Rozmnażanie roślin okrytonasiennych

Rośliny okrytonasienne wykształciły różne mechanizmy, które zapobiegają samozapyleniu. Jedynie 6% gatunków to rośliny dwupienne, czyli takie, które mają kwiaty męskie i żeńskie na oddzielnych osobnikach.

U lepnicy białej (Silene latifolia), która jest rośliną dwupienną, determinacja płci opiera się na układzie chromosomów podobnym do ludzkiego. Rośliny żeńskie mają układ AAXX, a męskie AAXY. Chromosom Y odgrywa kluczową rolę w rozwoju cech męskich, zawierając geny warunkujące te cechy oraz geny hamujące rozwój cech żeńskich.

Segregacja chromosomów płci u lepnicy następuje podczas mejozy w woreczkach pyłkowych pręcików. Jest to proces podobny do tego, który zachodzi u zwierząt.

Warto wiedzieć! Samozapylenie może być zarówno korzystne, jak i niekorzystne dla roślin. Z jednej strony zwiększa szansę na zapylenie kwiatów (gdy brak innych możliwości), z drugiej ogranicza rekombinację genetyczną, zmniejszając różnorodność genetyczną potomstwa.

Mechanizmy zapobiegające samozapyleniu

U roślin okrytonasiennych o kwiatach obupłciowych (posiadających zarówno pręciki, jak i słupki) występuje szereg mechanizmów zapobiegających samozapyleniu. Jednym z najważniejszych jest przedsłupność.

Przedsłupność polega na wcześniejszym dojrzewaniu słupków niż pręcików w tym samym kwiecie. Dzięki temu, gdy słupek jest już gotowy do przyjęcia pyłku, własne pręciki danego kwiatu jeszcze nie uwalniają pyłku. Słupek może więc przyjąć pyłek tylko z innego kwiatu.

Ten mechanizm efektywnie promuje zapylenie krzyżowe między różnymi roślinami tego samego gatunku, co zwiększa różnorodność genetyczną potomstwa. Większa różnorodność genetyczna daje roślinom lepsze szanse na przystosowanie się do zmian środowiska.

W przypadku usunięcia z chromosomu Y genów supresorowych hamujących rozwój cech żeńskich, osobnik lepnicy o genotypie AAXY wytworzyłby kwiaty zawierające zarówno pręciki, jak i słupki - stałby się więc obupłciowy.

Zapamiętaj! Oprócz przedsłupności istnieją także inne mechanizmy zapobiegające samozapyleniu, takie jak przedprątność (wcześniejsze dojrzewanie pręcików), samobezpłodność genetyczna oraz różnice w budowie kwiatu utrudniające kontakt pyłku z znamieniem słupka tego samego kwiatu.

Dojrzewanie nasion

W trakcie dojrzewania nasion orzecha włoskiego zachodzą istotne zmiany w zawartości substancji zapasowych. Od lipca do października można zaobserwować wyraźne zwiększanie się udziału związków o charakterze spichrzowym w nasionach.

Najbardziej widoczną zmianą w proporcjach związków spichrzowych jest wzrost udziału tłuszczów przy jednoczesnym zmniejszaniu się udziału węglowodanów. W początkowym etapie dojrzewania (6 lipca) skrobia i dekstryny stanowią 7,6% masy nasion, a tłuszcze tylko 21,8%. Na początku października tłuszcze osiągają już poziom 62% masy nasion, podczas gdy skrobia i dekstryny całkowicie zanikają.

Te zmiany mają głębokie znaczenie biologiczne. Tłuszcze są bardziej energetycznie wydajnymi związkami zapasowymi niż węglowodany - zawierają prawie dwa razy więcej energii w tej samej masie. Dojrzałe nasiona orzecha włoskiego muszą być wyposażone w maksymalny zapas energii, która pozwoli im przetrwać okres spoczynku i umożliwi kiełkowanie.

Ciekawostka: W przeciwieństwie do orzechów włoskich, wiele roślin zbożowych gromadzi w nasionach głównie węglowodany (skrobię). Różne grupy roślin wykształciły odmienne strategie gromadzenia związków zapasowych w zależności od warunków środowiska i strategii życiowej.

Osmoza i ciśnienie osmotyczne

W doświadczeniu uczniowie badali zjawisko osmozy używając bloczków z batata i dyni umieszczonych w roztworach o różnym stężeniu NaCl. Wyniki pokazują, jak stężenie roztworu wpływa na przepływ wody między komórkami a otaczającym je środowiskiem.

Dla soku komórkowego dyni roztwór izotoniczny ma stężenie około 0,55 mol/l NaCl. Przy tym stężeniu nie zachodzi przepływ wody, a masa bloczka nie ulega zmianie. Z kolei roztwór NaCl o stężeniu 0,2 mol/l jest hipotoniczny w stosunku do soku komórkowego batata, ponieważ umieszczenie próbki w tym roztworze spowodowało osmotyczny napływ wody do komórek.

Gdy roztwór zewnętrzny ma niższe stężenie substancji rozpuszczonych niż sok komórkowy (roztwór hipotoniczny), woda przepływa do wnętrza komórek, powodując wzrost ich objętości i masy. Natomiast gdy roztwór zewnętrzny ma wyższe stężenie (roztwór hipertoniczny), woda wypływa z komórek, powodując ich kurczenie się i spadek masy.

Zapamiętaj! Zjawisko osmozy ma kluczowe znaczenie dla funkcjonowania wszystkich organizmów. W komórkach roślinnych osmotyczny napływ wody generuje ciśnienie turgorowe, które odpowiada za sztywność niezdrewniałych części roślin.

Termoregulacja u ptaków wodnych

Ptaki wodne, mimo że mają ciało pokryte piórami, muszą chronić swoje niepokryte części ciała (jak błony pławne) przed utratą ciepła. Wykształciły w tym celu specjalny mechanizm wymiany ciepła między naczyniami krwionośnymi.

W mechanizmie tym krew płynąca tętnicami z wnętrza ciała (gdzie jest ciepła) do kończyn stopniowo oddaje swoje ciepło chłodnej krwi płynącej żyłami w przeciwnym kierunku. Ten system, zwany przeciwprądowym wymiennikiem ciepła, pozwala na zachowanie ciepła w organizmie ptaka.

W rezultacie tego mechanizmu, wracająca z błon pławnych silnie schłodzona krew jest ogrzewana przez cieplejszą krew płynącą z narządów wewnętrznych ciała. Krew płynąca tętnicami stopniowo oddaje swoje ciepło, dzięki czemu temperatura kończyn ptaka może być znacznie niższa niż temperatura jego ciała, bez ryzyka wychłodzenia organizmu.

Kluczowe dla efektywności tego układu jest to, że krew w tętnicach i żyłach, pomiędzy którymi dochodzi do wymiany ciepła, przepływa w przeciwnych kierunkach. Taka konstrukcja wymiennika ciepła zapewnia maksymalną wydajność transferu energii.

Ciekawostka: Podobny mechanizm przeciwprądowej wymiany ciepła występuje też u innych zwierząt żyjących w zimnych środowiskach, np. u niektórych ssaków morskich czy zwierząt polarnych.

Praca serca i tony serca

Serce pracuje w cyklicznych fazach skurczu i rozkurczu, którym towarzyszą charakterystyczne zjawiska akustyczne zwane tonami serca. Pierwszy ton, głośniejszy, powstaje podczas zamykania się zastawek przedsionkowo-komorowych (moment A na wykresie), a drugi, cichszy, podczas zamykania zastawek aorty i pnia płucnego.

Podczas pracy serca ciśnienie w jego komorach, przedsionkach i naczyniach krwionośnych ulega ciągłym zmianom. W momencie oznaczonym na wykresie literą C ciśnienie w lewej komorze jest niższe niż ciśnienie w aorcie, a zastawka aorty jest zamknięta. To zapobiega cofaniu się krwi z aorty do komory.

W momencie oznaczonym literą D ciśnienie w lewej komorze spada poniżej ciśnienia w lewym przedsionku, co powoduje otwarcie się lewej zastawki przedsionkowo-komorowej. Dzięki temu krew może przepłynąć z przedsionka do komory, rozpoczynając nowy cykl pracy serca.

Ważne! Pierwszy ton serca (tzw. "lub") powstaje w momencie oznaczonym literą A, gdy gwałtownie zamykają się zastawki przedsionkowo-komorowe na początku skurczu komór, zapobiegając cofaniu się krwi do przedsionków.

Budowa aorty i powrót krwi żylnej

Ściana aorty zawiera dużą ilość tkanki łącznej sprężystej, co ma kluczowe znaczenie dla utrzymania ciśnienia krwi. Dzięki tej cesze budowy, aorta może rozciągać się podczas skurczu komory serca i powracać do pierwotnego kształtu podczas rozkurczu.

Gdy lewa komora serca się kurczy, krew jest wypychana do aorty, która rozciąga się jak balon, gromadząc energię w elastycznych włóknach. Kiedy komora się rozkurcza i przestaje wypychać krew, elastyczna ściana aorty zwęża się, utrzymując przepływ krwi w dalszych częściach układu krwionośnego. Dzięki temu ciśnienie w aorcie utrzymuje się na wysokim poziomie, nawet gdy ciśnienie w komorze spada do zera.

Powrót krwi żylnej do serca wspomagają różne mechanizmy. Rytmiczne kurczenie się i rozluźnianie mięśni szkieletowych kończyn dolnych działa jak pompa, wypychając krew w żyłach w kierunku serca. Bardzo ważne są także zastawki żył, które zabezpieczają przed cofaniem się krwi i utrzymują jednokierunkowy przepływ.

Pamiętaj! Cykliczne wdechy również wspomagają powrót krwi żylnej, ponieważ obniżają ciśnienie w klatce piersiowej, co "zasysa" krew z żył do prawego przedsionka serca.

Regulacja wydalania wody

Wydalanie wody z organizmu podlega ścisłej regulacji hormonalnej, w której kluczową rolę odgrywa hormon antydiuretyczny (ADH). Ten hormon jest wydzielany przez przysadkę mózgową w odpowiedzi na zwiększone ciśnienie osmotyczne krwi (gdy organizm jest odwodniony).

ADH działa na komórki nabłonka zbiorczych kanalików nerkowych, zwiększając ich przepuszczalność dla wody. Mechanizm tego działania polega na stymulowaniu wbudowywania specjalnych białek - akwaporyn - w błony komórkowe. Akwaporyny tworzą kanały umożliwiające szybki przepływ wody przez błonę komórkową.

Pod wpływem ADH zwiększa się aktywność cyklazy adenylanowej, co prowadzi do wzrostu stężenia cAMP w komórce. To z kolei aktywuje kinazę białkową A, która fosforyluje cząsteczki akwaporyny. Wbudowywanie akwaporyn w błonę komórkową zachodzi na drodze egzocytozy - fuzji pęcherzyka zawierającego akwaporyny z błoną komórkową.

Warto zapamiętać! Przy niskim stężeniu ADH (np. gdy pijemy dużo wody) przepływ wody przez błonę komórkową nabłonka kanalików nerkowych nie jest całkowicie zahamowany. Woda nadal może przenikać przez błonę, ale w znacznie mniejszym stopniu.

Regulacja poziomu ADH

Gdy ciśnienie osmotyczne krwi jest obniżone (np. po wypiciu dużej ilości wody), wydzielanie hormonu antydiuretycznego (ADH) jest zmniejszone. To ma bezpośredni wpływ na przepuszczalność kanalików nerkowych dla wody.

Przy niskim poziomie ADH spada liczba cząsteczek akwaporyny wbudowywanych w błonę komórkową nabłonka zbiorczych kanalików nerkowych. Dzieje się tak, ponieważ proces endocytozy (wciągania) cząsteczek akwaporyny do wnętrza komórki zachodzi cały czas, natomiast proces egzocytozy (wyrzutu na zewnątrz) jest stymulowany przez ADH. Gdy brakuje tego bodźca, akwaporyny są magazynowane w pęcherzykach wewnątrzkomórkowych, a nie wbudowywane w błonę.

Skutkiem niedoboru ADH jest wydalanie dużych ilości moczu (poliuria) oraz nadmierne pragnienie (polidypsja). Te objawy mogą świadczyć o chorobie zwanej moczówką prostą, która wynika właśnie z niedoboru ADH lub niewrażliwości receptorów na ten hormon.

Zapamiętaj! Regulacja poziomu ADH to doskonały przykład mechanizmu sprzężenia zwrotnego ujemnego. Zwiększone ciśnienie osmotyczne krwi stymuluje wydzielanie ADH, co prowadzi do zwiększonego wchłaniania wody w nerkach, a to z kolei obniża ciśnienie osmotyczne krwi.

Regulacja poziomu wapnia we krwi

Poziom jonów wapnia $Ca^{2+}$ we krwi jest ściśle regulowany przez dwa główne hormony: kalcytoninę i parathormon. Te dwa hormony działają antagonistycznie, utrzymując stężenie wapnia w wąskim zakresie fizjologicznym.

Kalcytonina jest wydzielana przez tarczycę w odpowiedzi na podwyższony poziom wapnia we krwi. Jej działanie polega na hamowaniu wchłaniania zwrotnego jonów wapnia w nefronach. Oznacza to, że więcej wapnia jest wydalane z moczem, co obniża jego poziom we krwi.

Parathormon, produkowany przez przytarczyce, działa odwrotnie. Jest wydzielany, gdy poziom wapnia we krwi jest zbyt niski. Parathormon pobudza wchłanianie zwrotne jonów wapnia w nefronie, dzięki czemu mniej wapnia jest wydalane z moczem, a jego poziom we krwi wzrasta.

Ta precyzyjna regulacja jest kluczowa, ponieważ jony wapnia uczestniczą w wielu ważnych procesach fizjologicznych, takich jak kurczenie się mięśni, krzepnięcie krwi czy przekazywanie impulsów nerwowych.

Ciekawostka: Oprócz wpływu na nerki, kalcytonina i parathormon regulują także poziom wapnia poprzez oddziaływanie na kości (uwalnianie lub odkładanie wapnia) oraz na jelito cienkie (zwiększanie lub zmniejszanie wchłaniania wapnia z pokarmu).