Čudesna biologija proleća

Proljeće samo što nije stiglo na sjevernoj hemisferi: zadivljujuća ljepota prirode sa širokim spektrom intenzivnih boja. Život buja na sve strane, insekti zuje, ptice cvrkuću, naokolo se širi slatki miris cvijeća. Gotovo neophodan čulni užitak poslije duge, hladne i sive zime.

U Europi počinju cvjetati stabla trešnje, pretvarajući se u prelijepe ogromne ružičaste cvjetove. Tu su tulipani sa svojom nevjerojatnom raznolikošću boja u Nizozemskoj, čuveni divlji plavi zumbuli po šumama u Engleskoj, prvi cvjetovi badema u Andaluziji ili polja maka u Toskani.

Ali nešto što možda još fascinantnije od te ljepote su procesi koji stoje iza ove eksplozije boja i mirisa.

Buđenje iz dugog sna

Niske temperature mogu zaustaviti ili značajno smanjiti biološke procese, a stvaranje leda lako može lako ubiti biljne stanice. Dakle, prije proljeća, biljke sve to moraju preživjeti i za to su razvile mnoge trikove.

Neko drveće – koje se naziva listopadnim, poput javora, odbacuje svoje lišće tijekom jeseni nakon što je iz njega izvuklo vodu i hranljive sastojke – da bi ih u svojim debljim, dobro izoliranim stablima sačuvalo za toplija vremena. Lišće bi ionako umrlo na niskim temperaturama, tako da to ima smisla.

Ovo izvlačenje hranljivih sastojaka iz lišća u stablo je ono što nam pruža ugođaj crvenih, narančastih i žutih boja jeseni. Nakon toga drveće ulazi u stanje mirovanja, gdje se rast zaustavlja.

Ostalo drveće – koje se naziva zimzeleno, poput bora, odlučilo se za drugačiji pristup. Ono ima vrlo tanke igličaste listove prekrivene voštanim slojem, što ih čini vrlo otpornim na hladnoću, i omogućava im da ostanu živi tijekom zime. Ali, to nisu cvjetne biljke, njihovo sjeme je otkriveno ili „golo” po kojem su i dobile znanstveni naziv: golosjemenjače.

Postoje i biljke koje su se kroz druge mehanizme, poput proizvodnje antifriza – sastojaka otpornih na mraz, vrlo dobro prilagodile ekstremnoj hladnoći i lako prežive zimu.

Kako se proljeće približava, zbog nagnute osi rotacije Zemlje, dani počinju bivati duži, a sunčeva svjetlost dolazi direktnije, čineći ga sve toplijim i toplijim do lipanjskog solsticija – najdužeg dana na sjevernoj hemisferi.

Kada cvjetati?

Cvjetanje je vrlo složen proces koji varira od vrste do vrste, jer svaka biljka, korov, žbun ili drvo ima svoje posebne potrebe i načine cvjetanja.

Cvjetanje također ovisi od toga kako biljka širi svoja zrnca polena – to se naziva oprašivanje. Postoje mnoge strategije oprašivanja, bilo zračnim putem, pčelama, leptirima ili pticama, i također je povezano s načinom na koji biljka cvjeta i kada biljka cvjeta, pa čak i sa strukturom samih cvjetova.

Ako biljku oprašuju pčele, poput stabala trešnje, vjerojatno bi trebalo proizvoditi cvijeće kada su pčele najaktivnije.

Neke biljke počinju cvjetati u ovisnosti od trajanja dnevne svjetlosti, na temelju temperature ili drugih faktora, poput zrelosti.

Postoje biljke koji reagiraju na dnevnu svjetlost, točnije na dužinu noći – to je kasnije otkriveno – i dijele se na dvije vrste: dugonoćne biljke, koje cvjetaju kada dužina noći pređe određenu minimalnu duljinu i koje mogu cvjetati rano u proljeće, poput stabala trešnje. Kratkonoćne biljke, cvjetaju samo kada je noć kraća od određene dužine, često počinju cvjetati tijekom ljeta, poput zelene salate i špinata.

Sve ovisi od toga što je za njih najbolje. Ali praćenje dnevne svjetlosti zahtjeva najmanje dvije stvari – nešto što može osjetiti svjetlost i neku vrstu unutrašnjeg sata za sinkronizaciju s okruženjem tijekom ciklusa noć-dan.

„Oči” i „satovi” biljaka

Da bi pratili tok dana i varijacije dnevnog svjetla, biljke sadrže proteine osjetljive na svjetlost zvane fitokrom.

Fitokrom postoji u dva oblika – deaktivirani oblik koji se zove Pr i aktivni oblik koji se zove Pfr. tijekom dana, Pr apsorbira crvenu svjetlost Sunca i transformira se u aktivni Pfr oblik. Kada se približi noć, i kako se količina sunčeve svjetlosti, a samim tim i crvene svjetlosti polako smanjuje, Pfr se ponovo pretvara u neaktivni Pr oblik.

Ovaj mehanizam je nevjerojatno sličan tome kako funkcioniraju ljudske fotoreceptorske stanice u mrežnjači oka. Tu imamo dvije glavne vrste ćelija, štapiće i čunjeve – štapići su uglavnom uključeni za noćni, a čunjići za dnevni vid. A način na koji rade je također sličan – s proteinima osjetljivim na svjetlost koji mijenjaju svoj oblik kada prime svjetlost, baš kao i fitokrom: za naše stanice štapića zove se rodopsin, a za čunjiće – fotopsin.

Fitokrom omogućava biljkama da promatrajući trajanje dnevne svjetlosti – prate promjene godišnjih doba. Dugi dani znače ljeto, kratki dani – zimu i sve ono između…

Fitokrom je ono što u jesen, kako dani postaju kraći, listopadnom drveću poručuje da se pripremi za zimu, odbaci lišće i spremi što više hrane i vode za proljeće.

Ovaj protein je također onaj koji stalno podešava unutarnji sat biljaka kako bi se prilagodio godišnjim promjenama. Ovaj unutarnji sat se zove cirkadijalni sat ili oscilator – ili biološki sat. Kontrolira ono što je poznato kao cirkadijalni ritmovi, koji se ponavljaju otprilike svaka 24 sata.

Ovi biološki ritmovi utvrđeni su i kod životinja, biljaka i gljiva i upravljaju mnogim biološkim procesima, na primjer, utječući na to da spavamo noću i budemo budni danju, ili imamo „jetleg” kada putujemo u drugu vremensku zonu.

Biološki sat u biljkama kontrolira mnoge procese kao što su „ponašanje” lišća, cvjetanje, klijanje, rast, pa čak i proizvodnju mirisa.

Dakle, kada fitokromi kažu biljci da dani postaju sve duži i duži – što znači da dolazi proljeće – ona pokreće gomilu različitih procesa kao što je izlazak iz stanja mirovanja, reaktivacija svega, vraćanje vode i hrane u pupoljke i posebno, aktiviranje cvjetanja u pravo vrijeme.

Signal cvijeća

Za cvjetanje je potrebno veoma mnogo energije. Biljke moraju da koriste hranljive materije koje se inače koriste za rast i stvaranje novih grana i listova.

Biljke proizvode dvije vrste dijelova, vegetativne i reproduktivne. Vegetativno je sve što nije uključeno u reprodukciju – stabljike, korijeni i listovi, a cvjetovi su reproduktivni dijelovi. Stvari postaju još interesantnije jer oba oblika potiču iz istog dijela, pupoljka.

Pupoljci se obično razvijaju u vegetativne oblike – listove ili grane – to je neka vrsta osnovnog stanja.

Dakle, što utječe na to da se pupoljak iznenada promijeni i transformira u šareni cvijet?

Prije skoro 100 godina, vršeni su ovakvi eksperimenti: jedan list biljke je stimuliran odgovarajućom količinom noći odnosno tame, a zatim je odmah uklonjen s biljke – biljka nije cvjetala.

To sugerira da se u listu proizvodilo nešto kao odgovor na precizan noćni period, a zatim je putovalo od lista do pupoljka – da bi proizvelo lijepo cvijeće.

Ova misteriozna tvar se u to vrijeme zvala „florigen”. Kemijska sastav ove tvari je razjašnjen tek posljednjih desetak godina – proučavanjem biljke Arabidopsis – koja se za proučavanje biljaka koristi kao miševi za proučavanje sisavaca. Tvar sada nosi ime FT (Flowering Locus T, mjesto cvjetanja).

FT se proizvodi u listovima kada je trajanje noći točno za tu određenu biljku, tako da je vezan za biološki sat i fitokrom.

Na primjer, kod kratkonoćne biljke, pošto su noći kraće od dana, ima više aktivirane verzije fitokroma Pfr nego deaktiviranog Pr. Niske razine Pr-a tada pokreću proizvodnju FT-a koji potom izaziva cvjetanje.

Tijekom proljeća, dok gledate cvijeće, pomislite ponekad i na sve ove procese, stimuluse i proteine koji su omogućili tu ljepotu. A i na to koliko je sve povezano i srodno i organizirano prirodi – čiji smo i mi dio.