Химический язык насекомых
Шрифт:
Теперь рассмотрим следующий важный момент поиска таинственных молекул. На лабораторном столе «охотника за молекулами» появилась стеклянная колбочка с экстрактом, в котором, по предположению исследователя, содержится искомое вещество. Как же отыскать в этом «химическом коктейле» нужное соединение, спрятавшееся там, как невидимка в толпе?
Ведь, например, в состав пахучего секрета бабочки репейницы входит большое количество метиловых эфиров алифатических кислот, а также некоторые другие соединения.
Хотя герой фантастического романа Герберта Уэллса человек-невидимка и был уверен в своей неуязвимости, ему все-таки пришлось спасаться от внезапно появившегося врага. Неожиданно из конторы фармацевтического общества выбежала маленькая собачонка, которая, принюхиваясь к земле, начала лаять и преследовать невидимку. Все предвидел герой Уэллса, но того, что нос собаки сможет обнаружить
Да, не повезло главному герою романа в его злоключениях. Маленькая собачонка смогла учуять невидимого беглеца и стала его главным врагом. А чьим бы «носом» воспользоваться ученым, чтобы обнаружить молекулы феромона в экстракте? К сожалению, орган обоняния человека или собаки здесь не поможет. Но совсем не потому, что насекомые более чувствительны к запаховым молекулам. Просто у каждого живого организма своя индивидуальная способность распознавать разнообразнейшие запахи. Люди, не ощущают многих существующих в окружающем мире летучих веществ. Так природа оберегает органы обоняния человека от излишнего воздействия внешней среды.
В настоящее время для поиска феромонов пользуются двумя основными приемами. Один из них был предложен немецким ученым Д. Шнейдером, который исследовал привлекающие молекулы многих насекомых, в том числе и тутового шелкопряда.
Изучая механизм восприятия различных запахов насекомыми, этот ученый пришел к выводу, что «датчик» присутствия молекул-невидимок — антенна насекомых. Используя этот «нос» в качестве локатора, шестиногие ориентируются в мире «химических слов». Исследователь обнаружил, что при попадании пахучих молекул на «антенну» возникает электрический биопотенциал, который можно наблюдать по отклонению луча на экране осциллографа или записать на бумаге самописцем. Этот интересный и очень необходимый химикам метод назван электроантеннограммой.
Второй метод — изучение поведения насекомых при «дегустировании» различных химических веществ. Впервые его применил известный французский энтомолог Жан-Анри Фабр. Великий натуралист наблюдал за «ночными визитерами» — самцами сатурнии, прилетавшими к самке, находящейся в его кабинете. Вот как описывал Ж. А. Фабр свои впечатления после домашних опытов над одной из красивейших ночных бабочек — павлиньим глазом: «...Нельзя забыть то, что мы увидели. Вокруг колпака с самкой, мягко хлопая крыльями, летают огромные бабочки. Они подлетают и улетают, поднимаются к потолку, опускаются вниз. Кинувшись на свет, они гасят свечу, садятся на наши плечи, цепляются за нашу одежду. Пещера колдуна, в которой вихрем носятся нетопыри. И это — мой кабинет».
Энтомолог отметил, что самцов привлекает тончайший аромат, недоступный нашему обонянию. Запах этот пропитывает всякий предмет, к которому прикасалась самка. Ученый обратил внимание на явление поглощения привлекающего вещества пористыми материалами, например картоном или порошком глины.
В одном из опытов Фабр вокруг садка с самочкой расставил блюдечки с различными пахучими веществами, которые были у него под рукой: керосином, нафталином, лавандой и пахнущим тухлыми яйцами сероуглеродом. В этом наборе были представлены «ароматы» на любой вкус. Но, несмотря на присутствие таких разных неприятных запахов, самцы сатурнии нашли дорогу к самочке. Исследователь был поражен особой чувствительностью обонятельных органов насекомых к молекулам, «ответственным» за встречу особей противоположного пола в мире шестиногих.
Современные исследования энтомологов подтвердили, что половые феромоны воздействуют на самцов, несмотря на большие расстояния и посторонние запахи. Так, самки бабочки-монашенки привлекают самцов с расстояния 200...300 м, айлантовой сатурнии — 2...2,5 км, непарного шелкопряда — 3...4 км, а ночного павлиньего глаза, над которым проводил опыты Фабр, — 8...10 км.
Интересные исследования были проведены с самцами бабочки-глазчатии. Меченых насекомых выпускали через окно движущегося поезда на различном удалении от места, где находилась в садке под марлей самка. Энтомологи подсчитали, что с расстояния 4,1 км на зов самки откликнулись около 40% самцов, а с 11 км — лишь 26%. Как видно, реакция самцов во многом зависит от расстояния до привлекательной самки, скорости ветра и географического расположения местности. Кроме того, существует индивидуальная чувствительность воспринимающих органов насекомых, зависящая от возраста, жизнеспособности, времени суток и других факторов. Поэтому при всем совершенстве электрофизиологических тестов роль того или иного вещества в поведении насекомых может быть определена лишь с помощью оценки их реакций на него в лабораторных или природных условиях. Изучая с помощью фото- и киносъемки ответы насекомых на действие феромонов, ученые смогли установить сложную структуру поведенческих актов этих животных. Сначала шестиногие совершают движения, связанные с переходом их организма в активное состояние. Они начинают поднимать антенны, двигать или чистить их, вибрировать крыльями, поворачиваясь при этом на месте. Такие движения «антеннами» увеличивают вероятность попадания молекул феромонов на рецептор. Затем насекомые двигаются в струе феромона против ветра. На траекторию полета оказывает влияние концентрация феромона. Подобное поведение способствует сближению особей, которое на небольших расстояниях зависит и от их зрения. Далее насекомые обмениваются химическими, визуальными и другими сигналами для стимуляции полового партнера к осуществлению спаривания.
Изучая поведенческие реакции насекомых в специальных устройствах, исследователи пытаются определить ключевой ответ, который можно в дальнейшем регистрировать в биотестах на активность пахучих молекул. Однако из-за многокомпонентности половых феромонов эти ответы бывают различными и зависят от концентрации феромона и привыкания к нему насекомых. Это свидетельствует о необходимости нового подхода к оценке биологической активности феромонов.
Поведенческие реакции насекомых исследуют в специальных устройствах — ольфактометрах. Самый простой из них представляет собой обыкновенную банку или садок с неподвижным воздухом. Более совершенная конструкция у специальных туннельных ольфактометров — цилиндрических устройств с вентиляторами, в которых можно регулировать поток воздуха и визуально наблюдать реакции насекомых как на свету, так и в темноте. Подопытные экземпляры в таких устройствах получают возможность свободно двигаться, а исследователи — наблюдать за их поведением. Для бабочек изготовляют специальные просторные «трубы», а для жуков — лабиринты, путешествуя по которым эти насекомые отыскивают источники пахучих молекул. Такие ольфактометры можно использовать и для сравнительной оценки различных источников феромона.
Известно, что «нос» насекомых может различить самый тонкий аромат среди множества других запахов. Современные химики-аналитики также научились выделять определенные пахучие молекулы из огромного количества химических веществ. Исследователи делают это с помощью новейших методов анализа, один из которых — хроматография.
Этот метод был открыт русским ученым М. С. Цветом в 1906 г. Исследователь еще в юношеские годы заинтересовался тайной зеленого пигмента — хлорофилла. Изучая этот пигмент — «трансформатор» энергии солнечных лучей в энергию химических связей молекул, ученый совершил важное научное открытие. Он изобрел великолепный метод разделения органических веществ, основанный на различной способности их к адсорбции. Используя для разделения зеленых пигментов производные петролейного эфира, М. С. Цвет наблюдал две окрашенные полоски — темно-зеленую и синюю (хлорофиллы а и в). Работая со смесью пигментов из листьев крапивы, ученый с помощью специальной колонки (цилиндра из стекла) получил такое расположение разноцветных слоев: верхний — бесцветный, затем желтый, снова светлый, желто-зеленый, зеленовато-синий, три слоя желтых и последний — светло-серый. Почти настоящая радуга! Химические компоненты зеленого пигмента расположились друг за другом в колонке с адсорбентом, и эту разноцветную картину можно было уже идентифицировать как качественно так и количественно. Красный столбик с пигментом ученый назвал хроматограммой, а сам способ такого разделения сложных веществ — хроматографическим методом. М. С. Цвет, как и многие другие скромные труженики науки, не получил при жизни признания и высокого положения в обществе, но вклад его в науку по достоинству оценен учеными XX в.
Метод, открытый русским ученым, произвел научную революцию во многих областях человеческого знания: биологии, химии, физике и медицине. Благодаря хроматографии стало возможным быстро и точно определить строение и химический состав белков, удалось расшифровать состав очень редких и загадочных веществ, пришельцев из космоса — углистых хондритов. Этот метод широко применяется для анализа загрязнения окружающей среды и установки правильного диагноза в клинических лабораториях. Для химиков хроматографический метод стал надежным помощником в исследованиях молекул: от простых газов до сложнейших углеводородов и аминокислот. Без хроматографии не обходятся и исследователи феромонов. Со временем открытия «молекул любви» тутового и непарного шелкопрядов и до наших дней этот метод надежно служит охотникам за молекулами.