów zresztą nie znam.

Większość szumu medialnego jednak mnie ominęła, bo przez całą drugą połowę zeszłego tygodnia byłem w górach i problemy internetów miałem w głębokim poważaniu. Po powrocie jednak siadłem i zacząłem czytać o tych wszystkich cyberatakach, o jakichś tam protestach, demonstracjach, o opiniach różnych polskich autorytetów (najpierw Żakowski się zacietrzewił, że ACTA jest bez sensu, na co mu Orliński bardzo pięknie odpowiedział; wreszcie Hołdys wsadził kij w mrowisko). Na koniec postanowiłem sam na dokument rzucić okiem.

Żeby nie udawać jakiegoś speca dodam od razu, że okiem rzuciłem jedynie na artykuł 27, dotyczący internetu właśnie. Bo pamiętajmy, że ACTA to znacznie więcej niż tylko kwestia piractwa w internecie.

Rzuciłem tym okiem, rzuciłem drugim, rzuciłem oboma. Wytrzeszczyłem moje patrzały tak, że mi prawie z czachy wyskoczyły. I prawdę powiedziawszy nie widzę w tym dokumencie tego wszystkiego, co według mediów, według Anonymous, według licealisty Michała, według redaktora Żakowskiego, się ma w tej umowie znajdować. Analizował tego tutaj nie będę – odsyłam do tego krótkiego wpisu na stronie Spider’s Web.

Tutaj powiem tylko tyle: ACTA, na mój marny chłopski nieprawniczy rozum, jest listą wskazówek i zaleceń. Nie jest prawem. Nie grozi sama w sobie żadną cenzurą, niszczeniem wolnej prasy, kultury i nie wiem czego jeszcze, ani też końcem internetu. Bowiem w niemal każdym artykule mówi, że środki stosowane w danej spornej sytuacji muszą być adekwatne i zgodne z obowiązującym w sygnującym tą umowę kraju prawem. Dodatkowo, większość zapisów zawiera taką oto perłę:

Procedury są stosowane w sposób, który pozwala uniknąć tworzenia barier dla zgodnej z prawem działalności, w tym handlu elektronicznego, oraz, zgodnie z prawodawstwem Strony, zachowuje podstawowe zasady, takie jak wolność słowa, sprawiedliwy proces i prywatność.

No jeśli to nie chroni naszej prywatności i naszych interesów, to ja już nie wiem, czego by wszyscy chcieli (zapewne uzbrojonego po zęby strażnika stojącego dzień i noc koło naszych cennych serwerów i laptoków, chroniąc te spiracone filmy, muzykę, książki, które na nich przechowujemy).

Innymi słowy: można się oburzać, że rząd negocjacje prowadził po cichu. Można się oburzać, że nie było szerokich konsultacji społecznych (chociaż nie jestem pewien, czy w tej sytuacji są one wymagane). Ale nie można mówić, żeśmy sobie ta umowę sprowadzili na głowę potop, Sodomę i Gomorę i Apokalipsę. Bo tak się nie stało.

Nie można też mówić, że rząd nagle się do ACTA przyznał teraz, albo że jej treść „wyciekła” do prasy. Dokument na stronach Komisji Europejskiej dostępny był od ponad roku.

Prawdę powiedziawszy, gdyby nie znacznie głośniejsze protesty w sprawie PIPA i SOPA w Stanach – na serwisach takich, jak wiki, czyli tych, z których każdy z nas korzysta codziennie, to większość z nas pewnie by tego nie zauważyła.

Do śmiechu (przez łzy) doprowadza mnie ogłaszanie, że takie to i takie portale i serwisy protestują przeciwko ACTA: większość protestuje już teraz na zasadzie podążania za tłumem. Pierwsze polskie serwisy, które jednak zdecydowały się rzucić tej umowie rękawicę – demotywatory, kwejk; wykop jest tu może wyjątkiem, gdyż nie publikuje treści jako takiej, a jedynie odnośniki – żyją przecież z piractwa! Innymi słowy: Kuba Rozpruwacz krzyczy, że prawo zabraniające morderstwa to skandal, a tłum klaszcze.

A co do akcji Anonymous: przyklaskiwanie im, jest przyklaskiwaniem cyberterroryzmowi. Jakie by nie były ich pobudki. Ja wszystkim tym, którzy chwalą i popierają te włamania na rządowe strony Polski i innych krajów, powiem tyle: cieszyliście się, jak samoloty w imię czyjejś wiary wlatywały w WTC? Nie? To po cholerę szczerzycie mordy teraz?

Ja osobiście mam szczerą nadzieję, że każdy jeden haker, który macza palce w tych atakach, zostanie ostatecznie złapany i zamknięty na lata w pierdlu, w celi bez prądu, coby mu takie głupie pomysły do głowy więcej nie przychodziły.

P.S. Żeby nie było jednak, że jestem jakiś strasznie niewyważony, możecie sobie inną analizę przeczytać tutaj (zgadzam się z jej fragmentami, ale niektóre punkty uważam za nadinterpretacją treści ACTA).

I jeszcze P.S.P.S. Wybaczcie mi rant, to się na pewno prędko nie powtórzy – zaraz wracam do pisania o tym, na czym się jednak znam, czyli o nauce ;)

I jeszcze P.S.³: Mariusz, z bloga Naturalnie, także popełnił kilka dni temu notkę na temat ACTA. Zasadniczo, jak mogliście zauważyć, się z nią nie zgadzam. Dodam jednak, że Mariusz poruszył bardzo ciekawy problem Wolnej Kultury. Ciekawy z mojego punktu widzenia jest on przez oczywiste odniesienie do Otwartej Nauki – i aż dziw, że hasło to się nie pojawiło, bo byłoby znakomitym punktem startowym do dyskusji na tym, co to dokładnie znaczy open source oraz jaka jest różnica między open source a open access - i ile z tych przyjemności jest tak naprawdę darmowe i dla kogo.

źródło: flickr; Jason A. Samfield (CC BY-NC-SA 2.0)

Na liście największych odkryć naukowych 2011 roku znalazło się rozwiązanie (bardzo wysokiej jakości) struktury białka znanego jako fotosystem (lub bardziej po naszemu fotoukład) II (czyt. drugi). Chociaż krystalograficzne rozwiązanie struktury jakiegokolwiek białka jest zawsze niezwykłym osiągnięciem, a już zwłaszcza kompleksu tak dużego jak fotoukład drugi, to jednak co roku rozwiązywanych i opisywanych jest bardzo wiele struktur białkowych – w tym roku światło dzienne ujrzała też struktura białka, którym zajmowałem się kątem w czasie mojego doktoratu, a jednak tego na liście największych odkryć nie umieścił. Pytanie jest zatem proste: dlaczego akurat fotoukład II?

Dzisiaj postaram się po krótce na to pytanie odpowiedzieć.

Jak zwykle zatem zacznijmy od początku, czyli od tego, co to dokładnie jest fotoukład II. W tym celu krótki przypomnienie z lekcji biologii dotyczące fotosyntezy. I proszę mi wybaczyć wymądrzanie się, jeśli  dla niektórych Czytaczek i Czytaczy będą to rzeczy oczywiste. Proces fotosyntezy to, w dużym skrócie, proces, w którym duża część samowystarczalnych organizmów żyjących na Ziemi, w tym przede wszystkim rośliny, ale też i wiele bakterii, przekształca z pomocą energii słonecznej dwutlenek węgla w różne organiczne cząsteczki, przede wszystkim cukry. Produktem ubocznym w tym procesie zaś jest tlen.

W tych krótkich zdaniach zawiera się istota życia na Ziemi. Zwierzęta bowiem w sensie biologicznym samowystarczające nie są: muszą jeść inne organizmy (czy to inne zwierzęta, czy też rośliny, grzyby, glony itd.), aby przeżyć. Więc w tej wersji klasycznego pytania, o to, co było pierwsze, jajko czy kura, organizmy, które same sobie syntetyzują pożywienie, czy te, które tego nie potrafią, odpowiedź jest więcej niż oczywista. Innymi słowy, gdyby nie fotosynteza, na Ziemi nie byłoby życia, jakie znamy. W dodatku także nie byłoby nas: organizmów aerobowych. Ponieważ atmosfera ziemska nie zawsze była w tlen bogata – stała się taka na skutek milionów lat działalności fotosyntetyzujących roślin.

Reakcję fotosyntezy zapisuje się w uproszczeniu następująco:

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

Ten niezwykle prosty zapis kryje jednak moc niezwykle skomplikowanych procesów biochemicznych. Zacznijmy o tego, że cały proces fotosyntezy jest dwufazowy: pierwsza faza jest nazywana fazą jasną fotosyntezy. Do jej zajścia niezbędne jest światło, ergo zachodzi ona w dzień. Organizmy, które potrafią przeprowadzić proces fotosyntezy, swój czas wykorzystują jednak bardzo efektywnie, do drugiej fazy bowiem światła nie potrzeba i zachodzić może ona także w nocy. W dalszych rozważaniach skupimy się jednak głównie na fazie jasnej.

Faza ta zachodzi w błonach tylakoidów – pęcherzyków obecnych w chloroplastach, organellach komórkowych odpowiedzialnych za cały proces. W skrócie można powiedzieć, że w fazie tej pod wpływem energii słonecznej rozszczepieniu ulega woda, a uwolniona w ten sposób energia (w postaci elektronów oderwanych z cząsteczki wody) jest przekształcana utworzenie nowych wiązań chemicznych i produkcję dwóch związków, które niezbędne są do fazy ciemniej – ATP, będące podręcznym komórkowym magazynem energii, oraz NADPH, które na pęczki jest zużywane do syntezy cukrów w fazie ciemnej. Ten skrót jednak wymaga uczestnictwa dwóch dużych kompleksów białkowych: fotoukładu II i fotoukładu I.

Schemat Z – przemiany energetyczne w ramach fazy jasnej fotosyntezy. P680 oraz P700 to układy chlorofilowe w fotoukładzie II i I. 4Mn to kompleks rozszczepiający wodę, a Tyr – kluczowa w nim reszta tyrozyny. Phe to feofityna, Qa i Qb to pastochinon związany z białkami fotoukładu, zaś PQ to całkowita pula plastochinonu obecna w błonach. Cyt b6f to białko pośredniączące pomiędy fotoukładami – tzw. kompleks cytochromowy. PC to plastocyjanina, A0 – cząsteczka chlorofilu, A1 zaś to filochinon. Fx, Fa oraz Fb to tzw. centra żelazowo-siarkowe: centra aktywne białek bogate w żelazo i siarkę. FD to ferredoksyna, zaś FNR to reduktaza ferredosyna-NADP – białko odpowiedzialne za syntezę NADPH. Należy tu dodać w ramach wyjaśnienia, że wszystkie te chlorofile, cyjaniny i chinony, to różnego rodzaju małe cząsteczki organiczne będące kofaktorami białek (niezbędnym składnikiem potrzebnym do ich prawidłowego funkcjonowania)./ źródło: wiki; Jiří Janoušek (CC BY-SA 3.0)

Na ilustracji powyżej (nazywanej schematem Z) pokazano zmiany energetyczne w tym procesie. Oba fotoukłady zawierają barwniki fotosyntetyczne, najczęściej chlorofil, które są akceptorem energii słonecznej. Innymi słowy, kwant energii padający na cząstęczkę barwnika, pobudza go wybijając z jego struktury elektrony (po dwa na każdy kwant energii, w obu fotoukładach – nie to, żeby to była arcyistotne w tej chwili). Elektrony te przekazywane są poprzez łańcuch białek błonowych, wytracając w tych procesach część uzyskanej energii. Ostatecznie elektrony pochodzące z fotoukładu II zużywane są do uzupełnienia wybitych elektronów z fotoukładu I, a ich wytracona energia jest magazynowana w wiązaniach ATP, zaś elektrony z fotoukładu I zużywane są bezpośrednio do syntezy NADPH. Dziura po elektronach wybitych z fotoukładu II jest zapełniania przez elektrony oderwane w procesie rozszczepienia wody.

Fotoukład II ma niezwykle skomplikowaną strukturę. Składa się z 20 podjednostek oraz dodatkowych białek pomocnicznych. Każdy fotoukład II zawiera blisko 100 kofaktorów: chlorofili i innych barwników, hemów, tłuszczów oraz centrów manganowo-wapniowych – tych od rozszczepiania wody. I właśnie to rozszczepianie wody jest wielką zagadką natury, gdyż proces ten jest głównym źródłem tlenu (atmosferycznego) na naszej planecie, a mimo to rozumiemy go w bardzo niewielkim stopniu. Jest też inny aspekt tego procesu, który jest dla nas bardzo interesujący. Zapytacie teraz zapewne: jaki?

J

ednym z największych problemów, z jakimi będzie musiała zmierzyć się nasza cywilizacja w nadchodzących stuleciach, są gwałtownie topniejące zasoby kopalnych surowców energetycznych: węgla, ropy oraz gazu ziemnego. Polegamy na tych surowcach w stopniu niezwykłym między innymi dlatego, że nie potrafimy równie efektywnie jak rośliny wykorzystywać energii słonecznej. A jest przecież Słońce niemalże niewyczerpanym źródłem energii – a przynajmniej źródłem, które będzie zapewne trwać długo po tym, jak rasa ludzka albo wyginie albo opuści układ słoneczny.

Powoli jednak zaczynamy być coraz bardziej kompetentni w dziedzinie wykorzystywania energii słonecznej: potrafimy już na przykład wyprodukować ogniwa słoneczne, które energię naszej gwiazdy zamieniają na elektryczność. Problemem nie jest więc już samo pozyskiwanie energii, ale jej przechowywanie. Jednym z rozwiązań tej kwestii, nad którym głowi się zapewne co drugi chemik stąpający obecni po Ziemi, jest wykorzystanie tej uchwyconej energii do rozszczepienia wody na tlen oraz wodór. Ten drugi może być przechowywany, a następnie spalany w ogniwach paliwowych. To, nad czym głowią się zatem badacze, to katalizator, który pozwoliłby nam rozszczepiać wodę równie efektywnie i bez wysiłku, jak robią to rośliny.

I tu właśnie zaczynają się schody.

Okazało się, że znalazienie katalizatora, który byłby wydajny, łatwy do uzyskania, tani, nietoksyczny i co tam jeszcze, bynajmniej nie jest sprawą łatwą. I przez ostatnich kilka lat trwały – i nadal trwają – poszukiwania, zaś publikacje opisujące coraz to nowe katalizatory pojawiają się z mniejszym lub większym hukiem raz na parę tygodni, czasem miesięcy.

Struktura krystaliczna fotoukładu II. /Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd: Umena et al., Nature 473:55–60 ©2011

Co to jednak, zapytacie, ma wspólnego z opisaniem struktry krystalicznej fotoukładu II? Otóż najlepsze z dotychczas odkrytych katalizatorów stosowanych do rozszczepiania wody mają taki sam typ struktury, jak centrum aktywne fotoukładu II. Szczegółowy wgląd, jaki daje nam struktura krystalograficzna w budowę tego układu, pozwoli nam być może znacznie lepiej zrozumieć mechanizm rozszczepienia wody przez rośliny – i da dokładniejsze wskazówki co do tego, gdzie i jakich szukać powinniśmy katalizatorów.

Service, R. (2011). Turning Over a New Leaf Science, 334 (6058), 925-927 DOI: 10.1126/science.334.6058.925

Umena, Y., Kawakami, K., Shen, J., & Kamiya, N. (2011). Crystal structure of oxygen-evolving photosystem II at a resolution of 1.9 Å Nature, 473 (7345), 55-60 DOI: 10.1038/nature09913

Rosiczka Drosera capensis zwija się łapiąc owada. /źródło: wiki; NoahElhardt (CC BY-SA 2.5)

Prestiżowe pismo PNAS opublikowało wczoraj interesującą pracę grupy badaczy brazylijskich i ich amerykańskich kolegów. Naukowcy opisali w niej niezwykłe zachowanie rzadkich roślin należących do rodziny babkowatych. Jeden ich niedawno opisany rodzaj, Philcoxia, reprezentują zaledwie trzy endemiczne dla Brazylii gatunki. Badacze odkryli, że są to rośliny heterotroficzne – zdolne do polowania na inne organizmy. To samo w sobie aż tak zaskakujące nie jest, gdyż znanych jest nam bardzo wiele mięsożernych roślin – za przykład niechże służą, jak zawsze, dzbanecznik i rosiczka. Zaskakujący jednak był sposób, w jaki odkryte w Ameryce Południowej rośliny polowały…

Rośliny z rodzaju Philcoxia żyją na piaszczystych sawannach górzystego Campos Rupestres, należącego do Cerrado – ekoregionu w środkowej Brazylii należącego do jej narodowego dziedzictwa. Rośliny te posiadają amikorytyczny system korzeniowy. Co to oznacza? Otóż większość roślin żyje w symbiozie z różnymi rodzajami grzybów, które obrastają ich korzenie. Grzyby pobierają od roślin produkty fotosyntezy, ponieważ same niezdolne są do ich produkcji. Z drugiej zaś strony rośliny pobierają od grzybów związki azotowe oraz sole mineralne, które te pierwsze przyswajają z gleby. (Tutaj na marginesie akcent polski: mikoryza została odkryta i po raz pierwszy opisana pod koniec XIX wieku przez naszego rodaka, Franciszka Kamieńskiego. Nazwa została jednak wprowadzona do obiegu kilka lat później przez Niemca Alberta Franka.) Oprócz braku mikoryzy – typowego także dla innych mięsożernych roślin – Philcoxia wykazuje jeszcze inne cechy typowe dla takich organizmów.

Rośliny te posiadają jednak jedną cechę wyjątkową – wiele spośród ich maleńkich, okrągłych liści znajduje się pod powierzchnią gleby. Liście te pokryte są lepką substancją produkowaną przez gruczoły łodygi, do której lepi się zarówno piasek, w którym rosną, jak i liczne obecne w glebie robaki. Samo takie bierne łapanie robali nie oznacza jednak jeszcze, że roślina jest mięsożerna – jest na przykład możliwe, że w toku ewolucji wytworzyła taki mechanizm łapania drobnych nicieni, aby polepszyć jakość gleby, w której rośnie: taki intrygujący sposób kompostowania. Aby nazwać ją mięsożerną, należy wykazać, że po pierwsze posiada ona jakiś mechanizm wabienia, łapania i trawienia ofiary, a po drugie, że jest ona w stanie przyswoić substancje odżywcze pochodzące z martwego zwierzęcia. Jeśli chodzi o łapanie – tu nie ma żadnych wątpliwości. Pozostawało jednak pytanie: czy Philcoxia potrafi także trawić i przyswajać? Dlatego też autorzy pracy postanowili sprawdzić, co rzeczywiście dzieje się z ofiarami Philcoxii.

Do badań wybrali jeden z trzech gatunków: Philcoxia minensis. Aby zbadać przyswajanie składników odżywczych roślinom podawano specjalne nicienie, które wyhodowane były na pożywce zawierającej ¹⁵N – izotop azotu, którego nadmiar można potem łatwo wykryć w roślinie, jeśli rzeczywiście żywiłaby się ona tymiż robakami. Zawartość azotu badano w liściach w ciągu 24 i 48 godzin po podaniu nicieni, aby wykluczyć możliwość, że został on zaabsorbowany z gleby po rozłożeniu ciał marwych robaków. Po 24 godzinach już 5% azotu wykrytego w liściach stanowił ¹⁵N. Po 48 godzinach było to aż 15%, sugerując szybkie wchłanianie azotu po strawieniu ofiary przez P.minensis.

Po lewej zbliżenie na kwiat P.mimensis. Po prawej - wyniki pomiarów poziomu azotu w roślinach po 24 i 48 godzinach. Zawartość azotu 15 podana jest procentowo w stosunku do całego azotu w próbce - widać wyraźnie 5% wzrost zawartości znacznika po 24 godzinach, zaś jeszcze wyraźniej: skok do 15% (chociaż obarczony też sporym błędem) po 48. / źródło: PNAS, Pereira et al. (publ online Jan 9) ©2012

U innych mięsożernych roślin stwierdzono wysoką aktywność pewnych fosfataz w ich gruczołach wydzielniczych – enzymy te są stosowane przez te rośliny do odzyskiwania z trawionych ofiar potrzebnego im także fosforu. Badanie poziomu tych enzymów jest zatem dość prostym sposobem na potwierdzenie hipotez o mięsożerności rośliny. I okazało się, jakżeby inaczej, że enzymy te są także obecne na liściach P. minensis.

W ramach zaspokojania swojej naukowej ciekawości badaczom udało się zatem dowieść, że Philcoxia jest rodzajem zasadniczo mięsożernym. To odkrycie rzuca nowe światło na sposoby adaptacji roślin do ciężkich warunków zewnętrznych. Innymi słowy, jeśli ziemia jest jałowa, jedz robala: i jest to rada, którą my sami też powinniśmy sobie dobrze wziąć do serca.

Pereira, C., Almenara, D., Winter, C., Fritsch, P., Lambers, H., & Oliveira, R. (2012). Underground leaves of Philcoxia trap and digest nematodes Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1114199109