Zapachy głębin

Wody Południowego Oceanu Lodowatego opływają kontynent antarktyczny zgodnie z ruchem wskazówek zegara, tworząc tzw. Dryf Wiatrów Zachodnich. Jedynie tuż przy samym brzegu kontynentu prąd ma kierunek przeciwny. Gdy patrzy się na powierzchnię stalowoszarej wody pokrytą pakiem i gruzem lodowym, wydaje się, że nie ma pod nią żadnego życia. Na to wskazywałyby też panujące tam warunki: wyjątkowo niska temperatura (-1,8°C) i wysokie zasolenie (34,6‰), trzy razy większe niż w Bałtyku.

Zimą, gdy morze zamarza, warstwa wody tuż pod pokrywą lodową staje się jeszcze bardziej słona w wyniku wymrażania z niej słodkiej wody. Na dodatek pod lód dociera wtedy bardzo mało światła i tlenu. Kolejne zagrożenie stanowią góry lodowe, które ocierając się o dno, mogą skutecznie niszczyć wszystkie zasiedlające je organizmy nawet do głębokości 30-40 m.

Pomimo tych niekorzystnych warunków życie podmorskie w Antarktyce jest bardzo bogate i kolorowe, a spotykane gatunki niezwykle ciekawe - wiele z nich to endemity. Wystarczy zanurzyć się zaledwie kilkanaście metrów pod powierzchnię wody i już widać miejsca kipiące życiem, które niekiedy przypominają kolorową, tropikalną rafę. Pod względem liczby gatunków prym wiodą wieloszczety, mięczaki oraz skorupiaki. Ich rozwojowi sprzyja wysoka zawartość tlenu i okresowo duża zawartość składników odżywczych.

Pomiędzy listopadem a marcem, czyli w czasie antarktycznego lata, produktywność tego ekosystemu można porównać z produktywnością lasów tropikalnych. Mikroskopijny fitoplankton jest w stanie wyprodukować tyle tlenu, ile amazońska dżungla.

Ale jak radzą sobie żyjące tam zwierzęta? Jak odbierają informacje z otoczenia, odnajdują pokarm, partnera, schronienie? Jak wykrywają zagrożenie?

Życie wszystkich zwierząt zależy od stałego dopływu informacji z otaczającego świata. Wyspecjalizowane receptory odbierają i przetwarzają różnego typu bodźce - mechaniczne, chemiczne, magnetyczne oraz świetlne - na impulsy nerwowe, które po ocenie istotności przez układ nerwowy trafiają w formie poleceń do odpowiednich efektorów: mięśni, gruczołów i chromatoforów. Rezultatem tego przepływu informacji jest reakcja zwierzęcia adekwatna do rodzaju bodźca i jego siły.

Ponieważ w arktycznych głębinach jest ciemno i zimno, najważniejszym sposobem zdobywania informacji o otoczeniu staje się chemorecepcja - prawdopodobnie najstarszy ewolucyjnie, a zarazem najbardziej rozpowszechniony sposób komunikowania się zwierząt ze środowiskiem. Badania nad nią zaczęły się od przypadkowego odkrycia austriackiego biologa Karla von Frischa, który w 1938 roku zaobserwował specyficzne działanie pewnej substancji uwalnianej z ciała zranionej strzebli potokowej Phoxinus phoxinus. Substancja ta ostrzegała inne ryby tego samego gatunku przed drapieżnikiem.

U zwierząt wodnych chemorecepcja oznacza bezpośredni kontakt z bodźcem, czyli związkami chemicznymi rozpuszczonymi w wodzie. Receptory tych zwierząt są wyjątkowo wrażliwe - reagują na bardzo niskie stężenia substancji. Na dodatek muszą odróżniać właściwe sygnały od tła środowiskowego, czyli sumy wszystkich związków chemicznych rozpuszczonych w wodzie. Na przykład węgorze Aquila aquila mogą wyczuć niektóre związki chemiczne już w stężeniu 10-18 M, a więc w liczbie zaledwie kilku molekuł na litr wody. Organizmy wodne potrafią lokalizować źródło związku z odległości nawet kilkuset metrów. Prawdopodobnie recepcja sygnałów chemicznych idzie w parze z reotaksją, czyli reakcją na kierunkowe ruchy wody, które wzmacniają odbiór sygnału. Choć np. rozgwiazdy Asterias forbesi potrafią odnajdować źródło pokarmu również w wodzie stojącej, porównując stężenia chemoatraktantów na końcach każdego z ramion.

Zwierzęta wodne wyczuwają większość rozpuszczonych w wodzie substancji chemicznych. Przypuszczalnie reagują głównie na związki będące składnikami ich naturalnego pokarmu. Dotychczas najwięcej badań związanych z rozpoznawaniem substancji chemicznych pochodzących z pokarmu przeprowadzono z oczywistych względów na dużych skorupiakach morskich mających znaczenie przemysłowe (homarach, krabach, rakach) i na rybach. Pierwsze obserwacje takich reakcji poczyniono pod koniec XIX wieku - rozgwiazdy wabiono mięsem kraba. Później podobne reakcje rozpoznano też u przedstawicieli innych grup zwierząt wodnych, zarówno morskich, jak i słodkowodnych: u krabów, skorupiaków, jeżowców. Reakcją na chemoatraktanty może być zmiana poziomu metabolizmu, zmiana zachowania i przemieszczanie się zwierząt, co z kolei wpływa na optymalizację żerowania.

Do substancji wabiących należą aminokwasy, podstawowy budulec wszystkich białek, np. kwas L-glutaminowy, kwas asparaginowy, glicyna, alanina, prolina, arginina oraz cysteina. Na kwas L-glutaminowy reaguje wiele zwierząt wodnych. Jego udział w białkach tkanek ryb z rejonu Antarktyki dochodzi do 15 proc. W wodzie morskiej występuje w stężeniu rzędu 10-8-10-7M. Podobnie jak inne aminokwasy jest wydzielany do wody przez żyjące zwierzęta i uwalniany z rozkładającej się materii organicznej. Poza tym, że buduje tkanki, pełni również istotne funkcje w procesie przekazywaniu informacji w centralnym układzie nerwowym (należy do aminokwasów pobudzających).

Kwas ten (o stężeniu 10 mM) w znaczącym stopniu (nawet trzykrotnie) podnosi tempo metabolizmu głodzonych osobników wielu gatunków antarktycznych zwierząt bentosowych: skorupiaków, rozgwiazd, ryb. Podejrzewa się, że może być uniwersalnym sygnałem pokarmowym dla zwierząt z różnych grup systematycznych. Stwierdzono, że działa wyłącznie jako sygnał chemiczny, a zmiany zachowania zwierząt nie są wynikiem jego przyswajania jako substratu pokarmowego.

Także arginina, leucyna i seryna mogą być sygnałami pokarmowymi dla wielu gatunków bezkręgowców antarktycznych. Okazało się jednak, że różne gatunki zwierząt odmiennie reagują na poszczególne związki chemiczne. Na przykład skorupiaki Serolis polita i Waldeckia obesa nie reagują na alaninę, która wabi rozgwiazdy Odontaster validus i krewetki Acetes sibogae australis. A. sibogae australis, S. polita i W. obesa nie reagują na glicynę, która z kolei wyraźnie przyciąga langusty Panulirus interruptus.

Modyfikacje reakcji trofochemicznych mogą mieć na celu uniknięcie drapieżnika lub osłabienie konkurencji międzygatunkowej. Te same sygnały chemiczne, które w jednym przypadku przyciągają zwierzęta do źródła pożywienia, w innym pozwalają rozpoznać zagrożenie i ominąć miejsca, w których może czyhać drapieżnik. Zachowanie takie zaobserwowano u antarktycznych jeżowców S. neumayeri, które czasem padają ofiarami rozgwiazd O. validus. Kwas L-glutaminowy - atraktant dla rozgwiazdy - odstrasza jeżowce, jednocześnie obniżając poziom ich metabolizmu, a więc i ilość wydalanych produktów przemiany materii, które mogą z kolei stanowić "trop chemiczny" dla drapieżnych rozgwiazd poszukujących pokarmu.

Obecność drapieżnika modyfikuje reakcje ofiary również na innej drodze. Wiadomo, że zapach szczupaka Esox lucius zmienia zachowanie drobnych ryb karpiowatych, skłaniając je do grupowania się w ławicę, obniżenia intensywności żerowania oraz częstszego chronienia się pośród roślinności. Potwierdzają to również obserwacje innych zwierząt wodnych, pozostających w korelacji drapieżnik - ofiara. Obecność drapieżnych krabów Hyas araneus skutecznie odstrasza ich potencjalne ofiary - ślimaki Buccinium unduatum - od przynęty, przy której gromadzą się, gdy nie ma niebezpieczeństwa.

Istotne znaczenie w rozpoznawaniu bodźców chemicznych ma ilość substancji sygnałowej. Im wyższe jej stężenie, tym większe prawdopodobieństwo charakterystycznej reakcji zwierzęcia. Jednak przekroczenie pewnej granicy może wywołać reakcję wręcz przeciwną, np. aminokwasy o stężeniu 1-10 mM odstraszają rozgwiazdy Marthasterias glacialis. Również mieszaniny chemoatraktantów działają silniej niż poszczególne ich składniki, które wywołują słabsze reakcje lub nie działają wcale.

Zauważono, że reakcje trofochemiczne zwierząt ulegają modyfikacji w przypadku braku pożywienia. Syte rozgwiazdy O. validus o wiele słabiej reagują na sygnały chemiczne pochodzące z pokarmu. Podobnie się dzieje, gdy dobrze odżywionym bałtyckim krabom błotnym Rhithropanopeus harrissi tridentatus podaje się mięso ryb. Im dłużej głodzi się kraby, tym reakcja na bodźce pokarmowe staje się wyraźniejsza. Rozpoznają one o wiele niższe stężenia sygnałów trofochemicznych. Są przy tym mniej wybredne od najedzonych osobników i często zadowalają się pokarmem o niższej wartości odżywczej.

Wiele aspektów życia i zachowania zwierząt jest uzależnionych od chemorecepcji. Tą metodą poszukują one pokarmu, wyczuwają zagrożenia ze strony drapieżników, kontaktują się z innymi osobnikami tego samego gatunku, tworzą ławice, ustanawiają hierarchię socjalną oraz rozpoznają partnerów do rozmnażania. Wpływa to na rozmieszczenie osobników poszczególnych gatunków, co z kolei może pośrednio modyfikować przestrzenną i czasową strukturę całych zespołów zwierzęcych morskiej Antarktyki.

Dr Tomasz Janecki, hydrobiolog, Zakład Biologii Antarktyki PAN

Śródtytuły pochodzą od redakcji portalu INTERIA.PL.