Badania naukowe

Z obserwacji zachowań płyną wnioski na tyle generalne, 
że mogą bardzo zmodyfikować całe nasze pojęcie o ewolucji, 
pochodzeniu pewnych cech behawioralnych, może nawet ludzkich.

Rozmowa z prof. Maciejem Gliwiczem, hydrobiologiem, laureatem Nagrody FNP za rok 2001
 

  Zaczął Pan od szczegółowych obserwacji, a doszedł do pewnej ogólnej konkluzji, że relacje między drapieżnikiem a ofiarą decydują o zmianach ewolucyjnych organizmów.
– To hipoteza Darwina. Ja tylko zaobserwowałem kilka zjawisk ją potwierdzających. Drapieżnictwo jest jedną z najpotężniejszych sił doboru naturalnego, ponieważ działa nadzwyczaj selektywnie i zależnie od zagęszczenia. Drapieżca działa tym silniej, im większe jest zagęszczenie populacji ofiary. Oczywiście, nie jest on jedynym czynnikiem doboru naturalnego, ale z całą pewnością jest czynnikiem najsilniejszym i znacznie łatwiejszym do zaobserwowania niż np. konkurencja o pokarm. Szczególnie łatwo jest to zaobserwować w wodach otwartych, stąd cała moja kariera.

– Jednak z wód otwartych na pole badań wybrał pan jeziora, a nie morza i oceany?
– Są praktyczniejsze do badań. Jezioro to naturalne laboratorium. Im dalej od lądu, tym sytuacja jest bardziej klarowna. Dlatego staram się mieć kilkadziesiąt metrów wody pod kilem, być gdzieś w okolicy środka zbiornika wodnego. Wtedy mam jednowymiarowy świat. Przy brzegu strony świata są ważniejsze niż wymiar pionowy. W wodzie kierunki świata nie mają żadnego znaczenia. Liczy się tylko głębokość. Cała rzecz może być opisana na osi pionowej. Im bliżej powierzchni, tym więcej światła potrzebnego roślinom do fotosyntezowania, im głębiej, tym więcej składników pokarmowych.

– A jak to się ma do zwierząt?
– To, co roślina zdobywa z wielkim trudem w postaci pojedynczych składników, zwierzę dostaje w postaci gotowego zestawu zawierającego wszystkie składniki – opakowane przez błony komórkowe. Zatem zwierzęta też migrują w górę i w dół, nie za światłem, lecz za zdobyczą – roślinami i innymi zwierzętami. Na powierzchni znajdują pokarm, bo tam fotosyntetyzują rośliny. Zatem, żeby się najeść, trzeba płynąć do góry. Ale przy powierzchni jest niebezpiecznie, ponieważ jest światło konieczne dla drapieżnika. Drapieżnik jest wszędzie, ale w głębinach jest mało światła, można się tam zatem ukryć przed jego wzrokiem. Najlepsze rozwiązanie to takie, by nocą być przy powierzchni, a w dzień w głębinie. To jest przykład, jak drapieżca modyfikuje zachowanie zwierząt, wywołując dobową migrację zwierząt planktonowych. Wszystkie zwierzęta muszą migrować, bo jeśli nie migrują, to albo zdechną z głodu gdzieś głęboko, albo zostaną zjedzone przy powierzchni.

– Zajmuje się Pan organizmami niewielkimi. Czy to także ze względu na praktyczność prowadzenia badań?
– Badałem glony, bardzo małe zwierzęta, takie jak wrotki, i dosyć duże zwierzęta planktonowe, takie jak oczliki i rozwielitki, a nawet ryby, które się nimi odżywiają. Dafnia, którą badałem w jeziorach tatrzańskich, ma ok. 3-4 mm, zatem jest zwierzęciem tak dużym, że nie można jej całej zobaczyć w obrazie mikroskopowym, bo się w nim nie mieści. Tymczasem zazwyczaj widzimy przez mikroskop 100-200 zwierząt równocześnie, jeśli to próba ze środowiska z rybami. Nie jest specjalnie istotne, na którym poziomie troficznym działamy. Powinien to być poziom najbardziej dogodny do udowodnienia pewnych tez, które dotyczą każdego z tych poziomów.

– Początek Pana samodzielnych badań wiąże się z Tatrami. Pierwsze eksperymenty podobno o mało nie zakończyły się tragicznie?
– Prof. Marian Gieysztor zaproponował, abym na swe magisterium poszukał jednego z naszych reliktów polodowcowych, zmieraczka polodowcowego, w przemarzających do dna jeziorkach tatrzańskich. Zimą dokopaliśmy się przez dwumetrową warstwę śniegu do powierzchni zamarzniętego Dwoistego Stawu. Wyrąbywaliśmy przerębel i lód się zawalił. Wpadłem na zamarznięte, suche dno, a na głowę zwaliła mi się lawina śniegu. Oczywiście moja partnerka natychmiast mnie odkopała i wszystko skończyło się dobrze. Moje pierwsze doświadczenia limnologiczne były więc bez wody.

– Wyjaśnijmy, czym jest limnologia?
– Limnologia to nauka o wodach słodkich (i płynących). wodami słonymi zajmuje się oceanografia.

– Jakie znaczenie dla dalszych Pana badań miało to pierwsze tatrzańskie doświadczenie?
– Moja przygoda ze zmieraczkiem polodowcowym (Branchinecta paludosa) nie dała żadnego ciekawego materiału. Prof. Przemysław Olszewski namówił mnie na przeniesienie się na duże stawy tatrzańskie i zajęcie się dafniami – wielkimi, pięknie czerwonymi rozwielitkami.

– Czy wtedy sformułował Pan pierwsze hipotezy dotyczące drapieżnictwa?
– W Zielonym Stawie tej dafni nie było. Jej szczątki znaleźliśmy w osadach dennych. Zorientowałem się, że dafnia znikła dlatego, że w 1948 r. nowotarscy wędkarze zarybili to jezioro pstrągiem kanadyjskim, który wyciął w pień całą populację dafni. Tak zaczęła się moja przygoda z drapieżnictwem. Przekonałem się, że kilkadziesiąt okazów niewielkich ryb w ciągu roku czy dwóch rozprawiło się z całą populacją dafni, która niegdyś była jedynym roślinożercą w tym jeziorze. Tam gdzie ryby nie ma, występuje zawsze jeden gatunek zwierzęcia planktonowego...

– Sugeruje Pan, że drapieżnik nie zubaża, a wzbogaca ekosystem?
– Okazuje się, że tam, gdzie nie ma drapieżcy, występuje tylko najsilniejszy konkurent, najsprawniejszy w korzystaniu z zasobów pokarmowych, panuje więc monotonia. Pojawienie się ryby zasadniczo zmienia sytuację. Zbiornikiem, który pozwala stwierdzić jak wielka jest rola ryby, jest jezioro bezrybne. Mamy tam monopolistę, jeden gatunek zwierzęcia planktonowego, najsilniejszego konkurenta, który utrzymuje zasoby pokarmu na tak niskim poziomie, że osobniki żadnego innego gatunku nie są w stanie przeżyć i rozmnażać się. Gdy są ryby, jest wiele gatunków zwierząt filtrujących, ale ich liczebność jest zbyt mała, żeby utrzymać glony na niskim poziomie. Wystarczy usunąć rybę, a jeziora staną się krystalicznie czyste.

– Mimo że większość badań prowadzi Pan w Polsce, to przełomowe znaczenie dla Pańskich hipotez badawczych miały badania w Panamie i w Mozambiku.
– Pojechałem do Panamy z wiedzą, która do dziś pokutuje w podręcznikach akademickich, że w strefie umiarkowanej gatunki zmieniają się zależnie od pory roku – są gatunki zimowe, wiosenne, letnie. Jadąc do tropiku nie spodziewałem się takich zmian, bo nie ma tam wiosny ani lata, ani zimy. Cały czas temperatura jest stała, w okolicach 30 stopni, a wilgotność bliska 100 procent. Jest to jedno z najbardziej stabilnych klimatycznie miejsc świata. Wiedząc o tym, że będę miał do czynienia z jeziorem o stabilnych warunkach, uznałem, że w tym jeziorze będziemy przez 12 miesięcy mieli taką samą sytuację. Ku mojemu największemu zdumieniu okazało się, że zmiany są jeszcze ostrzejsze niż w strefie umiarkowanej. Zorientowałem się, że za te zmiany odpowiadają ryby. Ryby wycinają zwierzęta, rośliny planktonowe zaczynają wtedy szybko rosnąć i pozwalają na szybkie odbudowanie populacji zwierząt, które szybko wycinają te rośliny, a ponieważ jest dużo zwierząt, przypływają ryby i wycinają zwierzęta.

– Czy już wtedy postawił pan hipotezę, że w naszym klimacie zachodzą podobne zmiany?
– Tak, tylko że w naszym klimacie nie są one tak wyraźnie widoczne, gdyż równocześnie zmieniają się warunki świetlne i temperatura. Jednak to nie one odpowiadają za dynamikę zmian życia jeziora. W latach 60. wierzyliśmy, że to są fazy fenologiczne, przypominające cykle pojawiania się kwiatów na łące czy w lesie. Tymczasem okazało się, że przy całkowitej stałości warunków fizycznych i chemicznych, w tym szczególnie światła i temperatury, najważniejszych czynników środowiska – mamy zmiany równie ostre jak te, które obserwujemy w naszej strefie klimatycznej. Powodowało je drapieżnictwo ryby.

– Czy to była rewolucja w limnologii?
– Wokół tej idei powołaliśmy w Europie międzynarodową grupę, która badała różne jeziora europejskie, później dołączyli do nas także Amerykanie. Te badania doprowadziły do zasadniczych zmian poglądów w limnologii. Sytuację z Panamy ekstrapolowaliśmy na inne jeziora. Tak powstała praca czterech autorów – Austriaka, Niemca, Szkotki z Anglii i Polaka. Jest to moja najważniejsza praca. Połowa moich cytowań z niej właśnie wynika. Prezentuje ona coś w rodzaju modelu zmian sezonowych w jeziorze, do którego wszyscy porównują to, co sami zaobserwują. To był udany pomysł.

– Co ważnego i nowego odkrył Pan w Mozambiku w Afryce?
– Prowadziłem prace na Cabora Bassa – jednym z dwu jezior zaporowych na Zambezi. Niestety, początkowo poza łódką, siatką, z którą nigdy się nie rozstaję, i 25-metrową linką nie miałem żadnych instrumentów, bo skrzynia z aparaturą gdzieś się zapodziała. Zacząłem pobierać próby. Zdumiewało mnie, że w tych próbach nie było żadnych zwierząt. Trwało to kilka miesięcy. Dopiero kiedy przyjechała ta skrzynia i zacząłem ciągnąć próby z większej głębokości, okazało się, że zwierzęta są, ale pochowane w mroku głębiny. Kiedy po raz pierwszy zaryzykowałem popłynąć nocą, były przy powierzchni. Okazało się, że jest ich z dnia na dzień coraz więcej, a potem nagle, też z dnia na dzień, ich liczebność gwałtownie spada – prawie ich nie ma. Potem znów ich liczebność rośnie, aż nagle znów spada. Okazało się, że był to cykl księżycowy. Zwierzęta były tak sprytne, że w ciągu dnia przebywały dość głęboko, poniżej 25 m, więc nie mogłem ich łowić krótką liną, ale także ryby miały problem z ich znalezieniem. Jezioro leży blisko równika. Noc trwa 12 godzin, a zapada w ciągu 5 minut, bardzo gwałtownie. Gdy księżyc jest w pełni, słońce zachodzi o godzinie 18, a księżyc wschodzi i nic się nie dzieje – jest widno i zwierzęta siedzą głęboko. Następnego dnia księżyc nie jest już w pełni, ale wciąż bardzo jasno świeci. Jednak nie wschodzi już wraz z zachodem słońca, ale godzinę później. Po zachodzie słońca robi się zupełnie ciemno. Zwierzęta podchodzą do góry, a ponieważ żyją 6-15 dni, nie mogą „wiedzieć”, że za chwilę zrobi się jasno. Mogą to jednak „wiedzieć” żyjące znacznie dłużej – rok czy dwa – ryby. Powstaje „pułapka księżycowa”. Ryby czekają na ten moment, kiedy zaskoczone nagłym światłem prawie pełnego księżyca zwierzęta planktonowe stają się widocznym, łatwym łupem. W ciągu 15 minut, zanim zwierzęta zorientują się, że jest jasno i uciekną w głąb, ok. 90 proc. z nich pada łupem ryb. W ciągu jednej lub dwóch takich nocy zwierzęta planktonowe zostają prawie całkowicie wytrzebione. To jest zupełnie innego typu relacja między drapieżnikiem i ofiarą niż np. relacja lwa i antylopy. To jest drapieżnictwo typu zbieractwa raczej niż myślistwa.

– Jakie wnioski wysnuł Pan z tych obserwacji?
– Drapieżnictwo ryby jest niezwykle silnym czynnikiem determinującym zachowania zwierząt planktonowych i ich liczebność. W tej chwili próbujemy weryfikować kolejne hipotezy. Np. tę, że bez względu na to, ile zjedzą zwierzęta, jak szybko wyrosną, ile mają dzieci, jak szybko się reprodukują, jak szybko rośnie zagęszczenie populacji, zagęszczenie populacji zostanie określone przez ryby. One sprowadzą je do takiego poziomu, poniżej którego dalsza eksploatacja jest nieopłacalna, a nawet niemożliwa. Wycinając w pień jeden, ryba musi przejść na inny gatunek, np. ten, który dotychczas nie był dla niej interesujący. W ten sposób mamy kolejną hipotezę, że ryba determinuje relatywne zagęszczenie różnych gatunków. Ryba nie tylko określa zagęszczenie populacji różnych gatunków, ale utrzymuje te populacje na poziomie, który jest charakterystyczny dla każdego z nich. Gatunki o dużych wymiarach są oczywiście trzymane na niskim poziomie, mniejsze na większym. Skład gatunkowy zooplanktonu w jeziorze jest determinowany przez ryby planktonożerne i wiąże się z odległością reakcji, czyli odległością, z jakiej ryba jest w stanie zobaczyć osobnika danego gatunku. Im mniejszy, tym trudniej go zobaczyć i upolować.

– Czy te wszystkie hipotezy postawił Pan już w Mozambiku?
– Nie, te ostatnie sformułowaliśmy z moimi współpracownikami w Polsce. Uwagę naszą zwróciło zagęszczenie populacji różnych gatunków. Pojawiło się pytanie, dlaczego jeden gatunek rozwielitki, dafnia, występuje w każdym jeziorze mazurskim w zagęszczeniu 10 osobników na litr, a drugi, trochę większy, występuje przez całe lato i wiosnę w zagęszczeniu tylko jednego osobnika na litr. Magda Śliwowska zmierzyła odległość reakcji ryby. Uzyskała informację, że dafnia liczniejsza widoczna jest z 8 cm, natomiast drugi gatunek – z 4 cm. Bardzo łatwo przejść z tej różnicy na różnicę w objętości kuli, gdyż ryba widzi naokoło (stąd określenie obiektywu fotograficznego o bardzo dużym kącie widzenia – „rybie oko”). Ryba widzi obie dafnie w tym samym zagęszczeniu, gdyż większą dafnię widzi w większej kuli niż mniejszą. Jeśli tej większej dafni robi się mniej niż jeden osobnik na litr, ryba przestaje się nią interesować i je tę drugą, której – jak sądzi ryba – jest więcej. Za chwilę ryba uzna jednak, że tej większej dafni jest więcej – tak widzi to ryba – i znów zaczyna jeść tę większą. W ten sposób reguluje zagęszczenie każdego z gatunków w jeziorze.

– Pana badania wskazują, że relacje między drapieżcą a ofiarą determinują pewne zmiany genetyczne w tych zwierzętach.
– Konieczność unikania drapieżcy stwarza niezwykle silną presję selekcyjną wśród ofiar. Najłatwiej pokazać to na zachowaniach migracyjnych. Dzięki tej presji u ofiary powstają nowe cechy behawioralne. Zmienia się również historia życia, np. decyzja, kiedy przystąpić do rozrodu. Ucieczką dafni przed drapieżnictwem może być podjęcie decyzji o wcześniejszym przystąpieniu do rozrodu, gdy dafnia jest mniejsza, a zatem gorzej widziana przez rybę. Zapis genetyczny nie tylko się zmienia, ale przechodzi do następnego pokolenia. To jest typowy przykład obrony antydrapieżniczej.

– Także migracji dobowych nie wiązano z drapieżnictwem, a Pana ponowne badania w Tatrach potwierdziły, że to drapieżnik jest za te migracje odpowiedzialny. O co chodzi?
– Wiemy, że w Tatrach są środowiska z rybami, jak np. Morskie Oko, zwane też Rybim Jeziorem, gdzie ryby są od kilku tysięcy lat, czyli od ostatniego zlodowacenia, ale także zupełnie bezrybne. Między tymi dwoma krańcami mamy np. Zielony Staw, do którego w 1962 r. wpuszczono ryby, Wielki Staw w Dolinie Pięciu Stawów Polskich, do którego ryby wpuścili Krzeptowscy w latach 70. I szereg innych jezior, zarybionych w różnych czasach. Co prawda, dafnia została w tych jeziorach całkowicie wycięta, ale zostały inne gatunki, m.in. skorupiak, widłonóg – oczlik (Cyclops abyssorum tatricus), trochę mniej wrażliwy na rybę. Pomysł polegał na tym, aby sprawdzić, jak ten oczlik rozmieszczony jest w południe, a jak o północy. Zrobiliśmy to ze studentami i wyszła uderzająca prawidłowość. tam, gdzie jest ryba, oczlika można w dzień znaleźć na głębokości 40 metrów, np. w Morskim Oku. jeżeli ryba była wpuszczona do jeziora w latach 60., to oczlik był na 20 metrach, a jeżeli nie ma ryby, to oczlik w dzień przebywa na tym samym poziomie, co w nocy – nie ma żadnej migracji dobowej. Przepiękna regresja. Im dłużej zwierzątko jest pod presją ryby, tym wyraźniejsza jest migracja i dłuższa amplituda dobowa tej migracji. Ta praca ukazała się w „Nature” w 1986 r. Wraz z miłym komentarzem. To druga pod względem liczby cytowań moja praca. Pokazaliśmy, że behawior ewoluuje, że na przestrzeni kilkudziesięciu pokoleń ten sam gatunek pod wpływem ryby zachowuje się zupełnie inaczej.

– Metodolodzy nauk uwielbiają używać związku frazeologicznego „nieuzasadniona ekstrapolacja”. Czy nie należałoby tej hipotezy bardzo jasno ograniczyć do jednego środowiska, czy też są podstawy by je ekstrapolować na kolejne, wyższe obszary życia?
– Liczę na to, że nie będą to moje ekstrapolacje, że prace na temat zwierząt wód otwartych, publikowane w dobrych czasopismach, spowodują u ornitologów czy teriologów próbę weryfikacji tych hipotez na zwierzętach, którymi się zajmują. Powtórzę to, co mówiliśmy na wstępie – woda jest wyjątkowo wdzięcznym, bo prostym środowiskiem do obserwacji. Na lądzie to jest znacznie trudniejsze, warunki są zbyt zmienne, a czynników determinujących zachowania zwierząt bardzo dużo.

– Niedawno można było odnieść wrażenie, że biologia odchodzi od konkretnych roślin czy zwierząt, a badania schodzą na poziom komórkowy. Tylko tam można znaleźć jeszcze coś nowego i interesującego. Pana działalność dowodzi jednak, że na poziomie organizmów można jeszcze odkryć szereg zupełnie nieznanych, a niezmiernie ważnych prawidłowości.
– Rzeczywiście, w latach 60. wydawało się, że nic więcej już nie wymyślimy, dlatego większość moich zdolnych kolegów poszła w stronę genetyki, biologii molekularnej, biotechnologii. Wciąż w tamtych okolicach jest większy ruch. Jednak daje się zauważyć pewien renesans badań terenowych, badań behawioru, historii życia. Z obserwacji zachowań płyną wnioski na tyle generalne, że mogą bardzo zmodyfikować całe nasze pojęcie o ewolucji, pochodzeniu pewnych cech behawioralnych, może nawet ludzkich. Szans odrodzenia się klasycznej biologii upatrywałbym w ekologii. Zwracamy uwagę na różne gatunki, dotychczas mało interesujące, w związku z koniecznością poszukiwania i zachowywania bogactwa genetycznego świata. W różnych, zupełnie niespodziewanych miejscach, szukamy i odnajdujemy geny czy substancje cenne dla człowieka. Zatem, z uwagi na prawdopodobne aplikacje, musimy lepiej poznać świat, zwierzęta i rośliny.

– Czy jesteśmy w stanie przenosić wyniki Pańskich obserwacji na populację ludzką?
– Jestem przekonany, że cykl menstruacyjny u kobiety jest pamiątką po czasach życia jaskiniowego, gdy miesiączkowanie opłacało się tylko wtedy, gdy mężczyźni byli na łowach. A kiedy byli na łowach? W czasie pełni księżyca, bo w nowiu łowy są trudne. Antropologowie i medycy stwierdzają, że cykl menstruacyjny jest to cykl miesięczny. Bardzo dawna nazwa tego zjawiska – miesiączka, wiąże je z wpływem księżyca. Moja żona badała w Afryce sowy usiłując sprawdzić, czy przypadkiem ich cykl odżywiania się nie jest związany z pełnią księżyca, kiedy zaskoczone światłem drobne gryzonie stają się nagle widoczne i sowa łatwo może je upolować. Niestety, bardzo trudno jest badać wyższe formy zwierząt, bardziej skomplikowane układy. Mam nadzieję, że dla kolegów zajmujących się bardziej skomplikowanym środowiskiem i organizmami cenne, a może inspirujące są nawet same sugestie, czy przypadkiem w cyklu lunarnym nie ma czegoś na rzeczy.

Rozmawiał 
Piotr Kieraciński

Komentarze