Etanol, dojrzewanie owoców oraz prehistoryczne korzenie ludzkiego alkoholizmu
w odniesieniu do owocożerności u naczelnych 1
Robert Dudley2,3
Tłumaczył: Aleksander Kwiatkowski
Tytuł oryginału: Ethanol, Fruit Ripening, and the Historical Origins of Human Alcoholism in Primate Frugivory1
Link do oryginału: http://icb.oxfordjournals.org/cgi/content/full/44/4/315
Integrative and Comparative Biology 2004 44(4):315-323; doi:10.1093/icb/44.4.315
© 2004 by The Society for Integrative and Comparative Biology
3 Department of Integrative Biology, University of California, Berkeley, Berkeley, California 94720 and Smithsonian Tropical Research Institute, P.O. Box 2072, Balboa, Republic of Panama
Abstrakt
Etanol jest naturalnie występującą substancją powstającą podczas fermentacji drożdżowej z węglowodanów zawartych w owocach. Powiązania pomiędzy drożdżami a roślinami okrytozalążkowymi miało miejsce począwszy od okres Kredowego a dietetyczne powiązania różnorodnych grup zwierząt owocożernych z etanolem również sięgają tego samego okresu. Uwalniający się etanol może być potencjalnie użyty do lokalizacji dojrzałych owoców za pośrednictwem narządów powonienia, a sama konsumpcja małej ilości etanolu znajdującego się w dojrzałych owocach może oddziaływać jako jedna z substancji wzmagająca apetyt. Dojrzałe i przejrzałe owoce neotropikalnego gatunku palmy (Płd. Ameryka) Astrocaryum standleyanum zawierające etanol o stężeniu wahającym się w granicach 0,9%-4,5% w zależności od stopnia dojrzałości. Dojrzewanie owoców było związane ze zmianami w barwie, twardości, zawartości cukrów prostych i etanolu. Naturalna konsumpcja etanolu związana z owocożernością w odniesieniu do poziomów alkoholu we krwi nie jest znana u innych gatunków zwierząt. Natomiast zmiany w zachowaniu zachodzące po spożyciu etanolu mogły przyczynić się do ukierunkowanej selekcji naturalnej wśród gatunków owocożernych włączając w to naczelne wraz z rodziną człowiekowatych i obecnym gatunkiem człowieka. To pradawne przystosowanie zmysłowe pomiędzy psychoaktywnym związkiem jakim jest etanol a odczuciem przyjemności pokarmowej może wskazywać na genezę obecnej konsumpcji alkoholu przez ludzi włącznie z jego nadużywaniem.
Wstęp
Szeroko rozpowszechnione drożdże fermentacyjne występujące w dojrzewających i dojrzałych owocach wskazują na potencjalną opcję związaną z etanolem jako czynnikiem wpływającym na zmiany zachowania u owocożernych gatynków kręgowców (Dudley, 2000, 2002). W szczególności zapach etanolu może z powodzeniem służyć do lokalizacji tych krótkotrwałych zasobów pokarmowych jakimi są owoce. Natomiast sam etanol spożywany wraz z owocami może odziaływać jako związek wzmagający apetyt. Ponieważ ludzie należą od naczelnych, a naczelne to gatunki owocożerne, zatem preferencje do nadużywania spożycia alkoholu przez współczesnych ludzi można uważać jako wynik prastarych przystosowań zmysłów do etanolu jako substancji związanej z dietetyczną przyjemnością. Nadal niewiele wiadomo o zawartości etanolu w naturalnych owocach lub o zmianach w zachowaniu u innych gatunków zwierząt owocożernych pod wpływem spożywanego w ten sposób etanolu.
Związki pochodzenia bakteryjnego oraz aktywność fermentacyjna drożdży są szeroko rozpowszechnione na powierzchni i wewnątrz owoców (Last and Price, 1969; Cipollini and Stiles, 1992, 1993b; Spencer and Spencer, 1997). Fermentacja jako proces beztlenowego rozkładu węglowodanów powoduje powstawanie etanolu. Ten szlak metaboliczny powstał począwszy od późnego okresu Kredy i rozciągał się aż do Pleistocenu, a to miało miejsce przede wszystkim u drożdży, ale ten szlak metaboliczny znajduje się również u roślin okrytonasiennych obejmując i gatunki wiatrosiewne i gatunki wytwarzające mięsiste owoce, owoce które są zjadane przez kręgowce i tą właśnie drogą roznoszone są nasiona (see Eriksson et al., 2000; Benner et al., 2002). Etanol powstający w wyniku fermentacji drożdży wydaje się być sposobem który specyficznie wyewoluował aby zahamować aktywność bakteryjną t.j. stał się substancją używaną przez drożdże do walki z konkurencją, wszystko po to aby mogły one korzystać z dojrzałych owoców (Ingram and Buttke, 1984). Natomiast woń etanolu wydobywająca się z dojrzałych owoców pozwolała na użyteczną lokalizację owoców przez narządy powonienia u zwierząt zarówno gatunków dziennych jak i nocnych, i to od samego zarania powstawania owocożerności u ssaków. Wiedząc o tym że drożdże obecne były od bardzo dawna oraz to że przetwarzały węglowodany na energię z wydzieleniem etanolu, w odpowiedzi na to rośliny zaczęły wytwarzać szereg substancji hamujących wzrost drożdży w dojrzewających owocach, po to aby spowolnić rozkład owoców (Janzen, 1977; Borowicz, 1988b; Cipollini and Stiles, 1992; Cipollini and Levey, 1997a, b, c). Ponieważ rozkład owoców przez drobnoustroje zmniejsza prawdopodobieństwo roznoszenia nasion przez kręgowce (Herrera, 1982; Borowicz, 1988a; Cipollini and Stiles, 1993a), zatem selekcja naturalna u roślin była ukierunkowana na wytwarzanie substancji hamujących wzrost drożdży i innych mikrobów.
Zjawisko dojrzewania owoców powoduje stopniowe zmniejszanie się odporności przeciwko organizmom żerującym na owocach zarówno przez potencjalne gatunki rozsiewające jak i patogenne mikroby (Thompson and Willson, 1979; Herrera, 1982; Janzen, 1983). Proces dojrzewania owoców wywoduje serię zmian w barwie, teksturze, zapachu oraz przekształceniu skrobi w cukry prostsze (Brady, 1987; Tucker, 1993). Wszystkie te zmiany wskazują na to że owoc jest już przygotowany do spożycia przez gatunki owocożerne. Konsekwencją procesu dojrzewania jest to że owoce są wrażliwe na rozkład bakteryjny, a to nie jest korzystne z punktu ewolucyjnego przetrwania gatunku i przenoszenia nasion przez zwierzęta (see Janzen, 1977; Borowicz, 1988a; Cipollini and Stiles, 1993a). Mikroby, bezkręgowce (szczególnie larwy owadów) oraz gatunki roznoszące nasiona od dawien dawna współzawodniczyły z sobą o bogate lecz nietrwałe źródło pokarmu jakimi są owoce.
Pomimo znaczenia jakie mógł mieć etanol dla ekologi i zachowań gatunków owocożernych (Levey and Martínez del Rio, 2001), wiedza w zakresie procesów fermentacji zachodząca w dzikich, owocach rosnących w naturalnych ekosystemach organicza się jedynie do kilku przykładów. Badacze t.j. Eriksson and Nummi (1982; Forsander, 1978) stwierdzili stosunkowo niskie zawartości etanolu (0,005-0,03% w/w) dla jarzębiny (Sorbus aucuparia), dzikiej róży (Rosa canina) oraz owoców głogu (Crataegus spp. ) w okresie jesienno-zimowym w Finlandii. U tego rodzaju owoców strefy umiarkowanej stwierdzono proporcjonalnie wysokie zawartości etanolu w tak niskich temperaturach. Procesy fermentacyjne zachodzą znacznie intensywniej w owocach uprawianych w ciepłym i wilgotnym klimacie, klimacie sprzyjającym rozwojowi drożdży i szybszemu rozkładowi. Dudley (2002) podał dane dotyczące zawartości etanolu u trzech rodzajów roślin tropikalnych (Płd. Ameryka), stwierdzono że miąższ dojrzałych i przejrzałych owoców palmy (Astrocaryum standleyanum) zawiera stężenia etanolu dochodzące odpowiednio do 0,6% i 4,5%.
Obecne badania są kontynuacją poprzednich badań nad owocami palmy A. standleyanum włączając równolegle dane odnoszące się do twardości i barwy owoców w celu ilościowego określenia stadium dojrzałości owoców, oraz porównania większych próbek z owoców zebranych bezpośrednio z roślin jak i owoców opadłych na grunt, w tym drugim przypadku miało miejsce znacznie większy stopień rozkładu owoców. Palma A. Standleyanum jest gatunkiem pospolitym dla równinnego lasu deszczowego Panamy, tam również uprawiane są duże ilości drzew cytrusowych których owoce są chętnie zjadane przez tutejsze wiewiórki (Sciurus granatensis), kolczaki (Proechimys semispinosus), kinkażu (Potos flavus), auguti brunatne (Dasyprocta punctata), pekari obrożne (Tayassu tajacu), kapucynki czarnobiałe (Cebus capucinus) (Hladik and Hladik, 1969; Croat, 1978; Smythe, 1978, 1989; Hoch and Adler, 1997; Kays, 1999). Ten gatunek palmy jest gatunkiem wskaźnikowym dla określenia ekologicznej roli etanolu i jego detekcji przez zmysł węchu u ssaków owocożernych. Ponad to owoce tej palmy (podobnie jak owoce figi) uznano za kluczowe źródło pokarmu dla owocożernych kręgowców w lesie neotropikalnym (Terborgh, 1980). Zakrojone na szeroką skalę badania biogeograficzne roślin okrytonasiennych wytwarzających owoce wraz z określeniem zawartości etanolu wykraczają poza zakres niniejszych badań, ale powiązania pomiędzy zawartością etanolu a stadium dojrzałości owoców u palm jest znaczące w odniesieniu do głębszego poznania ekologi gatunków naczelnych które przede wszystkim odżywiają się owocami i zasiedlają tego rodzaju tropikalne lasy
Materiały i Metody
Materiał terenowy zebrano a następnie dokonano pomiarów laboratoryjnych na wyspie Barro Colorado Island (BCI), Panama, w maju i czerwcu 2002 roku podczas sezonu deszczowego (dojrzałe i przejrzałe owoce), oraz w grudniu 2002 roku (owoce niedojrzałe). Owoce były obrywane z drzew za pomocą albo procy albo rzutem kamienia z ręki (takie owoce zaklasifikowano do kategorii owoców wiszących na drzewie), oraz owoce zebrane z pod drzew (te owoce zaliczono do kategorii owoców opadłych).
Następnie owoce zostały przewiezione w szczelnie zamkniętych woreczkach plastikowych do laboratorium na tej wyspie, dokonano pomiarów zaraz po przetransportowaniu, albo w ciągu pierwszych 3 godzin po zbiorze. W tym drugim przypadku owoce w torebkach zostały przechowywane w temp. 10 oC. Owoce zostały wizualnie pogrupowane na dwie kategorie t.j. owoce dojrzałe, owoce przejrzałe, do pomiarów nie brano owoców już rozkładających się. Owoce przejrzałe były zebrane zawsze z pod drzew jako spady. Przestrzenne różnice w dojrzałości każdego owocu były czasami widoczne szczególnie wśród spadów. W takich przypadkach pomiarów dokonano w miejscu o największej jednorodności. Świeża masa warstwy zewnętrznej owocu egzokarp, masa miąższu – mezokarp, oraz nasion - endokarp zostały również pomierzone na próbce składającej się z 20 opadłych owoców. Pomiary barwy, jego spektrum dokonano za pomocą kolorymetru, dokonano również pomiarów twardości owoców, zawartość cukrów w miąższu oraz zawartość etanolu w miąższu u wszystkich zebranych owoców. Spektrum kolorymetryczne uzyskano za pomocą spektroradiometru przenośnego (Colortron II; Lightsource) umożliwiającego pomiary absolutnego odbycia promieni o rozdzielczości fali 10 nm w przedziale światła widzialnego t.j. 390-700 nm. Przyrząd umożliwiał otrzymanie średniej z pomiarów. Średnie wartości kolorymetryczne zebrano dla każdego owocu poprzez wolne przesuwanie instrumentu po powierzchni owocu, powierznia jednego pomiaru wynosiła 3 x 4 mm (12 mm2).
Twardość owocu została pomierzona za pomocą penetrometru Chatillon Type 719 o promieniu pomiaru 4,7 mm. Nacisk był stopniowo zwiększany aż do momentu kiedy egzokarp ulegał uszkodzeniu w kontakcie z końcówką naciskającą. Przesunięcie na skali wskaźnika dawało odczyt największej siły jaka została użyta do spowodowania uszkodzenia. Wartości średnie otrzymano z 3 pomiarów dokonanych na każdym owocu. Należy dodać że końcówka penetrometru podczas pomiaru nie była ustawiona pod idealnie prostym kątem, zatem pomierzona siłą odnosi się do względnego pomiaru twardości niż do pomiaru absolutnego (see Lucas et al., 2000).
Pomiary poziomów cukrów oraz etanolu zostały przeprowadzone z wyłączeniem egzokarpu (skórki) i endokarpu (nasion), ponieważ węglowodany są właśnie tą nagrodą dla owocożerców za przenoszenie nasion i znajdują się w mezokarpie (miąższu), i tam również zachodzą procesy fermentacyjne. Zawartość węglowodanów rozpuszczalnych w zmacerowanym miąższu została pomierzona za pomocą refraktometru (Westover RHB-32 Brix refractometer) skalibrowanego w.g. roztworów wzorcowych sacharozy. Zawartość etanolu w miąższu pomierzono metodą równowagi ciśnień cząstkowych za pomocą czujnika elektrochemicznego (PAS Systems, Fredericksburg, VA) skalibrowanego wg. roztworów wzorcowych etanolu. Masa każdej próbki zmacerowanego miąższu wynosiła 3,0 g podobnie masa próbki rozpuszczonego miąższu, próbki zostały poważone w pływających plastikowych pojemnikach, a powierzchnia ekspozycji ww. próbek obejmowała okrąg o promieniu 18 mm. Średni równoważnik rozcieńczenia miąższu dla dojrzałych i przejrzałych owoców wynosił 6,8. Takie rozcieńczenie umożliwiało uwolnienie z miąższu związków rozpuszczalnych znajdujących się we włóknistej masie (matrix) i było w niektórych przypadkach konieczne aby uzyskać odpowiednią koncentrację etanolu w zakresie czułości elektrody aparatu pomiarowego. W przypadku niedojrzałych owoców nie stosowano rozcieńczenia z powodu podprogowych zawartości etanolu. Pojemniki zawierające zmacerowane próbki miąższu owocowego zostały szczelnie zamknięte w plastikowej torbie o pojemności 0,95 L w której również umieszczono czujnik etanolu.
Czujnik etanolu włączano w określonych interwałach czasowych poprzez włącznik znajdujący się w urządzeniu, kable elektroniczne wychodziły na zewnątrz torby poprzez uszczelnione wtyczki, co umożliwiało podłączenie i pomiary zmian przepływu prądu w czujniku alkoholowym.
Ciśnienie cząstkowe etanolu pomiędzy powietrzem and rozcieńczonymi próbkami roztworu etanolu szybko dochodziło do równowagi (n.p. 95% stała równowagi w ciągu zaledwie 30 min.). Pomiary wszystkich próbek miąższu owocowego przeprowadzono w ciągu jednej godziny po wstawieniu aby wyskalować i porównać oraz zminimalizować wytwarzanie dodatkowych ilości etanolu w czasie prowadzenia pomiarów. Wszystkie pomiary przeprowadzono w stosunkowo stałej temperaturze otoczenia, mierzonej termometrem umieszczonym wewnątrz szczelnie zamkniętych plastikowych torebek, średnia temp. wynosiła 26,0 oC (±0,6). Wyniki pomiarów zawartości etanolu uzyskanych z rozcieńczonych roztworów miąższu zostały następnie pomnożone przez współczynnik rozcieńczenia aby otrzymać wartość rzeczywistą zawartości etanolu w miąższu owocowym.
...
jedrus1a