Łukasz Grewling
1. Ziarna pyłku roślin wiatropylnych o znaczeniu alergennym: A) orzech włoski, B) platan klonolistny, C) babka lancetowata, D) olsza czarna, E) brzoza brodawkowata
Godz. 4:27, 12 marca 2022
Stoję w kuchni, patrząc przez szczelnie zamknięte okno na ciemny wewnętrzy dziedziniec. Znów nie mogę spać, niedrożny nos utrudnia oddychanie, oczy swędzą, a podrażnione gardło sprawia ból podczas przełykania. Wargi są dziwne napięte, lekko mrowiejące, a w okolicy zatok czuję nieprzyjemny ucisk. Znalazłem aerozol do nosa, psiknąłem raz…, dwa…, muszę odczekać, aż zacznie działać… Myślę o podobnych mi osobach, które każdej wiosny zmagają się z objawami alergii. Chodzą niewyspani, zmęczeni, cały czas smarkają i kichają. Ot cała ich przyjemność z pierwszych słonecznych dni roku. W dodatku w okresie pandemicznym od razu są osobami podejrzanymi… Gdy wracam do łóżka, mijam okno wychodzące na ulicę. Wzdłuż bloku rosną nie tak dawno posadzone leszczyny tureckie, wciąż oblepione długimi zwisającymi kwiatostanami. Na szczęście już przekwitłe, bez pyłku, który jeszcze kilkanaście dni temu męczył mój układ oddechowy… Komu w ogóle przyszło do głowy posadzić leszczyny w takim miejscu!? Tuż pod oknami! Wczoraj wieczorem odwiedziłem przebudowywany Plac Kolegiacki. Jedynymi posadzonymi tam drzewami są platany. Podświetlone, prezentują się ładnie, ale za kilkanaście lat, gdy dojrzeją i zaczną „zalewać” okolicę alergennym pyłkiem, ludzie będą na nie złorzeczyć… Westchnąłem, wciągnąłem powietrze przez częściowo odetkane nozdrza… Nie jest źle. Może uda się zasnąć.
2. Nietknięte ziarno pyłku cisa pospolitego otoczone ziarnami pyłku z pękniętą ścianą komórkową i uwolnioną zawartością cytoplazmatyczną
Wyobraźmy sobie, że chcielibyśmy wypić 7000 półtoralitrowych butelek wody w ciągu jednego dnia. Brzmi nierealnie? A właśnie mniej więcej tyle litrów powietrza dostarczamy w ciągu doby do naszych płuc. Każdy litr powietrza wypełniony jest z kolei mnóstwem drobnych cząstek, które stopniowo osadzają się w naszych drogach oddechowych. Im mniejsza cząstka, tym głębiej wniknie. Są wśród nich zarówno drobiny nieorganiczne, np. cząstki sadzy, jak i biernie unoszące się w powietrzu obiekty biologiczne. Wśród tych ostatnich znaleźć można ziarna pyłku, zarodniki grzybów, paproci i mchów, jaja bezkręgowców (jak i same bezkręgowce), fragmenty roślin i zwierząt (np. łuski motyli), a w końcu również bakterie i wirusy. Ich wspólną cechą jest bierny sposób unoszenia się, tj. nie posiadają aktywnych mechanizmów umożliwiających przemieszczanie się w powietrzu (jak choćby skrzydeł) oraz mikroskopijne rozmiary (mniej więcej poniżej 0.1 mm). Tymi właśnie drobinkami o biologicznym pochodzeniu, tzw. aeroplanktonem lub bioaerozolem, zajmuje się dziedzina nauki zwana aerobiologią. Bada ona wszelkie aspekty związane z wytwarzaniem, uwalnianiem i przemieszczaniem cząstek biologicznych w atmosferze. Jest to interdyscyplinarna dziedzina lokująca się na pograniczu botaniki, mikrobiologii, meteorologii i klimatologii, a wyniki badań aerobiologicznych znajdują zastosowanie m.in. w rolnictwie (fitopatologii), leśnictwie czy alergologii. Ostatnia z wymienionych nauk jest szczególnie blisko związana z badaniami aerobiologicznymi i znacząco wpłynęła na ich rozwój.
Wykazanie związku między obecnością ziaren pyłku w powietrzu a objawami alergii, czego dokonał Charles Harrison Blackley w 1873 roku, zainspirowało kolejne pokolenia badaczy do rozwijania metod monitoringu biologicznego powietrza. Obecnie, po prawie 150 latach od tego odkrycia, liczba stacji monitorujących stężenie bioaerozoli przekracza na całym świecie ponad 800. W Polsce takich stacji, zlokalizowanych najczęściej w centrach dużych miast, jest kilkanaście i w wielu przypadkach działają one nieprzerwanie od połowy lat 90. XX wieku. Podstawowym zadaniem biomonitoringu powietrza jest dostarczanie danych o czasoprzestrzennej zmienności w stężeniu ziaren pyłku roślin i zarodników grzybów. To właśnie te cząstki odpowiedzialne są za większość notowanych przypadków alergii wziewnej. Badania aerobiologiczne są niezwykle pomocne w profilaktyce i diagnostyce alergologicznej, m.in. poprzez informowanie pacjentów i lekarzy o aktualnym zagrożeniu ze strony alergenów obecnych w powietrzu. Osoby, które chciałyby się dowiedzieć, co obecnie pyli i uczula (a niestety z pewnością uczula mocno, w końcu to kwiecień!), zapraszam na stronę Polskiej Sieci Aerobiologicznej (http://www.aero.cm-uj.krakow.pl/). Dane dla Poznania dostępne są poprzez stronę Laboratorium Aerobiologii, Wydziału Biologii Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu (http://paero.home.amu.edu.pl/). Tyle gwoli wstępu. Teraz przyjrzyjmy się bliżej tym alergizującym cząstkom.
Według szacunków rośliny wiatropylne stanowią 10-18% wszystkich obecnie występujących roślin na Ziemi. Pozostałe rośliny zapylane są przede wszystkim przez zwierzęta (w tym głównie owady). Jednakże to właśnie rośliny wiatropylne odpowiadają za większość obserwowanych reakcji alergicznych. Ziarna pyłku roślin wiatropylnych są z reguły mniejsze od ziaren pyłku roślin owadopylnych, są suche i lekkie, oraz charakteryzują się aerodynamicznym kształtem (Zdjęcie 1). Wszystkie te cechy pozwalają im długo, nawet do kilkudziesięciu godzin, unosić się w atmosferze. Ponadto ziarna pyłku roślin wiatropylnych są bardzo powszechne w powietrzu. Zaledwie jeden kwiatostan żyta produkuje ponad 4 mln ziaren pyłku. Zakładając, że na 1 hektarze pola żyta rośnie kilka milionów pojedynczych osobników, liczbę uwolnionych ziaren pyłku należy liczyć w trylionach. Osoba przebywająca w pobliżu upraw żyta w okresie kwitnienia narażona będzie na ekstremalnie wysokie stężenie ziaren pyłku. Z każdym jej oddechem liczba ziaren pyłku deponowanych w górnych drogach oddechowych będzie wzrastać. U osoby uczulonej, po przekroczeniu pewnej krytycznej liczby, nastąpi reakcja alergiczna.
Powszechność występowania ziaren pyłku to jednak niejedyny czynnik wpływający na ich zdolność do wywoływania alergii. Główną przyczyną reakcji alergicznych są białka wytwarzane w ziarnach pyłku. To właśnie białka (głównie glikoproteiny) reagują z układem odpornościowym i zapoczątkowują kaskadę reakcji prowadzącą do objawów alergii. Oczywiście rolą białek alergennych ziaren pyłku nie jest wywoływanie u ludzi reakcji alergicznych. Białka te pełnią kluczowe funkcje w rozwoju ziarna pyłku i procesie zapłodnienia. Warto przypomnieć, że u większości roślin wewnątrz ziaren pyłku znajdują się dwie męskie komórki rozrodcze (komórki plemnikowe). Komórki te powinny połączyć się z dwiema komórkami znajdującymi się w woreczku zalążkowym kwiatu żeńskiego. W efekcie nastąpi zapłodnienie i, w bardzo dużym skrócie, wytworzenie owocu. Przekazanie męskich komórek rozrodczych z ziaren pyłku następuje poprzez wytworzenie tzw. łagiewki pyłkowej, która przeciska się przez szyjkę słupka aż do woreczka zalążkowego. Białka ziaren pyłku (w tym również te alergenne) uczestniczą m.in. w formowaniu i wzroście łagiewki pyłkowej oraz rozluźnianiu ścian komórkowych słupka. Dzięki tym właśnie białkom możliwy jest więc proces zapłodnienia u roślin. O ich istotnej roli w fizjologii ziaren pyłku świadczy również bardzo wysoka zawartość w pyłku. Na przykład około 30% całkowitej masy białek ziaren pyłku brzozy stanowi tzw. białko Bet v 1. Białko to uznawane jest za główne białko alergenne, tj. u ponad 90% osób uczulonych na ziarna pyłku brzozy wywołuje reakcje alergiczne. Bet v 1 należy do rodziny białek nazwanej PR, której przypisuje się funkcje ochronne przed patogenami (grzybami, wirusami) i innymi czynnikami stresowymi, np. wysoką temperaturą powietrza.
3. Kwiatostan męski brzozy brodawkowatej
Białka alergenne, aby wywołać alergię, muszą zostać uwolnione w drogach oddechowych osoby uczulonej. Warto zauważyć, że ziarno pyłku, które zostanie zanurzone w wodzie, zaczyna bardzo szybko, zaledwie w ciągu kilku minut, uwalniać białka do otoczenia. Stwierdzono, że podobny mechanizm zachodzi w wilgotnej śluzówce nosa. Co istotne, nie wszystkie białka uwalniane są z taką samą szybkością. Większość alergennych białek to właśnie te, które z łatwością dyfundują z ziaren pyłku do otoczenia. W ten sposób duża ilość białek alergennych w krótkim czasie wypełnia śluzówkę nosa. Ponadto w warunkach wysokiej wilgotności powietrza ziarna pyłku zaczynają chłonąć wodę. Zaobserwowano, że objętość takiego uwodnionego ziarna pyłku może wzrosnąć nawet o 70% w stosunku do jego objętości tuż po uwolnieniu z pylników. W skrajnych przypadkach ściana komórkowa ziaren pyłku może nawet pękać (Zdjęcie 2). W warunkach laboratoryjnych stwierdzono, że przy 95% wilgotności względnej powietrza, w ciągu kilku godzin od rozpoczęcia eksperymentu, wszystkie ziarna pyłku pszenicy uległy rozerwaniu. W wyniku tego procesu dochodzi do uwolnienia zawartości cytoplazmatycznej ziaren pyłku bezpośrednio do powietrza atmosferycznego. Cząstki te nie tylko zawierają alergenne białka, ale są również znacznie mniejsze niż całe nietknięte ziarna pyłku. Alergenne ziarna pyłku mają najczęściej 20-30 μm średnicy i ze względu na rozmiary deponowane są w największej liczbie w górnych drogach oddechowych. Stąd też główne objawy alergii pyłkowej związane są właśnie z jamą nosową (wyciek wodnistej wydzieliny, uczucie zatkania nosa i świąd oraz kichanie) i oczami (swędzenie). Drobne cząstki cytoplazmatyczne o wielkości poniżej 2 μm mogą wnikać do dolnych odcinków układu oddechowego, powodując m.in. objawy astmy alergicznej. Przypuszcza się, że obecność drobnych cząstek alergennych w powietrzu związana jest ze zjawiskiem tzw. astmy burzowej, tj. występowania częstych i poważnych ataków astmy w czasie przechodzących burz. Sugeruje się, że ziarna pyłku traw poderwane przez silne wiatry pękają wewnątrz chmur burzowych, uwalniając cząstki cytoplazmatyczne, które następnie deponowane są w dużej liczbie przy powierzchni ziemi.
Większość ziaren pyłku roślin wiatropylnych po uwolnieniu z pylników osadzana jest w odległości od kilku do kilkuset metrów od rośliny macierzystej. Odległość, na jaką ziarna pyłku mogą zostać przeniesione, zależy jednak od wielu czynników, m.in. cech ziaren pyłku (wielkości, kształtu, urzeźbienia ściany komórkowej), warunków wietrznych i termicznych, ukształtowania terenu i charakteru roślinności (drzewa vs. rośliny zielne). Atmosferyczny transport ziaren pyłku na dystansie kilku czy nawet kilkuset kilometrów nie jest jednak niczym niezwykłym w przypadku takich taksonów jak brzoza (Betula sp.) czy ambrozja (Ambrosia sp.). Ziarna pyłku brzozy przenoszone są do Polski głównie z krajów nadbałtyckich, z Białorusi, zachodniej Rosji i półwyspu Skandynawskiego. Na tych obszarach lasy brzozowe zajmują rozległe tereny, tak więc stężenie ziaren pyłku nad tymi obszarami jest bardzo wysokie. Chmura pyłku uwolniona nad Skandynawią może w sprzyjających warunkach dotrzeć nawet do Islandii. Należy pamiętać, że termin pylenia u wielu roślin zależy w dużej mierze od temperatury powietrza w okresie poprzedzającym kwitnienie. Im temperatura jest wyższa, tym rośliny wcześniej rozpoczynają pylenie. Z tego też powodu kwiatostany brzozy (Zdjęcie 3) w północno-wschodniej Europie zakwitają nawet kilka tygodni później niż w Europie Centralnej i Zachodniej. W rezultacie ziarna pyłku brzozy uwolnione ze wschodniej Europy rejestrowane są nad Polską dopiero w maju (a czasem nawet w czerwcu!), gdy brzozy w Polsce zakończyły już dawno pylenie. Nie można więc wykluczyć, że osoby uczulone na ziarna pyłku brzozy będą miały objawy również poza okresem pylenia populacji lokalnych.
4. Trawy – najważniejsze źródło alergenów pyłkowych w Polsce
Zdolność ziaren pyłku do wywoływania reakcji alergicznych po przebyciu kilkuset kilometrów i spędzeniu kilkunastu godzin w powietrzu jest cały czas kwestią sporną. Kilka kilometrów nad powierzchnią ziemi, a na takiej wysokości przemieszczane są ziarna pyłku w czasie dalekiego transportu, warunki atmosferyczne są bardzo zmienne i generalnie niesprzyjające obiektom biologicznym. Promieniowanie UV-B jest tam o 50-100% wyższe, a temperatura powietrza o 20-30°C niższa niż na powierzchni ziemi. W warstwach chmur notowana jest z kolei bardzo wysoka – osiągająca 100% – wilgotność względna, która prowadzić może do osadzania się pary wodnej na powierzchni ziaren pyłku, dyfundowania białek alergennych na powierzchni ściany komórkowej, jak i pękania ziaren pyłku. Należy pamiętać, że opisane warunki atmosferyczne mogą zmieniać się znacząco w relatywnie krótkim czasie w zależności od ruchu mas powietrza. Warunki te nie pozostają bez wpływu na żywotność ziaren pyłku oraz niewykluczone, że mogą również modyfikować stopień ich alergenności (zawartość i reaktywność białek alergennych).
Badania prowadzone w Laboratorium Aerobiologii, m.in. w ramach projektu finansowanego przez MNiSW (nr NN404015439), wykazały, że białka alergenne uwolnione z ziaren pyłku ambrozji, które przez kilkanaście godzin przemieszczały się w atmosferze, cały czas zachowują zdolność do wiązania się z przeciwciałami. Powinny więc być zdolne do wywoływania reakcji alergicznych u osób uczulonych. Z drugiej strony nie wiemy jednak, czy alergenność ziaren pyłku nie uległa zmianie w czasie transportu w atmosferze (np. poprzez częściową degradację białek), a jeśli tak, to które z czynników są decydujące w tym procesie. Zagadką pozostaje również to, czy ziarna pyłku różnych roślin zachowują się podobnie, czy też pewne gatunki charakteryzują się większą wytrzymałością ziaren pyłku na działanie niesprzyjających warunków atmosferycznych. Kwestie te będziemy starać się wyjaśnić w ramach nowego projektu OPUS-20 (2020/39/B/ST10/01554), finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki.
Problem zmiennej alergenności ziaren pyłku był w ostatnich latach intensywnie zgłębiany. Obecnie wiemy już, że ilość głównych białek alergennych podlega silnym czasoprzestrzennym wahaniom. Istnieją badania wskazujące, że czynniki stresowe, np. wysoka temperatura, zanieczyszczenie gleby i powietrza, mogą indukować wyższą produkcję określonych białek alergennych. Eksperymenty prowadzone we Włoszech na trawie z gatunku wiechlina roczna (Poa annua) ujawniły, że wzrost stężenia kadmu w podłożu prowadził do zwiększonego uwalniania alergenów z ziaren pyłku, a same alergeny wykazywały zwiększoną skłonność do wiązania swoistych IgE (immunoglobulin E). Fińscy naukowcy zaobserwowali z kolei zwiększoną produkcję głównego białka alergennego brzozy (Bet v 1) u osobników rosnących w miejscach charakteryzujących się wyższą dobową temperaturą powietrza. Różnice w alergenności ziaren pyłku mogą ujawniać się również u blisko spokrewnionych gatunków.
5. Kwiatostany ambrozji bylicolistnej
Przyjrzyjmy się bylicom (rodzaj Artemisia sp.), roślinom powszechnie występującym w Polsce, których sezon pyłkowy zaczyna się pod koniec lipca. Ziarna pyłku bylicy uznawane są za jedne z najważniejszych przyczyn dolegliwości alergicznych w Europie, a alergenem, który szczególnie doskwiera osobom uczulonym, jest glikoproteina Art v 1. Warto podkreślić, że rodzaj bylica zawiera kilkadziesiąt gatunków szeroko rozmieszczonych w Europie, Azji i Ameryce Północnej. Ziarna pyłku różnych gatunków bylic są bardzo do siebie podobne, właściwie nierozróżnialne pod mikroskopem świetlnym, dlatego w tradycyjnym monitoringu aerobiologicznym łączone są one do jednej wspólnej grupy. W takiej postaci wyniki podawane są do wiadomości publicznej, np. w komunikatach alergologicznych czy kalendarzach pylenia. Jednakże ostatnie badania wykazały, że różne gatunki bylic, np. bylica pospolita (Artemisia vulgaris) i bylica polna (A. campestris), zawierają w swoich ziarnach pyłku wyraźnie różną ilość Art v 1. Wyniki projektu SONATA 2 (nr 2011/03/D/NZ7/06224), kierowanego przez dr A. Frątczak z Wydziału Biologii Uniwersytetu A. Mickiewicza w Poznaniu, w którym miałem możliwość uczestniczyć, ujawniły, że bylica polna uwalnia o około 60% więcej Art v 1 niż bylica pospolita. Co istotne, bylica polna występuje przeważnie na ubogich, suchych glebach i jest gatunkiem charakterystycznym dla strefy podmiejskiej. Ponadto bylica polna zakwita około dwa tygodnie później niż bylica pospolita. W rezultacie sezon pyłkowy bylicy na terenach podmiejskich jest dłuższy i bardziej intensywny niż w centrach dużych miast.
Podobne międzygatunkowe różnice zaobserwowano również w przypadku kilku gatunków traw (Zdjęcie 4). Badania w Niemczech wykazały, że ziarna pyłku tymotki łąkowej (Phleum pratense) uwalniały prawie pięciokrotnie więcej głównego białka alergennego niż wiechliny łąkowej (Poa pratensis). Co ciekawe, dwa inne powszechnie występujące w Polsce gatunki traw, tj. trzcina pospolita (Phragmites communis) i wyczyniec łąkowy (Alopecurus pratensis), nie uwalniają w ogóle tego alergennego białka. Tak więc ziarna pyłku tych dwóch gatunków nie powinny wywoływać reakcji alergicznych u osób uczulonych na ten konkretny alergen.
Warto jeszcze kilka chwil poświęcić roślinie, która w ostatnich dekadach zrobiła sporo zamieszania w światowej alergologii i aerobiologii. Mowa o ambrozji bylicolistnej (Ambrosia artemisiifolia – zdjęcie 5), której naturalny zasięg występowania ograniczony jest do obszaru Ameryki Północnej. Ambrozja została zawleczona na kontynent europejski prawdopodobnie wraz z transportem zbóż. Gatunek ten charakteryzuje się wysokim stopniem inwazyjności, stwarza zagrożenie dla lokalnych ekosystemów (poprzez wypieranie rodzimych gatunków), rolnictwa (przez wnikanie do upraw) oraz zdrowia publicznego (jako roślina silnie alergenna). Obecnie ambrozja bylicolistna opanowała już ogromne obszary na Ukrainie, na Nizinie Panońskiej (głównie Węgry), Bałkanach, w północnych Włoszech oraz południowej Francji. Masowe występowanie ambrozji na Węgrzech spowodowało gwałtowny wzrost częstości występowania alergii na ziarna pyłku tej rośliny. Szacuje się, że obecnie więcej Węgrów cierpi z powodu uczulenia na ziarna pyłku ambrozji niż traw, które tradycyjnie uznawane były za główne rośliny alergenne. W Polsce ambrozja bylicolistna notowana jest przede wszystkim na południu i południowym wschodzie, choć ostatnio obserwuje się zwiększanie jej liczebności w zachodniej Polsce.
Warto zauważyć, że w przemieszczaniu się ambrozji na północ Europy, dużą rolę może odgrywać działalność człowieka, w tym przede wszystkim dokarmianie zwierząt karmą zanieczyszczoną owocami ambrozji. W miejscach uprawy słonecznika ambrozja często i masowo występuje jako chwast na polach. Sprowadzane z tych regionów owoce słonecznika bywają zanieczyszczone drobnymi owocami ambrozji, które zachowują zdolność do kiełkowania i dalszego rozwoju. Z naszych ostatnich obserwacji wynika, że dokarmianie zwierząt zanieczyszczoną karmą prowadzi do rozsiewania nasion ambrozji i rozwoju nowych jej populacji, np. w pobliżu karmników dla ptaków czy na wybiegach dla zwierząt w ZOO. Zjawisko to może przyczynić się do zwiększenia lokalnych populacji ambrozji, a następnie wzrostu stężenia ziaren pyłku w powietrzu. Ważne jest więc, by monitorować miejsca, w których dokarmia się ptaki i w razie konieczności usuwać pojawiające się młode rośliny. Zaleca się również, by kupować karmę, która została skontrolowana pod kątem obecności owoców ambrozji.
Ambrozja bylicolistna została nieświadomie zawleczona, natomiast wiele alergennych gatunków roślin jest celowo wprowadzane jako rośliny ozdobne. Wśród nich przodują liczni przedstawiciele rzędu cyprysowców (Cupressales), w tym przede wszystkim takie rodzaje jak żywotnik, tj. tuja (Thuja sp.), cyprysik (Chamaecyparis sp.), jałowiec (Juniperus sp.) i cis (Taxus sp.). Są to rośliny szczególnie często sadzone w ogrodach i parkach miejskich. Niestety cyprysowce produkują ogromne ilości pyłku, który należy do silnych alergenów wziewnych. Podobnie sytuacja wygląda w przypadku rodzaju platana (Platanus sp.), popularnego drzewa ozdobnego wielu polskich miast. Jeden dorodny platan uwalnia nawet 70 mld ziaren pyłku, które w większości deponowane są w odległości około 400 m od rośliny. Bazując na ostatnio wykonanej inwentaryzacji w Poznaniu, szacujemy, że w ciągu mniej więcej ostatniej dekady posadzono w mieście ponad 2000 młodych platanów. Bezpośrednią konsekwencją tak znacznych nasadzeń może być niestety wzrost liczby osób uczulonych na ziarna pyłku platana w Poznaniu, co uświadamia przykład miasteczka Buchs, leżącego we wschodniej Szwajcarii. W latach 1995-2000 posadzono tam wzdłuż głównej ulicy prawie 100 osobników szybkorosnącego mieszańca olszy Alnus x spaethii. Po kilkunastu latach stwierdzono wzrost alergii na ziarna pyłku olszy wśród mieszkańców tego miasteczka.
Warto więc sprawdzić, jakie rośliny występują w otoczeniu naszego domu, miejscu pracy, parku czy placu zabaw, i czy nie ma wśród nich gatunków szczególnie alergennych. Nie warto narażać siebie i swoich bliskich na niepotrzebny kontakt z alergennymi ziarnami pyłku. Alergia naprawdę może uprzykrzyć życie. Proszę mi wierzyć, jestem w końcu zakatarzonym aerobiologiem.
Dr Łukasz Grewling, Laboratorium Aerobiologii, Zakład Botaniki Systematycznej i Środowiskowej, Wydział Biologii Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
