Večna žeja
Pozdravljeni v oddaji Znanstvene redakcije Frequenza della scienza. Tokrat se bomo razgovorili o suuuuuši. Zanimali nas bodo sušni pogoji in prilagoditev organizmov na tovrstne razmere. Tako kot najdemo med posameznimi organizmi v različnih kraljestvih številne razlike, so se med organizmi pojavile tudi premnoge razlike in različni pristopi k obvladovanju sušnih in ostalih stresnih pogojev.
Najprej bomo odgovorili na vprašanje: Kaj je suša in kakšna okolja pojmujemo kot sušna. Zanimalo nas bo tudi, v kakšnih okoljih se organizmi soočajo s pomanjkanjem vode in z oteženim dostopom do nje. Nato si bomo postopoma razložili, kako se s pomanjkanjem vode soočijo mikroorganizmi, rastline in živali.
Voda je eden ključnih dejavnikov, ki omogočajo življenje, in je nujno potrebna za potek biokemijskih procesov v celicah. Sušo pojmujemo kot izredno stanje v okolju s hudim pomanjkanjem vode, kot sušno pa označimo okolje, v katerem voda ni dostopna za uporabo. V prvem delu oddaje se bomo torej, kot že omenjeno, osredotočili na mikrobe v sušnih okoljih in na posebne prilagoditve na tovrstna okolja.
Za večino izmed nas so puščave med prvimi asociacijami na sušo, vendar pa, kot bomo spoznali, še zdaleč niso edini življenjski prostor s pomanjkanjem dostopne vode. Poleg puščav poznamo več ekstremnih okolij, neprijaznih za življenje, v katerih se organizmi srečujejo z oteženim dostopom do vode.
Sušna okolja nam podrobneje opiše profesorica doktorica Nina Gunde-Cimerman z Biotehniške fakultete v Ljubljani.
Mikrobi so majhni, prostemu očesu nevidni organizmi. Najdemo jih v vseh treh domenah življenja. Med prokarionte sodita domeni bakterij in arhej, med evkarionte pa uvrščamo ostale mikroorganizme. Za prokarionte je značilna preprosta zgradba celic, katere ne vsebujejo jedra. Evkariontske celice so večje in kompleksnejše, saj se v njihovi notranjosti nahajajo jedro in številni celični organeli.
Mikroorganizmi sestojijo iz le ene celice, zato je njihova odvisnost od stanja okolja in od pogojev, ki vladajo v njem, še toliko bolj izrazita. Notranjost celice od okolja namreč ločujeta le celična membrana in celična stena. Posledično spremembe občutijo prej in so se na spreminjajoče se okolje prisiljeni prilagajati bistveno hitreje. O tem, da se lahko mikroorganizmi soočijo s pomanjkanjem vode tudi pri pogojih, ki so za ljudi še povsem običajni, z nami spregovori docent doktor Iztok Dogša z Biotehniške fakultete v Ljubljani.
O mikrobih v sušnem okolju nadalje razmišlja docent doktor Iztok Dogša.
Membrana je sestavni del celice, ki to ločuje od okolja. Sodeluje pri prepuščanju snovi v celico in izločanju iz nje ter omogoča stabilne razmere v njeni notranjosti. Pri opisovanju stresa, ki neposredno vpliva na membrano celice, je treba razložiti pojma »vodna aktivnost« in »osmotski tlak«, pri čemer z izrazom vodna aktivnost poimenujemo količino vode, ki je v okolju prisotna in hkrati dostopna celicam za izvajanje biokemijskih reakcij.
V sušnih okoljih prihaja do razlike v koncentraciji različnih ionov, tako imenovanih topljencev v zunanjosti in notranjosti celice. Posledično v procesu osmoze voda zaradi razlik v koncentracijah topljencev potuje z mesta, kjer je koncentracija topljencev nižja, na mesto, kjer je koncentracija teh višja. Če poenostavimo, bi to pomenilo, da ima voda težnjo po iztekanju iz celice, saj je koncentracija topljencev v zunanjosti celice višja kot v notranjosti. Nastali tlak, ki je posledica težnje gibanja vode z območja z nižjo koncentracijo proti območju z višjo koncentracijo, imenujemo osmotski tlak. O vplivu osmotskega tlaka na celično membrano in o odzivu mikrobnih celic takole nadaljuje docent doktor Iztok Dogša.
Sprememba membrane seveda ni edini mehanizem spremembe celice, po katerem posežejo mikrobi v sušnih in drugih stresnih razmerah. Mikroorganizmi se v določenih pogojih pritrdijo na podlago, se začnejo med seboj povezovati in tvoriti debelo plast sladkorjev, ta pa jih ločuje od zunanjega okolja in hkrati varuje pred neugodnimi pogoji. Tak način bakterijske rasti imenujemo biofilm. Več znanja o slednjih nam nadalje posreduje docent doktor Iztok Dogša.
Težnja po preživetju je tako kot pri vseh živih bitjih izrazito močna tudi pri mikrobih, tako da se strategije za preživetje sušnih pogojev pri izdelavi biofilma še ne izčrpajo.
Izdelava spór je običajno zadnja možnost za preživetje v izredno stresnem okolju. V tej obliki lahko bakterije preživijo dolgotrajna obdobja neugodnih pogojev.
Poseben primer mikroorganizmov in številnih prilagoditev na različna okolja so arheje. Poleg bakterijske domene in domene evkariontov arheje tvorijo tretjo domeno življenja. Sestava celične membrane in celične stene arhej se močno razlikuje od bakterijske. Večina poznanih predstavnikov arhej živi v ekstremnih okoljskih pogojih. Več o prilagoditvah določenih vrst arhej na sušna okolja nam razloži profesorica doktorica Nina Gunde-Cimerman.
Ena izmed pomembnih skupin organizmov, ki sodijo med evkarionte, so tudi glive. Tvorijo zelo raznoliko kraljestvo živih bitij. Raznolike so tudi njihove pojavne oblike. Najdemo jih tako v enoceličnih oblikah, med katere uvrščamo kvasovke in glivne spore, kot tudi v ogromnih večceličnih oblikah, v katere uvrščamo vsem dobro poznane gobe. Med mikroorganizme seveda štejemo le enocelične predstavnike gliv.
Glive so heterotrofni organizmi; prehranjujejo se torej z razgrajevanjem organske snovi, ki so jo proizvedli drugi organizmi. Velik delež predstavnikov gliv ima pomembno vlogo pri razgrajevanju odpadne organske snovi, določene skupine gliv pa so lahko paraziti. Lahko tudi živijo v simbiozi z rastlinami ali pa so celo patogeni. Glive, najdene v pogojih, ki so s človeškega stališča ekstremni, so nanje ustrezno prilagojene; imenujemo jih »ekstremofilne« glive. Prilagoditve teh gliv na sušna okolja nam podrobneje opiše profesorica Nina Gunde-Cimerman.
Počasi smo prečesali odziv in osnovne prilagoditve mikroorganizmov na sušna okolja. Poznanih je še mnogo zanimivih podrobnosti, ki bi vam jih želeli predstaviti, vendar pravijo, da naj bi hudič ležal v podrobnostih. Očitno pa je časovna stiska učinkovito pregnala celo hudiča z vsemi podrobnostmi vred, zato s sledečim glasbenim premorom zaključujemo pregled mikrobnih prilagoditev na sušo. Sledil bo pregled rastlinskih prilagoditev na sušo. Ostanite z nami.
V današnjem, znanstveno obarvanem sredinem večeru raziskujemo prilagoditve organizmov na okolja, v katerih primanjkuje vode. Ob prehodu iz mikroskopskega v makroskopski svet se bomo najprej ustavili v kraljestvu rastlin.
Ta pestra skupina primarnih producentov, ki v procesu fotosinteze s pomočjo sončne energije ogljikov dioksid in vodo spreminja v organske sladkorje in kisik, podpira vse višje oblike življenja na kopnem. Kljub njihovi preprosti zgradbi, koreninam pod zemljo in steblom oziroma deblom z listi nad njo, jim je uspelo naseliti tudi najbolj negostoljubne dele našega planeta. Med njimi so zagotovo najbolj neugodni tisti, v katerih primanjkuje vode.
Podobno kot v primeru mikroorganizmov je voda nedostopna za rastline v različnih okoljih. Kje vse prihaja do pomankanja vode, nam razloži profesorica doktorica Alenka Gaberščik z Biotehniške fakultete
Ne glede na to, kaj je razlog za pomanjkanje vode, so odzivi rastline nanj v veliki meri podobni in povezani s slabljenjem funkcij, ki jih konstanten dotok vode omogoča rastlinam. Tu bi izpostavili, da poleg fotosinteze in transporta hranil voda rastlinam nudi tudi oporo. Zanjo je zaslužen tako imenovani turgorski tlak ali turgor. Voda po rastlini prehaja iz območja višje koncentracije topljencev v območje nižje; kot smo že omenili, pa se ta proces imenuje osmoza.
Ker je koncentracija topljencev v listih nižja kot v koreninah, voda potuje po rastlini navzgor. Na svoji poti polni vakuole v rastlinskih celicah. Vakuole so celični organeli, napolnjeni z celičnim sokom; to je vodo z raztopljenimi organskimi in anorganskimi snovmi. Vakuole, polne vode, pritiskajo na celično steno, s čimer se znotraj celic vzpostavi hidrostatični pritisk ali turgor. Ta nabreklost celic omogoča zelnatim rastlinam, ki ne vsebujejo veliko celuloze, da kljubujejo zakonom gravitacije in rastejo pokončno.
Za ohranjanje vodnega toka po rastlini navzgor pa proces osmoze ni dovolj, tako namreč rastline uravnavajo privzem vode s transpiracijo ali oddajanjem vode skozi listne reže. Kot že ime samo pove, so listne reže mikroskopske odprtine na površini lista, sestavljene iz dveh celic zapiralk, po katerih rastline uravnavajo količino oddane vode. Poleg tega po njih v rastlino prehaja ogljikov dioksid, iz nje pa izhaja kisik. Kako pomankanje vode vpliva na zgoraj opisane mehanizme, nam razloži doktorica Alenka Gaberščik:
Ko govorimo o rastlinah, je pomembno poudariti, da se pod tem pojmom skriva neizmerna pestrost življenjskih oblik in različnih prilagoditev na okolje, v katerem živijo. Njihova zakoreninjenost in s tem nezmožnost premikanja pa jim ne ponujata možnosti umika ob nastopu suše, nanjo se lahko le prilagodijo ali pa iz sušnega območja izginejo. Za grobo delitev rastlin glede na njihovo tolerantnost do pomanjkanja vode ponovno prisluhnimo dr. Alenki Gaberščik:
Predstavniki poikilohidrih rastlin so na primer mahovi; njihova posebnost pri gospodarjenju z vodo je ta, da se lahko v celoti izsušijo in v takem stanju počakajo na ugodne razmere za rast. Nasprotno homoiohidre rastline za svojo rast potrebujejo stalen dotok vode. Kot omenjeno v pravkar slišani izjavi, rastline, prilagojene na rast v sušnih območjih, imenujemo kserofiti. Grobo delitev kserofitov nam predstavi Gaberščik
S podrobnejšim opisom morfoloških in fizioloških prilagoditev kserofitov, ki preprečujejo prekomerno oddajanje vode, nadaljuje profesorica Gaberščik:
Za lažjo predstavo zgoraj opisanih prilagoditev poglejmo, kako se nekatere izmed njih izražajo pri eni najbolj značilnih skupin kserofitov – kaktusih. Njihova najbolj očitna prilagoditev je seveda v odsotnosti listov. Tanki listi imajo namreč visoko razmerje med površino in prostornino. Po eni strani je velika površina ugodna za lovljenje sončne svetlobe, po drugi pa iz večje površine v procesu transpiracije po listnih režah izhaja več vode.
Kaktusi so šli v svojem prilagajanju na sušna okolja tako daleč, da so liste povsem izgubili in s tem močno zmanjšali površino, iz katere voda rastlino zapušča. Pri večini predstavnikov te skupine je tako vlogo fotosintetskega aparata prevzelo steblo, ki zaradi svoje zgradbe služi kot rezervoar vode; ta lahko predstavlja tudi do 90 odstotkov mase rastline. Na primer puščavski velikan in ikonska rastlina western filmov – kaktus saguaro lahko shrani do 700 litrov vode.
Bodice, torej preobraženi listi kaktusov, jim služijo predvsem kot obramba pred najrazličnejšimi rastlinojedci, ki bi se radi gostili na njihovi sočni sredici. Pripomorejo pa tudi k pridobivanju vode. Na njih prihaja do kondenzacije vode v času, ko je puščavski zrak dovolj vlažen. Te male vodne kapljice zdrsnejo iz bodic na tla, iz tam pa lahko po koreninah vstopijo v rastlino.
Pregled rastlinskih prilagoditev na sušo bomo nadaljevali s predstavitvijo zelo zanimive puščavske rastline, ki je po svojem odkritelju, slovenskemu botaniku Frideriku Velbiču dobila ime velbičevka. Ta rastlina uspeva le v afriški puščavi Namib, v kateri letno v povprečju namoči peščena tla 13 milimetrov padavin. O uspešnosti prilagoditve te rastline priča podatek, da skoraj nespremenjena naseljuje to območje že 200 milijonov let. Za podrobnejšo predstavitev rastline prisluhnimo Alenki Gaberščik.
Oglejmo si še, kako se s pomanjkanjem vode spopadajo epifitski predstavniki iz družine ananasovk. To so rastline, ki rastejo v tropskih pragozdovih Srednje in Južne Amerike. Kot velja za vse epifite, tudi predstavniki te družine nikoli ne pridejo v stik s tlemi. Njihov življenjski prostor je visoko v krošnjah dreves, na njihovih vejah in deblih, saj imajo tam v tekmi za sončno svetlobo večje možnosti, kot bi jih imeli na gozdnih tleh. Kljub zadostni količini svetlobe pa jim njihov življenjski prostor onemogoča črpanje vode iz tal. Ananasovke so se takemu načinu življenja prilagodile s posebno lijakasto obliko svoje listne rozete. Celotna oblika rastline spominja na nekakšen lij, ki v tropskih nalivih lovi odtekajočo vodo z listov gostiteljskih dreves. Voda v tem lijaku zastaja tako, da jo lahko rastlina izkorišča v času, ko ni padavin.
Poleg predstavljenih prilagoditev je svet rastlin še poln inovativnih rešitev, ki so se izoblikovale v dolgih obdobjih zemeljskih vekov, in tem organizmom omogočajo preživetje, v, na prvi pogled, neznosnih okoliščinah.
Pozdravljeni nazaj k poslušanju današnje oddaje na frekvenci 89,3 MHz, v kateri govorimo o suši. Spoznali smo že, kako suša vpliva na mikrobe in rastline, v nadaljevanju pa se bomo posvetili še živalim. Najprej bomo orisali splošne fiziološke prilagoditve na sušo, nato pa se bomo preselili v ekstremna sušna okolja, kot je puščava in pa – presenetljivo – tudi slana vodna okolja, kot so morja in oceani.
Življenje se je začelo v vodi. A so se pozneje med evolucijo nekatere živali prilagodile na ekstremno sušna okolja. Kakšne so te prilagoditve, nam oriše docent doktor Gregor Belušič z Biotehniške fakultete:
Ko pomislimo na sušna okolja, si najprej predstavljamo puščavo. A vendar za nekatere živali predstavlja sušno okolje tudi slana voda, saj je dostopnost vode v teh okoljih – za nekatere organizme - omejena. Takšen primer so moderne ribe kostnice, ki jim slana voda predstavlja hipertonično okolje, kar pomeni, da je koncentracija delcev v njihovem okolju višja kot znotraj organizma. Morske ribe kostnice pa so glede na okolje slane vode hipotonične, torej je koncentracija delcev znotraj njih manjša kot v okolju.
To nadalje pomeni, da morajo ribe v slani vodi vseskozi uravnavati osmotski tlak, saj bi v nasprotnem primeru dehidrirale. Ribe kostnice v morju tako še vedno pijejo morsko vodo, ki jo v telo prevzemajo po škrgah. Odvečne soli izločijo z aktivnim transportom natrija, klora ter nekaj kalija po epiteliju škrg in s sekrecijo skozi ledvice. O tem, kakšne so fiziološke prilagoditve živali na različna sušna okolja, nadaljuje doktor Belušič:
Prilagoditev na sušno okolje lahko predstavlja prednost pri zasedanju ekoloških niš. In prav puščave predstavljajo eno največjih kopenskih sušnih območij na svetu, ki v skupni površini pokrivajo približno 18 milijonov kvadratnih kilometrov, kar predstavlja približno tretjino vsega kopnega. Puščave definiramo kot območja, na katera v povprečju letno pade manj kot 250 milimetrov padavin. Na teh območjih namreč najdemo nekatere na največje ekstreme prilagojene živali.
Med favno, prilagojeno na sušna puščavska okolja, najdemo predstavnike skoraj vseh taksonov oziroma skupin. Od velikih sesalcev, kot so kamele, antilope, puščavske lisice oziroma feneki, malih sesalcev, katerih najznačilnejši predstavniki so glodalci – puščavski skakači, pa do plazilcev, ptic, žuželk, kot so saharske mravlje, in celo do rib. K slednjim se bomo vrnili v nadaljevanju.
V sušnih območjih predstavlja enega od izzivov preživetja tudi dostopnost do hrane. Ob pomanjkanju vode so namreč tudi zaloge hrane omejene. Tako so puščavske živali razvile vedenjske prilagoditve, ki jim omogočajo iskanje hrane. Nekatere potujejo na dolge razdalje, da pridejo do primernega vira hrane, druge hrano skladiščijo v času, ko je ta dostopna, spet tretje odvisno od letnega časa spreminjajo svoj način prehranjevanja oziroma so vsejede. Primer slednjega predstavljajo puščavske lisice oziroma feneki, ki imajo v svoji prehrani tako žuželke, kuščarje, glodalce, kot tudi rastline.
Sušna okolja so torej kljub pomanjkanju vode vrstno zelo pestra. Suša pa ne predstavlja edinega ekstrema, na katerega so se adaptirale puščavske živali. Na teh območjih so namreč ekstremne tudi temperature – vroči puščavski dnevi in mrzle noči. Kako v pomanjkanju vode in hkrati še ekstremno vročih pogojih temperaturo telesa regulirajo živali, nam razloži doktor Gregor Belušič:
Glavni cilj organizmov v sušnih okoljih torej predstavlja pridobivanje oziroma ohranjanje zadostne količine vode v organizmu. A ker je vsak organizem prehodil do trenutnega stanja drugačno evolucijsko pot, se med posameznimi taksoni pojavljajo razlike v fizioloških prilagoditvah na sušo. Nadaljuje doktor Belušič:
Kot smo že omenili, v zelo sušnih okoljih živijo tudi žuželke. Te lahko – tako kot marsikatera druga žival – vode sploh ne pijejo, temveč jo dobijo dovolj zgolj iz uživanja suhe hrane. Vodo tako pridobijo predvsem pri metabolizmu ogljikovih hidratov in maščobnih kislin oziroma maščob. Iz hrane, ki jo zaužijejo, namreč pri procesu oksidacije nastane kar nekaj vode. In ta tako imenovana metabolna voda pomaga v organizmu ohranjati vodno bilanco pozitivno. Tudi ljudje pridobimo nekje od 8 do 10 odstotkov vode po metabolnih poteh. Doktor Gregor Belušič opiše primer prilagoditve na sušo enega najbolj znanih puščavskih sesalcev:
Kljub prilagoditvam na ekstremne pogoje pa lahko povečana suša nekatere živali tudi ogroža. Ena najbolj znanih rib iz sušnih območij je vražji krapič, strokovno imenovan Cyprinodon diabolis. Gre za eno najbolj ogroženih vrst rib, saj so raziskave velikosti njihove populacije iz leta 2013 pokazale, da obstaja še zgolj 65 osebkov. Živijo v Nevadski puščavi v Združenih državah Amerike, ujete v majhnih bazenčkih. Tako predstavlja njihov areal razširjenosti manj kot en kvadratni kilometer. Glavna grožnja, ki lahko povzroči njihovo izumrje, pa je prav možnost, da se zaradi premajhnega vira padavin njihov habitat popolnoma izsuši.
Živali kot kompleksno grajeni organizmi so tako prilagojeni na vsa okolja suše, tako kopenska kot tudi vodna. Čeprav sušna okolja niso biotsko pestra, so prilagoditve organizmov teh območij toliko bolj specifična. In kot smo danes že slišali ima odrekanje se vodi visoko ceno, ki pa se poplača z okoljem v katerem prevladuje skromna tekmovalnost in predacija.
Tako smo prišli do zaključka današnje oddaje o suši. Območja z velikim pomanjkanjem vode nikakor niso najbolj ugodna za življenje. A kot smo danes slišali, lahko srečamo tudi v sušnih pogojih množico organizmov. Globalne podnebne spremembe in z njimi povezano segrevanje ozračja povzročajo nastajanje novih sušnih območjih. Tako tisti, ki so se in ti, ki se še bodo nanje zmogli prilagoditi, bodo nadaljevali življenje na Zemlji. V zaključni misli profesorice doktorice Gunde-Cimermanove z Biotehniške fakultete se bomo prepričali, da človeštvo kljub črnogledim obetom v neusmiljenem boju za obstanek lahko obrne potek vsaj delčka sprememb v lastno korist.
Brez pomanjkanja vode so sušo prebrodili vajenka Nataša, Gregor in Sebastjan.
Dodaj komentar
Komentiraj