A biológusok előtt régóta ismert, hogy több növény kihasználja a sejtek hőtermelő képességét. E tekintetben a kontyvirágfélék közé tartozó fajokat tanulmányozták a legszélesebb körben. Írásunkban mi is két ide tartozó faj, egy dél-amerikai származású dísznövény, az ezüstkard filodedron és a hazánkban őshonos foltos kontyvirág vizsgálatával eredünk a jelenség nyomába.
A kontyvirágfélék (Araceae) családjára jellemző, hogy a torzsavirágzatot egy néha feltűnő színű módosult magányos fellevél, a találó nevű buroklevél öleli körül. Alapvető biológiai funkciója a megporzást biztosító rovarok csalogatása és a virágok védelme. A torzsavirágzatban a virágok általában egyivarúak, de egy virágzaton belül többnyire megtaláljuk a porzós és termős virágokat is: a porzós virágok a torzsavirágzat felső részén, a termősek pedig az alsó részen szerveződnek. A torzsavirágzat csúcsi részén lévő módosult porzós virágok illatepidermisze néha az emberi orr számára egészen kellemetlen szaganyagokat termel, és érdekes sajátossága a virágzási idő bizonyos szakaszaiban végzett hőtermelés.
A foltos kontyvirág (Arum maculatum) virágzatához csalogatott rovarok – lepkeszúnyogok (Psychodiidae) – a buroklevél csúszós felszínén nem tudnak biztonságosan leszállni, és a buroklevél alkotta kancsó formájú képletben a torzsavirágzat aljához pottyannak. Mivel feljebb a virágzati tengelyen szőrszerű képletekké módosult meddő virágok helyezkednek el, amelyek elzárják a menekülési útvonalat, a megporzók egy időre csapdába kerülnek. A rovarok által elvégzett beporzás és a virágok megtermékenyülése után azonban ezek a szőrök ellankadnak, és szabaddá válik az út a külvilág irányába – az újabb virágzatok, újabb rabság és újabb megporzás felé. A „börtönvirágzat” összkomfortos, hiszen a növény a foglyoknak cukortartalmú nedvet kínál táplálékul, és fűtést is biztosít számukra.
Üvegházi rejtély?
Hasonló cél érdekében, de részben eltérő csalogatási stratégiát alkalmaz a Dél-Amerikában honos, dísznövényként világszere ismert ezüstkard filodedron (Philodendron hastatum), melynek vizsgálata adta tanulmányunk motiváló apropóját. Bindics Tibor kertész és fia, Bindics Bence a következő jelenségre figyeltek fel: a kertészetükben nevelt filodendron virágzó példányainál az esti órákban kézzel és a virág illatának szaglása során (a virághoz közelítő arccal) is jól érzékelhető, hogy a virágok a növény többi részénél lényegesen melegebbek. Lézeres hőmérővel mintegy 10 Celsius-fok különbséget mértek több növényegyed esetében is a virágok és a levelek összehasonlítása során. Mindezt több éjszaka is megfigyelték, ugyanakkor a jelenség a nappali órákban nem volt tapasztalható.
A megfigyelés képi dokumentálásához és a konkrét hőmérsékleti értékek rögzítéséhez a virágzó növényekről hőkamerával készítettünk felvételeket 2022. 04. 07-én 20 és 21 óra között, illetve másnap délelőtt 11 és 12 óra között.
A hőkamera két képet készít: egy valós képet, amelyet szabad szemmel láthatunk és egy hőképet, a kamera által „látott”, infravörös tartományban készült képet. A hőképen a különböző hőmérsékletű képpontokat különböző színnel jelenítik meg. Ezek nem valós színek, a hőképek melletti színskála mutatja a színes képpontok hőmérsékletét. A hőképeken jelölt pontok a mért maximum, minimum és a kép középpontjának hőmérsékletét mutatják Celsius-fokban.
Az éjszakai hőtermelés ennél a fajnál is a megporzást szolgálhatja, ám a torzsavirágzaton nem találhatók olyan szőrképletek, amelyek például a hazai foltos kontyvirág esetében a beporzó rovarok menekülését akadályoznák. Több elképzelés is olvasható e trópusi fajjal foglalkozó tanulmányokban a hőtermelés magyarázatára. Az ezüstkard filodendron ismert beporzói viszonylag nagy testű, éjszaka aktív bogarak a ganéjtúrófélék családjába tartozó Cyclocephala nemzetségből, s ezek specifikus csalogatása állhat itt a virágzat hőtermelésének hátterében. A növény olyan illatanyagot, feromont termel, amely a beporzást végző rovarok számára vonzó. Az illatanyag jobban párolog melegben, így a „fűtött” virágzat nagyobb hatékonysággal ad hírt magáról, vagyis a gyorsabb éjszakai megtalálásukat segítheti a felmelegedése. Emellett a rovarok hőérzékelő képessége is hozzájárulhat a környezetüknél lényegesen melegebb virágzatok megtalálásához, mikor a több száz méterről követett feromon nyomán már a közelébe értek.
Ki korán kel…
A szobai dísznövényről készített hőképek sikerén felbuzdulva, 2022 márciusában a foltos kontyvirágról is készítettünk éjszakai hőfényképeket. A várakozásunk ellenére az esti és éjszakai órákban nem sikerült az ezüstkard filodendron esetében a korábban megfigyelt jelenséget rögzíteni. Több alkalommal és változó virágzási fázisban lévő növények esetében egyaránt negatív eredményt kaptunk, nem tért el a virágzatok hőmérséklete a vegetatív részekétől.
Majd öt kontyvirágtövet nagy földlabdával áttelepítettünk laboratóriumi körülmények közé, hogy több napszakban tudjuk vizsgálni a virágzó növények hőmérsékleti viszonyait. Az éjszakai sikertelenséget követően a napkelte utáni időszakban és a kora reggeli órákban is készítettünk felvételeket. Ekkor sikerült a növény vegetatív részeinél látványosan magasabb hőmérsékletű virágzatokat megörökíteni. Nyilvánvaló, hogy a hőtermelés napszakos időzítése (a virágzat felfűtése) éppúgy specifikus, fajhoz kapcsolódó jellegzetesség, mint a megporzást végző rovar csalogatása. Az, hogy a foltos kontyvirág esetében a virágzati tengelynek előbb a felső része a melegebb, később pedig a termős virágok régiója, arra enged következtetni, hogy a felmelegedés időbelisége az élettani folyamatokat követi (csalogatás, megporzás, majd megtermékenyítés).
A fűtés előnyei
Azt, hogy miért termelhetnek hőt a növények, a két említett növény példája szemlélteti: ezeknél a beporzás elősegítése a cél. Annak megértésében, hogy valójában milyen úton termelődik a hő, abban a növények lebontó anyagcseréje, annak is egy speciális biokémiai útvonalának a megismerése segíthet.
A növények felépítő folyamataiból származó nagy energiatartalmú vegyületek lebontásának elsődleges útja a sejtlégzés. A ma már jól ismert és a középfokú oktatásban is tárgyalt reakciósorozatnak a végén az energia a citokróm-c oxidáz közvetítésével ATP termelődését eredményezi, ez a molekula a sejtek „energia valutájá”-nak tekinthető. A növényi sejtek energiatermelő sejtszervecskéjeként működő mitokondriumok a sejtlégzés mellett rendelkeznek egy olyan alternatív lebontási útvonallal is, ahol az elektronok szállítása elkerüli a citokróm-c oxidázt. Ennek az útnak a főszereplője az alternatív oxidáz nevű enzim, melynek működtetésekor kevesebb (vagy semennyi) ATP keletkezik, ugyanakkor több energia fordítódik hőtermelésre. A citokróm típusú és az alternatív oxidáz út tehát párhuzamosan működik, arányuk a növény élettani állapotától, pillanatnyi szükségleteitől függ.
A növények főképp a következő ismert esetekben használják ki az alternatív oxidáz hőt fejlesztő hatását, a „fűtést”, ahelyett, hogy ATP-molekulákba raktároznák a lebontásból származó energiát:
Számos növényfajnál a kifejlődő virágokban képződött hő fokozza a megporzó rovarokat vonzó illatok kibocsátását. A buroklevélből kiálló, és így könnyebben lehűlő virágzati részek átmelegedve több és gyorsabban illanó, beporzókat vonzó szaganyagot termelnek. Az alternatív légzési út egyúttal biztosítja a megporzók részére az összkomfortos fogadtatást. Evolúciós előnyt vélünk abból a jelenségből kiolvasni, hogy a csapdába került – és jól tartott – beporzók nagyobb valószínűséggel vihetik másik növényre a virágport. Ezt a kettős hatást szemlélteti az őshonos foltos kontyvirág, illetve részben a dísznövényként ismert filodedronfaj is.
A mérsékelt égöv tavaszi reggelein a növények hideg elleni védekezésében is szerepet kaphat az alternatív út. Alacsony hőmérsékleten a növények sejtlégzése károsodhat, mert egyes sejtalkotók (például a mitokondriumok) membránjai a zavartalan működéshez szükséges dinamikus (fluid) állapotukból hirtelen egy merevebb (kristályos) állapotba mennek át. Az átmeneti felmelegítésnek ilyen esetben életmentő hatása lehet.
A légzés sebességét a külső tényezők közül elsősorban a hőmérséklet szabályozza: 10 Celsius-fokonként a biokémiai folyamatok sebessége egyaránt jóval magasabb hőmérsékletű a virág többi részénél és a környezetnél az éjszakai órákban két-háromszorosára gyorsul. A helyi felmelegedés tehát hatékonyan gyorsítja az adott növényrészen és időben működő anyagcserét. Virágzáskor így lerövidülhet a kritikusan érzékeny, sérülékeny szakasz, például a sejtosztódás (meiózis) időszaka a virág porzójában. A külső stresszhatásokra adott védekezési válaszreakciókat is képes a plusz hőmérséklet hatékonyabbá tenni, ezáltal védeni a növényt.
Az alternatív oxidáz működését gyakran fokozzák a stresszhatások. Ismert, hogy az etilén serkenti az alternatív légzési út működését. A tápanyagok hiánya vagy a szárazság a reaktív oxigén-formák létrejöttét indukálják. Az alternatív légzést folytató szövetek minden esetben élénk bioszintézist folytatnak. Úgy tűnik, hogy az alternatív oxidáz út a veszélyes reaktív oxigén-formák képződésének is szabályozó útvonala lehet.
Azt tapasztaltuk tehát, hogy a kontyvirágfélék virágzásakor megfigyelt hőtermelés az alternatív oxidáz használatának egy olyan kivételesen látványos példája, amikor ez a növények életében nap mint nap működő, fontos biokémiai szabályozó útvonal az ember számára is érzékelhető és hőkamerával leképezhető formában kerül a szemünk elé.
Szinetár Csaba
ELTE SEK Biológia Tanszék, Szombathely
Keszei Balázs
Jurisich Miklós Gimnázium és Kollégium, Kőszeg
Németh László
ELTE SEK Kémia Tanszék, Szombathely
