Kodėl minkštieji koralai kaip Ksenija (xenia) pulsuoja?

 

Autorius: Šein Greiber

 

                 Mokslininkai iš Hebrajų universiteto Jeruzalėje ir Izraelio technologijos instituto „Technion“ atskleidė,  kodėl koralas Heteroxenia pulsuoja. Šių mokslininkų darbo rezultatai atskleidžia seną mokslinę mįslę,  pateiktą vieno iš PNAS leidinių.

Vienas iš įspūdingiausių ir jaudinančių spektaklių koraliniame Eilato rife   -  nepertraukiamas Heteroxenia (Hteroxenia fuscescens) čiuptuvų judėjimas. Heteroxenia -  minkštųjų koralų Xeniidae šeimos;  iš išorės koralas atrodo kaip maža puokštė gėlių, įsikūrusi  ant rifo uolienų. Iš tiesų kiekviena „gėlytė“- tai gyvas polipas. Iš tokių „gėlyčių“-  polipų susideda visa  kolonija. Akivaizdu, kad šių polipų judėjimas  atrodo elegantiškai:   atidaro ir uždaro savo „gėlių“ žiedlapius. Jų judėjimas yra unikalus reiškinys gyvūnų karalystėje.

                 Išskyrus įprastus medūzos plaukiojimo judesius  iki šiol nežinomi kiti gyvūnai, kurie  prisikabinę prie dugno ir yra pajėgūs daryti panašius judesius. Pulsavimas reikalauja energijos sąnaudų, todėl šis judėjimas turi turėti priežastį ir nešti naudą organizmui.

Nuolatiniam medūzos judėjimui vandenyje reikalingas medžiojimas ir maitinimasis.  Natūralus paaiškinimas galėtų būti:  nuostabus Heteroxenia judėjimas naudojamas medžioklei  ir maitinimuisi, tačiau keli tyrimai parodė , kad šie koralai neminta kitais gyvūnais. Jei agresyvus elgesys nėra pulsavimo priežastis, turėtų būti kitas paaiškinimas Heteroxenia didelės energijos  pulsavimų  švaistymo.

Maija Kremen rado atsakymą į šiuos klausimus  rašydama  disertaciją jūrų mokslų universitete Eilate, vadovaujama profesoriaus Amatsei Dženin iš Hebrajų universiteto ir profesoriaus Uri Šavita iš Technion  jų bendrame tyrime, organizuotame Nacionalinio fondo.

                 Po dienos ir nakties keletą kolonijų  priežiūros po vandeniu, naudojant infraraudonųjų spindulių kamerą,  tyrėjai pirmą kartą padarė neįtikėtiną atradimą: koralai Heteroxenia nustoja pulsuoti pusvalandžiui kas dieną  po pietų. Šiuo laiku tai liko neišsiaiškinta.

                 Profesoriaus Dženin ir profesoriaus Šavito laboratorijoje  mokslininkai studijuoja vandens būtybių biologinių procesų judėjimą vandenyje. Akivaizdu, kad vandens organizmai, kurie turi įtakos vandens tekėjimui,  tuo pačiu metu  jie priklauso nuo šios srovės. Norėdami išspręsti koralo Heteroxenia galvosūkį, mokslininkų komanda sukūrė specialų povandeninį matavimo instrumentą, pavadinimu PIV, kuris leidžia labai tiksliai išmatuoti lauką sraute (nuo srauto) tiesiogiai ir aplink koralą. Sistema susideda iš dviejų didelės galios lazerių, paėmimo sistemos (įvestis), vaizdo ir kompiuterinių sistemų. Specialus linzių rinkinys leidžia šviesos juostą trumpais  galingais srautais,  kad vaizdo fiksavimo sistema galėtų užfiksuoti keletą natūralių dalelių,  judančių vandens sraute. Tada kompiuterinė sistema atlieka matematinę analizę porų nuotraukų, suteikiant milžinišką duomenų bazę, kuri apskaičiuojama,  remiantis srauto greičiu, transportavimo  ištirpusių medžiagų  charakteristika ir permaišymo intensyvumu.

               Matavimai buvo atliekami naktimis su narų pagalba,  kurie pasiūlė savo paslaugas mokslininkų komandai. Buvo nustatyta, kad, jei naras švelniai paliečia koralo polipus,  jie „užsidaro“ ir taip išlieka keletą minučių, po to vėl grįžta prie pulsavimo. Tyrėjai panaudojo tokį koralo elgesį srauto srityje netoliese Heteroxenia pulsavimo ir poilsio metu. Šie matavimai  buvo pagrindas kitam mokslininkų atradimui. Vandens srauto analizė parodė, kad polipų judėjimas efektyviai nukreipia vandenį į koralo audinius ir tada priešinga kryptimi iš audinio į aplinką. Dienos metu  koralai reikalauja anglies dioksido, o naktį - deguonies; maistinės medžiagos (pvz., azotas, fosfatai) yra privalomi koralui ir dieną ir naktį. Vienas iš tikslų koralų kolonijoms yra aplinkinio vandens persimaišymas pagrindinėmis medžiagomis aplink pačius koralus.

              Sudėtingų matavimo sistemų pagalba mokslininkai galėjo apskaičiuoti vandens persimaišymo intensyvumą koralo pulsavime. Netikėtas atradimas buvo tai, kad net nesuderinamas polipų judėjimas (t.y., polipai pradeda judesį skirtingu laiko tarpu), žymiai pagerina vandens srautą aplink koloniją. Ypač išstumiamas vandens srautas,  kuris nutolina nuo koralo ir sumažina tikimybę pakartotinam  to paties vandens filtravimui.

Nepaisant to, šios išvados vis dar neturi atsakymų į klausimą ,,Kodėl koralai išnaudoja tiek daug energijos dėl savo čiuptuvų judėjimo?“ Gavę leidimą iš Izraelio valdžios institucijų, aplinkos tyrimų mokslininkų komanda išgaudė kelias kolonijas Heteroxenia, kad surengtų seriją laboratorinių ekperimentų. Po eksperimento visos kolonijos buvo grąžintos į pradinę gyvenimo vietą. Hipotezė : pulsuojantys judesiai padidina fotosintezės proceso veiksmingumą.

                 Koralai - vienas iš seniausių būtybių mūsų planetoje. Viena iš paslapčių jų gebėjime išgyventi yra ta, kad jie savo audiniuose suteikia prieglobstį  fotosintetiniams dumbliams. Simbioziniai dumbliai suteikia koralui pagrindinių maistinių medžiagų .

Per ankstesnį šių mokslininkų tyrimą (kurio rezultatai buvo paskelbti PNAS) buvo nustatyta,   kad vandens judėjimas aplink koralus yra būtinas,  siekiant pagerinti deguonies išsiskyrimą iš koralo audinių. Be vandens judėjimo  deguonies  koncentracija koralo audiniuose auga, kas ir sunkina atlikti fotosintezės procesą.

Atsakymas į šį klausimą ( „Kodėl Heteroxenia pulsuoja?“) buvo rastas laboratorinių tyrimų metu. Visų pirma, buvo matuojami pulsuojančio koralo Heteroxenia fotosintezės parodymai; jie buvo daug didesni  nei  nepulsuojančių kolonijų. Toliau, siekiant įrodyti, kad pulsavimo mechanizmas nukreiptas į deguonies išvedimą, mokslininkai dirbtinai pakėlė deguonies koncentraciją matavimo kameroje taip, kad net tada,  kai koralui pasiseka permaišyti vandenį pastoviame pulsavime prisotintame deguonies, vandenį keisdavo kitu šviežiu vandeniu. Iš tiesų buvo nustatyta, kad fotosintezės rodmenys buvo labai žemi ir net prie nepertraukiamo koralo pulsavimo, koralo deguonies koncentracija buvo didelė, o fotosintezės parodymai –žemi, taip lyg koralas būtų pilsio fazėje (t.y., nepulsuotų).

                   Elegantiški judesiai Heteroxenia sužavėjo mokslinę bendruomenę ir traukė tyrėjų dėmesį beveik 200 metų (Žanas-Baptistas Lamarkas, 1744-1829), bet nerado paaiškinimo. Dabar , atliekant tyrimus, kuriuos atliko Kremjen, Dženin ir Šavit, buvo nustatyta, kad pulsavimo judesiai gerokai padidina privalomą anglies dioksidą ir fotosintezės fermentus  RuBisCo,  kas taip pat veda fotorespiracijos sumažėjimui. Šis paaiškinimas pateisina energijos išlaidas pulsavimui, organizmo nauda nusveria išlaidas. Iš tiesų, dėka pulsavimo tarp fotosintezės ir kvėpavimo pas koralus Heteroxenia yra pats aukščiausias tarp visų kada nors matuotų rodiklių  nei pas nepulsuojančius minkštus koralus.

                    Šio tyrimo rezultatai rodo, kad pulsuojami judesiai  yra labai efektyvi priemonė,  kad pašalintų vandenį iš pulsuojančio koralo kūno, taip pat ir dėl padidinto permaišymo ištirpusių medžiagų tarp organizmų ir jų gyvenimo aplinkos. Šiuo metu ši mokslininkų grupė bando plėsti tyrimų rezultatus ir kurti matematinius modelius, kurie gali būti taikomi įvairiems tikslams.