Obrona przed roślinożercami
Obrona przed roślinożernością opisuje obronę roślin, aby uniknąć zjedzenia. Istnieje wiele adaptacji, które poprawiają przetrwanie i rozmnażanie roślin poprzez zmniejszenie wpływu roślinożerców.
Wiele roślin produkuje substancje chemiczne, które zmieniają zachowanie, wzrost lub przetrwanie roślinożerców. Te środki ochrony chemicznej mogą działać jako repelenty lub toksyny dla zwierząt roślinożernych, lub zmniejszyć strawność roślin. Niektóre rośliny, znane jako hiperakumulatory, specjalizują się w magazynowaniu metali ciężkich, które są toksyczne dla zwierząt.
Niektóre rośliny zachęcają do obecności naturalnych wrogów roślinożerców, którzy z kolei chronią roślinę. Niektóre rośliny stanowią dom dla mrówek, które mocno chronią roślinę.
Inne strategie obronne stosowane przez rośliny obejmują ucieczkę lub unikanie roślinożerców na czas lub w miejscu. Mogą one rosnąć tam, gdzie rośliny nie są łatwe do znalezienia lub przedostania się przez roślinożerców. Mogą rosnąć, gdy w pobliżu nie ma zwierząt roślinożernych. Zwierzęta roślinożerne mogą przedostać się do innych niż istotne części lub roślina może być zdolna do regeneracji po szkodach wyrządzonych przez rośliny roślinożerne.
Każdy rodzaj obrony może być zarówno konstytutywny (zawsze obecny w roślinie), jak i indukowany (produkowany w reakcji na uszkodzenia lub stres powodowany przez roślinożerców). Rośliny mogą reagować i reagują na uszkodzenia.
Historycznie, owady były najważniejszymi roślinożercami, zwłaszcza larwy owadów. Ewolucja roślin lądowych jest ściśle związana z ewolucją owadów. Podczas gdy większość środków ochrony roślin jest skierowana przeciwko owadom, inne środki ochrony rozwinęły się, które są ukierunkowane na kręgowce roślinożerców, takich jak ptaki i ssaki.
Badania nad środkami ochrony roślin przed roślinami roślinnymi są ważne, nie tylko z punktu widzenia ewolucji, ale również dlatego, że środki te mogą być stosowane w rolnictwie, w tym źródeł żywności dla ludzi i zwierząt gospodarskich.
Trujący bluszcz produkuje urushiol w celu ochrony rośliny przed roślinożercami. U ludzi ta substancja chemiczna wytwarza alergiczną wysypkę skórną.
Rękawice lisie produkują kilka śmiertelnych substancji chemicznych, a mianowicie glikozydy sercowe i steroidowe. Jedzenie ich może powodować mdłości, wymioty, halucynacje, drgawki lub śmierć.
Szczególne chemiczne środki obronne
Chemikalia roślinne wyewoluowały, by oddziaływać na owady. Niektóre z tych biochemicznych ścieżek istnieją u kręgowców, w tym u ludzi. Wiele środków farmaceutycznych otrzymuje się z chemikaliów używanych przez rośliny do ochrony przed roślinożercami. Przykładami są opium, aspiryna, kokaina i atropina.
Alkaloidy pirolizydynowe są produkowane przez rośliny jako mechanizm obronny przed roślinożercami owadożernymi. W ponad 6000 roślinach zidentyfikowano ponad 660 PA i PA N-tlenków. Około połowa z nich wykazuje hepatotoksyczność, czyli atakuje funkcje wątroby.
Ewolucja cech obronnych
Najwcześniejsze rośliny lądowe powstały z roślin wodnych około 450 milionów lat temu (mya) w okresie ordowiku. Te wczesne rośliny lądowe nie posiadały tkanki naczyniowej i potrzebowały wolnej wody do rozmnażania. Rośliny naczyniowe pojawiły się później, a ich zróżnicowanie rozpoczęło się w epoce dewońskiej (około 400 mya). Posiadały one adaptacje, takie jak powłoki ochronne, które ograniczały parowanie z ich tkanek.
Rozmnażanie i rozprzestrzenianie się roślin naczyniowych w tych suchych warunkach osiągnięto poprzez ewolucję wyspecjalizowanych struktur nasiennych. Zróżnicowanie roślin kwitnących (okrytozalążkowe) w okresie kredy związane jest z nagłym rozsadzeniem specjacji u owadów. To zróżnicowanie owadów stanowiło główną siłę selektywną w ewolucji roślin i doprowadziło do selekcji roślin posiadających adaptacje obronne. Wczesne roślinożerne owady ugryzły lub przeżuły roślinność, ale ewolucja roślin naczyniowych doprowadziła do współwyewolucji innych form roślinożernych, takich jak ssanie soków, wydobywanie liści, formowanie żółci i karmienie nektarem.
Rejestry zwierząt roślinożernych
Nasza wiedza o roślinożerstwie w czasie geologicznym pochodzi z trzech źródeł:
- skamieniałe rośliny, które mogą zachować dowody obrony (np. kolce) lub szkody roślinne;
- obserwacja szczątków roślinnych w koprolicie skamieniałym (odchody zwierzęce); oraz
- konstrukcja części ust roślinożernych.
Od dawna uważany za zjawisko mezozoiczne, dowody na roślinność można znaleźć niemalże tak szybko, jak skamieniałości, które mogłyby to pokazać. W ciągu mniej niż 20 milionów lat od pierwszych skamieniałości sporangii i łodyg w kierunku zamknięcia syluru, około 420 mya, istnieją dowody, że były one jedzone. Zwierzęta karmione zarodnikami wczesnych roślin dewońskich, a Rhynie chert również dostarcza dowodów, że organizmy karmione roślinami przy użyciu techniki "przekłuwania i ssania". Wiele roślin z tego okresu zachowało się z wiosennymi wzrostami, które mogły pełnić rolę obronną.
W ciągu następnych 75 milionów lat, rośliny wyewoluowały szereg bardziej złożonych organów - od korzeni po nasiona. Od 50 do 100 milionów lat istniała przepaść między ewolucją każdego organu a jego odżywianiem się. Karmienie dziur i szkielety są notowane we wczesnym Permie, a karmienie płynami powierzchniowymi ewoluowało pod koniec tego okresu.
Współewolucja
Zwierzęta roślinożerne są uzależnione od roślin w zakresie pożywienia i rozwinęły mechanizmy pozyskiwania tego pożywienia pomimo ewolucji wielu systemów obronnych roślin. Adaptacje roślinożerców do obrony roślin zostały porównane do cech ofensywnych. Są to adaptacje, które pozwalają na zwiększone karmienie i wykorzystanie rośliny żywicielskiej. Relacje między roślinożercami i ich roślinami żywicielskimi często prowadzą do wzajemnych zmian ewolucyjnych, zwanych koewolucją.
Kiedy roślinożerca zjada, zjada rośliny, które nie mają wystarczającej reakcji obronnej. Stwarza to szansę dla roślin, które potrafią obronić się. Tak więc rośliny z obroną stają się bardziej powszechne. W przypadkach, w których ta relacja wykazuje specyfikę (ewolucja każdej z tych cech jest spowodowana drugą) i wzajemność (obie te cechy ewoluują), uważa się, że gatunek ten współwyewoluował.
Mechanizm "ucieczki i promieniowania" dla współewolucji jest pomysłem, że adaptacja u roślinożerców i ich roślin żywicielskich była siłą napędową specjacji. Adaptacje te odegrały rolę w promieniowaniu gatunków owadów w wieku okrytozalążkowym. Niektóre zwierzęta roślinożerne rozwinęły sposoby uprowadzania obrony roślin na własną korzyść, poprzez sekwestrowanie (przechowywanie) tych substancji chemicznych i używanie ich do ochrony przed drapieżnikami.
Oś czasowa ewolucji roślin i początki różnych rodzajów roślin owadożernych
Viburnum lesquereuxii liść z uszkodzeniami owadów; Dakota Sandstone (kredowy) z hrabstwa Ellsworth, Kansas. Pałąk łuski wynosi 10 mm.
Gąsienica tygrysa Danaus chrysippus tworząca fosę w celu zablokowania środków obronnych Calotropis przed karmieniem.
Roślinom potrzebne są również zwierzęta
Większość roślin, które tak energicznie bronią swoich liści, potrzebuje jednak zwierząt. Aż 98% roślin kwitnących w tropikalnych nizinnych lasach deszczowych polega na zwierzętach przy zapylaniu i rozsiewaniu nasion.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest obrona przed roślinnością?
O: Obrona przed roślinożercami to zespół przystosowań stosowanych przez rośliny w celu zmniejszenia skutków zjedzenia przez roślinożerców.
P: Jak rośliny bronią się przed roślinożercami?
O: Rośliny mogą stosować różne strategie obrony przed roślinożercami, takie jak wytwarzanie substancji chemicznych, które działają odstraszająco lub toksycznie, magazynowanie metali ciężkich, które są toksyczne dla zwierząt, sprzyjanie obecności naturalnych wrogów roślinożerców, zapewnianie mieszkań dla mrówek, które silnie bronią rośliny, ucieczka lub unikanie roślinożerców w czasie lub miejscu.
P: Czy te mechanizmy obronne są zawsze obecne w roślinie?
O: Nie, te mechanizmy obronne mogą być konstytutywne (zawsze obecne w roślinie) lub indukowane (wytwarzane w reakcji na uszkodzenia lub stres wywołany przez roślinożerców).
P: Jaki rodzaj zwierząt jest zazwyczaj związany z obroną roślin?
O: Historycznie rzecz biorąc, największe znaczenie dla obrony roślin miały owady. Ewolucja roślin lądowych jest ściśle związana z ewolucją owadów.
P: Czy istnieją środki obronne skierowane do roślinożerców kręgowców?
O: Tak, rozwinęły się pewne strategie obronne skierowane do kręgowców roślinożernych, takich jak ptaki i ssaki.
P: Dlaczego badanie mechanizmów obronnych roślin jest ważne?
O: Badania nad obroną roślin przed roślinożercami są ważne nie tylko z ewolucyjnego punktu widzenia, ale również dlatego, że obronę tę można wykorzystać w rolnictwie jako źródło pożywienia dla ludzi i zwierząt gospodarskich.
