Wytrwałe olbrzymy, zaspane liliputy, uciekające cebulki...

...czyli jak rośliny przeżywają zimę

Od września do marca każdego roku Ziemia, w swojej drodze dookoła Słońca, ustawia się na orbicie w taki sposób, że w kierunku naszej gwiazdy wychylona jest jej południowa półkula, zaś północne rejony globu pogrążają się w półcieniu. W miarę zapadania zimy dzień staje się coraz krótszy, a słońce świeci coraz niżej nad europejskim horyzontem. Promienie jego światła biegną w dodatku skośnie przez atmosferę, która pochłania sporą część energii. Do powierzchni Ziemi dociera niewiele ciepła. Powietrze i grunt ochładzają się i nadchodzi okres mrozów.

W mroźny dzień, zarówno woda zawarta w powietrzu, jak i pokrywająca glebę, ma postać szronu i śniegu – jest wówczas niedostępna dla roślin
Fot. Jan Ciesielski

Zimę określa się często jako czas spoczynku roślin. Słuszniej jednak byłoby nazwać ją okresem „wymuszonej bezczynności”. Zimowe warunki sprawiają bowiem, iż wydajna wegetacja i wzrost stają się niemożliwe, a organizmy roślin podlegają na ten czas przemianom podporządkowanym jednemu tylko zadaniu. Nie chodzi tu bynajmniej o odpoczynek – celem jest pozostanie przy życiu do następnej wiosny.

Gdy temperatura powietrza spadnie o kilka stopni poniżej zera – woda zawarta w roślinnych komórkach może zamarznąć. Zamienia się wówczas w lód, którego kryształy niszczą niezmiernie delikatne organella cytoplazmy. Skutkiem takiego zamarzania jest zniszczenie całych komórek i natychmiastowa ich śmierć. Na tym właśnie polega zjawisko „zwarzenia” roślin, które obserwować możemy, gdy jesienny lub późnowiosenny przymrozek zaskoczy rośliny z dobrze rozwiniętymi liśćmi. Z tej też przyczyny zielone, nadziemne pędy większości naszych roślin zasychają przed zimą, a żywe części tych organizmów – w postaci podziemnych kłączy, cebul czy korzeni – spoczywają bezpiecznie okryte warstwą gleby, a najczęściej także śnieżną kołderką, dobrze zabezpieczającą przed mrozem. Jednak drzewa i krzewy – największe rośliny, o zdrewniałych, wysokich łodygach, które niełatwo byłoby odtworzyć gdyby zamarły, pozostają przez całą zimę narażone na działanie mrozu i zimowych wiatrów. Gatunki, które potrafią przeżywać ten niekorzystny czas, wytworzyły szereg przystosowań ułatwiających to zadanie.

Mgły, śnieg i niska temperatura – to niekorzystne warunki do prowadzenia wegetacji
Fot. Łukasz Stępień.

Większość naszych gatunków drzewiastych zrzuca jesienią swoje liście. Zimą trudno jest prowadzić efektywną fotosyntezę – dni są krótkie, a w dodatku słońce świeci nisko nad horyzontem i jego promieniowanie jest mocno osłabione. Do liści dociera więc niewielka ilość światła, a przecież to właśnie jego energia wykorzystywana jest do tworzenia glukozy w przemianach fotosyntetycznych. Poza tym – w niskich temperaturach przebieg reakcji biochemicznych w komórkach ulega znacznemu spowolnieniu, więc nawet w krótkich chwilach względnie silnego oświetlenia, fotosynteza przebiegałaby niemrawo.

Pozbycie się liści pozwala także uniknąć innego zimowego problemu, jakim jest brak wody. Przy suchej i mroźnej pogodzie może ona parować z powierzchni liści niemal równie szybko, jak latem. Jednakże w okresie letnim, rośliny uzupełniają ubytki nowymi porcjami wody, pobieranymi przez korzenie. Zimą nie jest to takie proste. Woda w glebie jest zamarznięta, dlatego też jej pobieranie może być bardzo utrudnione lub wręcz niemożliwe. Silne parowanie z powierzchni liści przy równoczesnym braku ciekłej wody w zasięgu korzeni daje efekt tzw. „suszy mrozowej”. Narażone są na nią szczególnie rośliny zimozielone – na przykład różaneczniki (Rhododendron sp.). W przypadku zamarznięcia gleby wokół ich korzeni, rośliny te tracą wodę odparowywaną przez blaszki liściowe i w końcu – zasychają. Właśnie to zjawisko, a nie – jak się powszechnie sądzi – przemrożenie liści, powoduje zamieranie ogrodowych różaneczników w mroźne zimy.

Gałęzie głogu (Crataegus sp.), zrzuciły liście, co pozwala uniknąć zbędnej utraty wody. Dojrzałe owoce wabią ptaki poszukujące zimowego pożywienia. Jeśli zostaną zjedzone – ich nasiona przeniesione będą w ptasich żołądkach na dużą odległość.
Fot. Adriana Bogdanowska

Oczywiście, rosną u nas rośliny, które zachowują liście przez cały rok. Najbardziej znanymi przykładami są sosny (Pinus sp.) i świerki (Picea sp.). Są to gatunki o północnym typie zasięgu geograficznego – najbardziej rozprzestrzenione na dużych szerokościach geograficznych, w strefie borealnych lasów iglastych (tajgi). W tych rejonach mrozy trwają długo, a przymrozki trafiają się nawet późną wiosną. Dlatego też rośliny zasiedlające te obszary musiały rozwiązać w jakiś sposób problem, jak równocześnie mieć liście (żeby prowadzić fotosyntezę, kiedy świeci słońce) i ograniczyć parowanie z powierzchni blaszek liściowych (żeby nie stracić zbyt dużej ilości wody, gdy jest ona zamarznięta). Rozwiązaniem są liście o kształcie igieł. Mają one niewielką powierzchnię, więc często pojawiające się zimowe wiatry nie uszkadzają ich blaszek. Skórka igieł sosny i świerka jest gruba i pokryta grubą warstwą substancji tłuszczowych (wosku), co mocno ogranicza parowanie wody z wnętrza igły. Do powolnego parowania przystosowane są także aparaty szparkowe. Są one niezbędne do odparowywania części wody i pobierania dwutlenku węgla, ale aby woda nie parowała zbyt gwałtownie, aparaty są ukryte w zagłębieniach skórki. Dzięki takim przystosowaniom, niemal wszystkie gatunki iglaste, za wyjątkiem modrzewi (Larix sp.), są w naszych warunkach zimozielone.

Potężne pnie drzew, wyniesione ponad śnieg, muszą wytrzymać działanie długotrwałej niskiej temperatury
Fot. Włodzimierz Płaneta

Ale nawet duże, grube drzewa, które w porę zrzuciły liście, nie są zabezpieczone przed niszczącym działaniem silnych mrozów. Przy bardzo niskich temperaturach, szczególnie w najzimniejszej porze doby – w nocy, może dojść do zamarzania wody zawartej we wnętrzu drewna wypełniającego pnie. Drewno to tkanka zbudowana w większości przez komórki w kształcie pustych, długich rurek o mikroskopijnym przekroju. W ciągu lata komórki te przewodzą wodę, która jest zasysana przez liście z korzeni. W zimie we wnętrzu komórek drewna pozostaje niewielka ilość wody, która przy silnym mrozie zamienia się w lód. Ponieważ dojrzałe komórki drewna to martwe struktury, pozbawione żywej cytoplazmy – zamarzanie wody nie niszczy ich natychmiast. Jednak gdy wypełniająca je woda zamienia się w lód – zwiększa swoją objętość i zaczyna rozpychać ściany komórek na zewnątrz. W każdej pojedynczej komórce woda napiera na jej ścianę z niewielką siłą, ale gdy zsumuje się parcie powstające w taki sposób w tysiącach komórek leżących obok siebie we wnętrzu pnia dużego drzewa, okazuje się, że w dębie, buku czy klonie powstać mogą duże naprężenia. Czasami siły te są tak potężne, że połączenia między poszczególnymi komórkami drewna rozrywają się gwałtownie. Pień drzewa pęka wzdłuż biegu komórek drewna, niekiedy z donośnym trzaskiem, który w mroźnym powietrzu rozchodzi się daleko po zaśnieżonym lesie. Ci, którzy słyszą ten odgłos, mówią o „trzaskającym mrozie” i zaczynają gwałtownie tęsknić do dużego kubka gorącej herbaty.

Ślady takich pęknięć mrozowych odnaleźć można na pniach wielu drzew. Bezpośrednio po powstaniu mają postać pionowych szczelin o różnej długości, lecz już w trakcie następnej wiosny i lata większość z nich ulega zalaniu przez specjalną tkankę przyranną (tzw. kallus), wytwarzaną przez roślinę dla zabliźniania ran i uszkodzeń. Tkanka ta tworzy na powierzchni pni, w miejscu dawnych pęknięć, wydłużone blizny – tak zwane listwy mrozowe.

Materiały zapasowe, które przez zimę przechowane zostały w kłączach, umożliwiają przylaszczce kwitnienie przed rozwojem liści
Fot. Renata i Marek Kosińscy

Podczas gdy potężne drzewa zmagają się z wszystkimi tymi kłopotami, ich mniejsi kuzyni, ukryci pod ziemią czekają w przytulnym schronieniu na cieplejsze dni. Podziemne części roślin zielnych zawierają w tym czasie mnóstwo materiałów zapasowych, najczęściej w postaci wielocukru – skrobi. Materiał ten wytworzony został w trakcie letniego okresu fotosyntezy. Produkowana wówczas przez liście glukoza odprowadzana była do korzeni lub kłączy i tutaj przetwarzana w skrobię. Teraz niewielkie jej porcje są stopniowo zużywane przez oddychające, żywe komórki korzeni. Zdecydowana większość zmagazynowanej skrobi jest jednak „kapitałem startowym”, który wykorzystany zostanie na początku nadchodzącej wiosny. Wówczas skrobia będzie ponownie rozkładana na prostsze cukry i transportowana do rozwijających się kiełków, a później do szybko rosnących łodyg i liści. Odzyskane cukry są w nich wykorzystywane jako źródło energii dla komórek, lub jako materiał budulcowy do wytworzenia celulozowych ścian komórkowych. Pozwala to wielu roślinom na szybki wzrost i zakwitanie już na początku wiosny, bez czekania, aż nowo powstające liście zdążą wyprodukować materiały potrzebne do wytworzenia kwiatów.

Zimujące pod ziemią części roślin stanowią bardzo istotny składnik zimowej diety dzika (Sus scrofa)
Fot. Jan Ciesielski

Typowymi przykładami takich roślin korzystających obficie i szybko ze zmagazynowanej skrobi, są zakwitające wczesną wiosną przylaszczki (Hepatica nobilis), zawilce (Anemone sp.), ziarnopłony (Ficaria verna) i kokorycze (Corydalis sp.). W botanicznej klasyfikacji form życiowych grupę tę nazywa się naukowo geofitami (od greckich słów „gea” – ziemia i „phyton” – roślina). Wszystkie one magazynują materiały zapasowe w bulwkach, cebulach lub kłączach pogrążonych głęboko w ziemi, często poniżej głębokości przemarzania gruntu. Co bardzo ciekawe – cebule niektórych roślin z tej grupy posiadają specjalne, kurczliwe korzenie, które na jesieni wciągają cebulki w głąb gruntu. Ogrodnicy znają efekt takiej ucieczki cebul tulipanów lub czosnku. Aby jej zapobiec, gatunki te często sadzi się do gruntu w specjalnych, plastikowych koszyczkach, których opór uniemożliwia wciągnięcie cebulki przez kurczące się korzenie.

Nie wszystkie zimujące w ziemi rośliny wytwarzają jednak cebulki lub kłącza. Równie wiele roślin zimuje w postaci żywego systemu korzeniowego oraz nasadowej części pędu, który wystaje z ziemi, ale okryty jest przez obumarłe zeszłoroczne łodygi i liście. Grupę te nazywamy hemikryptofitami (co można przetłumaczyć jako „rośliny na wpół ukryte”). Okryte suchymi liśćmi wierzchołki pędów, przysypane dodatkowo śniegiem, mogą zazwyczaj bezpiecznie przetrwać okres mrozów. Jeszcze inne gatunki – tzw. gatunki jednoroczne (inaczej – terofity) – przeżywają zimę wyłącznie w postaci nasion. Ich pędy i korzenie zamierają w całości, a w glebie leżą tylko ich wysiane jesienią nasiona. Zawierają one niewiele wody, nie grozi im więc zniszczenie przez mróz, a ukryte w nasionach zarodki roślin mogą czekać na kiełkowanie nawet przez lata.

W promieniach wczesnowiosennego słońca geofity wiosenne wykorzystują materiały zapasowe zgromadzone w kłączach i spieszą się, by zakwitnąć, zanim liście dużych drzew przesłonią im światło. Kwiaty zawilca gajowego (Anemone nemorosa).
Fot. Jan Ciesielski

Niestety, materiały zapasowe ukryte w kłączach, cebulach lub korzeniach są łakomym kąskiem dla zwierząt, które także przecież muszą poradzić sobie ze zdobyciem energii dla swoich organizmów. Mnóstwo stworzeń – od niewielkich bezkręgowców po duże ssaki – poszukuje tych ukrytych pod ziemią „magazynów” i zjada ich duże ilości. Na szczęście wiele roślin przystosowało się do takiej eksploatacji – odkładają one w swych podziemnych organach znacznie więcej skrobi, niż trzeba do odtworzenia niewielkiej łodygi i kilku kwiatów. W przypadku zjedzenia części kłącza – nierzadko możliwe jest wyrośnięcie wiosennego pędu nawet z pozostawionych resztek i roślina może przeżyć. Jeśli zaś – szczęśliwym trafem – kłącze przetrwa zimę nieuszkodzone, wyrasta z niego kilka silnych łodyg, które wykształcają wiele kwiatów i wytwarzają wiele nasion.

Rzecz jasna, również drzewa magazynują na zimę zapasowe cukry, lecz u tych olbrzymów skrobia ukryta jest w zdrewniałych korzeniach i pniach. Jej zapasy nie są więc w takim stopniu narażone na zniszczenia na skutek żerowania zwierząt.

Na szczęście już w drugiej połowie marca dni wydłużają się, a powietrze staje się coraz cieplejsze. Wówczas kończy się dla roślin czas bezczynności, a zaczyna czas pospiesznego, wytężonego wyścigu. Ale o tym napiszemy we właściwym czasie.

Sławomir Janyszek
Katedra Botaniki
Akademia Rolnicza im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu