Zespół kierowany przez naukowców z Uniwersytetu Waszyngtońskiego odkrył główną przyczynę spadku aktywności nocnych zapylaczy – w dużej mierze winni są ludzie.
Naukowcy odkryli, że rodniki azotanowe (NO3) w powietrzu niszczą substancje zapachowe wydzielane przez dzikie kwiaty, drastycznie ograniczając sygnały zapachowe, na których opierają się nocne zapylacze, aby zlokalizować kwiat. W atmosferze NO3 powstaje w wyniku reakcji chemicznych zachodzących między innymi tlenkami azotu, które z kolei powstają w wyniku spalania gazu i węgla z samochodów, elektrowni i innych źródeł. Odkrycia, opublikowane 9 lutego w czasopiśmie Science, jako pierwsze pokazują, w jaki sposób zanieczyszczenia występujące w nocy tworzą łańcuch reakcji chemicznych, które niszczą sygnały zapachowe, pozostawiając kwiaty niewyczuwalne przez zapach. Naukowcy ustalili również, że zanieczyszczenie prawdopodobnie ma ogólnoświatowy wpływ na zapylanie.
Zespół pod kierownictwem Jeffa Riffella, profesora biologii UW i Joela Thorntona, profesora nauk o atmosferze UW, badał wiesiołka dwuletniego (Oenothera pallida). Ten dziki kwiat rośnie w suchych środowiskach w zachodnich Stanach Zjednoczonych. Wybrali ten gatunek, ponieważ jego białe kwiaty wydzielają zapach, który przyciąga zróżnicowaną grupę zapylaczy, w tym ćmy nocne, które są jednymi z najważniejszych zapylaczy.
Na terenach terenowych we wschodnim Waszyngtonie naukowcy zebrali próbki zapachu bladych kwiatów wiesiołka dwuletniego. W laboratorium wykorzystali techniki analizy chemicznej, aby zidentyfikować dziesiątki poszczególnych substancji chemicznych składających się na zapach dzikich kwiatów.
„Kiedy wąchasz różę, czujesz różnorodny bukiet złożony z różnych rodzajów substancji chemicznych” – powiedział Riffell. „To samo dotyczy prawie każdego kwiatu. Każdy ma swój własny zapach, na który składa się określona receptura chemiczna”.
Po zidentyfikowaniu poszczególnych substancji chemicznych składających się na zapach dzikich kwiatów zespół zastosował bardziej zaawansowaną technikę zwaną spektrometrią mas, aby obserwować, jak każda substancja chemiczna zawarta w zapachu reaguje na NO3. Odkryli, że reakcja z NO3 prawie eliminuje niektóre substancje zapachowe. W szczególności substancja zanieczyszczająca zdziesiątkowała poziom monoterpenowych związków zapachowych, które w oddzielnych eksperymentach były najbardziej atrakcyjne dla ćmy.
Ćmy węszące przez czułki mają zdolność wykrywania zapachów mniej więcej porównywalną do psów i kilka tysięcy razy bardziej czułą niż ludzki zmysł węchu. Według Riffella badania sugerują, że kilka gatunków ćm potrafi wykryć zapach z odległości wielu kilometrów.
Korzystając z tunelu aerodynamicznego i sterowanego komputerowo systemu bodźców zapachowych, zespół zbadał, jak dobrze dwa gatunki ćmy – sfinks białolistny (Hyles lineata) i jastrząb zwyczajny (Manduca sexta) – potrafią lokalizować zapachy i latać w ich stronę. Kiedy badacze wprowadzili normalny zapach bladego wiesiołka dwuletniego, oba gatunki chętnie poleciały w stronę źródła zapachu. Kiedy jednak badacze wprowadzili zapach i NO3 na poziomach typowych dla nocnego środowiska miejskiego, dokładność Manduca spadła o 50%, a Hyles – jeden z głównych nocnych zapylaczy tego kwiatu – w ogóle nie był w stanie zlokalizować źródła.
Eksperymenty w środowisku naturalnym potwierdziły te ustalenia. W eksperymentach terenowych zespół wykazał, że ćmy odwiedzały sztuczny kwiat wydzielający niezmieniony zapach równie często, jak odwiedzały prawdziwy. Jeśli jednak najpierw potraktowano zapach NO3, liczba odwiedzin moli spadła aż o 70%.
„NO3 tak naprawdę zmniejsza „zasięg” kwiatu – jak daleko może rozprzestrzenić się jego zapach i przyciągnąć zapylacza, zanim ulegnie rozkładowi i stanie się niewykrywalny” – stwierdził Riffell.
Zespół porównał także wpływ zanieczyszczeń w dzień i w nocy na substancje zapachowe dzikich kwiatów. Zanieczyszczenia nocne miały znacznie bardziej destrukcyjny wpływ na skład chemiczny zapachu niż zanieczyszczenia dzienne. Naukowcy uważają, że jest to w dużej mierze spowodowane rozkładem NO3 przez światło słoneczne.
Zespół wykorzystał model komputerowy symulujący zarówno globalne wzorce pogodowe, jak i skład chemiczny atmosfery, aby zlokalizować obszary, w których najprawdopodobniej występują poważne problemy z komunikacją między roślinami a zapylaczami. Zidentyfikowane obszary obejmują zachodnią Amerykę Północną, znaczną część Europy, Bliski Wschód, Azję Środkową i Południową oraz południową Afrykę.
„Poza działalnością człowieka niektóre regiony gromadzą więcej NO3 ze względu na źródła naturalne, położenie geograficzne i cyrkulację atmosferyczną” – powiedział Thornton, dodając, że naturalnymi źródłami NO3 są pożary i wyładowania atmosferyczne. „Jednak działalność człowieka wszędzie wytwarza więcej NO3. Chcieliśmy zrozumieć, w jaki sposób te dwa źródła – naturalne i ludzkie – łączą się i gdzie poziomy mogą być tak wysokie, że mogłyby zakłócać zdolność zapylaczy do znajdowania kwiatów”.
Naukowcy mają nadzieję, że ich badanie jest dopiero pierwszym z wielu, które pomoże odkryć pełny zakres niepowodzeń zapylaczy.
„Nasze podejście może posłużyć innym za plan działania w celu zbadania, w jaki sposób zanieczyszczenia wpływają na interakcje między roślinami a zapylaczami, a także prawdziwego poznania leżących u ich podstaw mechanizmów” – powiedział Thornton. „Potrzebujesz tego rodzaju holistycznego podejścia, szczególnie jeśli chcesz zrozumieć, jak powszechne jest załamanie interakcji roślina-zapylacz i jakie będą konsekwencje”.
W badaniu podkreślono niebezpieczeństwa związane z zanieczyszczeniami powodowanymi przez człowieka i ich konsekwencje dla wszystkich zapylaczy, a także dla przyszłości rolnictwa.
„Zanieczyszczenia powstałe na skutek działalności człowieka zmieniają skład chemiczny najważniejszych sygnałów zapachowych i zmieniają go do tego stopnia, że zapylacze nie są już w stanie ich rozpoznać i zareagować” – stwierdził Riffell.
Riffell twierdzi, że około trzy czwarte z ponad 240 000 gatunków roślin kwiatowych opiera się na zapylaczach. Ponad 70 gatunków zapylaczy jest zagrożonych lub zagrożonych.
Głównym autorem artykułu jest Jeremy Chan, pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie w Kopenhadze, który przeprowadził niniejsze badanie jako doktorant biologii UW. Współautorami są Sriram Parasurama z Wydziału Biologii UW; Rachel Atlas, badaczka ze stopniem doktora w Instytucie Pierre'a Simona Laplace'a we Francji, która brała udział w tym badaniu jako doktorantka UW w dziedzinie nauk o atmosferze; Ursula Jongebloed, doktorantka UW w dziedzinie nauk o atmosferze; Ruochong Xu, doktorant na Uniwersytecie Tsinghua w Chinach; Becky Alexander, profesor nauk o atmosferze UW; oraz Joseph Langenhan, profesor chemii na Uniwersytecie w Seattle. Badania zostały sfinansowane przez Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych, Narodową Fundację Nauki, Narodowe Instytuty Zdrowia, program Human Frontiers in Science oraz Uniwersytet Waszyngtoński.