Ekologia biochemiczna

Pomiar lotnych substancji chemicznych – (E)-2-heksenal i (E)-2-oktenal – uwalnianych przez pluskwy w czasie godów

Ekologia biochemiczna, ekologia chemiczna[a]dziedzina nauki leżąca na pograniczu biologii i chemii, dział ekologii obejmujący chemiczne oddziaływania między organizmami należącymi do tego samego lub różnych gatunków oraz oddziaływania organizmów z elementami ich siedliska.

Ekologia biochemiczna zmierza m.in. do poznania związków chemicznych, istotnych z punktu widzenia ekologii gatunków, populacji i biocenoz, oraz reakcji między nimi, zachodzących w ekosystemach o określonej strukturze.

Przedmiot ekologii biochemicznej

Jeden z pionierów ekologii biochemicznej, Jeffrey Harborne[1], wieloletni redaktor naczelny cenionego czasopisma Phytochemistry (zob. fitochemia), napisał we wstępie do wielokrotnie wznawianego podręcznika „Ekologia biochemiczna” (ang. Introduction to Ecological Biochemistry, Academic Press Limited 1993)[2]:

Połączenie dwóch tak odległych dyscyplin naukowych, jak ekologia i biochemia na pierwszy rzut oka może wydawać się dziwnym tworem. Ekologia polega głównie na obserwacji[b] i dotyczy oddziaływań pomiędzy organizmami żywymi w ich naturalnym środowisku, w związku z czym badania przeprowadza się w warunkach polowych. Natomiast biochemia jest nauką eksperymentalną, dotyczy oddziaływań na poziomie molekularnym i jest uprawiana na stole laboratoryjnym. Pomimo to te dwie różne dziedziny w ostatnim okresie skrzyżowały się z zadziwiającym powodzeniem…

J.B. Harborne 1997
(fragment wstępu do rozdz. 1, tłum. Wiesław Oleszek[3])
1
Paul R. Ehrlich – amerykański ekolog w czasie  obserwacji terenowych
2
Laboratorium biochemiczne Uniwersytetu w Kolonii

Przedmiotem badań ekologii biochemicznej stała się przede wszystkim identyfikacja związków chemicznych, które przenoszą informacje między organizmami (głównie metabolity wtórne, w pierwszej kolejności metabolity komórek roślinnych, zob. fitochemia) oraz badania ich syntezy w organizmach żywych i funkcji w ekosystemach (zob. np. substancje semiochemiczne)[4]. Przykładami takich funkcji są: obrona przed roślinożercami i patogenami, wabienie zapylaczy zapachem lub barwą i inne. Analogicznie działające metabolity są wytwarzane w komórkach zwierzęcych (np. feromony, kairomony, odstraszające tiole wydzieliny skunksa)[5].

Elementy historii ekologii biochemicznej

Sok mleczny wyciekający z nacięć makówki, zawierający alkaloidy, m.in. morfinę
Okładka książki E. Poultona, Colours of Animals (1890)
Swynnertonia swynnertoni[6], noszący imię Charlesa Swynnertona (1877–1938)

Za kamień milowy drogi do poznania „chemii życia” uważa się zidentyfikowanie morfiny – składnika opium. Czystą krystaliczną substancję wyizolował w latach 1805–1806 Friedrich Wilhelm Sertürner (1783–1841). Po kilku kolejnych latach morfina była już powszechnie stosowana jako lek przeciwbólowy, a wkrótce zidentyfikowano i wyodrębniono inne alkaloidy mleczka makowego i innych roślin (np. kodeina, papaweryna, narkotyna, chinina, strychnina, kofeina), zbadano ich działanie na ośrodkowy układ nerwowy człowieka i zaczęto powszechnie stosować np. w lecznictwie (np. leki o działaniu depresyjnym)[7][8].

Miriam Rothschild (1908–2005, FRS, DBE), autorka ponad 350 prac naukowych z dziedziny entomologii[9] (m.in. prezentujących wyniki pionierskich badań owadów aposematycznych[10]), wymieniała również innych chemików i przyrodników, którzy od początku XIX w. wnosili istotny wkład w narodziny i rozwój ekologii biochemicznej. Znaleźli się wśród nich[11]:

  • Fritz Müller (1821–1897)[12][13] – niemiecki zoolog, jeden z pierwszych darwinistów (zob. mimikra müllerowska),
  • Alfred Russel Wallace (1823–1913) – autor Contributions to the Theory of Natural Selection (1871), Tropical Nature and other Essays (1878) i wielu innych[14] (zob. też linia Wallace'a),
  • Charles Swynnerton (1877–1938) – urodzony w Anglii kolekcjoner fauny afrykańskiej, obserwator interakcji międzygatunkowych (drapieżnictwo) między motylami (m.in. Danaus plexippus) i ptakami – dudkami i dzioborożcami, w których istotną rolę odgrywały substancje zapachowe, smakowe i toksyny[15][16],
  • Edward Poulton (1856–1943) – brytyjski biolog ewolucyjny, który zachęcił Swynnertona do jego badań i wnikliwie analizował ich wyniki na tle wcześniej publikowanych obserwacji i teorii[17][18], których autorami byli m.in.[16]: Fritz Müller[12][13], Erich Haase (1859–1894)[19], R. Meldola (1849–1915)[20] i P.L. Slater[21],
  • Tadeus Reichstein (1897–1996) – szwajcarski biochemik polskiego pochodzenia, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny za prace dotyczące chemicznej struktury i biologicznego działania hormonów kory nadnerczy[22], a równocześnie wybitny botanik (specjalność: chemia roślin Asclepias i Aristolochia; Pteridophytes, Spermatophytes, Phanerogams[23]), który zainicjował badania motyli Danaus i Papilio, żerujących na roślinach toksycznych; zidentyfikował również glikozydy nasercowe, zarówno w D. plexippus, jak i w roślinach, co było inspiracją dla kolejnych badaczy[24],
  • Frederick Urquhart (Frederick Albert, „Fred”, 1911–2002) – kanadyjski entomolog, m.in. badacz pigmentacji motyli Danaus plexippus (L.)[25], popularyzator wiedzy ekologicznej, organizator zakrojonych na dużą skalę działań, zmierzających do poznania i ochrony siedlisk motyli oraz innych przedstawicieli kanadyjskiej fauny[24][26][27],
  • Gottfried Fraenkel, który wykazał, że metabolity wtórne roślin decydują o żywieniowych zachowaniach owadów, pełniąc funkcje ochronne (The raison d'être of secondary plant substances, Science 1959[28]), oraz Paul R. Ehrlich (ur. 1932) i Peter H. Raven (ur. 1936), naukowcy zafascynowani problemami koewolucji kwiatów i owadów, m.in. autorzy pracy nt. Butterflies and plants: a study in coevolution[29] (Evolution 1964)[30]
  • Jane van Zandt Brower – która wykazała istnienie mimikry w warunkach laboratoryjnych, a następnie (wraz z mężem, Lincolnem Browerem) przeprowadzała terenowe obserwacje zachowania drapieżników wobec modeli motyli, zawierających toksyny roślinne[24], autorka pracy Experimental studies of mimicry in some North American butterflies (1958)[31],
  • Tony Swain (1922–1987)[32] i Jeffrey Harborne (1928–2002)[1] – autorzy licznych publikacji z dziedziny ekologii biochemicznej[c], w tym książek[34][35], bliscy współpracownicy, m.in. współorganizatorzy konferencji International Society of Chemical Ecology[36].

Stowarzyszenie organizuje konferencje corocznie[37]. Ich tematyka jest cyklicznie powtarzana (np. od roku 1976 co trzy lata odbywają się konferencje z serii Chemical Signals in Vertebrates, CSiV)[38]. W marcu 2014 roku ukazał się jubileuszowy numer oficjalnego organu International Society of Chemical Ecology (ISCE) i Asia-Pacific Association of Chemical Ecologists (APACE) – czasopisma Journal of Chemical Ecology – poświęcony 40-leciu jego istnienia, zawierający artykuły[39]:

  • Preface (redaktor naczelny: J. Romeo)
  • The Importance of Volatile Organic Compounds in Ecosystem Functioning (J.H. Tumlinson)
  • Stereochemical Aspects of Pheromonal Communications: Diversity is the Key Word (K. Mori)
  • Pheromone Research—Still Something to Write Home About (J. Ruther)
  • Challenges and Opportunities in Marine Chemical Ecology (M.E. Hay)
  • There’s Something in the Water: Opportunities in Marine Chemical Ecology (J. Kubanek)
  • Plant Chemical Ecology Finally Gets to its Root(s) (N.M. van Dam)
  • Where Might We Go From Here? (J. Meinwald)
  • From Applied Entomology to Evolutionary Ecology and Back (T.C.J. Turlings)
  • New Synthesis: Parallels Between Biodiversity and Chemodiversity (M. Hilker)

Treści programowe kursów akademickich (przykład)

Program przedmiotu Ekologia biochemiczna, wykładanego na Uniwersytecie Gdańskim, obejmuje takie zagadnienia, jak[40]:

  • adaptacja roślin do warunków klimatycznych i glebowych (podstawy biochemiczne)
  • mechanizmy detoksykacji fungicydów, herbicydów i związków fenolowych
  • zapylanie roślin (podstawy biochemiczne)
  • toksyny roślinne (wpływ na zwierzęta)
  • oddziaływania hormonalne rośliny–zwierzęta
  • hormony linienia i juwenilne owadów
  • preferencje żywieniowe owadów i kręgowców (podstawy biochemiczne)
  • feromony i substancje obronne zwierząt
  • bioinsektycydy
  • oddziaływanie allelochemiczne rośliny–owady
  • oddziaływania między roślinami (podstawy biochemiczne)
  • biochemia odporności roślin na choroby
  • fitotoksyny

Uwagi

  1. Za synonim tych pojęć bywa uznawane określenie „ekologia fitochemiczna”, mimo że jest węższe – dotyczy zbiorowisk roślinnych.
  2. Zobacz też: cele i efekty eksperymentów, eksperyment w warunkach naturalnych, laboratorium.
  3. J.B. Harborne uważał, że „ekologia biochemiczna”, jako nauka o biochemicznej koewolucji zwierząt i roślin oraz roli substancji semiochemicznych w kształtowaniu struktury współczesnych ekosystemów, narodziła się dopiero w połowie XX w., ponieważ do tego czasu metabolity wtórne były uważane za „produkt odpadowy” przemiany materii. Za przełomowe uznał prace Gottfrieda Fraenkla (The raison d'être of secondary plant substances, 1959[28]) oraz Paula R. Ehrlicha i Petera H. Ravena (Butterflies and plants: a study in coevolution, 1964[29])[33].

Zobacz też

Przypisy

  1. a b John N. Prebble: Jeffrey Barry Harborne. 1 September 1928 — 21 July 2002 (ang.). W: Strona internetowa Royal Society, streszczenie biografii [on-line]. royalsocietypublishing.org. [dostęp 2014-06-05].
  2. Harborne 1997 ↓, s. 17.
  3. Prof. Wiesław Aleksander Oleszek, [w:] baza „Ludzie nauki” portalu Nauka Polska (OPI) [online] [dostęp 2014-06-07].
  4. Shane Que Hee: Ecological Biochemistry (ang.). W: Encyclopedia of Life Science [on-line]. John Wiley & Sons, Ltd., 2001. [dostęp 2014-06-06].
  5. Harborne 1997 ↓, s. 19, 154–156.
  6. Swynnerton's Robin (Swynnertonia swynnertoni) (ang.). W: Internet Bird Collection (IBC) [on-line]. ibc.lynxeds.com. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-03-21)].
  7. Friedrich Sertürner (1783–1841) (ang.). W: Science Museum's ; History of Medicine website [on-line]. www.sciencemuseum.org.uk. [dostęp 2014-06-06]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-06-06)].
  8. Rudolf Schmitz. Friedrich Wilhelm Sertürner and the Discovery of Morphine. „Pharmacy in History”. 27 (2), s. 61–74, 1985. American Institute of the History of Pharmacy (ang.). 
  9. The Hon. Dame Miriam Rothschild FRS > Bibliography (ang.). W: Portal 'Miriam Rothschild & John Foster Human Rights Trust' [on-line]. www.rothschildfostertrust.com. [dostęp 2014-06-06].
  10. Harborne 1997 ↓, s. 16.
  11. Harborne 1997 ↓, s. 12-14.
  12. a b James Mallet: Fritz Müller Review of Müller's biography (ang.). W: Quarterly Review of Biology 79:196 (2004); Jim Mallet's home page [on-line]. University College London. [dostęp 2014-06-07].
  13. a b Mimicry & Warning Colour (ang.). W: Jim Mallet's home page > Müllerian mimicry [on-line]. University College London. [dostęp 2014-06-07].
  14. Alfred Russel Wallace (ang.). W: Notable Names Database (NNDB) [on-line]. [dostęp 2014-06-07].
  15. Marshall, G.. Obituary : Mr. C. F. M. Swynnerton, C.M.G.. „Nature”. 142, s. 198–199, 1938. DOI: 10.1038/142198a0 (ang.). 
  16. a b Harborne 1997 ↓, s. 12.
  17. Edward Bagnall Poulton (abstract) (ang.). W: Wiley Online Library [on-line]. onlinelibrary.wiley.com. [dostęp 2014-06-07].
  18. G. D. H. Carpenter: Poulton, Sir Edward Bagnall (1856–1943) (ang.). W: Oxford Dictionary of National Biography, doi:10.1093/ref:odnb/35586 [on-line]. Oxford University Press, 2004. [dostęp 2017-03-21].;faculty.kirkwood.edu
  19. Haase Erich (19.01.1857 Koszalin – 24.04.1894 Bangkok) (pol.). W: Mały słownik przyrodników śląskich [on-line]. przyrodnicy_slascy.republika.pl. [dostęp 2014-06-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-07-14)].
  20. Gay H. (Imperial College London). Chemist, entomologist, Darwinian, and man of affairs: Raphael Meldola and the making of a scientific career. „Ann Sci.”. 67 (1), s. 79–119, styczeń 2010. DOI: 10.1080/00033790903472980. PMID: 20503778 (ang.). 
  21. red, Gerald A. Rosenthal, May R. Berenbaum: Herbivores: Their Interactions with Secondary Plant Metabolites. Academic Press, 1991, s. 255.
  22. Tadeus Reichstein – Facts (ang.). W: The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1950 > Edward C. Kendall, Tadeus Reichstein, Philip S. Hench [on-line]. Nobel Media AB. [dostęp 2014-06-07].; Biographical.; Chemistry of the Adrenal Cortex Hormones. W: Nobel Lecture [on-line]. 11 grudnia 1950.
  23. Reichstein, Tadeus (ang.). W: Strona internetowa Harvard University Herbaria & Libraries > Index of Botanists [on-line]. [dostęp 2014-06-08].
  24. a b c Harborne 1997 ↓, s. 13.
  25. F.A. Urquhart (Department of Zoology and Scarborough College, University of Toronto). The Effect of Micro-Cauterizing the ALPPM1 ("Gold Spot" of Authors) of The Pupa of the Monarch Butterfly, Danaus P. Plexippus (Lepidoptera: Danaidae). „The Canadian Entomologist”. 104 (7), s. 991–993, lipiec 1972. DOI: 10.4039/Ent104991-7. 
  26. Order of Canada > Frederick Albert Urquhart, C.M., Ph.D. (ang.). W: Strona internetowa 'The Governor General of Canada' [on-line]. www.gg.ca. [dostęp 2014-06-08].
  27. F.A. Urquhart (red.): Changes in the fauna of Ontario (ang.). W: Book, Illustrated [on-line]. University of Toronto Press, 1957. [dostęp 2014-06-08].
  28. a b G. Fraenkel. The raison d'être of secondary plant substances. „Science, NY”, s. 1466–1479, 1959 (ang.). 
  29. a b P.R. Ehrlich, P.H. Raven. Butterflies and plants: a study in coevolution. „Evolution”, s. 586–608, 1964 (ang.). 
  30. Harborne 1997 ↓, s. 55-57, 74-82.
  31. Brower, J. Vz.. Experimental studies of mimicry in some North American butterflies. „Evolution”. 35, s. 32–47, 1958 (ang.). 
  32. Phytochemistry, biochemical systematics and ecology : In tribute to professor Tony Swain, 1922–1987. „Phytochemistry”. 27 (78), s. vii–viii, 1988. Elsevier Ltd.. DOI: 10.1016/0031-9422(88)87002-X (ang.). 
  33. Harborne 1997 ↓, s. 55–57, 74–82.
  34. Books by Tony Swain (ang.). www.goodreads.com. [dostęp 2014-06-08].
  35. Books by Teffrey B. Harborne (ang.). www.goodreads.com. [dostęp 2014-06-08].
  36. Tony Swain, Jeffrey B. Harborne, Chris F. van Sumere (red.): Biochemistry of plant phenolics (ang.). W: Proceedings of the first joint symposium of the Phytochemical Society of Europe and the Phytochemical Society of North America, held at the Rijksuniversiteit, Ghent, Belgium [on-line]. New York : Plenum Press, c1979. [dostęp 2014-06-08].
  37. International Society of Chemical Ecology (ang.). W: Strona internetowa ISCE [on-line]. www.chemecol.org. [dostęp 2014-06-08].
  38. CSiV History (ang.). W: Strona internetowa Western Kentucky University [on-line]. www.wku.edu. [dostęp 2014-06-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-07-14)].
  39. Redaktor naczelny: John Romeo, Department of Cell, Micro, Molecular Biology, University of South Florida. Celebrating 40 Years. „Journal of Chemical Ecology Journal of Chemical Ecology”. 40 (3 / March 2014), marzec 2014. ISSN 0098-0331 (ang.). 
  40. dr Beata Szafranek; dr Marek Gołębiowski (Zakład Analizy Środowiska)): Ekologia biochemiczna (pol.). W: Karta kursu, prowadzonego na Wydziale Biologii i Wydziale Chemii UGj [on-line]. ug.edu.pl. [dostęp 2014-06-05].

Bibliografia

Media użyte na tej stronie

Lab bench.jpg
Autor: Magnus Manske, Licencja: CC BY 1.0
Laboratory, Institute of Biochemistry, University of Cologne.
Paul R Ehrlich.png
Autor: Paul R. Ehrlich, Licencja: CC BY 2.5
Paul Ralph Ehrlich is an American biologist, educator and the president of Stanford's Center for Conservation Biology. He is also a prominent ecologist and demographer.
ErithacusSwynnertoniKeulemans.jpg
Erithacus swynnertoni = Swynnertonia swynnertoni
Papaver somniferum 2021 G3.jpg
Autor: George Chernilevsky, Licencja: CC BY-SA 4.0
Opium poppy (Papaver somniferum), unripe fruits (capsules seed). Fruit exuding white latex from a scratches.
Monarch In May.jpg
(c) Kenneth Dwain Harrelson, CC BY-SA 3.0
Photograph of a Monarch Butterfly
The Colours of Animals by Edward Bagnall Poulton 1890 title page.jpg
Title page of first edition of The Colours of Animals, their meaning and use, especially considered in the case of insects by Edward Bagnall Poulton, MA, FRS, etc, published by Kegan Paul, Trench, Trübner, & Co, 1890
Real-Time-Measurement-of-Volatile-Chemicals-Released-by-Bed-Bugs-during-Mating-Activities-pone.0050981.s003.ogv
Autor: Kilpinen O, Liu D, Adamsen A, Licencja: CC BY 2.5
Sequence combining video recording of copulation attempts and the estimated concentrations of (E)-2-hexenal and (E)-2-octenal measured by PTR-MS. A male bed bug first attempts to copulate a female bed bug. The copulation attempt is given up without emission of chemicals as another male approach the couple. The first male rapidly mounts the second male. Red arrow indicates estimated time of emission of defensive chemicals where after the copulation attempts is given up. The concentrations of (E)-2-hexenal and (E)-2-octenal have been estimated by interpolating between measurements (5.5 seconds interval).