Χημική ποικιλότητα

Η ζωή διατηρείται μέσω του μεταβολισμού διαφόρων χημικών ουσιών, όπως τα σάκχαρα, τα αμινοξέα, τις πρωτεΐνες κ.α. Μαζί με αυτές τις ουσίες, που ονομάζονται πρωτογενείς μεταβολίτες, πολλοί οργανισμοί παράγουν ένα μεγάλο αριθμό από άλλες ουσίες, τους δευτερογενείς μεταβολίτες. Το σύνολο των δευτερογενών μεταβολιτών αποτελεί τη χημική ποικιλότητα η οποία απαντάται στη φύση.

Γενικά

Οι δευτερογενείς μεταβολίτες που παράγονται από ένα μεγάλο εύρος οργανισμών, όπως για παράδειγμα οι σπόγγοι, τα ολοθούρια, τα αρθρόποδα, τα μικρόβια καθώς και τα ανώτερα φυτά (π.χ. αρωματικά φυτά), οι λειχήνες και τα κυανοβακτήρια συνθέτουν την χημική ποικιλότητα. Τα φυτά αποτελούν μία ομάδα οργανισμών στην οποία παράγεται ο μεγαλύτερος αριθμός δευτερογενών μεταβολιτών από το σύνολο της χημικής ποικιλότητας που απαντάται στη φύση. Η παραγωγή δευτερογενών μεταβολιτών στα φυτά συσχετίζεται με τις αλληλεπιδράσεις τους με το περιβάλλον. και μπορεί να είναι συνέπεια της εξελικτικής προσαρμογής των φυτών στις αλλαγές του περιβάλλοντος. Πιθανόν, οι δευτερογενείς μεταβολίτες να παίζουν ρόλο στην άμυνα τους ενάντια σε πολλά διαφορετικά είδη θηρευτών, ανταγωνιστών, αλλά και παθογόνα και παράσιτα, εκ των οποίων το καθένα έχει διαφορετική ευαισθησία σε κάθε χημική ουσία καθώς και να συμμετέχουν στην αύξηση και ανάπτυξη τους.

Παράγοντες πουν επηρεάζουν τη χημική ποικιλότητα

Το πλήθος των δευτερογενών μεταβολιτών εκτιμάται ότι φτάνει τις εκατοντάδες χιλιάδες. Επιπλέον κάθε είδος συνθέτει διαφορετικό αριθμό και διαφορετικούς δευτερογενείς μεταβολίτες. Η ποσότητα και η σύσταση των δευτερογενών μεταβολιτών που συνθέτουν τη χημική ποικιλότητα εξαρτάται από φυσιολογικές, γενετικές, περιβαλλοντικές παραμέτρους και τη βιολογική ποικιλότητα.

Βιβλιοθήκες χημικών ουσιών

Λόγω της μεγάλης χημικής ποικιλότητας που υπάρχει στη φύση, δημιουργήθηκε η ανάγκη να καταγραφεί αυτή η ποικιλότητα. Την τελευταία δεκαετία έχουν αναπτυχθεί οι βιβλιοθήκες χημικών ουσιών (https://www.ebi.ac.uk/chembldb/), στις οποίες καταχωρούνται φυσικές χημικές ουσίες (δευτερογενείς μεταβολίτες). Παρόλο που οι βιβλιοθήκες χημικών ουσιών χρησιμοποιούνται ευρέως από πολλές φαρμακευτικές εταιρείες, ο αριθμός των χημικών ουσιών ο οποίος καταγράφεται στις βιβλιοθήκες είναι μικρότερος από αυτόν που απαντάται στη φύση. Από την διαρκώς αυξανόμενη ανάγκη του ανθρώπου να ανακαλύψει καινούργια φάρμακα, οι επιστήμονες προσπαθούν να προσομοιώσουν τις φυσικές χημικές ουσίες με συνθετικές. Ωστόσο, οι συνθετικές ουσίες δεν είναι απόλυτα συμβατές με τις φυσικές.

Πεδία εφαρμογής

Οι δευτερογενείς μεταβολίτες των ανώτερων φυτών έχουν παίξει μεγάλο ρόλο στην ανθρώπινη κοινωνία και οικονομία, καθώς χρησιμοποιούνται ευρύτατα ως φάρμακα, φυτοφάρμακα, βαφές, τροφές και ενισχυτικά γεύσης με αποτέλεσμα να έχουν εφαρμογή σε πολλά διαφορετικά πεδία.

Ιατρική/ Φαρμακευτική

Τα φυτά χρησιμοποιούνται σαν κύρια πηγή για την ανακάλυψη νέων φαρμάκων από πολλές φαρμακοβιομηχανίες και συγκεκριμένα το 25 % περίπου των φαρμάκων προέρχονται άμεσα ή έμμεσα από τα φυτά. Πολλά από τα φυτικά εκχυλίσματα έχουν αντιμικροβιακές ιδιότητες, οι οποίες έχουν αποδειχθεί από διάφορες έρευνες στις οποίες εξετάστηκε η ικανότητα τους να ελέγξουν και να αντιστρέψουν τη δράση παθογόνων μικροοργανισμών. Θεωρείται ότι οι ιδιότητες αυτές οφείλονται στη χημική ποικιλότητα των φυτών, δηλαδή στην διαφορετική σύσταση των δευτερογενών μεταβολιτών. Σε πολλές περιπτώσεις, ο συνδυασμός διαφορετικών φυτικών εκχυλισμάτων φάνηκε να έχει καλύτερο αποτέλεσμα.

Γεωργία

Η μελέτη της χημικής ποικιλότητας των φυτών μπορεί να έχει θετικά αποτελέσματα στη γεωργία. Έχει ερευνηθεί σε πολλές περιπτώσεις η επίδραση των δευτερογενών μεταβολιτών των φυτών σε έντομα που βλάπτουν τις γεωργικές καλλιέργειες. Για παράδειγμα, βρέθηκε τα αιθέρια έλαια διαφόρων φυτών της Οικογένειας Apiaceae έχουν εντομοκτονικές ιδιότητες και θεωρείται ότι μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εντομοκτόνα σε καλλιέργειες. Άλλο παράδειγμα αποτελούν τα αιθέρια έλαια από τα φυτά Athmanta haynaldii και Myristica fragrans και η αποτελεσματικότητα τους στην αλλαγή διατροφικών συνηθειών της κάμπιας του σκώρου Lymantria dispar που προκαλεί προβλήματα σε καλλιέργειες ξυλωδών φυτών. Φάνηκε ότι είχαν χαμηλή τοξικότητα για τους ανθρώπους αλλά μεγάλη αποτελεσματικότητα ενάντια στις κάμπιες και προτάθηκε από τους ερευνητές η χρήση του ως εντομοκτόνο.

Περιβαλλοντικές επιστήμες

Στην Διάσκεψη του Ρίο το 1992 και στη Παγκόσμια Σύμβαση για την βιοποικιλότητα δόθηκε μεγάλη προσοχή στον ανησυχητικό ρυθμό απώλειας φυτικών ειδών, και εκτιμήθηκε ότι μεγάλο ποσοστό από τα φυτά που χάνονται είναι ανεξερεύνητα, παρά τις έρευνες των τελευταίων δεκαετιών, και έχουν πιθανώς φαρμακευτικές/θεραπευτικές ιδιότητες. Επιπρόσθετα, θεωρείται ότι σε ενδιαιτήματα που κινδυνεύουν η χημική ποικιλότητα ενδέχεται να έχει μεγάλη οικονομική αξία. Η γνώση και εκμετάλλευση των δευτερογενών μεταβολιτών των φυτών πρέπει να βασίζεται στη γνώση και στην κατανόηση της χημικής ποικιλότητας. Η χημική ποικιλότητα ενός φυτού μπορεί να χρησιμοποιηθεί και σαν εργαλείο για την προστασία του. Για παράδειγμα πραγματοποιήθηκε έρευνα για το φυτό Justicia adhatoda στο Πακιστάν, το οποίο χρησιμοποιείται πολύ στην τοπική παραδοσιακή ιατρική, αλλά και στη δυτική ιατρική. Αποδεικνύοντας ότι το φυτό αυτό έχει μεγάλη χημική ποικιλότητα και φαρμακευτική αξία, οι ερευνητές εστίασαν στη σημασία της προστασίας του φυτού και στην αλλαγή του τρόπου συγκομιδής του.
Η χημική ποικιλότητα των φυτών μπορεί ακόμα και να επηρεάσει τα ενδιαιτήματα τους. Για παράδειγμα, έχει βρεθεί ότι η χημική ποικιλότητα του φυτού Tanacetum vulgare επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό την κατανομή των φυτοφάγων εντόμων και ζώων στην περιοχή που φύεται και εμποδίζει την εγκατάσταση άλλων φυτών στη γύρω περιοχή.

Παραδείγματα χημικής ποικιλότητας σε φυτικούς οργανισμούς

Ένα από τα πιο χαρακτηριστικά γνωρίσματα των δευτερογενών μεταβολιτών είναι η τεράστια ποικιλία στη σύσταση ανάμεσα στα διαφορετικά είδη.
Τα αιθέρια έλαια από τα φύλλα του φυτού κάρυ (Murraya koenigii), που χρησιμοποιούνται ευρύτατα στη μαγειρική ως μπαχαρικά,
βρέθηκε ότι περιέχουν 90 διαφορετικούς δευτερογενείς μεταβολίτες, ενώ υπάρχουν μεγάλες διαφορές στην ποσότητα των αιθέριων ελαίων και στην οσμή.
Τα αιθέρια έλαια από τη ρίγανη (Origanum vulgare L.), σε έρευνα που πραγματοποιήθηκε στην Ινδία, βρέθηκε ότι περιέχουν 51 διαφορετικούς δευτερογενείς μεταβολίτες.
Τα είδη του γένους Eugenia (Οικογένεια Myrtaceae) χαρακτηρίζονται από μεγάλη χημική ποικιλότητα, καθώς έχουν αναγνωριστεί
περισσότερα από 300 δευτερογενείς μεταβολίτες μέχρι τώρα.