Άμυνα κατά της φυτοφαγίας

Η άμυνα κατά της φυτοφαγίας περιγράφει τις άμυνες των φυτών για να αποφύγουν τη βρώση. Υπάρχουν πολλές προσαρμογές που βελτιώνουν την επιβίωση και την αναπαραγωγή των φυτών μειώνοντας την επίδραση των φυτοφάγων.

Πολλά φυτά παράγουν χημικές ουσίες που αλλάζουν τη συμπεριφορά, την ανάπτυξη ή την επιβίωση των φυτοφάγων ζώων. Αυτές οι χημικές άμυνες μπορεί να λειτουργούν ως απωθητικά ή τοξίνες για τα φυτοφάγα ζώα ή να μειώνουν την πεπτικότητα των φυτών. Ορισμένα φυτά, γνωστά ως υπερσυσσωρευτές, ειδικεύονται στην αποθήκευση βαρέων μετάλλων που είναι τοξικά για τα ζώα.

Ορισμένα φυτά ενθαρρύνουν την παρουσία φυσικών εχθρών των φυτοφάγων, οι οποίοι με τη σειρά τους προστατεύουν το φυτό. Ορισμένα φυτά παρέχουν στέγη στα μυρμήγκια, τα οποία υπερασπίζονται σθεναρά το φυτό.

Άλλες αμυντικές στρατηγικές που χρησιμοποιούν τα φυτά περιλαμβάνουν τη διαφυγή ή την αποφυγή φυτοφάγων εγκαίρως ή επιτόπου. Μπορούν να αναπτυχθούν σε μέρη όπου τα φυτά δεν είναι εύκολο να βρεθούν ή να προσβληθούν από τα φυτοφάγα ζώα. Μπορεί να αναπτύσσονται όταν τα φυτοφάγα ζώα δεν είναι κοντά. Τα φυτοφάγα ζώα μπορεί να εκτρέπονται προς μη απαραίτητα μέρη ή ένα φυτό μπορεί να είναι σε θέση να ανακάμψει από τη ζημία που προκαλεί η φυτοφαγία.

Κάθε τύπος άμυνας μπορεί να είναι είτε συστατικός (πάντα παρών στο φυτό), είτε επαγόμενος (παράγεται ως αντίδραση σε ζημιές ή στρες που προκαλούνται από φυτοφάγα ζώα). Τα φυτά μπορούν και αντιδρούν στις ζημιές.

Ιστορικά, τα έντομα ήταν τα σημαντικότερα φυτοφάγα ζώα, ιδίως οι προνύμφες των εντόμων. Η εξέλιξη των χερσαίων φυτών συνδέεται στενά με την εξέλιξη των εντόμων. Ενώ οι περισσότερες άμυνες των φυτών στρέφονται κατά των εντόμων, έχουν εξελιχθεί και άλλες άμυνες που στοχεύουν στα σπονδυλωτά φυτοφάγα ζώα, όπως τα πτηνά και τα θηλαστικά.

Η μελέτη της άμυνας των φυτών έναντι της φυτοφαγίας είναι σημαντική, όχι μόνο από εξελικτική άποψη, αλλά και επειδή οι άμυνες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη γεωργία, συμπεριλαμβανομένων των πηγών τροφής για τον άνθρωπο και τα ζώα.

Ο δηλητηριώδης κισσός παράγει ουρουσιόλη για να προστατεύσει το φυτό από τα φυτοφάγα ζώα. Στον άνθρωπο αυτή η χημική ουσία προκαλεί αλλεργικό δερματικό εξάνθημα.

Τα αλεξανδρινά γάντια παράγουν διάφορες θανατηφόρες χημικές ουσίες, δηλαδή καρδιακούς και στεροειδείς γλυκοζίτες. Η κατανάλωσή του μπορεί να προκαλέσει ναυτία, εμετό, παραισθήσεις, σπασμούς ή θάνατο.

Ειδικές χημικές άμυνες

Οι χημικές ουσίες των φυτών έχουν εξελιχθεί ώστε να επηρεάζουν τα έντομα. Ορισμένες από αυτές τις βιοχημικές οδούς υπάρχουν στα σπονδυλωτά, συμπεριλαμβανομένου του ανθρώπου. Πολλά φαρμακευτικά προϊόντα προέρχονται από τις χημικές ουσίες που χρησιμοποιούν τα φυτά για την προστασία τους από τα φυτοφάγα ζώα. Παραδείγματα είναι το όπιο, η ασπιρίνη, η κοκαΐνη και η ατροπίνη.

Τα αλκαλοειδή πυρρολιζιδίνης παράγονται από τα φυτά ως αμυντικός μηχανισμός κατά των φυτοφάγων εντόμων. Περισσότερα από 660 ΠΑ και Ν-οξείδια ΠΑ έχουν εντοπιστεί σε περισσότερα από 6.000 φυτά. Περίπου τα μισά από αυτά παρουσιάζουν ηπατοτοξικότητα, δηλαδή προσβάλλουν την ηπατική λειτουργία.

Εξέλιξη των αμυντικών χαρακτηριστικών

Τα πρώτα χερσαία φυτά εξελίχθηκαν από τα υδρόβια φυτά πριν από περίπου 450 εκατομμύρια χρόνια (mya) κατά την Ορδοβίκειο περίοδο. Αυτά τα πρώιμα χερσαία φυτά δεν είχαν αγγειακό ιστό και χρειάζονταν ελεύθερο νερό για την αναπαραγωγή τους. Τα αγγειώδη φυτά εμφανίστηκαν αργότερα και η διαφοροποίησή τους άρχισε την εποχή του Δεβονίου (περίπου 400 mya). Διέθεταν προσαρμογές όπως προστατευτικές επικαλύψεις για τη μείωση της εξάτμισης από τους ιστούς τους.

Η αναπαραγωγή και η διασπορά των αγγειωδών φυτών σε αυτές τις ξηρές συνθήκες επιτεύχθηκε μέσω της εξέλιξης εξειδικευμένων δομών σπόρων. Η διαφοροποίηση των ανθοφόρων φυτών (αγγειόσπερμα) κατά την Κρητιδική περίοδο συνδέεται με την ξαφνική έκρηξη της εξειδίκευσης των εντόμων. Αυτή η διαφοροποίηση των εντόμων αποτέλεσε σημαντική επιλεκτική δύναμη στην εξέλιξη των φυτών και οδήγησε στην επιλογή φυτών που είχαν αμυντικές προσαρμογές. Τα πρώιμα φυτοφάγα έντομα δάγκωναν ή μασούσαν τη βλάστηση, αλλά η εξέλιξη των αγγειωδών φυτών οδήγησε στη συν-εξέλιξη και άλλων μορφών φυτοφαγίας, όπως η χυμοφαγία, η εξόρυξη φύλλων, η δημιουργία χολής και η τροφοδότηση με νέκταρ.

Καταγραφές φυτοφάγων ζώων

Η κατανόησή μας για τη φυτοφαγία στο γεωλογικό χρόνο προέρχεται από τρεις πηγές:

απολιθωμένα φυτά που μπορεί να διατηρούν στοιχεία άμυνας (όπως αγκάθια) ή ζημιές που σχετίζονται με φυτοφάγα ζώα,
την παρατήρηση φυτικών υπολειμμάτων σε απολιθωμένους κοπρολίθους (περιττώματα ζώων) και
την κατασκευή των στοματικών μερών των φυτοφάγων.

Για πολύ καιρό θεωρούμενο ως μεσοζωικό φαινόμενο, τα στοιχεία για τη φυτοφαγία βρίσκονται σχεδόν αμέσως μόλις βρεθούν απολιθώματα που θα μπορούσαν να το δείξουν. Μέσα σε λιγότερο από 20 εκατομμύρια χρόνια από τα πρώτα απολιθώματα σποράγγειων και στελεχών προς το τέλος του Σιλουρίου, γύρω στα 420 mya, υπάρχουν ενδείξεις ότι τρώγονταν. Τα ζώα τρέφονταν με τα σπόρια των πρώιμων φυτών του Δεβονίου, και ο πυριτόλιθος Rhynie παρέχει επίσης ενδείξεις ότι οι οργανισμοί τρέφονταν με φυτά χρησιμοποιώντας την τεχνική "τρυπήστε και ρουφήξτε". Πολλά φυτά αυτής της εποχής διατηρούνται με αναπτύξεις που μοιάζουν με αγκάθια, τα οποία μπορεί να είχαν αμυντικό ρόλο.

Κατά τη διάρκεια των 75 εκατομμυρίων ετών που ακολούθησαν, τα φυτά ανέπτυξαν μια σειρά από πιο πολύπλοκα όργανα - από τις ρίζες μέχρι τους σπόρους. Υπήρχε ένα κενό 50 έως 100 εκατομμυρίων ετών μεταξύ της εξέλιξης κάθε οργάνου και της τροφοδότησής του. Η σίτιση από οπές και η σκελετοποίηση καταγράφονται στις αρχές του Πέρμιου, ενώ η σίτιση από επιφανειακά υγρά εξελίσσεται μέχρι το τέλος αυτής της περιόδου.

Συνεξέλιξη

Τα φυτοφάγα ζώα εξαρτώνται από τα φυτά για τροφή και έχουν αναπτύξει μηχανισμούς για να παίρνουν αυτή την τροφή παρά την εξέλιξη πολλών αμυντικών μηχανισμών των φυτών. Οι προσαρμογές των φυτοφάγων στην άμυνα των φυτών έχουν παρομοιαστεί με επιθετικά χαρακτηριστικά. Πρόκειται για προσαρμογές που επιτρέπουν αυξημένη διατροφή και χρήση ενός φυτού ξενιστή. Οι σχέσεις μεταξύ των φυτοφάγων ζώων και των φυτών-ξενιστών τους έχουν συχνά ως αποτέλεσμα αμοιβαίες εξελικτικές αλλαγές, που ονομάζονται συν-εξέλιξη.

Όταν ένα φυτοφάγο ζώο τρώει, τρώει φυτά που δεν έχουν επαρκή αμυντική αντίδραση. Αυτό δημιουργεί την ευκαιρία για φυτά που μπορούν να αμυνθούν. Έτσι, τα φυτά με άμυνα γίνονται τα πιο συνηθισμένα. Στις περιπτώσεις όπου αυτή η σχέση επιδεικνύει εξειδίκευση (η εξέλιξη του ενός χαρακτηριστικού οφείλεται στο άλλο) και αμοιβαιότητα (και τα δύο χαρακτηριστικά εξελίσσονται), τα είδη θεωρείται ότι έχουν μετεξελιχθεί από κοινού.

Ο μηχανισμός "διαφυγής και ακτινοβολίας" για τη συν-εξέλιξη είναι η ιδέα ότι οι προσαρμογές των φυτοφάγων και των φυτών-ξενιστών τους ήταν η κινητήρια δύναμη πίσω από την ανάπτυξη των ειδών. Οι προσαρμογές έπαιξαν ρόλο στην ακτινοβολία των ειδών εντόμων κατά την εποχή των αγγειόσπερμων. Ορισμένα φυτοφάγα ζώα έχουν αναπτύξει τρόπους για να καταληστεύουν τις άμυνες των φυτών προς όφελός τους, δεσμεύοντας (διατηρώντας) αυτές τις χημικές ουσίες και χρησιμοποιώντας τες για να προστατεύονται από τους θηρευτές.

Χρονολόγιο της εξέλιξης των φυτών και η αρχή των διαφορετικών τρόπων φυτοφαγίας από έντομα

Φύλλο Viburnum lesquereuxii με ζημιά από έντομο, αμμόλιθος Dakota (Κρητιδικό) της κομητείας Ellsworth, Κάνσας. Η κλίμακα είναι 10 mm.

Μια απλή κάμπια τίγρης Danaus chrysippus φτιάχνει μια τάφρο για να εμποδίσει τα αμυντικά χημικά του Calotropis πριν τραφεί

Τα φυτά χρειάζονται επίσης τα ζώα

Τα περισσότερα από τα φυτά που υπερασπίζονται τα φύλλα τους τόσο σθεναρά, χρειάζονται ωστόσο ζώα. Έως και το 98% των ανθοφόρων φυτών στα τροπικά πεδινά τροπικά δάση βασίζονται σε ζώα για την επικονίαση και τη διασπορά των σπόρων.

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Ερ: Τι είναι η άμυνα κατά της φυτοφαγίας;

A: Η άμυνα κατά της φυτοφαγίας είναι ένα σύνολο προσαρμογών που χρησιμοποιούνται από τα φυτά για να μειώσουν τις επιπτώσεις της κατανάλωσης από φυτοφάγα ζώα.

Ερ: Πώς αμύνονται τα φυτά από τα φυτοφάγα ζώα;

Α: Τα φυτά μπορούν να χρησιμοποιήσουν μια ποικιλία στρατηγικών για να αμυνθούν από τα φυτοφάγα ζώα, όπως η παραγωγή χημικών ουσιών που δρουν ως απωθητικά ή τοξίνες, η αποθήκευση βαρέων μετάλλων που είναι τοξικά για τα ζώα, η ενθάρρυνση της παρουσίας φυσικών εχθρών των φυτοφάγων, η παροχή κατοικιών σε μυρμήγκια που υπερασπίζονται σθεναρά το φυτό και η διαφυγή ή η αποφυγή των φυτοφάγων στο χρόνο ή στον τόπο.

Ερ: Αυτές οι άμυνες είναι πάντα παρούσες στο φυτό;

Α: Όχι, αυτές οι άμυνες μπορεί να είναι είτε συστατικές (πάντα παρούσες στο φυτό) είτε επαγόμενες (παράγονται ως αντίδραση σε ζημιές ή στρες που προκαλούνται από φυτοφάγα ζώα).

Ερ: Ποιο είδος ζώου συνδέεται συνήθως με τις άμυνες των φυτών;

Α: Ιστορικά, τα έντομα ήταν τα πιο σημαντικά όσον αφορά τις άμυνες των φυτών. Η εξέλιξη των χερσαίων φυτών συνδέεται στενά με την εξέλιξη των εντόμων.

Ερ: Υπάρχουν άμυνες που απευθύνονται σε σπονδυλωτά φυτοφάγα ζώα;

Α: Ναι, έχουν εξελιχθεί ορισμένες αμυντικές στρατηγικές που απευθύνονται σε σπονδυλωτά φυτοφάγα ζώα, όπως τα πτηνά και τα θηλαστικά.

Ερ: Γιατί είναι σημαντική η μελέτη της άμυνας των φυτών;

Α: Η μελέτη της άμυνας των φυτών έναντι των φυτοφάγων είναι σημαντική όχι μόνο από εξελικτική άποψη αλλά και επειδή οι άμυνες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη γεωργία για τις πηγές τροφής των ανθρώπων και των ζώων.