Univerzální tanec času

Život na Zemi je pod neúprosným diktátem rotace naší planety. Světlo střídá noc, roční období se mění – a s nimi i teplota, délka dne nebo množství srážek. Výsledkem je mocný selekční tlak, který formoval fyziologické procesy a chování všech známých organismů od bakterií po člověka. Jak tyto cyklické procesy ovlivňují růst a vývoj rostlin? A proč je důležité jim porozumět

Biologické rytmy¹⁾ jsou řízeny vnitřními biologickými hodinami. Ty fungují na principu endogenních oscilací s periodou přibližně 24 hodin. Organismům umožňují anticipovat předvídatelné environmentální změny a optimalizovat tak své fyziologické a vývojové procesy.

Biologické hodiny však potřebují pravidelnou synchronizaci s vnějšími podmínkami. Pokud ji delší čas nemají, přestávají fungovat. Představte si, že jste v budově bez oken. Pokud u sebe nemáte hodinky, ztratíte pojem o tom, kolik času uplynulo, postupně nerozlišíte den a noc a to bude mít fyziologické i psychické důsledky.

Hlavním synchronizačním signálem (tzv. zeitgeberem) je světlo, ale roli hrají i další faktory, jako je teplota, dostupnost potravy, vody nebo u živočichů sociální interakce. Poruchy této synchronizace, například v důsledku cestování napříč časovými pásmy (jet lag) nebo práce na směny, mohou vést k řadě zdravotních problémů a snížení výkonnosti.

1. Šťavel se jako řada dalších rostlin v noci pohybuje ve spánku (tzv. nyktinastie) a skládá listy, což někteří přírodovědci považují za obranu proti nočním býložravcům nebo proti nežádoucímu ovlivnění listů měsíčním světlem. Podobné reakce lze pozorovat např. také u fazolu, jetele nebo citlivky (Mimosa pudica). Tyto pohyby listů jsou kontrolovány cirkadiánními hodinami. Stojí za nimi změny turgorového tlaku ve specializovaných buňkách na bázi každého z lístků šťavele: otevírací pohyb vyžaduje zvýšení turgoru v dolní části (vtokem vody do buněk), kdežto svěšení lístků vyžaduje zvýšení turgoru v horní části.

Snímky Marie Konrádová

Výzkum začal u rostlin

Jakkoliv je zájem vědců i veřejnosti logicky více upřen k výzkumu biologických rytmů člověka a ostatních živočichů, je dobré si připomenout, že u zrodu vědního oboru stály rostliny.

Citlivka (Mimosa pudica) je proslulá svou rychlou reakcí na dotek, její spánkové pohyby už tak známé nejsou. Ale právě jejich pozorování pomohlo vytvořit základ studia endogenní rytmicity. Noční skládání listů citlivky bylo předmětem pravděpodobně prvního experimentu v oblasti chronobiologie, který v roce 1729 provedl francouzský astronom Jean-Jacques d’Ortous de Mairan. Rostlinu umístil do skříně a zjistil, že i když je držena ve tmě, otevírá a zavírá listy v denním rytmu. V roce 1758 vědci pokus zopakovali a rostlinu umístili do dekou zabaleného kufru umístěného uvnitř skříně v jeskyni, čímž vyloučili veškeré světlo. Rostlina se stále pohybovala, což dokazuje, že skutečně reaguje na vnitřní rytmus. Někteří o tom stále nebyli přesvědčeni a tvrdili, že by ji mohl pohánět nějaký jemný a nezjištěný geofyzikální signál spojený s otáčením Země kolem své osy. Úlohu vnitřních cirkadiánních hodin definitivně prokázala až molekulární genetika, která identifikovala jednotlivé časoměrné komponenty.

Ode dne a noci k ročním obdobím

Organismy dovedou detekovat a interpretovat změny v délce dne (fotoperiody), což jim umožňuje využít cirkadiální rytmy k měření času nejen v měřítku jednoho dne, ale i na větších časových škálách, například pro vnímání změn ročních období.

Rostliny se na rozdíl od živočichů nemohou přesunout do stínu nebo odletět do teplejších krajin. Na měnící se podmínky proto musí reagovat jinak, přímo na místě. Nemají oči, ale k vnímání světla mají vytvořeny jiné systémy, které jim stejně bezpečně poskytují informace o spektrálním složení dopadajícího světla, o jeho množství a směru. Délku dne „měří“ porovnáváním doby expozice světlu s fází svých vnitřních cirkadiánních hodin. Pokud se světlo objeví v určitých „citlivých“ fázích rytmu, které jsou typické pro dlouhé dny (a krátké noci), aktivují se specifické signální dráhy. Ty pak vedou k expresi genů, které řídí sezonní fyziologické procesy, jako je kvetení, tvorba hlíz nebo opad listů, čímž rostlina efektivně převádí denní rytmicitu na roční kalendář.

Nejjednoduššími reakcemi rostlin na vnější podněty jsou reakce přímé. Senzory v listech například detekují východ slunce a způsobí otevření průduchů, aby rostlina mohla přijímat oxid uhličitý potřebný pro fotosyntézu. Nebo když se na podzim ochladí, stromy shodí listy. Spoléhat se ale jen na přímé reakce by bylo neefektivní a riskantní. Otevírání průduchů je poměrně pomalé, a pokud by se řídilo jen světlem, rostlina by promarnila část dne, v níž by fotosyntéza už mohla probíhat. Podobně několik nezvykle chladných dní na sklonku léta by mohlo způsobit předčasné opadání listů, což by znamenalo ztrátu několika týdnů či měsíců fotosyntézy, a tedy menší zásobu energie pro příští jaro.