Ewolucyjny fuks

Atractosteus spatula jest największym przedstawicielem niewielkiego rzędu ryb niszczukokształtnych, obejmującego kilka gatunków występujących w słodkich wodach obu Ameryk. Jako ryba dorastająca do 4 metrów, jest atrakcyjnym celem połowów sportowych i bywa dostępny na rynku spożywczym, jak również – ze względu na swą unikalną urodę – w komercyjnych akwariach. Bez wątpienia wzbudza respekt, chociaż nie zanotowano ataków na ludzi; to wodne ssaki, ptaki, żółwie, ryby i kraby powinny strzec się niszczuki krokodylej.

Przedstawiciel niszczukowatych w ofercie sklepu zoologicznego tropicalfish.indonesia

Te ryby reprezentują jedną z najstarszych rodzin ryb drapieżnych Lepisosteidae, które pozostały praktycznie niezmienione od około 150 mln lat. Status żywej skamieniałości zawdzięczają cechom charakterystycznym dla ryb mezozoiku, szczególnie kostnym łuskom okrytym szkliwem, nieprzypadkowo podobnym do naszego szkliwa zębowego. Budowa tej skóry stała się inspiracją do produkcji rękawic roboczych odpornych na przekłucia.

Inną archaiczną cechą niszczukowatych jest budowa pęcherza pławnego dająca asumpt do twierdzenia, że pierwotną funkcją ewolucyjną tego uchyłka układu pokarmowego była wymiana gazowa. Podobnie jak jeszcze starsze żywe skamieniałości – ryby dwudyszne, niszczuki posiłkują się powietrzem znad powierzchni wody, gdy panuje przyducha. U ryb, które w późniejszych czasach zdominowały środowisko, pęcherz pławny służy do regulowania wyporności, względnie jako rezonator dźwięków odbieranych lub wydawanych. Nawet jeśli posiłkują się powietrzem atmosferycznym, ryby „nowoczesne” maja do tego inne narządy niż pęcherz pławny.

Jednak w  historii ewolucyjnej kręgowców pęcherz pławny utrzymał swoją pierwotną funkcję, gdyż płuca pochodzą właśnie od niego. Oznacza to, że linia ewolucyjna łączy nas z rybami w głębiach ich drzewa rodowego. Potencjał kręgowców lądowych, można by rzec, dojrzewał od samego początku historii kręgowców i żadna „nowoczesna” ryba nie jest naszym przodkiem.

Wykres przedstawia relacje filogenetyczne, czyli stopień pokrewieństwa między różnymi kręgowcami. Ryby trzonopłetwe są bliżej spokrewnione z kręgowcami lądowymi niż z resztą ryb

Inne ciekawe właściwości niszczukowatych mogą ale wcale nie muszą pochodzić z poprzedniej ery. Niszczukom wystarcza, że niezawodnie sprzyjają przetrwaniu tych ryb. Odkryto mianowicie, że ich ikra jest toksyczna. Nie jest to odosobniony przypadek, bowiem tego typu obronę stosują liczne gatunki z tuzina rodzin ryb  kostnoszkieletowych. Jakże to skuteczne – sprawić, by amator jaj rozchorował się lub zginął po zjedzeniu ich.

Kiedy już z uratowanej ikry wyklują się młode niszczuki, na głowach larw można wypatrzeć okrągłe przyssawki, dzięki którym młode nie pałętają się by wpaść w czyjąś paszczę. I szybko rosną. W ciągu jednego sezonu z małej nieporadnej larwy wyrasta drapieżnik o długości 45cm. Największa z niszczuk, niszczuka krokodyla osiąga maksymalnie do 4 metrów i blisko 150kg. Kawał ryby, przyznacie, nawet jeżeli spora część jej długości to paszcza o kształcie jednoznacznie kojarzącym się z krokodylami. Ciekawostka sama w sobie, ale konwergencja ewolucyjna, czyli niezależne powstawanie łudząco podobnych cech to temat na inną opowieść.

Prędkość przyrostu nizczuki krokodylej w pierwszych dniach od wyklucia (DAH).

Istnienie takich zakonserwowanych ewolucyjnie zwierząt i roślin nasuwa pytania o mechanizmy pozwalające im trwać w niemal niezmienionej formie przez miliony pokoleń, podczas gdy świat wokół nich aż wrzał od ewolucyjnych przemian i wynalazków.

Wyjaśnienie tej kwestii może dla wielu okazać się rozczarowujące. Przede wszystkim nie ma mowy o gatunkach, które pozostały niezmienione przez miliony lat. To są gałęzie na drzewie życia, rody, innymi słowy – wyższe taksony, które zachowały pewne zestawy pradawnych cech. Żadną miarą nie należy ich posądzać o zaprzestanie ewolucji, bo nieustannie podlegają selekcji naturalnej. Te formy życia są konserwatywne dlatego, że ich genetyczna konstytucja nie dopuściła do spontanicznych i radykalnych zmian budowy, a środowisko nie stwarzało kuszących sposobności do takich rekonstrukcji. Warto mieć też na uwadze, że owe „skamieniałości” reprezentują grupy wymarłych istot o znaczne wyższej różnorodności, a niektóre z nich – jak chrzęstnoszkieletowe – nadal tą różnorodnością się cieszą.

Wygląda więc na to, że niszczuki, łodziki czy miłorzęby zwyczajnie miały szczęście być pominięte zarówno przez wielkie wymierania, jak i nowe trendy w ewolucji i tylko ludzka optyka nadaje im szczególny charakter.

Tomasz Kijewski

Zdjęcie w nagłówku pochodzi ze strony skulldigimorph org

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:

T.A. Burns i inni: Gar Ichthyootoxin: Its Effect on Crayfish, with Notes on Bluegill Sunfish; The Southwestern Naturalist 1981

M.Q. Chandler i inni: Finite element modeling of multilayered structures of fish scales; Journal of the mechanical behavior of biomedical materials 2014

Roberto Martini, Francois Barthelat. Stretch-and-release fabrication, testing and optimization of a flexible ceramic armor inspired from fish scales. Bioinspiration & Biomimetics, 2016

M.K. Hecht, Evolutionary Biology, Tom 15 Springer Science & Business Media, 2013

R.P. Mendoza i inni: Morphophysiological studies on alligator gar (Atractosteus spatula) larval development as a basis for their culture and repopulation of their natural habitats; Reviews in Fish Biology and Fisheries 2002

D. M. Parichy: The gar is a fish… is a bird… is a mammal?; Nature Genetics 2016

Proch i pył

Od kilku lat coraz częściej spotykamy się z informacjami na temat zanieczyszczenia Ziemi plastikiem i działaniami zmierzającymi do redukcji tego problemu. O likwidacji nikt przy zdrowych zmysłach nie śmie mówić, bo skala problemu przerasta wszelkie możliwości. W końcu żyjemy w erze plastiku. W ciągu roku na świecie produkuje się ponad 300 milionów ton tworzyw sztucznych, z czego ponad połowa nie ulega ani recyklingowi, ani składowaniu, ani nawet spaleniu. Do środowiska trafia rocznie mniej więcej tyle plastiku ile pozyskujemy owoców morza. Kiepska to wymiana.

Światowa produkcja plastiku. Wykres pochodzi z książki Marine Anthropogenic Litter; źródło pierwotne: plasticseurope.org

Miliony ton plastiku, jakie „zniknęły” w środowisku, zalegają w różnych zakamarkach kontynentów, lub spływają do mórz i oceanów. Tam część z nich zostaje pogrzebana w warstwach osadów morskich i w przyszłych epokach stanowić będą intrygującą warstwę geologiczną.

Przykłady znalezisk na dnie mórz i oceanów. Wszystkie pokazane śmieci znaleziono na głębokości poniżej 1000m. Ilustracja pochodzi z książki Marine Anthropogenic Litter

Jednak niemała część tych śmieci trafia do łańcucha pokarmowego, czemu sprzyja powolne ich rozdrobnienie. Można by uwierzyć, że im są drobniejsze – tym mniej szkodliwe się stają. Nic bardziej mylnego. Drobiny mikroplastiku wielkości od milimetrów do mikrometrów (1mm = 1000μm) stwarzają znane zagrożenia dla zdrowia poprzez przebywanie w układach pokarmowych. Zatykają je, uwalniają substancje szkodliwe dla zdrowia i ulegają biomagnifikacji w łańcuchach pokarmowych.

Larwa okonia najedzona drobinami polistyrenu. © Oona Lonstedt

Niedawno klasa drobniejszych zanieczyszczeń zyskała formalną odrębność i stała się przedmiotem zainteresowania nauki: nanoplastik. Są to drobiny tworzyw sztucznych o wymiarach nie przekraczających kilku mikrometrów, niektórzy uznają za nanoplastik drobiny, których przynajmniej jeden wymiar jest poniżej 100 nanometrów (0,1μm). Jest to wielkość pozostająca poza granicą rozdzielczości tradycyjnej mikroskopii optycznej. Drobiny mniejsze niż 0,5 mikrometra można oglądać przez mikroskop skaningowy, konfokalny lub elektronowy.

Nanoplastiki dzieli się na pierwotne, czyli takie które zostały wyprodukowane w tej granulacji jako składniki farb wodorozcieńczalnych, klejów, powłok, elektroniki, produktów kosmetycznych, systemów dostarczania leków bądź diagnostyki medycznej itp. Druga kategoria to nanoplastiki wtórne, które powstały z większych odpadów w wyniku działania sił mechanicznych, promieniowania słonecznego i rozmaitych reakcji chemicznych, a także działalności zwierząt np. kryla. Nanoplastiki dostają się do wód w sposób niepohamowany ze ściekami komunalnymi także z naszych pralek które uwalniają je z polarów, mikrofibrowych ręczników i wszelkich tkanin zawierających syntetyczne włókna. Żadna oczyszczalnia nie jest w stanie usunąć ich ze ścieków. Także powietrze nie jest wolne od nanoplastiku. Nowoczesne odkurzacze z filtrami HEPA zatrzymują ponad 99% zanieczyszczeń, ale tylko takich, które przekraczają 0,3μm, zaś drobiny mniejsze niż 0,02μm (20nm) przelatują przez nie bez problemu.

Trudność z odfiltrowaniem nanoplastików znajduje także odzwierciedlenie w identyfikacji tego rodzaju zanieczyszczeń przez naukowców. Liczne zespoły angażują najbardziej zaawansowane metody by określić poziom tego rodzaju zanieczyszczeń w wodach. Nie dotarłem jednak do żadnych opracowań opisujących koncentrację nanoplastików w środowisku wodnym. O efektywnych sposobach usuwania nanoplastików ze strumienia ścieków nikt chyba nie marzy. Jedyne osiągalne metody to potwornie energochłonna destylacja ścieków i odwrotna osmoza.

Dlaczego ten rodzaj zanieczyszczeń tak niepokoi naukowców?

Oprócz własnych szkodliwych substancji chemicznych, tworzywa sztuczne mają pewną specjalną właściwość. Jest to spore powinowactwo do związków niepolarnych, czyli trudno rozpuszczających się w wodzie. To powinowactwo sprawia, że tego rodzaju substancje bardzo chętnie osiadają na powierzchni plastików, a łatwo pojąć że gram tworzywa w granulacji nano ma astronomicznie większą powierzchnię niż, dajmy na to klocek lego o tej samej masie. Tak się przy tym składa, że liczne związki niepolarne uwalniane do środowiska są toksyczne. W tej grupie są zarówno komponenty ropy naftowej jak i liczne pestycydy, herbicydy oraz cała gama innych zanieczyszczeń o działaniu biologicznym. Niepolarne cząstki mają jeszcze jedną moc: z wielką łatwością przywierają, a nawet przenikają przez błony komórkowe, co w najprostszych słowach oznacza, że cząsteczka nanoplastiku wraz z całym ładunkiem zgromadzonym na jej powierzchni jest w stanie wniknąć do żywej komórki. I urządzić tam jesień antropocenu.

Diagram pokazuje przykłady niebezpiecznych związków chemicznych towarzyszących drobinom plastików. Podzielono je na trzy kategorie: składników tworzyw – czerwone kwadraty, produktów ubocznych ich produkcji – żółte kwadraty oraz substancji ulegających adhezji (przyłączeniu) do drobin – czarne kwadraty. Ilustracja pochodzi z książki Marine Anthropogenic Litter

Zjawisko przenikania nanoplastików do komórek udokumentowano w eksperymencie ryżanką japońską (Oryzias latipes) której ikrę i dorosłe ryby wystawiono na obecność nanoplastików znakowanych substancją fluorescencyjną. Zarówno ikra, jak i dorosłe osobniki wchłaniały nanocząsteczki polistyrenu i lokowały je w swoich strukturach komórkowych.

Ikra ryżanki japońskiej w świetle wzbudzającym fluorescencję. A – ikra inkubowana w wodzie wolnej od znakowanych nanoplastików, B – ikra inkubowana w wodzie ze znakowanymi nanoplastikami. Zdjęcie pochodzi z publikacji Distribution of Nanoparticles in the See-through Medaka (Oryzias latipes)Ikra ryżanki japońskiej w świetle wzbudzającym fluorescencję. A – ikra inkubowana w wodzie wolnej od znakowanych nanoplastików, B – ikra inkubowana w wodzie ze znakowanymi nanoplastikami. Zdjęcie pochodzi z publikacji Distribution of Nanoparticles in the See-through Medaka (Oryzias latipes)

W innym eksperymencie jednokomórkowe glony hodowano w obecności nanocząstek polistyrenu o granulacji 27 i 25nm. Te glony posłużyły jako karma dla rozwielitek, którymi z kolei karmiono karasie przez dwa miesiące. W wyniku tego eksperymentu zaobserwowano nie tylko obecność nanoplastiku we krwi ryb, ich mięśniach i mózgach, ale także zmiany zachowania wyrażone słabszą aktywnością i osłabieniem relacji społecznych.

Jak wspomniałem wyżej, nie są znane rzeczywiste poziomy zanieczyszczenia nanoplastikiem rzek, jezior i mórz. Wiemy tylko, że jego istnienie jest nieuniknione. Nieznany jest także ładunek dodatkowych substancji przenoszonych na tych cząstkach, choć w laboratoriach udowodniono, że mają one niebezpieczny potencjał. Nie wiemy zatem w jakim stopniu eksperymenty oparte na czystych drobinach polistyrenu, odzwierciedlają rzeczywiste zagrożenia dla przyrody, choć istnieją niezbite dowody, że w nanoplastik w naturze przenika do krwi, mięśni i tkanki nerwowej zwierząt wodnych. Wiemy też, że niemała część plastików które trafiły do środowiska, będzie ulegać coraz większemu rozdrobnieniu, aż w ciągu dziesiątek czy setek lat dołączą do puli nanośmieci pośród których żyjemy.

Tomasz Kijewski

Zdjęcie w naglówku przedstawia fragment plaży w Rzucewie z naturalnym depozytem glonów i grupą mikroplastiku. Żadna z drobin nie została poruszona w celu skomponowania zdjęcia. © Tomasz Kijewski

Jeśli chcesz wiedzieć więcej:

Shosaku Kashiwada: Distribution of Nanoparticles in the See-through Medaka (Oryzias latipes); Environmental Health Perspectives 2006

Karin Mattsson i inni: Altered Behavior, Physiology, and Metabolism in Fish Exposed to Polystyrene Nanoparticles; Environmental Science & Technology 2015

Laure Mamy i inni: Prediction of the Fate of Organic Compounds in the Environment From Their Molecular Properties: A Review; Critical Reviews in Environmental Science and Technology 2015

Edytorial: Nanoplastic should be better understood; Nature Nanotechnology 2019

Ruud J.B.Peters i inni: Detection of nanoparticles in Dutch surface waters; Science of The Total Environment; 2018

Melanie Bergmann i inni: Marine Anthropogenic Litter; Springer Open 2015