ΕΠΑΓΩΓΙΚΗ ΧΗΜΙΚΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ Λόγω του υψηλού ενεργειακού κόστους πολλές φορές οι οργανισμοί παράγουν τους βιοδραστικούς μεταβολίτες μόνο εφ' όσον υπάρξει ανάγκη ακόμα και αν με αυτό τον τρόπο διακινδυνεύουν ένα διάστημα που θα είναι απροστάτευτοι Α: Φυτικοί οργανισμοί. Οι φυτοαλεξίνες παράγονται σαν αντίδραση των φυτών σε μικροβιακές μολύνσεις ή σε περιβαλλοντικές πιέσεις (UV, μεταβολή ρΗ κλπ). Οι επαγώγιμοι μεταβολίτες μπορούν να διακριθούν σε δύο κατηγορίες. 1] Ανταγωνιστές ενζύμων της πέψης. Ορισμένα φυτά όταν υπάρξει ενόχληση συνθέτουν πρωτεΐνες οι οποίες δρουν σαν ανταγωνιστές των ενζύμων της πέψης του εχθρικού οργανισμού. Τα φύλα των φυτών της πατάτας και της ντομάτας σε περιπτώσεις επιδρομών σκαθαριών συνθέτουν με υψηλούς ρυθμούς (2% σε 48 ώρες) ανταγωνιστές πρωτεϊνασών που εμποδίζουν τον μεταβολισμό της θρυψίνης και χυμοθρυψίνης. Ο μηχανισμός αυτός έχει ανιχνευθεί σε 37 φυτικά είδη που αντιπροσωπεύουν 20 οικογένειες και θεωρείται σαν γενική αντίδραση των φυτών ακόμη και σε μηχανικές κακώσεις.

2] Αύξηση ρυθμού παραγωγής τοξινών. Ορισμένα φυτά σε διάστημα που κυμαίνεται από μερικές ώρες έως λίγες ημέρες μπορούν να αυξήσουν την ήδη υπάρχουσα χημική προστασία μέχρι ποσοστού 50%. Το φαινόμενο αυτό δεν είναι γενικό και μπορεί να διαφοροποιείται και μέσα στο γένος. Η κόκκινη βελανιδιά Quercus rubra αυξάνει σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα την συγκέντρωση των πολυφαινολικών μεταβολιτών της, ενώ στην κοινή βελανιδιά, Q. robur δεν παρατηρείται παρόμοια αντίδραση.

Φυτικό είδος Σημύδα (Betula ρendula) Κόκκινη Βελανιδιά (Quercus rubra) Κολοκυθιά (Cucurbita moschata) Φυτοφάγο Μαλάκιο (Helyx asρersa) Βώτριδα (Lymantria disρar) Σκαθάρι(Epίlachna tredecimnotata Χημικά συστατικά Φαινολικοί μεταβολίτες Φαινόλες και Τανίνες Κουρκουβιτακίνες Η μεταβολή στην χημική σύσταση δεν εντοπίζεται μόνο στο σημείο ενόχλησης (wound effect) αλλά στο σύνολο του φυτικού ιστού. Ο χρόνος που απαιτείται μετά την διακοπή της ενόχλησης μέχρι την πλήρη αποκατάσταση της αρχικής χημικής σύστασης του οργανισμού είναι περίπου ένας χρόνος. Η μεταβολή στην χημική σύσταση δεν εντοπίζεται μόνο στο σημείο ενόχλησης (wound effect) αλλά στο σύνολο του φυτικού ιστού. Ο χρόνος που απαιτείται μετά την διακοπή της ενόχλησης μέχρι την πλήρη αποκατάσταση της αρχικής χημικής σύστασης του οργανισμού είναι περίπου ένας χρόνος.

Β: Ζωικοί οργανισμοί. 1] Έντομα. Τα έντομα ανάλογα με τις εξελικτικές πιέσεις έχουν την ικανότητα να προσαρμόζονται σε διαφορετικές συνθήκες και να αναπτύσσουν αν παραστεί ανάγκη μηχανισμούς αυτοσυντήρησης που έχουν να κάνουν με την απέκκριση ή αποδόμηση τοξικών συστατικών της δίαιτας τους. Ανάλογα του μηχανισμού αποφυγής των βλαβερών επιπτώσεων των τοξικών ουσιών τα έντομα μπορούν να διακριθούν σε τρεις κατηγορίες.

α] κρυπτικά (αποφεύγουν να κάνουν εμφανή την παρουσία τους) λέγονται αυτά που μεταβολίζουν τις τοξικές ουσίες και τις αποβάλουν. Η οικιακή μύγα ενώ συνήθως δεν έρχεται σε επαφή με φυτά που περιέχουν την τοξική νικοτίνη εάν αναγκαστεί να ζήσει σε φύλα καπνού αναπτύσσει μηχανισμό άμυνας που μεταβολίζει την νικοτίνη σε νορ-νικοτίνη που είναι αβλαβής.

β] αποσεματικά (έντονοι χρωματισμοί και εμφανής παρουσία) λέγονται αυτά που αποθηκεύουν σε συγκεκριμένα διαμερίσματα του σώματος τους, τις τοξικές για την δικιά τους προστασία. Παράδειγμα είναι οι πεταλούδες Arctia caja που όταν αναγκαστούν να τραφούν με φύλα από Cannabis sativa έχουν την δυνατότητα να αποθηκεύσουν την τοξική τετραϋδρο καναβινόλη. Φυσικά επιβιώνουν πολύ ευκολότερα σε ποικιλίες Cannabis που περιέχουν την αδρανή καναβιδιόλη αντί της δραστικής τετραϋδρο καναβιόλης. γ] Μιμητικά αποσεματισμού (εμφανής παρουσία) λέγονται αυτά που ενώ αποβάλουν τις τοξικές ουσίες συμπεριφέρονται σαν αποσεματικά.

2] Θηλαστικά. Οι φθόρο οξικοί εστέρες είναι από τις τοξικότερες ουσίες που υπάρχουν στην φύση. Η τοξική δόση είναι 1 mg/1080 kg οργανισμού και δρουν προκαλώντας ασφυξία στον καταναλωτή. Παρά την τοξικότητα τους οι φθόρο οξικοί εστέρες είναι ευρύτατα διαδεδομένοι στα φυτά και ιδιαίτερα στο γένος Gastrolobium της Δυτικής Αυστραλίας. Η συγκέντρωση τους στα φύλα ορισμένων ειδών φτάνει μάλιστα το υπερβολικό ποσό των 2.65 g/ Kg φυτικού υλικού. Ένα είδος καγκουρό (Bettongia sp.) όταν αναγκάζεται να τραφεί με φυτά του γένους Gastrolobium αναπτύσσει μηχανισμό αποτοξίνωσης και με την βοήθεια της γλουταθειόνης να αποικοδομεί τους φθόρο οξικούς εστέρες. Οι τανίνες είναι μέσα ποσοτικής χημικής προστασίας για τους περισσότερους φυτικούς οργανισμούς γιατί δεσμεύουν τα ένζυμα της πέψης. Ο άνθρωπος και ορισμένα άλλα θηλαστικά προκειμένου να αποφύγουν τις δυσμενείς συνέπειες των τανινών εκλύουν στον σίελο πρωτεΐνες πλούσιες σε προλίνη που συμπλοκοποιούν τις τανίνες που χάνουν έτσι την ανεπιθύμητη δράση τους.

ΣΥΝΕΞΕΛΙΞΗ Ο όρος Biochemical coevolutίon διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τους Ehrlich και Raven το 1964 για να προσδιορίσει την συνεχώς μεταβαλλόμενη αλλά και αλληλεξαρτούμενη από τις οικολογικές πιέσεις χημική σύσταση των οργανισμών. Οι βασικότεροι τρόποι αντίδρασης είναι η ανάπτυξη μηχανισμών: 1] αποδόμησης και αποτοξίνωσης των ανεπιθύμητων ουσιών και 2] ταχείας απέκκρισης των χωρίς να απορροφούνται από το πεπτικό σύστημα. Κατά το διάστημα αυτής της αντίδρασης οι μηχανισμοί συνεχώς βελτιώνονται και αντίστοιχα οι χρόνοι απόκρισης μειώνονται. Από την στιγμή που οι μηχανισμοί αποφυγής αποκτήσουν ικανοποιητική αποτελεσματικότητα η χημική προστασία των αδυνάτων χάνει την λειτουργικότητα της και πρέπει να ενισχυθεί με νέα μέσα.

Αποτελέσματα Η παραγωγή της αρχικής βιοδραστικής ουσίας δεν σταματά με την εξέλιξη των νέων χημικών δομών, οι οποίες δρουν συνεργιστικά και απλώς ενισχύουν την δράση της. Μετά από ορισμένο χρονικό διάστημα συνεξέλιξης τα αρπακτικά και τα φυτοφάγα μαθαίνουν να χρησιμοποιούν τις ουσίες που αρχικά είχαν τον ρόλο της χημικής προστασίας του θύματος (πχ αλκαλοειδή, καρδιακούς γλυκοζίτες) σαν δείκτες που τους οδηγούν σε αυτό. Οι μόνες ουσίες χημικής προστασίας (ποσοτικής) για τις οποίες δεν έχει βρεθεί να υπάρχει κανείς οργανισμός που να τις ανέχεται ευχάριστα ή να τις χρησιμοποιεί σαν δείκτες είναι οι τανίνες. Οι οργανισμοί αποκτούν πολύ περιορισμένες οικολογικές σχέσεις και μειώνεται πχ ο αριθμός των γενικοφάγων προς τα ολιγοφάγα ή και τα μονοφάγα.

Για να είναι έτοιμοι να αντιδράσουν οι οργανισμοί σε περίπτωση ανάγκης πολλές φορές αποθηκεύουν την χημική προστασία σε συγκεκριμένα διαμερίσματα ή όργανα. Εάν η χημική προστασία έχει τοξικότητα ακόμη και προς τον παραγωγό οργανισμό τότε συνήθως αποθηκεύουν πρόδρομες ουσίες μικρότερης τοξικότητας. Τα φυτά σε πολλές περιπτώσεις για να αποφεύγουν το τοξικό φορτίο αρχίζουν να βιοσυνθέτουν ακόμη και μετά την έναρξη της προσβολής τους. Ανάλογα με την φυλογενετική συγγένεια που έχουν οι οργανισμών αναμένεται να παράγουν περισσότερο ή λιγότερο συγγενείς μεταξύ τους μεταβολίτες. Η πολυπλοκότητα των μεταβολιτών που παράγονται από τους οργανισμούς ανεξάρτητα της βιοσυνθετικής οδού έχει βρεθεί ότι αυξάνεται από τους πιο πρωτόγονους προς τους πλέον εξελιγμένους οργανισμούς.

Πολυπλοκότητα των δομών Φτέρες < Γυμνόσπερμα < Ξυλώδη αγγειόσπερμα < Ποώδη αγγειόσπερμα Συνήθως οι μεταβολίτες «2 ης γενιάς» είναι ουσίες δομικά συγγενείς με τον/τους αρχικό/ους μεταβολίτη/τες και έχουν προέλθει από χημικές τροποποιήσεις των αρχικών μεταβολιτών με σκοπό να αυξηθεί η δραστικότητα τους.

ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΤΩΝ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΩΝ Οι δραστικές ουσίες ανάλογα με τον οικολογικό τους ρόλο αλλά και με τον τρόπο που απελευθερώνονται, πρέπει να είναι στρατηγικά αναπτυγμένες ώστε ανά πάσα στιγμή να επιφέρουν το επιθυμητό αποτέλεσμα. Για παράδειγμα οι ουσίες που σχετίζονται με την χημική άμυνα τω φυτών είναι τοποθετημένες στην επιφάνεια των φύλλων ώστε να προστατεύουν τον οργανισμό χωρίς να χρειαστεί αυτός να έχει απώλειες για να εκδηλωθεί η χημική του προστασία. Οι χημικές ουσίες των φύλλων μπορεί να βρίσκονται 1) στα επιφανειακά τριχείδια, 2) στους κηρούς και στις ρητίνες που πιθανόν να υπάρχουν στην επιφάνεια των φύλλων, 3) εσωτερικά (στα πρώτα επιδερμικά κυτταρικά στρώματα, 4) διαλελυμένες στις γαλακτώδεις εκκρίσεις ορισμένων φυτών.

ΤΡΟΠΟΙ ΕΚΦΡΑΣΗΣ ΤΗΣ ΔΡΑΣΗΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΩΝ Επεμβαίνοντας και διαστρεβλώνοντας την χημική επικοινωνία των εχθρών τους. Πχ ο πτητικός υδρογονάνθρακας Ε-β-φαρνεσένιο που βρίσκεται στην επιφάνεια των φύλλων της πατατιάς είναι φερομόνη συναγερμού των αφίδων. Ακινητοποιώντας τους εχθρούς. Πχ στα φύλλα του Solanυm berthaυltii υπάρχουν στην επιφάνεια τριχειδίων μικροσκοπικά σταγονίδια με φαινολικές ουσίες και σταγονίδια με οξειδωτικά ένζυμα. Όταν το φύλο ενοχληθεί οι φαινολικές ουσίες έρχονται σε επαφή με το ένζυμο, οξειδώνονται και αποκτούν κολλώδη υφή παγιδεύοντας έτσι τους εχθρούς τελικά πεθαίνουν από ασιτία. 3) Ακινητοποιώντας τους εχθρούς και θανατώνοντας τους με χημικά μέσα. Πχ τα φυτά Stylanthes που δεσμεύουν τους εχθρούς στις κολλώδεις εκκρίσεις τους και τους σκοτώνουν με α-πινένιο. Κολλώδεις εκκρίσεις τύπου lateχ έχουν περίπου φυτά τα οποία τις χρησιμοποιούν αυτούσιες ή σε συνδυασμό με τερπενοειδή (Euphorbiaceae, Εστέρες φορμπόλης, Compositae, Σεσκιτερπενικές λακτόνες) για την χημική τους άμυνα.

4) Επιδρώντας στους βιοχημικούς μηχανισμούς των εχθρών του και ελαττώνοντας έτσι μακροπρόθεσμα τους εχθρούς του. 5) Επεμβαίνοντας ήπια σε πολλά επίπεδα εκδηλώσεων του θύτη και μειώνοντας την απόδοση του τον οδηγούν τελικά στην εξάντληση και τον θάνατο. 6) Με συνδυαστική δράση όλων των παραπάνω τρόπων. Στους θαλάσσιους οργανισμούς τα επίπεδα δράσης της χημικής προστασίας κλιμακώνονται ως εξής: απώθηση < δηλητηρίαση < απώλεια ισορροπίας < παράλυση < Θάνατος. Σε ορισμένες περιπτώσεις φαιοφυκών οι επίδραση τω μεταβολιτών στους θύτες είναι πιο ήπια και τα αποτελέσματα εμφανίζονται μακροπρόθεσμα.

ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΗ ΚΑΙ ΧΡΟΝΙΣΜΟΣ ΤΩΝ ΔΡΑΣΤΙΚΩΝ ΜΕΤΑΒΟΛΙΤΩΝ Η συγκέντρωση των δραστικών μεταβολιτών στον παραγωγό οργανισμό υφίσταται μεγάλες διακυμάνσεις επηρεαζόμενη από διάφορους παράγοντες. Υπάρχουν όμως και περιπτώσεις που ορισμένοι οργανισμοί διατηρούν σταθερά τα επίπεδα των μεταβολιτών, όπως είναι οι περιπτώσεις της Λακτουπικρίνης και 8-Δεόξυλακτουκίνης που παραμένουν σχεδόν σταθερές στο 0.2% επί του ξηρού βάρους του οργανισμού.

Α: Διακύμανση στο επίπεδο του ατόμου (Individual variation) Οι διακυμάνσεις από άτομο σε άτομο (Φυτικοί και ζωικοί οργανισμοί ), σε οργανισμούς που βρίσκονται στο ίδιο οικοσύστημα, έχουν να κάνουν με την ποσοτική και όχι την ποιοτική σύσταση των μεταβολιτών. Οφείλονται δε κυρίως σε γενετικούς παράγοντες και στην φυσική κατάσταση του κάθε οργανισμού. Β:Εποχιακή διακύμανση (seasonal variation) Συνήθως οι οργανισμοί, λόγω του μεγάλου ενεργειακού κόστους του δευτερογενούς μεταβολισμού διατηρούν σταθερό ένα ελάχιστο ποσό από τους δραστικούς μεταβολίτες και ενεργοποιούν τους μηχανισμούς παραγωγής οποτεδήποτε υπάρξει ανάγκη (εποχιακή ή έκτακτη).

Ηλικία -Αvάπτυξη. Τα νεαρά άτομα είναι περισσότερο ευάλωτα και είναι αναμενόμενο να διαθέτουν σημαντική χημική προστασία για να επιβιώσουν. Το ίδιο συμβαίνει και με τους νεαρούς βλαστούς ηλικιακά μεγάλων φυτών. Σημαντική περίοδος είναι η περίοδος της αναπαραγωγής. Χαρακτηριστική είναι η περίπτωση των κόκκων του καφέ (Coffea arabica) που όσο διατηρούν το εξωτερικό τους περίβλημα και άρα την μηχανική τους προστασία, δεν έχουν καθόλου αλκαλοειδή (καφεΐνη κλπ). Όταν αποβάλουν τον τους φλοιό τότε τα αλκαλοειδή μπορεί να φτάσουν μέχρι το 4% επί ξηρού βάρους του οργανισμού και οι ρυθμοί παραγωγής τους τα 17 mg Ι ημέρα Ι 9 φυτικού ιστού. Το χλωροφύκος Halίmeda αναπαράγεται τις βραδινές ώρες για να αποφεύγει κατά το δυνατό τους φυσικούς εχθρούς του. Η θρεπτική αξία των νεαρών βλαστών του παραπάνω φύκους είναι 3-4 φορές μεγαλύτερη από των ώριμων βλαστών και για τον λόγο αυτό το χημικό του φορτίο τις πρώτες 48hrs έως ότου απασβεστωθούν είναι σημαντικά αυξημένο.

Εξωτερικοί παράγοντες Διακύμανση μεταβολιτών έχει παρατηρηθεί και σε σχέση με εποχιακές εξωτερικές πιέσεις. 1] κατά τις περιόδους αυξημένης ηλιοφάνειας αυξάνονται τα επίπεδα των μεταβολιτών που απορροφούν την υπεριώδη ακτινοβολία. 2] κατά την εποχιακή αλλά προβλέψιμη εμφάνιση άλλων ανταγωνιστικών κυρίως οργανισμών στο ίδιο οικοσύστημα. Πχ κατά τις περιόδους που οι πληθυσμοί των φυτοφάγων εντόμων είναι μεγαλύτεροι τα επίπεδα των αλκαλοειδών της πουρίνης στα φύλλα της Coffea arabica είναι υψηλότερα. Τα φύκη αν υποστούν ενοχλήσεις μπορούν οποιαδήποτε στιγμή, σε διάστημα δύο εβδομάδων να αυξήσουν τα ενεργά συστατικά της χημικής τους προστασίας κατά 20%. Το ίδιο φύκος αν πάψει να χρειάζεται χημική προστασία διαθέτει στην φυσική του ανάπτυξη αυτά τα ποσά ενέργειας και βελτιώνει έτσι την φυσική του κατάσταση.

Γ: Γεωγραφική διακύμανση (geographic variation) Ο ίδιος οργανισμός κάτω από διαφορετικές κλιματικές συνθήκες αλλά και διαφορετικά επίπεδα διαθέσιμων θρεπτικών στοιχείων είναι δυνατόν να παράγει διαφορετικούς μεταβολίτες. Σημαντικός παράγοντας είναι οι ιδιαιτερότητες του οικοσυστήματος και οι συγκεκριμένες οικολογικές πιέσεις που μπορεί να δέχεται από αυτούς. Συνήθως οι οργανισμοί που προέρχονται από τροπικές περιοχές όπου αντιμετωπίζουν μεγαλύτερο αριθμό φυσικών εχθρών αλλά ταυτόχρονα έχουν στην διάθεση τους επαρκή ποσά θρεπτικών στοιχείων εμφανίζουν πολυπλοκότερη χημική σύσταση. Ιδιαίτερα στους θαλάσσιους οργανισμούς είναι πολύ σημαντική η επίδραση της μεταβολής του διαλελυμένου οξυγόνου, της αλατότητας, της φωτεινότητας αλλά και του ρΗ του νερού.

Δ: Χροvισμός (timing) Παρά το γεγονός ότι στις περισσότερες περιπτώσεις οι δραστικοί μεταβολίτες παράγονται όταν παραστεί ανάγκη υπάρχουν οργανισμοί που παράγουν τις απαραίτητες ποσότητες των μεταβολιτών σε συγκεκριμένο στάδιο της ανάπτυξης τους και διατηρούν αποθέματα σε όλη την διάρκεια της ζωής τους. Το παπιριφερικό οξύ παράγεται μόνο από τις νεαρές σημύδες σε ποσότητες που μπορεί να φτάνουν μέχρι 30% επί του ξηρού βάρους του φυτού. Όταν το δένδρο αναπτυχθεί δεν παράγει άλλο παπιριφερικό οξύ αλλά διατηρεί ικανοποιητικά για τις ανάγκες του ποσά μεταβολίτη από την νεαρή του ηλικία. Ανάλογη είναι και η συμπεριφορά της πινοσυλβίνης που παράγεται σχεδόν από όλα τα κωνοφόρα δένδρα για τις ανάγκες της χημικής τους άμυνας.

Ε: Διακύμανση εντός του οργανισμού (variabilίty within the organism) Οι ζωικοί οργανισμοί χερσαίοι ή θαλάσσιοι συνήθως διατηρούν τους μεταβολίτες: 1) σε συγκεκριμένους αδένες και τους απελευθερώνουν όταν χρειάζεται, 2) οι μεταβολίτες είναι διαλελυμένοι στο αίμα των οργανισμών, 3) οι μεταβολίτες υπάρχουν σε συγκεκριμένα σημεία του σώματος τα οποία και προστατεύουν με την παρουσία τους. Τέτοιες είναι οι περιπτώσεις των γυμνοβράνχιων μαλάκιων που έχουν τις προστατευτικές ουσίες εντοπισμένες στον μανδύα τους. Στους φυτικούς η διακύμανση των μεταβολιτών είναι πολύ εμφανής 1) ανάμεσα στα διάφορα φυτικά μέρη (καρπός, φύλλα, βλαστός ρίζες, κλπ) γιατί οι ανάγκες του κάθε μέρους μπορεί να είναι τελείως διαφορετικές, 2) ανάμεσα στα ίδια φυτικά μέρη (πχ φύλα) που προέρχονται από διαφορετική σχετική θέση στο δένδρο. Ο προσανατολισμός, φως κλπ μπορούν να επηρεάσουν σημαντικά την ποσοτική χημική σύσταση των φύλων του ίδιου δένδρου (plasticity effects), 3) Ανάμεσα στα ίδια φυτικά μέρη από την ίδια σχετική θέση. Τα φυτά, για οικονομία ενέργειας δεν προστατεύουν όλα τα φύλα εξ' ίσου αλλά τον ελάχιστο αριθμό που είναι απαραίτητος

Ένας επιπλέον λόγος για αυτή την επιλεκτική προστασία είναι ότι έτσι τα φυτά αναγκάζουν τους εχθρούς τους να μετακινηθούν από φύλο σε φύλο και να εκτίθενται έτσι απέναντι στους δικούς τους εχθρούς. Η μερική βορά έχει τις περισσότερες φορές θετικές επιπτώσεις στους φυτικούς οργανισμούς, ο μεταβολισμός των οποίων επιταχύνεται με αποτέλεσμα την βελτίωση της φυσικής τους κατάστασης.