Rośliny. Dają nam tlen, ale też mogą nas truć izoprenem

Rośliny to fundament życia na Ziemi. Dzięki fotosyntezie wytwarzają tlen, którym oddychamy, i produkują substancje odżywcze, z których korzystają wszystkie organizmy — od najmniejszych owadów po największe ssaki. Bez nich nie byłoby chleba, owoców ani warzyw, a całe ekosystemy nie mogłyby istnieć.

Jednak ewolucja wyposażyła je w chemiczny arsenał obronny. Oprócz cukrów i białek tworzą tysiące związków wtórnych — alkaloidy, terpeny czy glikozydy — które chronią je przed owadami, grzybami czy bakteriami. Większość nie szkodzi człowiekowi, ale część potrafi być groźna, wywołując zatrucia, podrażnienia skóry czy reakcje alergiczne.

Ale to nie wszystko. Te same procesy metaboliczne, które pozwalają roślinom wytwarzać toksyny obronne, produkują również związki ulatniające się do atmosfery. Niektóre z nich — jak izopren — mogą zmieniać skład powietrza, którym oddychamy, i w określonych warunkach pogarszać jego jakość.

Niewidzialna chmura nad lasem

Izopren to bezbarwny i łatwo lotny gaz organiczny, którego cząsteczka zbudowana jest z pięciu atomów węgla i ośmiu atomów wodoru (C5H8). Rośliny uwalniają go do atmosfery w naprawdę imponujących ilościach — szacuje się, że globalnie rocznie emitują około 600 mln ton tej substancji. To sprawia, że izopren jest najczęściej występującym w powietrzu lotnym związkiem organicznym pochodzenia naturalnego.

a emisja rośnie w upalne i słoneczne dni, kiedy liście pracują najintensywniej.

Choć sam izopren nie jest silnie trujący dla człowieka, to jego znaczenie ujawnia się w atmosferze. Tam staje się uczestnikiem skomplikowanej chemii powietrza. W obecności światła słonecznego i tlenków azotu (NOx) – gazów powstających głównie w wyniku spalania paliw w samochodach i fabrykach — izopren ulega utlenianiu.

Produktem tych reakcji jest między innymi ozon troposferyczny (ten „zły” ozon, znajdujący się przy powierzchni ziemi, a nie w warstwie ozonowej w stratosferze) oraz wtórne aerozole organiczne (SOA) – mikroskopijne cząsteczki unoszące się w powietrzu.

Oba te składniki są kluczowymi elementami smogu fotochemicznego. Ozon troposferyczny podrażnia drogi oddechowe, wywołuje kaszel, pieczenie oczu i może pogarszać przebieg astmy oraz przewlekłej obturacyjnej choroby płuc (POChP).

Wtórne aerozole organiczne są równie problematyczne — wnikają głęboko do płuc, a nawet do krwiobiegu, zwiększając ryzyko chorób sercowo-naczyniowych. Badania epidemiologiczne pokazują, że w gorące dni z wysokim poziomem ozonu i cząstek PM2,5 notuje się wzrost liczby hospitalizacji i przedwczesnych zgonów.

Dlatego w czystym lesie, gdzie powietrze jest wolne od nadmiaru NOx, emisja izoprenu nie stanowi problemu — gaz ulega tam rozkładowi w naturalnych procesach atmosferycznych, nie tworząc dużych ilości ozonu. Jednak w mieście, gdzie powietrze pełne jest spalin, sytuacja wygląda inaczej. Ta sama emisja, która w lesie jest neutralna, w centrum wielkiej aglomeracji może przyczyniać się do powstawania brunatnej, niezdrowej mgły fotochemicznej, będącej jednym z największych wyzwań dla jakości powietrza w XXI wieku.

Po co roślinom izopren?

Jeśli izopren w atmosferze potrafi przyczyniać się do smogu i szkodzić ludziom, naturalne wydaje się pytanie: dlaczego rośliny w ogóle go produkują? Odpowiedź leży w ich ewolucyjnej walce o przetrwanie. Rośliny nie mogą uciec przed suszą, upałem czy głodnym owadem. Zamiast tego wykształciły systemy chemicznej obrony. Jednym z takich narzędzi okazał się właśnie izopren.

Przez wiele lat naukowcy sądzili, że izopren chroni liście głównie przed wysoką temperaturą i uszkodzeniami oksydacyjnymi, czyli takimi, które powstają, gdy w komórkach gromadzą się reaktywne formy tlenu. Jednak najnowsze badania opublikowane w czasopiśmie Science Advances pokazują, że jego rola jest znacznie szersza.

W eksperymentach z roślinami tytoniu przygotowano dwie grupy: jedne potrafiły naturalnie wytwarzać izopren, inne zostały zmodyfikowane genetycznie tak, by tego nie robiły. Wyniki były jednoznaczne. Rośliny emitujące izopren były znacznie mniej atrakcyjne dla owadów roślinożernych. Larwy karmione ich liśćmi rosły wolniej, co sugeruje, że substancja utrudniała im rozwój.

Dodatkowo w roślinach emitujących izopren szybciej i silniej uaktywniał się wewnętrzny system obrony, w którym kluczową rolę odgrywa kwas jasmonowy — hormon roślinny odpowiedzialny za uruchamianie reakcji obronnych w chwili ataku.

Można to porównać do włączenia alarmu — u roślin produkujących izopren system ostrzegawczy działa sprawniej, dzięki czemu szybciej bronią się przed intruzem. Izopren nie tylko zniechęca owady do żerowania, ale też wzmacnia sygnały wewnętrzne, które pozwalają roślinie przetrwać.

W praktyce oznacza to, że izopren pełni rolę naturalnego pestycydu — substancji odstraszającej i utrudniającej rozwój szkodników. To broń chemiczna, której rośliny używają w sytuacjach stresowych, aby zwiększyć swoje szanse w nierównej walce z owadami.

Niezwykły przypadek soi

Równolegle, druga praca tego zespołu badaczy — tym razem w PNAS — przyniosła jeszcze bardziej zaskakującą obserwację: soja, uznawana za gatunek nieemitujący izopren, po zranieniu lub przegrzaniu liści potrafi uruchomić krótki, intensywny „wybuch” emisji izoprenu. Analizy in silico zidentyfikowały w genomie soi funkcjonalne geny ISPS, a testy enzymatyczne potwierdziły ich aktywność.

To tzw. kryptyczna emisja: ukryta zdolność, którą roślina aktywuje tylko w określonych sytuacjach stresowych. Co więcej, taki wybuch wiązał się z przejściowym spadkiem fotosyntezy i przewodnictwa szparkowego, co sugeruje metaboliczny koszt manewru obronnego.

Znaczenie obu prac syntetycznie ujął zespół z Michigan State University: izopren jawi się jako „własny pestycyd” roślin — ale ceną może być gorsza jakość powietrza, jeżeli emisje wzrosną tam, gdzie tło NOx jest wysokie. To trudny kompromis między odpornością upraw a smogiem.

Z punktu widzenia człowieka izopren nie jest toksyną w klasycznym sensie — nie zatruwa nas bezpośrednio. Problem pojawia się dopiero wtedy, gdy spotyka się ze spalinami w powietrzu, tworząc niebezpieczny smog.

Naukowcy eksperymentują już z takimi rozwiązaniami, ale sprawa nie jest prosta. Rośliny bez izoprenu mogą być bardziej wrażliwe na upały i owady. To oznacza, że eliminując problem dla jakości powietrza, moglibyśmy osłabić ich naturalną odporność.

Barszcz Sosnowskiego i inni truciciele

Izopren to tylko jeden z przykładów związków, które rośliny wytwarzają nie z myślą o człowieku, lecz o własnym przetrwaniu. W praktyce wiele gatunków może być dla nas niebezpiecznych. Najbardziej znanym w Polsce przykładem jest barszcz Sosnowskiego (Heracleum sosnowskyi) – roślina sprowadzona w czasach ZSRR jako potencjalna pasza dla bydła.

Okazało się jednak, że zamiast rewolucji w rolnictwie, barszcz stał się problemem zdrowotnym i ekologicznym. Jego sok zawiera furanokumaryny — związki chemiczne, które same w sobie nie muszą być bardzo groźne, ale w kontakcie ze światłem słonecznym aktywują się i powodują poważne uszkodzenia skóry. Oparzenia po barszczu Sosnowskiego często wyglądają jak poparzenia wrzątkiem, a gojenie może trwać tygodniami i pozostawiać trwałe blizny.

Nie tylko w Europie spotykamy takie rośliny. W Ameryce Północnej powszechny jest bluszcz trujący (Toxicodendron radicans) i sumak jadowity (Toxicodendron pubescens). Zawierają one substancję zwaną urushiol, która łatwo wiąże się z białkami w naszej skórze. Układ odpornościowy traktuje takie kompleksy jak zagrożenie i uruchamia silną reakcję zapalną.

Efektem są swędzące, bolesne pęcherze, które mogą pokryć duże partie ciała. Szacuje się, że na urushiol uczulonych jest nawet 80-90 procent dorosłych Amerykanów, co czyni te rośliny jednymi z najczęstszych przyczyn zatruć kontaktowych na kontynencie.

Groźna diffenbachia ...

Niebezpieczne gatunki znajdziemy również bliżej nas — we własnych mieszkaniach. Wiele popularnych roślin ozdobnych kryje w sobie toksyny, które mogą zaskoczyć nieświadomych właścicieli. Dobrym przykładem jest diffenbachia (Dieffenbachia Schott), lubiana za duże, ozdobne liście. Jej tkanki wypełnione są mikroskopijnymi igiełkami szczawianu wapnia, zwanymi rafidami. Po pogryzieniu liścia igiełki te wbijają się w błony śluzowe jamy ustnej, wywołując gwałtowne pieczenie, obrzęk, a nawet czasowe trudności z mówieniem.

Do tej listy można dopisać także rącznik pospolity (Ricinus communis), roślinę ozdobną, której nasiona zawierają rycynę — jedną z najsilniejszych znanych toksyn. Wystarczy kilka ziaren, by zagrozić życiu człowieka, ponieważ rycyna blokuje proces syntezy białek w komórkach. Nieprzypadkowo znalazła się ona na listach potencjalnych broni biologicznych.

... i tojad mocny

Nie mniej groźny jest tojad mocny (Aconitum firmum Rchb.), nazywany też „mordownikiem”. Ta pięknie kwitnąca roślina ogrodowa zawiera akonitynę, neurotoksynę zakłócającą pracę kanałów sodowych w komórkach nerwowych. Zatrucie objawia się drętwieniem, wymiotami, a w ciężkich przypadkach — zatrzymaniem akcji serca.

Kolejnym przykładem jest pokrzyk wilcza jagoda (Atropa belladonna), dawniej używana w medycynie i kosmetyce (do rozszerzania źrenic, co uchodziło za atrakcyjne). Zawiera alkaloidy tropanowe, takie jak atropina czy skopolamina, które w niewielkich dawkach działają nasennie lub rozkurczowo, ale w większych mogą prowadzić do halucynacji, majaczenia i śmierci.

Nie można zapominać o złotokapie zwyczajnym (Laburnum anagyroides), ozdobnym drzewie często sadzonym w parkach. Wszystkie jego części, zwłaszcza nasiona, zawierają cytyzynę — alkaloid o działaniu podobnym do nikotyny, który w nadmiarze prowadzi do zatrucia objawiającego się biegunką, wymiotami, a nawet zaburzeniami pracy serca.

A to wciąż nie koniec listy. Trujące są też nasiona cisu pospolitego (Taxus baccata), którego czerwone osnówki kuszą dzieci wyglądem podobnym do jagód — tymczasem igły i pestki zawierają taksol i inne toksyczne alkaloidy.

Z kolei wśród dzikich gatunków łąkowych groźna bywa szalej jadowity (Cicuta virosa), znany od starożytności, bo to właśnie jego sokiem, zawierającym cykutotoksynę, miano otruć Sokratesa.

Zielony paradoks

Rośliny dają nam życie — dostarczają tlenu i pożywienia. Ale ich ewolucyjna strategia obrony sprawia, że niektóre z nich potrafią też nas ranić lub truć. Izopren, który rośliny uwalniają, jest tego najlepszym przykładem: chroni je przed wrogami, a jednocześnie może pogarszać jakość powietrza, którym oddychamy.

Nie oznacza to jednak, że mamy bać się zieleni. Raczej powinniśmy lepiej rozumieć jej sekretną chemię i mądrzej ją wykorzystywać – tak, by czerpać z roślin życie, ale nie oddychać ich truciznami.