Ziarna pyłku i palinologia

Pyłek kwiatowy to powstające z mikrospor [mikrospora to zarodnik męski, z którego rozwija się gametofit męski] rośli nasiennych ziarna pyłku zawierające mocno zredukowany gametofit męski Powstają one w woreczkach pyłkowych (mikrosporangiach) męskich organów rozmnażania (pręcików u roślin okrytonasiennych i mikrosporofili u roślin nagonasiennych). Proces przenoszenia ziaren pyłku na żeńskie organy generatywne (słupek u roślin okrytonasiennych lub bezpośrednio na zalążek znajdujący się na łusce nasiennej u nagonasiennych) zwany zapylaniem. W konsekwencji zapylenia zawarta w ziarnach pyłku komórka generatywna, dokonuje zapłodnienia komórki jajowej zalążka, co prowadzi do powstania zarodka sporofitu. Nauką, która zajmuje się badaniem pyłku jest palinologia.

BUDOWA ZEWNĘTRZNA: Ziarna pyłku mają najczęściej kształt kulisty lub elipsoidalny, a wielkość  ich jest bardzo zróżnicowana. U niezapominajki leśnej ich średnica wynosi zaledwie 0,0003 mm, u dyni zwyczajnej 0,22 mm, a u zostery osiągają nawet do 1 mm długości (w tym wypadku mają osobliwy, nitkowaty kształt). Najczęściej ziarna pyłku mają ok. 0,04 mm średnicy. Ściana ziaren pyłku jest dwuwarstwowa. Wewnętrzna warstwa zwana jest intyną i zbudowana z celulozy. Warstwa zewnętrzna, zwana egzyną, przesycona jest sporopoleniną, nadającą ścianie twardość i trwałość - w tym odporność na gnicie. Egzyny nie rozkłada nawet wodorotlenek potasu oraz stężony kwas solny i siarkowy. Związek ten nadaje też pyłkowi żółtą barwę, modyfikowaną u wielu grup roślin zawartością także innych barwników (karotenoidów, antocyjanów, antoksantyn). W zewnętrznej ścianie znajduje się jedno lub dwa miejsca zwane aperturami, o cieńszej budowie (czasem zamknięte wieczkiem). Mają one postać bruzdy u starszych linii ewolucyjnych roślin i mniej lub bardziej okrągłych porów u młodszych. Przez aperturę wyrasta łagiewka pyłkowa otoczona intyną. Egzyna jest ścianą o często bogatej i charakterystycznej dla różnych grup systematycznych budowie, podobnie unikatowy i stały kształt mają dla poszczególnych taksonów układy i kształty bruzd i porów. Zwykle egzyna roślin wiatropylnych jest gładka lub słabo zróżnicowana (np. u traw), podczas gdy u roślin owadopylnych jest bardzo różnorodnie urzeźbiona (posiada charakterystyczne układy otworów, okienek i wyrostków). Podczas rozwoju ziaren pyłku, ich ściana zewnętrzna impregnowana jest białkami wytwarzanymi w warstwie wyściełającej (tapetum) pylnika. Białka te pełnią kluczową funkcję w rozpoznawaniu samozgodności i to one właśnie odpowiadają za reakcje alergiczne u osób, które chorują na pyłkowicę. 

Źródło: i.pinimg.com - Kształty ziaren pyłku. 

Źródło: image.slidesharecdn.com - Interesujące przykłady kształtów ziaren pyłku. 

Pyłek u większości roślin ma postać luźnego, sypkiego zbioru ziaren. U niektórych (np. u wrzosowatych) ziarna połączone są po cztery w tetrady. Z kolei u storczykowatych i trojeściowatych sklejone są w duże pakiety zwane pyłkowinami. 

Źródło: J. Daniel Ackerman: "Sexual Reproduction of Seagrasses: Pollination inthe Marine Context". Ziarna pyłku jako zbiory ziaren połączonych w tetrady. 

Źródło: geo.arizona.edu - Budowa wewnętrzna ziarna pyłku.

BUDOWA WEWNĘTRZNA I ROZWÓJ ZIARNA PYŁKU: Ziarna pyłku, które występują obecnie u roślin nasiennych powstały w wyniku redukcji pokolenia haploidalnego, którego istnienie u przodków tych roślin i współczesnych roślin zarodnikowych wiązało się z uzależnieniem od obecności wody umożliwiającej kontakt męskich i żeńskich komórek generatywnych. W wyniku redukcji gametofitu (przedrośla) męskiego rozwija się on wewnątrz ścian mikrospory i składa się z kilku komórek. 

Źródło: pasieka24.pl - Budowa ziarna pyłku. 1 - apertura. 2 - jądro i jego struktura. 3 - intyna. 4 - egzyna (wg Tichonowa i wsp. 2010). 

O przyswajalności pyłku kwiatowego przez człowieka możesz przeczytać: TUTAJ. 

Źródło: intechopen.com - Budowa anatomiczna ziarna pyłku. Ziarno pyłku posiada jak widać dwa jądra - jądro generatywne oraz jądro wegetatywne. 

Palinologia jest nauką o pyłku roślin i zarodnikach grzybów. Jej głównym celem jest rozróżnienie i systematyzowanie ziaren pyłku w badaniach taksonomicznych oraz odtwarzanie historii szaty roślinnej w minionych tysiącleciach. Termin "palinologia" pojawił się po raz pierwszy w roku 1944 na łamach czasopisma poświęconego analizie pyłkowej "Pollen Analysis Circular". Hyda i Williams wybrali to określenie na podstawie greckiego słowa paluno i łacińskiego pollen.  Nauka ta zajmuje się jednakże badaniem nie tylko pyłku, lecz także zarodników. Ziarna pyłku to męskie elementy rozrodcze (gametofity męskie) występujące u roślin nasiennych. Służą one do zapylania słupków kwiatowych, gdzie łączą się z komórkami żeńskimi. Zarodniki to haploidalne komórki służące do bezpłciowego rozmnażania roślin niższych (mszaki, paprotniki) i grzybów. Zarodniki są zazwyczaj bardzo małe i mają prostą morfologię, w związku z tym są trudne do wykrycia i do zidentyfikowania. Nie jest także łatwo przypoisać ich do określonego gatunku. 

Ziarna pyłku są bardzo odporne na zniszczenie - posiadają niezmiernie twardą ścianę komórkową, której część zewnętrzna, zwana egzyną (składa się ona głównie z celulozy, różnych typów białek i lipidów), zbudowana jest z bardzo odpornych substancji - sporopolenin w postaci zazębiających się spirali i pasm, dzięki czemu mogą przetrwać w osadzie dziesiątki tysięcy lat. Laboratoryjne próby dowiodły, że nie ulegają one zniszczeniu nawet przy ogrzaniu do 300 stopni Celsjusza oraz przy traktowaniu stężonymi kwasami. Mimo, że wewnętrzna ściana komórkowa otaczająca protoplazmę rozkłada się stosunkowo szybko, zazwyczaj po kilku miesiącach, a sama komórka może stracić żywotność jeszcze szybciej: wykazano, że w pyłku pszenicy obumiera w ciągu kilku minut, a w pyłku żyta żyje tylko przez około 15 minut. Czasem pyłek zachowuje się w bardzo suchym stanie - protoplazma wewnątrz ziarna pyłku przybiera wówczas formę ścisłej wyschniętej kulki. 

Pyłek jest przenoszony przez wiatr, wodę albo zwierzęta. Rośliny wiatropylne często wytwarzają ogromne ilości pyłku. Na przykład jedna sosna rodzaju męskiego wytwarza od 100 000 do 1,5 miliona ziaren, a kwiat konopi 4-6 milionów ziaren. Bardzo wiele pyłku wytwarzają świerki - oszacowano, że w południowej oraz środkowej Szwecji co roku powstaje 68 000 ton metrycznych pyłku. Pyłek wiatropylnego świerka odgrywa istotną rolę w kryminalistyce, ponieważ jest aerodynamiczny, ma stosunkowo prostą morfologię, jest cienkościenny, trwały i po zakończeniu sezonu pylenia można go znaleźć na wszystkich powierzchniach w środowisku. Około 95% wszystkich ziaren pyłku opada w promieniu 2 kilometrów od rośliny wiatropylnej, a w wielu przypadkach - w promieniu 100 m. Jednak należy postępować z dużą ostrożnością przy stosowaniu modeli opadania paleoekologicznego na wszelkich miejscach zdarzenia, ponieważ stwierdzono eksperymentalnie, że 80% pyłku sosny może opadać w bezpośrednim sąsiedztwie rośliny, a 4% w promieniu 50 m. Trzeba także wziąć pod uwagę rezydualność, redepozycję, lokalne zaburzenia, itp. Czynniki te mają o wiele większe znaczenie niż prędkość opadania. 

W skałach osadowych ziarna pyłku świetnie zachowują się jako mikroskamieniałości, w różny sposób sfosylizowane. Ich wiek liczony jest w milionach lat. Dla kryminalistyki największe znaczenie ma zaś fakt, iż ziarna lub zarodniki danej rośliny mają swój specyficzny wygląd, pozwalający na ich identyfikację. 

Źródło: jnels.se - J. Bostock. 

Dziedziny palinologii:

• 1) Aeropalinologia - jest to nauka zajmująca się badaniem pyłku zawartego w powietrzu. Rokrocznie roślinność produkuje ogromne ilości pyłku, który przedostaje się do atmosfery i stanowi najpierw składnik zawieszonego w powietrzu aeroplanktonu, a następnie opada na ziemię. Skalę tego zjawiska określają wielkie liczby, za przykład mogą tu posłużyć cytowane często dane Pohla, który podaje m.in. że jeden męski kwiatostan Rumex acetosa produkuje około 400 mln ziaren pyłku, kwiatostan sosny prawie 6 mln, a olszy blisko 5 mln. Szacuje on, że produkcja pyłku przez hektar lasu może być określana w bilionach ziarn pyłku. Badaniami nad pyłkiem zdeponowanym na powierzchni ziemi, a następnie zakonserwowanym w utworach geologicznych, zwłaszcza w osadach jeziornych, torfach i glebach kopalnych, zajmuje się analiza pyłkowa, której zadaniem jest przede wszystkim rekonstrukcja historii roślinności. Natomiast zawiesina pyłku w powietrzu oraz jego współczesny opad są przedmiotem badań aeropalinologii, dziedzieny mającej podstawowe znaczenie z nedj strony w profilaktyce i leczeniu wywoływanych przez pyłek chorób alergicznych, z drugiej zaś w budowaniu podstaw dla interpreacji paleoekologicznych. Obie te dziedziny, odległe zarówno ze względu na cele, jak i metody badań, łączy wiedza na temat produkcji i rozprzestrzeniania się ziarn pyłku, oraz próby określenia związków między roślinnością a jej reprezentacją w materiale pyłkowym. Aeuropalinologia niewątpliwie rozwinęła się w związku z występowaniem alergii pyłkowych. Po raz pierwszy objawy kataru siennego opisał w 1818 roku  J. Bostock, który również wyraził przypuszczenie na temat związku między chorobą a kwitnieniem roślin. Jednak dopiero pół wieku później angielski lekarz Ch. Blackley, który sam cierpiał na alergię, udowodnił eksperymentalnie przyczynę tego zjawiska przez wtarcie sobie w worki spojówkowe pyłku traw. Blackley udokumentował także obecność pyłku w powietrzu przez eksponowanie szkiełek mikroskopowych powleczonych lepką substancją, a nawet umieszczając takie szkiełka na powierzchni latawców. Zawdzięczamy mu również pierwsze regularne obserwacje aeropalinologiczne i wykresy zawartości pyłku w powietrzu. Przez okres ostatnich ponad stu lat, z jednej strony nadal stosowane powszechnie były proste grawimetryczne metody, które rejestrowały opad pyłku na jednostkę powierzchni i polegały na ekspozycji szkiełek mikroskopowych powleczonych substancjami chwytnymi (np. aparat Durhama) lub naczyń zawierających mieszaninę konserwującą (np. pułapka Taubera) oraz metody, które zmierzały do pomiaru zawiesiny pyłku w powietrzu (Do najprostszych wspominanych w literaturze należą zawieszane na drzewie nylonowe pończochy nasycone mieszaniną gliceryny oraz żelatyny, kawałki muślinu lub taśmy przylepnej), z drugiej zaś strony konstruowano różne, coraz bardziej skomplikowane urządzenia. Do najwcześniejszych, opracowanych specjalnie pod kątem badań aeropalinologicznych, należał aparat zaprojektowany przez wspomnianego wyżej lekarza Ch. Blackleya, który przede wszystkim ze względu na obecność skrzydła orientującego powierzchnię chwytną w zależności od kierunku wiatru można uznać za prototyp dzisiejszych aparatów Burkarda. Do rozwoju urządzeń ssących (metody volumetryczne), wyłapujących w sposób aktywny cząsteczki zawieszone w powietrzu, przyczyniły się badania pierwszych mikrobiologów. Jeszcze w ubiegłym wieku specjalne aeroskopy zbudowali między innymi L. Pasteur, A. Pouchet i D. Cunningham. Przez wiele lat do badań aeropalinologicznych używano też różnego rodzaju respiratorów. Obecnie, do najbardziej rozpowszechnionych w Europie należą aparaty Burkarda oraz VPPS 2000 (Lanzoni), oba o podobnych parametrach technicznych, wzorowane na aparacie skonstruowanym przez Hirsta (1952). WIĘCEJ INFORMACJI NA TEMAT WYŻEJ WSPOMNIANYCH MASZYN ZNAJDZIESZ: TUTAJ. 
• 
  
• 2) Jatropalinologia (palinologia medyczna) - zajmuje się ona badaniem chorób wywoływanych przez pyłek roślin. 
• 3) Kopropalinologia - zajmuje się rekonstrukcją składu pożywienia na podstawie śladów pyłku pozostałego w kale. 
• 4) Melissopalinologia - zajmuje się badaniem pyłku zawartego w miodzie.  
• 5) Paleopalinologia - zajmuje się badaniem pyłku kopalnego. opiera się na analizie jakościowej i ilościowej pyłku i zarodników zachowanych w osadach kopalnych. Określa się gatunek (rodzaj lub rodzinę) ziaren pyłku, występujących w osadzie oraz ich liczebność. Metoda ta umożliwia ustalenie pewnych grup pyłku przewodniego (diagramy pyłkowe), co pozwala na datowanie osadów. Jednocześnie, po ustaleniu składu gatunkowego zbiorowisk roślinnych, można rozpoznać warunki klimatyczne i hydrologiczne, jakie panowały w środowisku tworzenia się osadu zawierającego pyłek. 
• 6) Palinologia kryminalistyczna - w badaniach palinologii kryminalistycznej wykonuje się przede wszystkim analizę pyłku osadzonego na odzieży w celu określenia miejsca lub czasu zetknięcia osoby z roślinnością. Jako narzędzie kryminalistyczne stosuje się ją od co najmniej lat 50. XX wieku. Obecnie ślady pyłku są rutynowo zabezpieczane i wykorzystywane jako materiał dowodowy głównie w Australii, Nowej Zelandii i Wielkiej Brytanii. Charakter kompleksowy palinologii kryminalistycznej determinuje konieczność zdobycia wszechstronnego wykształcenia, które umożliwia wykorzystanie wszystkich aspektów analizy środowiskowej. Dlatego wciąż brakuje ekspertów nawet w krajach takich jak Wielka Brytania i Nowa Zelandia, gdzie technika ta nie jest rutynowo wykorzystywana. Różnie też realizowany jest protokół owej techniki. Na przykład w Wielkiej Brytanii zawsze pobiera się próbki porównawcze i dowodowe, a ekspert osobiście udaje się na miejsce zdarzenia i inne istotne lokalizacje, aby pobrać próbki roślin. W większości pozostałych krajów próbki dowodowe są zabezpieczane przez techników przeprowadzających oględziny albo funkcjonariuszy organów ścigania i przekazywane palinologowi. Często  wcale nie przeprowadza się przeglądu roślin na miejscu zajścia, palinolog w ogóle nie uczestniczy w oględzinach albo udaje się na miejsce dopiero na krótko przed rozprawą sądową. Przydatność pyłku jako materiału do badań kryminalistycznych wynika z jego niewielkich rozmiarów, odporności na mechaniczną, biologiczną i chemiczną degradację. Ziarna pyłku łatwo utrzymują się na różnorodnych nośnikach. Korzystny jest również fakt ich powszechnego występowania w środowisku i zróżnicowanej morfologii, która ułatwia identyfikację gatunku roślin. Pyłek bywa często przenoszony wraz z cząstkami gleby albo kurzu, ale dochodzi także do transferu poprzez bezpośredni kontakt z częściami roślin zawierającymi zarodniki albo pyłek. Mimo małych rozmiarów większość ziaren pyłku przenoszonych przez wiatr opada w niewielkiej odległości od rośliny. Większość ziaren mieści się w przedziale 20-60 mikrometrów (niektóre większe lub mniejsze), co oznacza, że mogą być przenoszone na odzieży, we włosach i pod paznokciami oraz na innych obiektach przy czym są niewidoczne. Często prosi się palinologa kryminalistycznego o ustalenie, gdzie przebywał dany obiekt albo podejrzany, z jakimi obiektami mieli kontakt lub czy dane miejsce charakteryzuje się występowaniem określonego pyłku. Następnie próbuje się ustalić, czy pyłek z danej lokalizacji można wykryć na odzieży lub na innych przedmiotach związanych z podejrzanym. Czasem zdarza się, że z danym przestępstwem jest związanych kilka lokalizacji, na przykład do morderstwa mogło dojść w jednym miejscu (miejsce przestępstwa), ale ciało przeniesiono gdzie indziej (miejsce znalezienia zwłok), narzędzie zbrodni porzucono w trzeciej lokalizacji, a odzież czy inne obiekty - jeszcze gdzie indziej. Rozmiary pyłków - tak korzystne z pewnych względów, nie są cechą przydatną do identyfikacji. Zróżnicowanie wielkości ziaren pyłku ma miejsce nawet w obrębie jednego pylnika, a tym bardziej w ramach jednego gatunku, więc nadmierne poleganie na kryterium rozmiaru byłoby ryzykowne. Wiele badań potwierdza, że rozmiary ziaren pyłku mogą się zmieniać pod wpływem techniki przetwarzania używanych do zabezpieczania pyłku z badanych obiektów, a nawet w zależności od typu nośnika. Podstawą identyfikacji mogą być inne cechy morfologiczne takie, jak: kształt (sferyczny, jajowaty, stożkowaty), urzeźbienie powierzchni ziaren (gruzełki, kolce, linie, siatka itp.), typ i liczba otworów (pory, wcięcia lub jedne i drugie, bezaperturowe, 1-, 2-, 3-, 4-aperturowe lub wieloaperturowe), struktura ściany (kolumelle, tektum, perforacja itp), grubość ściany i zróżnicowanie jej grubości w obrębie jednego ziarna. Większość badań prowadzi się przy użyciu mikroskopu w świetle przechodzącym, ale w razie potrzeby można zdobyć dodatkowe informacje na temat urzeźbienia powierzchni poprzez badanie pojedynczych ziaren za pomocą mikroskopu elektronowego. Jednak w większości rutynowych spraw karnych badanie SEM ma ograniczoną wartość, ponieważ cały zabezpieczony pyłek musi być identyfikowany w mieszaninie zabezpieczonej z dowodu rzeczowego. Do identyfikacji pyłku potrzebne jest palinologowi kryminalistycznemu coś więcej aniżeli mikroskop. Konieczny jest także dostęp do dobrego zbioru referencyjnego pyłku nie tylko z roślin krajowych, lecz z całego świata. Wstępną identyfikację można przeprowadzić z użyciem ilustracji, a najlepiej zdjęć w atlasach pyłku albo innej literaturze. Ilustracje powinny jednak służyć tylko jako odnośniki do odpowiedniej części zbioru zarodników/pyłku. Żaden dostępny zbiór referencyjny nie jest kompletny. Niektóre państwa (np. Argentyna, Chile, Chiny, Nowa Zelandia, Filipiny, Tajwan, kraje europejskie) mają własne opublikowane atlasy pyłków i książki, które można wykorzystać do porównań. Informacje źródłowe dostępne są także w internecie. Oczywiście w konkretnych sprawach ekspert musi zdobyć odpowiedni materiał porównawczy, często też zwraca się o pomoc do placówek naukowych, stowarzyszeń zielarskich albo rolniczych. 

O szerokim znaczeniu palinologii możesz przeczytać: TUTAJ. 

POLSKA SIEĆ AEROBIOLOGICZNA: KLIK!. 

Źródło: Slideplayer.pl. 

*Sporopolenina - jest ona głównym składnikiem twardych warstw zewnętrznych (egzyn) zarodników i ziaren pyłku. Jest bardzo stabilna chemicznie i dlatego zwykle dobrze zachowuje się w glebie oraz osadach. Egzyna jest często misternie urzeźbiona we wzory charakterystyczne dla danego gatunku, pozwalając materiałowi pozyskanemu z (na przykład) osadów limnicznych dostarczyć informacji palinologom o gatunkach grzybów i roślin żyjących w przeszłości. Sporopolenina znalazła zastosowanie także w paleoklimatologii. Ze względu na dużą odporność na rozkład, w pokładach torfu impregnowane nią struktury komórkowe pozostają praktycznie niezmienione przez miliony lat. Sporopolenina występuje także w ścianie komórkowej niektórych zielenic i ramienic, takich jak phycopeltis (klasa watkowe) i Chlorella. Skład chemiczny sporopoleniny jest słabo poznany z powodu jej niezwykłej stabilności chemicznej i wytrzymałości na działanie enzymów i silnych odczynników chemicznych. Analizy wykazały obecność mieszaniny biopolimerów, składających się głównie z długołańcuchowych kwasów tłuszczowych, fenylopropanoidów, fenoli i śladowych ilości karotenoidów. Występowanie jej w ścianach komórkowych glonów sprawia, że są one trudne do strawienia przez roślinożerców. Eksperymenty wykazały, że głównym prekursorem jest fenyloalanina, ale mogą nim być również inne źródła węgla. Możliwe, że sporopolenina pochodzi od kilku prekursorów, które wzajemnie powiązane tworzą sztywną strukturę. Badania mikroskopem elektronowym wykazały, że komórki tkanki wyściełającej komory pyłkowej w pręciku (tzw. tapetum), otaczające rozwijające się ziarna pyłku, posiadają wysoce aktywny system sekrecyjny wydzielający kuliste, lipofilowe cząsteczki. Cząsteczki te prawdopodobnie zawierają prekursory sporopolleniny. Działanie chemicznych inhibitorów rozwoju pyłku i sterylność u wielu męskich mutantów są spowodowane inhibicją sekrecji tych cząsteczek przez tapetum. 

Źródło: pubs.rsc.org - Hipotetyczna budowa chemiczna Sporopoleniny.