Plastik

O plastiku będę jeszcze pisał nie raz. teraz tylko link do filmu.


https://papaya.rocks/pl/news/zwierzeta-zagrozone-oceaniczne-smieci-przypomina-mistrz-animacji?fbclid=IwAR0GllU8Og53jLPNdaVG0S4rgsyGVqPG8rACevqpwRKJchBTJe1rIKFdH8E

Ciernik

Co jakiś czas córka zagaduje mnie o różne historie związane z pochodzeniem ludzkości; opowiadam zatem o ewolucji, kamiennych narzędziach, powstaniu rolnictwa, pieniędzy itp. Nie chciałbym wywołać wrażenia, że na każde takie pytanie opowiadam jej o rybach, chociaż jakby się zastanowić, nie byłoby to trudne. Tylko nie chcę w oczach dziecka uchodzić za maniaka. No to ostatnio zapytała o wodzów, królów i tym podobnych – skąd wiadomo, który się nadaje? Nie będę streszczał całej opowieści, bo to nie czas i miejsce, ale posłużyłem się przykładem który do rybnego okienka pasuje jak ulał.

Otóż jest taka rybka, ciernik, Gasterosteus aculeatus którą na pewno znacie, gdyż występuje na całej półkuli północnej, głównie w Europie. Przeważnie spotykany jest w wodach słodkich, ale nie gardzi też Bałtykiem ani nawet rzetelną morską wodą. Ma opinię chwastu rybnego, bo stanowi zagrożenie dla ekosystemów i ryb o komercyjnym znaczeniu, wyżerając ich ikrę. A przy tym jest uroczą, sprytną rybką o szerokim spektrum zachowań społecznych i upodobaniem do przebywania w grupie. I właśnie jednego z tych zachowań dotyczyły badania przeprowadzone przez zespół brytyjsko – amerykańsko – australijski ponad 10 lat temu.

Eksperyment sprowadzał się do obserwacji wyboru lidera, za którym grupa rybek podążała z zamiarem spożycia obiadu. Układem eksperymentalnym był zbiornik z przesmykami do dwóch innych zbiorników. Do stada ryb wpuszczano dwa drony udające cierniki z których jeden był tłuściutki, dobrze ubarwiony i lśniący a drugi wygląd miał mizerny, z ciemnymi plamami sugerującymi chorobę pasożytniczą. Każdy z dronów płynął sterowany pilotem w kierunku innego zbiornika a badacze obserwowali za którym podążą rybki. Ciekawym wynikiem tego badania było to, że wybór dobrze wyglądającego lidera był tym bardziej jednoznaczny im większa była grupa rybek. Pojedynczy ciernik w akwarium płynął za pięknisiem w 55% przypadków, a gdy elektorat był 9-osobowy, wybór osiągał 80%. Rzecz jasna, jeżeli prezentowano chudzinę, mało kto brał pod uwagę to dokąd zmierza.
Cóż – owczy pęd wydaje się regułą starą jak ewolucja. 😉

Innym ciekawym aspektem życia cierników są ich obyczaje rozrodcze. W okresie godowym samce walczą o terytoria gdzie budują gniazda do których zapraszają jak największą liczbę samic na jednorazowe randki. Samica w gnieździe wypuszcza ikrę, którą samiec niezwłocznie polewa nasieniem. Bywa, że samce o niskiej pozycji społecznej, bez terytoriów, upodabniają się wyglądem do samic i w tym przebraniu mają szansę na homo- randkę podczas której zostawiają swoje nasienie w gnieździe oszukanego samca. Do niedawna w tych kilku zdaniach można było streścić obyczaje rozrodcze cierników, jeśli ktoś nie chciał się rozpisywać nad złożonością tańca godowego, intensywnością ubarwienia samców, czy innymi aspektami życia seksualnego cierników umożliwiającymi napisanie opasłej monografii na ten temat.

Dziś możemy obserwować początek rewolucji, co nie znaczy że wszystkie dzieła o rozmnażaniu cierników stały się nieaktualne. Dwa miesiące temu ukazał się artykuł, w którym napisano, że u cierników pochodzących ze Szkockich Hebrydów zdarzają się samice przetrzymujące ikrę. Zgodnie z dotychczasowym stanem wiedzy, takie samice które z jakichś powodów nie zdeponowały ikry w gniazdach, muszą ją wydalić na zatracenie, a jeżeli to się nie stanie grozi im śmierć w wyniku zablokowania jajowodów. Zbyt częste występowanie takiej sytuacji oczywiście niepokoi biologów, gdyż może być objawem zanieczyszczenia środowiska i zagrożenia dla wszelkich ryb, nie tylko cierników. Jakie wielkie więc było zdziwienie naukowców, gdy podczas badania takich samic wydobyli z ich brzuchów żywe, niemal gotowe do wyklucia potomstwo. Maluchy, które przyszły na świat na drodze cesarskiego cięcia, ostatecznie wykluły się i zaczęły normalne życie maleńkich cierników.

Rozwijające się w jajach larwy ciernika krótko po cesarskim cięciu. Zdjęcie pochodzi z publikacji L.L. Dean i współpracowników 2019

Ta niezwykła sytuacja otworzyła serię nowych pytań sprowadzających się do kwestii – skąd u licha larwy w ciele samicy gatunku o zapłodnieniu zewnętrznym? Pierwsza hipoteza, którą wyeliminowano to obojnactwo. O takich przypadkach pisałem tutaj. Pod każdym względem larwy wydobyto z samic. Matki nie miały żadnych genetycznych ani anatomicznych elementów męskich. Ciernik jest dość konserwatywny pod tym względem (jeśli pominąć samców wychowujących młode, tudzież transwestytów) i samiec jest samcem, a samica samicą przez całe życie. Obojnactwo nie wchodzi w grę, jeśli nie zadziałamy w odpowiednim czasie srogimi dawkami hormonów. Kolejna hipoteza dopuszczała możliwość samoistnego sklonowania samic, co u niektórych ryb było obserwowane, a możecie przeczytać o tym tutaj, Jednak badania genetyczne młodych rybek wykazały nie tylko, że są w śród nich samce i samice, ale wszystkie posiadają genetyczne ślady osobnika innego niż matka, czyli powstały wskutek zapłodnienia. Opcji, że do zapłodnienia doszło w sposób tradycyjny, a samica później wciągnęła ikrę nikt poważny nie brałby pod uwagę, więc pozostaje jedyna możliwość, że u tych ryb doszło do zapłodnienia wewnętrznego.

Niby nic, powiecie. W końcu jajożyworodność zdarza się wielu gatunkom. Szacuje się, ze ten sposób wyewoluował około 35 razy w świecie ryb, ale nadal około 90% gatunków ryb kostnoszkieletowych (i 43% chrzęstnoszkieletowych) składa ikrę przed zapłodnieniem. Czyżbyśmy zatem przyłapali ewolucję na gorącym uczynku? Ciekaw jestem dalszych losów żyworodnej odmiany cierników oraz wyjaśnienia mechanizmów jakie doprowadziły do tej sytuacji. Wszak jakieś samce musiały wpaść na pomysł radykalnej odmiany aktu płciowego.

Tomasz Kijewski

Większość informacji o cierniku znajdziecie w wikipedii, al jeśli ciekawi was najnowsze odkrycie, odsyłam do publikacji:
L.L. Dean i inni: Internal embryonic development in a non-copulatory, egg-laying teleost, the three-spined stickleback, Gasterosteus aculeatus; Scientific reports 2019

Historię o wyborach przywódcy zaczerpnąłem z publikacji: D.J.T. Sumpter i inni: Consensus Decision Making by Fish; Current Biology 2008

Panienka w niebezpieczeństwie

Istnieje taki fabularny motyw, obecny w kulturze co najmniej od czasów greckich, powszechny w powieściach awanturniczych, romansach, kinie akcji i grach komputerowych. Osią tego motywu jest niewinna, piękna i młoda niewiasta, która wpada w tarapaty, stając wobec smoka/zbójców/dzikich zwierząt, bezdusznych korporacji itp. Wieść o tych problemach dociera do bohatera, który podejmuje się obrony bezradnej istoty. W języku angielskim motyw ten nazywany jest „Damsel in distress”.

Ta nieskomplikowana strategia, oparta na logice „wróg twojego wroga jest twoim przyjacielem”, znalazła odzwierciedlenie także w świecie raf koralowych. I trudno oprzeć się wrażeniu, że angielska nazwa bohaterki dzisiejszej notki, Damselfish, nie jest przypadkowa. Damselfish, to przedstawiciel rodziny garbikowatych. Systematyka tych ryb rafowych obejmuje 385 gatunków zgrupowanych w 29 rodzajów, ale wyróżnia się dwie podrodziny: Błazenki (Anemonefish), których przedstawicielem jest filmowy „Nemo” oraz właśnie Damselfish, które w Polsce nazywane są po prostu Garbikami. Cała ta rodzina jest bardzo ciekawa i będzie pojawiać się w przyszłych notkach, ale dziś wróćmy do zagrożonej panienki.

Jak należy się spodziewać, w życiu pośród rafy koralowej największym zagrożeniem są drapieżniki. A nasza bohaterka jest niewielką rybką o nazwie gatunkowej Pomacentrus moluccensis aka lemon damsel, w nawiazaniu do jej barwy. Pozwólcie, ze będę ja nazywał panienką*. Strategia obronna panienki polega na tym, że zaatakowana przez drapieżnika, jeżeli odniesie najmniejszą choćby rankę, wydziela do wody substancję, która pobudza innego drapieżnika, Pseudochromis fuscus, który co trzeba przyznać, nie działa ze szlachetnych pobudek, tylko próbuje porwać zdobycz. Robi się jednak przy tym takie zamieszanie, że panienka ma znacznie większe szanse na ucieczkę, a prześladowca może zostać zaatakowany przez przybywającego sprzymierzeńca mimo woli. Oczywiście efekt ten nie jest gwarantowany, ale w badaniach, jakie chciałby prowadzić chyba każdy biolog morza wykazano, że w naturalnych warunkach panienki mają około 40% większą szansę na przeżycie ataku gdy pojawia się drugi drapieżnik. Z kolei badania, w których nie chciałby brać udziału żadna znana mi ryba wykazały, że woda pobrana z najbliższego otoczenia skaleczonej panienki i wpuszczona do akwarium z P. fuscus wywołuje u tej ryby żywe zainteresowanie. W publikacji która opisuje tę strategię nie ma niestety informacji na temat charakteru chemicznego owej substancji.

Pseudochromis fuscus Sprzymierzeniec mimo woli. Zdjęcie pochodzi z portalu Fishesofaustralia.net.au

Strategia alarmowania otoczenia o zagrożeniu jest dość powszechna w świecie zwierząt, a także roślin. Zwykle sygnał adresowany jest do pobratymców i ma charakter ostrzeżenia, ale nie powinno dziwić, że i drapieżniki nauczyły się odczytywać takie sygnały by wykorzystać je do własnych celów. Każda szansa na uniknięcie stania się posiłkiem bądź zdobycie posiłku, jest warta wykorzystania.

* Zdarzało mi się wspomnieć, że ryby mają dość swobodny stosunek do kwestii gender, a niektóre obywają się bez samców, ale P. moluccensis to gatunek w krtórym występują zarówno samice jak i samce (które opiekują się ikrą). Tylko dla językowej wygody piszę o nich w rodzaju żeńskim.

Tomasz Kijewski

Zdjęcie w nagłówku: Panienka, Pomacentrus moluccensis. Zdjęcie pochodzi z Wikimedia.

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:

  • A. Mathis i inni: Chemical Alarm Signals: Predator Deterrents or Predator Attractants?; The American Naturalist 1995
  • D.P. Chivers i inni: The evolution of chemical alarm signals: attracting predators benefits alarm signal sendersThe American Naturalist; 1996
  • Lönnstedt O.M. i inni: Well-informed prey stealing: damage released chemical cues of injured prey signal quality and size to predators. Oecologia 2012
  • Lönnstedt O.M. i M.I. McCormick: Damsel in distress: captured damselfish prey emit chemical cues that attract secondary predators and improve escape chances; Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 2015

Hibernacja

Trochę się działo przez ostatnie miesiące, a jedną z poważniejszych zmian jest moje przejście do zespołu zajmującego się w IO PAN działaniami związanymi z popularyzacją wiedzy i edukacją. Przy tym zostałem, formalnie, fizykiem i chociaż jest to uczucie nieco osobliwe, zaliczam je do przyjemnych. Nie oznacza to jednak zaprzestania bycia biologiem, a już na pewno nie stanie się powodem do porzucenia tego bloga, chociaż niektórzy czytelnicy mogli już zwątpić. Umówmy się zatem, że Ryba na piątek przetrwała zimę w stanie hibernacji i z nastaniem wiosny wraca do życia. 

Tutaj bardziej obeznani w ciekawostkach z wodnego świata przypominają sobie filmik który od paru lat krąży po sieci.

Nie wiadomo jak długo ryba pozostawała zamrożona, ani czy rzeczywiście zamarzła w całości. A sądząc po stopniu oszronienia i wyglądzie zamrażarki, temperatura była bardzo niska. Laboratoryjne zamrażarki tego typu osiągają nawet -90°C. To wzbudza podejrzliwość. Solidnie zamrożony osobnik o wadze kilkudziesięciu dekagramów rozmrażałby się dużo dłużej niż dwie minuty. Jeszcze większą wątpliwość nasuwa fizyczny aspekt zamarzania, czyli bezlitosne zwiększanie objętości wody podczas tworzenia lodowych kryształów. Krystalizacja niszczy wszystko co próbuje ograniczyć ten wzrost, co staje się udręką działkowców którzy zapomnieli usunąć wodę z kranów przed zimą, a przecież struktury komórkowe są znacznie bardziej delikatne niż metalowe odlewy.

Jednak nie można na podstawie powątpiewań negować ani potwierdzać fenomenu, tylko trzeba poszukać wiarygodnych źródeł by stwierdzić czy ryba może zamarznąć i przeżyć. Bo fizyka swoje, a biologia swoje. 😉
Nie uprzedzajmy jednak faktów, tylko zróbmy wpierw przegląd literatury.

W połowie XIX w. brytyjskie czasopismo The Naturalist w artykule poświęconym złotym rybkom zamieściło informację jakoby istoty te były w stanie przetrwać stan zamarznięcia i wrócić do aktywności po rozmrożeniu. Jednak te rewelacje okazały się niesprawdzonymi informacjami, które miały pochodzić od amatorskich hodowców tych ryb. W tym samym czasie pojawiły się doniesienia z kontynentu amerykańskiego, i to z godnego źródła jakim był John Richardson, członek towarzystw naukowych i korespondencyjny współpracownik Darwina. Richardson opisywał rybę Dallia pectoralis, która żyje w strumieniach Alaski i Kamczatki gdzie sroga zima trwa ponad pół roku. Współpracownik Smithsonian Institute, Lucien Turner opisywał D. pectoralis jako rybę, która przechowywana w koszach w formie zamrożonej jako pokarm dla psów może wrócić do życia, jeśli świat okaże jej nieco ciepła. Jednak dopiero pod koniec XIX w. inny naturalista John Hunter przeprowadził serię eksperymentów, nie ograniczając się zresztą do ryb (zamrażał między innymi dżdżownice, płazy i myszy), w których nie zaobserwował powrotu do życia żadnego z badanych zwierząt. Niestety, D. pectoralis nie była przedmiotem jego eksperymentów. Uwierzcie mi, nie chcielibyście czytać opisów tych doświadczeń, choć przyznać należy, że cechowały się ogromną, żeby nie powiedzieć „dziecinną”, ciekawością natury.

Dallia pectoralis Zdjęcie z serwisu akwa-mania.mud.pl

W latach 30 XX w. radziecki uczony o nazwisku Borodin prowadził badania mające na celu opracowanie technologii przechowywania żywych ryb oraz kawioru w temperaturach poniżej zera i chwalił się obiecującymi wynikami w przypadku D. pectoralis, jednak tych wyników nie udało się osiągnąć w przypadku jesiotrów oraz ich ikry. Temat jednak nadal fascynował naukowców, czego świadectwem jest przeglądowy artykuł z 1953 roku, sumujący wiedzę na temat hibernacji i zamarzania zwierząt oraz roślin. Napisano tam między innymi, że D. pectoralis jest w stanie przetrwać 40 minut w temperaturze -20­°C, ale dwie godziny w takich warunkach zabijają te ryby. Wygląda jednak na to, że moc specjalna Dallii nie jest strategią życiową na zimę, tylko szansą przetrwania przypadkowego i krótkotrwałego zamarznięcia. Nie znalazłem współczesnych badań tej ryby w kontekście zdolności do hibernacji, za to dowiedziałem się, że zimą Dallia chroni się w głębszych partiach zbiorników, a stan zamrożenia prowadzi w jej ciele do nieodwracalnych zmian które w najlepszym przypadku kończą się martwicą tkanek, a w najgorszym śmiercią w ciągu kilkudziesięciu godzin od rozmrożenia. Tak czy inaczej, mamy trop, wskazujący na to, że krótkotrwała ekspozycja na temperaturę poniżej zera nie musi zabijać zwierząt, które podlegają silnej presji środowiskowej w tym kierunku. Taka presja występuje rzecz jasna nie tylko w wodach słodkich, ale i oceanicznych. Trzeba pamiętać, że wody oceaniczne zaczynają zamarzać w temperaturze -2°C i zjawisku temu towarzyszy zmiana stężenia soli*, która spowalnia proces, przez co woda oceaniczna pozostaje w stanie ciekłym w temperaturze nawet -20°C. Dlatego nie było zaskoczeniem, gdy w wodach wokół Antarktydy znaleziono ryby z podrzędu Nototeniowców, które hibernują podczas zimy. Jeden z ich przedstawicieli pojawił się już we wcześniejszej notce [klik]. Podczas zimowych miesięcy, gdy temperatura wody spada nieco poniżej zera, ryby te w znacznym stopniu obniżają poziom aktywności, pozostając w kompletnym bezruchu przez około 4-12 dni, po czym przez około trzy godziny przemieszczają się i – jeśli im się uda – pożywiają, po czym znów zapadają w bezruch, a ich serca zwalniają z 12 – 26 uderzeń na minutę do spokojnego pulsu nieprzekraczającego 10 uderzeń. W tym czasie pozostają całkowicie bezbronne. Podczas zimy tracą masę ciała w tempie 0,02% dziennie, wykorzystując zgromadzone zapasy tłuszczu, podczas gdy każdego dnia latem przybierają na wadze około 0,17%. Tak dokładnie zbadano gatunek Notothenia coriiceps, ale także u innych ryb obserwuje się zapadanie w rodzaj snu zimowego z wyraźnym obniżeniem tempa metabolizmu. Pozwolę sobie przedstawić całą, niedługą ich listę: Japońskie poskoczki mułowe Periophthalmus modestus Boleophthalmus pectinirostris, piskorz amurski Misgurnus anguillicaudatus, dobijak niebieski Ammodytes marinus występujący w Bałtyku i jego amerykański kuzyn Ammodytes hexapterus, a także karp Cyprinus carpio. Większość z nich nie jest jednak tak bardzo odporna na zimno jak N. coriiceps.

Notothenia coriiceps w stanie hibernacji nie reaguje na takie zdarzenia jak podniesienie przez nurka. Zdjęcie z publikacji Campbell i inni, PLoS one 2008

Jak zapewne spodziewacie się, naukowcy nie poprzestali na obserwacjach, tylko rzucili się by wyjaśnić naturę obserwowanych fenomenów. O ile przezimowanie w temperaturze między 10 a 5 stopni wymaga „jedynie” spowolnienia metabolizmu, to temperatura poniżej zera stanowi wyzwanie dla struktur komórkowych. Jaki sposób na to pojawił się w toku ewolucji? Wiemy już, że wyższe stężenia soli obniżają temperaturę w której tworzą się kryształy, jednak nadmiar soli jest nie mniej zabójczy dla komórek niż lodowe kryształy. Zawartość alkoholi w roztworze jest równie dobrym sposobem, z którego korzystamy zabezpieczając instalacje samochodowe czy lotnicze, ale podobnie jak w przypadku soli, efektywne stężenia nie są do zaakceptowania dla komórek. Wiele ryb  w płynach ustrojowych zawiera pewne ilości N-tlenku trimetyloaminy, który ma również właściwości przeciwzamarzaniowe, ale jest to substancja toksyczna i chyba tylko rekin grenlandzki poradził sobie ze znaczną jej koncentracją w ciele**.  Najbardziej efektywne substancje które zabezpieczają komórki i tkanki ryb przed zamarzaniem działają w stężeniach 300 razy mniejszych niż stosowane przez ludzi środki przeciwzamarzające. Są to niewielkie cząsteczki białkowe lub glikoproteiny***, które łączą się z powstającymi kryształkami lodu w taki sposób, że uniemożliwiają ich dalszy wzrost. Woda zatem zamarza, ale nie ma możliwości rozwinięcia destrukcyjnych struktur. To rozwiązanie jest dosyć powszechne u ryb żyjących w zimnych wodach, nawet jeżeli nie mają one zwyczaju hibernować. Stosowanie białek przeciwzamarzaniowych ma jednak swoją cenę. Dobrze opakowane tymi białkami mikrokryształy lodu nie topią się tak łatwo jak swobodny lód, i jeszcze w temperaturze +1°C w ciele ryb można znaleźć tzw. przegrzany lód. Nie ma zatem nic niestosownego w nazywaniu Nototeniowców rybami lodowymi.

Ludzie nie byliby ludźmi, a naukowcy naukowcami, gdyby nie pojawiły się pomysły na wykorzystanie białek antyzamarzaniowych dla naszych potrzeb. Pierwszą i najbardziej oczywistą jest stosowanie ich jako konserwantów dla produktów spożywczych wrażliwych na zamarzanie, drugą – inżynieria genetyczna i modyfikowanie roślin wrażliwych na przymrozki. Ja bym docenił truskawki, które nie zostały kompostem wobec niespodziewanego ładunku arktycznego powietrza w maju, a właściciele podalpejskich winnic nie musieliby organizować systemów dogrzewania plantacji.

Tomasz Kijewski

* lód morski jest zawsze mniej słony od wody z której powstał. W temperaturze -30°C z bryły lodu morskiego sączy się solanka, pozostawiając gąbczastą strukturę lodu zawierającego mniej niż 1/10 pierwotnego stężenia soli.

** N-tlenek trimetyloaminy (TMAO) u rekina grenlandzkiego neutralizuje też ogromne ilości mocznika, jakie znajdują się w mięsie tej ryby, czyniąc ją do spółki z tym mocznikiem, bardzo wymagającym surowcem spożywczym. Wymagającym długiego wietrzenia, specjalnych zabiegów przygotowawczych i jak powiadają polarnicy, silnej determinacji do posiłku.

*** glikoproteiny to cząsteczki białek, które połączone są z cząsteczkami cukrów

Zdjęcie w nagłówku przedstawia figurkę ryby wykonaną z rtęci zamrożonej w ciekłym azocie. Pochodzi z serwisu Popular Science. © Mike Walker

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:

P. F. Scholander  I inni; Studies on the physiology of frozen plants and animals in the arctic; Journal of the cellular physiology 1953.

H.A. Campbell i inni; Hibernation in an Antarctic Fish: On Ice for Winter; PLoS One. 2008

P. A. Cziko i inni; Antifreeze protein-induced superheating of ice inside Antarctic notothenioid fishes inhibits melting during summer warming; PNAS published ahead of print September 22, 2014

N.A. Borodin (1934) Zool Jahrb Abt allgem. Zool u. Physiol. 53 313 The anabiosis or phenomenon of resuscitation of fishes after being frozen.

The Works of John Hunter, F.R.S. with Notes, Tom 4

M. Holmes; Reviving Frozen Fish in Manchester! Investigating Natural History, 1775-1851; holmesmatthew.wordpress.com/2014

L. M. Turner Contributions to the natural history of Alaska. Results of investigations … in the Yukon district and the Aleutian islands; conducted under the auspices of the Signal service, United States Army, extending from May, 1874, to August, 1881 Publ. 1886 no. 2, 226 pp. Signal Service, U. S. Army.

K. V. Ewart, C. L. Hew; Fish Antifreeze Proteins; World Scientific, 2002

K. Soyano i  Y. Mushirobira; The Mechanism of Low-Temperature Tolerance in Fish; Survival Strategies in Extreme Cold and Desiccation pp 149-164; Springer 2018