Sekretne życie kwiatów

Sekretne życie kwiatów

Zacznę w ten sposób: być może sądzicie, że kwiaty to coś w rodzaju genitaliów roślin. Mniej więcej tak jak to ładnie tłumaczy Genetyka w obrazkach, której króciutki fragment pozwolę sobie tutaj spiratować: 

gwo1.jpg
gwo2.jpg
 

Cóż, pozwólcie, że ujawnię wam pewien botaniczny sekret: tak naprawdę każda bez wyjątku roślina, która produkuje kwiaty, jest bezpłciowym organizmem rozmnażającym się za pomocą zarodników.

Dziwne?

Będzie mniej dziwne, gdy zobaczycie, jak to wygląda u roślin, które są, pod pewnymi względami, ewolucyjnie „prymitywniejsze” od roślin kwiatowych.

Paprocie

Sądzę, że wiecie jak wygląda paproć, nie są to w końcu jakoś szczególnie egzotyczne rośliny. Ja na przykład to zdjęcie wykonałem w przydomowym ogródku: 

IMG_5002.jpg

Oczywiście liście paproci to te duże, pierzaste. Zasadniczo paproć składa się z takich samych części jak większość roślin – ma korzenie, łodygę i liście. Tym co ją odróżnia od takich roślin jak mniszki, jabłonie, róże, czy dowolnych innych roślin kwiatowych jest brak kwiatów właśnie.

Jak więc się rozmnaża? Zerknięcie na spód liści paproci daje wskazówkę. W sprzyjających warunkach można tam zobaczyć małe, często brązowawe struktury, mające, w zależności od gatunku na który patrzymy, postać kropek, skupień, lub nalotów.

liscpaprocizzarodniami.jpg

Gdyby jednak przyjrzeć się im w powiększeniu, zobaczylibyście grupy buławkowatych struktur nazywanych zarodniami, w których, jak nietrudno się domyślić, powstają zarodniki paproci. 

zarodnie.jpg

Teraz nadszedł właściwy moment na to by napisać kilka słów o genetyce rozrodu. Każdy z nas ma podwójny zestaw chromosomów i genów. Każdy chromosom występuje w dwóch kopiach, z których jedna pochodzi od naszej matki, druga od ojca. Z tego wynika też, że każdy gen (pomijając geny na chromosomach płciowych, ale na rzecz prostoty wywodu pominę je milczeniem) występuje w dwóch kopiach – matczynej i ojcowskiej.

Nie wszystkie organizmy tak mają. Genomy niektórych, na przykład wielu pierwotniaków, bakterii czy niektórych grzybów, istnieją w "pojedynczej" kopii. To zrozumiałe, organizmy te rozmnażają się zazwyczaj bezpłciowo i zwyczajnie nie mają mamy i taty od których miałyby dziedziczyć dwie kopie genomu.

Wracając jednak do ludzi – skoro każdy z nas ma podwójny genom, jakim cudem nasze dzieci nie mają poczwórnego? Otóż, gdy powstają plemniki i komórki jajowe, przechodzą specjalny typ podziału komórkowego, zwanego mejozą,  który w kontrolowany sposób redukuje o połowę liczbę genów tych komórek. Gdy plemnik o zredukowanej liczbie chromosomów zapładnia jajo o podobnie zmniejszonym garniturze chromosomowym, odtwarza się normalna, podwójna liczba chromosomów w zygocie.

Paprocie, zupełnie jak my i inne zwierzęta, a także jak większość roślin, mają podwójny genom. Z kolei zarodniki produkowane w  zarodniach, podobnie jak plemniki i komórki jajowe zwierząt, powstają w procesie redukującej liczbę chromosomów mejozy. Jest jednak podstawowa różnica między zarodnikiem a plemnikiem czy komórką jajową — zarodnik niczego nie zapładnia, ani przez nic nie jest zapładniany. Jak więc powstająca z niego roślina odtwarza podwójny zestaw genów?

Nie odtwarza. Jeśli zarodniki upadnie w odpowiednim miejscu, to jest w miarę wilgotnym i zacienionym, osłonka zarodnika pęknie i zacznie z niego kiełkować nowa roślina, początkowo składająca się z zaledwie kilku komórek: 

8244200348_c88eea518c_o.jpg

Gdy osiągnie dojrzałość nie będzie przypominać paproci. Będzie małą, mającą kilka milimetrów zieloną tarczką (ilustracja poniżej). Rośliny takie nazywa się przedroślami. Komórki tej rośliny, powstałe z zarodnika wytworzonego w trakcie mejozy, zawierać będą tylko połowę genów "rodzica", ponadto geny te będą inaczej zaaranżowane na chromosomach (jeśli kogoś interesuje dlaczego, niech zerknie tutaj).

Przedrośle paproci

Co robi przedrośle? Niewiele. W miejscu sercowatego wcięcia powstają u niego zagłębienia, na dnie których formują się komórki jajowe. Ponieważ roślina ta już posiada zredukowany zestaw genów, komórki jajowe powstają u niej na drodze zwykłego podziału komórkowego, a nie wyspecjalizowanej mejozy.

Zaś w części porośniętej „korzeniami” produkowane są plemniki. Rosnące w wilgotnym środowisku przedrośle jest zwykle pokryte warstewką wody, co pozwala plemnikom przepłynąć do komórek jajowych i zapłodnić je. Przedrośla paproci dokonują samozapłodnienia. To właśnie one są formą paproci, która rozmnaża się płciowo (choć zarazem jako obojnak).

kiełkujący sporofit.jpg

Wkrótce po zapłodnieniu z przedrośla zaczyna wzrastać nowa roślina — o znajomych kształtach paproci. Powstała w wyniku połączenia gamet o zredukowanej liczbie chromosomów znowu posiada podwójny zestaw genów.

Tak wygląda życie roślin, z występująca przemianą pokoleń, gdzie jedno z nich posiada podwójny zestaw genów i produkuje zarodniki, drugie, powstałe z zarodników, ma tylko połowę genów i rozmnaża się płciowo za pomocą plemników i komórek jajowych.

Poszczególne grupy roślin mogą wprowadzać pewne modyfikacje tego schematu (mając na przykład dwupłciowe, nie obojnacze, przedrośla), ale co do zasady, jego ogólna postać jest taka sama i zachowują ją nawet rośliny kwiatowe. 

Kwiaty

Na początek — dość typowy kwiat, konkretnie kwiat lilii: 

Ilustracja na licencji CC BY-NC-SA 2.0 wykorzystuje fotografię Steve Berardi udostępnioną na tej samej licencji.

Ilustracja na licencji CC BY-NC-SA 2.0 wykorzystuje fotografię Steve Berardi udostępnioną na tej samej licencji.

Roślina wytwarzająca ten kwiat ma podwójny zestaw genów. Gdyby była paprocią, produkowałaby zarodniki. Gdzie jednak powstają te zarodniki? Jak pokazywał to wcześniej obrazek z Genetyki w obrazkach, rośliny "zapładniane są" poprzez przeniesienie pyłku na znamię, czyli szczytową część słupka. Co właściwie się wtedy dzieje? Ano, patrząc w wielkim powiększeniu na oblepione pyłkiem znamię, mniej więcej to:

znamię z pyłkiem.jpg

Z pyłku, który na ilustracji powyżej przedstawiony jest w żółtawych barwach, wydostaje się łagiewka pyłkowa, która wrasta wgłąb słupka, aż znajdzie komórkę jajową. Obraz ten przypomina obraz kiełkującego zarodnika paproci nieprzypadkowo: ziarno pyłku jest zarodnikiem. Zaś to co żyje wewnątrz niego to bardzo proste, zredukowane przedrośle, odpowiednik tej zielonej "tarczki" w cyklu życiowym paproci. W przeciwieństwie do przedrośla paproci żyjące w pyłku przedrośle lilii nie jest obojnakiem, posiada płeć – męską.

Jak bardzo zredukowane jest to przedrośle? Bardzo. Składa się z dwóch komórek. Jest tak malutkie i prościutkie, że zamiast pełnoprawnych plemników do zapłodnienia komórki jajowej wykorzystuje pojedyncze jądro komórkowe, dostarczane do komórki jajowej ową długaśną łagiewką pyłkową.

Przekrój słupka.jpg

Jak się już pewnie domyślacie komórka jajowa lilii także powstaje w przedroślu, tyle że żeńskim. Tym razem jednak nie jest ono skryte w zarodniku, a przynajmniej nie w zarodniku, którego "zarodnikowa" natura byłaby oczywista na pierwszy rzut oka. Rozkrojenie słupka (ilustracja obok) odsłoniłoby w jego wnętrzu kuliste struktury zwane zalążkami (na obrazku obok zaznaczone na żółto) 

W zalążku (na ilustracji poniżej przedstawiony w wielkim powiększeniu i przekroju, pokolorowany na zielono) znajduje się struktura zwana ośrodkiem (na ilustracji przedstawiona w cieplejszych i ciemniejszych barwach), która jest ewolucyjną pozostałością po zarodniku. Wewnątrz niej znajduje się właściwe przedrośle żeńskie – mikroskopijna roślina, zupełnie osadzona w tkankach swego wielkiego „rodzica”, złożona z kilku komórek, z których jedna jest komórką jajową (jasna struktura w samym środku).

pyłek i zalążek.jpg

W ewolucji roślin kwiatowych zarodnie zostały najpierw otoczone liśćmi, które utworzyły osłonki chroniące zarodnię, zaś same zarodniki produkujące przedrośla żeńskie przestały z nich wypadać by wyrosnąć w otoczeniu. Zamiast tego kiełkowały i wyrastały wewnątrz zarodni.

Takoż musiały czekać, aż wiatr przyniesie zarodniki z których wyrastały przedrośla męskie. Zarodniki te po upadnięciu na zarodnię z przedroślami żeńskimi kiełkowały i produkowały plemniki, które mogły łatwo dostać się do komórek jajowych. W toku dalszej ewolucji zarodniki z których wyrastały przedrośla żeńskie stały się tak zintegrowane ze strukturą zarodni, że przestały być od niej łatwo odróżnialne.

I tak doszło do powstania dzisiejszych roślin, w których żeńskie przedrośle to kilka komórek ukrytych wewnątrz zarodni, będącej tylko małą częścią kwiatu. Cała ta historia jest nie tylko botaniczną ciekawostką, ale pokazuje też potęgę ewolucji, która znalazła sposób, by charakterystyczny dla większości roślin cykl życiowy, z dwoma następującymi po sobie pokoleniami o różnej genetyce, przekształcić w cykl na zewnątrz do złudzenia przypominający sposób w jaki żyją zwierzęta, oraz sprawić, że bezpłciowe rośliny w specyficzny sposób uzyskały płeć "wchłaniając" mniejsze, płciowe pokolenie.

Czemu dokładnie tak się stało – to mógłby być dobry temat na osobną, co najmniej równie długą notkę. Której powstania rzecz jasna nie gwarantuję.


Fotografia tytułowa: Jonathan Kos-Read (CC BY-ND 2.0).

Pozostałe ilustracje, o ile nie zaznaczono inaczej, pochodzą z domeny publicznej i namalowane zostały przez żyjącego na przełomie XIX i XX wieku Arnolda Dodela. Ten szwajcarski botanik, regularnie korespondujący z Ernstem Haeckelem i Charlesem Darwinem, był jednym z wczesnych zwolenników darwinowskiej teorii ewolucji. Przedstawione ilustracje zostały zeskanowane i umieszczone na blogu BibliOdyssey przez peacay.

Gravity

Gravity

Manowce normatywnej biologii

Manowce normatywnej biologii