Гл.4 раст. и жив. В книге: Введение в проблемы биохимической экологии (авторы М.М.Телитченко, С.А.Остроумов, МГУ), Москва: Наука. Глава 4. Некоторые аспекты эколого-биохимических взаимодействий растений и животных С биотехнологической точки зрения многие из вторичных метаболитов растений представляют весьма значительный интерес [Егоров и др., 1987]. Ценность и часто незаменимость их для медицины, пищевой, легкой и парфюмерной промышленности весьма велики [Petiard, Steck, 1987] и отражаются в высоких ценах на некоторые из этих веществ (в долларах за 1 кг): дигоксин (digo- xin) -3000, морфин (morphine) - до 1250, квассин (quassin) - до 7000, жасминовое масло (jasmine oil) - до 5000, винбластин и винкристин (vinblastine, vincristine) -5 млн [Rhodes et al., 1986]. Кроме того, некоторые из вторичных метаболитов растений имеют большое, нередко только начинаемое осознаваться значение для сельского хозяйства и его экологизации. Поэтому возникает необходимость поиска новых веществ растений, которые могут вскоре приобрести большое экономическое значение; возникает также необходимость поиска новых продуцентов веществ данного типа. Отсюда, в свою очередь, вытекает необходимость лучше понять биологический смысл наличия подобных веществ в природе, еще раз задуматься над вопросом: каково биологическое (экологическое) значение тех веществ растений, которые проявляют разнообразную биологическую активность при воздействии на организм животных? Воздействия веществ растений на животных играют фундаментально важную роль для формирования экологических связей, прежде всего трофических, между первичными продуцентами и животными [Harborne, 1982; и др.]. Среди огромного разнообразия взаимодействий этого рода можно выделить две большие группы: 1) регуляция веществами растений пищевого поведения животных-фитофагов (в том числе насекомых); 2) регуляция вторичными метаболитами растений развития и плодовитости фитофагов. Граница между этими двумя типами взаимодействии и участвующих в них веществ довольно условна: некоторые вещества проявляют себя как хемоэффекторы и первого (например, как токсины или репелленты), и второго типов (например, снижают рождаемость); повышенная доза некоторых веществ растительного происхождения вызывает гибель фитофагов, пониженная - ингибирует у насекомых линьку, а еще меньшая доза тормозит рост личинок. При написании данной главы существенно использована работа [Harborne, 1982]. Обширная дополнительная информация о встречаемости и роли в растительном мире тех БАБ, которые обсуждаются ниже, приведена, в частности, в работах [Абубакиров, 1981; Краснов и др., 1987; Schlee, 1986; Harborne, 1986, 1988]. Методы выделения и очистки этих БАВ, особенности их идентификации, установления строения и количественного определения освещены в работах [Краснов и др., 1987; Mandava, 1985] и ряде других. 4.1. Экологические хеморегуляторы пищевого поведения животных-фитофагов http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st034.shtml Почему разрушительный потенциал фитофагов не помешал зеленым растениям доминировать на земле? Почему так огромно видовое разнообразие животных, среди которых много фитофагов, и высших растений? Описано около 2 млн видов насекомых (а по некоторым новым данным значительно больше) и около 300 000 видов сосудистых растений. Потенциальное число пищевых связей между фитофагами и высшими растениями выражается еще большими числами. Почему существует четкая избирательность (и часто - узкая специфичность) в выборе фитофагами своих кормовых растений? С экологической точки зрения, это означает существование вполне детерминированных трофических цепей, а следовательно, детерминированных каналов для потока энергии и вещества через экосистемы. Значительный вклад в формирование специфичности этих трофических цепей и в регуляцию потока энергии и вещества через них вносят соединения, содержащиеся в тканях растений и определенным образом воздействующие на животных: запрещающие питание (токсины), отпугивающие своим вкусом или запахом (антифиданты, репелленты, детерренты) и, наоборот, привлекающие (аттрактанты); регуляторы онтогенеза и плодовитости, репелленты овипозиции и др. Рассмотрим некоторые эволюционные аспекты формирования этих эколого-биохимических взаимодействий между растениями и их фитофагами, а затем отдельные типы веществ растений, важные для трофических связей в экосистеме,- токсины, антифиданты и репелленты, аттрактанты и др. http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st035.shtml 4.1.1. О биохимической коэволюции растений и фитофагов Сейчас разрабатывается концепция биохимической коэволюции растений и животных [Fraenkel, 1959; Ehrlich, Raven, 1964]; ее трактовка дается здесь в значительной мере по Харборну [Harborne, 1982]. Представление о биохимической коэволюции в определенной мере основано на следующих фактах. 1. Большинство растительноядных животных различают виды растений, на которых кормятся. Многие питаются на небольшом числе близкородственных видов одного рода, трибы или семейства. 2. Кормовые растения данного вида животных могут иметь сходные вторичные соединения, но различаться по общей морфологии и анатомии. 3. Многие вторичные соединения растений либо токсичны для животных, либо обладают иной выраженной биологической активностью. 4. Растения могут достигать однотипного решения проблемы защиты от фитофагов разными химическими средствами. Например, отпугивающий вкус может создаваться за счет разных соединений: алкалоидов, сердечных гликозидов, тритерпеноидов, сесквитерпеновых лаптопов (лактонов?) и т. д. (см. ниже разд. 4.1.3). 5. Имеются такие вещества растений, которые оказывают токсичное или репеллентное воздействие на большинство видов фитофагов и в то же время для некоторых других фитофагов безвредны и, более того, служат пищевыми аттрактантами (см. разд. 4.1.4). Ряд аспектов биохимической коэволюции рассмотрен в работах [Berenbaum, 1983; Williams et al., 1983; и др.], а также в конце данной главы (разд. 4. 4). Рассмотрим вторичные метаболиты растений, которые были когда-то эволюционно выработаны растениями как защита от поедания животными [Harborne, 1982] или случайно оказались токсичными (иди репеллентными). Допустим, что один из видов насекомых эволюционно приобрел способность обезвреживать конкретный токсин (репеллент) конкретного вида растений. Тогда этот вид насекомого может перейти к питанию исключительно на данном виде растения. Рассматриваемое токсичное вещество продолжает действовать на всех других насекомых, и поэтому упомянутый вид насекомого, способный обезвредить токсин, имеет немалое преимущество и лишен части конкурентов. Тогда указанное вещество может становиться ценным сигналом для такого вида насекомого - сигналом, указывающим путь к "выгодному" виду пищи. Возможна инверсия функции этого вещества - из токсина или репеллента оно становится аттрактантом. В соответствии с такой эволюционной логикой рассмотрим начала токсины и репелленты, а затем - аттрактанты. 4.1.2. Токсины растений Рассмотрим основные классы токсинов растений и экологическую роль их во взаимоотношениях растений и животных (например, [Harborne, 1982; 1986; Schlee, 1986)]. В самом первом приближении токсины можно разделить на две большие группы: содержащие и не содержащие азот. Ниже освещаются примеры токсинов этих групп, причем иногда для сравнения упоминаются также токсины низших растений. В скобках указано число известных структур обсуждаемого класса токсинов. Токсины, содержащие азот. Среди этих токсинов различают не менее семи основных групп: небелковые аминокислоты, цианогенные гликозиды, глюкозинолаты, изобутиламиды алифатических кислот, алкалоиды, пептиды, белки. Небелковые аминокислоты (более 450). Примерами могут быть следующие. а) 3,4-Диоксифенилалаиин (L-ДОФА). Эта аминокислота токсична для насекомых, значительно менее токсична для млекопитающих. В семенах Mucuna (бобовые) содержание ее достигает 6-9%. Нарушает активность фермента тирозиназы, необходимого для формирования кутикулы насекомых. б) β-Цианоаланин. Встречается в семенах Vicia (бобовые). Токсичен для млекопитающих: вызывает у крыс конвульсии и смерть при введении в концентрации 200 мг/кг веса тела. в) Канаванин (например, [Rosenthal, 1986]) встречается в семенах канавалии мечевидной - Canavalia ensiformis (4-6% сырой массы), Dioclea megacarpa (до 7-10% сырой массы). Токсичен для млекопитающих и, вероятно, защищает семена от растительноядных млекопитающих. г) Азетидин-2-карбоновая кислота из растений семейств бобовых и лилейных, возможно, включается в состав синтезируемых организмом полинептидных цепей и приводит к образованию функционально неактивных белков. Цианогенные гликозиды (более 60). Сами по себе не токсичны, но энзиматически разрушаются и образуют цианистую кислоту (HCN). Цианид подавляет активность цитохромоксидазы дыхательной цепи митохондрий, что может вызвать кислородное голодание и смерть. Эти соединения встречаются по меньшей мере у 800 видов из 70-80 семейств. Структура некоторых известных цианогенов показана на рис. 8. Если заместителями R являются две метальные группы, то этот цианоген называют линамарином. Он встречается у льна Linum и других родов. Если одна из замещающих групп - метил, а другая - этил, то цианоген называют лотаустралином. В семенах горького миндаля содержится амигдалин. Интересен вопрос о полиморфизме цианогенеза. Образование цианогенных гликозидов (например, линамарина) и фермента, необходимого для его расщепления с образованием HCN, контролируется двумя генами: G и Е. Природные популяции растений распадаются на четыре генотипа: GE, Ge, gE и ge, которые могут выявляться фенотипически подходящим химическим тестом. Оказалось, что популяции клевера Trifolium repens L. в Англии были преимущественно цианогенными, а в исследованных регионах европейской части России - ацианогенными, Возможное объяснение видят в том, что в изучавшихся районах России после холодной зимы популяции растительноядных моллюсков не успевают быстро вырасти и начальная стадия развития листьев у клевера происходит без угрозы с их стороны. В Англии слизни и Другие моллюски активны круглый год, и для молодых листьев клевера особенно нужна химическая защита. Поэтому цианогенные гено-и фенотипы получают преимущество. На примере цианогенов интересно рассмотреть биохимическую адаптацию фитофагов к токсинам. У некоторых животных (овец, крупного рогатого скота) детоксикация цианида происходит следующим образом. Его превращает в тиоцианат фермент роданеза: Сера поступает из p-меркаптопирувата (HSCH2CОCО2H), который превращается в пируват. Рис. 8. Токсичные и репеллентные для насекомых вещества растений [Jacobson, 1982] 1 - цианогенные гликозиды; 2 - (Е)-5-оцименон (ocimenone); 3 - линалоол (linalool); 4, а, б - пиретрины (pyrethrins); 5 - никотин (nicotine); 6 - анабазин (anabasine); 7- пеллиторин (pellitorine, изобутиламид декановой кислоты); 8 - спилантол (spilanthol) или аффинин (afiinin); 9 - эхинацеин (echinacein) или α-саншоол (sanshool) (неогеркулин, neoherculin); 10 - анациклин (anacycline); 11 - лимонен (Ишопепе); 12 - госсипол (gossypol); 13 - 2-тридеканон *(2-tridecanone); 14 - ротенон (rotenone) Аналогичным образом при отравлении человека цианидом ему внутривенно вводят тиосульфат. GN- + Na2S2О3 → CNS- + Na2SО3. Цианогены имеются у центральноамериканских видов акаций, не образующих мутуализма с муравьями (некоторые другие виды акаций живут под патронажем муравьев, защищающих их от атаки других растительноядных насекомых). Образование синильной кислоты в качестве защитного средства описано не только у растений, но также и у животных, например у многоножек (защита от нападений муравьев), у некоторых бабочек с предупреждающей окраской. Глюкози-нолаты (glucosinolates, более 90). Встречаются у растений 10 семейств, в том числе Brassicaceae (синигрин). Токсичность связана с выделением изотиоцианатов (горчичных масел). Кроме того, что изотиоцианаты токсичны, они могут подвергаться дальнейшему превращению с образованием соответствующих тиоцианатов; R - N = C = S ↔ R - S - C = N, где R - алкил или бензил. Последние у млекопитающих вызывают заболевание - гипертироидизм. Глюкозинолаты токсичны и для насекомых, и для крупного рогатого скота. Изобутиламиды ненасыщенных алифатических кислот. Выделены из растений семейств сложноцветных и рутовых. Примерами являются (см. рис. 8): пеллиторин из корней Anacyclus pyrethrum DC.; спилантол (аффинин) из стебля Spilanthes oleracea Jacq. и из корней Heliopsis longipes (A. Gray) Blake, а также Н. scabra Dunal.; эхинацеин (другие названия - α-саншоол и неохеркулин) из корней Echinacea angustifolia DC., плодов и корней Zanthoxylum piperitum DC. и коры Z. clava-herculis L.; анациклин из корней Anacyclus pyrethrum DC. [Jacobson, 1982]. Алкалоиды (по-видимому, более 7000-8000). Найдены у растений многих семейств. Токсичные свойства растений, содержащих алколоиды, известны очень давно. Весьма гетерогенный класс веществ включает наряду с прочими следующие группы. 1. Производные пиридина и пиперидина. Примеры - н-холиномиметик никотин (из Nicotiana spp.), анабазин (открыт А. П. Ореховым в среднеазиатском растении Anabasis aphylla L.; также содержится в Nicotiana spp.). Оба алкалоида применялись как инсектициды. Еще пример - кониин из болиголова Conium maculatum L. (рис. 9) (считается, что им был отравлен Сократ). 2. Производные пирролидина и тропана. Примеры - стахидрин, гигрин, кокаин, гиосциамин, м-холиноблокатор атропин (из красавки Atropa belladonna L.) . 3. Производные хинолина и изохинолина. Примеры - морфин, кодеин (из опийного мака Papaver somniferum L.), тубокурарин (блокатор н-холинорецепторов скелетных мышц; один из многих алкалоидов некоторых видов яда кураре), пеллотин, норлауданозолин, барберин. Рис. 9. Вещества растений, токсичные для фитофагов 1 - кониин (coniine) Conium maculatum L. (Umbelliferae); 2 - атропин (atropine) Atropa belladonna L. (Solanaceae); 3 - соланин (solanine) картофеля Solanum tuberosum L,j 4 - стрихнин (strychnine) Strychnos nuxvomica (Loganiaceae), азотнесодержащие токсичные вещества: 5- энантетоксин (oenanthetoxin) Oenanthe crocata L.; 6 - цикутоксин cicutoxin) (Cicuta virosa L.); 7 - гиперицин (hypericin) Hypericum perforatum L.; 8 - псорален (psoralene) из листьев и стеблей зонтичных [Harborne, 1982]; 9 - фалькариндиол (falcarindiol) моркови -фактор устойчивости растений против нематод и фитоалексин - против грибных паразитов [Stadler, Buser, 1984]; 10 - 6-винил- 7-метокси-2,2- диметилхромен (6-vinyl-7-metoxy-2,2-dimethylchromene) из масла Hemizonia fitchii A. Gray (Asteraceae) [Klocke et al., 1985] 4. Производные индола. Примеры - стрихнин (из Strychnos mix-vomica), хинамин (из хинного дерева Cinchona spp.), виндолин (из Vinca sp.), серпентин (из Rauwolfia serpentina Benth. et Kurz.), свыше 60 алкалоидов яда кураре. 5. Производные пурина: кофеин, теобромин и др. 6. Стероидные алколоиды. Примеры - соланин (из картофеля Salanum tuberosum L., см. рис. 9), а-томатин (из томата). Есть данные, что соланин может вызывать тератогенез у млекопитающих и снижать выживаемость потомства особей, получавших достаточно большую дозу соланина. Рис. 10. Судьба пирролизидиновых алкалоидов в организме фитофагов А - в организме млекопитающих. Природный алкалоид (J) подвергается гидролизу с образованием ретронецина (retronecine) (2), который дегидратируется с образованием опасного токсина пиррола-1 (pyrrole-1) (3); последний связывается в печени; Б - в организме некоторых видов бабочек. Природный алкалоид подвергается гидролизу с образованием ретронецина (2), а затем пиррола-2 (4) и пиррола-3 (5), которые накапливаются в особом парном органе (hair pencils), расположенном латерально на конце брюшка самца (описаны у данаид) [Harborne, 1982] Рис. 11. Индолизидиновый алкалоид свайнсонин (swainsonine) Рис. 12. Индолизидиновый алкалоид кастаноспермин (castanospermin) 7. Производные имидазола, например высокотоксичный м-холиномиметик (мускариномиметик) пилокарпин (из Pilocarpus pinna- tifolius Jaborandi, Южная Америка), применяемый в медицине при глаукоме. 8. Ациклические алкалоидные амины: эфедрин, антимитотические токсины колхицин и колхамин (из безвременника Colchicum spp.) и др. Колхамин применяется для лечения рака кожи. 9. Аконитовые алкалоиды, например обладающий курареподоб- ной активностью метилликаконитин (из живокости Delphinium spp.), используемый в медицине, и другие алкалоиды. 10. Пирролизидиновые алкалоиды (например, [Robins, 1985]). Некоторые бабочки, среди которых не менее 24 видов Danainae, [Ackery, Vane-Wright, 1984] используют пирролизидиновые алкалоиды для синтеза феромонов (см. разд. 5.1.1). Например, самцы бабочек данаид посещают растения из семейств бурачниковых и сложноцветных для получения этих алкалоидов. Из них в организме самцов вырабатываются ароматические вещества, привлекающие самок, например пиррол-2 и пиррол-3 (рис. 10). Пирролизидиновые (и некоторые другие) алкалоиды накапливаются некоторыми растительноядными насекомыми. Накопление токсинов растений показано для более чем полутора сотен видов насекомых (чешуекрылые, сетчатокрылые, клопы, жуки, двукрылые, прямокрылые). Есть данные, что накапливаемые токсины защищают насекомых от хищников, как позвоночных, так и беспозвоночных, например пауков [Keith, 1984]. Накапливаться в насекомых могут и другие алкалоиды. Так, совка Heliothis zea способна накапливать алкалоид томата α-томатин, получаемый с пищей при кормлении на растениях томата. Этот алкалоид защищает ее от паразитоида Hyposoter exiguae (Viereck) (Hymenoptera), который используется как средство биологической борьбы с совкой [Campbell, Duffey, 1981]. Это же алкалоид, α-томатин, действует как моллюскоцид, убивая переносчика шистозомоза моллюска Biomphalaria glabrata при концентрации всего 4 млн-1 [Hostettmann et al., 1982]. Приведем другие примеры алкалоидов. В растениях найдены алкалоиды, которые близки по своей структуре некоторым сахарам [Fellows, 1987] и вследствие этого ингибируют ферменты, участвующие в метаболизме углеводов. Некоторые токсичные алкалоиды, такие, как свайнсоннн (swainsonine) из Swainsona sp. (рис. 11) и кастаноспермин (castanospermine) из Castanospermum australe A. Cunn (рис. 12), проявили себе как перспективные вещества для исследования и лечения некоторых видов рака. Дополнительная информация о токсичных или фагорепеллентных алкалоидах дана в работах [Robins, 1985; Pelletier, 1987]. Быстрое накопление новой информации об алкалоидах растений характеризует тот факт, что за 1 год выделяют одних только новых пирролизидиновых алкалоидов около 15 [Robins, 1985], апорфиноидных (aporphinoid) алкалоидов свыше 20 [Shamma, Guinaudeau, 1985]. Думается, что общее число ежегодно выделяемых новых алкалоидов растений по меньшей мере на порядок выше. Пептиды. Примерами токсичных пептидов могут служить вискотоксин из омелы белой Viscnm album, а также некоторые токсины грибов (см. гл. 3). Белки. Примерами токсичных белков являются лектины. В семенах африканского растения Abrus precatorius L. (сем. бобовые) содержится абрин (abrin). Летальная доза его для человека около 0,5 мг. Семена ярко окрашены, используются африканцами для изготовления украшений, и случаи отравления ими действительно зарегистрированы. В семенах клещевины Ricinus communis L. содержится токсичный рицин (ricin). Содержащиеся в семенах покрытосеменных другие лектины также могут быть токсичны для фитофагов (например, [Liener et al., 1986]). В семенах сои Glycine max (L.) Merr. и ряда других растений найдены белки - ингибиторы протеаз. Они могут снижать пищевую ценность семян для фитофагов. Накапливаются новые данные о содержащих азот токсинах растений (табл. 17). Токсины растений, не содержащие азот. В эту разнообразную группу токсинов входят соединения, относящиеся к различным по химизму классам веществ: гликозиды, сапонины, терненоиды, флавоноиды, хиноны, полиацетилены (полиины), пиретрины и др. Таблица 17. Некоторые азотсодержащие вещества растений, токсичные для животных-фитофагов А. Группа негликозидных токсинов. Простейшим примером может служить монофторуксусная кислота CH2FCО2H. Она встречается в некоторых южноафриканских растениях, например Dichapetalnm cymosum Engl. Этот яд ингибирует цикл Кребса. Для человека летальная доза 2-5 мг/кг веса тела. Еще одним простым по структуре, но эффективным токсином оказался 2-тридекапон. Его пары высокотоксичны для тлей Aphis gossypii Glover, а также личинок табачного бражника Mandnca sexta (L.) и совок Heliothis zea (Boddie) [Jacobson, 1982]. Содержание 2-тридеканона в диком виде томата Lycopersicon hirsutum f. glabratum С. H. Mull, примерно в 70 раз превышает его концентрацию в тканях культивируемого томата L. esculentum Mill. Большой группой веществ, среди которых есть токсичные (но чаще антифидантные и репеллеитные, см. разд. 4.1.3.) соединения, являются терненоиды (табл. 18). К ним относятся монотернены (более 1100), сесквитерпены (более 1300), дитерпены (более 1100). Терпеноидные альдегиды, в том числе госсипол, участвуют в создании резистентности растений к нематодам [Hedin et al., 1984]. Таблица 18. Некоторые не содержащие азота вещества растений, токсичные для животных К токсичным терпеиоидам относится целый ряд веществ, в том числе сапонины. Примером последних служит медикагеновая кислота из листьев Medicago sativa L. (люцерна). Она токсична для насекомых и рыб. Терпен лимонен оказался эффективным инсектицидом против жуков Callosobruchus pliasecoli Gyli. (Taylor, Vickery, 1974; см. [Jacobson, 1982]). Весьма интересная группа токсинов - многообразные форболовые эфиры растений семейств Euphorbiaceae и Thymelaeaceae. Эти вещества вызывают отравление выпасаемых домашних животных; они широко применяются при исследовании канцерогенеза. Биологическому действию форболовых эфиров посвящена большая литература. Были обнаружены новые токсичные дитерпеновые эфиры в невысоком кустарниковом растении Pimelea prostrata Willd. (сем. Thymelaeaceae), эндемике Новой Зеландии. Эти вещества делают пимелею токсичной для домашнего скота. Среди этих токсичных веществ найдены производные тиглиана, дафнана и 1-а-алкил- дафнана. Вещества последней группы проявили себя как промоторы (promotors) раковой опухоли [Zayed et al., 1982]. Некоторые из этих веществ и близкие им по структуре соединения найдены у других растений из того же семейства, например в корнях не отропического кустарника Daphnopsis racemosa Griseb. [Adolf, Hecker, 1982]. Флавоноиды (более 1500-1600) широко распространены среди покрытосеменных, голосеменных папоротников и мхов; обладают чрезвычайно разнообразной биологической активностью. Многие флавоноиды представляют интерес с медицинской и ветеринарной точки зрения. Представить флавоноидов - ротенон из корней Derris, Теphrosia и Lonchocarpus (сем. бобовые), токсичный для насекомых и рыб, ингибирует цепь переноса электронов в митохондриях и используется как пестицид; ротенон применяется в биохимии при исследовании биоэнергетики митохондрий. Ряд токсичных флавоноидов (например, рутин) выделен из томатов Lycopersicon esculenlnm Mill.; показана их токсичность для одного из вредителей томатов - совки Heliothis zea (Boddie). Xиноны (более 550). Представитель хинонов - гиперицин из листьев зверобоя Hypericum perforatum, токсичный для млекопитающих. Полиины, или полиацетилены (по-видимому, более 1700), встречаются у покрытосеменных (в том числе сем. Apiaceae и Asteraceae), а также у грибов. Некоторые из них токсичны и несут несколько экологических функций как аллелопатические вещества, стимуляторы овинозиции, фитоалексины. Представители полиацетиленов - цикутотоксин из корней Cicuta virosa L. и энантетоксин из корней Oenanthe crocata L. (оба растения из сем. зонтичных), токсичные для млекопитающих. Простые фенолы (более 200-220) обычны в растениях, имеют выраженную биологическую активность и несут, по-видимому, одновременно несколько экологических функций. Часто имеют антимикробную, антифидантную, аллелопатическую активность. Среди других токсичных метаболитов растений обнаружены w-алкилфенолы, выделенные из латиноамериканского (Бразилия, Парагвай) лекарственного растения Schinus terebiiithifolius Raddi (Anacardiaceae) [Skopp et al., 1987]. Эти же вещества являются продуктами биодеградации в биосфере загрязняющих веществ, попадающих в экосистемы в составе некоторых детергентов. Ранее считалось, что к-алкилфенолы - типично антропогенные вещества. Теперь они обнаружены и как биогенные соединения. Пиретрины (pyrethrins). Эти производные циклопропапкарбоновой кислоты из Chrysanthemum cinearifollum Vis. Известны инсектицидными свойствами с глубокой древности, когда применяли порошок из размолотых цветков растения-продуцента. Природная смесь пиретрииов состоит из шести веществ, представленных сложными эфирами хризантемовой или пиретриповой кислоты и алициклических кетоспиртов: пиретролона, жасмолопа и цинеролона [Мельников, 1987]. Экологически интересно, что ииретрипы - пример природных токсинов, в структуре которых запрограммирована способность быстро разлагаться в окружающей среде, т. е. та экологическая безвредность, к которой не всегда успешно стремятся создатели синтетических пестицидов. Под действием света боковая цепь хризантемовой кислоты окисляется с образованием нетоксичных соединений. Кроме того, спиртовая часть молекулы также имеет низкую фотохимическую стабильность и окисляется кислородом воздуха с утратой токсичных свойств. Ценность пиретринов не только в том, что они применялись как инсектициды, но и в том, что они послужили моделью для синтеза в промышленных масштабах большого числа пестицидов - синтетических аналогов пиретринов (пиретроидов). Наиболее важный среди них - аллетрин и свыше 20 других препаратов [Мельников, 1987]. Растения могут поглощать и накапливать в своих тканях микотоксины, вырабатываемые почвенными грибами, и эти микотоксины становятся защитой от фитофагов. Так, растение южноамериканской саванны Baccharis caridifolia DC. из сем. сложноцветных (называемое в Бразилии mio-mio, в Аргентине - romerillo) накапливает в своих тканях микотоксины из группы макроциклических трихотеценов (trichothecenes), которые, по-видимому, продуцирует почвенный гриб Myrothecimn verrucaria [Habermehl et al., 1985]. Среди девяти трихотеценов, найденных в тканях этого растения, описаны два новых токсина - миофито- цены (miophytocenes) А и В. Эти токсины имеют практическое значение, так как вызывают отравление пасущегося скота. Среди микотоксинов экологически интересны и афлатоксины - афлатоксин В и другие, образуемые, например, грибом Aspergillus, flavus. Последний пример имеет прямое отношение к высшим растениям, поскольку этот гриб растет на арахисе - Arachis hypogea и других растениях. Можно предполагать, что растение благодаря наличию на них грибов может снижать пресс со стороны животных-фитофагов. Б. Гликозиды и их экологическое значение для насекомых. Сердечные гликозиды (карденолиды, cardenolides) - ряд соединений, которые имеют стероидную структуру и обладают кардиотонической активностью. Их примерами служат дигитоксин, дигоксип, строфантин G (уабаин), олеандрин и многие другие. Они ингибируют мембранные АТФазы, оказывают мощное воздействие на обмен К+, Na+ и Са+ и на многие физиологические процессы. Эти защитные вещества растений обладают большой мощью: об этом говорит, например, тот факт, что передозировка лекарств с сердечными гликозидами может привести к смерти пациента. Гликозиды участвуют в следующей интересной системе взаимоотношений между растениями и животными [Rothschild, 1972; Harborne, 1982]. 1. Ряд видов растений, например ваточник Asclepias curassavica L. и другие представители этого рода (сем. ластовневых Asclepiadaceae), а также олеандр Nerium oleander L. (сем. кутровых Ароcynaceae), образуют сердечные гликозиды, служащие пассивной; защитой от фитофагов. 2. Гусеницы нескольких видов бабочек данаид и некоторые другие насекомые приспособились накапливать гликозиды в своем организме. Упомянутые насекомые, питаясь токсичным для других видов кормом, избавляются от конкуренции со стороны других фитофагов. 3. Гусеницы превращаются в конце концов в имаго - бабочек,, которые сохраняют накопленные гусеницами сердечные гликозиды. 4. Насекомоядные птицы ловят бабочек; поскольку сердечные гликозиды имеют отталкивающий вкус, то при повторной ловле данаид у птиц вырабатывается отрицательный рефлекс на этих яркоокрашеиных бабочек. Аналогичный механизм защищает и некоторых других насекомых, живущих на ваточнике Asclepias, в том числе некоторых клопов лигеид, кузнечиков пиргоморфид, жуков и тлей. Интересно, что бабочки данаиды зависят от двух групп веществ,, вырабатываемых растениями: сердечных гликозидов и пирролизидиновых алкалоидов. Эти две группы веществ вырабатываются растениями разных семейств, что делает экологию межвидовых связей довольно сложной: сердечные гликозиды этим бабочкам надо получать от растений семейств ластовневых и кутровых, а алкалоиды - от растений семейств бурачниковых и сложноцветных. Хотя сердечные гликозиды всегда привлекали большое внимание исследователей и сравнительно хорошо изучены, но до сих пор публикуются сообщения об открытии новых веществ этого класса. Например, сравнительно недавно исследователи Венского- университета открыли сразу 10 новых карденолидов в таком, казалось бы, хорошо изученном растении, как ландыш Convallaria majalis L., причем впервые в составе сердечных гликозидов обнаружен остаток сравнительно редкого сахара - аллозы [Коррг Kubelka, 1982]. Этот пример еще раз подчеркивает недостаточную изученность и богатство мира вторичных метаболитов, скрытого в живых организмах. Общее количество карденолидов с установленной структурой к началу 80-х годов составляло по некоторым данным около 150 [Harborne, 1982]. Однако, по-видимому, сейчас эту цифру можно увеличить примерно вдвое или более. Точное число назвать невозможно не только по причине обнаружения новых сердечных гликозидов, но и вследствие высокой лабильности исходных, нативных гликозидов. Эти первичные гликозиды, называемые в фармакологии генуинными (от греческого γενος - генос - рождение, происхождение), легко подвергаются энзиматическому и неэнзиматическому гидролизу в период хранения и обработки растительного сырья. Один первичный гликозид, последовательно утрачивая остатки сахаров, может давать целый ряд вторичных гликозидов. Так, упомянутый выше дигоксип, перспективный для биотехнологического производства ввиду высокой цены - около 3000 долл, за 1 кг (1986 г.), является вторичным гликозидом, продуктом гидролиза первичного гликозида пурпуреагликозида В. Дигитоксин, олеандрин, β-строфантин К, конваллятоксин и другие известные в фармакологии вещества также являются продуктами гидролиза первичных гликозидов. Некоторые гликозиды, относящиеся к сапонинам, токсичны для животных. Показана токсичность некоторых сапонинов для моллюсков, насекомых, рыб, амфибий [Price et al., 1987]. Биологической активностью обладают и многие другие гликозиды, в том числе иридоидные (распространенные у растений не менее 6 семейств), тритерпеновые (описано более 200 таких гликозидов из растений многих семейств), флавоноидные и др Воздействие экологических факторов на содержание в растениях токсинов. Ряд экологических факторов воздействует на сопротивляемость растений к фитофагам. Так, на содержание в тканях растений токсичных для фитофагов веществ может оказывать решающее влияние такой экологический фактор, как длина светового дня. Такое влияние установлено для одной из линий дикого томата Lycopersicon hirsutum f. glabratum G. H. Mull, устойчивой к бражнику Manduca sexta (L.). Если растения эквадорской линии PI 134417 выращивали в условиях длинного светового дня, то в их листьях содержалось гораздо больше токсина 2-тридеканона и смертность личинок бабочек, выращиваемых на этих листьях, была значительно выше. При высокой интенсивности освещения увеличение светового дня приводило к удвоению числа железистых волосков, секретирующих 2-тридеканоп, на единицу поверхности листа. Установлено также, что длина светового дня наряду с возрастом растений влияет на химические основы устойчивости данной линии к колорадскому жуку Leptinotarsa decemlineata (Say). Отмеченные явления могут иметь практическое значение при оптимизации режима выращивания растений в условиях тепличного хозяйства. Кроме вторичных метаболитов и белков, вклад в резистентность растений к насекомым могут вносить токсичные для них гетерополисахариды, как показано для гетерополисахаридной фракции Phaseolus vulgaris L., на которую приходится около 4% всех семян [Gatehouse et al., 1987]. Некоторые из представителей рассмотренных выше метаболитов растений уже стали объектами биотехнологического синтеза, а клетки растений-продуцентов культивируются в биореакторах различного типа [Petiard, Steck, 1987]. Интересная дополнительная информация о токсичных веществах растений, их роли и метаболизме приведена во многих работах (например, [Keeler, Tu, 1983; Klecke et al., 1985; Dalvi, Jones, 4986; Andersen et al., 1988]). http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st036.shtml 4.1.3. Пищевые детерренты и антифиданты На образование трофических цепей в экосистемах и на поток энергии через них регулирующее, а иногда и определяющее воздействие оказывают наряду с отмеченными токсинами растений и другие типы экологических хеморегуляторов. К ним относятся так называемые фагодетерренты (пищевые детерренты и репелленты) и аттрактанты. Рассмотрим сначала первую группу этих регуляторов. Термины "фагодетеррент" или "пищевой детеррент" (лат. de - от; terrere - пугать) прилагают к очень широкому по своим функциям кругу веществ. Сюда можно относить (при широкой трактовке) : а) вещества с токсичным действием, но иногда не настолько ядовитые, как классические растительные токсины; б) вещества, снижающие питательную ценность корма,- таннины, ингибиторы ферментов, особенно протеаз; в) вещества, отпугивающие насекомых, вызывающие прекращение их питания,- пищевые репелленты (рис. 13). Некоторые авторы определяют репелленты несколько иначе - как вещества, заставляющие организм делать движения, ориентированные от источника этих веществ [Nord- lund, 1981]. Рис. 13. Репеллентные тритерпеноиды тропического дерева Cordia alliodora - 3 - а - оксиолеан - 12-ен- 27-оевая кислота (3-a-hyd- roxolean-12-en-27-oic acid) и пять ее окисленных производных (все шесть соединений обладают репеллентными свойствами) [Chen et al., 1983]. Этот вид деревьев не посещается муравьями-фитофагами Atta cephalotes, на которых данные тритерпеноиды действуют как репелленты Целесообразно остановиться на двух сравнительно хорошо изученных примерах - воздействиях таннинов и алколоидов на насекомых. Таннины. Таннины-фенольные вещества с молекулярной массой от 500 до 3000 - один из биохимических барьеров, которые защищают растения от фитофагов. Таннины давно привлекали внимание как вещества, которые использовали при выделке кожи; tanum (лат.) - кора, в настой которой опускали сырые шкуры животных, чтобы превратить их в прочный, не поддающийся гниению продукт - кожу (процесс дубления). Термин "таннин" предложен в 1796 г. для обозначения тех растительных веществ, которые действуют как дубящие агенты. Не исключено, что со способностью таннинов взаимодействовать с белками связан их вяжущий вкус, отталкивающий позвоночных животных, а возможно, и насекомых. По химической структуре таннины делят на две группы. 1. Гидролизуемые таннины. Согласно , традиционному, но не совсем точному подразделению сюда входят галлотаннины и эллаготаннины. При гидролизе (кислотами, основаниями и таннинацилгидролазами) из гидролизуемых таннинов образуются галловая кислота и родственные ей соединения (например, гексаоксидифеновая кислота) и углеводы (например, глюкоза). Эллаговая кислота, появляющаяся при гидролизе так называемых эллаготаннинов, возникает путем образования лактона гексаоксидифеновой кислоты, которая до этого была связана в сложный эфир с сахаром. Рис. 14. Флаван-3-ол - мономер, являющийся предшественником конденсированных таннинов [Zucker, 1983] 2. Конденсированные (негидролизуемые) таннины. Они имеют более высокую молекулярную массу, и, как предполагают, большинство из них представляют собой флаволаны, которые созданы конденсацией нескольких единиц - преимущественно флаванов, гидроксилированных в некоторых положениях (рис. 14). Пример изучения экологической роли таннинов - работы Фини по питанию личинок пядениц на дубовых листьях (Feeny, 1970; см. [Harborne, 1982]). Показано, что нарастание содержания в листьях конденсированных таннинов в период с апреля по июнь изменяло пищевое поведение гусениц в сторону уменьшения активности. Полагают, что когда фитофаг вгрызается в лист, то таннины и белки, обычно компартментализованные в разных отсеках клеток, могут входить в контакт и связываться. В итоге, по-видимому, белки хуже перевариваются и пищевая ценность данного вида растений снижается. Не исключено, что именно подобное действие таннинов приводит к снижению в течение лета числа видов бабочек, чьи гусеницы кормятся на листьях дуба. Однако нельзя недооценивать и механическую защиту: старые листья жестче, чем молодые. В последнее время стал активно дебатироваться вопрос о том, существует ли специфичность в способности конкретных типов таннинов связывать определенные белки и, следовательно, в защитном действии таннинов [Zucker, 1983]. Получены данные о том, что таннины ингибировали питание Microtus ochrogaster [Lindroth, Batzli, 1984] и других фитофагов [Coley, 1986; и др.]. Алкалоиды, детеррентные для колорадского жука. Не все виды картофеля могут поражаться колорадским жуком. Так, устойчив к нему вид Solanum demissum Lindl., который встречается в дикорастущем состоянии в горных лесах Мексики и Гватемалы. Устойчивость ему придает стероидный алкалоид демиссин. Демиссин близок по структуре соланину - алкалоиду культивируемого вида картофеля Solanum tuberosum L. Однако соланин не действует на колорадского жука. Наиболее важные особенности молекулы демиссина, придающие ему детеррентные свойства, таковы: а) в положении 3 имеется тетрасахаридная группа; б) одним из четырех остатков сахара является остаток ксилозы; в) отсутствует имеющаяся у соланина двойная связь Δ5. Интересно, что в растениях томата есть алкалоид томатин, у которого также имеется тетрасахаридная группа с остатком ксилозы и отсутствует двойная связь Δ5. Он тоже действует как репеллент на колорадского жука. Если листья картофеля инфильтрировать раствором томатина в дозе 2 мМ/кг, то это вызывает снижение питания жуков на 50 %. Увеличение концентрации до 3 мМ/кг листьев приводило к 100%-ной смертности личинок [Нагborne, 1982]. На этом примере видно, что между токсинами растений и фагодетеррентами нет четкой границы. Не исключено, что для защиты картофеля от колорадского жука могла бы оказаться перспективной селекция или генно-инженерная работа с выведением сорта, обладающего демиссином или томатином, или разработка агротехники смешанных посадок картофеля и томатов. Другие пищевые детерренты. Число выявленных фагодетеррентов очень велико и продолжает расти. С экологической точки зрения интересен сесквитерпеновый лактон глауколид А из растений рода вернония - Vernonia (сем. сложноцветные). Это вещество действует как детеррент не только на несколько видов насекомых, но и на млекопитающих, например на флоридского кролика Sylvilagus floridanus и на бесхвостого (виргинского) оленя Odocoileus virginianus. По-вцдимому, в реальных экосистемах при взаимодействии конкретных видов растения и фитофага детеррентный эффект может создаваться сразу двумя или несколькими веществами. Например, изучали устойчивость папоротника орляка Pteridium aquilinum (L.) Kuhn к атаке саранчи Schistocerca gregaria. В одной из работ найдено, что устойчивость коррелировала с наличием цианогенных соединений и таннинов, а в другой работе основное защитное действие приписано хлорсодержащему веществу из сесквитерпеноидных производных птерозиновой группы - птерозину Ф [Herout, 1981]. Вероятно, в природе защитное воздействие оказывают все эти соединения, которые, судя по этим работам, могут влиять на один вид фитофага одновременно. Об эффективности действия антифидантов свидетельствует история открытия тритерпеноидного антифиданта азадирахтина (рис. 15). Его открытию способствовало наблюдение, что африканское дерево ним - Azadirachta indica Juss. не трогает пустынная саранча. При изучении вторичных метаболистов этого растения в 1975 г. было выделено и охарактеризовано действующее вещество, названное азадирахтином. Оказалось, что оно является фагодетеррентом и для некоторых других видов насекомых. Рис. 15. Примеры антифидантов растении 1 - аэадирахтин (azadirachtin); 2 - мелиантриол (meliantriol); 3 - саланнин (salannin)l 4 _ варбурганаль (warburganal); 5 - музигадиаль (muzigadial); 6 - аюгарины (aju- garins) -? аюгарин J, где 6 - ОАс; аюгарин II, где 6 - ОН; аюгарин 1111, где 4,17 - диол; 7 - а-элеостеариновая кислота (eleostearic acid); 8 - эршпро-9,10-диоксиоктаде- кан-1-ол-ацетат (erythro-9,10-dihydroxyoctadecan-l-ol-acetate) Рис. 16. Антифиданты растений 1 - фенилацетилены (phenylacetylenes) из почек Artemisia capillaris: la - 1-фенил-2,4- пентадиин (l-phenyl-2,4-pentadiyne); 16 - капиллен (capillen); 2 - производное халко- на (chalcone) из семян Millettia pachycarpa [Yano, 1983; Barua et al., 1983] Вторичные метаболиты с фагорепеллентными и антифидантными свойствами могли иметь большое значение для эволюции и выживания крупных таксонов растений. Например, в лаборатории В. Героута (Прага) из печеночных мхов были выделены десятки вторичных метаболитов различной химической структуры. Для некоторых из них прямо показано детеррентное действие, для других - его можно предполагать по аналогии с функцией аналогичных веществ у цветковых растений. По мнению В. Героута, эти вещества могли сыграть решающую роль в выживании всего класса печеночников (около 9000 видов) - древней группы растений, остатки которых найдены еще в карбоне. Таблица 19. Примеры веществ растений, действующих как антифиданты и фагодетерренты на членистоногих, в том числе вредящих в сельском хозяйстве Число описанных антифидантов непрерывно увеличивается (рис. 16, табл. 19; [Harborne, 1986]). Практическое значение фагодетеррентов не ограничивается их ролью в защите сельскохозяйственных растений от членистоногих. Например, у тропического травянистого растения Curcumita longa L. (сем. Zingiberaceae) найдены два нетоксичных для человека вещества: турмерон и ар-турмерон, проявляющие репеллентное воздействие на Tribolium castaneum (Hbst). Это имеет практическое значение, поскольку объясняет, на чем основана существующая в Индии и Пакистане традиция при хранении зерна риса или пшеницы смешивать его с порошком указанного растения. Дополнительные данные о фагодетеррентах и антифидантах содержатся в работе [Harborne, 1987]. http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st037.shtml 4.1.4. Пищевые аттрактанты и стимуляторы Соединения со свойствами пищевых аттрактантов приведены в табл. 20, 21 и на рис. 17. Необходимо отметить, что почти все классы вторичных соединений принимают участие в формировании пищевых преференций в качестве пищевых аттрактантов. В табл. 20 и 21 упомянуты соединения многих структурных типов. Для некоторых видов животных аттрактантами служат такие соединения, которые для большинства остальных видов токсичны или являются репеллентами, например кукурбитацин, алкалоид спартеин, едкое горчичное масло - аллилизотиоцианат и т. д. Во многих случаях при взаимодействии конкретных видов растения и животного-фитофага в качестве пищевого аттрактанта выступают сразу несколько соединений. Так, в формировании преференций при питании некоторых видов чешуекрылых участвует не менее полутора десятка компонентов. Ниже в качестве конкретных примеров будет рассмотрено питание шелковичного червя на шелковице, а также глюкозинолаты крестоцветных. Взаимодействия шелковичного червя и шелковицы. Шелковичный червь Bombyx mori питается только листьями черной и белой шелковиц Morus nigra L. и М. alba L. Работами Хамамуры и соавт. (Hamamura et al., 1962; см. [Harborne, 1982]) было показано, что эту пищевую избирательность определяют три группы химических веществ, содержащихся в листьях: ольфакторные аттрактанты, байтинг-факторы (biting-factors) и глотательные (swallowing) факторы. Таблица 20. Вторичные соединения растений в качестве пищевых аттрактантов [Harborne, 1982; 1988; Jacobson, 1982; и др.] Рис. 17. Вещества растений, служащие аттрактантами для насекомых [Jacobson, 1982; и др.] 1 - (Е)-2-гексеналь из дубовых листьев; 2 - α-фарнезен (farnesene) из кожуры яблок и некоторых других плодов; 3 - кариофиллен (caryophyllene) из хлопчатника; 4 - метилэвгенол (methyleugenol); 5 - β-азарон (β-asarone); 6 - акорагермакрон (acoragermacrone); 7 - азарилальдегид (asarylaldehyde), или 2,4,5-триметоксибензальдегид; 8 - фенил ацетальдегид; 9 - синигрин (sinigrin) Ольфакторные аттрактанты привлекают личинок шелковичного червя на некотором расстоянии от листа. Если хирургически удалить оральные рецепторы насекомых, то они немедленно теряют способность различать пищу и начинают есть листья почти любых растений. Среди байтинг-факторов три вещества - сахароза, инозитол и ситостерол (sitosterol) - могут быть пищевыми стимуляторами для многих насекомых. Два других соединения - морин (morin) и изокверцитрин (isoquercitrin) - распространены не так широко: они вносят вклад в формирование специфичности. В молекулу изокверцитрина (его называют также кверце- тип-З-глюкозидом, quercetin-3-glucoside) входит остаток сахара (глюкозы). Если его заменить на рамнозу, то этот аттрактант превращается в фагорепеллент. Аналогичный пример того, как небольшие структурные изменения молекул пищевого стимулянта превращают ее в детеррент, найден при изучении кукурузного мотылька Ostrinia nubilalis. Для него а-аланин является пищевым стимулятором, а его изомер р-аланин оказывается детеррентом (Beck, 1960; см. [Harborne, Вещества, относящиеся к глотательным факторам, по-видимому, неспецифичны или малоспецифичны и названы так потому, что они стимулируют акт глотания у насекомых. Глюкозинолаты крестоцветных как пищевые аттрактанты. Один из наиболее изученных примеров того, что токсичные и репеллентные вещества превращаются в аттрактанты, относится к пищевому поведению насекомых, кормящихся на крестоцветных. Хорошо изучены два вида насекомых: бабочка - белянка капустная (капустница) Pieris brassicae и капустная тля Brevicoryne brassicae. Репеллентными веществами крестоцветных, которые стали аттрактантами именно для этих насекомых, являются горчичные масла. Они содержатся в тканях растений в связанной форме как гликозиды; эти соединения называют глюкозинолатами (см. разд. 4.1.2). Пахучие масла высвобождаются под действием фермента мирозиназы, сосуществующего вместе с глюкозинолатами в листьях крестоцветных. Примером является распад синигрина (действующего начала горчичников) с высвобождением аллилизотиоцианата в результате реакции гидролиза (см. рис. 17). Таблица 21. Примеры веществ растений, действующих на нематод как аттрактанты Аллилизотиоцианат, который является острым, на вкус человека, компонентом горчицы, действует как пищевой репеллент для большинства животных. Его токсичность для насекомых была показана в опытах (Erickson, Feeny, 1974; см. [Harborne, 1982]). Они дабавляли синигрин в листья сельдерея, служащие кормом для личинок бабочки Papilio polyxenes. Оказалось, что синигрин в концентрации всего 0,1% на сырую массу листьев вызывал 100 % - ную гибель насекомых, а именно такая концентрация примерно соответствует содержанию синигрина у крестоцветных. Этот опыт доказывает наличие защитной функции у синигрина. Для бабочки Pieris brassicae (капустницы) синигрин оказывается уже не репеллентом, а, наоборот, аттрактантом. Новорожденных гусениц капустницы можно заставить питаться листьями без синигрина; если же добавить в пищу синигрин, то поедание корма сразу увеличивается на 20% (Dethier, 1972; см. [Harborne, 1982]). Если же гусениц с самого начала кормить листьями капусты (содержащими синигрин), а затем перенести на искусственную диету без синигрина, то они предпочитают умереть с голоду, чем принимать пищу без этого аттрактанта. Интересно, что для взрослых самок капустницы синигрин служит стимулятором ови-позиции (откладки яиц). Самки откладывают яйца даже на фильт ровальную бумагу, если ее предварительно смочить раствором си- нигрина. Не исключено, что это можно использовать для определения численности капустниц в природных экосистемах или для борьбы с ней. Так, можно разматывать вдоль грядок капусты полоски ткани и бумаги, смоченные раствором синигрина и наклеенные для прочности на полимерную ленту. Затем можно оценивать число сделанных кладок яиц и численность популяции. При эффективном привлечении самок и быстром сборе лент с яйцами этот прием может оказаться удобным способом не только учета, но и экологически безопасной борьбы с этим нежелательным насекомым. Капустную тлю также привлекает присутствие синигрина. Хотя в природных экосистемах эта тля специфична для крестоцветных, ее можно заставить питаться и на листьях бобов Vicia faba L., если смочить их раствором синигрина. Есть свидетельства, что контролируют поведение этой тли два основных химических фактора - концентрация синигрина и соотношение в листьях свободных аминокислот. Если тли втыкают в лист свой сосущий стилет и не находят синигрина, то они немедленно улетают в поисках растения, содержащего этот необходимый им стимулятор. С другой стороны, они избегают тех частей подходящего растения, которые содержат слишком много синигрина, например молодых листьев капусты. Они избегают питаться и на слишком старых листьях, и не только потому, что там снижается содержание синигрина. но и потому, что там другое соотношение аминокислот. В частности, в старых листьях повышено содержание у-амино-масляной кислоты (возможно, определенную роль играет и морфологический фактор - более мощная механическая защита у старых листьев). Другие пищевые аттрактанты. Токсичный алкалоид спартеин действует как стимулятор в питании тли Acyrthrosiphon spartii на растении Sarothamnus scoparius Wimm. Этих тлей можно заставить перейти на непривычное для них растение - бобы Vicia faba L., если инфильтровать листья раствором спартеина. Эфирные масла, которые служат ольфакторным стимулятором для шелковичного червя, являются вероятным аттрактантом и для многих других насекомых-олигофагов. Так, гусеницы бабочки Раpilio sp., которые питаются почти исключительно на растениях семейства зонтичных, чувствительны по меньшей мере к восьми разным компонентам эфирных масел зонтичных. Липидная фракция тканей зонтичных часто содержит, кроме моно- и сесквитерпенов, ароматические фенилпропаноиды. Несомненно, что они несут функцию пищевых аттрактантов. Так, один из них, метилизоевгенол, обнаружен в листьях моркови. Он служит стимулятором откладки яиц у морковной мухи Psila rosae (Beruter, Stadler, 1971; см. [Harborne, 1982]). Другой - миристицин найден у ряда зонтичных в плодах, корнях и листьях и может быть аттрактантом для тех бабочек, которые питаются специфически на зонтичных. Интересно, что это вещество действует и на человека как галлюциноген. Для ряда насекомых миристицин обладает репеллентными свойствами. На пищевое поведение влияют многие терпеноиды. Например, в привлечении бабочки Ceratomia catalpae к листьям растения катальпы (сем. бигнониевых) участвует смесь 15 иридоидных гликозидов, включая катальпол. Интересно, что сходный с ними моно- терпеновый лактон непеталактон, который найден в родственном семействе губоцветных у котовника Nepeta cataria L., является ольфакторным стимулятором для домашней кошки Felis domestica. Таким образом, молекулы сходного строения служат пищевым или ольфакторным стимулятором во взаимодействиях растений и с насекомыми, и с млекопитающими. Флавоноиды служат аттрактантами не только у шелковицы. Так, жука Agascicles привлекает к растению очереднопыльнику филлоксеровому Alternanthera phylloxeroides флавон 6-метоксилу- теолин-7-рамнозид. Важная группа примеров выявлена при изучении экологии жуков короедов. Так, струйчатый заболонник Scolytus multistriatus привлекается к листьям вяза Ulmus еигореа двумя соединениями: растворенным в вакуолярном соке флаванолом (+)-катехии-7-ксилозидом и тритерпеноидом лупеилцеротатом, который, как полагают, находится на поверхности листьев. Флаваноны служат аттрактантом и для другого короеда - Scolytus mnltistriatls, который питается корой фруктовых деревьев рода Prunus. В этом случае активны три соединения: таксифолин, пиноцембрин и дигидрокемпферол. Интересно, что четвертый флаванон коры - нарингенин (5, 7, 4-тригидроксифлаванон) - неактивен. Отмеченные в качестве примеров вещества не исчерпывают всего многообразия соединений, способных служить пищевыми аттрактантами. Некоторые примеры аттрактантов насекомых даются в табл. 20, атрактантов нематод - в табл. 21. Пищевые аттрактанты могут использоваться для конструирования ловушек, полезных для быстрого определения численности насекомых, а также для борьбы с нежелательными видами насекомых и нематод. Метод использования аттрактантов для борьбы с почвообитающими фитофагами разработан и применен специалистами НИИ биологии Ростовского университета. Аттрактанты на основе ряда аминокислот наносили на поверхность или внедряли в гранулы комплексных удобрений, которые вносили во время сева в почву непрерывной лентой сбоку от высеваемых семян пропашных [Пономаренко, 1986]. При растворении гранул аминокислоты выделялись в почву и действовали как аттрактант (сигнал, свидетельстствующий о наличии пищи) на активно перемещающихся фитофагов - личинок жуков щелкунов, жуков пыльцеедов, чернотелок, пластинчатоусых и гусениц озимой совки. Фитофаги скапливаются в зоне, где в почву выделяются аминокислоты, и в течение 1-2 нед. ищут там пищу, отвлекаясь от посеянных семян и всходов. Посеянные растения за это время успевают миновать самую уязвимую стадию своего развития. Когда аттрактант прекращает действовать, фитофаги расширяют зону поисков пищи, но пищевыми объектами уже обычно становятся всходы сорняков. Интересно, что в зоне концентрации фитофагов отмечается также скопление насекомых энтомофагов (для которых облегчается поиск жертв); энтомофаги уменьшают численность фитофагов. Этот метод в течение 10 лет апробировался в Ростовской области на площади 30 тыс. га с экономическим эффектом более 800 тыс. руб. Взаимодействие нескольких видов растений с фитофагами в реальных природных экосистемах. Вопрос об аттрактивном действии на фитофагов пахнущих веществ растения осложняется, если учесть, что запахи соседних растений, находящихся рядом с рассматриваемым растением-хозяином, могут мешать нападению на него фитофагов. Показано, что запахи растений Lycopcrsicon esculentum Mill и Ambrosia artemisifolia L. снижали инвазию жука Phyllotreta crucifera на капусту Brassica oleracea L. Недавно было экспериментально показано, что обычная в Британии тля Cavariella aegopodii (Scopoli) отпугивается запахом линалоола от ловушки, содержащей привлекательный для нее своим запахом карвон. Кар- вон содержится в растениях пастернака Pastinaca sativa L., поражаемых данной тлей в том месте, где проводились эксперименты. С другой стороны, линалоол имеется в листве ряда других видов растений, например Mentha crispa L., Citrus bergamia Risso, Cym- bopogon citratus (DC ex Nees) Stapf. Такие растения, располагаясь рядом с другим, подверженным нападению насекомых, растением, могут ингибировать стереотипную агрессивную реакцию тли на аттрактивный запах атакуемого растения. Отсюда вытекает практический важный вывод. По-видимому, правильно подобранные смешанные посевы двух или нескольких видов растений могут способствовать предотвращению вредного воздействия фитофагов. Этой же цели могут служить специально вносимые в агроэкосистемы одоранты и репелленты, дезориентирующие насекомых и нарушающие поиск ими своих кормовых растений. В последнее время накапливается все больше данных и об аттрактантах иного типа - стимуляторах овипозиции (oviposition stimulants). Так, в метанольных экстрактах листьев Physalis angulata L. найдены стимуляторы овипозиции для Heliothis subflexa (Gn.) [Mitchell, Heath, 1987]. Выше были упомянуты некоторые из стимуляторов овипозиции (синигрин, метилизоэвгенол). Стимуляторы овипозиции выявлены и среди веществ других растений (табл. 22). В химических взаимодействиях растений и фитофагов - нематод участвуют стимуляторы еще одного типа: некоторые вещества растений стимулируют вылупление из яиц и цист нематод соответствующих онтогенетических стадий. Так, из Phaseolus vulgaris L. выделен глициноэклепин A (glycinoeclepin А), который стимулирует вылупление из цист нематод Heterodera glycines Ichinohe [Imura et al., 1986]. Дополнительная информация о различных аттрактантах, стимуляторах питания и откладки яиц содержится в работах [Harborne, 1986, 1987, 1988]. Таблица 22. Примеры веществ растений, которые действуют как стимуляторы овипозиции членистоногих http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st038.shtml 4.2. Экологические хеморегуляторы онтогенеза и плодовитости фитофагов Многие вторичные метаболиты растений проявляют способность воздействовать на гормональную систему, развитие и плодовитость фитофагов. Сравнительно подробно изучены и довольно широко известны вещества растений, нарушающие развитие и нормальное размножение беспозвоночных животных. Таковы вещества, действующие на членистоногих как гормоны [Абубакиров, 1981; Bergamasco, Horn, 1983; Mandava, 1985; Harborne, 1982, 1986; Холодова, 1987], как ингибиторы синтеза гормонов или ингибиторы ферментов, необходимых для линьки; таковы различные вещества, замедляющие рост и развитие или вызывающие бесплодие (хемостерилянты). Менее широко известны и изучены воздействия веществ растений па размножение, наследственный аппарат и онтогенез позвоночных животных, однако в последние годы были получены поразительно интересные данные. По-видимому, роль всех веществ данного типа действия в коэволюции растений и фитофагов, в формировании определенного баланса между растительностью и первичными консументами весьма велика. http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st039.shtml 4.2.1. Воздействие веществ растений на беспозвоночных http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st040.shtml Целесообразно выделить следующие примеры экологических хемоэффекторов такого рода: 1) содержащиеся в растениях гормоны и ингибиторы линьки; 2) вещества растений, действующие как ювенильные гормоны; 3) хемостерилянты. Кроме того, большое число веществ, включая многие из рассмотренных выше в разделах о токсинах и антифидантах, в малых концентрациях действуют на онтогенез беспозвоночных, замедляя их рост и развитие. Это еще раз подчеркивает разносторонность биологической активности многих природных соеднений и условность их включения в тот или иной раздел данной книги. Большое внимание исследователей к данным соединениям объясняется тем, что они представляют очень значительный интерес как возможное средство регуляции и снижения численности экономически важных для сельского хозяйства членистоногих. Продуцирование растениями гормонов и ингибиторов линьки членистоногих. Онтогенез насекомых включает в себя несколько стадий с участием гормона линьки (ГЛ) и ювенильного гормона (ЮГ) и весьма упрощенно может быть представлен следующей схемой (число стадий может быть больше, гормональное действие сложнее): личинка I →ГЛ/ЮГ личинка II →ГЛ куколка →ГЛ имаго. У различных насекомых число личиночных стадий варьирует, составляя 3-5 и более. Для правильного развития необходим тонкий баланс выработки и концентрации в организме обоих гормонов. Гормон линьки называют экдизоном - от древнегреческих εχ-δθω (снимать с себя, сбрасывать, линять), εχ-δθσις (выход). В составе гормона линьки обнаружены два вещества, названные α-экдизоном и β-экдизоном; есть указания на превращение α-экдизона в содержащий ОН-группу в положении 20. β-экдизон называют также экдистероном, крустэкдизоном и изоинокостероном. В 1967 г. Такемото с соавт., а в 1968 г. Наканиши выявили большие количества гормона линьки (β-экдизона) в листьях тиса Taxus baccata L. Ранее для получения 25 мг экдизона требовалось 50 кг шелковичных червей (точнее, куколок шелкопряда). Теперь то же количество было получено всего лишь из 25 г сухих листьев тиса. Было также найдено, что то же количество ГЛ можно получить из 2,5 г корневищ папоротника Polypodium vulgare L. Затем было выяснено, что экдизон встречается вообще у представителей 27 семейств Pteridophyta (почти у половины из нескольких десятков изученных видов) и у голосеменных (найдены у более чем 70 видов из 10 семейств, включая сем. тисовые -Тахасеае и подокарповые - Podocarpaceae). Экдизоны встречаются и у представителей 73 семейств покрытосеменных. К 1974 г. было охарактеризовано более 40 фитоэкдизонов (ФЭ), к 1983 г. - уже 69 ФЭ [Bergamasco, Horn, 1983]. Рис. 18. Вещества растений, действующие на насекомых как морфогенетические агенты [Jacobson, 1982; и др.] 1 - кжабион (juvabion); 2 - дегидроювабион; 3,4 - ювоцимены (juvocimene) с активностью ювенильных гормонов (ЮГ); 5 - 2,2-диметил-7-метоксихромен (прекоцен 7, precocene I) с активностью, противоположной ЮГ; 6 - 2,2-диметил-6,7-диметоксихро- мен (прекоцен II): 7 - а-экдизон (ecdysone); 8 - циастерон (cyasterone, нарушает сброс кутикулы при линьке); 9 - экдистерон (ecdysterone, также нарушает сброс кутикулы) Примечательная особенность их - зачастую еще более высокая гормональная активность, чем у гормонов самих насекомых. Некоторые ФЭ активнее последних раз в 20. Сверх того, фитогормоны медленнее инактивируются в организме насекомых, чем "настоящие" ГЛ. Так, при кормлении насекомых пищей, содержащей или фитогормоны из саговника Cycas, или α-экдизон (природный ГЛ; рис. 18), выясняется, что фитогормон инактивируется в 4 раза медленнее. Для действия ФЭ характерны следующие особенности, согласующиеся с их предполагаемой экологической ролью регуляторов, ограничивающих активность фитофагов. 1. При введении в насекомых ФЭ вызывают серьезные ненормальности роста, стерильность и даже раннюю смерть. 2. Насекомые некоторых видов приспособились обезвреживать орально вводимые ФЭ. С другой строны, структурное разнообразие ФЭ может быть средством противодействия растений этим защитным способностям насекомых. 3. Если функция ФЭ - сдерживать активность фитофагов, то нет необходимости, чтобы они были летальны для насекомых. Достаточно снижать приспособленность (fitness) насекомых, что и наблюдается в действительности. Растения некоторых видов содержат вещества - ингибиторы линьки. Одно из них выделено из тропического растения Plumbago capensis Thumb, (сем. Plumbaginaceae) и было названо плюмбагином. Ранее было показано, что оно же является антифидан- том для совки Spodoptera exempta Hbn. Плюмбагин ингибировал в опытах in vitro фермент хитинсинтазу (ЕС 2.4.1.16). Способность плюмбагина подавлять линьку, а при пониженной концентрации тормозить рост показана в опытах с личинками розового коробочного червя Pectinophora gossypiella (Saunders), совок Heliothis virescens F., H. zea (Boddie), Trichoplusia ni (Hbn) [Kubo et al., 1983]. Немалое практическое значение придают способности лимоноида азадирахтипа ингибировать линьку насекомых. Это вещество было выделено из плодов мелии иранской - Melia azeda- rach L. (сем. Meliaceae), а также плодов дерева ним - Azadirachta indica Juss. (из того же самого семейства). Ранее были установлены антифидантные свойства азадирахтина. Из листьев и корней восточноафриканского лекарственного растения айгоги Ajuga remota Benth (сем. Labiatae) были выделены циастерон и экдистерон, которые нарушали линьку у личинок совки Spodoptera frugiperda (J. Е. Smith) и розового коробочного червя Pectinophora gossypiella (Saunders). В этих случаях личинки покрывались тремя слоями кутикулы: новая нарастала, а старая не сбрасывалась. В итоге нарушалось нормальное устройство ротового аппарата и личинки погибали от голода [Jacobson, 1982]. Продуцирование растениями ювенильных гормонов насекомых. Ювенильный гормон (ЮГ) у большинства насекомых представлен четырьмя веществами: ЮГ I, ЮГ II (см. рис. 18), ЮГ III и ЮГ 0. Открытие в растениях веществ с активностью ЮГ произошло случайно, когда чехословацкий ученый К. Слама был приглашен в Гарвардский университет (США) и попытался там выращивать свой любимый объект - клопа-солдатика Pyrrhocoris apterus. В Гарварде вырастить имаго не удалось, развитие почему-то задерживалось на стадии 5-й личинки. Оказалось, что причина была в замене фильтровальной бумаги: раньше при выращивании насекомых К. Слама использовал в чашках Петри бумагу фирмы Ватман, а в Гарварде стал использовать американскую бумагу марки Скотт-Бранд. Выяснилось, что в США бумагу делают в основном из пихты бальзамической Abies balsamea (L.) Mill, которая не используется в производстве бумаги в Европе. Из американской бумаги было экстрагировано вещество ювабион (см. рис. 18). Ювабион действует как ЮГ только на клопов сем. Pyrrhocoridae. На родственное семейство клопов Lygaeidae такого же эффекта он не оказывает, что говорит о селективности ЮГ. В одной из работ были наугад взяты 52 вида растений. Из них у шести видов (около 12%) была найдена активность ЮГ - в тесте с жуком-чернотелкой Tenebrio (Bowers, 1968; см. [Harbone, 1982]. Интересно, что у растений есть вещества с противоположным ЮГ действием. Так, у растения из сем. сложноцветных Ageratum houstoniatum Mill, найдены два хромена - прекоцен I и прекоцен II (см. рис. 18). При их добавлении в пищу насекомых наблюдается преждевременное (precocious) развитие. Нимфы клопов пропускают одну или более стадий и превращаются в неполноценное имаго. При этом у самок обычно наблюдается стерильность. Прекоцены подавляют развитие у насекомых железы corpus al- latum, вырабатывающей ЮГ. Найдены и синтетические вещества с действием, подобным прекоцену (например, изопептенилфенол). Всю группу веществ, подавляющих corpus allatum, предложено называть аллатотоксинами [Bowers et al., 1982]. Думается, что удачнее было бы более короткое название - аллатоксины. Образование растениями хемостерилянтов. Некоторые вторичные метаболиты растений в определенных концентрациях не вызывают гибели насекомых-фитофагов, но резко снижают их плодовитость. Такие вещества называют хемостерилянтами, или просто стерилянтами. В повышенной концентрации стерилянты могут увеличивать смертность фитофагов. Это не снижает интереса к их стерилизующим свойствам, так как в реальных экосистемах именно этот тип взаимодействия, связанный с поступлением в организм фитофагов небольших доз стериляпта, по-видимому, встречается не реже, чем проявление летальной токсичности. Пример стерилянтов - алкалоиды из листьев растения Catharanihus roseus G. Don. В 1981 г. было установлено их стерилизующее воздействие на красноклопа Dysdercus cingulatus (Pyrrhocoridae). Эти данные имеют практическое значение, поскольку данный вид может вредить хлопчатнику. По-видимому, со временем число установленных фактов стерилизующего воздействия небольших доз вторичных метаболитов на насекомых увеличится. Такое воздействие растений на фитофагов имеет, безусловно, большое экологическое значение, поскольку приводит к уменьшению пресса фитофагов в результате снижения численности популяции в последующих поколениях. Интересный пример хемостерилянта - пары масла аира Acorns calamus L., которые вызывают стерильность у самцов домашней мухи Musca domestica L., самок долгоносика Callosobruchus chinensis L., жуков Trogoderma granarium Everts, красноклопа Dysdercus koenigii(F.). Активным компонентом масла является, по-видимому, β-азарон (рис. 19). Интересно, что пары этого масла являются аттрактантом для самцов восточной фруктовой мухи [Jacobson, 1982]. Самки домовой мухи становились стерильными после кормления пищей, содержащей 2,5-5 % масла растения Sterculia foetida L. Действующим компонентом масла считается стеркулевая кислота. Обработка аристолохиевой кислотой из Aristolochia bracteata Retz. взрослых особей Dysdercus koenigii (F.), комара Aedes aegy- pti L. и мучного хрущака Tribolium castaneum (Herbst.) приводила к их стерилизации. Некоторые метаболиты растений могут оказывать множественное воздействие на фитофага - и как токсины и как хемостерилянты. При сравнении развития хлопковой совки Helicoverpa armigera Hbn. на различных сортах хлопчатника с разным содержанием госсипола показано [Кузнецова, 1987], что на высокогоссипольном хлопчатнике повышается на 20-40% смертность хлопковой совки, снижается в 1,3-2,3 раза средняя плодовитость самок и в 2,5-7,0 раз снижается показатель воспроизводства популяции фитофага-вредителя. Рис. 19. Хемостерилянты из растений [Jacobson, 1982; и др.] 1 - β-азарон (β-asarone); 2 - стеркулевая (sterculic acid); 3 - аристолохиевая кислота (aristolochic acid) Таким образом, экологические хемоэффекторы, вырабатываемые растениями и подавляющие плодовитость, нарушающие нормальный антогенез и гормональную систему беспозвоночных, крайне разнообразны. Не вызывает сомнения, что в будущем будут найдены многочисленные новые вещества подобного рода. Все эти вещества и их аналоги [Sehnal, 1983] представляют практический интерес как мощное и нередко в той или иной мере селективное средство подавления численности нежелательных видов беспозвоночных. http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st040.shtml http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st041.shtml 4.2.2. Хеморегуляторы, воздействующие на позвоночных животных В растениях найдены многочисленные вещества, тем или иным образом воздействующие на плодовитость позвоночных животных. Ряд этих веществ, ингибируя плодовитость, действуют подобно половым гормонам позвоночных. Есть вещества, которые подавляют сперматогенез или ингибируют плодовитость посредством пока недостаточно изученных механизмов. Некоторые соединения воздействуют на мутагенез и канцерогенез. Наконец, есть еще одна группа растительных веществ, которая стимулирует плодовитость фитофагов. Экологическое значение этих трех групп хемоэффекторов несомненно, поскольку они в той или иной мере регулируют плотность полуляций фитофагов. Продуцирование растениями ингибиторов плодовитости гормонального типа. Сообщения в 1930-х годах о присутствии в плодах некоторых пальм и граната Punica granatum L. веществ, идентичных половым гормонам самок млекопитающих, были встречены со скепсисом [Harborne, 1982]. Сейчас наличие и женских (встрой, эстриол), и мужских (тестостерон, андростенедион) гормонов у различных, растений в семенах, цветках, пыльце считается доказанным. Кроме того, в растениях обнаружены вещества, не являющиеся по химической структуре женскими гормонами, но оказывающие аналогичное действие. Для веществ такого типа предложен термин "фитоэстрогены" (phytoestrogens). Открытие одного из фитоэстрогенов последовало за сообщениями о том, что беременные женщины в Бирме и Таиланде пользовались экстрактом корней растения из семейства бобовых, чтобы вызвать аборт. Химический анализ веществ корней этого растения (Pueraria mirifica Airy Shaw) привел в 1960 г. к открытию действующего вещества - стероида мирэстрола (miroestrol). В Австралии в 40-х годах было сделано еще одно интересное наблюдение. Обнаружилось, что увеличение сроков выпаса овец на пастбищах с клевером подземным Trifolium subterraneum И привело к снижению их плодовитости. Причиной оказались два вещества из группы изофлавонов, выделенные из этого вида клевера, - генистеин и формононетин. Эти вещества по структуре схожи с половым гормоном самок млекопитающих - эстроном (фолликулином) и наиболее активным его синтетическим аналогом - диэтилстильбэстролом. Это еще один пример химической мимикрии. Интересно, что формононетин является проэстрогеном и уже в организме животного он превращается (путем деметилирования и восстановления) в более активное вещество - изофлаванэквол. Подсчитано, что ежегодно 1 млн австралийских овец теряют ягненка из-за этих веществ клевера. Проблема усложняется еще одним экологическим обстоятельством: существующие в Австралии формы Т. subterraneum L. прекрасно приспособились к среде обитания, создали в почве большие запасы семян, и поэтому не могут быть заменены другими видами клевера. Изофлавоновый скелет генистеина и формононетина несет У клевера двойную эколого-биохимическую функцию, так как многие фитоалексины данного семейства - восстановленные формы этих двух соединений. Была обнаружена еще одна интересная экологическая роль изофлавонов (Leopoldet al., 1976; см. [Harborne, 1982]). Бобовыми на пастбищах питаются птицы (quails), на которых изофлавоны в больших дозах также оказывают эстрогенный эффект и снижают откладку яиц. Но это действие в природных условиях проявляется лишь в годы с малым количеством осадков, когда растения растут менее пышно и обогащаются изофлавонами в расчете на единицу сырой массы. Такая регуляция имеет экологический смысл, поскольку тем самым в годы с меньшим обилием корма снижается численность популяции консументов. Возможно, что другие присутствующие в растениях вещества типа половых гормонов или их имитаторов позвоночных связаны с такой регуляцией эколо-биохимических отношений этих растений с фитофагами. Ингибиторы плодовитости иных типов. Среди этих разнородных по характеру своего воздействия и химизму веществ рассмотрим следующие: а) вещества конопли (Cannabis indica Lam.), присутствующие в марихуане; б) предложенный в качестве мужского контрацептива госсипол; в) алкалоиды, вызывающие интоксикацию домашнего скота; г) другие вещества. Рис. 20. Каннабиоиды из конопли [Turner, 1983]. 1 - Δ9-тетрагидроканнабинол (ТГК), tetrahydrocannabinol); 2 - каннабинол; 3 - каннабидиол (cannabidiol). ТГК - наиболее психомиметически активный компонент препаратов конопли. Содержание ТГК в мексиканской марихуане составляет около 1 % (на сухую массу), в гашише - около 2%. Существуют препараты со значительно более высоким содержанием ТГК А. Каннабиоиды и марихуана. В состав марихуаны входит Δ9-тетрагидроканнабинол (ТГК), который, как оказалось, способен уменьшать плодовитость млекопитающих. В ряде опытов показано, что смесь ТГК, каннабинола и каннабидиола (рис. 20) уменьшала плодовитость подопытных мышей и увеличивала у них частоту хромосомных нарушений [Dalterio et al., 1982]. Существенно, что снижение плодовитости и рост хромосомных нарушений наблюдались не только у мышей, получавших эти вещества с пищей, но и у их потомков. Данные опыты указывают на еще один аспект опасности марихуаны, поскольку использованная в опытах с мышами дозировка каннабиоидов соответствует примерно трем сигаретам с марихуаной для одного человека [Dalterio et al., 1982]. ТГК - наиболее психомиметически активный компонент препаратов конопли. Его содержание в мексиканской марихуане составляет около 1% (на сухую массу.) Считается, что в одной сигарете весом 1 г содержится около 10 мг ТГК (при горении сигареты его количество уменьшается до 2 мг). В гашише, который представляет собой смесь водонерастворимых смолистых компонентов конопли, содержание ТГК составляет около 2% [Turner, 1983]. Таким образом, опасность марихуаны и содержащихся в ней каннабиоидов выше, чем иногда полагают [Harborne, 1982]. Каннабиоиды производят очень существенные нарушения в организме животных: считается, что в организме нет системы которую они бы не нарушали. На клеточном уровне они, по-видимому, изменяют проницаемость мембран. Показана их способность подавлять образование цАМФ, что, как полагают, немаловажно для их ингибирующего действия на синтез проетагландинов в яичниках млекопитающих [Lewysohn et al., 1984]. Б. Госсипол. Этот полифенол (см. рис. 8) из семян хлопчатника проявляет контрацептивные свойства при введении в организм самцов млекопитающих. В ряде опытов самцы крыс получали госсипол ежедневно в оральных дозах 15-40 мкг/кг массы тела; инфертильность (потеря способности иметь потомство) наступала через 2-4 нед [Jensen et al., 1982]. У крыс нарушался сперматогенез, наблюдались ненормальности в ультраструктуре и морфологии сперматозоидов. Характерно, что после прекращения приема госсипола контрацептивный эффект исчезал. По некоторым наблюдениям китайских исследователей, аналогичное контрацептивное воздействие госсипол оказывал и на мужчин, получавших орально дозы 20 мг в день. Инфертильность в этом случае наступала через 20 дней и также была связана с ультра- структурными нарушениями в сперматозоидах. Таблица 23. Примеры нарушения метаболитами растений молекулярных структур и биохимических процессов Некоторые другие аспекты действия госсипола показаны в табл. 23, В. Индолизидиновые алкалоиды. В растениях пастбищ на западе США - астрагале - Astragalus и остролодочнике - Oxytropis spp. (бобовые, подсем. Lotoideae) - найдены два индолизидиновых алкалоида (свайнсонип, слафрамин), которые вызывают у пасущихся животных хроническое заболевание нервной системы, называемое локоизмом. Помимо депрессии, ухудшения координации и других нарушений нервной системы, они вызывают аборты и дефекты у потомства. Эти алкалоиды ингибируют лизосомальную а-маннозидазу и вызывают вакуолизацию клеток тканей в результате накопления олигосахаридов, содержащих маннозу. Недавно было показано, что корни цикория - Cichorium intylus L. содержат вещество или вещества, подавляющие сперматогенез млекопитающих [Roy-Choudhury, Venkatakrishna-Bhatt, 1983]. Плодовитость млекопитающих снижают экстракт Aristolochia indica L. [Che et al., 1984] и ряд других растительных препаратов. Таблица 24. Примеры некоторых генотоксичных веществ растений Таблица 25. Некоторые примеры веществ растений, показавших в определенных тест-системах канцерогенное действие [Kinghorn, 1983; и др.] По-видимому, способность подавлять плодовитость консумен- тов гораздо шире распространена в растительном мире, чем считалось ранее. Мутагены, канцерогены и антиканцерогены. Некоторые виды сосудистых растений содержат мутагенные вещества (табл. 24) LAmes, 1982; Carr, 1985; Shankel et al., 1987]; среди распространенных мутагенов растительного происхождения - флавоноиды. Одним из часто встречающихся производных флавоноидов является кверцетин. Он может индуцировать мутации у культивируемых клеток млекопитающих. Показана также мутагенность сульфатного эфира кверцетина и других производных флавоноидов - кемпферола и изорамнетина [Sugimura, Sato, 1983]. Таблица 26. Примеры некоторых веществ растений, которые в определенных тест-системах показали коканцерогенное или нромоторное действие (по [Kinghorn, 1983]; и др.) Ряд веществ растений являются канцерогенами (табл. 25) и коканцерогенами (табл. 26). Показано, что пирролизидиновые алкалоиды канцерогенны для грызунов и мутагенны в тесте с предварительной активацией. Циказин (метилазоксиметанолгликозид) является канцерогеном для грызунов и мутагеном для сальмонеллы S. typhimurium His G 46. Данные об этих и других канцерогенах собраны, например, в работе [Шгопо, 1987]. Папоротник Pteridium aquilinum (L.) Kuhn содержит мутагенное вещество, выделенное в 1983 г. нидерландскими учеными и названное ими аквилидом А (рис. 21). Наличие этого вещества обеспечивает более 50% мутагенной активности, имеющейся у тканей папоротника. В данной работе в качестве теста на мутагенность применяли тест с использованием сальмонелл и микросом. В опытах с млекопитающими ранее было установлено, что данный вид папоротника, используемый в пищу, может вызывать карциномы кишечника и мочевого пузыря у животных. В Национальном институте по изучению рака (США) был проведен массовый анализ экстрактов из 2500 видов растений, и оказалось, что экстракты 42 видов существенно усиливают рост опухолей у мышей и других видов экспериментальных животных. Экстракты этих видов усиливали рост опухолей на 175-466% [Caldwell, Brewer, 1983]. В растениях найдены вещества, обладающие в некоторых тест- системах и противоположным, т. е. антиканцерогенным, действием, а также антимутагены (рис. 22, табл. 27). Противоопухолевая активность ряда растительных веществ сопряжена с другими проявлениями токсичности, что хорошо известно для некоторых алкалоидов. Таковы колхамин из безвременника великолепного Colchicum speciosum Stev. и безвременника осеннего С. automnale L., винбластин и винкристин из барвинка розового Vinca rosea L. Последние два вещества перспективны для биотехнологического синтеза ввиду высокой рыночной цены - около 5 млн долл, за 1 кг (1986 г.) В число растительных веществ, обладающим антиканцерогенным эффектом в тех или иных фенолы, индолы, ароматические изотиоцианаты, метилированныем флавоны, кумарины, стеролы, ингибиторы протеаз, аскорбиновая кислота, токоферолы, каротены и др. [Ames, 1982; Wattenberg, 1983; Shankel et al, 1987]. Рис. 21. Аквилид A (aquilide А), мутагенное и канцерогенное вещество папоротника Pteridium aquili- num (L.) Kuhn [Hoeven van der et al., 1983] Рис. 22. Циннамальдегид (cinnamaldehyde), антимутаген из лекарственного растения коричника китайского Cinnamomum cassia Среди этих веществ выделяются три группы. Во-первых, вещества, предотвращающие образование канцерогенов из веществ-предшественников, например аскорбиновая кислота и а-токоферол. Во-вторых, так называемые блокирующие агенты, предотвращающие взаимодействие канцерогенных агентов с молекулами-мишенями в тканях живого организма. Примерами таких блокирующих агентов являются антиоксиданты. В-третьих, так называемые супрессивные агенты. Они подавляют злокачественное развитие в тканях организма, уже получившего такие дозы канцерогена, которые могут вызывать рак. К группе супрессивных агентов относятся ингибиторы протеаз и встречающийся в растениях из семейства крестоцветных бензилизотиоцианат (рис. 23). Один из путей образования канцерогенных веществ в организме млекопитающих, включая человека,- реакция нитрита с вторичными и третичными аминами и амидами, которая может протекать в желудке при имеющихся там pH с образованием нитрозаминов и нитрозамидов [Lijinsky, 1986; см. также гл. 6 о биотрансформации ксенобиотиков]. Поэтому представляют несомненный интерес вещества растительного происхождения, подавляющие реакции этого типа. Недавно было найдено, что таковыми являются дубильная, галловая и хлорогеновая кислоты. Найдены еще два вещества растений с подобным действием, которые в растворе, имитирующем желудочную жидкость, быстро реагировали с эквимолярным количеством нитрита - кофейная и феруловая кислоты (см. рис. 23) [Kuenzig et al., 1984]. Таблица 27. Примеры антимутагенной активности некоторых веществ растений Ряд работ содержит дополнительные данные о генотоксичности для клеток животных веществ растений (например, [Ames, 1982; Fujiki et al., 1984; Maier et al., 1985; Das, 1987]), промоторной активности веществ растений (например, [Horiuchi et al., 1987]), снижении частоты химически индуцированных хромосомных аберраций в клетках животных под действием веществ растений (например, [Sasaki et al., 1987] ), ингибировании экспериментально индуцированных опухолей животных веществами растительного происхождения [Carr, 1985], включая более 70 сесквитерпеновых лактонов, ряд кумаринов [Краснов и др., 1987], о роли свободных радикалов, антиоксидантов и антимутагенов в процессах канцерогенеза и их ингибирования [Shankel et al., 1987], веществах растений, действующих как антимутагены [Kada, Shimoi, 1987; Gichner, Veleminsky, 1988] и антиоксиданты [Nakatani, Kikuzaki, 1987; Su et al., 1987]. Показано, что ванилин и некоторые другие антимутагенные вещества увеличивали частоту обменов сестринских хроматид (sister-chromatid exchanges, SCEs), индуцированных мутагенами у культивируемых клеток китайского хомяка [Sasaki et al., 1987]. По-видимому, механическое деление веществ, воздействующих на мутагенез, на два альтернативных класса: на мутагены и антимутагены, является весьма условным и отражает только современный уровень недостаточного познания механизмов мутагенеза. Так, перекиси липидов, которые обычно рассматриваются как вещества, обладающие мутагенной и канцерогенной активностью (и в определенных тест-системах их действительно проявляют), могут окалывать и противоположное воздействие. Аутоокисленные линолевая и олеиновая кислоты оказывали антимутагенное воздействие на УФ-индуцированный мутагенез Е. coli [Aikawa, Komatsu, 1987]. Можно уверенно прогнозировать, что в дальнейшем накопятся новые указания на распространенность в растительном мире веществ мутагенного, канцерогенного и, наоборот, антиканцерогенного действия. Логичо полагать, что растительные вещества в определенной мере регулируют или модулируют процессы мутагенеза и канцерогенеза (см. табл. 24 и 27) растительноядных животных и других организмов сооответствующих экосистем. Темп мутационного процесса в популяциях и факторы, влияющие на него, весьма важны с эволюционной точки зрения. Рис. 23. Вещества растений - ингибиторы канцерогенеза у животных [Wattenberg, 1983; Kuenzig et al., 1984; и др.] 1 - бензилизотиоцианат (benzyl isothiocyanate); 2 - кофейная кислота (caffeic acid); 3 - феруловая (ferulic) кислота Изучение природных мутагенов и канцерогенов неотделимо от исследования антропогенных загрязняющих веществ - канцерогенов. Одна из причин этого - то, что некоторые ксенобиотики одновременно являются и природными веществами, и антропогенными загрязняющими веществами. Так, катехол, обладающий канцерогенным действием на млекопитающих [Hirose et al., 1987], содержится в растениях и в таких продуктах питания, как лук, кофе и др. и в то же время выпускается химической промышленностью (только в одной Западной Европе 4-40 тыс. т ежегодно) [Hirose et al., 1987]. Стимуляторы плодовитости. Некоторые вещества, содержащиеся в растениях, как недавно было установлено, проявляют способность резко стимулировать плодовитость грызунов. Фитогормон гибберелловая кислота GA3, даваемый домовой мыши (Mus musculus) с водой в очень низкой концентрации 10-6 М, почти удваивал долю плодовитых самок (females producing litters) в подопытной популяции грызунов. Доля самок, входящих в эструс, более чем удваивалась [Olsen, 1981]. В некоторой степени аналогично действует 6-метоксибензо-ксазолинон (6-МБОА) (6-methoxy-2-benzoxazolinone), содержащийся в весенних всходах ряда злаков и некоторых сложноцветных; 6-МБОА в дозировке 0,02-0,1 мг/г пищи способен стимулировать размножение полевок. Это же вещество является антифидантом для насекомых [Kubo, Kamikawa, 1983]. Возможно, что экологический смысл данных факторов в том, что появление определенных растительных веществ в пище или увеличение их содержания действует на организм грызунов как сигнал, свидетельствующий об увеличении кормовой базы, которая может гарантировать пропитание большого количества животных. В итоге данная популяция грызунов получает стимул для усиленного размножения в условиях роста экологической емкости местообитания. http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st042.shtml 4.3. Некоторые другие экологические хемомедиаторы, опосредующие взаимодействия растений и животных Среди разнообразных веществ этого типа необходимо выделить следующие: 1) антиовипозитанты; 2) вторичные метаболиты растений, накапливаемые и используемые животными; 3) вещества, участвующие в привлечении опылителей. http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st043.shtml 4.3.1. Аптиовипозитанты Существуют вещества растительного происхождения, которые ингибируют откладывание яиц насекомыми,- аптиовипозитанты. Выделяются две группы таких веществ: контактные, действующие при контакте с насекомыми, и летучие дистальные, действующие на расстоянии в виде паров. С практической стороны, для применения в растениеводстве с целью отпугивания самок фитофагов наиболее перспективны вещества второго типа - дистальные аптиовипозитанты. Были изучены дистальные летучие аптиовипозитанты, действующие па цикадку Amrasca devastans (Distant) из сем. Cicadellidae (Saxena, Basit, 1982; см. [Остроумов, 1986]). Это насекомое - серьезный вредитель на хлопчатнике, баклажане Solanum melongena L., Hibiscus esculentus L. и других культурах. Ингибирующее действие (на откладку яиц самками этой цикадки на листьях хлопчатника) летучих веществ, выделяемых листьями нескольких видов растений, уменьшалось в следующем порядке: эвкалипт (Eucalyptus citriodora Hooker) > кориандр (Соriandrum sativum L.) = клещевина (Ricinns communis Б.) = томат (Lycopersicon esculentum Mill.) > Citrus limettioides Tanaka. Листья базилика Ocimum sanctum L. почти не оказывали ингибирующего действия на откладку яиц. В этой работе были изучены также и конкретные химические вещества. Ингибирующее действие их паров уменьшалось в следующем порядке: цитраль = карвакрол > цитроиеллол = фарнезол = герапиол = эвкалиптовое масло (Eucalyptus citriodora Hooker) > масло растения ним = масло Cymbopogon jawarancusa (Jones) Schult. Среди этих веществ карвакрол оказывал небольшое токсическое действие на нимф насекомых. Ни одно из этих веществ не было токсичным для взрослых особей. 4.3.2. Накопление и использование животными вторичных метаболитов растений Многие вторичные метаболиты растений накапливаются фитофагами и используются далее не как энергетический ресурс и субстрат для окисления, необходимого для энергообеспечения, а как уникальное химическое сырье или готовые вещества, важные для коммуникации животных или защиты от консументов более высокого порядка. Здесь мы рассмотрим данные, касающиеся первой группы веществ, необходимых для сигнализации или для регуляции собственного метаболизма фитофагов. Очень интересно и экологически важно использование животными природных .растительных веществ как собственных защитных средств [Peterson et al., 1987]. Подобные данные рассмотрены в разд. 4.1.2, а также в разд. 5.2.1 о взаимодействиях с животными других видов. Другая группа очень важных экологических связей - это использование некоторыми видами насекомых веществ растений в качестве феромонов или предшественников для их синтеза. Об этом подробнее говорится в начале разд. 4.1.2, а также в конце разд. 5.1.1. Установлено накопление животными каротиноидов растений. Каротиноиды служат животным, в том числе насекомым, в качестве веществ, участвующих в цветовой сигнализации (Farbsignalgeber). Показано, что многие насекомые и некоторые другие животные получают каротиноиды из растений. Затем в организме животных растительные каротиноиды могут подвергаться метаболизму. Один из наиболее подробно изученных примеров - приобретение бабочками Pieris brassicae каротиноидов (β-каротина, 5,6-моноэпокси-а-каротина, 5,6-моноэпокси-β-каротина и лутеина) из тканей капусты Brassica oleracea L. Особенно интересно то, что эти же каротиноиды в полном составе передаются по трофической цепи дальше: именно этот набор каротиноидов найден в куколках наездника Apanteles glomeratus, паразитирующего на гусеницах капустницы [Nahrstedt, 1982]. Растения служат основным, если не единственным, источником холестерина для многих беспозвоночных-фитофагов, в том числе насекомых, поскольку многие беспозвоночные не способны самостоятельно биосинтезировать холестерин. На основе зависимости насекомых от определенных стероидов растений (фитостеринов) могут возникать интересные межвидовые ассоциации. Так, показана специфичность ассоциаций между четырьмя видами дрозофил и четырьмя видами кактусов в североамериканской пустыне Сонора (см., например, [Harborne, 1982]): Lophocereus schottii - Drosophila pachea Carnegiea gigantea - D. nigrospiracula Lemairocereus thurberi - D. mojavensis Rathbunia Ralamosensis - D. arizonensis У каждого из этих видов кактусов, таким образом, есть "своя" дрозофила, живущая за счет мертвых тканей кактуса и служащая как бы санитаром для данного вида растений. Со своей стороны, дрозофилы тоже проявляют высокую избирательность. Один из этих видов (D. arizonensis) живет только на одном виде растения- хозяина. Остальные три вида живут либо только на указанном виде кактуса, либо еще на 1-2 видах растений. Биохимия специфичности этой ассоциации такова. Во-первых кактусы всех четырех видов привлекают дрозофил наличием стероидных аттрактантов, необходимых для синтеза гормона линьки. Рис. 24. Пути синтеза гормона линьки дрозофил из шоттенола (schottenol) кактусов или из ситостерола (sitosterol) [Harborne, 1982] А - ситостерол; Б - гормон линьки α-экдизон; В - шоттенол; реакции: 1 - миграция двойной связи Δ5 → Δ7; 2 - деалкилирование в положении С24; 3 - окисление Во-вторых, кактусы каждого из этих видов вырабатывают свой алкалоид-репеллент, отпугивающий все другие виды дрозофил, кроме одного - "своего". Интересно, что зависимость дрозофил от этих кактусов, по-видимому, совершенно облигатна, так как их фитостерины содержат ненасыщенную связь в положении Δ7 в отличие от ряда других фитостеринов с двойной связью в положении Δ5. Гормон линьки α-экдизон должен содержать двойную связь в положении А 7, а дрозофилы не способны сами провести реакцию реорганизации двойной связи Δ5-Δ7 (рис. 24). Таким образом, экологическое значение фитостеринов и близких им по структуре фитоэстрогенов двояко. Одна из их экологических функций состоит в том, что они могут оказывать регулирующее воздействие на популяции фитофагов, ограничивая их численность. Другая их экологическая функция в том, что они (по крайней мере фитостерин) могут служить важнейшим химическим ресурсом для метаболизма клеток некоторых фитофагов. Все примеры, упомянутые в этом разделе, показывают важность различных вторичных метаболитов (хемомедиаторов) как факторов, обеспечивающих зависимость ряда видов фитофагов от определенных видов растений. Поэтому к ранее выделявшимся экологами типам связей одних видов с другими (трофические, топические или территориальные, форические, фабрические связи по В. Н. Беклемишеву, см. [Новиков, 1979]) необходимо добавить еще один тип связей - хемомедиаторные, т. е. опосредованные передачей от вида А к виду Б необходимого для вида Б вещества или ряда веществ [Остроумов, 1986]. Многообразие описанных выше хемомедиаторных связей еще - раз напоминает о совместной эволюции (коэволюции) видов и а том, как многочисленны в природе экологические группировки (экологические кластеры) видов, где один вид в очень высокой степени, практически облигатно, зависит от конкретного другого вида, причем не обязательно служащего единственным пищевым ресурсом. http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st044.shtml 4.3.3. Вещества, участвующие в привлечении опылителей Факторы, привлекающие насекомых-опылителей (а также и других животных-опылителей) к цветкам, также называют аттрактанта- ми. К ним относятся пыльца, нектар, масла и др. Аттрактанты, служащие пищевыми ресурсами. Сюда входят пыльца, нектар и масла. Пыльца. Она представляет собой ценный в пищевом отношении ресурс для тех животных, которые способны ее переваривать. В ней содержится много белка (16-30%), усвояемых углеводов (крахмала 1-7%, свободных сахаров до 15%) и липидов (3-10%). Кроме того, в ней имеются различные вторичные соединения - каротиноиды и флавоноиды. Нектар. Это важнейший аттрактант для опылителей, который, по-видимому, не имеет никакой другой функции, кроме их привлечения. Нектар богат сахарами (17-75% по весу) и аминокислотами. Преобладают глюкоза, фруктоза и сахароза. Встречаются также ди- и олигосахариды. Например, трисахарид раффиноза (галактозилсахароза) встречается у растений из сем. лютиковых барбарисовых и др. Найдены такие дисахариды, как мальтоза, трегалоза, мелибиоза. Содержание аминокислот в нектаре было детально изучено лишь в 70-е годы. Оказалось, что в нектаре имеются все обычные аминокислоты, входящие в состав белков. По некоторым подсчетам, бабочке достаточно совершить 12-25 посещений цветков, чтобы покрыть суточную потребность в азоте. Часто нектар является основным и очень ценным источником азота для ряда насекомых. О важности ресурсов азота для насекомых говорят, например, такие факты: в тропических лесах Южной Америки отмечалось, что бабочки питаются не только на цветках, но и ввиду потребности в азоте на разлагающихся трупах крокодилов, лежащих на берегах Амазонки. Описан следующий случай, который произошел в арктической части Канады: пешеход снял днем обувь, чтобы отдохнуть, и бабочки в поисках питания (по-видимому, азотистого) облепили его потные ноги и носки [Harborne, 1982]. В нектаре найдены и липиды, тоже имеющие пищевое значение, а также некоторые токсические вещества. Так, в нектаре рододендронов есть токсичный диптерен ацетиландромедол. В меде, полученном из нектара земляничного дерева Arbulus unedo L., найден глюкозид арбутин. В нектаре софоры - Sophora microphylla Ait. содержатся алкалоиды, причем в токсичной для медоносной пчелы концентрации. Возможно, эти токсичные вещества участвуют в регуляции того, какие именно виды насекомых посещают цветки растений данного вида, т. е. выполняют функцию экологических хеморегуляторов. Масла. Представители некоторых семейств растений (норичниковых, ирисовых, орхидных, мальпигиевых и др.) имеют специальные органы, секретирующие масло,- элайофоры (elaiophores). Они находятся либо в трихомах, либо в особых клетках эпителия. Масло собирают пчелы сем. Anthophoridae, обитающие в основном в Южной Америке. Ольфакторные сигналы - пахнущие вещества. Для привлечения опылителей к цветкам большое значение имеют ольфакторные (обонятельные) сигналы, создаваемые парами некоторых веществ растений. Особенно интересна связь между некоторыми пахнущими веществами растений и половыми аттрактантами (феромонами) ряда насекомых. Так, у плодовой мушки Dacus dorsalis половым феромоном является фенилпропаноид метилэвгенол. Это же вещество продуцируют цветки нескольких видов растений, в том числе кассии - Cassia. Есть данные, что цветки орхидных из рода офрис - Ophrys имитируют своим внешним видом и запахом самок пчел Andrena, что привлекает к ним самцов, пытающихся спариться с цветком и в результате производящих опыление. В этом случае химическая природа основных ароматических компонентов цветка (изомеры δ-кадинена) не совпадает с главными ароматическими веществами самок андрены (транс-фарнезил и геранилгексаноат). Не исключено, что они, несмотря на различия структур, вызывают сходные ольфакторные ощущения у самцов андрены. Доказано использование самцами некоторых пчел ароматных веществ цветов в качестве своих аттрактантов. Это, как полагают, имеет место у пчел эуглоссин, обитающих в Центральной и Южной Америке. Так, самцы Eulaema собирают ароматные вещества орхидных и, привлекая друг друга этими запахами, собираются в стаи или рои, которые становятся хорошо видными для самок. Таким образом, самки привлекаются визуально. Собираемые самцами пчел вещества орхидных включают эвгенол, ванилин, бензил- ацетат, цинеол и метилциннамат. Другие факторы. Среди других аттрактивных факторов, важных для опылителей, исключительное место занимает окраска цветков. Этот фактор в своей основе является химическим или биохимическим, поскольку он связан с наличием в цветках различных пигментов. Основными группами пигментов являются: 1) флавоноиды, в том числе антоцианидины - пеларгонидин (оранжевая, красная окраска), цианидин (красная окраска), дельфинидин (розовато-лиловая окраска); 2) каротиноиды (желтая, оранжевая и красная окраска). Значительно меньшее значение, чем эти два класса пигментов, имеют для опылителей хлорофиллы (зеленая окраска), хиноны (красная и желтая), беталаиновые алкалоиды (желтая, красная и пурпурная окраска). Конечно, здесь названы далеко не все даже основные пигменты, число их довольно велико. У некоторых пигментов имеются также так называемые копигмеиты, флавоновой и (или) флавоноловой природы. В некоторых случаях описано образование хелатного комплекса антоцианидинов с металлами (Al, Mo, Fe и др.). Возможно, такие комплексы придают дополнительную стабильность молекуле пигмента. Недостаток места не позволяет подробнее освещать роль пигментов в привлечении насекомых - вопрос, довольно детально изложенный в других книгах [Фегри, ван дер Пэйл, 1982; Harborne, 1982]. http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st045.shtml 4.3.4. Синомоны http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st046.shtml В растениях находят все новые и новые вещества, привлекающие к ним паразитоидов тех фитофагов, которые питаются растениями данного вида. Такие вещества относятся к группе соединений, приносящих пользу двум организмам - вырабатывающему данные вещества и воспринимающему. Эта группа веществ получила название сииомонов [Nordlund, Lewis, 1976; Nordlund et al., 1985]. В эфирном масле хлопчатника были обнаружены синомоны, привлекающие паразитоида Campoletis sonorensis (Hymenoptera, Ichneumonidae). Этими веществами являются сесквитерпены α-гумулен, γ-бисаболен, β-кариофилленоксид, спатуленол, β-бисаболол и новое соединение, родственное бисаболену, 2-n-толил-6-метилгепт-5-ен-2-ол, названное госсоноролом [Elzen et al., 1984). Небезынтересно, что другой сесквитерпен, присутствующий в хлопчатнике в значительном количестве, - p-кариофиллен не является аттрактантом для этих паразитоидов. 4.4. Некоторые общие замечания и обобщения Итак, различные экологические хемоэффекторы помогают растениям сдерживать натиск фитофагов различными способами: установлена возможность отпугивания их пищевыми детеррентами, отравления токсинами, повышения смертности личинок и взрослых особей, нарушения онтогенеза и подавления плодовитости. В реальных экосистемах у растений, по-видимому, существует одновременно многокомпонентный комплекс веществ для сдерживания фитофагов. Существование многокомпонентной биохимической защиты от фитофагов недавно установлено, например, у хвойного растения подокарпуса - Podocarpus gracilior Pilg. Первый этап этой защиты представлен тремя пищевыми детеррентами - нагилактонами С, D и F [Kubo et al., 1984]. Насекомые, продолжающие питаться, могут погибнуть от инсектицидных свойств этих веществ, а также под действием содержащегося в растении инсектицида подолида (рис. 25). На тех насекомых, которые преодолевают и эту линию защиты, действуют два бифлавона, ингибирующие их рост,- подокарпусфлавон А и 7',4"'-диметиламенто-флавон. Наконец, если какие-то насекомые все-таки уцелеют и доживут до очередной линьки, то их подстерегает ингибирующий линьку фитоэкдизон - понастерон А. По-видимому, именно эффективность этой многокомпонентной защиты объясняет то, что данное растение не страдает от насекомых. Рис. 25. Вещества подокарпуса - Podocarpus gracilior Pilg., участвующие в защите от фитофагов 1 - нагилактон С (nagilacton С); 2 - нагилактон D; 3 - нагилактон F; 4 - подолид (podolide); 5 - понастерон A (ponasterone А) Одно и то же вещество может нести несколько функций в качестве экологического хеморегулятора или хемоэффектора (табл. 28). Например, упоминавшийся лимоноид азадирахтин может действовать на насекомых и как антифидант, и как ингибитор линьки чешуекрылых. Некоторые вещества в малой дозе могут проявлять себя как стерилянты, а в большой - как летальные токсины. Одно и то же вещество может действовать как детеррент на большинство насекомых и в то же время как пищевой аттрактант для насекомых, приспособившихся его обезвреживать. Все это указывает на обилие и сложность связей между растениями и животными, опосредованных гетерофункциональными экологическими хемомедиаторами. Последние в большой степени регулируют поток энергии по трофическим цепям от растений к фитофагам, участвуют в формировании зооценоза, прежде всего состава и численности фитофагов в данной экосистеме. Накапливаются данные, что защитные химические вещества могут индуцироваться в тканях растений в результате атаки насекомых или дефолиации, служащей экспериментальной имитацией атаки фитофагов (например, [YVoodhead, 1981; Edwards et al., 1985, 1986; Rhoades, 1985; Leather et al., 1987]). Таблица 28. Примеры полифункциональных и гетерофункциональных экологических хемоэффекторов Сходным образом содержание некоторых защитных веществ в тканях растений возрастает в результате атаки нематод (например, [Hedin et al., 1984]). Распространена тонка зрения, что цветковые растения и фитофаги, особенно насекомые, своим видовым разнообразием и взаимным приспособлением обязаны сопряженной эволюции (коэволюции). Не вдаваясь в детали, в самом кратком виде отметим некоторые важнейшие особенности коэволюции растений и фитофагов (например, [Работпов, 1983; НагЬогпе, 1982]). В ходе совместной эволюции оба партнера (и растение, и фитофаги) приспосабливались к меняющимся условиям. На взаимодействия растений фитофагов влияли и влияют многие факторы среды - климат, условия питания, патогены и т. д. Растения давали пищу фитофагам и одновременно эволюционно вырабатывали приспособления, чтобы не оказаться полностью съеденными или чрезмерно ослабленными. Основные типы этих приспособлений таковы [Работнов, 1983; и др.]. 1. Морфолого-анатомические - шипы, колючки, опушение, феллема (пробка), склеренхима, смоляные каналы. 2. Избегание растениями (в пространстве и во времени) мест, где обильны фитофаги. Цикличность доминирования некоторых видов в фитоценозах. 3. Способность растений к быстрой регенерации вегетативных органов после поедания или повреждения их фитофагами. Способность растений выносить вытаптывание благодаря развитию богатых механическими тканями надземных частей. Приспособления к роющей деятельности животных благодаря особым изменениям жизненного цикла и способности образовывать корневые отпрыски. 4. Периодичность и флуктуации плодоношения видов, семена которых поедаются животными; синхронность отсутствия плодоношения у нескольких видов в отдельные годы. Свойство семян многих видов растений сохранять (или даже увеличивать) способность к прорастанию после прохождения через пищеварительный тракт животных. 5. Химические оборонительные средства, в т. ч. снижение пищевой ценности растений и выработка токсинов или веществ с отталкивающим вкусом или запахом, различных веществ, нарушающих размножение фитофагов, нормальный онтогенез, замедляющий их рост и т. д. Именно этим экологическим хемоэффекторам и хеморегуляторам посвящена данная глава. Их появление, широкое распространение и диверсификация, по-видимому, могут связываться с биохимической коэволюцией растений и фитофагов (см. разд. 4.1.1). Фитофаги, в том числе насекомые, со своей стороны, эволюционировали, преодолевая защиту растения. Они могли в ходе эволюции приобретать, в частности, следующие адаптивные свойства. 1. Физиологические и анатомические приспособления для переваривания и ассимиляции новой растительной пищи. 2. Новые привычки питания, новые вкусовые преференции, способность к поиску новых мест кормления и передвижению на них. 3. Механизмы детоксикации (подробнее см. гл. 6), в том числе: а) биотрансформация и деградация токсина; б) превращение токсина в нетоксичный конъюгат; в) выведение или накопление его в специальных тканях для безопасного хранения внутри организма. 4. Способность использовать вторичные метаболиты растений (часто токсичные) как аттрактанты, кайромоны, как сигналы, повышающие репродуктивный потенциал и жизнеспособность данного вида фитофагов. Следствием высокой адаптационной способности членистоногих (вероятно, выработанной за длительный период коэволюции с пищевыми объектами, особенно биохимической коэволюции) является быстрая выработка ими резистентности к пестицидам, применяемым в сельском хозяйстве (а также для борьбы с переносчиками болезней). Необходимо упомянуть еще один аспект коэволюции растений и животных: растения стали вырабатывать приспособления (в том числе биохимические), способствующие более эффективному использованию фитофагов (особенно насекомых) в качестве опылителей (см. разд. 4.3.3). Растения конкурировали друг с другом, вырабатывая наилучшие механизмы привлечения насекомых и других животных для опыления цветков. Те виды насекомых, которые посещали определенные растения, вырабатывали также свойства, помогающие эффективно использовать ресурсы именно данных видов растений. Все это могло иметь своим результатом следующее. Во-первых, эволюция шла в направлении роста видового разнообразия цветковых растений (сейчас их описано около 300 тыс. видов) и насекомых (сейчас описано около 2 млн видов, хотя реальное число, по-видимому, много больше), роста числа вторичных соединений (по-видимому, сейчас известно около 40 тыс. структур). Во-вторых, наряду с антагонизмом возникали устойчивые группировки видов, основанные на факультативной пли облигатной (абсолютной) зависимости одного или нескольких видов от другого вида. Раньше считалось, что такие группировки могли быть связаны только пищевой, топической (т. е. территориальной) или форической (основанной на переносе особями одного вида особей другого вида) зависимостью. Сейчас ясно, что к этим типам зависимостей видов надо добавить и хемомедиаторные зависимости, при которых один вид синтезирует вещества-посредники, необходимые Для выживания другого или других видов. Выше приведены результаты биохимической коэволюции растений и фитофагов, которая привела к приспособлению некоторых фитофагов использовать определенные вещества растений либо в качестве сигналов (пищевые аттрактанты и стимуляторы; стимуляторы размножения), либо в качестве источников молекул, экологически полезных для самих фитофагов (накопление растительных ядов членистоногими и морскими беспозвоночными, получение от растений предшественников феромонов и стероидных молекул). Возникающие в результате подобных облигатных связей, а также зависимостей других типов экологические группировки, или экологические кластеры, важны с природоохранной точки зрения, поскольку при вымирании вида, от которого зависит другой вид, входящий в ту же группировку, второй вид также обречен. Хотя существующие данные о биохимических взаимодействиях между растениями и животными уже позволяют сделать некоторые обобщения (частично изложенные выше), необходимо признать, что наши знания продолжают оставаться неполными и реальные взаимодействия растений и животных, по-видимому, значительно сложнее. Так, можно предполагать, что в некоторых случаях растения воспринимают определенные вещества фитофагов как сигналы, стимулирующие рост растений. Такого рода эффект показан при изучении воздействия 1-триаконтанола (1-triacontanol), компонента кутикул яркого воска личинок Attacus atlas L. (Lepidoptera : Saturniidae), на их кормовое растение Ailanthus altissima (Mill.) Swingle (Simaroubaceae). 1-Триаконтанол в концентрации 2-10-8 M увеличивал число листьев, сырую и сухую массу листьев и ствола молодых растений, действуя как экзогенный регулятор роста [Jones et al., 1982]. http://ecologylib.ru/books/item/f00/s00/z0000039/st047.shtml 4.5. Практическое использование некоторых метаболитов растений: сельское хозяйство, медицина, биотехнология Многие токсины и другие биологически активные вещества (БАВ) растений имеют значение для медицины и ветеринарии. Вторичные метаболиты широкого круга видов растений представляют ценность как фармакологически интересные вещества (анальгетики, антилейкемические, кардиотонические, антималярийные агенты и др.), как сырье для парфюмерной промышленности, пищевые добавки [Havsteer, 1983; Middleton, 1984; Allan, Fowler, 1985; Rhodes et al., 1986; и др.] В последнее время появляются новые данные о весьма интересных для практического использования веществах растений (например, [Kapoor, Chawla, 1986; Joseph et al., 1986]), в том числе для лечения или профилактики СПИДа (например. [Fellows, 1987]). Заслуживают особого внимания новые сведения о веществах, проявляющих антиканцерогенное действие (см. разд. 4.2.2). Прогресс биотехнологии делает перспективным использование культур клеток и тканей растений-продуцентов для получения подобных важных метаболитов (например, [Petiard, Steck, 1987; Yamada, 1987], см. также работы, упомянутые в разд. 7.4). Вещества многих видов растений используются или могут использоваться для отпугивания или отравления различных нежелательных насекомых и других животных (см., например, [Okunade, Wiemer, 1985; Birch et al., 1985; Larew et al., 1985; Kapoor, Chawla, 1986; Schwinger, 1986; Javer et al., 1987; и др.]). Таблица 29. Примеры нематоцидов, выделенных из растений (по [Saleh et al., 1987; и др.]) Общее число видов растений, используемых во всем мире для отпугивания или снижения численности тех или иных нежелательных животных, очень велико. В список таких растений входят представители не менее чем 37 семейств (такой список в 1983 г. опубликовали канадские ученые Д. Секой и А. Смит). Наибольшим числом видов в этом перечне представлено семейство бобовых [Seсоу, Smith, 1983]. В Индии ежегодное производство несъедобного масла ним, которое в традиционном сельском хозяйстве используется как инсектицид, составляет немалую величину - около 83 тыс. т. В данной главе приведено много примеров веществ растений, обладающих инсектицидным действием. Необходимо подчеркнуть, что многие из метаболитов растений представляют практический интерес благодаря другим типам зооцидного действия: это вещества, действующие как акарициды (например, [Sutherst et al., 1982]), моллюскоциды (например, [Schildknecht, Lubosch, 1987]) и нематоциды (табл. 29). Ежемесячно публикуются работы о выявлении новых веществ с инсектицидным действием (например, недавно обнаружена такая активность веществ из Daphne odora Thub. [Inamori et al., 1987]. В современном сельском хозяйстве используются такие выделенные из растений вещества, как пиретрум и некоторые другие. ЯД растительных веществ стал основой для синтеза и выпуска определенных видов пестицидов химической промышленностью например, [Мельников, 1987]). Некоторые токсичные вещества растений могут рассматриваться как возможные новые пестициды или прообразы и модели новых пестицидов [Mandava. 1985; Philogene et al., 1985; Philogene et al., 1985a; Bell, 1986; Rembold et al., 1987]. В последнее время уделяется немалое внимание пестицидам с фотосенсибилизирующим действием. Поэтому представляют особый интерес фотосенсибилизирующие (photodynamic) вещества среди токсинов растений, такие, как гиперицип, фуранокумарины (furanocoumarins) (например, псоралены, ксантоксин пастернака - Pastinaca sativa L.), полиацетилены, тиофены (thiophenes). Эти же токсины важны для ветеринарии и животноводства, поскольку вызывают токсические эффекты у выпасаемых домашних животных с участием фотосенсибилизации (photosensitization). К природным веществам, перспективным как фотосенсибилизирующие пестициды, относят и α-тертиенил из растений сем. сложноцветных (см. рис. 6), который, как оказалось, па свету токсичен для нематод, а также личинок и яиц насекомых. По своей токсичности для личинок комаров он сопоставим с ДДТ. Однако следует осторожно оценивать перспективы применения этого вещества, несмотря на его природное происхождение и быструю фотодеградацию до неактивных продуктов. Оказалось, что α-тертиенил может побочно действовать и на другие организмы: например, он проявляет светозависимую токсичность для поздних эмбриональных стадий лягушки Rana pipiens [Kagan et al., 1984]. Это еще раз указывает на важность вывода, который неоднократно делается в данной книге,- многие из природных экологических хемомедиаторов и хемоэффекторов могут обладать несколькими функциями. Степень специфичности их действия для конкретных веществ чрезвычайно различна. Еще один путь практического использования информации о природных экологических хеморегуляторах - увеличение эффективности действия пестицидов за счет синергизма на основе анализа данных о природных синергистах, действующих в комплексе с природными токсинами. О перспективности подобного подхода говорит то, что природный синергист миристицин (myristicin) из растений сем. Umbelliferae (Apiaceae) в малой концентрации способен почти в 5 раз увеличивать смертность Heliothis zea (Boddie) под воздействием природного токсичного фуранокумарииа ксантотоксина (xanthotoxin). Миристицин оказался эффективнее, чем синтетический аналог пиперонилбутоксид (piperonyl butoxide). О наличии впереди заманчивого поля деятельности для много обещающих поисков свидетельствуют две цифры: уже среди растений 18 семейств найдено более 300 метилендиоксифенилов (methy-lenedioxyphenyls, MDPs), структурных аналогов миристицина [Berenbaiim, 1985]. Подытоживая, можно выделить несколько важнейших направлений перспективного использования природных веществ растений, защищающих их от фитофагов. Во-первых, определенные вещества этого типа можно специально вносить в агроэкосистемы или использовать в хранилищах продукции растениеводства. В результате можно было бы существенно снизить привлекательность, пищевую ценность или уязвимость - palatability ("поедаемость") данных растений для тех или иных фитофагов. Такое применение природных веществ-регуляторов аналогично современному использованию пестицидов, оно выгодно отличается от последнего, поскольку позволяет уменьшить загрязнение природной среды. Во-вторых, защитные вещества растений могут более полно приниматься во внимание при селекционной и генно-инженерной работе, с тем чтобы целенаправленно выводить новые сорта растений, содержащих или выделяющих повышенное количество этих защитных соединений. Кроме укапанных основных путей, есть и другие способы использования экологических хемомедиаторов растений. Так, вещества-аттрактанты могут использоваться для приманивания насекомых в ловушки. На этой основе могут создаваться так называемые аттрактициды (например, [Phelan, Baker, 1987]). Интересно, что антифиданты могут использоваться еще в одном качестве: для борьбы с вирусными заболеваниями сельскохозяйственных растений. Такая возможность имеется в тех случаях, когда точно идентифицированы насекомые-переносчики вирусной инфекции; с помощью антифидаитов удается снизить пищевую активность насекомых-переносчиков и их эффективность как векторов (например, [Dawson et al., 1986]). Таким образом, умелое применение экологических хеморегуляторов, основанное на глубоком их исследовании, позволит эффективно управлять агроэкосистемами, сдерживать натиск фитофагов, полнее сохранить урожай и хранящуюся сельскохозяйственную продукцию и при этом одновременно уменьшить внесение в окружающую среду ядохимикатов. Немалое практическое значение могут иметь БАВ растений, которые, будучи ингибиторами или активаторами определенных ферментов, биохимических и физиологических функций животных, перспективны как инструменты в биохимических, молекулярно-биологических, вирусологических, иммунологических и медицинских исследованиях. Накоплена информация о таких перспективных в этом отношении веществах, как псоралены (например, [Cimino et al., 1985]), различные белки, в том числе лектины, а также белки, инактивирующие рибосомы (например, [Gasperi-Campani et al., 1985]), глюкозиды, ингибирующие АДФ/АТФ-переносчик в митохондриях (например, веделозид - wedeloside, см. [Klingenberg et al., 1985] ), форболовые эфиры (например, [Werz, Macdonald, 1987]), алкалоиды (например, [Fellows, 1985]) и другие соединения. На основе изложенного можно прогнозировать, что в будущем среди продуцируемых растениями экологических хемоэффекторов будут найдены новые вещества, перспективные для медицины, биотехнологии, сельского хозяйства, ветеринарии, для расширения меодического арсенала биомедицинских исследований. Для более успешного использования их на практике необходима активизации работы по решению следующих проблем. 1. Более полный и широкий скрининг всего видового разнообразия растений и химического разнообразия их метаболитов, проверка их на максимально полный набор биологических активностей. 2. Разработка более широкого спектра методов биотестирования; выяснение того, как корреспондируют между собой результаты разных способов биотестированпя. 3. Создание возможно более полных банков информации о БАВ растений. 4. Совершенствование технологий культивирования клеток и тканей различных видов растений как биотехнологических продуцентов БАБ. 5. Создание высокопродуктивных штаммов и линий клеток растений с помощью методов генной и клеточной инженерии. https://www.researchgate.net/publication/310620549; http://5bio5.blogspot.com/2016/11/4-httpswwwresearchgatenetpublication310.html;

Сделано доступным онлайн: Глава 4. Некоторые аспекты эколого-биохимических взаимодействий растений и животных. В книге: Введение в проблемы биохимической экологии (авторы М.М.Телитченко, С.А.Остроумов, МГУ), Москва: Наука. https://www.researchgate.net/publication/310620549; http://5bio5.blogspot.com/2016/11/4-httpswwwresearchgatenetpublication310.html

Сделано доступным онлайн:
Глава 4. Некоторые аспекты эколого-биохимических взаимодействий растений и животных. В книге: Введение в проблемы биохимической экологии (авторы М.М.Телитченко, С.А.Остроумов, МГУ), Москва: Наука.
 Полный текст главы, правильно отформатированный, удобный для чтения:
https://www.researchgate.net/publication/310620549

http://5bio5.blogspot.ru/2016/11/4-4-1987-petiard-steck-1987-1-digo-xin.html

http://5bio5.blogspot.com/2016/11/4-httpswwwresearchgatenetpublication310.html

Ключевые слова:
растения, 
животные,
экология,

биохимия,

органическая химия,

вторичные метаболиты,

токсины,

лекарственные вещества,