Ekologia biochemiczna
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
[edytuj | edytuj kod]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…
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
[edytuj | edytuj kod]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)
[edytuj | edytuj kod]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
[edytuj | edytuj kod]- ↑ Za synonim tych pojęć bywa uznawane określenie „ekologia fitochemiczna”, mimo że jest węższe – dotyczy zbiorowisk roślinnych.
- ↑ Zobacz też: cele i efekty eksperymentów, eksperyment w warunkach naturalnych, laboratorium.
- ↑ 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
[edytuj | edytuj kod]Przypisy
[edytuj | edytuj kod]- ↑ a b John N. Prebble: Jeffrey Barry Harborne. 1 September 1928 — 21 July 2002. [w:] Strona internetowa Royal Society, streszczenie biografii [on-line]. royalsocietypublishing.org. [dostęp 2014-06-05]. (ang.).
- ↑ Harborne 1997 ↓, s. 17.
- ↑ Prof. Wiesław Aleksander Oleszek, [w:] baza „Ludzie nauki” portalu Nauka Polska (OPI PIB) [dostęp 2014-06-07] .
- ↑ Shane Que Hee: Ecological Biochemistry. [w:] Encyclopedia of Life Science [on-line]. John Wiley & Sons, Ltd., 2001. [dostęp 2014-06-06]. (ang.).
- ↑ Harborne 1997 ↓, s. 19, 154–156.
- ↑ Swynnerton's Robin (Swynnertonia swynnertoni). [w:] Internet Bird Collection (IBC) [on-line]. ibc.lynxeds.com. [zarchiwizowane z tego adresu (2016-03-21)]. (ang.).
- ↑ Friedrich Sertürner (1783–1841). [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)]. (ang.).
- ↑ 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.).
- ↑ The Hon. Dame Miriam Rothschild FRS > Bibliography. [w:] Portal 'Miriam Rothschild & John Foster Human Rights Trust' [on-line]. www.rothschildfostertrust.com. [dostęp 2014-06-06]. (ang.).
- ↑ Harborne 1997 ↓, s. 16.
- ↑ Harborne 1997 ↓, s. 12-14.
- ↑ a b James Mallet: Fritz Müller Review of Müller's biography. [w:] Quarterly Review of Biology 79:196 (2004); Jim Mallet's home page [on-line]. University College London. [dostęp 2014-06-07]. (ang.).
- ↑ a b Mimicry & Warning Colour. [w:] Jim Mallet's home page > Müllerian mimicry [on-line]. University College London. [dostęp 2014-06-07]. (ang.).
- ↑ Alfred Russel Wallace. [w:] Notable Names Database (NNDB) [on-line]. [dostęp 2014-06-07]. (ang.).
- ↑ Marshall, G.. Obituary : Mr. C. F. M. Swynnerton, C.M.G.. „Nature”. 142, s. 198–199, 1938. DOI: 10.1038/142198a0. (ang.).
- ↑ a b Harborne 1997 ↓, s. 12.
- ↑ Edward Bagnall Poulton (abstract). [w:] Wiley Online Library [on-line]. onlinelibrary.wiley.com. [dostęp 2014-06-07]. (ang.).
- ↑ G. D. H. Carpenter: Poulton, Sir Edward Bagnall (1856–1943). [w:] Oxford Dictionary of National Biography, doi:10.1093/ref:odnb/35586 [on-line]. Oxford University Press, 2004. [dostęp 2017-03-21]. (ang.).;faculty.kirkwood.edu
- ↑ Haase Erich (19.01.1857 Koszalin – 24.04.1894 Bangkok). [w:] Mały słownik przyrodników śląskich [on-line]. przyrodnicy_slascy.republika.pl. [dostęp 2014-06-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-07-14)]. (pol.).
- ↑ 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.).
- ↑ red, Gerald A. Rosenthal, May R. Berenbaum: Herbivores: Their Interactions with Secondary Plant Metabolites. Academic Press, 1991, s. 255.
- ↑ Tadeus Reichstein – Facts. [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]. (ang.).; Biographical.; Chemistry of the Adrenal Cortex Hormones. [w:] Nobel Lecture [on-line]. 11 grudnia 1950.
- ↑ Reichstein, Tadeus. [w:] Strona internetowa Harvard University Herbaria & Libraries > Index of Botanists [on-line]. [dostęp 2014-06-08]. (ang.).
- ↑ a b c Harborne 1997 ↓, s. 13.
- ↑ 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.
- ↑ Order of Canada > Frederick Albert Urquhart, C.M., Ph.D.. [w:] Strona internetowa 'The Governor General of Canada' [on-line]. www.gg.ca. [dostęp 2014-06-08]. (ang.).
- ↑ F.A. Urquhart (red.): Changes in the fauna of Ontario. [w:] Book, Illustrated [on-line]. University of Toronto Press, 1957. [dostęp 2014-06-08]. (ang.).
- ↑ a b G. Fraenkel. The raison d'être of secondary plant substances. „Science, NY”, s. 1466–1479, 1959. (ang.).
- ↑ a b P.R. Ehrlich, P.H. Raven. Butterflies and plants: a study in coevolution. „Evolution”, s. 586–608, 1964. (ang.).
- ↑ Harborne 1997 ↓, s. 55-57, 74-82.
- ↑ Brower, J. Vz.. Experimental studies of mimicry in some North American butterflies. „Evolution”. 35, s. 32–47, 1958. (ang.).
- ↑ 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.).
- ↑ Harborne 1997 ↓, s. 55–57, 74–82.
- ↑ Books by Tony Swain. www.goodreads.com. [dostęp 2014-06-08]. (ang.).
- ↑ Books by Teffrey B. Harborne. www.goodreads.com. [dostęp 2014-06-08]. (ang.).
- ↑ Tony Swain, Jeffrey B. Harborne, Chris F. van Sumere (red.): Biochemistry of plant phenolics. [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]. (ang.).
- ↑ International Society of Chemical Ecology. [w:] Strona internetowa ISCE [on-line]. www.chemecol.org. [dostęp 2014-06-08]. (ang.).
- ↑ CSiV History. [w:] Strona internetowa Western Kentucky University [on-line]. www.wku.edu. [dostęp 2014-06-08]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-07-14)]. (ang.).
- ↑ 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.).
- ↑ dr Beata Szafranek; dr Marek Gołębiowski (Zakład Analizy Środowiska)): Ekologia biochemiczna. [w:] Karta kursu, prowadzonego na Wydziale Biologii i Wydziale Chemii UGj [on-line]. ug.edu.pl. [dostęp 2014-06-05]. (pol.).
Bibliografia
[edytuj | edytuj kod]- J.B. Harborne: Ekologia biochemiczna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1997. ISBN 83-01-12242-0.