Złota alga: kiedy staje się masowym zabójcą

W wydanym w 1990 r. podręczniku „Fizjologia glonów i sinic” Stefana Gumińskiego Prymnesium parvum poświęcono kilka zdań w rozdziale poświęconym roli zasolenia w życiu glonów. Jedno mówi, że wydzielanie toksyn przez komórki tego glonu powoduje szok osmotyczny. Gumiński tematu nie drążył, nawet nie wskazując, czy szok polega na nagłym wzroście zasolenia, czy jego nagłym spadku. Nie podał też bezpośredniego odnośnika do źródłowych badań na ten temat.

Pęcznienie i kurczenie, czyli kiedy komórki nie wytrzymują

Żyjąc na lądzie, obserwujemy głównie te zwierzęta, rośliny i grzyby, które istnieją dzięki mechanizmom zapobiegającym ucieczce wody z komórek i płynów wewnątrztkankowych poza organizm. Mamy różne struktury nazywane skórą lub skórką, pokryte warstwami słabo przepuszczających wodę substancji tworzących powłokę zwartą jak keratyna, chityna czy luźniejszą – jak rozmaite tłuszczowce, w tym woski. Organizmy żyjące w wodzie nie muszą się tym przejmować. Wody im nie brakuje, za to mierzą się z innym zjawiskiem – różnicą ciśnienia osmotycznego między własnymi płynami fizjologicznymi a wodą z otoczenia. Ciśnienie to powstaje na skutek różnicy w stężeniach substancji rozpuszczonych w tych płynach.

Druga zasada termodynamiki mówi, że układy izolowane dążą do wzrostu nieuporządkowania. W przypadku substancji rozpuszczonych oznacza to dążenie do stanu, w którym ich cząsteczki rozłożone są mniej więcej równomiernie. Dotyczy to też równowagi jonowej – ładunki elektryczne powinny również mniej więcej się równoważyć. Gdy tak nie jest, elektrony przepływają z miejsca, w których jest ich więcej (anody) do miejsca, gdzie ich brakuje (katody), czyli płynie prąd elektryczny. Z tego punktu widzenia najlepiej by było, gdyby skład cytoplazmy komórki glonu czy pierwotniaka był taki sam, jak wody, w której żyje. Rozpuszczalne w wodzie substancje przenikałyby przez błonę komórkową w losowy sposób w obu kierunkach na zasadzie dyfuzji. Życie jednak pozornie przeciwstawia się drugiej zasadzie termodynamiki i lokalnie zwiększa uporządkowanie (kosztem wzrostu entropii otoczenia).

Sytuacja, gdy oba roztwory – wewnątrz i zewnątrz komórki mają identyczne stężenia, czyli są izotoniczne, jest rzadka. Z reguły albo woda, w której żyją organizmy, jest od zawartości ich komórek bardziej, albo mniej zasolona. Kwestia (nie)równowagi stężeń dotyczy wszystkich rozpuszczalnych w wodzie substancji, np. cukrów. Najczęściej rozpatruje się jednak właśnie zasolenie. Błony komórkowe nie są przepuszczalne dla wszystkich substancji, więc z reguły wyrównywanie stężeń zachodzi nie przez przenikanie substancji rozpuszczonych, ale przez przenikanie wody z roztworu hipotonicznego (mniej słonego) do hipertonicznego (bardziej słonego), co jest określane jako osmoza, a potencjał tego przenikania określa się przymiotnikiem osmotyczny. Błony komórkowe mają struktury do transportowania tych substancji, które spontanicznie przez nią nie przenikają, np. aminokwasów. Istnieją też kanały jonowe do przenoszenia jonów, nierzadko wbrew różnicy stężeń.

Wśród popularnonaukowych memów można znaleźć stwierdzenie, że cytoplazma ludzkich komórek ma skład podobny do wody morskiej, co ma wspierać tezę o naszym ewolucyjnym pochodzeniu od organizmów morskich. To tak duże uproszczenie, że można nazwać je mitem. Skład cytoplazmy różnych organizmów nie jest identyczny i nie jest izotoniczny z wodą oceaniczną. Większość glonów żyje w środowisku hipotonicznym, a te słodkowodne miewają zasolenie soku komórkowego o rząd wielkości mniejsze niż glony oceaniczne.

Organizmy rzadko mają do czynienia ze stałymi warunkami. Stężenie soli w otaczającej wodzie raz jest większe, raz mniejsze. Jeżeli jest ona słodka, dążąc do wyrównania poziomów zasolenia, wnika do komórek. Jeżeli jest słona, to z kolei woda z komórek ucieka na zewnątrz. Komórki mają mechanizmy odwracające te procesy. Najczęściej żyją w roztworze hipotonicznym, więc wydalają nadmiar wody przez wodniczki tętniące, ale tolerancja ma swoje granice. W wodzie ultraczystej (np. destylowanej) stężenie soli jest tak małe, że woda dążąc do wyrównania stężeń, wnika szybciej, niż komórka jest w stanie zareagować. Powoduje to jej pęcznienie, aż wreszcie błona komórkowa nie wytrzymuje i pęka jak zbyt silnie nadmuchiwany balon. W wodzie bardzo słonej odwrotnie – woda tak szybko ucieka z komórki, że ta się kurczy. Klasyczne sposoby konserwacji jedzenia polegały na uczynieniu go hipertonicznym wobec komórek bakterii i grzybów. Czy to peklowanie solą, czy kiszenie, czy też kandyzowanie – substancji rozpuszczonych w przetworze spożywczym jest więcej niż w komórkach potencjalnych konsumentów.

W drodze ewolucji jedne glony przystosowały się do życia w wodzie słodkiej, hipotonicznej, inne w słonej – hipertonicznej. Jedne mają szerszy zakres tolerancji (nazywa się je euryhalinowymi), inne mniejszy (stenohalinowe), ale nawet euryhalinowe nie występują w każdym miejscu. Te zwykle mogą występować w wodach i słodkich, i słonawych, ale nie w ekstremalnie słodkich i nie w bardzo słonych. Często jest też tak, że tolerancja pozwala na przeżycie w różnych warunkach, ale koszty walki z ciśnieniem osmotycznym są na tyle duże, że nie wystarcza energii na intensywne rozmnażanie. W Bałtyku można spotkać gatunki sinic z rodzaju Microcystis, które w jeziorach wywołują zakwity, ale w słonawej wodzie morskiej już nie. Z kolei w rzekach występują krasnorosty z rodzaju Hildenbrandia, które zdolność do rozwoju w słodkiej wodzie okupiły utratą zdolności rozmnażania płciowego. Organizmy o szerokiej tolerancji najłatwiej spotkać w wodach o zmiennym zasoleniu np. strefie przybrzeżnej.

Populacje i toksyny, czyli kiedy ryby nie muszą się martwić

Jednym z organizmów, które najlepiej czują się w wodzie słonawej, jest właśnie Prymnesium parvum znane jako złota alga. Odkryto je w jeziorkach na wyspie Wight, gdzie przesiąka woda morska i w Zatoce Gdańskiej, gdzie niezbyt słona woda Bałtyku jest rozcieńczana wodą z Wisły i Pregoły.

Prymnesium należy do haptofitów, czyli grupy glonów typowej dla wód oceanicznych. W wodach słodkich jej przedstawiciele są nieliczni. W Bałtyku gatunek ten jest też rzadko spotykany, a literatura odnotowuje głównie jego pojawianie się w wodach śródlądowych różnych stron świata. To niekoniecznie są śródlądowe wody słone tak jak Morze Martwe czy słonawe jak przymorskie jeziora. Z reguły jednak nie są to wody krystalicznie czyste i niskozmineralizowane. Ich parametry zasolenia przypominają laguny – z perspektywy oceanu wysłodzone, ale z perspektywy śródlądzia zasolone.

Niemal od razu po opisaniu naukowym odkryto, że w stawach, których zakwit wywołuje Prymnesium parvum, dochodzi do śnięcia ryb. Rzucono podejrzenia, że nieco wcześniejsze pomory w cieśninach duńskich również są jego sprawką. Fakt, że toksyna jest przez wytwarzana przez ten glon został powszechnie przyjęty, choć jej identyfikacja zajęła kilkadziesiąt lat. Obecnie zna się już kilka typów prymnezyn. Niedawno odkryto, że w ich syntezie biorą udział największe dotąd odkryte w naturze białka. Zatrucia ryb, a także innych organizmów oddychających skrzelami (np. kijanek do czasu przeobrażenia w dorosłe płazy), notowano na całym świecie w różnych warunkach. Ze względu na wymiar gospodarczy, jednym z podstawowych pytań jest, co sprawia, że ten gatunek w jednych okolicznościach zachowuje się jak każdy inny haptofit – trochę fotosyntezując, trochę pożywiając się na sposób zwierzęcy – a w innych staje się masowym zabójcą.

Punktem wyjścia jest założenie, że ilość przechodzi w jakość. Gdy populacja jest tak liczna, że powoduje zakwit wody, liczba komórek z toksynami osiąga masę krytyczną i następuje pomór. Mimo posiłkowania się heterotrofią złotej aldze jak wszystkim glonom do zakwitu trzeba obfitości substancji biogennych, głównie azotu i fosforu, dość wysokiej temperatury (w granicach fizjologicznych) i stagnacji wody. Woda musi być też słonawa, żeby nie zużywać za dużo energii na walkę z osmozą. Ta prosta teza ma jednak słaby punkt: korelacja między liczebnością populacji a ilością toksyn stwierdzanych w wodzie czy też liczbą martwych ryb jest słaba. Nie każdy zakwit powoduje pomór, a toksyczność obserwuje się nawet przy braku widocznego zakwitu. Istnieją stanowiska, np. chorwackie jeziora przymorskie, gdzie stabilną populację Prymnesium parvum obserwuje się od lat i żadnych śnięć ryb nie stwierdzono.

Coś więc musi wyzwalać produkcję i uwalnianie toksyn niezależnie od zagęszczenia populacji. W wyniku badań pojawiły się różne poszlaki. Wśród nich jest infekcja wirusowa. Gatunek ten bywa gospodarzem megawirusów widocznych pod mikroskopem optycznym. Pojawiły się głosy, że zabijanie przez złotą algę zwierząt wodnych może być swoistym polowaniem i pojawia się, gdy zaczyna brakować substancji biogennych. A zatem czynnikiem powodującym uwalnianie prymnezyn ma być stres. Stres spowodowany głodem, przegęszczeniem populacji, nadmiernym ruchem wody, pojawieniem się toksyn szkodzących złotej aldze itd. No i nie można zapominać o podręcznikowym stresie osmotycznym.

Spokój i szok, czyli kiedy sprawy nie da się zamknąć

Niektórych badaczy szczególnie pociąga ten ostatni rodzaj. Andrzej Woźnica z Uniwersytetu Śląskiego zwrócił uwagę na fakt, że pomory ryb występują w zasolonych wodach rzecznych i jeziornych, ale zbiegają się z dopływem wód słodkich – poniżej ujść dopływów lub po deszczach. W Stanach Zjednoczonych zdarzają się niekoniecznie latem przy najwyższych temperaturach sprzyjających zakwitom, a wiosną po roztopach. Były również przypadki, gdy nastąpiły w wodach morskich, gdy do fiordu dostała się nadprogramowo woda z lądu. Te rozmaite przypadki łączy jedno – Prymnesium parvum tworzy stabilną populację w wodach słonawych (morskich wysłodzonych stałym dopływem z lądu lub śródlądowych zanieczyszczonych solą), niezbyt naprzykrzając się rybom, w razie stopniowej zmiany zasolenia w jedną lub drugą stronę dostosowuje się do niej, ale nagły dopływ słodkiej wody wywołuje stres wyzwalający wyrzut toksyn.

Sama hipoteza nie jest rewolucyjna, choć oczywiście niekoniecznie przekonująca zwolenników innych czynników. Może jednak budzić pewną konsternację – sam zakwit złotej algi w wodach śródlądowych jest aberracją wynikającą z ich zanieczyszczenia solanką. W tej sytuacji dopływ słodkiej wody, zmniejszając zanieczyszczenie, powinien sytuację poprawiać, a nie pogarszać. Sama zbieżność jest dość zgrubna i nie dowodzi jeszcze związku.

Dlatego Woźnica i jego zespół postanowił zaobserwować zachowanie Prymnesium parvum wobec zmiany zasolenia wody. Pobrali do analiz wodę i glony z Kanału Gliwickiego, gdzie co najmniej od 2022 r. gatunek ten ma stałe stanowisko, choć jego liczebność fluktuuje, częściowo przez różnego rodzaju próby zwalczania. Następnie hodowali glony i rozcieńczali wodę w akwariach hodowlanych. Woda prosto z kanału miała przewodność elektrolityczną 2970 µS/cm, co odpowiada 2,1 g rozpuszczonych substancji i zasoleniu 1,55 PSU. Podobne wartości miewają bliskie kopalniom odcinki Odry, Wisły i Noteci. Dla porównania – Zalew Wiślany jest dwa razy bardziej zasolony, a Martwa Wisła – czyli ten jej odcinek, gdzie wody z Zatoki Gdańskiej mieszają się z wodą rzeczną, a wśród ryb łatwo spotkać flądrę – jeszcze bardziej. To i tak niewiele w porównaniu z niektórymi potokami w Zagłębiu Śląsko-Dąbrowskim niosącymi więcej wód kopalnianych niż naturalnych, gdzie zasolenie jest o rząd wielkości większe i nawet dla złotej algi za duże.

W miarę dodawania słodkiej wody zasolenie w eksperymentalnych akwariach malało, a woda na drodze osmozy wnikała do komórek glonów (samej osmozy na poziomie molekularnym nie obserwowano, ale widać było pęcznienie komórek). W odróżnieniu od oceanicznych krewniaków zamkniętych w wapiennych pancerzykach Prymesium parvum ma dość elastyczny egzoszkielet zbudowany z organicznych płytek. Z tego względu jej komórki mogą pęcznieć, choć tylko wszerz, a nie wzdłuż. W eksperymencie komórki, mające pierwotnie kształt cytryny czy gruszki, stawały się coraz bardziej kuliste. Początkowo mechanizmy osmoregulacji działały dość sprawnie i do spadku zasolenia do wartości 0,88 komórki wyglądały normalnie. Poniżej tej wartości osmoregulacja nie nadążała i następowało puchnięcie komórek. Dalsze obniżanie zasolenia powodowało wzrost ich objętości. Przy wartości 0,68 PSU (1330 µS/cm) warunkach ciśnienie osmotyczne wynosiło 360 hPa. W tych warunkach komórki były już dwa razy większe niż początkowo, a ich błona komórkowa pękała, uwalniając cytoplazmę zawierającą prymnezyny.

Pod tym względem sytuacja przypomina uwalnianie niektórych toksyn sinicowych, które osiąga maksimum nie w pełni zakwitu, a u jego schyłku. Toksyny mogą być przechowywane w komórkach, ale pozostają zamknięte w nich do momentu, gdy komórka umiera, a jej zawartość wydostaje się na zewnątrz. Eksperymenty Woźnicy i jego zespołu, wsparte przez specjalistów od monitoringu glonów i ich toksykologii z innych ośrodków wskazały mechanizm uwalniania przy nagłym obniżeniu zasolenia wody. Poziom 1330 µS/cm to wciąż więcej niż oczekuje się w wodach śródlądowych, ale nie jest niczym niezwykłym dla setek polskich rzek narażonych na zanieczyszczenie. Wisła regularnie przekracza ten poziom na odcinku między ujściem Białej a ujściem Wisłoki, a Odra na odcinkach opolskim i legnickim.

Doświadczenie Woźnicy i jego zespołu potwierdza twierdzenie o szoku osmotycznym jako wyzwalaczu toksyn Prymnesium parvum. Podaje też konkretne, zmierzone wartości. Na pewno jednak nie zamyka sprawy. Gatunek ten całkiem nieźle rozwija się w starorzeczach Odry, gdzie zasolenie spada poniżej tysiąca µS/cm. Stopniowe zmiany zasolenia dają szansę na przystosowanie się komórek. Być może różne szczepy mają różny zakres tolerancji. Sytuacja, w której pęka błona komórkowa, jest ekstremalna. Można spodziewać się jednak, że glon potrafi korzystać z produkowanej przez siebie toksyny, nie poświęcając życia. Prymnesium parvum wciąż kryje przed naukowcami wiele niespodzianek.