Drzewo, które wolało nocną zmianę

Wczesne lata 1800. Alexander von Humboldt, słynny podróżnik i przyrodnik, włóczy się po tropikach i natyka się na coś dziwnego. Wsadza liść do wody, spodziewając się zobaczyć maleńkie bąbelki tlenu — bo tak właśnie działa fotosynteza. Ale nic. Liść siedzi sobie spokojnie, nawet na pełnym słońcu.

Jak niegrzecznie.

Tylko że ten liść wcale nie był zepsuty. Po prostu robił wszystko po swojemu. Humboldt nieświadomie wpadł na jeden z najsprytniejszych trików przetrwania w przyrodzie, a naukowcy do dziś odkrywają, jak niesamowity ten mechanizm naprawdę jest.

Nocna zmiana

Większość roślin to stworzenia dzienne. Łapią słońce, pochłaniają dwutlenek węgla, oddają tlen — klasyczny pakiet fotosyntezy. Ale jest jeden szkopuł: te maleńkie otwory (zwane szparkami lub stomami), które wpuszczają CO₂, jednocześnie wypuszczają wodę. Wyobraź sobie, że zostawiasz okna otwarte na burzę piaskową na pustyni.

Niektóre rośliny jednak znalazły obejście. Czekają na zmrok.

Te sprytne drzewa trzymają szparki zamknięte w upalne godziny dzienne, a otwierają je dopiero gdy temperatura spadnie. Zbierają CO₂ przez całą noc, chemicznie go magazynują (jako kwas jabłkowy), a potem wykorzystują do produkcji energii następnego dnia, gdy wzejdzie słońce.

Naukowcy nazywają tę strategię fotosyntezą CAM — w skrócie od Crassulacean Acid Metabolism, czyli Kwasowy Metabolizm Gruboszowatych. (Tak, nazwa pochodzi od rodziny roślin Crassula. Nie, nie pytajcie mnie, dlaczego rośliny dostają takie nudne imiona.)

Rodzina nadgorliwców

I tutaj robi się naprawdę ciekawie. Zespół badaczy z Uniwersytetu Wiedeńskiego postanowił zbadać fotosyntezę CAM u konkretnej rodziny drzew tropikalnych — Clusia — i to, co znaleźli, było absolutnie szalone.

Rodzaj Clusia zawiera jedyne znane drzewa na Ziemi, które korzystają z CAM. To już samo w sobie jest wyjątkowe, ale najlepsze dopiero nadchodzi: różne gatunki Clusia nie stosują CAM w ten sam sposób. Niektóre robią to na sto procent, niektóre przerzucają się na tryb nocny tylko gdy jest ciężko, a niektóre stosują dziwną hybrydę.

To jak odkrycie, że członkowie tej samej rodziny mówią tym samym językiem, ale w zupełnie innych dialektach.

Badacze chcieli zrozumieć dlaczego. Więc zrobili coś fajnego: zsekwencjonowali i porównali genom trzech gatunków Clusia o różnych strategiach CAM.

Evolucyjne kopiuj-wklej

To, co odkryli, jest fascynujące z ewolucyjnego punktu widzenia.

Wszystkie trzy gatunki okazały się starożytnymi poliploidami — co oznacza, że gdzieś dawno, dawno temu w ich drzewie genealogicznym coś spowodowało zdublowanie genomu. Pomyślcie o tym jak o skopiowaniu całej książki kucharskiej, a potem zrobieniu tego jeszcze raz. Nagle macie podwójną ilość materiału genetycznego do pracy.

Ale sprawa z dodatkowymi kopiami jest taka: nie siedzą one bezczynnie. Przez miliony lat te zdublowane genomy zostały przebudowane, zredukowane i na nowo połączone. Niektóre kopie genów zostały stracone. Inne wyłączono. A niektóre dostały zupełnie nowe zadania.

„Genomy nie zostały po prostu pomnożone; przez miliony lat zostały przebudowane, zredukowane i funkcjonalnie przeorganizowane" — wyjaśnił lider badania, Wolfram Weckwerth.

To genetyczne przeorganizowanie pozwoliło różnym gatunkom Clusia na wykształcenie własnych, unikalnych podejść do fotosyntezy CAM. Natura nie wymyśliła CAM raz i nie rozesłała wszystkim — została ona wymyślona na nowo wielokrotnie w obrębie jednego tylko rodzaju.

Trzy drzewa, trzy strategie

Aby naprawdę zrozumieć, co te genetyczne różnice oznaczają w praktyce, badacze wyhodowali drzewa w szklarniach odtwarzających ich naturalne środowisko i obserwowali je przez całą dobę.

Oto co znaleźli:

Clusia rosea to ten najbardziej ambitny. Idzie na całość z CAM, magazynując ogromne ilości CO₂ jako kwas jabłkowy każdej nocy. To drzewo wyraźnie postawiło na oszczędzanie wody jako swój główny priorytet, niezależnie od okoliczności.

Clusia minor to typ czekający na rozwój sytuacji. Zwykle korzysta ze zwykłej fotosyntezy, ale gdy robi się ciężko — susza, ostre słońce — przerzuca się na tryb CAM. Sprytne zarządzanie budżetem energetycznym.

Clusia major wybiera drogę pośrodku z podejściem hybrydowym, korzystając zarówno ze zwykłej fotosyntezy, jak i CAM zależnie od warunków. To basically Szwajcaria wśród nich — neutralna i zrównoważona.

Te różne zachowania nie były tylko obserwowane — były widoczne w aktywności genów i metabolizmie drzew. Badacze mogli dosłownie zobaczyć połączenie między zmianami w genomie a codziennym zachowaniem roślin.

Dlaczego powinno nas to obchodzić?

Dobra, mamy kilka tropikalnych drzew z ciekawymi sztuczkami oszczędzania wody. Dlaczego miałoby nas to interesować?

Oto szerszy obraz: rośliny CAM potrzebują dramatycznie mniej wody niż zwykłe rośliny. Znacznie, znacznie mniej. Podczas gdy typowa roślina uprawna musi non-stop pochłaniać wodę, roślina CAM radzi sobie z ułamkiem tej ilości.

W świecie, gdzie zmiany klimatu przynoszą więcej susz, więcej fal upałów i więcej niedoborów wodnych, to całkiem cenna cecha.

Nowe dane genomiczne z tego badania mogą pomóc naukowcom zidentyfikować, które konkretne procesy metaboliczne sprawiają, że rośliny CAM są tak wodno-oszczędne. W przyszłości ta wiedza może pomóc w opracowaniu nowych odmian roślin uprawnych, które będą mogły rozwijać się w warunkach suchych — tych warunkach, które stają się coraz częstsze w wielu regionach rolniczych.

To na pewno długoterminowy cel. Ale czasami zrozumienie, jak natura rozwiązała jakiś problem miliony lat temu, może dać nam gotowe plany do rozwiązania naszych własnych problemów.

Podsumowanie

Rośliny są znacznie bardziej elastyczne, niż im często dajemy kredyt. Gdy warunki stają się trudne, ewolucja staje się kreatywna. Drzewa Clusia wymyśliły, jak przesunąć całą swoją dzienną rutynę — zasadniczo przechodząc na nocną zmianę — żeby oszczędzać wodę i przetrwać.

A teraz, rozumiejąc, jak wyewoluowały tę zdolność, być może będziemy w stanie podać naszym uprawom pomocną dłoń.

Więc następnym razem, gdy zobaczysz roślinę spokojnie wygrzewającą się w słońcu, zapamiętaj: niektóre z nich zostawiają prawdziwą pracę na później. I szczerze mówiąc? To całkiem zrozumiałe.