Biologiczne zegary

Biologiczne zegary
Wymyślone przez człowieka w początkach różnych kultur cywilizacyjnych sposoby odmierzania czasu oparte były na rejestrowaniu zmian w położeniu słońca w ciągu dnia względem stałego punktu odniesienia.
Umożliwiało to mało precyzyjne odliczanie upływu czasu.
Dla dociekliwych- pierwsze konstrukcje zegarów słonecznych pojawiły się około trzech tysięcy lat temu.

Posuwając się dalej, rejestrując godziny wschodu i zachodu słońca oraz księżyca opracowano proste kalendarze miesięcy i pór roku.
W rzeczywistości na tym etapie swojego rozwoju człowiek nie wynalazł zegara, kalendarza, lecz jedynie na podstawie obserwacji uporządkował naturalne zmiany w położeniu słońca i księżyca opracowując system orientacji w czasie.
Pierwsze wyższe formy życia na ziemi, jakimi były rośliny wykształciły o wiele doskonalsze sposoby pomiaru długości dnia oraz określania pór roku wykorzystując zmiany w położeniu słońca oraz rejestrując zmiany temperatury w ich otoczeniu.
Rośliny doskonale orientują się w czasie, potrafią rejestrować i zapisywać w swojej biochemicznej pamięci długości dnia z dokładnością minut a co najważniejsze, rozróżniają kiedy dzień się skraca zmierzając do najkrótszego a kiedy wydłuża co w połączeniu z systemami pomiaru temperatury tworzy bardzo skomplikowany i precyzyjny zegar biologiczny.

W jaki sposób rośliny odmierzają czas, w jakim celu i co to ma wspólnego z akwarystyką?.

Zanim odpowiem na te pytania proponuję zastanowić się, dlaczego drzewa gubią liście jesienią i wtedy większość z nich zrzuca nasiona, które kiełkują dopiero na wiosnę, dlaczego jedne rośliny zakwitają wiosną, inne latem a jeszcze inne przed zimą?
Takich przykładów można by przytoczyć bardzo wiele i opowiedzieć krótko „przecież to normalne”.
No właśnie! W przyrodzie nic nie jest dziełem przypadku a każdy gatunek rośliny ma swój własny rytm biologiczny okresu wzrostu, odpoczynku lub uśpienia i rozmnażania się uzależniony od strefy klimatycznej, w jakiej występuje. Naturalne rytmy biologiczne oraz indywidualne cechy przypisane danym gatunkom rośliny przekazują następnemu pokoleniu w postaci kodu genetycznego i dlatego też występowanie określonych gatunków roślin ogranicza się do danych stref klimatycznych na ziemi.
Znajomość podstaw działania „roślinnych zegarów” i dysponując podręcznikowymi informacjami o temperaturze wody dla danej rośliny oraz obserwując zachowanie się roślin w różnych warunkach oświetlenia i temperatury pozwoli na uniknięcie błędów w pielęgnacji podwodnego ogrodu, właściwe dobranie gatunków, które można uprawiać w jednym zbiorniku a co najważniejsze pozwoli podjąć próby rozmnażania tak zwanych roślin trudnych i coraz rzadziej spotykanych w naturalnym środowisku.

Jak działa biologiczny zegar?
Występujące w roślinach barwniki tzw. fitochromy (patrz rozdział: kolorystyka roślin) są zbudowane ze skomplikowanych białek, które sterują procesami uaktywniania lub hamowania określonych enzymów w roślinach, co pociąga za sobą dalsze zmiany w produkcji określonych hormonów oraz związków zaliczanych do regulatorów i inhibitorów wzrostu.
Rola tych barwników w roślinach ma, więc fundamentalne znaczenie w całym ich życiu rozpoczynając od procesów kiełkowania i kończąc na naturalnej śmierci.
Fitochrom występujący w roślinach w dwóch postaciach pod wpływem światła przechodzi z jednej formy w drugą przy czym procesy te odbywają się w dwóch kierunkach i są niezależne od procesów fotosyntezy przebiegającej w chlorofilach.
Fitochrom nazywany P 730 pochłania światło ciemno-czerwone o długości fali około 730 nanometrów i przekształca się przy naświetlaniu w formę fitochromu nazywanego P 660
Z kolei P 660 w ciemności powoli ulega przemianie na powrót w formę P 730 przy czym ilość przekształconego P 660 na P 730 uzależniona jest od długości okresu ciemności. Fitochrom P 660 pochłania światło jasno-czerwone i pod jego wpływem przechodzi w formę P 730 przy czym P 730 nie ulega przemianie w P 660 w ciągu nocy. Odkładanie się w roślinach obu form fitochromu w określonych ilościach wyzwala lub hamuje dalsze przemiany na poziomie enzymatycznym i steruje procesami takimi jak: zakwitanie, tworzenie bulw korzeniowych, wydawanie nasion, przechodzenie do okresu spoczynku roślin lub ich wybudzanie; te ostanie zależne jest również od temperatur i pH wody.
Poznanie w uproszczeniu mechanizmu działania takiego roślinnego zegara daje już odpowiedź na pytanie „co to ma wspólnego z akwarystyką?”.
Większość gatunków roślin rozmnaża się o określonej porze roku i w ściśle określonych warunkach oraz podlega naturalnym cyklom okresu wzrostu, kwitnienia, wydawania nasion i spoczynku.
Przykładem może być rodzina roślin tak zwanych trudnych w uprawie, jakimi są „aponogetony” choć to jedne z najpiękniejszych, typowo submersyjnych i trwałych roślin wodnych.
Większość gatunków aponogetonów występuje w strefach klimatycznych, w których w ciągu roku dość znacznie zmienia się temperatura wody, odczyn pH, ilość soli mineralnych oraz w mniejszym przedziale długość dnia. W przypadku tej rodziny roślin podręcznikowe warunki uprawy a zwłaszcza rozkład temperatur w okresie letnim i zimowym (należy pamiętać, że pora letnia na półkuli południowej nie pokrywa się z latem w europie-patrz strefy klimatyczne) są kluczem do sukcesu w ich uprawie.
Bardzo ciekawym obiektem obserwacji i przykładem działania biologicznego zegara może być pływająca pistia , która potrafi odliczać czas z dokładnością minuty!
Dobrze rozwiniętą, dużą i silną pistie, po stopniowym zwiększaniu długości dnia w lecie do około 14 godzin na dobę przez kilka dni przyzwyczajamy do bardzo dokładnego i stałego załączania światła przykładowo o 800 rano i gaszenia o 2200 wieczorem.
Obserwując roślinę można zauważyć, że dokładnie w chwili wyłączania oświetlenia roślina zamyka wszystkie młodsze liście do środka pozostawiając tylko 5-6 starszych otwarte utrzymujące ją pionowo na wodzie. Następnego dnia pomimo wydłużenia czasu oświetlenia obiekt obserwacji dokładnie o godzinie 2200 zamyka liście tak jak poprzedniego dnia. Natomiast kolejnego dnia jeżeli wyłączymy oświetlenie o godzinie 2159 to jeszcze przez minutę liście pistii pozostaną otwarte.
Innym obiektem obserwacji mogą być rośliny grzybieniowate, zwłaszcza barklaje i lotosy tygrysie umieszczone w akwarium w pobliżu okna o wschodniej wystawie.
W takim zbiorniku sztuczne oświetlenie należy włączać dopiero w godzinach popołudniowych i wygaszać około godziny 2000 a dobowy okres naświetlania wyznacza wschód słońca. Obserwacje takiego pół naturalnego systemu oświetlenia najlepiej rozpocząć pod koniec kwietnia kiedy poranne słońce dość silnie już świeci i jest coraz więcej dni słonecznych. W tym czasie należy rośliny przygotować do zwiększonej aktywności podnosząc stopniowo temperaturę wody do 26,5-27oC.
Przy oświetleniu słonecznym od około godziny 530 rano liście otwierają się, a zamykają około 1930 wieczorem, czyli po około czternastu godzinach.
Dalsze oświetlanie akwarium na tym etapie rozwoju roślin jest całkowicie nieuzasadnione i szkodliwe dla roślin.
Poprzez składanie liści rośliny same informują o ustaniu fotosyntezy i chronią się przed dalszym oświetlaniem.
W miesiącu czerwcu przy jeszcze wcześniejszym i silniejszym wschodzie słońca oraz przy jednoczesnym dalszym wzroście temperatury wody ta rodzina roślin wydłuża czas fotosyntezy do 16 godzin na dobę.

Zakwitanie lotosów i barklaji.
Lotosy tygrysie zakwitają zwykle w sierpniu w momencie skracania się dnia, punktem krytycznym jest zmniejszenie czasu oświetlenia poniżej 14 godzin. Natomiast barklaje zakwitają przy wydłużaniu się dnia a punkt krytyczny to oświetlenie powyżej 12,5 godziny na dobę.

Znaczenie okresu oświetlenia i ciemności.
Czas oświetlenia roślin ma podstawowe i dość oczywiste znaczenie dla ich rozwoju, temat ten wielokrotnie będzie się powtarzał w pozostałych rozdziałach natomiast znaczenie okresu ciemności w życiu roślin jest nieco bardziej skomplikowane i wymaga uzupełnienia dodatkowymi informacjami.
Aby łatwiej zrozumieć procesy zachodzące w przemianach fitochromu i ich znaczenie proponuję przeprowadzić proste doświadczenie.
Wybraną roślinę, najlepiej szybko rosnącą o intensywnej fotosyntezie a taką może być na przykład paprotnica, po normalnym wygaszeniu światła wieczorem, o dowolnej porze nocy spróbujmy oświetlić przez kilkadziesiąt sekund silnym światłem. Już po kilku sekundach będzie można zauważyć, że z rośliny wydzielają się pęcherzyki tlenu świadczące o wznowieniu procesu fotosyntezy i przerwaniu okresu odpoczynku rośliny.
W praktyce oznacza to zakłócenie w procesach przekształcania się fitochromu P 660 na P 730 zachodzącego w okresie ciemności i prowadzi do zaburzeń w produkcji określonych enzymów i regulatorów wzrostu odpowiedzialnych za kwitnienie roślin oraz przemian cukrów na skrobię.
W przypadku wybranej paprotnicy nie ma to większego znaczenia, ponieważ w sprzyjających warunkach roślina ta rozwija się niczym chwast w ogrodzie, ale w przypadku barklaji, lotosów a w szczególności onowodków takie przerwanie nocy ma kolosalne znaczenie.
Dla roślin wrażliwych na długość dnia a właściwie należy mówić tutaj o wrażliwości na długość okresu ciemności – przemiany fitochromu – nawet bardzo krótkie sekundowe błyski światła o słabym natężeniu w ciągu nocy przerywają okres odpoczynku roślin prowadząc do wyżej opisanych zaburzeń i uniemożliwiają ich normalne procesy życiowe.
Takie przerywanie okresu ciemności może być spowodowane światłem emitowanym przez włączony telewizor lub jakąś nocną lampę.
Jeżeli już ktoś zdecydował się na uprawę i próbę utrzymania przy życiu oraz choćby podjęcie próby rozmnożenia takich roślin jak aponogetony a w szczególności kontrowersyjnego aponogetona madagaskarskiego musi uświadomić sobie, że dla tych roślin obowiązuje „cisza nocna”
Zagadnienia związane z uprawą aponogetonów poruszone są w kilku rozdziałach, których nie sposób rozdzielić, natomiast zrozumienie rozdziału poświęconego tym roślinom wymaga przeanalizowania całości poruszonych tematów.