Porozumiewanie się organizmów. Kanały komunikacyjne. Komunikacja chemiczna
Porozumiewanie się organizmów. Kanały komunikacyjne. Komunikacja chemiczna
Komunikacja chemiczna to najstarsza metoda porozumiewania się zwierząt. Nawet najprostsze, jednokomórkowe organizmy mają zdolność do wykrywania i wybiórczego pobierania pewnych związków chemicznych z otoczenia, a następnie włączania ich w odpowiednie szlaki metaboliczne. Wykrywanie pokarmu było i jest podstawową funkcją receptorów związków chemicznych. Równocześnie z pobieraniem pewnych związków inne są z organizmu usuwane. Dało to podstawy odróżniania substancji emitowanych przez członków tego samego gatunku, a jednocześnie było punktem wyjścia do budowy komunikacji socjalnej opartej o chemię. Pierwotne Metazoa polegały wyłącznie na komunikacji chemicznej podczas synchronizacji uwalniania gamet, czy wykrywania przynależności gatunkowej gamet przed zapłodnieniem. Bardziej zaawansowane organizmy szybko wykształciły dwa typy komunikacji chemicznej, które w ludzkim języku określamy jako zapach i smak.
Aby mogło dojść do komunikacji chemicznej, molekuły muszą przejść całą drogę od nadawcy do odbiorcy. Ta transmisja odbywać się może na trzy zasadnicze sposoby:
• nadawca może wykorzystać prądy powietrza bądź wody do przeniesienia molekuł;
• molekuły mogą przemieszczać się na zasadzie dyfuzji;
• odbiorca może zbliżyć się do nadawcy i „pobrać” od niego odpowiednie substancje w wyniku bezpośredniego kontaktu.
Ponieważ selektywne wykrywanie i pobieranie związków chemicznych jest jedną z podstawowych funkcji wszystkich żywych komórek, komunikacja chemiczna może być w szerszym rozumieniu rozpatrywana na wielu poziomach biologicznych. Związki, które działają wewnętrznie i ułatwiają komunikację między mózgiem i organami zaangażowanymi we wzrost, trawienie i rozmnażanie nazywamy hormonami. Związki odpowiedzialne za komunikację pomiędzy osobnikami tego samego gatunku to feromony. Związki, które są przenoszone i wykrywane między osobnikami różnych gatunków (drapieżnikami i ich ofiarami czy konkurentami o podobne zasoby) to tzw. allomony (allomones). Dla wymienionych dwóch typów komunikacji zewnętrznej znane są dwa główne sposoby wykrywania: wykrywanie węchowe, które polega na wyłapywaniu cząsteczek wędrujących z oddalonego źródła w powietrzu lub wodzie, oraz wykrywanie kontaktowe, wymagające bezpośredniego styku receptora i źródła substancji chemicznej (np. smak). Oba sposoby mogą być używane do wykrywania zarówno pokarmu, jak i innych osobników.
Transmisja dyfuzyjna substancji zapachowych w nieruchomym powietrzu może być modelowana z dużą dokładnością. Dla typowych wartości częstości uwalniania feromonów, progów wykrywalności i stałych opisujących proces dyfuzji, sygnały chemiczne pokonują w powietrzu ok. 6 cm w 13 sekund. W wodzie zaś dyfuzja jest 10 tys. razy wolniejsza.
Transmisja na dalekie dystanse musi więc być zawsze połączona z ruchami medium wynikającymi z warunków środowiska lub generowanymi przez nadawcę. Niestety nie dysponujemy jeszcze aparatem matematycznym, który w wystarczająco dokładny sposób modelowałby takie procesy. Wynika to z faktu, że turbulencje powietrza mają bardzo chaotyczny i nieprzewidywalny charakter. Wiadomo jednak, że zapachy mogą przemieszczać się z prędkością przekraczającą szybkość 1 m/s.
Idealny receptor związków chemicznych powinien być bardzo czuły na niskie stężenia substancji i jednocześnie wrażliwy na wiele rodzajów związków. Niestety budowa receptorów wymusza kompromis — nie można mieć równocześnie receptorów bardzo czułych i wrażliwych na wielki zestaw związków chemicznych.
Warto zauważyć, że jedynym kierunkowym zapisem informacji, który można odczytać w komunikacji chemicznej, jest stężenie substancji i jego zmiany. Wraz z oddalaniem się od źródła zapachu, stężenie substancji jest coraz niższe. Daje to możliwość odnajdywania źródła zapachu jak również unikania go.
Komunikacja chemiczna różni się zasadniczo od komunikacji dźwiękowej i wizualnej.
Po pierwsze, zarówno dźwięk, jak i światło poruszają się w formie uporządkowanych fal, które stosunkowo prosto zmierzają od miejsca nadania do odbiorcy. W przypadku sygnałów chemicznych molekuły również rozprzestrzeniają się generalnie od źródła, ale wskutek zawirowań medium czy lokalnych zmian stężenia, poszczególne molekuły mogą wędrować zarówno do, jak i od źródła. Innymi słowy, rozprzestrzenianie się sygnału zapachowego jest o wiele mniej kierunkowe.
Po drugie, zarówno komunikacja dźwiękowa, jak i chemiczna wymaga ruchu molekuł, jednak to dźwięki poruszają się znacznie szybciej niż zapachy. Wynika to z faktu, iż w przypadku dźwięku molekuły przemieszczają się tylko w tzw. bliskim polu, podczas gdy później przenoszony jest jedynie stan zaburzenia molekuł. W przypadku zapachów zawsze mamy do czynienia z przemieszczaniem się samych molekuł na duże odległości. Typowe opóźnienie w odbiorze sygnału dźwiękowego mierzy się w milisekundach, w przypadku śladu chemicznego może ono wynosić sekundy, minuty, a nawet dni. Po trzecie, dźwięk i światło zachowują w trakcie rozprzestrzeniania się swoje charakterystyczne wzory czasowe (np. modulacje częstotliwości), choć w trakcie komunikacji dalekiego zasięgu mogą one podlegać pewnym zniekształceniom. Ani dyfuzja, ani prądy medium nie są w stanie zachować wzoru modulacji, w jakim były uwalniane molekuły, ponieważ cząsteczki nie poruszają się w sposób zsynchronizowany. Każdy czasowy wzór wkomponowany w uwalniane molekuły już po niewielkim dystansie ulega całkowitemu zniekształceniu uniemożliwiającemu jego odtworzenie. Po czwarte, spektrum (widmo) sygnałów zapachowych, czyli różne związki chemiczne i ich kombinacje, nie może być rozważane jednowymiarowo, tak jak częstotliwość dźwięku czy światła. Oznacza to, że nie możemy użyć analizy Fouriera do scharakteryzowania sygnałów zapachowych, określania jak są generowane, jak się rozprzestrzeniają i jak są odbierane. Potrzebujemy zupełnie innych metod do ich opisu i analizy.
Tomasz S. Osiejuk
