Bartek Stańczyk

Przedstawiamy Wam dzisiaj kolejną porcję informacji na temat metabolizmu korali. Organizmy te, mimo prostej budowy charakteryzują się wysoce złożonymi procesami metabolicznymi. Po raz kolejny Dr Tim Wijgerde z Uniwersytetu w Utrecht w Holandii podzielił się z ReefHub.pl swoją pracą. Link do oryginału >>>  http://www.coralscience.org/main/articles/nutrition-6/how-corals-feed.  Ze względu na swoją obszerność, publikacja

została podzielona przez nas na dwie części. Zapraszamy do części pierwszej. Część druga pojawi się w ciągu następnego tygodnia.

Jak odżywiają się korale?  Część pierwsza.


Korale rozwinęły kilka unikalnych sposobów odżywiania: dzięki współpracy z symbiotycznymi algami, łapiąc plankton oraz wchłaniając rozpuszczone nutrienty bezpośrednio z wody przez tkankę.

Pomimo tego, że morfologia korali wydaje się prosta, ich procesy życiowe są dość złożone. To odnosi się również do sposobu ich karmienia. Przez ostatnie kilka dziesięcioleci, naukowcy badali wiele aspektów diety korali. O ile, dzięki symbiozie z algami symbiotycznymi, korale są zaopatrywane w energię potrzebną dożycia, o tyle za wzrost głównie wpływa zdobywanie pokarmu z wody; czy to łapiąc plankton za pomocą polipów, czy wchłaniając substancje odżywcze bezpośrednio z wody.

Samożywność i cudzożywność

Naukowcy klasyfikują wszelkie życie na Ziemi na podstawie wielu elementów np: uwzględniając wygląd (ptaki, ssaki itp.), uwzględniając zachowanie (zwierzęta dzienne i nocne), badając cechy komórek (komórka roślinna i zwierzęca). kolejnym elementem klasyfikacji życia na Ziemi jest metabolizm np. samożywność i cudzożywność. Oba te terminy dotyczą sposobu pobierania pokarmu. Samożywność (autotrofia) występuje wtedy, kiedy organizm pobiera tylko substancje nieorganiczne (np. CO2, H2O) i sam tworzy z nich substancje organiczne za pomocą energii słońca (fotoautotrofia, fotosynteza – rośliny) lub energii chemicznej (chemoautotrofia, chemosynteza – bakterie) Organizmy autotroficzne są również nazywane „producentami”, ponieważ są pierwszym ogniwem łańcucha pokarmowego.

Organizmy cudzożywne (heterotroficzne) nie potrafią same tworzyć substancji organicznych dlatego muszą je zdobywać ze środowiska konsumując biomasę. W ten sposób powstaje łańcuch pokarmowy na początku którego, organizmy autotroficzne (np. rośliny) produkują substancje organiczne, które z kolei są konsumowane przez organizmy heterotroficzne (zwierzęta) zwane konsumentami. Na końcu łańcucha pokarmowego znajduje się klasa organizmów zwana reducentami. Reducenci (najczęściej bakterie i grzyby) rozkładają substancje organiczne na nieorganiczne.

Fot.2 Dwa organizmy heterotroficzne. Człowiek i liliowiec (Comanthina sp) fot Hans Leijnse

Fot.2 Dwa organizmy heterotroficzne. Człowiek i liliowiec (Comanthina sp) fot Hans Leijnse

Korale – autotrofy i heterotrofy w jednym?

Korale są jednak bardziej złożone. Jako zwierzęta zdobywają pokarm łapiąc i trawiąc cząstki organiczne. Jednak większość korali rozwinęła zdolność współżycia z symbiotycznymi jednokomórkowymi algami (zooksantelle) , które dostarczają koralom substancje organiczne (cukry, kwasy tłuszczowe, aminokwasy) wprost z fotosyntezy. Mimo, że korale są zwierzętami to w ich tkankach zachodzą procesy odżywiania samo- i cudzożywnego (nie dotyczy to korali, które nie wykształciły symbiozy z zooksantellami)

Energia i budulec

Produkty fotosyntezy, które dostarczane są przez mieszkające w tkance korala glony, mogą pokrywać do 100% zapotrzebowania korala na energię. Ze względu jednak na to, że są one ubogie w azot i fosfor, w związku z czym są głównie zużywane jako źródło energii dla procesów metabolicznych, niż jako element budulcowy biomasy. Sama fotosynteza niestety nie jest w stanie dostarczyć budulca na tkankę. Musi on być pobierany z wody za pomocą odżywiania heterotroficznego. Heterotrofia jest podstawowym źródłem budulca korali, a w przypadku gatunków niesymbiotycznych (azoox) jedynym źródłem. Dla korali z rodzin np. Tubastrea czy Dendronephtya heterotrofia to jedyne źródło pożywienia.

Źródła pokarmu dla korali

Przyjrzyjmy się bliżej źródłom nutrientów na rafie koralowej.

Fotosynteza – w przypadku korali symbiotycznych (zoox) fotosynteza jest głównym źródłem energii w całkowitym budżecie energetycznym korala. Przemiana dwutlenku węgla CO2 w cukry jest złożonym procesem biochemicznym, który można podzielić na dwa główne procesy.

Na rysunku 3 przedstawiliśmy uproszczony schemat fotosyntezy, której dwa główne procesy to Fotosystem I/II i cykl Calvina. Podstawą fotosyntezy jest proces, podczas którego barwnik światłoczuły (np. chlorofil) znajdujący się w zooksantellach pod wpływem światła generuje przepływ elektronów a energia w ten sposób otrzymana, zużywana jest bezpośrednio do syntezy cukrów. W niniejszym artykule, skupiamy się oczywiście fotosyntezie w zooksantellach, jednak proces ten jest taki sam u wszystkich roślin.

photosynthesis

Rysunek 3. Uproszczony schemat fotosyntezy (Benjamin Cummings)

W komórkach glonów (zooksantelli) znajdują się organelle zwane chloroplastami, które zawierają białko światłoczułe np. chlorofil oraz mikroskopijne struktury zwane tylakoidami. To właśnie na nich zachodzi esencja procesu fotosyntezy. Pod wpływem światła i przy udziale chlorofilu zachodzi pierwszy etap fotosyntezy (faza świetlna) :

2H2O → 4H+ + O2 + 4e-

Uwolnione elektrony użyte są do produkcji dwóch substancji ATP i NADPH, które przenoszą energię do drugiego procesu fotosyntezy – Cyklu Calvina. To właśnie w nim za pomocą dostarczonej energii oraz enzymów zachodzi zmiana dwutlenku węgla w glukozę. Proces ten zwany jest fazą ciemną, ale również zachodzi podczas dnia ze względu na ciągłe zapotrzebowanie na ATP i NADPH, które są produkowane tylko przy udziale światła. Częstym błędem, który spotykam na forach jest stwierdzenie, że „korale muszą mieć okres zaciemnienia po to, aby zachodziła faza ciemna”.

Żeby zobrazować w łatwy sposób proces fotosyntezy posłużę się analogią. ATP i NADPH można porównać do akumulatorów, które ładowane są w elektrowni słonecznej (faza świetlna fotosyntezy). Po naładowaniu akumulatory trafiają do fabryki (Cykl Calvina), która za pomocą ich energii produkuje cukier z dwutlenku węgla. Po całym procesie, rozładowane akumulatory (teraz jako ADP i NADP+) wracają do ponownego naładowania do elektrowni.

Sumaryczny proces fotosyntezy zapisuje się w postaci:

6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

Produkty tej reakcji są częściowo transferowane do tkanki korala. Zarówno zooksantelle jaki korale spalają otrzymany cukier za pomocą tlenu w reakcji, która jest dokładnie odwrotnością powyższego równania. Otrzymana energia używana jest do procesów życiowych takich jak oddychanie czy kalcyfikacja.

Zdarza się, że zooksantelle produkują zbyt dużo tlenu. Jest to szkodliwe dla komórek, ponieważ nadmiar tlenu jest częściowo zmieniany w wolne rodniki tlenowe. Te molekuły są wysoce niebezpieczne ze względu na wolną parę elektronów dzięki którym rodniki chętnie reagują z innymi substancjami powodując uszkodzenia DNA i organelli komórkowych. Na szczęście korale wykształciły pewne mechanizmy obronne przed rodnikami. Z jednej strony są to antyoksydanty, które potrafią związać niebezpieczne rodniki. Drugi mechanizm to pozbycie się nadmiaru zooksantelli. Głównym powodem nadprodukcji tlenu jest silne światło. Jako, że wydajność fotosyntezy jest w dużym zakresie wprost proporcjonalna do natężenia światła, to przy względnie stałym zapotrzebowaniu na energię, w jasnym świetle mniejsza ilość zooksantelli potrzebna jest do uzyskania wymaganej energii. Zjawisko to jest wykorzystywane przez akwarystów w celu uzyskania jasnych barw korali. Jasne światło powoduje, że korale pozbywają się nadmiaru zooksantelli tracąc w ten sposób brązowy kolor. Nadmiar światła lub jego gwałtowny wzrost mogą jednak spowodować zbielenie korala lub uszkodzenia tkanek w młodych przyrostach tkanki (zwane wśród akwarystów spaleniem tipów). Dlatego wszelkie zmiany światła należy przeprowadzać stopniowo.

Drugim powodem bielenia jest wysoka temperatura. W dłuższych okresach kiedy temperatura wody przekracza 30C rozpadają się tylakoidy w chloroplastach co powoduje, uwolnienie rodników. W tym wypadku również koral reaguje pozbyciem się uszkodzonych zooksantelli. Niektóre gatunki zooksantelli potrafią przeżyć w wyższych temperaturach, co tłumaczy dlaczego niektóre korale nie bieleją nawet w 32C.

Zbielałe korale muszą uzupełnić swoją populacje zooksantelli zanim zagłodzą się na śmierć. Na szczęście jest to dość prosty proces, który odbywa się w dwojaki sposób. Korale łapią wolno żyjące zooksantelle tak jak pożywienie. Zooksantelle trafiają do jamy chłonąco-trawiącej ale zamiast być strawione, zostają wchłonięte do tkanki korala. Drugi sposób to „hodowanie” alg wewnątrz tkanki korala. Korale umożliwiają zooksantellom rozmnażanie wewnątrz ich tkanki.

Rozpuszczona materia organiczna (dissolved organic matter DOM) jest ważnym źródłem pokarmu dla wielu korali. Już w 1960 naukowcy odkryli, ze korale z rodzaju Fungia były zdolne do wchłaniania oznaczonej radioaktywnie glukozy bezpośrednio z wody.

Naukowcy często rozróżniają kilka istotnych rodzajów DOM:

-DON Rozpuszczony azot organiczny

-DOC Rozpuszczony węgiel organiczny

-DFAA – Rozpuszczone wolne aminokwasy

-UREA – mocznik – mniej toksyczna forma amoniaku wydalana przez wiele zwierząt morskich.

Wszystkie te substancje są wchłaniane przez korale w bardzo małych stężeniach rzędu nanomoli/1L wody. Dla azotanów 1nM przekłada się na 1 ug NO3/1L wody. Stylophora pistillata wchłaniając DFAA pobiera do 21% budżetu azotowego. Podobny rząd wielkości wchłanianego DOM występuje dla innych korali kalcyfikujących.

Rysunek 5. Budżet azotowy dla kolonii Stylophora pistillata w jej naturalnym środowisku. Wyraźnie widać, że jony amonowe i azotany stanowią wyraźną większość budżetu azotowego. Azot organiczny w postaci aminokwasów stanowi 21%. Jednak balans pomiędzy pomiędzy rozpuszczonymi molekułami, a cząstkami jak np plankton zależy od dostępności w danym momencie (Renaud Grover et al, Journal of Experimental biology 2008).

Rysunek 4. Budżet azotowy dla kolonii Stylophora pistillata w jej naturalnym środowisku. Wyraźnie widać, że jony amonowe i azotany stanowią wyraźną większość budżetu azotowego. Azot organiczny w postaci aminokwasów stanowi 21%. Jednak balans pomiędzy pomiędzy rozpuszczonymi molekułami, a cząstkami jak np plankton zależy od dostępności w danym momencie (Renaud Grover et al, Journal of Experimental biology 2008).

Intrygujący jest również fakt, że wiele korali wchłania mocznik bezpośrednio z wody (niektóre mogą go pobierać nawet w większej ilości niż azotany). To sugeruje, że zwierzęta te są wysoko zaadaptowane do obecności na rafie zwierząt wyższych np. ryb które łącznie produkują spore ilości mocznika. Naukowcy również odkryli, że mocznik, podobnie do aminokwasów jest pobierany przez korale w dzień. Przyjmuje się, że molekuły mocznika mają znaczenie w konstrukcji organicznej matrycy, będącej szkieletem wokół którego następuje właściwa kalcyfikacja aragonitowa. Badania wykazały, że owa organiczna matryca jest produkowana głównie w nocy, podczas gdy kalcyfikacja zachodzi głównie w dzień.

aagraph

Rysunek 5. Tempo wchłaniania 11 różnych aminokwasów przez Stylophora pistillata. (Renaud Grover et al, Journal of Experimental biology 2008)

Akwaryści często zauważają zjawisko wysuwania polipów zaraz po karmieniu planktonem czy rożnymi „boosterami”. Dzieje się tak, ponieważ korale, podobnie do człowieka mają receptory smaku i potrafią wyczuć obecność pokarmu w wodzie. Dodawanie do wody aminokwasów jak np. glicyna, alanina czy glutamina, powoduje „pompowanie” tkanki korali. Mechanizm ten wykształcił się prawdopodobnie w celu bardziej efektywnego łapania planktonu i wchłaniania DOM.

Rozpuszczona materia nieorganiczna (Dissolved Inorganic Matter DIM) – to głównie mieszanina substancji makro i mikroelementów oraz gazów. W akwarium, źródłem DIM jest głównie dozowanie pierwiastków za pomocą różnych metod – Calcium reaktor, Metoda Ballinga, Kalkwasser.

Pierwiastki śladowe występują w wodzie w niewielkich stężeniach np. jod -50ppb, azot – 300ppb (wliczając azotany), fosfor – 70ppb (włączając fosforany), fluor – 1ppm, metale np. żelazo – 10ppb, cynk – 10ppb, glin – 10ppb. Poniższa tabela pokazuje pierwiastki wchodzące w skład wody morskiej.

Powyższa tabela pokazuje, że pierwiastki śladowe, zwłaszcza metale, są rzeczywiście śladowe i ich dozowanie do akwarium powinno być bardzo ostrożne ze względu na to, że większość z nich np., cynk, miedź czy chrom są bardzo toksyczne dla bezkręgowców. Korale, ukwiały, skorupiaki żyjąc przez tysiące lat w stabilnym środowisku nie są odporne na jego wahania. Dopiero wyższe zwierzęta, które wykształciły wątrobę i nerki potrafią lepiej radzić sobie z toksynami. Należy pamiętać również o tym, że część metali może łączyć się z substancjami organicznymi tworząc szkodliwe metaloproteiny.

Powyższa tabela pokazuje, że pierwiastki śladowe, zwłaszcza metale, są rzeczywiście śladowe i ich dozowanie do akwarium powinno być bardzo ostrożne ze względu na to, że większość z nich np., cynk, miedź czy chrom są bardzo toksyczne dla bezkręgowców. Korale, ukwiały, skorupiaki żyjąc przez tysiące lat w stabilnym środowisku nie są odporne na jego wahania. Dopiero wyższe zwierzęta, które wykształciły wątrobę i nerki potrafią lepiej radzić sobie z toksynami. Należy pamiętać również o tym, że część metali może łączyć się z substancjami organicznymi tworząc szkodliwe metaloproteiny.

Fosfor jest również często dyskutowany wśród akwarystów jako źródło problemów. Ortofosforany – PO4(3-) uznawane są za głównego winowajce występowania glonów i cyjanobakterii w akwarium. Wielu akwarystów jest świadomych problemów, które powoduje nadmiar fosforanów. Wielu producentów wytwarza produkty obniżające stężenie fosforanów w wodzie. Są to głównie produkty oparte o żelazo i aluminium.

Cały czas jednak trwa dyskusja wśród naukowców na temat szkodliwości fosforanów w akwarium. Przyjmuje się, że najbardziej wrażliwe na podwyższony poziom PO4 są korale kalcyfikujące SPS i LPS. Korale miękki i gorgonie są dużo bardzie odporne. Badania wykazały wzrost przy stężeniu fosforanów 5mg/L. W przypadku korali kalcyfikujących przyjmuje się, że podwyższone stężenia PO4 hamują budowę szkieletu poprzez przyłączanie cząsteczek fosforanów do sieci krystalicznej aragonitu.

Cząstki materii organicznej (particulate organic matter POM) – to głównie zawieszony w wodzie detrytus – czyli nierozłożone pozostałości organizmów. W akwarium do detrytusu dochodzi nadmiar nierozłożonego przez bakterie pokarmu. Zarówno na rafie jak i w akwarium, detrytus kumuluje się w postaci sedymentu w miejscach o wolniejszym przepływie wody. Proces rozkładania detrytusu nazywamy mineralizacją. Sedyment zawiera bakterie, pierwotniaki, ich wydaliny, mikroskopijne bezkręgowce, glony oraz nieożywioną materie organiczną. Taki sedyment jest źródłem pokarmu dla wielu korali, zwłaszcza w mętnych wodach, gdzie penetracja światła jest utrudniona. Przeprowadzono liczne eksperymenty, które wykazały, że Fungia horrida oraz Acropora millepora z łatwością wchłaniały sedyment. Zauważono też, że im więcej detrytusu tym więcej go korale wchłaniały. Obliczono, że u Montastrea franksi, Diploria strigosa i Madracis mirabilis

50-80% wchłoniętego sedymentu zostawało zamienione na biomasę.

Należy zauważyć,że nadmiar zawieszonego detrytusu może mieć katastrofalne skutki dla rafy koralowej, ze względu na zmętnienie wody, zmniejszoną przenikliwość światła i zmniejszoną wymianę gazową. Zjawisko to zostało zaobserwowane w Zatoce Akaba, gdzie ekspansja rafy natychmiast zatrzymuje się po osiągnięciu terenów gęściej zaludnionych.

deepblue

Rysunek 6. Holenderskie akwarium z koralami azoox bogate w detrytus i plankton. Ze względu na intensywne karmienie, w akwarium występuje bogata populacja dennych skorupiaków takich ajk Amphipoda zamieszkujących żywą skałę. “Brudne” akwarium to ostatnio nowy trend w akwarystyce morskiej. Cały trik polega na tym dostępie do substancji odżywczych przy doskonałej jakości wody (foto: Pieter van Suylekom)

cdn.

W części drugiej skupimy się na głównym źródle pokarmu dla korali jakim jest plankton oraz na znaczeniu odżywianie heterotroficznego.

Link do części drugiej >>> http://reefhub.pl/jak-odzywiaja-sie-korale-czesc-druga/

O Autorze Wszystkie posty

Bartek Stańczyk

Bartek Stańczyk

Jestem pasjonatem mórz i oceanów już od czasów dzieciństwa, a edukacja w dziedzinie biologii morskiej pozwoliła mi na bardziej naukowe spojrzenie na typowe akwarium morskie.

KomentarzeSkomentuj

  • Bartku od kilku lat zajmuje sie akwarystyka morska .Obecnie posiadam zbiornik 3000 litrow
    Jestem zafascynowany twoja wiedza ,radą która dzielisz sie na forach.
    Obecnie jestem na etapie kolejnej przygody w moim akwa.z SPSami
    Nieukrywam ze i ja sam czytajac twoje opinie wcielam twoje rady korygujac wlasne bledy.
    Pozdrawiam Czesiek F. z Gryfina

  • Super artykuł i blog ;) Z przyjemnością się czyta, co więcej często wracam do Twoich artykułów po przetrawieniu już jakieś porcji wiedzy i konfrontacji z innymi źródłami.

    Mam pytanie o źródło zdjęcia z “Rysunek 6. Holenderskie akwarium z koralami azoox bogate w detrytus i plankton (…)”

    Masz może link do forum lub artykułu o tym zbiorniku?

    • Witam,
      Niestety powyższy artykuł jest tłumaczeniem artykułu anglojęzycznego i w oryginale również nie było źródła fotografii. Polecam poszukania wątków tego autora na forach.

  • Jestem zafascynowany twoja wiedza i pomocną dłonią dla innych .
    Pozdrawiam i życzę samych sukcesów

Zostaw komentarz...

Twój email nie będzie widoczny dla innych. Pola oznaczone gwiazdką są wymagane.