Kategoria: botanika

Lektyny, czyli białka wiążące cukry: co nam grozi po zjedzeniu fasoli

Marcin CzerwińskiLeave a comment

W poprzednim wpisie napisałem o niebezpieczeństwach związanych z jedzeniem bobu, który zawiera niskocząsteczkowe związki mogące wywołać chorobę zwaną fawizmem. Ale rośliny, zwłaszcza strączkowe, zawierają białka, które mogą spowodować także inne problemy zdrowotne. Tymi białkami są lektyny.

Lektyny i glikokoniugaty

Lektyny są to białka, które mają zdolność wiązania cukrów. Jakich cukrów? Najczęściej obecnych na powierzchni komórek, bo większość komórek bakteryjnych czy eukariotycznych pokryta jest cukrami. Wirusy z osłonką lipidową, które powstały w wyniku „wypączkowania” z błony komórkowej, też mają je na powierzchni. Takie cukry, które mogą być związane z białkami lub lipidami, nazywamy glikokoniugatami.  Pełnią one wiele funkcji: u bakterii, archeonów i grzybów wchodzą w skład ściany komórkowej i regulują ciśnienie osmotyczne wewnątrz komórki. U organizmów eukariotycznych zapewniają połączenia między komórkami i ułatwiają komunikację między nimi. Składają się też na tzw. glikokaliks, czyli węglowodanową warstwę pokrywającą powierzchnię błon komórkowych, która chroni komórki przed uszkodzeniem. Proces przyłączania cukrów do białek czy lipidów jest nazywany glikozylacją. Powstają w ten sposób glikolipidy oraz glikoproteiny, które mogą zawierać glikany związane z resztami asparaginy (nazywane N-glikanami) lub z resztami seryny albo treoniny (nazywane O-glikanami). Większość białek wydzielanych przez komórki oraz wchodzących w skład błony komórkowej jest glikozylowana.

W skład glikokoniugatów może wchodzić kilkadziesiąt rodzajów cukrów prostych (monosacharydów) połączonych w złożone struktury. Każda z takich struktur może być swoiście rozpoznawana przez inną lektynę, a obecnie znamy kilkaset lektyn o zbadanej swoistości (Ryc. 1).

Ryc. 1. Glikokoniugaty na powierzchni komórki eukariotycznej: N-glikany, O-glikany i glikolipidy. Źródło: Li Y et al. Fr. Immunol. 2023, 12: 638753. Licencja CC BY 4.0.

Lektyny i ich struktura

Wszystkie lektyny mają zdolność wiązania cukrów. Robią to za pomocą specjalnej kieszeni, to której dany cukier pasuje. Taka kieszeń może być jedna, ale większość lektyn ma je dwa albo cztery. Przykładem może być lektyna z fasoli (Phaseolus vulgaris), o której jeszcze będzie (Ryc. 2). Dzięki temu lektyny mogą powodować aglutynację, czyli zlepianie się krwinek (ponieważ na powierzchni krwinek jest dużo glikokoniugatów, które te lektyny mogą rozpoznawać).

Ryc. 2. Struktura przestrzenna lektyny PHA-L z czerwonej fasoli (Phaseolus vulgaris) i rozpoznawany przez nią oligosacharyd. Widoczne są cztery podjednostki lektyny, każda z nich może związać cukier przedstawiony po prawej stronie. Obecność niektórych cukrów (+/-) nie jest konieczna. Źródło: Wikipedia, domena publiczna. Oligosacharyd narysowany za pomocą BioRender.com.

Trochę historii

Nazwa „lektyna” (z łaciny „lectus” czyli wybrany) została wprowadzona po raz pierwszy w 1954 r.  przez Williama Boyda i Elizabeth Shapleigh na określenie roślinnych białek, które mogą swoiście aglutynować czerwone krwinki. Ale pierwsze doniesienie na temat lektyn pochodzi z 1888 r., kiedy Peter Hermann Stilmark przedstawił na uniwersytecie w Dorpacie (obecnie Tartu w Estonii) pracę doktorską pod tytułem: „O rycynie, trującym składniku nasion Ricinus communis i innych nasion roślin z rodziny wilczomleczowatych (Euphorbiaceae)”. Autor wyizolował ten składnik (dziś znany jako rycyna albo lektyna z Ricinus communis, w skrócie RCA) z rącznika pospolitego i wykazał, że ma on zdolność do aglutynacji krwinek czerwonych.

Rycyna jest silną trucizną: uważa się że śmiertelna dawka dla człowieka wynosi ok. 1 mg/kg masy ciała. Składa się z dwóch podjednostek A i B, przy czym podjednostka B jest właściwą lektyną, która rozpoznaje galaktozę, a podjednostka A jest toksyną usuwającą adeninę z RNA i należy do białek inaktywujących rybosomy. Ponieważ w rybosomach zachodzi synteza białka, podjednostka A rycyny potrafi w krótkim czasie ją zahamować, powodując śmierć komórki. Związanie podjednostki A z receptorem cukrowym na powierzchni komórki powoduje, że rycyna wnika do jej wnętrza. Skutki mogą być fatalne: u człowieka zatrucie rycyną powoduje śmierć w ciągu kilkudziesięciu godzin (Ryc. 3).

Ryc. 3. Rącznik pospolity (Ricinus communis). Źródło: Franz Eugen Köhler, Köhler’s Medizinal-Pflanzen. Domena publiczna.

Olej rycynowy, który uzyskuje się z nasion rącznika w wyniku tłoczenia na zimno, jest znanym od starożytności środkiem o działaniu przeczyszczającym. Olej ten nie jest trujący, ponieważ lektyna się w nim nie rozpuszcza, a ponadto w czasie produkcji olej podgrzewa się do 80°C, co skutecznie deaktywuje lektynę.

Rycyna jest jednak wyjątkiem na tle innych lektyn. Większość z nich ma jedynie zdolność do wiązania cukrów i nie zawiera żadnej toksyny.

Lektyny w królestwie życia

Lektyny występują u wszystkich rodzajów organizmów. Wirusowe lektyny, które w tym przypadku nazywa się hemaglutyninami, służą wirusom do przyłączania się do glikokoniugatów na powierzchni komórki, które infekują. Dużo ostatnio mówi się o wirusach grypy, których szczepy noszą nazwy HXNY, gdzie H oznacza hemaglutyninę, N neuraminidazę, a X i Y to numery oznaczające subtypy tych białek. Hemaglutynina to lektyna, która umożliwia wirusowi przyłączenie się do cukru (w tym przypadku kwasu sjalowego) na powierzchni komórki, a neuraminidaza to enzym powodujący odłączenie się wirusa od tego receptora. Przykładowo, wirus ptasiej grypy H5N1 (ostatnio o nim głośno) to szczep z hemaglutyniną typu 5 i neuraminidazą typu 1.

Podobną funkcję mają lektyny bakteryjne, nazywane adhezynami: umożliwiają bakteriom kontakt z powierzchnią komórek w czasie infekcji.  Lektyny występują też powszechnie u zwierząt, gdzie pełnią wiele funkcji, takich jak regulacja adhezji między komórkami, przesyłanie sygnału czy udział w odpowiedzi odpornościowej. U roślin modulują adhezję międzykomórkową i chronią przed patogenami, ale najwięcej lektyn znamy u roślin strączkowych (rodzina bobowatych, Fabaceae). Strączkowe żyją w symbiozie z bakteriami brodawkowatymi z rodzaju Rhizobium, które mają zdolność do wiązania azotu z powietrza i przetwarzaniu go w amoniak (NH3). W ramach symbiozy bakterie dostarczają roślinom jonów NH4+, a w zamian otrzymują od roślin węglowodany potrzebne do produkcji ATP. Proces wiązania azotu z powietrza jest bowiem bardzo energochłonny: żeby zredukować jedną cząsteczkę N2 do dwóch cząsteczek NH3, potrzeba 16 cząsteczek ATP.

Lektyny produkowane przez rośliny strączkowe rozpoznają swoiście glikokoniugaty na powierzchni bakterii. Oddziaływania te są gatunkowo swoiste (to znaczy, rośliny danego gatunku wiążą tylko jeden gatunek bakterii). Znanych jest ponad 60 gatunków bakterii Rhizobium i ponad 19 000 gatunków bobowatych, co daje wyobrażenie o zróżnicowaniu lektyn produkowanych przez rośliny należące do tej rodziny (Ryc. 4).

Ryc. 4. Wiązanie bakterii Rhizobium przez lektyny korzenia rośliny z rodziny bobowatych. Źródło: Ahemad M, Biochem. Mol. Biol. 2013, 1: 53-75. Licencja CC BY 3.0.

Lektyny w żywności

Roślinne lektyny są stosunkowo odporne na działanie enzymów trawiennych w naszym przewodzie pokarmowym, co oznacza, że mogą znaleźć się w naszych jelitach w stanie aktywnym. Mogą się tam związać do komórek i spowodować ich uszkodzenie. Najwięcej lektyn zawierają rośliny strączkowe, i to one są najbardziej niebezpieczne: np. czerwona fasola zawiera do 30 mg lektyn na jeden gram nasion (3% suchej masy). Są to dwie lektyny o nieco różnej swoistości, o nazwach PHA-E i PHA-L. Nazwa pochodzi od łacińskiej nazwy fasoli (Phaseolus vulgaris) i komórek, do których te lektyny się wiążą: erytrocytów i leukocytów. Wiązanie to jest ubocznym skutkiem swoistości lektyn wobec bakterii Rhizobium: przez przypadek na powierzchni naszych komórek są takie same cukry, jak w bakteriach. Biała fasola zawiera ok. 3 razy mniej lektyn niż czerwona, a bób najwyżej 5% tej ilości (Ryc. 5).

Ryc. 5. Nasiona czerwonej fasoli. Źródło: Prathyush Thomas, Wikipedia. Licencja GNU Free Documentation License, Version 1.2.

Zatrucie lektynami

Objawy zatrucia lektynami roślin strączkowych to zawroty głowy, wymioty i biegunka połączone z bólem brzucha. Objawy te na ogół mijają po kilku godzinach i nie stwarzają zagrożenia dla życia. Jak ich uniknąć? Lektyny są wrażliwe na obróbkę termiczną: 10-minutowe gotowanie likwiduje 98% ich aktywności. Amerykańska administracja żywności i leków zaleca 5-godzinne namoczenie fasoli w wodzie i 30-minutowe gotowanie. Pomimo to, zatrucia niedogotowaną fasolą zdarzają się: np. w Chinach fasolą zatruło się w latach 2004-2013 ponad 7000 osób, co stanowiło tam 40% zatruć trującymi roślinami. Gotowanie fasoli w popularnych ostatnio slow-cookerach też może się źle skończyć (dla konsumenta), bo temperatura w nich nie jest wyższa niż 75°C, a to za mało, żeby spowodować deaktywację lektyn.

Niektóre lektyny mogą rozpoznawać antygeny grupowe krwi, pisałem o tym w tekście o układzie grupowym ABO. I tak fasola półksiężycowa (Phaesolus lunatus) zawiera lektynę o swoistości anty-A, czarna fasola afrykańska (Griffonia simplicifolia) anty-B, a głąbigroszek szkarłatny (Lotus tetragonolobus, anty-H(O). Obecność lektyn o swoistości grupowej w różnych pokarmach spowodowała powstanie teorii o „diecie zależnej od grup krwi”. Nie ma ona żadnych podstaw naukowych: lektyny o swoistości grupowej są obecne tylko w niektórych pokarmach, które przeważnie gotujemy przed spożyciem.

A co z roślinami, które jednak jemy na surowo? Z rodziny bobowatych jest to np. zielony groszek (Pisum sativum). Zawiera lektynę o dość szerokiej swoistości, ale w nasionach groszku jest jej stosunkowo niewiele. Tak więc możemy jeść groszek na surowo w rozsądnych ilościach bez obawy, że nam zaszkodzi. To samo dotyczy pomidora (Lycopersicon Esculentum), którego owoce (uważane u nas za warzywa) zawierają niewiele lektyn. Co innego liście pomidora, bo te oprócz lektyn zawierają alkaloidy takie jak tomatyna i solanina, które zjedzone w większej ilości mogą być szkodliwe. Alkaloidy te, podobnie jak lektyny, znajdują się też w liściach kuzyna pomidora, czyli ziemniaka (Solanum tuberosum). Dlatego liści ziemniaka lepiej nie jeść (chyba nikt tego nie robi), a bulwy obrobić termicznie, co ułatwia trawienie, a przy okazji deaktywuje lektyny.

Lektyny jako leki?

O zastosowaniu lektyn jako leków (np. przeciwnowotworowych) mówi się od lat, ale jak dotąd wyniki badań klinicznych nie są zbyt zachęcające. Niemniej warto wspomnieć o czosnku (Allium sativum), który zawiera stosunkowo dużo lektyn, bo do 10% suchej masy bulwy. Rozpoznają one glikokoniugaty o wysokiej zawartości mannozy, a takich cukrów jest na naszych komórkach stosunkowo niewiele. Mają je za to często wirusy (np. wirus grypy czy HIV), dlatego są przesłanki, że lektyny z czosnku mogą mieć aktywność przeciwwirusową. To samo dotyczy lektyny z banana (Musa acuminata), która ma podobną swoistość. Wykazano, że lektyna ta hamuje namnażanie wirusa HIV, ale wyniki te uzyskano stosując oczyszczoną lektynę o wysokim stężeniu. Trzeba by zjeść bardzo dużo bananów, żeby uzyskać podobny efekt.

W podsumowaniu: wiele roślin zawiera lektyny, które maja potencjalne zastosowanie jako leki, ale przeważnie jest ich zbyt mało.

Lektyny i alergie

Alergia to patologiczna odpowiedź tkanek na obecność substancji zwanych alergenami, które często same w sobie są nieszkodliwe. Pisała o tym Agnieszka Szuster-Ciesielska. Wiele lektyn może powodować alergie pokarmowe, przy czym najbardziej znana jest lektyna z orzeszków ziemnych (Arachis hypogaea). Ale lektyny mogą wpływać na komórki układu odpornościowego bezpośrednio, wiążąc się do cukrów na powierzchni komórek, co może spowodować ich aktywację. Tak czy inaczej, lepiej unikać roślin zawierających duże ilości lektyn, w tym przede wszystkim czerwonej fasoli na surowo.

Fasola i gazy jelitowe

Po spożyciu fasoli lub innych nasion roślin z rodziny bobowatych często pojawia się problem  gazów jelitowych. Skąd się biorą? Nie jest to sprawa lektyn, ale złożonych cukrów o nazwach rafinoza i stachioza, które są obecne w dość dużych ilościach w nasionach fasoli i innych strączkowych (0,2-1% suchej masy). Rafinoza jest trisacharydem i składa się z galaktozy, glukozy i fruktozy, przy czym galaktoza przyłączona jest wiązaniem α1→6 (Ryc. 6). Glukoza i fruktoza połączone są wiązaniem α1↔2β, podobnie jak w sacharozie. Stachioza zawiera jeszcze jedną galaktozę przyłączoną do galaktozy wiązaniem α1→6 , czyli jest tetrasacharydem. Cukry złożone podlegają w naszym układzie pokarmowym hydrolizie w wytworzeniem cukrów prostych, takich jak galaktoza czy glukoza. Produkujemy w tym celu odpowiednie enzymy. Z rafinozą i stachiozą jest problem, bo nasz układ pokarmowy nie wytwarza α-galaktozydazy, czyli enzymu odszczepiającego α-galaktozę. Tak więc oba cukry przechodzą przez nasze jelito cienkie nienaruszone, i dopiero w jelicie grubym degradują je enzymy produkowane przez obecne tam bakterie. Skutek jest taki, że bakterie te (nazywane mikrobiotą) dostają zamiast zwyczajowych resztek naszego pokarmu pełnowartościowe cukry. Wykorzystują je natychmiast do pozyskiwania energii w ramach fermentacji, a produktami ubocznymi są gazy: metan, wodór i dwutlenek węgla. Czy jest na to jakaś rada? Rafinoza i stachioza stosunkowo dobrze rozpuszczają się w wodzie. Dlatego wodę, w której fasola została namoczona przed gotowaniem, dobrze jest wylać (można to powtórzyć kilka razy). Są też preparaty ograniczające powstawanie gazów, takie jak Espumisan czy Beano. Ten ostatni zawiera enzym trawiący rafinozę i stachiozę, a jego wynalazca jest laureatem alternatywnego Nobla (czyli tzw. Ig Nobla) w 1991 r.

Ryc. 6. Struktura rafinozy: Gal(α1→6)Glc(α1↔2β)Fru. Domena publiczna.

Literatura dodatkowa

Glikozylacja komórek

https://postepybiochemii.ptbioch.edu.pl/index.php/PB/article/view/488

Lektyny jako białka wiążące cukry

https://www.mdpi.com/2218-273X/11/2/188

Swoistość lektyn

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acschembio.1c00689?ref=PDf

Lektyny w żywności

https://www.mdpi.com/2072-6643/12/10/2929

Lektyny jako alergeny

https://www.mdpi.com/2304-8158/9/12/1724

Lektyny roślinne

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S017616172100170X?via%3Dihub

Żywe skamieniałości (2): O czym skrzypią skrzypy

Piotr GąsiorowskiLeave a comment

Pozostałe wpisy z tej serii:

Żywe skamieniałości (1): Paździorek starszy niż tyranozaury
Żywe skamieniałości (3): Zapisane w kamieniu

W jednym z wcześniejszych wpisów, którego bohaterami były wątrobowce, wyjaśniałem, w jaki sposób wyodrębniły się dwie główne gałęzie roślin lądowych, z których wyewoluowały mszaki (Bryophyta w szerokim sensie) i rośliny naczyniowe (Tracheophyta). Te drugie, jak sama nazwa wskazuje, wyróżniają się posiadaniem tkanki naczyniowej, przewodzącej wodę. Być może jednak należałoby raczej podkreślać fakt, że w ich przypadku pokoleniem dominującym, widocznym jako „właściwa roślina”, jest diploidalny sporofit, podczas gdy gametofit (wytwarzający komórki rozrodcze) na ogół ulega redukcji i może być całkowicie zależny od sporofitu, niezdolny do fotosyntezy i samodzielnego życia.* U przodków i pierwotnych kuzynów Tracheophyta tkanka naczyniowa nie pojawiła się od razu, dlatego anatomicznie sprawiają one wrażenie „stadium przejściowego” między mszakami a roślinami naczyniowymi. Jest to jednak raczej złudzenie wynikające z faktu utrzymywania się u tych wczesnych roślin cech współnego przodka sprzed podziału na znane dziś grupy.

Dane wyobrażenie o „drabinie bytów”, czyli stopniowego zastępowania form „niższych” przez wykształcające się później w ich obrębie formy „wyższe” długo pokutowało w klasyfikacji roślin. Rośliny naczyniowe także dzielono na „prymitywne” paprotniki i „zaawansowane ewolucyjnie” rośliny nasienne. Wśród tych ostatnich „niższy” stopień rozwoju reprezentowały nagonasienne (sagowce, miłorzęby, rośliny szpilkowe itp.), znane w zapisie kopalnym od karbonu, natomiast królujące we współczesnej florze okrytonasienne miały pojawić się w późnym mezozoiku (jak gdyby znikąd, co niepokoiło Karola Darwina). Tę systematykę opartą na „stopniu zaawansowania” morfologicznego zastąpiła jednak taksonomia odzwierciedlająca rzeczywiste powinowactwa ewolucyjne – oczywiście na tyle, na ile jesteśmy w stanie je zrekonstruować przy obecnym stanie wiedzy.

Paprotniki dzielono tradycyjnie na trzy główne grupy: widłaki, skrzypy i paprocie. I tutaj widać było tendencję do ustawiania jednostek systematycznych w schemat drabiny: od „prymitywniejszych” widłaków, do „bardziej zaawansowanych” paproci, stojących tylko o szczebel niżej od roślin nasiennych. Skrzypy zawieszone były gdzieś pośrodku.

Obecny pogląd na ewolucję roślin naczyniowych jest inny. Jeszcze w sylurze, co najmniej 430 mln lat temu, ostatni wspólny przodek grup istniejących do dzisiaj dał początek dwóm odnogom drzewa rodowego. Jedną z nich były widłaki w szerokim sensie (Lycophyta); drugą – wszystkie pozostałe rośliny naczyniowe, określane zbiorowo nazwą Euphyllophyta (co oznacza „mające właściwe liście”). W środkowym dewonie, około 400 mln lat temu, nastąpił kolejny podział na dwie siostrzane linie rodowe. Ich potomkami są rośliny nasienne (Spermatophyta) i paprocie w szerokim sensie (Polypodiophyta). Rośliny nasienne nie są zatem potomkami paproci, tylko grupą równie starożytną, która jednak przez wiele milionów lat pozostawała nieco w cieniu widłaków i paproci, zanim jej ewolucja nabrała rozmachu. Do Spermatophyta należały też tzw. „paprocie nasienne” – różnorodny zlepek wielu rozmaitych wymarłych grup, które powierzchownie przypominały paprocie. Wyróżnianie paprotników jako jednostki systematycznej straciło zatem rację bytu, bo paprocie i rośliny nasienne są z sobą bliżej spokrewnione, niż którakolwiek z tych grup z widłakami. Ale gdzie się podziały skrzypy? Odpowiedź jest trochę zaskakująca: ukryły się wśród paproci.

Aczkolwiek drzewo rodowe paproci rekonstruowane jest dość żmudnie na podstawie danych molekularnych, to zsekwencjonowanie DNA około połowy z 12 tys. znanych gatunków, reprezentujących wszystkie istotne linie rozwojowe, i kalibracja za pomocą danych paleontologicznych rozwiązały wiele zagadek filogenetycznych. W świetle tego, co już wiemy, w zasadzie można oficjalnie uznać skrzypy za paprocie. Dwie współczesne rodziny paproci, nasięźrzałowate (Ophioglossaceae) i psylotowate (Psilotaceae) są prawdopodobnie  bliżej spokrewnione ze skrzypami niż z pozostałymi paprociami. Według hipotezy konkurencyjnej skrzypy są grupą siostrzaną względem żyjących dziś paproci. Obie hipotezy mają wsparcie w analizach genetycznych: pierwszą faworyzuje DNA plastydów (najpełniej zsekwencjonowanej części paprocich genomów), drugą – DNA jądrowe i mitochondrialne. Konflikt między różnymi rodzajami danych może odzwierciedlać skomplikowany przebieg wczesnej ewolucji paproci, gdy hybrydyzacja, przepływy genów między gatunkami i niekompletne sortowanie niedawno rozdzielonych linii rodowych powodowały rozbieżność między historią gatunków a historią poszczególnych genów.

W każdym razie najdawniejsze „rozstania” między przodkami głównych gałęzi ewolucyjnych paproci musiały nastąpić szybko po sobie w bardzo zamierzchłych czasach. Z późnego dewonu (383–359 mln lat temu) znamy już bliskich kuzynów skrzypów. W „lasach węglowych” karbonu, zwłaszcza na piaszczystych brzegach rzek i jezior, rosły w ogromnych skupiskach skrzypy z wymarłej rodziny kalamitów (Calamitaceae). W odróżnieniu od skrzypów współczesnych miały one łodygi zdrewniałe, choć puste w środku, podłużnie żeberkowane i podzielone węzłami na segmenty, jak łodygi bambusów. Wyrastały z pędów podziemnych (kłączy) zaopatrzonych w korzenie. Większość kalamitów dorastała do ok. 3 m wysokości, ale zdarzały się formy olbrzymie, o wysokości 10–20 m. Pokrojem przypominały choinki: węzły łodygi otoczone były okółkami także segmentowanych gałązek bocznych, z których z kolei wyrastały okółki krótkich, igiełkowatych liści oraz kłosy zarodnionośne przypominające szyszki.

Ryc. 1.

Kalamity były grupą siostrzaną względem linii rodowej skrzypów współczesnych (rodzina Equisetaceae), od której oddzieliły się we wczesnym karbonie. Ta druga linia podszła inną drogą rozwoju, zmniejszając rozmiary, redukując liście i tworząc na szczytach wyspecjalizowanych pędów kłosy zarodnionośne bez wspierających je liści  płonnych. Gdy kalamity wymarły we wczesnym permie, Equisetaceae przetrwały, choć nie wyróżniały się różnorodnością. Trzymały się raczej wypróbowanego schematu, jeśli chodzi o morfologię i sposób życia. Przeżyły wielkie wymieranie na granicy permu i triasu (największe w ciągu ostatniego pół miliarda lat), spowodowane przez katastrofalne zmiany klimatyczne. Gatunki znane z późnego triasu niezbyt się różnią od skrzypów współczesnych. Część z nich zrezygnowała z przyrostu wtórnego powodującego zdrewnienie łodygi.

Ryc. 2.

We wczesnej jurze (ok. 200–175 mln lat temu) superkontynent Pangea rozpadł się na część północną (Laurazję) i południową (Gondwanę). Mniej więcej w tym czasie żył ostatni wspólny przodek współczesnych skrzypów z rodzaju Equisetum. Ostatnie badania, korzystające z danych molekularnych i kopalnych, pozwoliły z dużą dokładnością poznać dalsze dzieje skrzypów. Prawdopodobnie właśnie rozpad Pangei sprawił, że linia gondwańska, reprezentowana dziś przez jeden reliktowy gatunek występujący w Andach (E. bogotense) oddzieliła się od laurazjatyckiej. Podziały w ramach tej drugiej linii nastąpiły w kredzie i kontynuowane były przez cały kenozoik. Dzisiejsze skrzypy to osiemnaście opisanych gatunków (nie licząc mieszańców), z czego siedemnaście ma rodowód laurazjatycki. Niektóre z nich skolonizowały jednak wtórnie resztki Gondwany – Amerykę Południową, Afrykę i Indie. Z niejasnych powodów pierwotne skrzypy gondwańskie wymarły niemal całkowicie. W szczególności uderzający jest brak rodzimych skrzypów z czasów późniejszych niż górna kreda w Australii, Nowej Zelandii i Antarktydzie (choć istnieje wyjątek: w 2017 r. opisano mioceńską skamieniałość skrzypu z Nowej Zelandii). Dopiero współcześnie skrzypy zawleczone przez człowieka pojawiły się w tym regionie jako gatunki inwazyjne.

Ryc. 3.

Każdy, kto walczył ze skrzypami – zwykle ze skrzypem polnym (E. arvense) – we własnym ogrodzie, wie, jak uparcie potrafią one odrastać z podziemnych pędów. Kto przyglądał im się uważniej, zapewne zauważył, że wczesną wiosną wyrastają nierozgałęzione pędy zarodnionośne, zakończone kłosem, w którym produkowane są zarodniki (ryc. 1). Pędy te nie zawierają chlorofilu i obumierają po wykonaniu swojego zadania. Drugi typ to zielone pędy asymilacyjne. U niektórych gatunków są nierozgałęzione  (ryc. 2). U innych węzły łodygi otoczone są okółkami gałązek bocznych, podobnie jak u kalamitów, co – w zależności od gatunku – nadaje im wygląd choinki lub szczotki do butelek (ryc. 3). Gałązek tych nie należy mylić z liśćmi, które u rodzaju Equisetum zredukowały się do łuseczek otaczających i wzmacniających węzły, zwykle niezdolnych do asymilacji (ryc. 4).

Ryc. 4.

Współczesne skrzypy to rośliny zielne, co nie znaczy, że nie potrafią rosnąć wysoko. Największy spośród gatunków spotykanych w Polsce, skrzyp olbrzymi (E. telmateia) może w sprzyjających warunkach osiągać nawet 1,5–2,4 m, czyli bywa „wysoki na chłopa”. To jednak nic wobec gatunków tropikalnych z Ameryki Południowej i Środkowej, E. giganteum i E. myriochaetum (ryc. 5), które osiągają wysokość 4–5 m, dorównując kalamitom średniej wielkości (rekordowy oficjalnie zmierzony okaz E. myriochaetum miał ponad 7 m). Nie wytwarzają jednak drewna, więc rosną tak wysokie tylko wtedy, gdy mają się o co oprzeć.

Co to znaczy, że grupę gatunków zaliczamy do jednego rodzaju? Podobnie jak inne rangi systematyczne rodzaj jest kategorią umowną, definiowaną dla ludzkiej wygody. Obecnie wymaga się, żeby rodzaj obejmował jeden gatunek lub grupę gatunków stanowiącą klad (pochodzącą od wspólnego przodka i zawierającą wszystkich jego potomków) oraz żeby wyraziście różnił się od innych rodzajów zestawem charakterystycznych cech morfologicznych. Istnieją rodzaje „minimalistyczne”, czyli monotypowe (jeden gatunek) i bardzo pojemne, z dziesiątkami lub nawet setkami gatunków, co zwykle świadczy o tym, że dana linia ewolucyjna jest w trakcie dynamicznej radiacji przystosowawczej. Skrajnym przykładem jest roślina z rodziny bobowatych, traganek (Astragalus) – rodzaj obejmujący ponad 3000 gatunków. Przeważnie jednak rodzaje mają wielkość „rozsądną” (od kilku do kilkunastu gatunków).

Ryc. 5.

Rodzaj Equisetum spełnia wszystkie zwyczajowe wymagania. Gdyby nie badania genetyczne i zapis kopalny, nie mielibyśmy powodu przypuszczać, że ostatni wspólny przodek współczesnych skrzypów żył we wczesnej jurze, zanim rozpadła się Pangea. Mniej więcej w tym samym czasie lub niewiele wcześniej przodkowie człowieka oddzielili się od przodków dziobaka. O ile jednak potomkowie ssaków zróżnicowali się tak bardzo, że dzielimy ich na tysiące rodzajów żyjących i kopalnych (pogrupowane w rodziny, rzędy i podgromady), skrzypy jurajskie i kredowe niczym szczególnym nie różniły się od współczesnych i można je z czystym sumieniem zaliczyć do jednego rodzaju o morfologii tak charakterystycznej, że rozpoznajemy skrzyp na pierwszy rzut oka. Identyfikacja konkretnego gatunku może być trudniejsza, ale właśnie dlatego, że jeden skrzyp na ogół niewiele się różni od innych.

Z powyższych powodów rodzaj Equisetum jest w ścisłej czołówce „żywych skamieniałości” rozumianych jako organizmy, których fenotyp jest wyjątkowo stabilny w geologicznej skali czasu. W zasadzie skrzypy, po których deptały i którymi się odżywiały wczesne dinozaury, były tą samą rośliną, która zarasta nam dziś ogródki. O czym zatem skrzypią skrzypy (dzięki krzemionce, którą impregnują swoje łodygi, nadając im twardość i szorstkość)? O rozpadających się superkontynentach i o tym, jak bez szwanku przeżyły wielkie wymierania. To twardzi zawodnicy i należy im się dużo szacunku.

Przypis

*) Zdarzają się jednak, choć rzadko, paprocie, które występują głównie lub wyłącznie jako rozmnażające się wegetatywnie gametofity. Przykładem może być włosocień delikatny (Vandenboschia speciosa), paproć występująca także w Polsce, choć krytycznie zagrożona, znana z pojedynczych stanowisk. Ma postać niepozornych, filcowatych skupień splątanych włosów, zajmujących zaledwie kilka centymetrów kwadratowych, i trudno w niej rozpoznać paproć.

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Pędy płodne skrzypu polnego (Equisetum arvense) z kłosami zarodnionośnymi. Foto: F. Lamiot. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY 2.5).
Ryc. 2. Zarośla skrzypu zimowego (E. hyemale). Jest to gatunek o pędach zimotrwałych, nierozgałęzionych. Tu i ówdzie widoczne kłosy zarodnionośne. Łęgi nad Wartą, Owińska, Wielkopolska. Foto: Piotr Gąsiorowski.
Ryc. 3. Pędy płonne (asymilacyjne) skrzypu łąkowego (E. pratense). Puszcza Zielonka, Wielkopolska. Foto: Piotr Gąsiorowski.
Ryc. 4. Skrzyp olbrzymi (E. telmateia) rosnący dziko w Ogrodzie Botanicznym Uniwersytetu w Getyndze. Widoczne zredukowane liście, zrośnięte w pochewkę otaczającą pęd. Foto: Piotr Gąsiorowski.
Ryc. 5. E. myriochaetum, największy żyjący gatunek skrzypu, występujący od Peru po Meksyk. Królewski Ogród Botaniczny w Edynburgu. Foto: Alex Lomas. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY 2.0).

Lektura dodatkowa

Wszystko o kalamitach: https://www.uky.edu/KGS/fossils/fossil-month-12-2021-calamites.php
Ewolucja rodzaju Equisetum: https://academic.oup.com/aob/article/127/5/681/6142510

Przypadkowe odkrycia – część 2

Mirosław DworniczakLeave a comment

Sacharyna

Zapewne wielu z was spotkało się z nazwą Johns Hopkins University / Johns Hopkins Hospital. Ich założycielem i fundatorem był właśnie Johns (uwaga: nie John!) Hopkins, inwestor i filantrop pochodzący z rodziny kwakrów z Baltimore w stanie Maryland. Właśnie na tym uniwersytecie podjął pracę lekarz i chemik, Ira Remsen. Jego zadaniem było stworzenie od zera wydziału chemii. W Baltimore pracował też chemik rosyjski, Konstantin Fahlberg, zajmujący się analizą cukru dla jednej z prywatnych firm. Ponieważ rząd USA zakwestionował jedną z partii towaru, właściciel firmy nawiązał współpracę z Remsenem, prosząc o to, aby umożliwił Fahlbergowi przeprowadzenie na uczelni analiz spornej partii towaru. Po wykonaniu zadania Rosjanin dostał pozwolenie na prowadzenie własnych prac badawczych, a po roku dostał tam etat.

Zajmował się między innymi modną podówczas tematyką, a mianowicie analizą smoły pogazowej. Jest to dość złożony produkt uboczny procesu otrzymywania koksu z węgla kamiennego. Pewnego wieczoru, gdy wrócił po pracy do domu i jadł bułkę, zauważył, że smakuje ona niewiarygodnie słodko, ale po chwili smak przechodzi w gorzki. Skojarzył to z pracą (nie mył po pracy rąk, czy co?) i nie kończąc kolacji popędził do laboratorium. Systematycznie próbował niewielkich ilości substancji, z którymi tego dnia pracował (nie róbcie tego nigdy!). Okazało się, że jedna z nich faktycznie była bardzo słodka. Był to dość prosty związek, niemający nic wspólnego z typowymi cukrami.

Budowa cząsteczki sacharyny
Czarne kulki – C, szare – H, niebieskie – N, żółte – S, czerwone – O

Źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Sacharyna, bo tak nazwał ten związek Fahlberg, jest o ok. 500 razy słodsza od cukru. Fahlberg szybko opatentował metodę produkcji sacharyny, przeniósł się do Europy i rozpoczął jej wytwarzanie w fabryce w pobliżu Magdeburga (Niemcy). Błyskawicznie dorobił się wielkich pieniędzy, ponieważ w tamtym czasie w Europie były duże niedobory cukru. Fahlberg „zapomniał” jednak o tym, że tak naprawdę nie był jedynym odkrywcą tej substancji, ponieważ pracował z Remsenem. Ten drugi do śmierci nie wybaczył tego współpracownikowi, późniejszemu rywalowi.

Wulkanizacja

Charles Goodyear

Źródło: Wikimedia, licencja: domena publiczna

Zapewne wszystkim znana jest marka Goodyear. A znacie historię, która za nią stoi? To właśnie jeden z przykładów całkiem przypadkowych odkryć. Niemal 200 lat temu rodzina Charlesa Goodyeara postanowiła wejść w biznes kauczukowy, sprowadzając ten produkt z Ameryki Południowej. Tam był znany od stuleci, w Ameryce Północnej (to jeszcze nie było USA) była to wtedy zupełna nowość. Stosowano go do powlekania płaszczy przeciwdeszczowych i impregnowania butów. Fantastyczna sprawa, ale… w niskich temperaturach kauczuk nieodwracalnie twardniał, co potem powodowało, że się wykruszał. Z kolei pod wpływem ciepła i słońca stawał się lepki. Firma zainwestowała sporo kasy i stanęła na progu bankructwa. Jednak sam Charles był uparty i eksperymentował z różnymi dodatkami, które miały poprawić właściwości kauczuku. Eksperymentów nie przerwał nawet, gdy trafił do więzienia (za długi). Nic nie wychodziło.

I nagle, w 1839 r., Goodyear wpadł na pomysł zmieszania kauczuku z siarką (na zimno). Powstała z tego masa o niezłych właściwościach, ale to nadal nie było to. Do czasu. Kiedy poszedł zademonstrować swój produkt w pewnym sklepie, jedna z próbek spadła na gorący piec. Oczywiście większość materiału uległa zwęgleniu, ale okazało się, że to, co Charles zeskrobał z pieca, nagle stało się sprężyste. To było to! Samo zmieszanie z siarką nie wystarczy, ale po podgrzaniu uzyskał niesamowity materiał, pozbawiony większości wad czystego kauczuku. Dziś wiemy, że pod wpływem temperatury zachodzi w tej mieszaninie reakcja sieciowania, w której atomy siarki atakują wiązania podwójne w kauczuku i tworzą polimer o znacznie lepszych właściwościach mechanicznych. Proces ten jest dziś znany jako wulkanizacja. Został opatentowany przez Goodyeara w 1844 r. Niestety, wynalazca nie miał szczęścia, ponieważ słabo mu szło jako inwestorowi. Zmarł, nie dożywszy 60 lat. Jako ciekawostkę dodam, że wielka firma Goodyear Tire and Rubber Company powstała niemal 40 lat po śmierci wynalazcy i poza nazwą nie miała nic wspólnego z rodziną Charlesa Goodyeara.

I na sam koniec ciekawostka. Goodyear nie był pierwszym, który wymyślił wulkanizację. Okazuje się, że proces, w którym kauczuk jest sieciowany, znany jest od kilku tysięcy lat! Badania archeologiczne prowadzone w Ameryce Środkowej ujawniły gumowe kulki. Fakt, już w dużym stopniu rozłożone, ale jak wykazały analizy – struktura chemiczna była zbliżona do znanej dziś gumy. OK, lateksu/kauczuku było tam bardzo dużo, ale siarka? Tamtejsi mieszkańcy nie mieli dostępu do złóż siarki rodzimej. Mieli za to olbrzymią liczbę rozmaitych roślin. Jakoś tak metodą prób i błędów wybrali sok z roślin z rodziny powojowatych, a dokładnie wilca białego (Ipomoea alba). Okazuje się, że zawiera on wystarczającą ilość siarki, aby po ogrzaniu uzyskać efekt sieciowania, a więc wyprodukować sprężystą gumę. Co ciekawe, wilec biały bardzo często rośnie jako pnącze na drzewach kastylki sprężystej (Castilla elastica), która jest źródłem lateksu. I tak natura podpowiedziała tamtejszym ludom, co z czym zmieszać.

Literatura

Wulkanizacja w erze prekolumbijskiej