English
Grudzień to w naszej szerokości geograficznej najciemniejszy miesiąc roku. Na bożonarodzeniową Gwiazdkę czekamy z wielu powodów, ale między innymi dlatego, że tej nocy światło symbolicznie zwycięża nad ciemnością i dzień zaczyna się wydłużać. Czy zastanawialiście się kiedyś, jak to jest żyć bez światła? Ale tak w kompletnej ciemności? I nie mówię tu o jego niedoborze, sytuacji deficytu, do której dostosowało się mnóstwo organizmów, nawet autotroficznych (np. skiofity – rośliny cieniolubne). Mam na myśli głęboką, atramentową czerń „choć oko wykol”.
Ekosystemy lądowe nie doświadczają tego zjawiska nigdy, w dzień dzięki światłu słonecznemu, nocą za sprawą gwiazd i księżyca. Nawet w bezgwiezdne noce próżno teraz szukać biblijnych egipskich ciemności. W dobie antropogenicznego zanieczyszczenia światłem, kiedy prawie 1/4 powierzchni globu, w tym blisko połowa Stanów Zjednoczonych i niemal 90 proc. Europy, nigdy nie zaznaje prawdziwej, głębokiej ciemności, aby jej doświadczyć, trzeba zejść w głębiny, ku trzewiom Ziemi – pod ziemię lub pod wodę…
Człowiek, jak większość organizmów, jest przystosowany do życia w cyklu dzień-noc, a niedobory światła wpływają negatywnie na jego funkcjonowanie i samopoczucie. Na świecie żyją jednak organizmy, których cykl życiowy przebiega niemal w zupełnej ciemności. To przede wszystkim biocenozy jaskiń i głębin oceanu. Jak sobie radzą ich mieszkańcy w tych skrajnie niekorzystnych warunkach?
Ciemności kryją podziemie (Jerzy Andrzejewski mod.)
Jaskinie to ciemne, wilgotne i często niebezpieczne miejsca, a jednak zamieszkiwane są przez wiele zwierząt, które prowadzą dziwny tryb życia: ślepe chrząszcze, które zjadają odchody nietoperzy, maleńkie pająki, zarzucające sieci jak lasso na swoje ofiary, czy białe salamandry, które pływają w stawach jaskiniowych, nie gubiąc się. Niektóre z tych zwierząt, jak nietoperze, śpią w jaskiniach w ciągu dnia, ale nocą opuszczają je w poszukiwaniu pożywienia. To tak zwane troglokseny lub pseudotroglobionty, czyli zwierzęta znajdujące w jaskiniach czasowe schronienie. Inne, takie jak właśnie pająki, krewetki, ryby i salamandry, przeżywają w jaskiniach całe życie i nigdy z nich nie wychodzą. To właśnie takie zwierzęta, nazywane troglobiontami, wykształciły cały szereg przystosowań do życia w ciemnościach.
Większość zwierząt stale bytujących w ciemności nie ma oczu, bo po co miałyby je mieć? W sytuacji braku światła, organy wzroku są nieprzydatne, a ewolucja nieubłaganie dąży do eliminowania nieużywanych struktur. Podobnie bezużyteczne jest fantazyjne ubarwienie ciała – większość troglobiontów pozbawiona jest pigmentu, biała lub niemal przezroczysta. Ciekawostką jest pewien gatunek słodkowodnej ryby. Lustrzeń meksykański (Astyanax mexicanus) rozdzielił się na dwie genetyczne formy. Forma żyjąca w jaskiniach, zwana ślepcem jaskiniowym lub ślepczykiem, straciła pigmentację i oczy, ale populacje naziemne zachowały jedno i drugie. Dzięki takim cechom gatunki z rodzaju Astyanax wykorzystywane są przez naukowców jako organizmy modelowe w badaniach procesów adaptacji ewolucyjnej i ewolucji regresywnej (proces przystosowania na drodze upraszczania lub zanikania struktur).
Aby móc się przemieszczać w kompletnej ciemności, nie rozbijając się o ściany jaskini, troglobionty musiały wykształcić zdolność wykorzystywania zmysłów alternatywnych dla wzroku. Niektóre jaskiniowe owady poruszają się, używając do nawigacji bardzo długich i wrażliwych czułków, które służą im do sondowania przestrzeni, niczym laska niewidomego. Wiele owadów i pająków wykształciło struktury, dzięki którym potrafią wyczuć drobne wibracje i prądy powietrza, informujące o zbliżaniu się ofiary lub drapieżnika.
Odmieńce jaskiniowe (Proteus anguinus), zwane też jaskiniowymi salamandrami, mają elektroreceptory, które pozwalają im wyczuwać obecność drapieżnika lub ofiary. Nietoperze, choć mają wykształcone oczy, nie są najlepszymi wzrokowcami i w ciemności poruszają się dzięki echolokacji. Niektóre tropikalne ryby jaskiniowe wytwarzają pole elektryczne, które działa na zasadzie echolokacji w wodzie, umożliwiając im wyczuwanie przeszkód, pożywienia i drapieżników.
Ryby jaskiniowe (ang. cave fish) to zbiorcze określenie ryb słodko- i słonawowodnych, przystosowanych do życia w jaskiniach i innych podziemnych siedliskach. Należą do wielu rodzin i nie tworzą grupy monofiletycznej – znanych jest ponad 200 naukowo opisanych gatunków obligatoryjnych jaskiniowców, występujących na wszystkich kontynentach (z wyjątkiem Antarktydy). Typowe adaptacje występujące u jaskiniowców to zanik oczu i pigmentacji, a często też łusek i pęcherza pławnego. Generalnie ryby te są wyjątkowo wrażliwe na zmiany ciśnienia i wibracje, a często mają także niezwykle czuły węch, który pomaga im w nawigowaniu. Nigdy też nie śpią – głęboko w jaskiniach nie ma dnia i nocy, więc są nieustannie aktywne.
Światło między oceanami (M.L. Stedman)
Drugim obok jaskiń typem ekosystemu, gdzie światło nie dociera, jest strefa głębinowa oceanu (tzw. abisopelagial). Rozciąga się ona na głębokości od około 3 do 6 tys. m pod powierzchnią i panują w niej bardzo specyficzne warunki, skrajnie różne od tych w prześwietlonej i tętniącej życiem strefie epipelagicznej (o miąższości ok. 200 m). Przede wszystkim strefa głębinowa pozostaje w absolutnej ciemności. Światło słoneczne nie przenika poniżej 1 tys. metrów (strefa batypelagiczna) nawet w najbardziej przejrzystej wodzie, temperatury są niskie, a ciśnienie wysokie. Im głębiej, tym jest gorzej.
Strefa głębinowa to jedno z najzimniejszych miejsc na Ziemi – temperatury są tam stale niskie i wahają się w granicach 2-4°C. Dodatkowo występuje tam ekstremalnie wysokie ciśnienie, nawet 600 razy wyższe niż na poziomie morza. Życie w tak nieprzyjaznym środowisku jest niezwykle trudne, a mimo to wcale nie jest ubogie, jak wydawało się nam jeszcze 150 lat temu. Doniesienia uczestników ekspedycji statku badawczego „Challenger” (1872-1876) o „pustyni abysalnej” zostały współcześnie mocno zweryfikowane, a o bogactwie życia w tych niegościnnych miejscach piszemy w tym numerze „Wodnych Spraw”.
Przetrwanie w najgłębszych częściach oceanu wymaga niezwykłych adaptacji ewolucyjnych. Wydawać by się mogło, że będą one podobne do tych spotykanych w ciemnościach jaskiń. A jednak, co ciekawe, w głębokich strefach oceanu ryby nie są ślepe. Menażeria żyjąca w głębinach morskich ma zwykle dobrze rozwinięte i bardzo wrażliwe oczy. Skoro wzrok w ciemnościach jest nieprzydatny, dlaczego zwierzęta te wciąż inwestują w wytwarzanie oczu? Odpowiedzią jest bioluminescencja.
Bioluminescencja to niezwykła adaptacja wielu gatunków głębinowych. U różnych organizmów występują różne mechanizmy odpowiedzialne za świecenie, ale najczęstszym jest utlenianie lucyferyny z udziałem lucyferazy. Reakcję tę po raz pierwszy opisał w 1887 r. francuski biolog Raphael Dubois. Wytwarzając własne światło, organizmy mogą komunikować się, przyciągać ofiary, a nawet maskować się przed drapieżnikami.
Do gatunków bioluminescencyjnych odnoszących największe sukcesy należą ryby z rodziny świetlikowatych (ang. lanternfish), obejmujące około 60 proc. wszystkich ryb głębinowych. Brzuchy i boki tych ryb są ozdobione narządami wytwarzającymi światło i używanymi do kamuflażu. Wykorzystują je również do komunikacji. Znanych jest około 245 gatunków latarniowców, a każdy z nich może poszczycić się własnym, unikalnym układem świateł i wzorem migania – podpisem, który może pomóc im znaleźć odpowiednich partnerów w ciemnych wodach.
Jednak najbardziej znanym, niemal emblematycznym gatunkiem głębinowym, który wytwarza własne światło, jest żabnica (Lophius piscatorius), zwana również diabłem morskim. Światło żabnicy pochodzi z końcówki przypominającego wędkę wyrostka na jej czole. Struktura ta wyewoluowała z kolców płetwy grzbietowej. Jej końcówkę zamieszkuje duża liczba bakterii bioluminescencyjnych, których światło ryba wykorzystuje, aby wywabić ofiarę z ciemności i ją schwytać. I co ciekawe, zdolność tę mają tylko samice, natomiast samce, aby nie paść z głodu, wgryzają się w ciało samicy, w zasadzie na niej pasożytując w skrajnie zredukowanej formie.
Również inne drapieżne ryby głębinowe wykorzystują światło bioluminescencyjne do dostrzeżenia ofiary, zwabienia jej, odstraszenia drapieżnika czy przywabienia partnera. Bioluminescencję wykorzystują nie tylko ryby, ale też niektóre bakterie, gąbki, meduzy, skorupiaki, robaki segmentowane, kalmary, rekiny, a nawet (choć zdecydowanie rzadziej) niektóre gatunki lądowe, takie jak świetliki czy opieńka miodowa. Niektóre z tych organizmów same wytwarzają niezbędne substancje chemiczne, podczas gdy inne, jak przywołana żabnica, polegają na symbiotycznych bakteriach. Więcej o zjawisku bioluminescencji i organizmach ją wykorzystujących pisaliśmy w lipcowym numerze „Wodnych Spraw”.
Under pressure (Queen & David Bowie)
Bioluminescencja jest przystosowaniem do życia w ciemnościach głębin oceanu, ale nie jedynym umożliwiającym funkcjonowanie w panujących tam ekstremalnych warunkach. Ogromnym wyzwaniem dla organizmów żyjących w głębinach jest miażdżące ciśnienie rzędu kilkuset atmosfer (ciśnienie rośnie o 1 atm na każde 10 m głębokości). To jakby postawić słonia na kciuku. W takich warunkach posiadanie szkieletu lub pancerza z twardego węglanu wapnia się nie sprawdza i wymusza redukcję zbudowanych z niego elementów anatomicznych bądź zastąpienie go innym tworzywem.
Głębinowe jeżowce z rodziny Echinothuriidae mają tak uwstecznione płytki szkieletu, że ich ciało jest miękkie jak ciała strzykw. Zamiast gąbek ze szkieletem zbudowanym z węglanu wapnia występują tam gąbki szklane (Hexactinellida), ze szkieletem krzemionkowym. Ciała ryb głębinowych zawierają duże ilości żelopodobnej substancji, która pomaga utrzymać ich strukturę pod ogromnym ciśnieniem.
Taka redukcja sztywnych struktur sprawia, że zwierzęta głębinowe często przyjmują dziwną postać – stają się bardziej elastyczne, galaretowate czy workowate. Wyciągnięte ze swojego środowiska, w wyniku zmiany ciśnienia, ulegają dekompresji, czyli „puchną”, jak na przykład „blobfish” Psychrolutes marcidus (zwana najbrzydszą rybą świata), która wygląda zupełnie inaczej w głębinach niż wyjęta na powierzchnię.
Zdolność do tolerowania warunków wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury siedlisk głębinowych wynika też z adaptacji organizmów na poziomie biochemicznym. U zwierząt głębinowych działanie enzymów, funkcje błon komórkowych czy stabilność białek nie wykazują zaburzeń pod wpływem wysokiego ciśnienia, które byłyby obserwowane u organizmów niedostosowanych do takich warunków.
Ciemno wszędzie, głodno wszędzie… (inspirowane Mickiewiczem)
Brak światła uniemożliwia fotosyntezę, zatem zarówno podziemne jaskinie, jak i strefy abysalne oceanów są pozbawione producentów pierwotnych. Niektóre drobnoustroje zasiedlające głębiny i jaskinie mają zdolność wytwarzania związków organicznych przy użyciu energii pochodzącej z reakcji chemicznych, bez udziału światła, czyli tzw. chemosyntezy. Organizmy te, nazywane chemoautotrofami, mają zdolność utleniania siarkowodoru, wodoru i metanu, łatwo dostępnych np. w bogatych w minerały wodach z kominów termalnych. Także w niektórych jaskiniach odkryto bakterie, które wykorzystują siarkę jako źródło energii.
Nie zmienia to jednak faktu, że ekosystemy te są bardzo ubogie w składniki pokarmowe i niemal całkowicie zależne od materii allochtonicznej, czyli tego, co wpadnie, spadnie lub zsedymentuje z zewnątrz. Zwierzęta tych skąpożywnych środowisk opracowały różne strategie zdobywania pokarmu, w tym filtrowanie opadających szczątków organicznych, padlinożerność czy drapieżnictwo (często z wykorzystaniem właśnie bioluminescencji). Wykształciły też zdolność do przetrwania długich okresów głodu. Oszczędzają energię dzięki ograniczeniu aktywności i spowolnieniu metabolizmu. Niektóre gatunki mogą przetrwać, przyjmując pokarm zaledwie kilka razy w roku. Skorupiaki z gromady łopatonogów (Remipedes) mogą żyć miesiącami bez pożywienia, korzystając z energii zmagazynowanej w postaci kulek tłuszczu.
Obniżony metabolizm, spowolnione tempo wzrostu i ograniczenie zasobów pokarmowych sprzyjają tzw. gigantyzmowi głębinowemu (ang. Deep Sea Gignathism), czyli osiąganiu przez zwierzęta ogromnych rozmiarów ciała. Wszyscy fascynujemy się opowieściami o gigantycznych kałamarnicach, pająkach morskich (kikutnicach), obunogach, małżoraczkach, krabach czy ośmiornicach o niespotykanych nigdzie indziej rozmiarach (o największych zwierzętach morskich pisaliśmy też w listopadowym numerze „Wodnych Spraw”). Ciekawe, że mimo podobnych warunków, w jaskiniach zjawiska gigantyzmu nie obserwujemy.
Naukowcy wskazują, że bycie większym w warunkach deficytu jest efektywniejsze (zgodnie z zasadą Kleibera, wiążącą masę ciała z tempem metabolizmu) i zapewnia ogromną przewagę. Większe zwierzęta mogą poruszać się szybciej i dalej, aby znaleźć pożywienie lub partnera. Mają wydajniejszy metabolizm i lepiej magazynują zapasy. Duże drapieżniki, w sytuacji pojawienia się większej ilości pożywienia (np. dryfującej z powierzchni w głębsze strefy oceanu padliny), mogą jednorazowo skonsumować więcej, zapewniając sobie energię na dłuższy czas.
Również niskie temperatury w głębinach morskich i związany z nimi spowolniony metabolizm zwierząt mogą stymulować gigantyzm (zgodnie z zasadą Bergmanna, że zwierzęta są tym większe, w im chłodniejszym klimacie żyją). W tym ekosystemie organizmy często rosną i dojrzewają bardzo powoli, ale też bardzo długo żyją, a ich wzrost trwa przez całe życie. Na przykład rekin grenlandzki (Somniosus microcephalus) może mieć długość ponad 7 m i wagę do 1,5 t, ale parametry te osiąga przez stulecia swojego życia. Ryby te rosną około 1 cm rocznie i osiągają dojrzałość płciową dopiero w wieku około 150 lat. Tak długie życie zawdzięczają między innymi brakowi drapieżników w głębinach morskich.
Po co nam ta wiedza? Implikacje dla nauki i technologii
Zrozumienie, w jaki sposób stworzenia przeżywają w najciemniejszych zakątkach Ziemi, ma ogromne znaczenie dla rozwoju różnych dyscyplin naukowych i postępu technologicznego. Badanie unikalnych form życia w strefie głębinowej dostarcza informacji o przystosowaniach organizmów do ekstremalnych środowisk na przestrzeni milionów lat. Informacje te mogą pomóc nam lepiej zrozumieć ewolucję, w tym zjawisko konwergencji, czyli wykształcania się podobnych rozwiązań u organizmów niespokrewnionych. Wiedza o mechanizmach adaptacyjnych może okazać się kluczem do opracowania nowych preparatów i metod leczenia. Specyficzne właściwości biochemiczne organizmów strefy głębinowej oferują ogromny potencjał postępu biotechnologicznego. Naukowcy stale odkrywają nowe związki i enzymy, które mogą znaleźć zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, m.in. w medycynie i energetyce odnawialnej.
Niektóre z adaptacji mogą pomóc w wynalezieniu leków na ludzkie choroby. Rozpoznanie mechanizmów snu zwierząt jaskiniowych, u których czynność spania przebiega inaczej niż u organizmów funkcjonujących w cyklu dobowym, może pomóc w opracowaniu terapii dla osób cierpiących na zaburzenia snu. Podobnie, badając sposób, w jaki te zwierzęta utraciły oczy, możemy dowiedzieć się, jak leczyć ślepotę. Ponieważ wiele zwierząt ciemnych i zimnych środowisk żyje dłużej niż zwierzęta powierzchni Ziemi, badania ich fizjologii mogą pomóc w zrozumieniu procesu starzenia, a nawet w odkryciu sposobu na przedłużenie życia.
Obserwacja sposobu, w jaki organizmy głębinowe poruszają się w swoim środowisku, stymuluje rozwój nowych technologii robotycznych. Takie innowacje mogłyby usprawnić eksplorację podwodną i pomóc nam lepiej zrozumieć zawiłe ekosystemy głębokiego oceanu, ich sieci troficzne i wzajemne powiązania gatunków. Głębiny morskie odgrywają kluczową rolę w obiegu węgla i ogólnym stanie wód globu ziemskiego. Odkrycie jego tajemnic może przyczynić się do lepszego zrozumienia zmiany klimatu i znaczenia ochrony tych ekosystemów.
