Słonie, kangury, skoczogonki – i ludzie. Wszyscy mają do niej słabość

Zapewne każdy z nas poczuł kiedyś charakterystyczny zapach wydzielany przez ziemię szczególnie wtedy, gdy po ciepłym dniu spadnie mało lub średnio intensywny deszcz. Często się mówi, że jest to aromat ozonu. Tymczasem pojawia się on nawet (a może przede wszystkim) wtedy, gdy w okolicy nie było żadnej burzy. Ozon natomiast to produkt uboczny wyładowań atmosferycznych przekształcających zwykłe cząsteczki tlenu (O₂) w trójatomowe molekuły (O₃). Jego woń jest bardzo charakterystyczna, dość ostra i niekoniecznie przyjemna, a ziemia, szczególnie po słonecznym upalnym dniu zakończonym deszczem, pachnie naprawdę łagodnie. Podobny aromat możemy poczuć, wąchając świeżo zaoraną glebę. Także woń karpia czy suma jest bardzo podobna – czasami mawia się, że pachną one mułem.

Naukowe zainteresowanie zapachem ziemi po deszczu datuje się już od ostatniej dekady XIX w. Badania nad nim prowadził wtedy znamienity francuski chemik (i polityk) Marcellin Berthelot. Podejrzewał, że woń pochodzi od jakiegoś konkretnego związku chemicznego, ale mimo wielu prób nie udało mu się go wyizolować. Nie może to specjalnie dziwić, ponieważ zawartość tej substancji jest niewielka. Ówczesne metody analityczne absolutnie nie pozwalały na jej wykrycie. I w zasadzie sprawa została zawieszona na dobre kilkadziesiąt lat. Do badań powrócono w 1965 r., a analizami zajęło się dwoje chemików – Amerykanka Nancy Gerber i Hubert Lechevalier, też Amerykanin, ale pochodzący z Francji. Uznali oni, na początku dość intuicyjnie, że za ten charakterystyczny zapach musi odpowiadać konkretny związek, który nazwali geosminą. Udało im się go wykryć. Okazało się, że ma on stosunkowo prostą budowę – to alkohol będący pochodną dwupierścieniowego związku organicznego, dekaliny. Jednocześnie wiadomo, że należy do olbrzymiej grupy terpenów.

Nazwa, jak można się domyślić, pochodzi od dwóch słów greckich – geo (), czyli „ziemia”, oraz osme (), czyli „zapach”. Właśnie w 1965 r. ustalono strukturę cząsteczki tego związku, a po raz pierwszy zsyntetyzowano go trzy lata później. Co ciekawe, synteza jest stosunkowo prosta, natomiast biosynteza w bakteriach i roślinach pozostaje przedmiotem badań w zasadzie do dziś. Istnieje też inna nazwa określająca ten zapach – petrichor. Słowo to pochodzi z greki: petros oznacza skałę, kamień, natomiast ichor – mitologiczną krew bogów. Nazwę tę wymyślili Australijczycy w latach 60. XX w. Uważali oni, że jest to dość złożona mieszanina zawartych w glebie olejków eterycznych oraz innych związków pochodzenia roślinnego i zwierzęcego. Dziś uznaje się, iż za charakterystyczny zapach petrichoru odpowiada głównie geosmina.

Skąd się bierze geosmina

Szczegółowe badania wykazały, że nie istnieje ona w glebie w stanie wolnym. Organizmami, które ją syntetyzują, są głównie sinice (cyjanobakterie) oraz promieniowce (naturalnie występujące w glebie bakterie Gram-dodatnie, znane z produkcji wielu antybiotyków; geosmina jest uwalniana właśnie wtedy, gdy bakterie te kończą swój żywot). Sinice produkują dwa charakterystyczne związki: geosminę oraz 2-metyloizoborneol. Jeśli nie mają Państwo pewności, jak ta mieszanka pachnie, warto pochylić się nad świeżo pokrojonymi burakami – one właśnie mają w składzie te związki i stąd pochodzi ich charakterystyczny ziemisty aromat. Jeśli chodzi o ryby słodkowodne, które zwykle pachną mułem, jest to efekt selektywnego wchłaniania przez te zwierzęta geosminy z otaczającej wody. Tu podpowiedź kulinarna: jeśli chcemy się tej woni pozbyć, wystarczy przed obróbką pokropić rybę odrobiną octu (albo roztworu kwasu cytrynowego), który rozkłada geosminę. Dokładniej mówiąc, w środowisku kwaśnym następuje reakcja dehydratacji (odwodnienia) cząsteczki geosminy, w której powstaje bezwonna argosmina.

Po co mikroby produkują geosminę

Wiadomo, że w zasadzie wszystko w naturze dzieje się po coś. W tym przypadku też synteza tych substancji ma głębszy sens. Bo nie tylko my wyczuwamy zapach geosminy. Doskonale czują ją też skoczogonki. Jest to olbrzymia gromada zwierząt, licząca 10 tys. gatunków (wg niektórych źródeł może ich być nawet 50 tys.). Te kilkumilimetrowe stawonogi w wielu przypadkach są pozbawione oczu i w poszukiwaniu pokarmu posługują się bardzo czułym węchem. Żywią się m.in. rozkładającymi się sinicami i promieniowcami. Wydzielana przez te mikroorganizmy geosmina jest dla nich sygnałem, że w pobliżu znajduje się coś do jedzenia. Żerując na martwym materiale bakteryjnym, zjadają też fragmenty sinic oraz ich zarodniki, które po przejściu przez ich układ pokarmowy zostają wydalone, zwykle w pewnej odległości od pierwotnego źródła. Z tych wydalonych sporów rozwijają się kolejne sinice, niemuszące konkurować o pożywienie z tymi, które pozostały w pierwotnym miejscu. Tak więc synteza geosminy jest naturalną strategią umożliwiającą rozpowszechnianie się sinic w otoczeniu, nawet na duże odległości.

Słonie, wielbłądy, ludzie, kangury

Na sporej części Ziemi woda jest bardzo cennym zasobem. Umiejętność wyszukiwania jej dla wielu zwierząt jest kwestią życia lub śmierci. W Europie nie ma z tym wielkiego problemu, ale na dużych obszarach Afryki i Azji deszcz pada rzadko, a nieliczne zbiorniki bardzo często wysychają. Zwierzęta poszukują źródeł życiodajnej wody wszędzie i wiedzą, że po deszczu pojawia się zapach geosminy. Do jej wyczuwania zdolne są nie tylko niewielkie gatunki takie jak skoczogonki, ale i duże ssaki. Należy do nich największy ssak lądowy – słoń afrykański. To duże roślinożerne zwierzę dość łatwo znajduje pożywienie, ale oprócz tego codziennie potrzebuje aż ok. 200 l wody. Dlatego umiejętność jej znajdowania jest dla niego kluczowa.

Badania nad tym tematem prowadzili niedawno uczeni z RPA i Francji. Wyniki eksperymentów były jednoznaczne – słonie bez problemu lokalizowały zbiorniki z naturalną wodą zawierającą tzw. lotne związki organiczne (LZO – m.in. geosmina, 2-metyloizoborneol, siarczek dwumetylu). W eksperymencie kontrolnym przygotowano identyczne zbiorniki umieszczone w tej samej odległości, ale zawierające wodę destylowaną. W tym przypadku zwierzęta ich nie dostrzegły. W badaniach uwzględniono niewielkie odległości, ale bardzo prawdopodobne, że słonie potrafią zlokalizować wodę nawet z wielu kilometrów. Jeszcze ciekawszym przykładem są wielbłądy. Te niesamowicie odporne ssaki potrafią wytrzymać bez picia nawet kilka dni. Mają węch lepszy niż słonie, ponieważ wyczuwają źródła wody nawet z odległości 80 km!

Dość ciekawym, a jeszcze do końca niewyjaśnionym zjawiskiem jest niesamowita czułość ludzkiego nosa na zapach geosminy. Niektórzy naukowcy uważają to za atawizm z czasów, gdy hominidy zamieszkujące dzisiejszą Afrykę, podobnie jak wiele innych zwierząt, silnie zależały od dostępu do wody, która była niezbędna do przeżycia. Czułość na ten szczególny zapach dziś nie jest już tak istotna, więc ta umiejętność prawdopodobnie za jakiś czas zacznie zanikać. Nadal jednak człowiek wyczuwa geosminę (a także 2-metyloizoborneol) – i to w bardzo niskich stężeniach. Ma to znaczenie w przypadku uzdatniania wody. Obecność tych związków nie jest specjalnie szkodliwa, ale wolimy wszyscy korzystać z wody o obojętnym smaku i zapachu. Tymczasem typowe procesy uzdatniające nie powodują spadku stężenia geosminy poniżej poziomu wykrywalności. Nawet tak agresywna metoda jak chlorowanie nie do końca pomaga. W wielu laboratoriach trwają badania nad opracowaniem efektywnych (i tanich) sposobów pozbycia się tych związków z wody pitnej dostarczanej do naszych domów. Wyniki eksperymentów prowadzonych w wielu laboratoriach pokazują, że połączenie ozonowania z filtracją przez odpowiednio granulowany węgiel aktywny mają pewną, choć nadal jeszcze niewystarczającą, skuteczność.

Chyba jednak najbardziej spektakularnie geosmina oddziałuje na kangury. Tu oczywiście także kluczową kwestią jest niedobór wody na kontynencie australijskim. Torbacze te, podobnie jak słonie i wielbłądy, wyczuwają opady ze sporej odległości, ale w ich przypadku sprawa jest bardziej złożona i zadziwiająca. Otóż uczeni zauważyli, że w przypadku tych zwierząt chodzi nie tyle o szukanie źródeł wody, ile o rozród. Kilka tygodni po opadach deszczu następuje rozwój bardzo bujnej roślinności, pokarmu niezbędnego dla tych ssaków. Tym bardziej jest on niezbędny dla karmiących matek. Po ok. 2 tyg. od opadów nawet 2/3 samic kangurów jest w rui. Ponieważ ciąża u tych zwierząt trwa zwykle ok. 5 tyg., roślinność zdąży już się całkiem dobrze rozwinąć, co zapewni samicom obfitość pożywienia.

Mucha nie siada, a inne owady?

Nie wszystkie zwierzęta traktują zapach geosminy jako atrakcyjny. Niektóre uważają go za sygnał wręcz ostrzegawczy. Tu klasycznym przykładem jest muszka owocowa (wywilżna karłowata, drozofila). Doskonale wyczuwa ona zapach geosminy, jak również szeregu towarzyszących jej LZO, i natychmiast oddala się z tego miejsca, ponieważ wiele produktów metabolizmu cyjanobakterii oraz innych mikroorganizmów jest dla niej toksycznych. Kwestia ta jest na tyle istotna, że ewolucja wyposażyła te niewielkie owady w specjalne neurony węchowe o niezwykłej czułości. Ich czułość na geosminę jest tysiąckrotnie większa niż w przypadku aldehydu kwasu benzoesowego, będącego znanym repelentem tych owadów. Jak wynika z badań naukowców z Jeny (Niemcy) i Alnarp (Szwecja), sygnał geosminy jest na tyle silny i ważny, że powoduje zignorowanie tych sygnałów chemicznych, które są dla muszki owocowej atraktantami (czyli substancjami przyciągającymi te owady).

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku mrówki ognistej. Występuje ona w Ameryce Południowej, ale ostatnio stała się gatunkiem inwazyjnym w Stanach Zjednoczonych. Królowe tego gatunku owadów doskonale wyczuwają geosminę, i zakładają gniazda w glebie bogatej w promieniowce, bo wytwarzają one też substancje, które niszczą chorobotwórcze dla mrówek grzyby. Geosmina jest bardzo silnym atraktantem dla występującego w klimacie tropikalnym i subtropikalnym komara egipskiego. Składa on jaja w wilgotnej ziemi.

W 2023 r. międzynarodowa grupa badaczy (Włochy, Niemcy, Wielka Brytania, Szwajcaria) pierwsza przyjrzała się wpływowi geosminy na pszczołę miodną (Apis mellifera). Zazwyczaj gdy do ula wtargnie jakiś intruz, owady sygnalizują jego obecność, wydzielając dość prosty ester – octan izoamylu. Z przeprowadzonych eksperymentów wynika, że zawartość geosminy w powietrzu znacząco wpływa na to, z jaką częstotliwością owady te żądlą w przypadku wtargnięcia do ula nieproszonego gościa. Co ciekawe, efekt ten uwidocznia się tylko przy niskich stężeniach geosminy. Gdy jest ono wysokie, wszystko wraca do normy. Na razie nie ma jednoznacznego wyjaśnienia tego zjawiska.

Geosmina wydzielana przez rośliny

Jak się okazuje, geosminę wydzielają nie tylko cyjanobakterie i promienice, ale także niektóre rośliny. Przykładami są w tutaj wątrobowce (np. Symphyogyna brongniartii), mchy, gryka tatarka, kukurydza czy burak. W przypadku kilku innych roślin mamy do czynienia z pochodnymi geosminy – np. kaktus Rebutia marsoneri zawiera związek nienasycony dehydrogeosminę. Z kolei wątrobowiec Lophocolea bidentata wydziela pochodną epoksydową. Wszystkie te substancje pełnią w tym przypadku funkcję atraktantów – przyciągają owady, które ułatwiają zapylanie tych roślin – choć dla ludzi nie są aż tak przyjemne jak zapach geosminy.