Wojna chemiczna w świecie roślin – jak rośliny walczą między sobą?

Wojna chemiczna w świecie roślin

Rośliny zdobywają i chronią swoją przestrzeń życiową w bardzo szczególny sposób. Robią to nie przy pomocy siły fizycznej i brutalnego przepędzenia konkurenta, ale poprzez wysłanie do walki jednostek specjalnych – związków chemicznych. Te skutecznie hamują kiełkowanie i rozwój roślin w sąsiedztwie. Naukowcy wyjaśnili molekularne mechanizmy tej wojny chemicznej, a przy okazji odkryli, że badane substancje są szkodliwe również dla komórek ludzkich.

Jeśli obszar jest gęsto zasiedlony przez rośliny, zasoby naturalne jak woda, substancje odżywcze oraz światło stają się dla roślin towarem deficytowym. W przeciwieństwie do zwierząt nie są one w stanie wywędrować w inne regiony albo walczyć o swoje rewiry z głośnym rykiem. Sielankowa i pełna kwiatów łąka, wydająca się być uosobieniem spokoju i harmonii, kryje pod barwną otoczką toczącą się nieustannie wojnę. Stosując broń chemiczną, niektóre rośliny nękają i niszczą swoich sąsiadów.  

Roślinne substancje do walki chemicznej

Pierwsze wzmianki o tym, że niektóre rośliny mogą zakłócać wzrost innych gatunków, pochodzą ze starych, greckich dokumentów. Zjawisko polega na tym, że samodzielnie wytwarzane związki chemiczne są uwalniane i oddziaływają na inne rośliny. Współcześnie używany termin allelopatia został wymyślony przez austriackiego botanika Hansa Mollsch’a w 1937 r. Jest zapożyczeniem ze starożytnej greki, pochodzi od słów αλλήλων (allélon) „wzajemnie”, i πάθος (páthos) „cierpienie”. Oznacza, że ​​organizmy szkodzą sobie nawzajem lub przynajmniej hamują swój rozwój, co obrazowo opisuje się jako wojnę chemiczną między roślinami.

Substancje aktywne w allelopatii są produktami wtórnego metabolizmu roślin (metabolity wtórne), syntetyzowanymi przez rośliny z kilku substancji wyjściowych, m.in. z aminokwasów aromatycznych. Rozprzestrzeniają się w formie gazowej (głównie olejki eteryczne), płynnej (wymywane przez deszcz i rosę wydzieliny korzeni) oraz stałej (rozkład obumarłych części roślin).

Badanie broni chemicznej roślin jest skomplikowane, ponieważ istotne dla jej działania są wzajemne, kompleksowe interakcje z bakteriami i innymi mikroorganizmami w glebie. W laboratorium można te zależności odtworzyć tylko w stopniu ograniczonym. Roślinne substancje chemiczne są na dodatek często trudno rozpuszczalne i przez to niełatwe do zmierzenia. Poza tym rozgraniczenie normalnej konkurencji o koniecznie do życia składniki i allelopatii nie zawsze jest takie oczywiste.

Antykoncepcja pod orzechem włoskim

Już w pierwszym wieku przed naszą erą wspominał Pliniusz Starszy w swojej encyklopedii „Historia naturalis”, że orzech włoski wykazuje wyraźnie hamujące działanie na inne rośliny. W otoczeniu tego drzewa nie chcą rosnąć żadne inne drzewa ani zioła. Podstawa tego fenomenu została wyjaśniona: orzech włoski (Juglans regia) wytwarza substancję zwaną juglonem, która hamuje kiełkowanie innych roślin. W ten sposób drzewo zapobiega przychodzeniu na świat niechcianych konkurentów w najbliższym otoczeniu.

Opadające na ziemię liście orzecha zawierają juglon, związek organiczny podobny do naftochinonu, który uwalnia się do gleby i blokuje enzymy metaboliczne, fotosyntezę i oddychanie. Z deszczem substancja wnika do gleby, skąd jest pobierana przez korzenie kiełkujących roślin. Strefa wydzielania juglonu przez orzech może sięgać do kilkudziesięciu metrów. Wyjątkowo dużo substancji allelopatycznych syntetyzuje orzech włoski zaszczepiony na podkładce z orzecha czarnego (Juglans nigra). Do likwidowania konkurencji przez podawanie związków chemicznych, nazywane allelopatią, zdolny jest nie tylko orzech włoski. Wiele gatunków roślin opanowało umiejętność wpływania na kiełkowanie, wzrost i rozwój konkurencyjnych gatunków.

Likwidowanie partnerów konkurencji

Wbrew pozorom allelopatia nie polega na prymitywnym i brutalnym podawaniu trucizny swoim najbliższym sąsiadom w celu zlikwidowania konkurencji i przejęcia ich zasobów naturalnych. Wiele roślin stosuje bardziej wyrafinowane i przemyślane metody. Parafrazując znane powiedzenie, można by powiedzieć, że działają według zasady: „przyjaciele naszych wrogów są naszymi wrogami”.

Aby zrozumieć znaczenie allelopatii szczególnie w środowisku leśnym, trzeba koniecznie pamiętać o powszechnym, chociaż chyba mało znanym, zjawisku mikoryzy. Krótko mówiąc (a temat jest obszerny), mikoryza polega na współżyciu roślin z grzybami z obopólną korzyścią dla obu stron. Grzyby korzystają ze związków organicznych wytwarzanych przez rośliny podczas fotosyntezy, a w zamian zaopatrują je nie tylko w związki mineralne i mikroelementy, ale również wytwarzają i dostarczają hormony roślinne, regulujące wzrost i rozwój. Zjawisko mikoryzy dotyczy ponad 85% gatunków roślin, a dla wielu z nich (na przykład dla storczyków i wrzosowatych) obecność grzybni jest wręcz niezbędna do wykiełkowania.

Skoro więc drzewa są uzależnione od grzybów i do pomyślnego ich wzrostu niezbędne są grzyby mikoryzowe, to hamując rozwój grzybni można eliminować z otoczenia drzewa. To bardzo sprytne posunięcie stosuje na przykład dobrze znany wszystkim wrzos: wytwarza mianowicie substancje hamujące rozwój grzybów mikoryzowych, co zapobiega rozwojowi roślinności leśnej i utrzymuje dla niego otwarte siedlisko. Chociaż te grzyby nie szkodzą bezpośrednio wrzosowi, to są ważnymi partnerami drzew, a te z kolei tworzą warunki zagrażające bytowi krzewinek.

Badania zjawiska mikoryzy prowadzone pod kątem allelopatycznych oddziaływań wykazały dużą wrażliwość grzybów mikoryzowych na substancje wytwarzane przez niektóre rośliny i uwalniane do gleby. W korzeniach wrzosu i świeżym humusie tej rośliny wykryto obecność substancji toksycznej w stosunku do kilku gatunków grzybów mikoryzowych. Okazuje się, że wrzos oddziałując na mikoryzę świerka może uniemożliwić jego normalny wzrost i rozwój. Wrzos potrzebuje do życia nasłonecznionego stanowiska, a takie trudno znaleźć w mrocznych i cienistych świerczynach. Jak widać, działanie wrzosu polegające na zwalczaniu drzew ma głębokie, życiowe wręcz dla niego znaczenie.

Strategia drzewa jabłoni

Nie tylko orzech włoski i orzech czarny dbają o to, aby uniemożliwić kiełkowanie konkurencji; również drzewa iglaste i liściaste, a także rośliny zielne robią co mogą we własnym, egoistycznym interesie. Jabłoń nie dopuszcza do wzrostu nawet własnego potomstwa w bezpośredniej bliskości drzewa macierzystego. Jej korzenie wydzielają bezpośrednio do gleby tak zwaną florycynę, roślinny glikozyd z grupy flawonoidów. Ten związek chemiczny jest początkowo nieaktywny i zostaje aktywowany dopiero przez mikroflorę gleby. Powstaje przy tym floroglucyna, floretina oraz kwasy fenolowe, które uniemożliwiają kiełkowanie innych nasion jabłoni. Nawet jeśli drzewo zostanie ścięte, przez długi czas nie wyrośnie na tym stanowisku żadna jabłonka.

Dzięki temu, że drzewo tworzy najpierw nietrujące związki chemiczne, które dopiero w glebie ulegają aktywacji, chroni się w ten sposób przed własną trucizną. Inne rośliny pakują swoją broń chemiczną do gruczołów, przestrzeni komórkowych lub zbiorniczków z olejkami eterycznymi, gdzie nie mogą szkodliwie wpływać na ich własne tkanki.     

Fenomen allelopatii jest wokół nas

Zjawisko allelopatycznych oddziaływań roślin występuje w przyrodzie powszechnie, nawet jeśli nie zawsze zajemy sobie z tego sprawę. To właśnie związki allelopatyczne mają wpływ na wielkość plonów roślin uprawnych i ich jakość. Są czynnikiem powodującym słabe plonowanie roślin w uprawie monokulturowej w przypadku następstwa gatunków antagonistycznych. Stosowanie broni chemicznej przez rośliny wyjaśnia również mechanizm współżycia roślin celowo sianych i sadzonych oraz gatunków dzikich, określanych przez rolników i ogrodników jako chwasty.

Szkodliwość chwastów nie ogranicza się, wbrew powierzchownym obserwacjom, do wygrywania wyścigu do wody, światła i składników pokarmowych. Słaby wzrost roślin uprawnych jest przede wszystkim wynikiem specyficznego oddziaływania allelopatycznego chwastów, hamującego ich wzrost i rozwój. Dziko rosnące gatunki, niepożądane w uprawach roślin użytkowych i ozdobnych, nie mają na szczęście monopolu na wytwarzanie i używanie broni chemicznej. Ten sam mechanizm leży u podstaw odchwaszczającego działania niektórych roślin uprawnych.

Jak wykazały badania, inhibicyjne, czyli opóźniające lub hamujące działanie na wzrost i rozwój niektórych chwastów, m.in. gwiazdnicy pospolitej i chabra bławatka, wykazuje żyto, gryka i konopie. Jeśli ktoś karmi zimą ptaki nasionami słonecznika, może się latem zdziwić, dlaczego pod karmnikiem prawie nic nie rośnie. Wszystkie części słonecznika zawierają substancje allelopatyczne, które hamują kiełkowanie i rozwój siewek. Z tego powodu nie trzeba też dbać o odchwaszczanie ogrodowej rabaty ze słonecznikami.

Zaskakujący jest związek między mocnym wzrostem mięty i jej charakterystycznym, intensywnym aromatem. Zbadano mianowicie wpływ olejków eterycznych różnych gatunków mięty na inne rosnące w pobliżu rośliny. Okazało się, że zawarty w olejku eterycznym menton, organiczny związek chemiczny, aktywuje w konkurencyjnych roślinach proces prowadzący do zniszczenia struktur białka. Menton jest szczególnie skuteczny w zwalczaniu szczawiu, a także powoju polnego.

Broń chemiczna roślin jest w użyciu również w uprawach leśnych. Badania wykazały, że w częściach podziemnych i nadziemnych niektórych pospolitych roślin zielnych znajdują się związki chemiczne, wykazujące allelopatyczne działanie na kiełkowanie i rozwój siewek sosny i świerka, ważnych gatunków lasotwórczych. Są to rośliny m.in. z rodzaju trzcinnik, perz, tasznik, mlecz, śmiałek, starzec, jasnota. Leśne trawy powodują wyraźne zakłócenia procesów fizjologicznych u kiełkujących nasion i siewek sosny i świerka, a zwłaszcza procesu wymiany wody. Obecność substancji allelopatycznych stwierdzono też w ściółce i korze różnych drzew iglastych i liściastych – sosna, świerk, modrzew, jodła, buk, grab, dąb, lipa, jesion.

Obserwacje allelopatycznych oddziaływań w naturalnych zespołach leśnych mogą znaleźć praktyczne zastosowanie w komponowaniu zespołów ogrodowych. Stwierdzono na przykład, że klon jawor stosuje broń chemiczną przeciwko brzozie żółtej poprzez związki wydzielane przez korzenie. Z kolei jałowiec skalny wytwarza substancje hamujące kiełkowanie wszystkich gatunków zielnych łącznie z trawami. Skąpo występująca roślinność zielna pod takimi gatunkami jak platan zachodni, dąb biały, dąb czerwony albo wiązowiec zachodni jest również skutkiem działań allelopatycznych.

Wiadomo, że bronią chemiczną posługują się takie rośliny uprawiane w ogrodach, jak:

• mącznica lekarska,
• laurowiśnia wschodnia,
• sumak,
• różanecznik,
• bez,
• forsycja,
• wiechlina łąkowa,
• kostrzewa olbrzymia,
• niektóre paprocie,
• jałowiec,
• klon,
• orzech włoski,
• orzech czarny,
• sosna.

Wiedza, którą trzeba zdobywać na nowo

Wiedza dotycząca wzajemnego oddziaływania roślin z wykorzystaniem wytwarzanych przez siebie związków chemicznych, nabyta drogą wielowiekowej obserwacji, uległa w znacznym stopniu zapomnieniu. W dawnych społeczeństwach przedindustrialnych ludzie wiedzieli doskonale, które rośliny się wzajemnie nie znoszą, a które wywierają na siebie pozytywny wpływ. W przypadku monokultur i powszechnego stosowania herbicydów taka wiedza nie ma większego znaczenia.

Do tej pory tylko nieliczne związki allelopatyczne zostały zbadane. Sprawa nie jest prosta, ponieważ nawet w przypadku znanych substancji ich sposób działania nie jest do końca zrozumiały. Związki chemiczne oddziałują często na pierwotne, podstawowe systemy roślin. To oznacza, że mają bardzo szerokie działanie i mogą dosięgać również wytwarzających je roślin, a nawet zwierząt i ludzi. Gatunki wytwarzające substancje allelopatyczne muszą z tego powodu często rozwijać mechanizmy obronne przeciwko własnej broni chemicznej, co wymaga znacznego nakładu energii. Na przykład kukurydza i ryż wytwarzają substancje hamujące wzrost, przed którymi same muszą się bronić. W przypadku kukurydzy istnieją odmiany, które nie wytwarzają substancji toksycznych i nie muszą inwestować w mechanizmy obronne. Są jednak w znacznie większym stopniu podatne na szkodniki i choroby grzybowe. 

Badano również, co dzieje się ze wspomnianymi związkami chemicznymi, kiedy trafią już do gleby. Okazało się, że istotną rolę odgrywają tutaj grzyby i bakterie, ponieważ wiele z tych substancji musi ulec najpierw przetworzeniu, zanim zostaną aktywowane. Nie wykluczone, że mikroorganizmy stanowią nawet określony czynnik składowy allelopatii. Na przykład kukurydza wytwarza substancje wyjściowe, które są tylko nieznacznie toksyczne. W glebie zachodzą przynajmniej trzy etapy konwersji, w wyniku których powstaje stabilny i silnie hamujący wzrost środek. W ziemi kompletny ekosystem tworzą setki gatunków mikroorganizmów, podczas gdy w laboratorium można testować tylko ograniczoną ich liczbę.

Także ryż poddano badaniom laboratoryjnym pod kątem allelopatii i tutaj również poznano substancję czynną, ale nie mechanizm jej działania. Okazuje się, że ryż syntetyzuje toksyczne substancje tylko wtedy, gdy w pobliżu znajdują się obcy gatunkowo sąsiedzi. Jak roślina to rozpoznaje, pozostaje tajemnicą. Znalezienia rozwiązania wymaga też sprawa orzecha włoskiego. Związek chemiczny został w zasadzie poznany, ale w czystej formie nie wykazuje działania, jakiego można by oczekiwać. Nie wiadomo wciąż, co dzieje się z tą substancją w glebie.