Determinacja ubarwienia ciała z elementami biofizyki

Ubarwienie ciała jest ważną cechą adaptacyjną wszystkich organizmów żywych. Z pojęciem tym (tj.: ubarwieniem) spotykamy się nie tylko w królestwie zwierząt (Animalia) lecz także w szeroko rozumianym  królestwie roślin (Plantae). To już tutaj mówimy o barwnikach roślinnych, tzw. antocyjanach. Antocyjany, w zależności od pH soku komórkowego mogą przyjmować barwę od czerwonej po fioletową. Najznakomitszym przykładem barwnika, będącego jednocześnie barwnikiem aktywnym fotosyntetycznie jest chlorofil. Poza roślinami, a więc na płaszczyźnie zwierząt mówimy o komórkach barwnikotwórczych, a więc takich, które produkują barwniki. Przykładem komórek barwnikotwórczych mogą być np. melanocyty, które można znaleźć między innymi w naskórku człowieka. Produkt aktywności melanocytów – melanina jest barwnikiem skóry.


KOLOR SKÓRY – wytyczna przynależności i zasadnicze znaczenie biologiczne.

Wydawać by się mogło, że zagadnienia związane z ubarwieniem ciała są trywialne, jednakże funkcje jakie spełnia ubarwienie ciała ma bardzo duże znaczenie, rzecz jasna nie tylko w ujęciu fizjologicznym lecz także adaptacyjnym czy ewolucyjnym. Proszę zauważyć, jakie znaczenie w dziejach ludzkości miał (i niestety nadal ma) fakt koloru skóry człowieka. Już od zarania dziejów świat spowity był szeregiem uprzedzeń, co do pewnych kolorów ludzkiej skóry. Na podstawie koloru skóry można także wyróżnić pięć ras ludzkich: rasa biała, rasa czarna, rasa żółta, mulaci oraz metysi. Poniższa mapa przedstawia udział danego koloru ludzkiej skóry na danej szerokości geograficznej:34

Analizując dane z powyższej mapy widać znaczenie adaptacyjne koloru skóry względem środowiska. Ludzie, którzy mieszkają na obszarach, gdzie nasłonecznienie w ciągu dnia trwa bardzo długo, a intensywności górowania słońca jest wysoka, posiadają ciemniejszą skórę aniżeli ich dalecy sąsiedzi ze zwrotnika raka czy koła podbiegunowego, gdzie mamy do czynienia z niskim poziomem nasłonecznienia, a intensywność słońca nie jest tak wysoka (nie wspominając już o zimnie arktycznej, gdzie słońca nie ma w ogóle). Okazuję się, że barwnik (melanina), który znajduje się w ludzkiej skórze, jako efekt czynności melanocytów chroni głębokie warstwy skóry przed nadmiernym promieniowaniem UV emitowanym przez centralną gwiazdę naszego układu. Melanina odbija część UV chroniąc nas przed szkodliwym i kancerogennym wpływem promieniowania ultrafioletowego. Dlatego też, jeśli intensywność tego promieniowania jest wysoka (jak np. w strefie klimatu równikowego) kolor skóry jest ciemniejszy za sprawą większej koncentracji melaniny w skórze.

Ubarwienie ciała może stanowić także o zdolności do maskowania się z czym wiążą się dwa pojęcia: mimetyzm oraz mimikra. Mimetyzm to zagadnienie najogólniej mówiąc związane z upodabnianie się. Otóż, niektóre gatunki zwierząt czy roślin swoją barwę, odcień, deseń czy kształt ciała upodabniają do innych gatunków organizmów. Poniżej dwa przykłady mimetyzmu:

      1. na rybie Scophthalmus maximus. Jak łatwo się domyśleć spodnia strona jej ciała jest nieubarwiona natomiast barwa górnej części jej ciała zależy od podłoża, na którym w danym momencie znajduje się ryba.

ryb       2. na motylu Cleora cinctaria    

moty

Mimikra to z reguły przystosowanie ochronne występujące u zwierząt, które polega na upodabnianiu się zwierząt bezbronnych do zwierząt z natury groźnych. Bycie groźnym w aspekcie biologicznym oznacza dwie rzeczy: albo zdolność do ataku albo zdolność do obrony (ewentualnie obie te rzeczy). W zależności od powódek, dla których jeden gatunek organizmu upodabnia się do drugiego możemy wyróżnić mimikrę Batesa oraz mimikrę Müllerowską. Pierwsza z nich to upodobnienie się gatunków bezbronnych do form posiadających mechanizmy obronne, na przykład: niegroźny przeziernik osowiec wyglądem przypomina osę, a kukułka stara się, aby w początkowym okresie życia nie była rozpoznawalna dla swoich przybranych rodziców, w gnieździe których wykluła się z jaja.

osa i prze

Jak widać przyroda potrafi na swoją korzyść wykorzystać naszą niewiedzę zoologiczną. Mało kto potrafi w krótkiej chwili rozpoznać z czym ma do czynienia, czy jest to groźna, żądląca osa czy może niestanowiący o niebezpieczności przeziernik osowiec, który zresztą jest motylem. Okazuje się proszę Państwa, że w aspekcie biologii, no i ewolucji nasza niewiedza ma pozytywne echo, echo które pozwala bezbronnym organizmom na egzystencje.

Homo sapiens – barwa skóry a płeć.

Spostrzegawczymi mogą nazywać się te osoby, które zaobserwowały pewną zależność odnośnie płci człowieka a koloru skóry. Okazuje się bowiem, że wśród tej samej rasy ludzi kobiety mają jaśniejszą skórę od mężczyzn. Oczywiście wiele osób podchodzi do tego intuicyjnie, jak gdyby podświadomie tłumacząc sobie ten fakt tym, że aksamitna i łagodna skóra kobiet jest wyrazem ich stylu życia. W meritum sprawy tak nie jest, a wszystko to ma swoje uzasadnienie fizjologiczne. Jak już wyżej było to opisywane jaśniejszy odcień skóry wynika z mniejszej ilości melaniny w skórze, co stoi w opozycji do skóry ciemnej. Mniejsza ilość melaniny w skórze pozwala na większą absorpcję promieni UV przez skórę, a te oprócz swojego negatywnego wpływu na organizm żywy mają również wpływ pozytywny. Tak proszę Państwa – chodzi do pobudzenie syntezy witaminy D (kalcyferol) z cholesterolu. Witamina D ma nieoceniony wpływ zwłaszcza na kościec człowieka, czyniąc kości bardziej wytrzymałymi i zmniejszając ryzyko wystąpienia w przyszłości osteoporozy. Należy jednakowo zauważyć, że czasy, kiedy rzeszotowienie kości było chorobą wieku starszego już dawno przeminęły. Teraz choroba ta dotyczy także osób w młodym i średnim wieku.                                                                No dobrze, ale jak odnieść fakt jasnej karnacji u kobiet ze skutkiem tego dla zwiększonej syntezy witaminy D? Wszystko leży u podłoża fizjologii kobiet. Fizjologii, która przesądza o tym, że tuż po menopauzie poziom hormonów płciowych żeńskich (estrogenów) gwałtownie spada. Ze spadkiem tych hormonów wiążę się spadek uwapnienia kości, dlatego też kobiety już od narodzin mają jaśniejszą skórę ciała, aby przez całe swe życie posiadać zdolność do większej produkcji witaminy D, jak gdyby w rezerwie po to, aby w okresie menopauzalnym zmniejszyć negatywne skutki spadku poziomu żeńskich hormonów płciowych.

Co tak naprawdę ma wpływ na kolor skóry/ ciała?

Ad. 1 GENY

Kolor skóry czy ciała ma swoje podłoże genetyczne. Model dziedziczenia koloru skóry jest modelem poligenicznym. Dotykamy tutaj rozszerzenia genetyki Mendla na dwa lub większą mendel
liczbę genów, bowiem według przyjętego modelu dziedziczenia za barwę koloru skóry odpowiadają 3 geny, umownie oznaczone w niniejszym artykule: A, B oraz C (w praktyce, genów tych jest więcej). Ojciec genetyki (fotografia obok) badał cechy, które mogły być klasyfikowane na zasadzie albo-albo, np.: filetowa barwa kwiatów albo biała. Jednakże w aspekcie dziedziczenie koloru skóry takie podejście jest po prostu – niepoprawne. Efekt fenotypowy genów A, B oraz C sumuje się, tak więc:

– osobnik potrójnie homozygotyczny (w pierwszym wariancie) AABBCC ma skórę bardzo ciemną, natomiast (w drugim wariancie) aabbcc ma skórę bardzo jasną.

– osobniki potrójnie heterozygotyczne (AaBbCc) mają skórę o odcieniu pośrednim.

Załóżmy teraz uproszczony model dziedziczenia poligenicznego koloru skóry. W naszym modelu trzy odrębnie dziedziczone geny wpływają na pigmentację skóry. Skrzyżowano dwa osobniki, będące potrójnymi heterozygotami (AaBbCc).

sza

Prezentacja powyższych danych na wykresie ukazuje, że dziedziczenie kolory skóry człowieka nosi znamiona rozkładu Gaussa, co jest typowe dla cech poligenicznych. Skrajne fenotypy są rzadkością, sytuacja podobna ma miejsce także w dziedziczeniu wzrostu.

wy-cropMa to także swoje odzwierciedlenie w danych statystycznych ukazujących procentowy [%] udział poszczególnych ras ludzi na świecie. Prezentuje to zamieszczony poniżej wykres.  Analizując przedstawione  dane widzimy, iż suma udziału procentowego rasy czarnej  oraz rasy białej (a więc ras, których przedstawiciele posiadają genotypy o cechach niepośrednich [tj. dla rasy czarnej – wyższa niż średnia ilość alleli ciemnej skóry, dla rasy białej – niższa niż średnia ilości alleli ciemnej skóry]) jest mniejsza niż procentowy udział rasy żółtej (cecha pośrednia) i białej.

wyk2Ad. 2 ŚRODOWISKO

Z racji, że to organizmy przystosowują się do środowiska ma ono znaczący wpływ na fenotyp organizmu żywego. Takie zjawisko, kiedy środowisko wpływa na fenotyp, który sensu stricto wynika z genotypu nazywamy plastycznością fenotypową. Jak pokazują modele strategii wyboru siedliska, budowane w oparciu o teorię gier, populacja składająca się z osobników o większej plastyczności fenotypowej ma większe szanse na skolonizowanie i zdominowanie środowiska niż populacja z osobnikami nieplastycznymi, co więcej, plastyczność fenotypowa może łagodzić skutki konkurencji międzyosobniczej w populacji, w jaki sposób? A no w taki, że plastyczność fenotypowa może tak mocno przekładać się na fizjologię organizmu, iż ten zmieni swoją niszę ekologiczną (podział nisz). Mimo, iż pojęcie “fenotyp” odnosi się do szeregu cech anatomicznych, morfologicznych czy fizjologicznych zostanie ono uwzględnione także w tym artykule, bowiem “kolor ciała” jest również cechą fenotypową. Oczywiście zmiany fenotypu w zależności od swojej determinanty, a więc środowiska, nie podlegają dziedziczeniu w liniach kojarzeniowych, bowiem są one rezultatem “dostrajania się” organizmu do danych warunków panujących w danym środowisku. Jest to wówczas tak zwana zmienność środowiskowa, będąca rodzajem zmienności niedziedzicznej w opozycji do rozważań przedstawionych powyżej (Ad.1).  Przykładem wpływu środowiska na fenotyp organizmów może być np.:

       A. W ZAKRESIE FIZJOLOGII:                                                                                                                                   

  1. Mesembryanthemum crystallinum to roślina, która w zależności od

warunków środowiska może przeprowadzać fotosyntezę typu C3 jaki

i fotosyntezę typu CAM.

ro1

   B. W ZAKRESIE MORFOLOGII:

2. Homo sapiens, w zależności od miejsca zamieszkania ilość erytrocytów

w krwi obwodowej jest różna. U osoby zamieszkującej tereny nizinne (I) ilość

erytrocytów jest mniejsza niż u osoby zamieszkującej tereny górzyste (II)

   (dane ujednolicone)

wyk

Ad. 3 FIZYKA i ŚWIATŁO.

Zapewne wiele z Was nie raz spacerowało po lesie czy parku. Można wówczas dostrzec wiele gatunków stawonogów. Niektóre z nich mają bardzo ciekawe ubarwienie ciała, które zmienia swój charakter w zależności od kąta padania promieni słonecznych czy też w zależności od skierowania wzroku na obiekt naszego zoologicznego zainteresowania. Podobną obserwację można poczynić obserwując benzynę rozlaną na kałuży deszczu. Mimo totalnie różnego punktu odniesienie przyczyna tego zjawiska tkwi w jednym i tym samym zjawisku, w tzw. iryzacji.

ben
Iryzująca plama benzyny

Promienie słoneczne składają się z fal o różnych długościach. Każdej długości przypisany jest inny kolor z palety barw. Jeśli jakieś odcienie nakładają się na siebie to powstaje tzw. iryzacja. W ujęciu fizycznym iryzacja wynika z interferencji światła.

Rozszczepienie światła białego na siatce dyfrakcyjnej.
Rozszczepienie światła białego na siatce dyfrakcyjnej.

Ubarwienie wynikające z iryzacji światła nazywane jest ubarwieniem strukturalnym. Okazuje się, że jest to bardzo ciekawa opcja, ponieważ organizmy, które cechują się ubarwieniem strukturalnym nie muszą produkować barwników, które stanowiłyby o kolorze ich ciała. Oczywiście zdajemy sobie sprawę, że wszystkie rozwiązania jakie występują w otaczającym nas świecie są na ten moment najlepsze z punktu adaptacyjnego. Jakim zatem rozwiązaniem jest ubarwienie strukturalne? Skoro powszechnie występuję w przyrodzie i to nie tylko na poziomie stawonogów (niektóre ptaki również mają ubarwienie strukturalne) to najwidoczniej jest to dobrym rozwiązaniem. Dlaczego? Ponieważ ubarwienie strukturalne nie wymaga produkcji pigmentów ani tym samym posiadania w ciele komórek barwnikotwórczych – pozwala to znacznie obniżyć wydatki energetyczne organizmu, które w przypadku konieczności syntezy barwników (np. melanina) są znacznie większe niż w opisywanym ubarwieniu strukturalnym.

Przykłady ubarwienie strukturalnego:

iry2
Cetonia aurata
Apatura ilia
Apatura ilia
Iryzująca głowa kaczki.
Iryzująca głowa kaczki.

PODSUMOWANIE 

W ujęciu biologicznym ubarwienie ciała stanowi o wielu rzeczach, począwszy od przystosowania się do warunków środowiska poprzez bierne formy obrony skończywszy na sukcesie reprodukcyjnym. Być może nie widać tego, jak ubarwienie ciała jest istotne dopóki dopóty nie spotkamy się z organizmem będącym albinosem (albinizm – choroba genetyczna w przebiegu, której chory na wskutek zaburzeń w szlaku metabolicznym nie posiada w skórze melaniny). Sama odpowiedź na pytanie: kiedy ostatni raz widziałem/ widziałam organizm albinotyczny sugeruje, że barwa ciała ma znaczenie. Nie wystarczy posiadać silnych szczęk czy odnóży, aby czuć się bezpiecznie, aby czuć się bezpiecznie duże znaczenia odgrywa zdolność kamuflażu, a to nie byłoby możliwe, gdyby nie wpływ środowiska na “kolorystykę” organizmów. W świetle przeprowadzonej powyżej dedukcji uwidacznia się także model dziedziczenia poligenicznego koloru skóry człowieka, który ma cechy rozkładu normalnego. Nie zapominajmy także o sezonowych czy behawioralnych zmianach ubarwienia. “Jakość” ubarwienie godowego niektórych zwierząt stanowi o ich sukcesie reprodukcyjnym,co jest przecież tak oczywistym czynnikiem selekcjonującym osobniki o barwach mniej pożądanych u danego gatunku zwierząt.

Print Friendly, PDF & Email

Kategorie: Artykuły biologiczne,Biologia

Tagi: ,,,,,

Pozostaw odpowiedź

drukarka fiskalna
najwięcej ofert w jednym miejscu. DEON E powstał z myślą o mobilnej,.
posnet.com.pl