Tutoring Gedanensis Czasopismo Tutees i Tutorów

Tutoring Gedanensis

Czasopismo Tutees i Tutorów

Wydział Oceanografii i Geografii Uniwersytet Gdański

sierpień 2020

Tutoring Gedanensis Czasopismo Tutees i Tutorów

Zespół redakcyjny

Redaktor naczelny dr Ewa Sz ymczak (WOiG) dr hab. Lucyna Prz ybylska prof. UG

dr Beata Karpińska-Musiał (WF) dr Monika Woźniak (WZR)

Projekt okładki Agata Janas Skład i łamanie

Agata Janas Recenzenci dr Agata Błaszcz yk dr Graż yna Chaberek dr hab. Joanna Fac-Beneda prof. UG

dr Beata Karpińska-Musiał dr hab. Anita Lewandowska prof. UG

dr Anna Lizińska dr Anna Panasiuk dr Marcin Paszkuta

dr Filip Pniewski

dr hab. Lucyna Prz ybylska prof. UG dr Sylwia Śliwińska-Wilczewska

dr Monika Woźniak dr Ilona Złoch

Kontakt

Wydział Oceanografii i Geografii al. Marszałka Piłsudskiego 46 81-378 Gdynia

e-mail: tutee@ug.edu.pl www. tutee.ug.edu.pl

Spis treści

Bioinspiracja, czyli jak człowiek czerpie z natury Zofia Borowska 7

Czy rośliny wytwarzają prąd? Jan Pietrz yk 12

Biologiczna wieża Babel – o granicach pojęć i problemach neurobiologii roślin

Zofia Szlachtowska 15

Leki, suplementy diety czy żywność funkcjonalna? Weronika Wąsiak 19 Antarktyka– zanikające lodowe królestwo Patrycja Hałys 24 Plastik i jego oddziaływanie na środowisko Patrycja Jagiełowicz 29

Dodatek1. 35

Nie tylko piasek Adam Makatun 36

Wyznaczanie temperatury powierzchniowej jeziora Raduńskiego Górnego na podstawie zdjęć satelitarnych Landsat 8 Katarz yna Szkwarek 41 Czynniki kulturowe w funkcjonowaniu przedsiębiorstw sharing economy Sebastian Jędrak 46 Zróżnicowanie w zespołach międzygeneracyjnych Sz ymon Korcz 49 Kogo współcześnie zainteresuje i zainspiruje napisana podczas II wojny światowej książka

Władysława Tatarkiewicza pt. „O szczęściu”? Anna Dudycz 55

Tradycjonalizm integralny, a teozofia – korzenie, idee, symbolika Angelika Wlazłowska 58

Od redakcji

Szanowny Cz ytelniku,

Zapraszamy do lektury 12 artykułów kolejnego wydania Tutoring Gedanensis. Bieżący numer otwierają teksty studentów z Wydziału Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Pozna- niu. W dalszej części prezentowane są prace studentów Wydziału Oceanografii i Geografii, Wy- działu Ekonomicznego i Wydziału Filologicznego Uniwersytetu Gdańskiego.

Mamy nadzieję, że wszystkie teksty będą inspiracją dla studentów i nauczycieli akademickich do podejmowania wspólnych inicjatyw naukowych podczas tutoringu i dzielenia się nimi na ła- mach naszego czasopisma.

Redakcja

Tutoring Gedanensis

ISSN 2451-1862 Tutoring Gedanensis 5(1)/2020 (7-11)

Bioinspiracja, czyli jak człowiek czerpie z natury

Zofia Borowska

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Biologii, Instytut Biologii Eksperymentalnej

E-mail: zofbor1@st.amu.edu.pl

Tutor: prof. UAM dr hab. Ewa Sobieszczuk-Nowicka

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Biologii, Instytut Biologii Eksperymentalnej

Słowa kluczowe – bioinspiracja,, rozwiązania technologiczne, tensegralność, Plantoid, robot

Wprowadzenie: bioinspiracja

Przyroda ożywiona zaczęła się rozwijać na Ziemi około 4600 milionów lat temu. Okres ten nazwano biogenezą, po- nieważ zainicjował różnicowanie żywych organizmów. Od tego czasu, poprzez różne, następujące po sobie ery, niosące za sobą ekstremalne zmiany klimatyczne i prowadzące do masowych wymierań gatunków, trwa ewolucja polegająca na jak najlepszym przystosowaniu się organizmów do zmian (West-Eberhard, 2003). Człowiek jest w tej historii najmłod- szy. Stał się odrębnym gatunkiem dopiero 2,5 miliona lat temu. Ma więc za sobą najkrótszą drogę w ewolucji, ale jest gatunkiem, który może poświadczyć o własnej samoświado- mości i inteligencji. Z tego powodu bardzo wysoko stawia się w hierarchii wśród organizmów żywych. Tymczasem ro- śliny i zwierzęta pojawiły się na Ziemi wiele milionów lat wcześniej i znalazły wiele rozwiązań oraz nauczyły się do- skonale przystosowywać do zmiennych warunków środowi- ska. Człowiek zatem może uczyć się od nich i w połącze- niu z własną inteligencją czerpać ze świata natury pomysły na rozwiązania technologiczne. Niedawno naukowcy nadali temu trendowi określenie bioinspiracji.

Inspiracja rozwiązaniami adaptacyjnymi organizmów Już w pierwszych etapach swojego rozwoju czło- wiek zauważał otaczające go zjawiska przyrodnicze i fizyczne próbując je naśladować. Wyładowania elektrycz- ne podczas burz, które rozniecały ogień ogrzewający czło- wieka zainspirowały go do panowania nad tym żywiołem.

Wraz z rozwojem kultury powstawały pierwsze cywili- zacje, człowiek obserwując przyrodę budował schronie- nia najpierw dla siebie, a następnie wykorzystywał umie- jętność budowania do celów religijnych i społecznych.

W starożytności wybudował piramidy, które do dziś za- dziwiają stabilnością, trwałością i sposobem konstrukcji.

Metody wykorzystane przy tworzeniu tych budowli oparł

na prawach fizyki, które równie sprawnie działają w ota- czającym nas świecie. Jak odkryli naukowcy z Uniwersytetu w Amsterdamie, sanie z blokami służącymi do budowy pi- ramid były ciągnięte po piasku polewanym wcześniej wodą, co zmniejszając siłę tarcia i znacznie ułatwiało przesuwanie sań (Fall i in., 2014).

Prawo hydrostatyki głoszące, że jeśli na ciecz działają tylko siły powierzchniowe, to ciśnienie wywierane na ciecz zamkniętą w naczyniu jest przenoszone bez zmiany war- tości na każdy element tej cieczy i ścianki zawierającego ją naczynia wykorzystano np. do budowy prasy hydraulicznej.

Archetypowa prasa składała się z dwóch połączonych ze sobą cylindrów o różnych średnicach, wypełnionych cieczą.

W każdym z cylindrów znajdował się tłok o odmiennej po- wierzchni.

Człowieka do szukania rozwiązań technologicznych in- spirowały również rozwiązania adaptacyjne organizmów.

Wykorzystywał je do konstruowania np. tak praktycz- nych przedmiotów jak popularny rzep. Arctium lappa – ga- tunek łopianu powszechnie występujący w umiarkowanej strefie Europy i Azji. Rozprzestrzenia się on dzięki kolcom pokrywającym koszyczki kwiatowe. Kolce te wyposażone są w drobne haczyki przyczepiające się do pętelek utworzo- nych z sierści zwierząt tak trwale, że koszyczki mogą być przenoszone na duże odległości (redakcja Focus, 2012).

Oddziaływaniu roślinnych haczyków ze zwierzęcą sierścią przyjrzał się dokładnie szwajcarski naukowiec George de Mestral. Jego materiałem badawczym zostały koszyczki ło- pianu wczepione podczas spaceru w sierść jego psa. W 1955 roku Mestral opatentował rzep pod nazwą Velcro (de Me- stral, 1955). Wykorzystał do jego konstrukcji dwie nylono- we powierzchnie zaopatrzone w system haczyków i pętelek, które po zaczepieniu dają trwałe połączenie (Ryc. 1).

w świecie organizmów miało miejsce również przy wyna- lezieniu syntetycznej taśmy gecko, czyli polimerowego ma- teriału pokrytego szeregami nanorurek węglowych w ukła- dzie odwzorowującym rozmieszczenie wypustek na łapie gekona. Łapy tego małego gada zaopatrzone są w bardzo liczne, rozwidlające się wypustki zwane szczecinkami, umożliwiające szybkie i trwałe przytwierdzanie do podło- ża. Szczecinki składają się ze sztywnych włókien keratyny o właściwościach hydrofobowych (redakcja Focus, 2012) Ta obserwacja pozwoliła na opatentowanie taśmy o podob- nych właściwościach i funkcjach, która sprawdza się lepiej w niesprzyjających warunkach mechanicznych (siły ścinają- ce) niż dotychczasowe taśmy polimerowe. Dzięki układowi nanorurek na powierzchni taśmy jest ona w stanie oprzeć się siłom ścinającym o wartości 36 N/cm², 4-krotnie przewyż- szającej możliwości, jakie mają łapy gekona (Ge i in., 2007).

Ryc. 1. Struktura rzepa pod mikroskopem. Przybliżenie ok. 100 x [1]

Kształt samolotu jest kolejnym przykładem bioinspiracji.

Inspirowany jest budową ptaków poruszających się w po- wietrzu. Ptaki przystosowały się do lotu wykształcając opły- wowy i bardzo ergonomiczny kształt korpusu oraz pióra, co pozwoliło na zmniejszenie oporów powietrza i na jego swo- bodny przepływ wzdłuż ciała ptaka (Durrani i Kalaugher, 2017). Obserwując samoloty można zauważyć analogię w ich budowie do wyglądu ptaka w postaci wąskiego dzioba i bra- ku wystających elementów. Samoloty mają dużą, gładką po- wierzchnię nie stanowiącą oporu dla przepływu powietrza.

Także konstrukcja skrzydeł samolotu przypomina tę ptasią i może dzięki temu wykorzystywać do lotu siłę nośną po- wstającą na skutek ruchu powietrza względem odpowiednio wyprofilowanych skrzydeł, nachylonych względem kierunku lotu pod pewnym kątem, zwanym kątem natarcia (Durrani i Kalaugher, 2017).

Kolejnym przykładem rozwiązania płynącego z natury jest pianka poliuretanowa, dla której stworzenia inspiracją był plaster miodu. Pianki dzięki swojej strukturze wzoro- wanej na tym wytworze pszczół mają doskonałe właści- wości termoizolacyjne oraz izolują akustycznie. Ponadto są wytrzymałe na szerokie spektrum temperatur (od -60°C do +100-130°C) (Kuhn i in., 1992).

Dobrym przykładem na to, jak człowiek stosuje techno- logie opierające się z kolei na wykorzystywanych prawach fizyki, przez inne niż on sam, organizmy są konstrukcje bazujące na zjawisku tensegralności. Nazwa pochodzi od angielskiego tension, czyli napięcie oraz integrity – całość. Zja-

rionty. Polega na połączeniu struktur sztywnych i nieściśli- wych z elementami odpornymi na rozciąganie, co zapewnia stabilizację całej struktury. Dzięki równoważeniu się napięć między elementami, mogą one tworzyć wytrzymałą całość.

Właśnie taki jest szkielet komórki. Wchodzące w jego skład mikrotubule (elementy nieściśliwe) są połączone z cytosz- kieletem aktynowym w formie gęstej sieci cienkich struktur.

Zestawienie to zapewnia niezwykłą wytrzymałość i stabil- ność całej „konstrukcji”, jaką jest komórka (Ingber, 2003).

Architekci zainspirowani tym rozwiązaniem stworzyli bu- dynki, których konstrukcja oparta jest na zjawisku tense- gralności. Takie budowle jak piramida Luwru (Batista, Vel- lasco, Lima, 2015), Stadion Olimpijski w Monachium (Ryc.

2) (Gilewski i in., 2015), czy ogród botaniczny Eden Pro- ject w Wielkiej Brytanii (Pearman i in., 2003) mają wspól- ną cechę – połączono w ich konstrukcji sztywne elementy z cieńszymi, odpornymi na rozciąganie, takimi jak szkło.

Ryc. 2. Tensegralna konstrukcja przekrycia dachu Parku Olimpijskiego w Monachium [2]

Technologia ta ma również zastosowanie w przed- miotach codziennego użytku, na przykład oponie. Do jej konstrukcji użyto gumy jako materiału nieściśliwego oraz wypełniającego ją powietrza odpornego na rozciąganie.

Osobno te elementy byłyby bezużyteczne i nie spełniłyby swojego zadania, jednak w połączeniu dają strukturę niesa- mowicie wytrzymałą. Są w stanie udźwignąć ciężar ponad- tonowego pojazdu (Oliveira, Skelton, 2009).

Inną inspiracją człowieka jest soczewka ludzkiego oka.

Soczewka jest wypukłą, przejrzystą formą mającą tę właści- wość, że skupia rozproszone promienie świetlne na siatków- ce, czyli warstwie światłoczułych komórek przekazujących sygnały do mózgu, co umożliwia widzenie (Horne, 1976).

Proces ten zaobserwowano i wykorzystano między inny- mi w fotografii. Stworzono przyrząd optyczny imitujący strukturę w oku ssaka – szklaną soczewkę. Podobnie ma ona zakrzywioną powierzchnię roboczą. Strona, na którą pada światło jest wypukła, co umożliwia skupianie promie- ni. Obserwacja ta została poczyniona przez człowieka już 3600 lat temu w starożytnej Troi. W wykopaliskach na tych terenach odnaleziono wypukłe, wykonane z kryształu gór- skiego oszlifowane przyrządy. Podobne przyrządy, ale o ty- siąc lat młodsze, znaleziono w asyryjskiej Niniwie (Plantzos, 1997). Pisane źródła historyczne, takie jak przekłady opi- sów Pliniusza Starszego, potwierdzają zastosowanie tego przedmiotu również w starożytnym Rzymie. Wspomniany jest oszlifowany szmaragd służący cesarzowi Neronowi przy

oglądaniu walk na arenie (Pliniusz Starszy, 1857). Angielski mnich Roger Bacon w 1267 pisał w swojej pracy: Epistola de secretis operibus artis et naturae „Prz yrząd taki byłby poż yteczny dla ludzi w podeszłym wieku oraz tych, którz y mają słaby wzrok”

(Bacon, 1859). Soczewka znalazła zastosowanie jako przy- rząd do czytania wraz z rozwojem druku, by później zostać udoskonalona do formy binokli i okularów. W 1608 roku soczewka posłużyła holenderskiemu optykowi Hansowi Lippershey do konstrukcji teleskopu, który później udo- skonalił i szerzej wykorzystał włoski astronom Galileusz (Bell, 1922). Właściwości camera obscura, przyrządu zbu- dowanego z poczernionego wewnątrz pudełka z niewielkim otworem w jednej ścianie i matowym materiałem na prze- ciwległej, opisał arabski matematyk Alhazen z Basry (1572).

Urządzenie udoskonalono później, gdy w 1550 roku Giro- lamo Cardano otwór zastąpił soczewką, która umożliwiła jeszcze lepsze skupienie światła (Gernsheim, 1986). Tak jak historia fotografii jest długa i obejmuje wiele innych udosko- naleń, tak wszystkie współczesne aparaty mają w budowie obiektywu soczewkę.

Idea bioinspiracji poszerza się wciąż do tego stopnia, że naturalne procesy zachodzące w ludzkim organizmie są sztucznie odwzorowywane, by wspomóc na przykład regene- rację kości. W tym celu czerpie się mechanizmy wykształco- ne przez naturę i zamyka się je w formie biodegradowalnego hydrożelu wstrzykiwanego w miejsce złamania, co wspiera odbudowę tkanki. Hydrożel ma w swoim składzie trójwy- miarowe rusztowanie usztywniające macierz zewnątrzko- mórkową oraz dostarcza czynników wzrostu promujących regenerację. Wspomaga to endogenną, czyli uwarunkowa- ną wewnętrznie odbudowę kości, ale może także przyczy- niać się do różnicowania osteoprogenitorów, tak zwanych osteoblastów, czyli komórek kościotwórczych, kluczowych dla wzrostu i rozwoju tego rodzaju tkanki. Komórki te wy- twarzają część organiczną macierzy kostnej (tzw. osteoidu) i odkładają fosforany wapnia. Innowacyjny materiał, na- zwany peptydoamin, opracowany został przez naukowców z finansowanego przez UE projektu: Molecular design of biologically inspired soft materials for hard tissue regene- ration (http://molecular design of biologically inspired soft materials for hard tissue regeneration, 2014). Do stworzenia peptydoaminu użyto biofosfonianów. Wykazują one duże powinowactwo do jonów wapniowych w hydroksyapatycie, głównym składniku istoty międzykomórkowej kości. Są zanurzone w politlenku etylenu, a uzyskany w ten sposób hydrożel wykazuje odpowiedź na działanie wapnia i dzięki temu doskonale imituje tkankę i wspomaga procesy natu- ralnie w niej zachodzące. Fakt, jak sprawdzone są mechani- zmy zaproponowane przez naturę, zweryfikowano podczas prób zastąpienia jonów wapnia innymi dwuwartościowmi jonami, które słabiej indukowały kościotworzenie. Na ko- rzyść nowoczesnego materiału przemawia także fakt, że w próbach nie zahamował on aktywności osteoklastów (ko- mórek kościogubnych) oraz nie wykazał cytotoksyczności w stosunku do nich, co mogłoby przyczynić się do nadak- tywności i zaburzenia równowagi w odtwarzaniu się kości.

Od androida do plantoida

Człowiek od początku swojego istnienia czerpał rozwią- zania z natury odwzorowując mechanizmy zaobserwowane w przyrodzie. Podczas gdy prwa rządzące światem mierzy swoją miarą i w antropomorficznym wymiarze postrzega rzeczywistość, rośliny mają mu do zaoferowania zupełnie inny system rozwiązań. Niedoceniany świat roślin dostar- cza nam biopolimerów i biokomponentów paliw pocho- dzenia roślinnego wyprodukowanych w ilości ponad 130 tys. ton w 2015 roku wg szacunku OECD-FAO (Bory- chowski, 2012). Zaletą tych komponentów jest ich odna- wialne źródło, podczas gdy 95% zapotrzebowania ener- getycznego zaspokajają paliwa kopalne, których zasoby są ograniczone (Agarwal, 2007). Ponadto, czerpanie energii z roślinnej masy nie generuje tak ogromnego śladu węglo- wego i szkodliwych gazów jak paliwa kopalne. Ważną dla nas cechą roślinnych materiałów jest też ich biodegrado- walność, czyli możliwość mikrobiologicznego rozkładu i ponownego włączenia w cykl obiegu materii. Jest to bar- dzo istotne w czasie gdy po oceanie dryfuje wielka pacy- ficzna plama śmieci złożona z niezagospodarowanych od- padów - syntetycznych polimerów, zajmująca powierzchnię 1,6 miliona km² (Lebreton i in., 2018), co stanowi prawie 3-krotną powierzchnię Francji (Liu, 2018).

Rośliny przyjmują również inną strategię reakcji na zmienne bodźce środowiska. Obejmuje ona rozproszony system odbioru i przetwarzania bodźców, oparty na współ- pracy między poszczególnymi częściami organizmu roślin- nego. Nie ma tu centralnego sterowania reakcją.

Robot, słowo inspirowane fantastycznonaukowym utworem R.U.R. Rossum’s Universal Robots (1923), zostało użyte po raz pierwszy przez czeskiego dramaturga Karela Čapka. Począwszy od premiery utworu w 1921 roku, upo- wszechniany zaczął być obraz robota jako repliki człowieka, humanoidalnej, mechanicznej postaci wykonującej ciężką automatyczną pracę. Jednak idea ta przyświecała już Le- onardowi da Vinci, który w 1495 roku opracował plan au- tomatu ludzkiego pokroju. Idea autonomicznego robota-in- sekta, została zobrazowana ostatnio w odcinku Znienawidzeni popularnego serialu Czarne lustro (2011) przedstawiającego w krzywym zwierciadle rzeczywistość, która może nadejść wraz z rozwojem technologii. W czasach, gdy przez niszczy- cielską działalność człowieka wymiera populacja pszczół, te pożyteczne zwierzęta zostają zastąpione przez społeczność insektycydów. Jednak, jak się okazuje, skrywają swoją ciem- ną stronę i przez luki w ich systemowych zabezpieczeniach można je wykorzystać do szerzenia zła.

Jednak jeśli wyobrażenie robota jako androida czy insek- tycyda niesie za sobą pozytywne przesłanki, które ułatwia- ją człowiekowi pracę, to zupełnie pomijany lub nawet nie dostrzegany jest potencjał rośliny jako pierwowzoru robota.

Wzorowanie automatów na roślinach stwarza zupełnie nowe perspektywy ze względu na ich unikalne cechy.

Mają niskie zapotrzebowanie energetyczne, budowę modu- łową, wykonują pasywne ruchy, a ich wzrost jest ukierun- kowany (Mancuso, 2018). Tryb życia wielokomórkowych roślin jest osiadły. Wiąże się z tym duża elastyczność ewo- lucyjna. Nauczyły się wysoce precyzyjnie i skutecznie do-

stosowywać do zmian warunków środowiska. Elastyczność w życiu osobniczym zawdzięczają ruchom wzrostowym pozwalającym w ukierunkowany sposób reagować na bodź- ce. Niezwykle rozbudowany system korzeniowy zapewnia stabilność w podłożu, ale także skutecznie pobiera wodę z solami mineralnymi dzięki włośnikom wielokrotnie zwięk- szającym powierzchnię absorpcji. Duży potencjał stanowi modułowa budowa i powtarzalność modułów roślin. Po- jedyncza multipotencjalna komórka zawiera zestaw genów, dzięki którym jest zdolna odtworzyć cały organizm macie- rzysty. Właściwość tę zaobserwował już francuski przyrod- nik Jean-Henri Fabre, pisał on: „U zwierząt podział oznacza w większości prz ypadków śmierć, u roślin natomiast rozmnożenie”

(1916). Z genetycznego punktu widzenia organizm rośliny nie stanowi indywiduum, ale raczej „kolonię” wielu powta- rzalnych jednostek. Z perspektywy robotyki stwarza to szan- sę na wydłużoną żywotność zespołu podjednostek w porów- naniu do samodzielnych indywiduów. Stworzono struktury autonomiczne, to znaczy wykorzystujące mechanizmy inspi- rowane roślinami, ale także potrafiące czerpać informacje z otoczenia i ukierunkowanie działać w odpowiedzi na nie, co jest już wyższym stopniem specjalizacji takich urządzeń.

Połączenie tych cech zostało zastosowane w robocie – –Plantoidzie, który naśladuje zachowanie roślin. Do stwo- rzenia nazwy posłużyła fuzja dwóch słów oddająca charak- ter urządzenia: plant (z ang. roślina) i eídos (z gr. wygląd, for- ma). Ojcem Plantoida (Ryc. 3) jest Stefano Mancuso, autor książki Rewolucyjny geniusz roślin (2018), którego zafascynował potencjał drzemiący w roślinach. Spróbował połączyć cechy je wyróżniające i zastosować w autonomicznym urządzeniu.

Jego idea znalazła poparcie w osobie Barbary Mazzolai, ro- botyczki z Włoskiego Instytutu Technologii, która zajęła się techniczną stroną przedsięwzięcia. Ich projekt zakładał stworzenie robota naśladującego czynność rośliny i przypo- minającego ją wyglądem.

Podstawową funkcją robota miałby być wzrost “korzeni”

oparty na energii dostarczanej przez inne części automatu, a akumulowanej w sposób również inspirowany procesami przeprowadzanymi przez roślinny organizm. Mancuso i Ma- zzolai twierdzą, że urządzenie doskonale sprawdziłoby się w surowych warunkach Marsa. Dzięki odtworzeniu przy- stosowań rośliny-roboty “miały by się rozprzestrzenić na Czer- wonej Planecie i zapuścić korzenie w jej podłożu. Mogłyby w ten sposób badać glebę, podczas gdy ogniwa fotowoltaiczne w nadziem- nych pseudoliściach zaopatrywałyby je nieustannie w prąd”, pisze Mancuso w swojej książce (Mancuso, 2018). W pracy nad Plantoidem powstało techniczne wyzwanie konstrukcji “ko- rzenia”, którego wzrost i działanie miałyby wzorować się na roślinnych rozwiązaniach. Naturalny mechanizm opiera się na dwóch procesach: podziale komórek merystematycz- nych stożka wzrostu korzenia oraz wydłużaniu komórek w strefie elongacji. Skonstruowany przez Mancuso i Mazzo- lai sztuczny korzeń imituje te procesy. W konstrukcie został wbudowany zbiornik z tworzywem dostarczającym materia- łu budującego “korzeń” oraz przyspieszeniomierz, czujnik wilgotności, czujniki chemiczne i siłowniki osmotyczne, dzięki którym udało się odtworzyć zdolności sensoryczne korzenia. Procesy integruje zainstalowany mikrosterownik,

naturalnego zachowania korzenia, czyli penetracji podło- ża (Russino i in., 2013). Problem “fabryk”, jakimi są liście udało się rozwiązać dużo łatwiej. Zaopatrzono “roślinę”

w ogniwa fotowoltaiczne dostarczające energii do zacho- dzenia wszystkich procesów przy wykorzystaniu światła (Mancuso, 2018). Plantoidy mogą znaleźć zastosowanie na przykład w eksploracji innych planet, dzięki wykorzy- staniu podstawowej właściwości roślin, jaką jest zdolność do wykształcania przystosowań w surowych warunkach.

Jako organizmy pionierskie funkcjonują w wysoce nieprzy- jaznych okolicznościach rozwijając strategie przetrwania.

Tego typu urządzenia sprawdzą się też przy odkrywaniu gruntów nadających się pod uprawy np. w rejonach pustyn- nych, gdyż roboty te skuteczniej niż inne urządzenia po- trafią wskazywać skażenie chemiczne gleby, zdeponowane w niej składniki odżywcze oraz źródło wody. Pojawił się nawet pomysł wykorzystania ich w medycynie np. w formie elastycznego endoskopu, który delikatnie poruszałby się we- wnątrz ciała nie powodując podrażnień i uszkodzeń tkanek.

Ryc. 3. Konstrukcja Plantoida autorstwa S. Mancuso i B. Mazzolai [3]

Podsumowanie

Wszystkie przytoczone powyżej przykłady doskonale ilu- strują jak człowiek od początku swojego istnienia inspirował się przyrodą. Organizmy w toku ewolucji wykształciły wiele przystosowań umożliwiających im przetrwanie w zmien- nym środowisku. Kolejni konstruktorzy czerpali pomysły od roślin, zwierząt oraz zjawisk fizycznych stojących u pod- staw funkcjonowania tych organizmów, konstruując na- rzędzia opierające się na rozwiązaniach natury. Tworzone urządzenia i materiały znalazły już dawno zastosowanie w technice, przedmiotach codziennego użytku, transporcie,

medycynie, budownictwie, architekturze, a dziś w eksplora- cji kosmosu. Można śmiało stwierdzić, że bioinspiracja ode- grała i wciąż odgrywa znaczącą rolę w rozwiązaniu ludzkich technicznych problemów. Człowiek od momentu swojego pojawienia się na Ziemi, konstruując własne technologie, podglądał naturę.

Literatura

Agarwal, A. K., 2007. Biofuels (alcohols and biodiesel) ap- plications as fuels for internal combustion engines. Pro- gress in Energ y and Combustion Science, 33 (3), 233-271. ht- tps://doi.org/10.1016/j.pecs.2006.08.003.

Alhazen z Basry, 1572. Opticae Thesaurus Alhazeni Arabis libri septem,…, redakcja Friedrich Risner, Basel; wznowione Nowy Jork, 1972.

Bacon, R., 1859. Fr. Rogeri Bacon Opera Quaedam Hactenus Ine- dita, redakcja J. S. Brewer, Nowy Jork, Cambridge Uni- versity Press.

Batista, E., Vellasco, P., Lima, L., (red.), 2015. Tubular struc- tures XV: Proceedings of the 15th International Symposium on Tubular Structures, Leiden, CRC Press Inc.

Bell, L., 1922. The telescope, Boston, Library of Alexandria.

Borychowski, M., 2012. Produkcja i zużycie biopaliw płyn- nych w Polsce i na świecie - szanse, zagrożenia, kontro- wersje. Roczniki Ekonomiczne Kujawsko-Pomorskiej Szko- ły Wyższej w Bydgoszcz y, 5, 39-59. [za:] Organisation for Economic Co-operation and Development – Food and Agriculture Organization, 2011. Agricultural Outlook 2011–2020. Paris, OECD Publishing.

Čapek, K., 1923. R.U.R (Rossum’s Universal Robots), przekład Paul Selver, Garden City New York, Double Doubleday, Page & Company.

Czarne lustro, sezon 3, reż. Ch. Brooker, wyst. J. Plemons, C.

Milioti, J. Simpson, Netflix, 2011.

Durrani, M., Kalaugher, L., 2017. Kudłata nauka, Kraków, Społeczny Instytut Wydawniczy “Znak”.

Fabre, J. H., 1916. Z ż ycia owadów. Pisma wybrane z „Souvenirs entomologiques”, przekład Zofia Z. Bohuszewiczówna, Ma- ria Górska, Warszawa, Henryk Lindenfeld. Skład Głów- ny u E. Wendego i S-ki.

Fall, A., Weber, B., Pakpour, M., Lenoir, N., Shahidza- deh, N., Fiscina, J., Wagner, C., Bonn, D., 2014. Sli- ding Friction on Wet and Dry Sand. Physical Review Letters, 112 (17), 175502. doi: https://doi.org/10.1103/

PhysRevLett.112.175502.

Ge, L., Sethi, S., Ci, L., Ajayan, P. M., Dhinojwala, A., 2007.

Carbon nanotube-based synthetic gecko tapes. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of Ame- rica, 104 (26), 10792-10795. doi: https://doi.org/10.1073/

pnas.0703505104.

Gernsheim, H., 1986. A Concise History of Photography, Nowy Jork, Dover Publications.

Gilewski, W., Kłosowska, J., Obara, P., 2015. Applications of tensegrity structures in civil engineering. Procedia En- gineering, 111, 242-248. doi: 10.1016/j.proeng.2015.07.084.

Horne, D. F., 1976. Lens mechanism technolog y, Uniwersytet Michigan, Crane, Russak.

Ingber, D. E., 2003. Tensegrity I. Cell structure and hierar- chical systems biology. Journal of Cell Science, 116 (7), 1157-

1173, doi: 10.1242/jcs.00359.

Kuhn, J., Ebert, H. P., Arduini-Schuster, M. C., Büttner, D., Fricke, J., 1992. Thermal transport in polystyrene and polyurethane foam insulations. International Journal of Heat and Mass Transfer, 35 (7), 1795-1801. doi: https://doi.or- g/10.1016/0017-9310(92)90150-Q.

Lebreton, L., Slat, B., Ferrari, F., Sainte-Rose, B., Aitken, J., Marthouse, R., Hajbane, S., Cunsolo, S., Schwarz, A., Levivier, A., Noble, K., Debeljak, P., Maral, H., Schoene- ich-Argent, R., Brambini, R., Reisser, J. (2018). Evidence that the Great Pacific Garbage Patch is rapidly accumu- lating plastic. Sci Rep, 8:4666. https://doi.org/10.1038/

s41598-018-22939-w.

Liu, M., 2018. Great Pacific Garbage Patch now three times the size of France. [online], https://edition.cnn.com/2018/03/23/

world/plastic-great-pacific-garbage-patchintl/index.

html [Dostęp:11.05.2020]

Mancuso, S., 2018. Rewolucyjny geniusz roślin, Wrocław, Wy- dawnictwo Bukowy Las.

de Mestral, G., patent amerykański, US2717437A, Wrzesień 13, 1955.

Molecular design of biologically inspired soft materials for hard tissue regeneration, 2014. FP7-PEOPLE - Specific programme

„People” implementing the Seventh Framework Pro- gramme of the European Community for research, technological development and demonstration activities (2007 to 2013).

Oliveira, M. C., Skelton, R. E., 2009. Tensegrity Systems, Nowy Jork, Springer Science & Business Media.

Pearman, H., Grimshaw, N. i partnerzy, Whalley, A., 2003.

The architecture of Eden, Uniwersytet Kalifornijski, Eden Project Books in association with Grimshaw.

Plantzos, D., 1997. Crystals and Lenses in the Graeco-Ro- man World. American Journal of Archaeolog y, 101 (3), 451- 464. doi: 10.2307/507106.

Pliniusz Starszy, 1857. The Natural History of Pliny, Tom 6, przekład John Bostock, Henry Thomas Riley, Londyn, H. G. Bohn.

Redakcja Focus, 2012. Z natury nowoczesne [online], https://

www.focus.pl/artykul/z-natury-nowoczesne [Dostęp:

01.08.2019]

Russino, A., Ascrizzi, A., Popova, L., Tonazzini, A., Man- cuso, S., Mazzolai, B., 2013. A novel tracking tool for the analysis of plant-root tip movements. Bioinspiration

& Biomimetics, 8 (2). doi: https://doi.org/10.1088/1748- 3182/8/2/025004.

West-Eberhard, M. J., 2003. Developmental Plasticity and Evolu- tion, Oksford, Oxford University Press.

[1] Rys. Borowski, K., 2020.

[2] Rys. Borowski, K., 2020.

[3] Rys. Borowski, K., 2020 na podstawie Innovative Robotic Artefacts Inspired by Plant Roots for Soil Monitoring.

https://www.plantoidproject.eu/ [Dostęp: 21.06.2020]

Notka o Autorce

Obecna studentka II roku biotechnologii Wydziału Biologii UAM. Jej zaintere- sowania koncentrują się wokół ścisłych nauk: biologii molekularnej i fiz yki. Esej powstał w wyniku współpracy z Tutorką, wobec której autorka wyraża wdzięczność za wkład czasu w pracę nie tylko nad tekstem, w ramach programu KRAB na WB.

Autorka dziękuje także Autorowi rysunków, które zostały stworzone specjalnie

Tutoring Gedanensis

ISSN 2451-1862 Tutoring Gedanensis 5(1)/2020 (12-14)

Słowa kluczowe - biotechnologia, bioelektryka roślin, biofotowoltaika , fiz jologia roślin

W dobie bardzo krytycznego podejścia do nieodnawial- nych źródeł energii oraz promowania tzw. ,,zielonej ener- gii” tj. takiej, która powstaje ze źródeł odnawialnych, rodzi się pytanie o konkretne opcje uniknięcia zanieczyszczenia przy jednoczesnym zapewnieniu energii ludzkości na świe- cie. Niektóre pomysły zdają się być kosztowne, inne z kolei mało efektywne, a od kiedy w dany temat angażują się coraz mocniej różni politycy oraz aktywiści sprawa staje się coraz bardziej zawiła. Co zatem z postawionym wyżej tytułowym pytaniem? Czy jest rozwiązaniem tego węzła gordyjskiego?

Odpowiedź zda się być mniej ambitna i bardziej skom- plikowana od jakże doniosłego, a zarazem bezpośredniego pytania. Zacznijmy od samej definicji tego, czym dokładnie jest prąd. Jest to uporządkowany przepływ ładunków elek- trycznych. Aby był uporządkowany musi wystąpić zazwyczaj jakiś bodziec działający na te ładunki. Czy znajdziemy coś takiego u roślin? Najłatwiej i najbardziej wyraźnie udaje się coś podobnego zauważyć w „fazie jasnej” fotosyntezy, kiedy to strumień fotonów lecący od ponad ośmiu minut z naszej gwiazdy dociera w końcu do chloroplastów i fotoukładów w ich tylakoidach. Należy pamiętać, że fotosynteza ma miej- sce również np. w łodygach, ale też w niedojrzałych owo- cach lub niektórych kielichach kwiatów, co łatwo poznać po ich zielonym kolorze - nie tylko liście odpowiadają za ten magiczny proces. Czym zatem jest fotosynteza? Po dotar- ciu do takiego fotosystemu, kwanty światła powodują swego rodzaju łańcuch zdarzeń. Mianowicie wzbudzają elektrony w zewnętrznej części fotoukładu, które wzbudzają z kolei następne. Po dotarciu tej fali do centrum aktywnego dopie- ro stamtąd elektron jest wybijany i transportowany dzięki plastochinonom i cytochromom dalej. Z kolei zgromadzone aktywnie (również dzięki plastochinonom) po przeciwnej stronie błony tylakoidu protony wodorowe tworzą „prze- ciwny ładunek” w tym układzie. Przepływ protonów (po-

Czy rośliny wytwarzają prąd?

Jan Pietrzyk

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Biologii E-mail: jan.pietrz yk@protonmail.com

Tutor: dr Małgorzata Adamiec

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Wydział Biologii, Zakład Fiz jologii Roślin

chodzących m. in. z wody) oraz elektronów biorących udział w tej operacji jest ze sobą sprzężony, przy czym elektrony napędzają pompę protonową (Berg i in., 2009). Zatrzymaj- my się tu na chwilę - łatwo jest nam zauważyć, że powstała różnica potencjałów, która jest „sztucznie”, wbrew układo- wi powiększana. Z reguły przekory i reguły maksymalizacji entropii wiemy, iż układ dąży do maksymalnej równowagi energetycznej, tym bardziej, im mocniej działa się wbrew owej równowadze. Nie musimy się martwić - na szczęście istnieje syntaza ATP, która niczym wentyl bezpieczeństwa

„wypuszcza” jony wodorowe zgodnie z gradientem stężeń.

Wykorzystując potencjał gradientu elektrochemicznego, za- mieni go w zmagazynowaną energię w wysokoenergetycz- nym, trzecim już, wiązaniu grupy fosforanowej z pozostałą częścią cząsteczki ATP (Berg i in., 2009). Ileż praw biolo- gicznych, chemicznych i wreszcie fizycznych zostało tu opi- sanych! A mówimy przecież o idealnym układzie, na który nie działają żadne pozostałe czynniki, pomijamy pozostałe kwestie i de facto zajmujemy się technicznym wycinkiem mikroczasu i mikroprzestrzeni. Nie popadajmy jednak w za- chwyt - co z odpowiedzią na główne pytanie? Specjalnie podkreślone przeze mnie wyżej słowa „potencjał” i „zma- gazynowana energia” świadczą o uzyskaniu z różnicy po- tencjałów konkretnej porcji energii, wykorzystanej do utwo- rzenia wysokoenergetycznego wiązania chemicznego., czyli zmagazynowanej energii. Jest to tylko tyle i aż tyle. Prąd zatem powstaje - istnieje bowiem uporządkowany przepływ ładunków elektrycznych (tutaj - jonów H⁺ oraz elektronów), a różnica potencjałów tworzy - wg naszych standardów - bardzo niewielkie napięcie.

Zdawałoby się, że na tym poprzestaniemy i zostawimy temat przewodnictwa prądu w roślinach w tym miejscu.

Nie byłoby to jednak w porządku wobec innego procesu, który zachodzi w komórkach m.in. roślinnych, a konkret-

nie - w mitochondriach. Proces, który tam ma miejsce, jest również występującym u nas procesem, dzięki któremu np. gałki oczne Czytelnika mogą regularnie poruszać się za tekstem - warunkuje to praca mięśni skośnych w gałce ocznej, a ich zdolność bierze się z procesu zachodzącego w mitochondriach z tzw. oddychania komórkowego. które syntetyzuje ATP i dzięki temu pośrednio dostarcza energii komórkom. Zmagazynowana energia pod tą postacią jest wykorzystywania do wielorakich działań wymagających jej doprowadzenia. Możemy zatem powiedzieć, iż są to nieja- ko ,,mikroelektrownie” organizmów. Zasada działania jest tutaj podobna, jak w chloroplastach. Podczas jednej z faz oddychania komórkowego, a mianowicie podczas tzw. fos- forylacji oksydacyjnej, również wykorzystywana jest różni- ca potencjałów do wytworzenia energii pod postacią ATP (Berg i in., 2009). Te zbieżności nie mogą zostać pominięte, jednak w tym wypadku napięcie również jest względnie bar- dzo niewielkie. Na marginesie można dodać, że oddycha- nie komórkowe jest jednak nieco mniej skomplikowanym niż fotosynteza procesem (np. brak fotoukładów i skompli- kowanych procesów występujących między nimi, związki nieorganiczne jako produkty, brak uzależnienia oddycha- nia komórkowego od światła i od konkretnej długości fal świetlnych) (Szweykowska, 1999).

Uważam jednak, że trudno byłoby uznać rośliny za ja- kieś źródło prądu. Według mojej wiedzy również ani go nie przechowują, ani tym bardziej aktywnie z niego nie korzy- stają na poziomie wyższym niż komórkowy. Podobnie jest zresztą ze zwierzętami. Różni je jednak bardzo istotna rzecz - potrafią one aktywnie wykorzystywać sprawny, momental- nie regulujący się i reagujący oraz skomplikowanie scalony układ receptorów i efektorów wplecionych w odpowiednio skonstruowaną tkankę nerwową do aktywnego reagowania na bodźce (czyli układ nerwowy). Dzięki temu układowi funkcjonalno-strukturalnemu m.in. krążkomeduza może odbierać proste bodźce świetlne i mechaniczne i jest w sta- nie porażać swą ofiarę parzydełkami. U roślin zaś brak jest takiego układu, w większości wypadków wszelki ruch lub reakcje na bodźce związane są z dwoma mechanizmami (u podstawy których leżą hormony roślinne), a mianowicie z turgorem oraz z mechanizmem wzrostowym.¹ Reakcja u nich jest zatem warunkowana chemiczno-mechanicznym czynnikami, nie zaś elektrycznym. Chciałbym tutaj uniknąć nieporozumień i doprecyzować pewną kwestię: moja - jakby nie patrzeć - subiektywna ocena bierze się z ciężaru słowa

„wytwarzać”. Brzmi ono bardzo górnolotnie, dodatkowo odnosi się w tym wypadku do roślin ogólnikowo, a nie do procesów fotosyntezy lub oddychania komórkowego jako takich. Ponadto, kojarzy mi się ono, jeśli nie z przemysłową produkcją, to na pewno z czynną, przemyślaną lub uporząd- kowaną kreacją na większą skalę, a nie z wykorzystywaniem

1 Jednakże niektóre reakcje na konkretne zjawiska mają nieco podobną formę do tych występujących u zwierząt. Dobrym przykładem jest tutaj reakcja na zmianę położenia względem ziemskiej grawitacji - amyloplasty działające jako statolity w komórkach roślinnych powodują ucisk siateczki śródplazmatycznej, co przekłada się na zmianę potencjału elektrycznego w błonie komórki i wywo- łuje odpowiednią reakcję (tzw. grawitotropizm) (Szweykowska, 1999). Ponadto badane są również reakcje roślin na stres. Są one powiązane z rozprowadzaniem jonów wapnia od miejsca, którego doświadczyło silnego bodźca (np. na zjadanie liści przez roślinożerców) i możliwe, że warunkują jakąś konkretną reakcję typu

przepływu ładunków elektrycznych do konkretnych celów osobnika. Lepiej charakteryzowałoby ten stan rzeczy sfor- mułowanie stwierdzające, iż ,,rośliny wykorzystują prąd”.

Być może mój tok myślenia nie jest matematycznie ścisły, podejdźmy zatem ściśle do postawionego w tytule pytania.

U roślin - a dokładniej mówiąc, w ich dwóch wcześniej wspomnianych orgnanellach komórkowych - prąd jako taki istnieje, ponieważ dochodzi do wcześniej wspomnia- nego uporządkowanego przepływu jonów. Widzimy zatem, że z perspektywy ścisłego rozumienia słowo ,,wytwarzać”, wykreśliwszy mu skonkretyzowane granice, może być tutaj użyte. Dla mnie problemem jest w tym wypadku semantyka, która zawiera się także w indywidualnym spojrzeniu na kon- kretną wypowiedź i jej kontekst, co jest dla mnie motorem do mniej matematycznego spojrzenia na nasze tytułowe py- tanie.

Możliwe, też iż na moją odpowiedź wpływa obecna ska- la wytwarzania energii elektrycznej na świecie. A skoro już zatoczyliśmy koło i powróciliśmy tematyką do pierwszego akapitu, to porównajmy zatem naszą niewiadomą do kon- kretnego źródła energii elektrycznej. Tym bardziej, że ener- gia słoneczna wykorzystywana w fotowoltaice przypomina nieco zasadę działania w chloroplastach... na pierwszy rzut oka. Różnice są jednak ogromne! Sama budowa ogniwa jest inna i stworzona z materiałów nieorganicznych, wykorzy- stany jest nieorganiczny i krystaliczny przewodnik, prąd sam w sobie jest tutaj celem całego przedsięwzięcia, a nie środkiem służącym do wytworzenia wiązania chemicznego, które współtworzy związek mający swą rolę do odegrania później.² Ponadto, dochodzi do wytworzenia dużej ilości prądu, a później także do zmiany prądu stałego w zmienny, który to umożliwia korzystanie z urządzeń np. w domu. Po- dobieństwo kończy się zaś na wykorzystaniu fotonów i ich wpływie na wybicie elektronów oraz powstaniu różnicy po- tencjałów.

Można by temat uznać za zamknięty, jednakże powin- niśmy wziąć pod uwagę jeszcze jeden dział, spokrewniony z fotowoltaiką. Jest to tzw. biofotowoltaika (BPV), która jest od jakiegoś czasu w strefie zainteresowań naukowców. Tym bardziej, biorąc pod uwagę popyt na energię nieszkodzącą środowisku i tanią w eksploatacji, temat wydaje się intere- sujący. Istnieją różne ,,szkoły” przetwarzania energii świetl- nej w elektryczną za pomocą organizmów żywych. Jedna z nich oparta jest na współpracy mchu oraz bakterii symbio- tycznych - te drugie rozkładając dostarczone składniki od- żywcze (uzyskane w procesie fotosyntezy w chloroplastach mchu), wydzielają jony, które są wyłapywane przez włókna przewodzące, przez co powstaje uporządkowany przepływ jonów, czyli prąd (Adamczyk, 2016). Kolejnym przykładem jest wykorzystanie alg.

Na schemacie (Ryc. 1) widać dobrze zasadę działania.

Jest ona dosyć mocno zbliżona do ogniwa galwaniczne- go - dwie elektrody w półogniwach umożliwiają transport elektronów, zaś rolę klucza elektrolicznego pełni wybiórczo przepuszczalna (tylko dla H+) membrana pośrodku, która

2 Generalnie rzecz ujmując, żaden organizm nie posiada możliwo- ści magazynowania energii wykorzystywanej do funkcjonowania organizmu pod postacią energii elektrycznej - zawsze jest ona przechowywana w formie

zamyka obwód (Pazdro, 1996). Elektrony trafiające na ano- dę biorą się z procesu fotosyntezy glonów i biegną do katody (która ulega redukcji). Znów otrzymujemy prąd. Co ciekawe, najbardziej efektywne pod względem tworzenia prądu oraz najdłużej przeżywające są organizmy całościowo wykorzy- stywane w tej reakcji, nie zaś wyizolowane z nich błony ty- lakoidów lub nawet wyizolowane z owych błon fotoukłady.

Ryc. 1, Schemat funkcjonowania systemu biofotowoltaicznego (źródło - www.wikipedia.org)

Trzeci sposób wykorzystania systemów biofotowoltaicz- nych jest dosyć ciekawy - algi utrzymane w zbiornikach wy- pełnionych wodą w wyeksponowanych na słońce miejscach tworzą zarówno prąd, jak i ciepło, przez co umożliwiają zmniejszenie nakładu energii doprowadzanej z zewnątrz do budynku w celach grzewczych. Woda ogrzana w takich zbiornikach może być bowiem transportowana do grzejni- ków (Walker, 2014).

Jak jednak wyglądają realne możliwości wynikające z wyżej wspomnianych procesów? Szczerze mówiąc, obec- nie trudno odnaleźć w tym dobre źródło prądu. Zacznijmy jednak od plusów. Jest to ,,zielone” źródło energii³ o ujem- nym śladzie węglowym (CO₂ jest pochłaniane w trakcie fotosyntezy), nie ma tutaj problemu z biodegradacją i kom- ponentami przy jego wytwarzaniu. Trudno nie wspomnieć tutaj o akumulatorach w autach elektrycznych - litowo-jono- wych, które to pochłaniają wiele energii przy tworzeniu, są też fatalne dla środowiska przy degradacji, zaś transport ich komponentów drogą morską z innych kontynentów wytwa- rza wiele zanieczyszczeń w związku ze spalaniem mazutu.

Ponadto, ładowanie przebiega dzięki energii z elektrowni wykorzystujących np. węgiel. Wracając do biofotowoltaiki, kolejnym plusem może być tutaj niewielki koszt obsługi i przy wytwarzaniu oraz ewentualne możliwości grzew- cze przy użytkowaniu (zob. wyżej). Jednakże pominąwszy fakt, że wydajność fotosyntezy in vivo wynosi ok. 1–2%

(w laboratorium może dojść do 36%) (Lehninger, 1978), to uzyskana energia z biofotowoltaiki to ok. 50 mW z jed- nego metra kwadratowego (mchu)⁴. Tymczasem z jednego metra standardowego ogniwa fotowoltaicznego uzyskamy ok. 22W (Sokulska, 2013). Energia uzyskana z alg dałaby radę zasilić co najwyżej cyfrowy zegarek i posiada wydaj- ność rzędu 0,1% (Sandru, 2010). Nadzieję daje ewentualna modyfikacja genetyczna docelowych autotrofów, które być może parokrotnie ich wydajność. Sytuacji też nie poprawia

3 Warto tu wspomnieć o fakcie, iż wszelkie mediatory elektronów tylko utrudniają pracę takiego ogniwa, dzięki czemu otrzymujemy chemicznie bardziej jednorodny i czystszy układ.

4 Przy czym dla roślin naczyniowych jest to maksymalnie 220 mW/m²

fakt, iż należy się takimi ogniwami często zajmować. Warto mieć w pamięci fakt, iż jest to kompleks biologiczno-che- miczny (czasem potrójnie - mech i bakterie plus środowisko) podatny m.in. na patogeny, należy więc zapewniać mu cały czas odpowiednie warunki, co odbiega daleko od nieskom- plikowanego użytkowania i wieloletniej gwarancji dla ogniw fotowoltaicznych. Obecnie układ ,,mech + bakterie” jest co najwyżej w stanie zasilać wcześniej wspomniany zegarek cyfrowy, jednak nie zapominajmy chociażby tego jaką moc obliczeniową miały pierwsze komputery, a jaką mają teraz zwykłe osobiste telefony komórkowe.

Nie umniejsza to wszystko jednak ani ogniwom ani chloroplastom - obydwie struktury wykorzystują przecież podobne zjawisko. Zaskakuje jednak to, jak bardzo skom- plikowane jest funkcjonowanie roślin i jak ,,mądrze” wyko- rzystują one wszelkie możliwe mechanizmy do otrzymania związków organicznych z nieorganicznych. Rośliny mogą być wspaniałym przykładem w wielu tematach, mogą być również inspiracją dla przyszłych ogniw będącymi źródła- mi energii odnawialnej. Jednakże, jak byśmy na to nie pa- trzyli, byłoby przesadą powiedzieć, że rośliny wytwarzają prąd [w domyśle – masowo], z powodów, o których wspo- mniałem już wcześniej, niemniej powstaje on w roślinach.

Powstaje także i pytanie – w ilu aspektach jeszcze te ciche i niepozorne organizmy nas zaskoczą?

Literatura

Adamczyk B., 2016. Biofotowoltaika: roślinno - mikrobiologiczne ogniwa paliwowe. https://globenergia.pl/biofotowoltaika- -roslinno-mikrobiologiczne-ogniwa-paliwowe/ [dostęp:

21.01.2020]

Berg J. M., Tymoczko J. L., Styer L., 2009. Biochemia, War- szawa, PWN

Lehninger A. L., 1978. Bioenergetyka, Warszawa, PWN Pazdro K., 1996, Elektrochemia, Warszawa, Oficyna Eduka-

cyjna

Sandru O., 2010. Green Algae Modified to Act as Photovoltaic Cells Power a Clock. https://www.greenoptimistic.com/

green-algae-solar-cells-20100908/ [dostęp: 21.01.2020]

Sokulska A., 2013, Stoliczku zaświeć się. http://www.fiztaszki.

pl/node/59 [dostęp: 21.01.2020]

Szweykowska A., 1999. Fiz jologia Roślin, Poznań, Wydawnic- two Naukowe UAM

Walker C., 2014. Arup’s Latest Solar Panels Produce Energ y From Algae. https://www.archdaily.com/514018/arup-s- -latest-solar-panels-produce-energy-from-algae [dostęp:

21.01.2020]

Wikipedia.org, Biological photovoltaics. https://en.wikipedia.

org/wiki/Biological_photovoltaics [dostęp: 21.01.2020]

Notka o Autorze

Jestem studentem biologii na Uniwersytecie im. Adama Mickiewicza w Poznaniu.

Moje początkowe zainteresowania historią przekułem w hobby, docelowo koncen- trując się na biologii, nie stroniąc jednak od szerszego spektrum - nauk wobec niej pokrewnych i z nią powiązanych. Interesuję się różnymi dziedzinami, ponieważ lubię obserwować z jawiska wielowymiarowo. Wystrzegam się pobieżnego i naiwnego po- dejścia do nauki.

Tutoring Gedanensis

ISSN 2451-1862 Tutoring Gedanensis 5(1)/2020 (15-18)

Słowa kluczowe – neurobiologia roślin, inteligencja roślin, inteligencja

Karol Darwin w swoim dziele „Power of movements in plants”

sformułował hipotezę Root Brain, dotyczącą analogii po- między wierzchołkiem korzenia a mózgiem niższych zwie- rząt (Darwin, 1880). Po 140 latach okazuje się, że jego przypuszczenia nie muszą odbiegać od prawdy. Współcze- sne badania dowodzą, że wierzchołek korzenia interpretuje wpływ ponad 20 chemicznych i fizycznych parametrów, do- datkowo emituje i podbiera liczne substancje, które umoż- liwiają komunikację pomiędzy roślinami (Trawavas, 2009).

Zadaniem neurobiologii roślin jest przedstawienie tej grupy organizmów jako zdolnych do podejmowania ukierunko- wanych i celowych działań. Konstruowanie takich założeń opiera się często na wskazywaniu analogii pomiędzy ukła- dem nerwowym a mechanizmami zachodzącymi u roślin.

Jest to powodem licznych kontrowersji – jedną z nich jest uznanie roślin za organizmy inteligentne.

Słowo jest środkiem do celu w komunikacji społecznej.

Umożliwia ludziom usystematyzowanie tego, co postrzega- ją. Człowiek posługując się nim, wyznacza granice bytów i pozwala sobie na kategoryzację i podporządkowanie tego, co istnieje – słowu. Umożliwia mu to tworzenie świata wspólnym z innymi, którzy porozumiewają się tym samym językiem. Dzięki wspólnej płaszczyźnie zrozumienia po- wstaje fundament dla rozwoju. Słowo, będąc w użyciu ulega modyfikacji i buduje wokół siebie sieć skojarzeń. Dlatego, dla dobra komunikacji, musimy zadawać sobie pytanie, czy zastosowanie danego terminu jest funkcjonalne. Czy użycie słowa „inteligencja” w kontekście odkryć z zakresu neuro- biologii roślin ma swoje podstawy, czy stanowi nadużycie?

Ciekawa jest natura naszego spojrzenia na rośliny. Ary- stoteles w „De Anima” (Arystoteles, 1992) określa je jako stworzenia znajdujące się u pogranicza świata żywego, po- siadające jednie podstawową duszę wegetatywną, które nie poruszają się i nie korzystają ze zmysłów. Podobna koncep- cja powtórzyła się w XX w. u niemieckiego filozofa Maxa

Biologiczna wieża Babel – o granicach pojęć i problemach neurobiologii roślin

Zofia Szlachtowska

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Biologii zofiaszlachtowska@gmail.com

Tutor: prof. UAM dr hab. Ewa Sobieszczuk - Nowicka

Uniwersytet im. Adama Mickiewicza, Wydział Biologii, Zakład Fiz jologii Roślin

Schellera (Scheler, 1987), który na tej podstawie również zhierarchizował organizmy żywe. Względna statyka roślin powoduje, że powszechnie bywają często odbierane jedy- nie jako element krajobrazu. Patricia Churchland zajmują- ca się neuroetyką posłużyła się sformułowaniem –„If you root yourself in the ground, you can afford to be stupid.”

(„jeśli jesteś ukorzeniony w ziemi, możesz sobie pozwolić na bycie głupim.” Churchland, 1986). W późniejszych pra- cach również odniosła się do roślin, gdzie przedstawiła je jako bierne, w kontrze do zwierząt, które poruszając się zdobywają pokarm czy bronią terenu (Churchland, 2002).

Takie podejście do neurobiologii roślin kwestionuje udział ewolucji w kształtowaniu się bioróżnorodności. „Diffe- rent needs, different solutions” (ang. „Inne potrzeby, różne rozwiązania” Calvo, 2016) – konkretne rozwiązania ze świa- ta zwierząt nie będą powtarzać się u roślin. Powracając do wypowiedzi Churchland, warto zauważyć, że rośliny przy- twierdzone do podłoża nie mogą pozwolić sobie na uciecz- kę z miejsca, w którym następuje zagrożenie lub zmiana wa- runków. Z tego względu, wykształcenie złożonych celowych działań wydaje się tym bardziej uzasadnione. „Zaprogramo- wane”, podstawowe schematy zachowań nie sprawdzają się w złożonym środowisku (Calvo, 2016), również w takim, którego nie można opuścić, przemieszczając się w inne miej- sce. Strategia przetrwania roślin jest zatem inna od tej, która występuje u zwierząt – odpowiedzi na bodźce następują po- woli i z dużą precyzją, a sterowanie całym organizmem jest zdecentralizowane (odwrotnie niż w przypadku wyższych zwierząt, u których tę funkcję sprawuje głównie jeden or- gan – mózg). Złożony behawior może występować jedynie dzięki integracji wielu bodźców i celowej, skierowanej odpo- wiedzi na nie. Takie rozwiązania realizowane są u zwierząt dzięki sprawnej sygnalizacji elektrycznej w obrębie układu nerwowego. Podobne mechanizmy występują również u ro- ślin.

Strukturą, która odgrywa istotną rolę w przewodzeniu sygnału nerwowego na poziomie komórki, jest błona komór- kowa. Nie jest ona charakterystyczna jedynie dla zwierząt – obecna jest w każdej poznanej żywej komórce. Jej specy- ficzne właściwości pozwalają na kontrolowany transport jo- nów (do wnętrza i na zewnątrz komórki), czego efektem jest utrzymujący się potencjał spoczynkowy. Dzieje się tak, dzię- ki wbudowanym w błonę kanałom jonowym, które umoż- liwiają transport ładunków w określonym kierunku (Woj- taszek i in., 2007). Współczesne badania wskazują na wiele podobieństw pomiędzy zwierzęcymi i roślinnymi kanałami jonowymi, występującymi w błonie komórkowej (Brenner i in., 2006). Te zbieżności są podstawą postulowania, że ko- mórki roślinne są w stanie, na podobnej zasadzie co komórki zwierzęce (szczególnie neurony), przewodzić sygnały elek- tryczne. To zaś pozwala na szukanie znacznie liczniejszych analogii. W tej sytuacji rozpoczęto poszukiwania komórek roślinnych, które jak najbardziej odpowiadałyby neuronom.

W jednym ze swoich doświadczeń Bose — indyjski uczony, zauważył, że wyizolowane wiązki naczyniowe zachowują się podobnie pod względem elektrycznym do wyizolowanych nerwów żaby (Stahlberg, 2006). Kilka lat później, dokonano pierwszego pomiaru potencjału błonowego oraz pomiaru potencjału czynnościowego komórki roślinnej (Stahlberg, 2006). Potencjał czynnościowy powstaje w wyniku działa- nia zewnętrznego bodźca (sygnału), który zaburza potencjał błonowy (spoczynkowy) – w wyniku czego dochodzi do chwilowej zmiany wartości potencjału. Kanały, które utrzy- mywały określone stężenia jonów Ca²⁺ i Cl^- po obydwu stro- nach błony otwierają się, a ich przepływ powoduje powsta- nie niewielkiego nadmiaru ładunku elektrycznego. Innymi słowy, zmieniły się stężenia jonów po obu stronach błony, a wraz z nimi wartość potencjału. To powoduje, że w sąsied- nich obszarach błony również dochodzi do przekroczenia wartości progowej potencjału spoczynkowego i ”przenie- sienia” potencjału czynnościowego (ang. action potential – AP)(Wojtaszek i in., 2007). Pozwala to na postępowanie impulsu elektrycznego, a opisany mechanizm jest prawie identyczny w komórkach roślinnych i zwierzęcych. Sygna- ły przenoszone tym sposobem kodują informacje związane z fotosyntezą, załadunkiem łyka, kwitnieniem kwiatów oraz atakami herbicydów (Stahlberg, 2006, s. 7, Starck, 2011). Co ciekawe, u roślin występuje niespotykany u innych organi- zmów potencjał wariacyjny (ang. slow wave potential – VP).

Jest to długodystansowy system sygnalizacji o charakterze długotrwałych depolaryzacji — zmiany w potencjale błono- wym trwają dłużej niż te obserwowane podczas AP (Bren- ner, i in., 2006). Indukowany jest poprzez gwałtowny wzrost turgoru — zmiany stężenia hydrostatycznego wywołują strumienie jonowe (Wojtaszek i in., 2007). Dzisiaj wiemy, że w ten sposób przenoszone są sygnały głównie w obrębie ksylemu, dotyczące przegrzań i zranień (Stahlberg, 2006).

Obecność potencjału wariacyjnego świadczy o tym, że prze- kazywanie impulsów elektrycznych jest ewolucyjnym osią- gnięciem roślin, niejedynie zdolnością, która „przydarzyła się” wraz z obecnością pewnych elementów budowy komór- kowej. Oznacza to również, że dochodzenie do funkcjonal- nych rozwiązań jest możliwe na inne sposoby niż te, które

znamy ze świata zwierząt.

W komórkach zwierzęcych przenoszenie sygnału elek- trycznego pomiędzy dwoma komórkami odbywa się poprzez synapsy. Gdy impuls nerwowy osiąga zakończenie neurytu, synapsa chemiczna uwalnia substancję – neurotransmiter, który oddziałuje na receptory w błonie postsynaptycznej, wywołując impuls elektryczny w kolejnej komórce (Lewiń- ski i in., 2002). Wiele związków pełniących funkcję neuro- transmiterów u zwierząt odnaleziono również u roślin (Ba- luška i Mancuso, 2009). Przykładem jest m.in. GABA (kwas γ-aminomasłowy), który wywołuje gwałtowne depolaryza- cje błony komórkowej korzeni. Co więcej, roślinne recepto- ry, odbierające glutaminę, która również jest neuroprzekaź- nikiem, są szczególnie podobne i filogenetycznie powiązane z tymi, które odbierają ten sam związek u zwierząt (Brenner i in., 2006).

Od dłuższego czasu postuluje się, że auksyna – jeden z najważniejszych hormonów roślinnych – mogłaby również pełnić znaczącą funkcję w przesyłaniu sygnałów elektrycz- nych (Brenner i in., 2006). W 2003 roku ukazał się artykuł

„Plant neurobiology: no brain, no gain?”, w którym skryty- kowano hipotezy ówczesnej neurobiologii roślin. Odniesio- no się w nim również do roli auksyn, gdzie podkreślono długodystansowy charakter transportu tego związku. Taki postulat uniemożliwiał potraktowanie jej jako neurotrans- mitera, który w swoim założeniu przenoszony jest na bar- dzo małe odległości (Alpi i in., 2007). Jednak w kolejnych latach pojawiało się coraz więcej przesłanek za tym, że ten związek spełnia istotną funkcję w roślinnym transporcie sy- gnału elektrycznego. Wszystko to, ze względu na obecność w błonie komórkowej korzeni specjalnych białek, które umożliwiają egzo- i endocytozę pęcherzyków zawierających auksynę. Ten sposób transportu substancji spowodował, że w literaturze naukowej zaczyna pojawiać się pojęcie sy- napsy auksynowej, odwołujące się do analogii transportu obecnego w układzie nerwowym z tym występującym u ro- ślin (Baluška i Mancuso, 2013).

Dzisiejszy stan wiedzy na temat neurobiologii roślin, który obejmuje m.in. poznane mechanizmy przesyłania im- pulsu elektrycznego u roślin oraz wielorakie biochemiczne podobieństwa, implikuje pytania o zdolność roślin do prze- prowadzania złożonych reakcji. Coraz częściej mówi się również o inteligencji roślin, co wywołuje kontrowersje nie tylko wśród osób niezwiązanych z nauką, ale również wśród tych, którzy biologią zajmują się na co dzień.

Jest to spowodowane tym, że termin „inteligencja” nie posiada definicji biologicznej. Podjęcie jej tematu, przez psychologię, kognitywistykę czy filozofię przyniosło wielo- kierunkowy rozwój tego pojęcia bez jednoznaczego okre- ślenia ich wspólnego obszaru. Mając na uwadze mnogość definicji, można zadać pytanie, czy określenie roślin jako organizmów inteligentnych to biologiczne nadużycie, czy może u podstaw kontrowersji leży jedynie problem lingwi- styczny? Przy sprawdzaniu funkcjonalności pojęć ważne jest uchwycenie ich relacji ze światem rzeczywistym. Zagadnie- nie to podejmowane jest obszernie w filozofii języka, której dokonania można odnieść również do problemów komu- nikacyjnych. To, co umożliwia społeczne porozumiewanie

się, Wittgensttein nazywa formą logiczną (Wittgenstte- in, 2019). Jest to osnowa logiczna świata, która ma spotykać się zarówno w słowie, jak i faktach oraz pozwala wychwycić

„esencję” tego, o czym mówimy (Brożek, 2018). Zidentyfi- kowanie w ten sposób obiektów substancjalnych nie stanowi problemu – pojawia się on, gdy chcemy nazwać pojęcia nie- szczegółowe, transcendentalne oraz niektóre zjawiska – jak np. inteligencję. Warto zauważyć, że obecność „inteligencji”

w wielu dyscyplinach powoduje jej powiązania z zagadnie- niami, pochodzącymi z zupełnie odległych sobie obszarów.

Poszukując wówczas twierdzeń wspólnych, dochodzimy do zdań na tyle ogólnych, co w praktyce pustych. Rodzi to py- tanie, czy sensowne jest włączanie do naukowych teorii po- jęcia, za którym nie stoją treściwe zdania bazowe? Lub czy nie jest to odpowiednia okoliczność dla ich zweryfikowania i uaktualnienia?

Brak definicji to jednak problem formalny – ten istot- niejszy to potoczne rozumienie terminu. „Inteligencja” jest silnie zrelatywizowana historycznie i kulturowo. Sieć skoja- rzeń, którą obudowała wokół siebie, ujawnia jej bliskie ko- notacje z naukami humanistycznymi, których przedmiotem jest człowiek. O konceptualizacji pojęć językowych w umy- śle mówi teoria prototypów Eleaonor Rosch (Gemel, 2018).

Jest to jedna z teorii kategoryzacji, którą można odnieść do rozważanego problemu. Według niej pojęcie to sumarycz- na reprezentacja, która może być rozumiana jako uśrednio- na reprezentacja przedstawiciela typowego lub idealnego.

O przynależności do kategorii (pojęcia) decyduje stopień podobieństwa do przedstawiciela (Gemel, 2018). Idąc tym tropem, można pokusić się o znalezienie prototypu ‘orga- nizmu inteligentnego’. Nie trzeba go daleko szukać — dla większości z nas jest nim człowiek. Poszukiwanie innych de- sygnatów ‘organizmu inteligentnego’ uzależnione jest zatem od ciągłych odwołań do nas samych i tego, co ludzkie. Do- piero znajomość fizjologii procesów i biologicznych analo- gii może sugerować zainteresowanym podobieństwa i argu- mentować istnienie terminu „inteligencja roślin”. Nie jest to jednak wiedza rozpowszechniona – nie każdy będzie miał możliwość dojść do podobnych wnioskowań. W tym przy- padku naukowe przesłanki zostaną zastąpione intelektual- nymi i kulturowymi przyzwyczajeniami. Godnym uwagi jest również wciąż całkiem powszechny poglądu o hierarchiza- cji organizmów żywych – zazwyczaj błędnie utożsamiany z teorią ewolucji. Arthur O. Levoy w 1936 roku opisał wy- wodzącą się ze starożytnej filozofii koncepcję „łańcuchu by- tów” (Lovejoy,1936). Na jej szczycie znajdowali się bogowie, niewiele za nimi ludzie, a na jej drugim końcu, tuż przed ma- terią nieożywioną – rośliny. I choć dziś nikt nie powołuje się na takie przedstawienie świata w publicznej debacie, w pod- świadomości wielu z nas świat jest także zorganizowany hie- rarchicznie. Żyjemy w czasach wciąż głęboko wyznawanego antropocentryzmu, w którym inteligencja zarezerwowana jest jednemu gatunkowi – Homo sapiens, a rozszerzenie tego terminu na inne istoty żywe – w tym rośliny, to, w myśl tej koncepcji upadek z drabiny jestestw ze szczytu na sam dół.

Wśród wielu badań prowadzonych w ostatnim czasie do- wiedziono, że rośliny potrafią odpowiadać na około 20 bio- tycznych i abiotycznych bodźców i zastosować odpowiednią

odpowiedź behawioralną (Trawavas, 2009). Są zdolne do odróżnienia wibracji zwierząt im zagrażających od innych zjawisk, takich jak wiatr czy odgłosy owadów (Calvo, 2016).

Potrafią rozpoznawać swoje własne korzenie (Biedrzycki, 2010) i regulować mikrobiom w tej sferze (Brenner i in., 2006). Znane są również przejawy zachowań społecznych m.in. takich, w których kontaktują się z innymi roślinami poprzez dostarczanie informacji na temat infekcji czy ata- ków owadów (Brenner, i in., 2006). Przykładem tego typu behawioru jest przesyłanie sygnałów defensywnych młodym roślinom, aby uodporniły się na przyszły stres. Warto rów- nież wspomnieć o skomplikowanych zachowaniach, które zależnie od potrzeb, służą zwabianiu i odstraszaniu owadów (Simard, 2016).

W wielu definicjach „inteligencji” podkreślane jest zna- czenie doświadczenia oraz płynącej z niego nauki. Objawia się to istnieniem pamięci i wykorzystaniem przechowywa- nych przez nią informacji podczas ontogenezy organizmu.

Dziś wiemy, że rośliny uczą się z sytuacji stresowych po- przez modyfikację swojego metabolizmu, struktur ko- mórkowych, anatomii i fizjologii (Thellier i Lüttge, 2013).

W 2014 roku opublikowano badania dotyczące reakcji Mimo- sa pudica na powtarzany bodziec stresowy. Reakcją obronną było składanie się liści rośliny. Powtarzanie sytuacji streso- wej spowodowało przyzwyczajanie organizmów – czego efektem były różnice w stopniu zwinięcia liści i szybkości ich rozwijania, w porównaniu z reakcjami obserwowany- mi przed doświadczeniem. Co więcej, wyuczone zachowa- nia utrzymywały się nawet po miesięcznym okresie izolacji Mimosy od działania bodźca (Gagliano i in., 2014).

Neurobiologia roślin jako nauka ma przed sobą wiele wyzwań. Pragnęłam zwrócić uwagę zarówno na to, jak za- zwyczaj postrzegamy rośliny, ale również na informacje, ja- kie dostarczają nam współczesne badania. Poznając biologię i mechanizmy jej działania można zaobserwować, że za naj- bardziej spektakularne zjawiska odpowiadają często proste rozwiązania. Natomiast schematy, które potwierdzają swo- ją funkcjonalność, utrwalane są przez ewolucję. W natu- rze człowieka leży chęć poznania i opisania otaczającego go świata. Poprzez poszukiwanie podobieństw i analogii tłumaczy sobie zależności, które obserwuje. W ten sposób wyznacza granice bytów – nazywa je, tworzy wizję świata i dzieli się nią z innymi. Jednak kontrowersje, które wywołu- ją zagadnienia neurobiologii roślin, ukazują, że język może również utrudniać komunikacje. W maju 2020 roku ukazał się artykuł podważający rezultaty badań głównych propa- gatorów dziedziny (Robinson i in., 2020), w którym po raz kolejny błędnie interpretowane są stawiane przez nich po- stulaty. Ignorancją jest lekceważenie współczesnych od- kryć dotyczących fizjologii sygnalizacji elektrycznej u roślin i złożonego behawioru, tylko ze względu na intelektualne nawyki i uwarunkowania kulturowe. Równie przykrym wy- darzeniem dla nauki może być sytuacja, kiedy kontrowersje językowe, mogłyby odsunąć naukowców od poszukania od- powiedzi na coraz odważniejsze pytania. Historia pełna jest przykładów, w których naukowe odkrycia, zmieniające spoj- rzenie na świat biologii nie zyskiwały poparcia, tylko i wy- łącznie ze względu na presję przyzwyczajenia. Odkrycia