Znajdź zawartość

Co sprawia, że niepozorna szarańcza, owad spokrewniony z konikiem polnym, staje się jednym z najpoważniejszych szkodników, żerujących w stadach, które śmiało można by nazwać gangami? Okazuje się, że kluczem do tej odmiany jest... serotonina, zwana niekiedy "hormonem szczęścia". Zrozumienie fizjologii owadów z rodziny szarańczowatych (Acrididae) jest niezwykle istotne praktycznie dla całego świata - wywołane przez nie gigantyczne szkody w rolnictwie dotykają przecież wszystkich. Najistotniejszym z gatunków wydaje się być szarańcza pustynna (Schistocerca gregaria): w jej zasięgu znajduje się aż 20% lądów Ziemi, a ich największe stada, zdolne do pustoszenia całej roślinności na zaatakowanym obszarze, miewają niekiedy po kilka kilometrów długości. Gromadzenie się szarańczy w stada jest naturalną konsekwencją niedostatku pożywienia, prowadzącego do wspólnego żerowania na nielicznych stanowiskach mogących zaoferować jakikolwiek pokarm. Wcześniejsze badania wskazywały, że zwierzęta te wykazują tendencję do łączenia się w grupy, gdy dochodzi między nimi do kontaktu fizycznego (mówiąc dokładniej, zjawisko to jest efektem pocierania tylnych odnóży oraz widoku i zapachu towarzyszy), lecz nie było jasne, jaki czynnik wywołuje takie zachowanie. Najnowsze studium, przeprowadzone przez zespół badaczy z uniwersytetów w Cambridge oraz Oxfordzie, wykazały, że w organizmach szarańczy żyjących w stadach znajduje się aż trzykrotnie więcej jednego z neuroprzekaźników, serotoniny, niż w ciałach osobników preferujących spokojne życie w samotności. Podążając tym tropem, naukowcy udowodnili także, że drażnienie odnóży insektów powoduje zwiększenie stężenia serotoniny, zaś ta sama czynność połączona z podaniem związków hamujących efekt działania neuroprzekaźnika nie powoduje transformacji z formy spokojnej do stadnej. Ostatecznym dowodem na potwierdzenie postawionej hipotezy było wstrzyknięcie samego neuroprzekaźnika, który powodował szybką zmianę zachowań szkodnika. Dokonane odkrycie nie dostarcza co prawda gotowego rozwiązania problemu inwazji szarańczy, lecz otwiera obiecującą drogę poszukiwania metod ich zwalczania. Angielscy eksperci są przekonani, że manipulowanie poziomem serotoniny w organizmach insektów i wymuszenie na nich samotniczego trybu życia mogłoby znacząco poprawić skuteczność ochrony upraw. O swoim odkryciu informują szerzej na łamach magazynu Science.

Co łączy energetykę atomową z rolnictwem? Tym razem nie chodzi o kolejny protest obrońców przyrody, lecz o... nowoczesną metodę zwalczania szkodników. Na pomysł sterylizacji owadów za pomocą promieniowania wpadli specjaliści z Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej. Wyjątkowe sytuacje wymagają stosowania wyjątkowych środków - uznali farmerzy z Bałkanów i postanowili zaatakować jednego z najbardziej żarłocznych szkodników świata, zwanego śródziemnomorską muszką owocową (Ceratitis capitata). Stawka jest ogromna: w jednym z najważniejszych miejsc uprawy mandarynek, leżącej na granicy Chorwacji oraz Bośni i Hercegowiny dolinie Neretva, aż 30% zebranych owoców nadaje się do wyrzucenia właśnie z powodu pożerania ich przez przedstawiciei tego gatunku. Do niedawna bałkańscy rolnicy radzili sobie z muszkami dość skutecznie, choć niekoniecznie z korzyścią dla zdrowia konsumentów - od lat 40. XX wieku stosowali na masową skalę insektycydy. Wymagania stawiane przez Unię Europejską wymusiły jednak ograniczenie ilości używanych środków ochrony roślin, co błyskawicznie wpłynęło na populację muszek. Ponieważ pojedyncza samica może wydać na świat aż do 800 sztuk potomstwa rocznie, wielkość zbiorów i opłacalność upraw gwałtownie spadła zaraz po wprowadzeniu nowych przepisów. Zdesperowani hodowcy zwrócili się w 2007 roku z prośbą o pomoc do Międzynarodowej Agencji Energii Atomowej (IAEA). Zaproponowali jej ekspertom uruchomienie programu masowej sterylizacji samców. Opracowany wspólnie z rolnikami projekt, nazwany SIT (od ang. Sterile Insect Technique - technika sterylnych insektów), ma zostać wdrożony w przyszłym roku. Założenia SIT są bardzo proste. Naukowcy planują hodować samce muszek w warunkach laboratoryjnych, a następnie pozbawiać je płodności za pomocą odpowiednio dobranych dawek promieniowania jonizującego. Insekty zostaną następnie wypuszczone do środowiska, w którym będą konkurowały z płodnymi samcami o okazje do kopulacji. Eksperci z IAEA są przekonani, że dołączenie do populacji muszek znacznej liczby bezpłodnych samców sprawi, że rozród insektów będzie znacznie mniej efektywny, co doprowadzi do zmniejszenia ich liczebności lub nawet całkowitego ich wymarcia na danym terytorium. Dolina Neretva wydaje się być optymalnym miejscem dla wdrażania takich technik ze względu na znikomą migrację zwierząt do i z tego obszaru. Czy nowa metoda wykorzystania energii atomowej przypadnie do gustu zaciekłym obrońcom przyrody? Tego nie wiadomo, lecz ubodzy rolnicy z Bałkanów na pewno docenią nawet najmniejszą poprawę plonów.

Umiejętne "projektowanie" enzymów odpowiedzialnych za smak i zapach mogłoby być dla ludzi bardzo przydatne. Pozwoliłoby na poprawę smaku żywności lub zwalczanie szkodników upraw w bezpieczny dla ludzi sposób. Jest to zadanie bardzo złożone, lecz naukowcy ze szkoły medycznej Uniwersytetu Teksańskiego twierdzą, że uczynili ważny krok naprzód ku jego realizacji. Eksperyment, prowadzony przez dr. C.S. Ramana, polegał na modyfikacji genetycznej rzodkiewnika (Arabidopsis thaliana) - rośliny powszechnie stosowanej w badaniach naukowych. Badacze wprowadzili zmiany w genie kodującym enzym syntazę tlenków alkenów (AOS, ang. allene oxide synthase), odpowiedzialną za produkcję związków zapachowych z grupy jasmonianów. W wyniku modyfikacji uzyskano białko o właściwościach identycznych z innym enzymem, liazą wodoronadtlenkową (HPL, ang. hydroperoxide lyase), zdolną do produkcji związków lotnych odpowiedzialnych za zapach owoców i warzyw. Przeprowadzone przez naukowców badania mają nie tylko wartość czysto poznawczą. Jak tłumaczy dr Raman, substancje wytwarzane po modyfikacji genetycznej mogą być korzystne dla roślin: pamiętajmy, że rośliny nie mogą uciec przed robakami i innymi szkodnikami. Muszą sobie z nimi radzić. Jednym ze sposobów jest wydzielanie lotnych związków wabiących naturalnych wrogów tych szkodników. Oznacza to, że możliwe jest genetyczne modyfikowanie roślin w taki sposób, by zwalczały one robaki w sposób całkowicie bezpieczny dla człowieka. Opanowanie sztuki "projektowania" enzymów pozwoli także m.in. na wydajne wytwarzanie pożądanych związków odpowiedzialnych za smak roślin mających zastosowanie w przemyśle spożywczym. Kluczem do przeprowadzenia udanej modyfikacji genetycznej były precyzyjne dane na temat struktury enzymów. Dzięki zastosowaniu technik komputerowych możliwe było zaplanowanie modyfikacji genetycznej w taki sposób, by wzajemne ułożenie atomów w cząsteczce AOS zmienić tak, by białko to nabrało właściwości enzymu HPL. Obie te proteiny są ze sobą spokrewnione - należą do grupy tzw. cytochromów P450. Enzymy z tej grupy występują także w organizmie człowieka, gdzie odpowiadają m.in. za metabolizm niemal połowy przyjmowanych przez nas leków oraz ogromnej liczby innych wchłanianych przez nasze organizmy związków. Przełożony dr. Ramana, prof. Rodney E. Kellems, podkreśla istotę odkrycia: ważną zaletą tej pracy jest zastosowanie dziedziny biologii strukturalnej i ewolucyjnej w celu pogłębienia wiedzy na temat funkcji enzymów. Wiedza ta umożliwiła nam zademonstrowanie, że zmiana pojedynczego aminokwasu [cząsteczki budulcowej wchodzącej w skład łańcucha białkowego - przyp. red.] powoduje zamianę jednego enzymu w inny. Pokazuje to, że nawet pojedyncza mutacja może wpływać na ewolucję nowych szlaków biosyntezy. Zaczynamy w ten sposób odpowiadać na pytanie, w jaki sposób pojedynczy związek może być przekształcany w zupełnie różne produkty za pomocą uderzająco podobnych do siebie enzymów. Eksperci z Uniwersytetu Teksańskiego dokonali jeszcze jednego odkrycia. Zaobserwowali, że enzymy odpowiedzialne za produkcję bardzo podobnych związków zapachowych są wytwarzane także w organizmach zwierząt morskich. Na razie nie wiadomo jednak, jaką dokładnie pełnią u nich funkcję.

Wraz ze wzrostem poziomu dwutlenku węgla (CO2) w atmosferze może dojść do spadku odporności roślin na szkodniki - donoszą naukowcy z Uniwersytetu Illinois. Doszli do tego, badając zmiany podatności soi na owady żywiące się jej liśćmi. Jako główne przyczyny wzrostu zawartości dwutlenku węgla w atmosferze wymienia się wycinanie drzew (deforestację) oraz spalanie paliw kopalnych. Proces ten rozpoczął się w drugiej połowie XIX wieku i trwa do dziś. Główny autor eksperymentu, Evan DeLucia, tłumaczy: Obecnie zawartość CO2 w atmosferze wynosi około 380 cząsteczek na milion (ppm). Na początku rewolucji przemysłowej była równa około 280 ppm, a przedtem utrzymywała podobną wartość przez co najmniej sześćset tysięcy, a być może nawet kilka milionów lat. Szacuje się, że jeśli nie podejmiemy odpowiednich działań, do połowy XXI wieku zawartość tego gazu w powietrzu wzrośnie o 50% w stosunku do dzisiejszego stanu. Jako najważniejsze uzasadnienie tej pesymistycznej prognozy prof. DeLucia podaje gwałtowny rozwój gospodarki Chin i Indii. Badania nad pędami soi prowadzono w ośrodku eksperymentalnym zwanym Soy FACE (Soybean Free Air Concentration Enrichment - [ośrodek] Wzbogacania Powietrza [dla wzrostu] Soi). Placówka ta umożliwia przeprowadzanie eksperymentów wymagających manipulowania składem atmosfery, szczególnie w zakresie stężenia CO2 i ozonu. Jednocześnie, co ważne, w czasie badań roślina nie jest odcinana od czynników środowiskowych, takich jak opady, nasłonecznienie czy wahania temperatur. Daje to pewność, że jedynym zmieniającym sie parametrem jest właśnie zawartość odpowiednich gazów w środowisku życia rośliny. Od dawna wiadomo, że wzrost poziomu dwutlenku węgla powoduje przyśpieszenie procesu fotosyntezy. Powoduje także zwiększenie ilości cukrów w liściach rośliny kosztem poziomu azotu. Było to przesłanką pierwszej hipotezy badawczej stworzonej przez naukowców: postanowili oni zbadać, czy owady pożerają większą ilość liści, po to by pochłonąć odpowiednią dla siebie ilość azotu. W tym celu hodowali soję w warunkach normalnego stężenia CO2, ale z podwyższonym stężeniem cukru w glebie. Rezultat okazał się zaskakujący: co prawda liście zawierały dzięki temu zabiegowi więcej węglowodanów, lecz samo to nie wystarczyło, by żerujące na nich szkodniki lepiej się rozwijały. Nie zaobserwowano bowiem większych różnic w porównaniu do roślin żyjących w niemodyfikowanym środowisku. W związku z pierwszym niepowodzeniem naukowcy postanowili przyjrzeć się bliżej szlakom hormonalnym i zbadać ich zależność od poziomu CO2. Zainteresowali się szczególnie substancją wydzielaną przez rośliny w sytuacji stresu, zwaną kwasem jasmonowym. Pod jego wpływem roślina zaczyna wydzielać białka odpornościowe zwane inhibitorami proteaz. Ich zadaniem jest ochrona własnych białek przed trawieniem, przez co szkodnik nie jest w stanie wchłonąć pożartych liści i po pewnym czasie pada. Tym razem trafili w dziesiątkę - okazało się bowiem, że wzrost poziomu dwutlenku węgla w atmosferze powoduje spadek produkcji kwasu jasmonowego i tym samym pogorszenie odporności. Roślina traci ważny mechanizm obronny, przez co larwy mogą rozwijać się znacznie intensywniej. Doktor May Barenbaum, jeden z autorów publikacji, przekonuje o wadze odkrycia: Nasze badanie pokazuje, jak bardzo złożonym procesem jest zmiana warunków środowiska. Wzrost poziomu dwutlenku węgla w powietrzu organicza zdolność reagowania rośliny na infekcję, co jest wykorzystywane przez atakujące ją szkodniki. Naukowiec ostrzegł także, że dalsze postępowanie tego procesu może dodatkowo pogorszyć funkcjonowanie mechanizmów odpowiadających za odporność soi, a być może także innych gatunków.

Podczas gdy ekolodzy martwią się o szkody wyrządzane przez człowieka innym gatunkom, biolodzy z Yale University próbują schwytać wirusy w pułapkę środowiska wymuszającego ich wyginięcie (Ecology Letters). By nie zniknąć z powierzchni Ziemi, dana populacja musi nie tylko przetrwać, ale i się rozmnożyć. Paul Turner, profesor nadzwyczajny ekologii i biologii ewolucyjnej, badał praktyczność rozwiązania polegającego na wabieniu wirusów do niewłaściwych komórek ludzkiego ciała. Ponieważ nie mogą się tam namnażać, objawy choroby ustępują. Ekologiczne pułapki na wirusy mogą powstawać w naturalny sposób lub być tworzone przez bioinżynierów poprzez dodawanie miejsc receptorowych na komórkach niepozwalających na rozmnażanie. Przetestowaliśmy tę koncepcję na wirusach innych niż ludzkie, które zakażały komórki bakteryjne. Zespół naukowców sprawdzał, jak miewają się wirusy wprowadzane do kolonii bakteryjnych składających się z różnych proporcji bakterii zwykłych (sprzyjających namnażaniu) i zmutowanych (pułapki). Kiedy liczba tych ostatnich wzrastała, populacja wirusów kurczyła się. Podobny pomysł wykorzystano już w rolnictwie. Szkodniki wabi się do upraw, których smak bardziej im odpowiada (z założenia nie zbierze się z nich żniwa). Spryskuje się tylko te rośliny, dzięki czemu spadają koszty i ilość zużywanych pestycydów. Turner spekuluje, że taki trik można by wykorzystać do zwalczania wirusa HIV. Wirus ten rozpoznaje limfocyty T, poszukując znajdującego się na ich powierzchni białka CD4. Do rozmnażania się wykorzystuje jądro komórkowe. Gdyby jednak umieścić białko CD4 na dojrzałych czerwonych krwinkach, które nie mają jądra, HIV miałby poważne kłopoty. Warto dodać, że liczba erytrocytów w organizmie znacznie przewyższa liczbę limfocytów T.

Można w to wierzyć lub nie, ale owoce i warzywa rosnące w niesprzyjających warunkach pogodowych czy atakowane przez szkodniki, czyli przeżywające większy stres, są dla ludzi zdrowsze. Wydzielają bowiem więcej przeciwutleniaczy (flawonoidów). Do takich wniosków doszli naukowcy z amerykańskiego Departamentu Rolnictwa. Zawartość flawonoidów w pobranych próbkach warzyw, owoców i orzechów nie była taka sama. Co więcej: różnice były naprawdę duże. Oznacza to, że kiedy w hipermarkecie zobaczymy paletę jabłek, każde z nich będzie np. miało inne stężenie dobroczynnych substancji zwalczających wolne rodniki. Studium wykazało, iż różnica ta jest najprawdopodobniej skutkiem stresu, który wydaje się zwiększać wydzielanie antyutleniaczy. David Haytowitz, dietetyk, a zarazem jeden z autorów badania, podkreśla, że trudniejsze warunki, takie jak te panujące na uprawach "ekologicznych", zmuszają rośliny do bardziej wytężonej produkcji flawonoidów oraz innych korzystnych dla zdrowia człowieka składników. Ataki owadów i niesprzyjająca pogoda mogą być dla roślin stresujące. Nawet moment zbioru jest istotny. Zerwanie o poranku stresuje mniej niż oderwanie od rośliny macierzystej w okolicach południa, kiedy słońce mocniej świeci. Takie czynniki pomagają wyjaśnić, dlaczego zawartość flawonoidów waha się od 31 do 114 miligramów w 100-gramowych próbkach, które pobrano z identycznych na pierwszy rzut oka czereśni. Na zawartość antyutleniaczy wpływa kolor. Surowe czarne jagody, czarne porzeczki, żurawiny i truskawki mogą się poszczycić wysokimi ich stężeniami. Interesujemy się nimi, ponieważ mogą pomóc w profilaktyce chorób sercowo-naczyniowych, nowotworów i innych schorzeń — powiedział Haytowitz, dodając jednocześnie, że nie zawsze kolor pozwala na wnioskowanie o zawartości antyutleniaczy. Zielona herbata i zielone warzywa liściaste miewają dużo flawonoidów, ale nie ma to nic wspólnego z ich kolorem, za który odpowiada chlorofil. Banany zawierają natomiast dużo flawan-3-oli, mimo że ich miąższ jest jasnożółty.