Глава 2 из книги: [книга]: Телитченко М.М., Остроумов С.А. Введение в проблемы биохимической экологии: биотехнология, сельское хозяйство, охрана среды. М.: Наука.

https://www.researchgate.net/publication/309742575; Глава 2 из книги: [книга]: Телитченко М.М., Остроумов С.А. Введение в проблемы биохимической экологии: биотехнология, сельское хозяйство, охрана среды. М.: Наука. 1990. 288 с., табл., рис. Библиогр.: с.256-282. Усл.печ.л. 18. Уч.-изд.л. 20,6. ISBN 5-02-004062-2.

https://www.researchgate.net/publication/274137829;

http://5bio5.blogspot.com/2017/04/2.html

Глава 2. Эколого-биохимические взаимодействия с участием грибов и водорослей (и некоторых прокариот). https://www.researchgate.net/publication/309742575;

В последнее время в связи с развитием биотехнологии возрастает интерес к прокариотам и низшим растениям как продуцентам биологически активных веществ (БАВ), в том числе ферментов, токсинов, ингибиторов ферментов (см. [Безбородов, 1986]) и др. Одновременно возрастает интерес и к анализу экологического значения этих веществ в природе. Такой анализ позволяет, во-первых, лучше представить пути использования данных веществ в практике сельского хозяйства, охраны среды, аквакультуры, медицины и развития методов научных исследований; во-вторых, более целенаправленно вести поиск новых потенциально полезных веществ. Эколого-химические взаимодействия, в которых принимают участие прокариоты, грибы или водоросли, имеют огромное значение и для экологии самих этих групп организмов, и для экосистем в целом. При рассмотрении данных об этих взаимодействиях и веществах, в них вовлеченных, необходимо учитывать, что грибы сейчас выделяют из царства растений и считают самостоятельным царством живой природы. Поэтому объединение под традиционным названием "низшие растения" двух групп организмов - грибов и водорослей - носит условный характер. Однако такое объединение себя оправдывает, поскольку позволяет более компактно изложить в высшей степени разнообразный фактический материал. Колоссальное разнообразие и огромная экологическая роль вторичных метаболитов в жизни микроорганизмов и низших растений, по-видимому, в немалой степени связаны со следующими особенностями экологии последних (см., например, [Остроумов, 1986]): 1) практически все прокариоты и многие низшие растения обитают в водной среде; 2) имеется острая необходимость поиска одной клеткой (гаметой) другой клетки (гаметы) при половом размножении; 3) многие прокариоты и грибы паразитируют на эукариотах и в качестве основного или даже единственного оружия агрессии могут иметь только биохимическое; неудивительно, что и контроружие также является биохимическим. Биохимические взаимодействия прокариот и низших растений с другими организмами, по-видимому, способствовали адаптивной радиации прокариот, грибов и водорослей, а следовательно, видообразованию и росту общего числа видов в этих группах. Это помогает объяснить огромное число штаммов прокариот, видов водорослей и грибов. Данная глава включает разделы, посвященные прокариотам и эколого-химическим взаимодействиям низших растений с низшими и высшими растениями, а также с животными. При написании данной главы были существенно использованы работы [Великанов, Сидорова, 1983; Дьяков, 1983; Harborne, 1982; Звягинцев, 1987].

2.1. Некоторые аспекты биохимической экологии прокариот: сопоставление с эукариотами В мире прокариот практически вся экология микроорганизмов, по сути своей, является биохимической экологией. Уже только по одной этой причине невозможно проанализировать проблемы биохимической экологии прокариот в рамках одного раздела или даже одной главы - для этого требуются монографии. Вместе с тем, даже если мы ограничимся рассмотрением преимущественно проблем биохимической экологии эукариот - как сделано в данной книге, представляется интересным и необходимым хотя бы упомянуть некоторые из аспектов биохимической экологии прокариот, чтобы можно было увидеть, в какой мере имеются общие элементы в биохимической экологии прокариот и эукариот. Целесообразно отдельно рассмотреть биохимико-экологические аспекты взаимодействий между прокариотическими клетками одного вида и между клетками разных видов. Подчеркнем, что, как и в случае эукариотных организмов, мы рассматриваем преимущественно нетрофические взаимодействия, т. е. отношения организмов, которые, как правило, не сводятся к переносу энергии и пищевых субстратов от одного трофического уровня к другому. Однако это ограничение гораздо сложнее соблюдать при анализе экологии прокариот, чем в мире эукариот. Границы между трофическими и нетрофическими взаимодействиями у бактерий весьма размыты. Некоторые важные виды эколого-биохимических взаимодействий между прокариотическими клетками одного вида приведены в табл. 1 и 2. Один из этих видов взаимодействий опосредуется половыми феромонами. Половые феромоны как явление имеются также у многих типов эукариот - грибов, водорослей, ряда типов животных. Однако феромоны бактерий Streptococcus faecalis существенно отличаются по принципу своего действия. Феромоны S. faecalis представлены несколькими линейными пептидами. Каждому феромону соответствует определенная плазмида в клетках, воспринимающих данный феромон как сигнал для синтеза белка, способствующего слипанию клетки-продуцента феромона и клетки- носителя плазмиды. В результате слипания клеток (conjugation, mating) клетки-носители плазмиды передают копии своих плазмид клеткам-продуцентам феромона. Химически синтезированный пептид имел ту же биологическую активность, что и феромон cADl [Mori et al., 1985]. Таблица 1. Примеры ауторегуляторов некоторых нефотосинтезирующих прокариот (но данным А. С. Хохлова [1988]; и др.) Важный вид взаимодействий между клетками опосредуется ауторегуляторами. Ряд ауторегуляторов, воздействующих на дифференцировку клеток, спорообразование, антибиотикообразование, установлен у стрептомицетов [Хохлов, 1988; Егоров, Ландау, 1982, 1986]. Есть указания на существование в некоторой степени аналогичных ауторегуляторов и у грибов. Так, клетки Candida albicans образуют вещество, регулирующее морфогенез: оно подавляет переход от дрожжеподобных клеток к мицелиальным и получило название MARS - от morphogenic autoregulatory substance [Наzen, Cutler, 1983]. Еще один тип взаимодействий у прокариот связан с действием бактериоцинов - белков, токсичных для других штаммов этого же вида, лишенных бактериоцинов и плазмид, детерминирующих их биосинтез. В точности идентичных токсинов у эукариот нет, но описаны штаммы-убийцы у дрожжей. Так, у дрожжей Kluyveromyces lactis имеются штаммы, продуцирующие белковый токсин из трех субъединиц (молекулярная масса 99 000 и 30 000, 27 500), который кодируется в плазмиде kl (8,9 kb) [Stark, Boyd, 1986]. Продуцирование токсина и наличие иммунитета к нему наблюдаются при одновременном наличии у дрожжей, кроме плазмид k1, еще одной плазмиды - k2 (13,4 kb). Токсин действует на другие штаммы К. lactis и на дрожжи других родов, в том числе Saccharomyces cerevisiae. Таблица 2. Некоторые недостаточно изученные ауторегуляторы, перспективные для дальнейших исследований (по данным А. С. Хохлова [1988]; и др.) Таким образом, сопоставление биохимической экологии внутривидовых взаимодействий у прокариот и эукариот указывает на существование однотипных эффектов. Вместе с тем имеются и принципиальные различия на уровне конкретных молекулярно- оиологических механизмов и химических структур молекул. Перейдем к межвидовым взаимодействиям прокариот. Среди них можно выделить две большие группы взаимодействий: 1) опосредуемых летучими метаболитами и 2) опосредуемых водорастворимыми метаболитами. Первая из них наиболее интересна в связи с экологией почвенных микроорганизмов. Как показывает обобщение и сопоставление работ различных авторов, в этих взаимодействиях могут участвовать и бактерии, и грибы [Звягинцев, 1987], т. е. имеется сходство в этом аспекте биохимической экологии прокариот и эукариот. Вторая большая группа взаимодействий опосредуется водорастворимыми метаболитами и связана с экологией и водных, и почвенных микроорганизмов. Ингибирование. Это один из наиболее подробно изученных видов взаимодействий микроорганизмов. И прокариоты и эукариоты (грибы) продуцируют антибиотики с выраженным антибактериальным или антифунгальным действием. Кроме антибиотиков "классического" типа, в последнее время активно изучаются продуцируемые прокариотами и грибами ингибиторы ферментов (см., например, [Безбородов, 1986]). Среди нескольких классов веществ, продуцируемых эукариотами и функционально, по-видимому, аналогичных антибиотикам прокариот, можно назвать аллелопатические вещества водорослей и высших растений. Стимулирование продуцирования БАВ. Подробно изучена стимуляция образования БАВ (в том числе протеиназ тромболитического действия) микроорганизмами при их культивировании совместно с другими микроорганизмами, не способными к образованию тех же биологически активных веществ (см., например, [Егоров, Ландау, 1986]). Компонентами этой бинарной культуры могут быть и прокариоты (например, Str. rimosus+Str. violaceus) и эукариоты (например, Asp. kanagawaensis + Asp. wentii). Стимуляцию образования БАВ наблюдали и в таких ассоциациях, где один из компонентов был представлен прокариотом, а другой - эукариотом (Aspergillus или дрожжи). Стимулирование роста. Рост бактерий может быть стимулирован метаболитами про- и эукариот: так, индентифицирован пептидный фактор (молекулярная масса около 1065, включает остатки аспарагиновой кислоты, цистеина, глутаминовой кислоты, глицина и лизина), образуемый дрожжами и стимулирующий рост Lactobacillus sanfrancisco [Berg et al., 1981]. Установлена возможность стимуляции в бинарной культуре двух эукариотных организмов: рост одного из штаммов Candida tropical is усиливается благодаря выделению биотина культурой Candida mycoderma [Егоров, Ландау, 1982]. Симбиоз и синтрофия. Наряду с многими ситуациями тесного симбиоза между прокариотами описаны отношения симбиоза между прокариотами и эукариотом (например, Pseudomonas fluores- cens и Volvox aureus) и основанные па обмене метаболитами отношения симбиоза между эукариотами, например Mucor ramanianus (синтез пиримидина) и Rhodotorula rubra (синтез тиазола) [Зенова, 1986]. Известны и многие другие примеры симбиозов, основанных на обмене метаболитами. Выше были рассмотрены взаимодействия прокариот (и для сравнения - эукариот), опосредуемые водорастворимыми метаболитами. Весьма интересен, но не решен вопрос о том, какую роль играют взаимодействия между прокариотами, опосредуемые летучими метаболитами, действующими через газовую фазу (в основном это относится к почвенным микроорганизмам). Доказано, что бактерии и грибы продуцируют широкий набор летучих веществ. Показано ингибирующее действие многих из них на рост, спорообразование и прорастание спор грибов Fusarium spp. и др. (см. [Звягинцев, 1987]). Однако столь же многочисленные данные об ингибирующем действии их на бактерии пока отсутствуют. Итак, сопоставление некоторых аспектов биохимической экологии про- и эукариот указывает на некоторые общие черты, которые, по-видимому, обусловлены общностью местообитаний и экологических ниш этих организмов. Необходимо коснуться еще некоторых важных аспектов биохимической экологии прокариот. Аттрактанты и репелленты. Ориентация и передвижение прокариот в водной среде происходит под существенным влиянием химических веществ, для восприятия которых служат ((снять: слуяшт)) специальные белки, названные methyl-accepting chemotaxis proteins (МСР). Идентифицирован ряд МСР Escherichia coli, в которых происходит метилирование или деметилирование остатков глутамата: 1) белок Tsr (аттрактанты - серин и родственные аминокислоты, репелленты - ацетат, индол и лейцин), 2) Таг-белок (аттрактанты- L-аспартат и мальтоза, репелленты - Ni2+ и Со2+), 3) Tar-белок (аттрактанты - рибоза и галактоза), 4) Тар-белок (аттрактанты- дипептиды). У Salmonella typhimurinm сходная, но несколько иная система хеморецепции. У эукариот аттрактанты и репелленты также играют важную роль. Молекулярные механизмы их рецепции изучены недостаточно; в тех случаях, когда они изучены, они отличаются от таковых у прокариот. Сидерофоры. Обширный круг веществ этого класса выявлен у различных прокариотных организмов. Для эукариот (грибов) аналогичные данные есть, но информации накоплено значительно меньше. Выводы о мере различия или сходства молекулярной структуры и роли сидерофоров у прокариот и грибов делать пока преждевременно. К этим метаболитам, способным к связыванию железа, относятся феррихром, родоторуловая кислота, ферроксиамины, фузаринины, шизокины, энтеро-, агро-, ризо-, и псевдобактрины, фито- сидерофоры. Сидерофоры могут воздействовать на растения, в том числе сельскохозяйственные, следующим образом. 1. Сидерофоры наряду с антибиотиками могут воздействовать на рост конкурентных микроорганизмов и тем самым участвовать в регуляции состава корневой микрофлоры и роста растений. 2. Сидерофоры могут, связывая Fe, способствовать транспорту его в растения и содействовать минеральному питанию растений. 3. Сидерофоры могут участвовать в активизации вирулентности бактерий и содействовать появлению их патогенности по отношению к растениям. Образование сообществ, различающих определенные субстраты. Анализ данных, собранных различными авторами (например, см. 17 примеров комплексных микробных сообществ [Зенова, 1986]), показывает, что большинство подобных сообществ включает к себя прокариоты. Однако есть и сообщества, представленные грибами. Так, сообщество Candida intemedia + С. lipolytica осуществляет разложение n-алканов и других углеводородов. Сообщество Penicillium piscarium и Geotrichum candidum разлагает 3,4-дихлорпропионанилид. В других известных сообществах, разлагающих различные ксенобиотики, преобладают оактерии Pseudomonas, Flavobacteriuin и др. Например, алкилбензолсульфонаты разлагают четырехчленное сообщество Pseudomonas putida+P. alcaligenes+Arthrobacter globiformis+Serratia marcescens. Молекулярные механизмы функционирования подобных сообществ далеко не всегда установлены. Думается, что есть некоторая связь между такими сообществами и явлением синтрофии ((снять: синтрофнн)). Роль упомянутых сообществ весьма значительна ввиду роста химического загрязнения биосферы. Проблема того, как управлять подобными сообществами и их культивировать, представляется актуальной именно в целях борьбы с химическим загрязнением. Таким образом, все сказанное выше убеждает в существовании 'Общности во многих аспектах биохимической экологии про- и эукариот. При этом следует подчеркнуть существование очень глубоких различий в молекулярных механизмах реализации некоторых экологически универсальных принципов. Еще одна большая группа фактов, сближающих биохимическую экологию про- и эукариот,- существование многочисленных взаимодействий между прокариотами и эукариотами, опосредованных различными метаболитами или биохимическими механизмами. К такого рода взаимодействиям относятся следующие (перечень не претендует на полноту; пункты расположены в произвольном порядке).

1. Взаимодействия между Rhizobium spp. и бобовыми (среди хемомедиаторов - лютеолин и 7,4-диоксифлавон), между Agrobacterium tumefaciens и некоторыми растениями (среди хемомедиаторов - ацетосирингон и α-оксиацетосирингон) (см., например, [Halverson, Stacey, 1986; Pugsley, 1987]). 2. Биохимические взаимодействия между патогенными бактериями и растениями (имеется сходство даже на молекулярном уровне с взаимодействием между грибами и растениями, см. разд. 2.3); в этих взаимодействиях участвуют различные токсические вещества и ингибиторы ферментов. 3. Негативное воздействие INA-бактерий (ice nucleation active bacteria) на растения путем инициации льдообразования. 4. воздействие бактерий на растения, опосредованное сидерофорами. 5. Ингибирование бактерий веществами растений. В водных экосистемах - продуцирование водорослями многочисленных антибактериальных соединений (например, см. табл. 12). В наземных экосистемах - ингибирование нитрифицирующих бактерий веществами некоторых растений (см., например, [Райс, 1978]). 6. Взаимодействие между бактериями и животными с участием токсичных веществ. Широко известны многочисленные токсины бактерий. Многие виды животных (особенно водных беcпозвоночных) вырабатывают антибактериальные вещества [Wright, 1984; и др.]. 7. Широкий круг симбиотических ассоциаций между прокариотами, с одной стороны, и эукариотами (в том числе грибами, растениями, животными) - с другой. Некоторые из частных примеров подобных ассоциаций упомянуты в других пунктах этого перечня. 8. Стимулирование образования биологически активных соединений в рамках аменсальных взаимоотношений (например, стимуляция синтеза леворина Str. levoris в присутствии грибов Candida spp.). 9. Стимулирование роста (при совместном обитании грибов и бактерий). Некоторые (но далеко не все) из упомянутых вопросов подробнее освещены в других местах книги. Один из основных выводов, который следует из данного раздела,- констатация множества аналогий в биохимической экологии прокариот и эукариот. Вместе с тем биохимические механизмы, формирующие экологические особенности прокариот, часто весьма специфичны и отличаются от биохимических механизмов эукариот, ответственных за явления и процессы, экологически универсальные для про- и эукариот.

2.2. Взаимодействия между низшими растениями Благодаря изучению роли химических веществ-экзометаболитов в жизни грибов и водорослей некоторые особенности экологии этих организмов стали более понятными. Как известно, для многих низших растений характерен сложный жизненный цикл и половой процесс, при котором происходит слияние клеток, находящихся во внешней водной среде. Естественно, имеются проблемы регуляции жизненного цикла и нахождения сливающимися клетками друг друга. Сейчас стало ясно, что функцию регуляторов и ориентиров могут нести вещества, выделяемые низшими растениями в водную среду. Кроме того, условия обитания в водной или увлажненной (почвенной) среде создают благоприятные возможности для эволюционного развития многообразных способностей низших растений к межвидовым конкурентным и иным взаимодействиям с участием экзометаболитов.

2.2.1. Внутривидовые взаимодействия Эти взаимодействия весьма важны в жизни многих грибов и водорослей. Без них, по-видимому, было бы невозможно нормальное протекание жизненного цикла многих из них. Практически почти все аспекты биологии низших растений - половое размножение, онтогенез, регуляция плотности популяции - демонстрируют участие экологических хемомедиаторов и хеморегуляторов. Рассмотрим следующие вопросы: 1) половые феромоны; 2) онтогенез клеточных слизевиков; 3) аутоингибиторы одноклеточных водорослей. Таблица 3. Примеры ауторегуляторов грибов и слизевиков (но данным А. С. Хохлова [1988]; и др.) Половые феромоны и аттрактанты. В жизненном цикле водорослей и грибов существенную роль играет слияние двух гаплоидных клеток. Для привлечения этих клеток друг к другу большое значение имеют химические вещества, которые называют половыми феромонами, мейтинг-феромонами (mating pheromones) или просто аттрактантами (табл. 3). Так, женские гаметы гриба Allomyces (из класса Chytridiomy- cetes) выделяют половой аттрактант для мужских гамет, названный сиренином (С15Н24О2, молекулярная масса 236, действует в концентрации 10-10 М). Исследовались также феромоны дрожжей рода Rhodosporidium (см., например, [Miyakawa et al., 1982]). У R. toruloides конъюгация между двумя гаплоидными клетками типа А и типа а проходит при посредстве специфических мейтинг-феромонов ((снять мейтииг-феромонов)). Структура феромона, образуемого клетками типа А, установлена; им является S-фарнезил-ундекапептид. Факт существования феромонов или аттрактантов подобного ((снять подооного)) типа обнаружен для многих видов грибов, в том числе для Saccharomyces cerevisiae, но структура соответствующих веществ расшифрована лишь для немногих случаев. Показано существование двух типов (mating types) гаплоидных клеток дрожжей Saccharomyses cerevisiae: тип а и тип α. Конъюгация клеток типа а и типа а приводит к образованию диплоидной зиготы a/α. Для успешного протекания конъюгации необходимы два пептидных феромона, секретируемых обоими типами клеток. Клетки типа а секретируют а-фактор, который изменяет физиологию клеток типа α и подготавливает их для конъюгации. Вспомогательные гены, необходимые для конъюгации, ранее получили обозначение STE-гены. Хаген и Спраг [Hagen, Sprague, 1984] показали, что а-фактор индуцирует быстрое увеличение экспрессии гена STE 3 в клетках типа α (этот ген экспрессируется только в α-клетках), причем индукция синтеза РНК STE 3 наблюдалась даже при блокировании синтеза белка циклогексимидом. Половая агглютинация а- и α-клеток обеспечивается наличием на их поверхности гликопротеинов (23 и 130 тыс. Да соответственно). Добавление к а- и α-клеткам гликопротеина противоположного типа делало эти клетки неспособными в дальнейшем к половой агглютинации [Hagiya et al., 1983]. Установлено наличие феромоноподобного фактора у дрожжей Schizosaccharomyces pombe; этот фактор, названный h-- фактором, продуцируют клетки типа h-. Интересно, что для функционирования механизма реагирования клеток дрожжей на этот фактор необходим продукт гена ras 1, который является гомологом онкогена ras млекопитающих [Fukui et al., 1986]. Биологический смысл этого пока неясен. Половое размножение водного гриба Achlya ambisexualis протекает с участием двух стероидных феромонов - антеридиола (синтезируется и выделяется женскими гифами; вызывает рост и дифференцировку мужских половых органов) и оогониола (продуцируется мужскими половыми органами, вызывает формирование женских половых органов, оогониев). В 1984 г. в цитозоле мужских клеток был обнаружен белок, связывающий антеридиол, который может представлять собой эндогенный рецептор для этого стероидного феромона [Riehl et al., 1984]. Возможно, дальнейшее изучение этого белкового рецептора поможет лучше понять проблемы рецепции стероидных гормонов у других организмов, в том числе млекопитающих и человека. Установлена структура феромонов, индуцирующих образование зигофоров (половых гиф) у ряда зигомицетов (класс Zygomycetes) из порядка мукоровых грибов (Mucorales), а именно Phycomyces blakesleeanus, Blakeslea trispora, Mucor mucedo. В (+) культурах двух последних видов найдены феромоны метил-4-дигидротриспораты и метилтриспораты, в (-) культурах - триспоролы и триспорины. При биоиспытаниях на двух из этих видов, Р. blakesleeanus и М. mucedo, была показана зигофороиндуцирующая способность еще одного вещества - метилтриспората Е [Miller, Sutter, 1984]. Возможно, что метилтриспорат Е служит половым феромоном у некоторых мукоровых грибов (рис. 1). Рис. 1. Феромоны (половые аттрактанты) низших растений 1 - эктокарпен (ectocarpene); 2 - мультифиден (multifidene); 3 - фукосерратен (fucoserraten); 4 - аукантен (aucantene); 5 - ламоксирен (lamoxirene); 6 - метилтриспо- рат Е (methyl trisporate Е) [Marner et al., 1984; Miller, Sutter, 1984; и др.] Аттрактанты, привлекающие сперматозоиды к женской гамете, найдены у многих водорослей-макрофитов (табл. 4). Зрелые женские гаметы нескольких видов ламинариевых водорослей (Laminariales) и водорослей порядка Desmarestiales выделяют феромоны, которые вызывают высвобождение сперматозоидов из созревших антеридиев (специальных половых органов), а также служат аттрактантом для сперматозоидов. Один из этих феромонов является эпоксипроизводным десмарестена (ранее найденного у бурых водорослей Desmarestia aculeata полового аттрак- танта, родственного эктокарпену), назван ламоксиреном и идентифицирован как 1-(1',2'-цис-эпоксибут-3'-енил) циклогепта-2,5- диен [Marner et al., 1984]. Порог чувствительности андрогамет бурых водорослей к хемомедиаторам весьма низок. Так, для андрогамет Ectocarpus silicu- losus порог чувствительности к эктокарпену составляет 0,89 нмоль/л, для андрогамет Cutleria multifida - 8,9 нмоль/л [Boland et al., 1983]. Безусловно, такая высокая чувствительность имеет эколого-эволюционное значение. Невыясненная проблема - возможность химических взаимодействий между различными видами водорослей в результате частичного перекрывания феромонных "букетов" (отсутствия строгой видоспецифичности феромонов). Не исключено, что воздействия молекул феромонов, продуцируемых одним видом, на андрогаметы другого вида, могут нести функцию химического нарушения репродукции другого вида, т. е. функцию химического оружия и химической борьбы за те или иные ресурсы среды (Boland et al., 1983). Феромоны обнаружены не только у бурых, но и у зеленых водорослей. Так, половая дифференциация репродуктивных клеток (гонидий) зеленой водоросли Volvox carteri и последующее половое размножение этой водоросли индуцируются при поступлении в водную среду феромона, вырабатываемого половыми мужскими сфероидами (sexual male spheroids) и являются гликопротеипом с молекулярной массой 30 000 [Gilles et al., 1984]. Таблица 4. Некоторые половые аттрактанты водорослей Онтогенез клеточных слизевиков. Химические вещества-посредники необходимы для нормального протекания онтогенеза миксомицетов. В онтогенезе диктиостелиума - Dictyostelium есть переход от амебоидной стадии к стадии многоклеточных псевдоплазмодиев, при котором клетки аггрегируют в один псевдоплазмодий. В регуляции этого перехода у четырех видов диктиостелиума, в том числе D. discoideum, участвует хемоаттрактант, выделяемый клетками во внешнюю среду,-циклический АМФ (цАМФ). В мембранах клеток найден особый рецептор для цАМФ. Для хемотактического реагирования клеток достаточно низкой концентрации цАМФ - всего 10-6-10-7 М. Есть указания на то, что для хемотаксиса диктиостелиума немаловажны фолиевая кислота и пте- рин; в мембранах найден фолатпый рецептор. Показано, что фолиевая кислота и цАМФ вызывают сходные эффекты: хемотаксис, синтез цГМФ и цАМФ, секрецию цАМФ. Восприятие клетками сигналов, инициированных внешним химическим веществом,- весьма сложный процесс, на что указывает наличие нескольких типов мест связывания фолатов: сайты А узнают фолиевую и 2-диаминофолиевую кислоты, сайты В и С предпочтительно связывают Nio-метилфолиевую и фолиевую кислоты. Выделяются также подклассы мест связывания фолатов: BF, Bs, Bss, CF, Cs [De Wit, Bulgakov, 1986a, b]. He исключено, что в случае диктиостелиума переход от одноклеточной стадии к многоклеточной может рассматриваться (конечно, со многими оговорками) как модель эволюционного перехода от одноклеточности к многоклеточности, причем особенно интересна здесь роль цАМФ, который до этого перехода выступает как внеклеточный хемомедиатор, а после перехода к много- клеточности (у современных позвоночных) действует уже как один из важнейших внутриорганизменных биорегуляторов. Ситуацию с диктиостелиумом необходимо принимать во внимание при изучении эволюции хемоаттрактантов и гормональной системы. Еще одно вещество, так называемый фактор, индуцирующий дифференциацию (differentiation inducing factor, DIF, или ДИФ), необходимо для нормального онтогенеза Dictyostelium discoideum. В 1987 г. Моррис и соавт. (Morris et al., 1987) установили структуру ДИФ-1, основного компонента этого фактора. Он имеет небольшую массу. (306,04), атомный состав С13Н16O4С12 и по своей структуре является 1-(3,5-дихлор-2,6-диокси-4-метоксифенил)- 1-гексанопом. Диализуемый фактор ДИФ-1 способен экзогенно воздействовать на тест-клетки диктиостелиума, на чем основано его биотестирование. Наличие экзогенного эффекта ДИФ-1 на клетки указывает, что он может действовать как внеклеточный хемомедиатор, передающий сигнал от клетки к клетке. При изучении онтогенеза сигнальные молекулы называют морфогенами (morphogens). Изучение ДИФ-1 порождает вопрос о том, в какой мере возможны эволюционная связь и преемственность между экологическими хемомедиаторами и морфогенами. Аутоингибирование фитопланктона. При выращивании культур некоторых фитопланктонных водорослей обнаружено, что добавление в культуральную среду фильтрата старой культуры той же водоросли подавляет рост изучаемой культуры. Детальные опыты показали, что в культуральной жидкости накапливаются вещества-аутоиигибиторы, которые подавляют рост водоросли - продуцента этих веществ. Действие подобных веществ обнаруживается, если в течение соответствующего времени регистрировать скорость размножения, выраженную как увеличение числа клеток в 1 ч на 1 клетку культуры. Этот показатель постепенно падает, как полагают, не без участия аутотоксичных веществ. Данное действие аутотоксичных веществ может рассматриваться как один из простейших примеров саморегуляции популяции; благодаря такой саморегуляции популяция избегает экспоненциального (или вообще неограниченного) роста, который был бы катастрофичным в условиях ограниченности ресурсов среды или, иначе говоря, ограниченной экологической емкости местообитания. Значительный вклад в изучение ингибиторов роста клеток фитопланктона, например хлореллы, внес Пратт, начавший публиковать работы по этому вопросу в 1940 г. (см. [Райс, 1978]).

2.2.2. Межвидовые взаимодействия Межвидовые взаимодействия целесообразно рассмотреть на примере следующих групп вопросов: 1) взаимодействие различных видов планктонных водорослей; 2) воздействие некоторых видов водных макрофитов на фитопланктон; 3) воздействие некоторых видов водорослей на грибы; 4) взаимодействие грибов с грибами. Взаимодействие разных видов и штаммов фитопланктона. Выше описывалось аутоингибирующее воздействие экзометаболитов планктонных водорослей. Было установлено также ингибирующее воздействие веществ, выделяемых клетками одного вида водорослей, па рост клеток другого вида. В одной из серий опытов (Proctor, 1957; см. [Райс, 1978]) пять видов водорослей выращивали попарно в десяти различных сочетаниях. Изучению подверглись представители родов Chlamydomo- nas, Haematococcus, Scenedesmus, Anacystis и Chlorella. Оказалось, что во всех сочетаниях угнетаются один или оба вида. Особенно агрессивен был вид A. nidulans, который полностью или почти полностью останавливал рост всех других четырех видов. Опыты подобного типа неоднократно ставились на многих видах водорослей; они свидетельствуют об очень широком распространении межвидового угнетения, опосредованного выделяемыми веществами. Установлена способность ряда штаммов нитчатых азотфиксирующих цианобактерий Nostoc sp., Anabaena doliolum, Fischerella muscicola продуцировать бактериоцины и другие антибиотики, убивающие родственные штаммы [ Flores,Wolk, 1986]. По-видимому, имеет место химическая борьба и не только между видами, но и между штаммами одного вида. Поэтому уместно подчеркнуть условность границ между межвидовыми и внутривидовыми взаимодействиями. Не исключено, что некоторые вещества, продуцируемые фитопланктонными водорослями, могут оказаться перспективными альгицидами. Так, обсуждалась возможность подобного использования антибиотика цианобактерина C23Н23O6Cl (молекулярная масса 430), выделяемого цианобактерией Scytonema hofmanni (см. [Garmon, 1982]). По-видимому, широкое распространение метаболитного ингибирования в мире фитопланктона связано с возможностью конкуренции, например, за ресурсы элементов минерального питания или какие-либо другие. В определенных случаях возможно, что ингибирующее воздействие на другие водоросли и даже на клетки своего же вида есть побочный результат эволюционной выработки токсичных веществ против животных-консументов. По-видимому, наблюдаемые в природе резкие колебания численности популяций различных видов фитопланктона и смена доминирующих видов в течение вегетационного сезона в той или иной степени определяются именно указанными аллелопатически- ми взаимодейстиями с участием токсичных веществ. Подавление фитопланктона веществами водных макрофитов. Из харовых водорослей было выделено аллелопатическое вещество 5-метилтио-1,2,3-тритиан (5-methylthio-l,2,3-trithiane), которое ингибировало фотосинтез эпифитных диатомовых водорослей, я также подавляло озерный и прудовой фитопланктон. Это вещество (в опытах испытывали синтезированное соединение) подавляло фотосинтез уже в концентрации 3 мкМ. Из харовых было выделено еще одно вещество, которое подавляло фитопланктон,- 4-метилтио-1,2 -дитиолан (4-methylthio-l,2-dithiolane). Действие этих веществ-хемомедиаторов и других, подобных им, может объяснить, почему популяции Chara редко имеют эпифитов и подавляют рост фитопланктона в природных местообитаниях [Wium- Andersen et al., 1982]. Водоросли и грибы. Имеются данные о том, что некоторые почвенные микроводоросли оказывают антифунгальное действие. Особенно важно то, что водоросли способны подавлять некоторых возбудителей болезней сельскохозяйственных растений. Так, в Институте микробиологии АН УзССР было показано, что внесение в почву культуральной жидкости водоросли Scenedesmus obliquus вызывает уничтожение опасного возбудителя вилта (увядания) хлопчатника - несовершенного гриба Verticillinm dali- Пае. Не исключено, что использование подобных препаратов или конкретных веществ, ответственных за токсичное воздействие на вертициллиум или другие фитопатогенные грибы, внесет вклад в экологизацию сельского хозяйства благодаря возможности частично заменить обработку фунгицидами на обработку экологически безопасными препаратами биологического (биотехнологического) происхождения. Взаимодействие грибов с грибами. Среди грибов встречается явление паразитизма грибов на грибах. При этом обе стороны могут использовать биохимические средства агрессии или защиты (например, см. [Великанов, Сидорова, 1983]). Большинство (если не все) грибов-микопаразитов способно вырабатывать литические "ферменты нападения" - хитиназу, протеиназы, глюканазы, с помощью которых они разрунтают клеточные стенки многих грибов (см., например, [Великанов, Сидорова, 1983]). Гриб-паразит может использовать метаболиты, выделяемые потенциальной жертвой, в качестве сигнала, индуцирующего рост его гиф (т. е. эти метаболиты действуют как кайромоны). Так, показано, что базидиоспоры Inonotus rheades выделяют вещества, стимулирующие рост гиф паразита. С другой стороны, гриб-паразит может выделять вещества (алломоны, аттрактанты), вызывающие рост гиф будущего хозяина по направлению к колонии микопаразита. Такой способностью обладают калькариспориум -Са1- carisporium parasiticum и гонатоботрис - Gonatobotrys simplex. Гриб, защищающийся от атаки паразитов, может вырабатывать алломоны - репелленты, антифунгальные вещества и антибиотики, обладающие антифунгальным действием. Последние обнаружены, например, в плодовых телах многих Agaricales, которые, как правило, устойчивы к микопаразитам. Вещества, подавляющие рост ряда микофильных грибов, найдены у Oudemansiella radicata. Интересная ситуация наблюдается у некоторых грибов, Живущих в ассоциации с другими организмами. Например, микоризный гриб лейкопаксиллюс - Leucopaxillus cerealis выделяет антибиотик с антифунгальным действием, который предотвращает заселение корней высшего растения (в данном случае сосны) другими грибами, в том числе и патогенными. В результате устойчивость и длительность существования всей микоризной ассоциации возрастают (Marx, 1969; см. [Великанов, Сидорова, 1983]). Обширная информация о продуцировании грибами метаболитов с выраженным антифунгальным действием (которое может сопровождаться также антибактериальным действием) излагается в многочисленных сводках по антибиотикам (см., например, [Егоров, 1979]). Эти антифунгальные вещества могут действовать как алломоны (супрессанты), которые подавляют конкурирующие виды грибов. Ряд других интересных фактов о химических взаимодействиях грибов, синтезе ими антифунгальных веществ освещен в работах [Великанов, Сидорова, 1983; Беккер, 1988].

2.3. Эколого-биохимические взаимодействия низших растений с высшими растениями 2.3.1. Некоторые общие замечания Биохимические взаимодействия этого типа нередко представлены борьбой между высшими растениями и поражающими их грибами. Обе стороны пользуются в этой борьбе биохимическими средствами агрессии и защиты. Однако биохимические взаимодействия гриба и сосудистого растения могут быть благоприятны для высшего растения. Важнейший случай такого рода - микориза, которая довольно хорошо исследована. Другой тип ассоциации, благоприятной для высшего растения, обнаружен сравнительно недавно, в 1982-1983 гг., при изучении райграсса пастбищного Lolium perenne L. Оказалось, что устойчивость ряда сортов райграсса пастбищного к вредящим сельскому хозяйству фитофагам Listonotus (=Hyperodes) bonariensis Kuschel обусловлена присутствием в организме растения, сожительствующего с ним гриба, так называемого Lolium-эндофита [Mortimer et al., 1983; Prestidge et al., 1982]. Вскоре обнаружилось, что ассоциация райграсса пастбищного с тем же или сходным грибом-эндофитом придает злаку устойчивость еще к одному вредящему фитофагу - луговому мотыльку Grambus spp. [Funk et al., 1983]. В растениях овсяницы Festuca arundinaceae Schreb, содержащих сходный или идентичный гриб-эндофит Epichloe typhina (Fr.) Tul. (позже переименованный в Acremonium coenophialum), обнаружены характерные вторичные метаболиты - пирролизиди- новые алкалоиды, N-ацетиллолин и N-формиллолин [Bush et al., 1982]. В инфицированных эндофитом растениях райграсса пастбищного найдены нейротоксины [Gallagher et al., 1982]. Полагают, что именно все эти химические вещества придают злаку-хозяину эндофита устойчивость к фитофагам [Funk et al., 1983]. Возможность того, что токсины эндофитных грибов, поражающих пастбищный райграсе (Lolium perenne), способны нести функцию защиты растения-хозяина от фитофагов, была подтверждена при изучении эндофита Acremonium. Этот эндофит вырабатывает I вещества, токсичные для насекомых, и растения, резистентные к эндофитам, чаще погибают под влиянием насекомых-фитофагов [Latch, 1985]. Инфицирование райграсса эндофитными грибами приводит к появлению в райграссе нейротоксинов лолитрема А и В и еще двух нейротропных токсинов в семенах райграсса. По-видимому, именно токсины эндофитных грибов вызывают нейромышечное заболевание пастбищных сельскохозяйственных животных - райграссовые шатания (ryegrass staggers). Каким образом гриб находит то растение, которое затем подвергается его атаке? В частности, как зооспоры патогенных грибов находят в почве корни поражаемых ими растений? Установлено, что зооспоры грибов привлекаются к корням химическими аттрактантами; не исключено, что процесс привлечения зооспор можно уподобить процессу привлечения гамет под действием половых аттрактантов. Установлена химическая структура ряда аттрактантов, привлекающих зооспоры следующих патогенов [Yokosawa et al., 1986 и др. ]: Pythium aphanidermatum - серин; Aphanomyces raphani - индол-3-альдегид; A. euteiches -5,4'-диокси-7-метоксиизофлавон (прунетин). Рис. 2. Прунетин (prunetin) из корней гороха Pisum sativum, аттрактант для зооспор Aphanomyces euteiches [Yokosawa et al. 1986] Один из этих аттрактантов, прунетин (рис. 2), выделен из многих организмов: некоторых розоцветных и бобовых (в том числе гороха - Pisum sativum), из Iris millesii, Oroxylum indicum. Прунетин обнаружен даже среди метаболитов бактерии Mycobacterium phlei. Интересен спектр биологической активности прунетина: он обладает эстрогенной и антиоксидантной активностью, стимулирует оксидазу индолуксусной кислоты. Вместе с тем как аттрактант для зооспор он довольно специфичен и не привлекает зооспоры Aphanomyces cochlioides [Yokosawa et al., 1986]. Обобщим накопленную информацию о влиянии на грибы метаболитов растений. Особенно ценной представляется работа Л. Л. Великанова и И. И. Сидоровой [1983], где сформулированы четыре типа воздействий, ниже приведенных с некоторыми изменениями как пункты 2-5. Думается, что многое из того, что известно о действии растений на грибы, имеет более общий характер и может быть перенесено и на отношения растений с прокариотами. Итак, воздействия метаболитов растений на грибы и ряд прокариот включают: 1) ингибирование, токсическое действие; 2) селекционирующее действие корневых выделений, веществ опада и, возможно, летучих и газообразных выделений растений на комплексы грибов и прокариот ризопланы и ризосферы; 3) стимуляцию прорастания выделениями и метаболитами растений покоящихся структур грибов и прокариот, в том числе фитопатогенных организмов и микоризообразующих грибов; 4) индукцию морфогенеза и формирования структур у грибов и прокариот, в том числе у фитопатогенных организмов; 5) определение хемотропических реакций и хемотаксиса у паразитических и других микроорганизмов (включая грибы). Рассмотрим основные типы биохимических средств, которыми пользуются грибы при своей агрессии, а затем тех средств, которые помогают растениям обороняться от грибной агрессии.

2.3.2. Биохимические средства нападения грибов на растения Эти средства очень разнообразны. Можно выделить следующие: 1) фитотоксины; 2) гормоны роста; 3) ферменты; 4) закупоривающие сосуды вещества; 5) воздействие на накопление первичных метаболитов у растения. Многие биохимические средства грибов имеют аналоги в мире бактерий, среди которых также немало патогенов растений. Фитотоксины. Сравнительно хорошо изучены патотоксииы гриба, который вошел во многие обзоры по экологии как классический пример интродуцента, вызвавшего в местных экосистемах катастрофические последствия. Это гриб цератоцистис вязовый (Сеrаtostomella) Ceratocystis nimi (подкласс эуаскомицетов). Азиатский штамм этого гриба, попав в США, вызвал почти полную гибель вязов на огромных территориях. С 1934 по 1940 г. область, охваченная заболеванием, возросла с 6250 до 97 500 км2. Гриб переносится насекомыми, и один из основных переносчиков - короед струйчатый заболонник Scolylus multistrialus. Популяции вяза в Северной Америке не проходили совместную эволюцию (коэволюцию) с цератоцистисом вязовым и не обладали эффективной биохимической защитой против него. Гриб выделяет несколько патотоксинов, губительных для вяза, в которые входит смесь гликопротеинов и низкомолекулярные фенольные вещества. Характерно, что и цератоцистис, и многие патогены вырабатывают сразу целый набор патотоксинов, в который могут входить вещества, резко отличные друг от друга по химической природе. Среди патотоксинов грибов некоторые представляются весьма интересными ввиду их специфичности. Так, недавно получены новые данные о высокой специфичности токсинов гриба Alternaria citri [Gardner et al., 1985]. Среди шести токсинов наиболее активен так называемый Токсин I (ЕД50 = 30 нг/мл), проявлявший токсичность (измеряемую по ингибированию включения 14С-пролина в ткани) только для трех из десяти испытанных сортов цитрусовых. Токсин I представляет собой 19-углеродный полиалкоголь с α-дигидропироновым кольцом. Изучение подобных специфических токсинов весьма интересно ввиду желательности разработки высокоспецифичных гербицидов для сельского хозяйства. Среди тех токсинов грибов, которые привлекают внимание как прообразы гербицидов,-светоактивируемые токсины, в том числе так называемый церкоспорин. При освещении церкоспорин образует синглетный кислород и супероксид и повреждает растения в результате переокисления их мембранных липидов [Rawls, 1986]. Обзор свойств некоторых фитотоксинов грибов дан в ряде работ (например, [Мирчинк, 1986; Беккер, 1988]). Гормоны роста. Эти вещества вырабатываются некоторыми грибами; они изменяют метаболизм и стимулируют быстрый рост травянистых растений в длину. Стебли вытягиваются и под тяжестью собственного веса сгибаются или полегают. Растение ослабевает и становится более уязвимым и доступным для сапрофитных грибов. Типичный продуцент - патоген риса гриб гибберелла-Gibberella (подкласс эуаскомицеты). Гиббереллины, получившие свое название от этого гриба, образуются и другими видами грибов, например Taphrina из аскомицетов. Один из активных продуцентов гиббереллипов - гриб Fusarium moniliforme, который является конидиальной стадией Gibberella fujikuroi. Экологическое значение может иметь то, что гиббереллины адсорбируются почвой и могут сохраняться в ней в адсорбированном виде [Мирчинк, 1976]. Ферменты, ингибиторы ферментов, их биотехнологическое значение. Ферментами грибов и их ингибиторам посвящено огромное число работ (например, [Мирчинк, 1976; Безбородов, 1986; Glanser, Ban, 1983; Williams et al., 1986; и др.]). Среди ферментов грибов, разрушающих клеточные оболочки растений, можно выделить следующие группы ферментов (в произвольном порядке). 1. Ферменты пектиназы. освобождающие микрофибриллы целлюлозы от связи с матриксом клеточной стенки и разрушающие пектин. Сюда входят пропектиназа, пектинэстеразы, полигалактуроназы. 2. Комплекс ферментов, разрушающих фибриллы целлюлозы. 3. Ферменты, гидроксилирующие другие полисахариды (например, ксилан, галактоманнан, арабиногалактап и др.). 4. Ферменты, разрушающие лигнин. Кроме того, у ряда штаммов грибов встречаются ферменты, модифицирующие и разрушающие те химические вещества, с помощью которых растение защищается от грибов. Их разнообразие очень велико. Немаловажную роль во взаимодействии растения и гриба играют вырабатываемые патогеном протеиназы, фосфатазы, дегидрогеназы, экзоцеллюляриая пероксидаза и другие ферменты. Ферменты грибов имеют огромное экологическое значение и помимо их патогенной роли для растений. Именно благодаря мощному ферментному аппарату грибы выполняют свою биосферную роль редуцентов, разрушителей органического вещества. Только эти ферменты (наряду с ферментами бактерий) обеспечивают распад в экосистемах устойчивых полимеров. Эти ферменты (особенно целлюлазного комплекса, а также разрушающие лигнин) приобретают сейчас весьма большое значение для разработки биотехнологических приемов утилизации отходов сельского и лесного хозяйства, для экологизации этих отраслей экономики, а также энергетики и некоторых видов промышленности. Для биотехнологии и охраны среды от загрязнения лигнинсодержащими отходами представляют интерес многие виды грибов, способные к ферментативному разрушению лигнина, в том числе дрожжи Trichosporon fermentans, Т. penicillatnm [Glanser, Ban, 1983]; гриб Phanerochaete chrysosporium или Polyporus tulipiferae, Fusarium sp. и некоторые съедобные грибы [William et al., 1986]. Обзор данных о способности многих почвенных грибов разрушать лигнинсодержащий растительный опад сделала Мирчинк [1976]. Биотехнологическое и экономическое значение имеет также способность ряда грибов и бактерий разрушать таннины. Танназа (ЕС 3.1.1.20) была выделена из Aspergillus spp., Penicillium spp.t Candida sp. [William et al., 1986]. Наряду с продуцированием высокоактивных ферментов грибы синтезируют ингибиторы ферментов (см, например, [Безбородов, 1986]), которые могут нести функцию регуляции этих ферментов и защиты от них самих клеток продуцентов. Набор найденных ингибиторов ферментов грибов (а также бактерий) весьма широк. Одновременно необходимо отметить, что ингибиторы ферментов могут служить грибам и в роли химического оружия для защиты от других грибов, для агрессии против растений (тогда трудно провести грань между патотоксинами грибов и ингибиторами ферментов), для более эффективной конкуренции с грибами-антагонистами за среду обитания. Последнюю функцию - оружия в конкурентной борьбе - могут нести и ферменты грибов. Так, виды Trichoderma spp. (в том числе Trichoderma harzianum) могут служить средством биологической борьбы против патогена Rhizoctonia solani, так как трихо- дерма продуцирует ферменты - хитиназу и β-1,3-глюконазу, которые разрушают клеточные стенки патогенных грибов [Lynch, Ebben, 1986]. Вещества, закупоривающие сосуды. Один из эффективных способов ослабить растение при грибной инфекции - закупорка сосудов, проводящих воду. Закупорка происходит вследствие того, что грибы вырабатывают полисахаридные клеи или другие вещества. Некоторые из этих веществ охарактеризованы и получили свои названия. Так, гриб фузариум - Fusarium oxyspornm (класс несовершенные грибы, подкласс гифомицеты) вырабатывает наряду с патотоксинами вещество вазинфускарин, которое закупоривает проводящие сосуды растения. При бактериозах (поражении растений бактериальными патогенами) также нередко наблюдается закупорка сосудов слизистыми массами бактерий. Воздействие на накопление у растений первичных метаболитов. Гриб может интоксицировать растение даже без выработки специальных патотоксинов. В некоторых случаях гриб воздействует на нормальный метаболизм растительной клетки таким образом, что она начинает накапливать необычно большие количества одного из первичных метаболитов. Так, плесневый гриб ризопус Rhizopus (класс зигомицеты, сем. Mucoraceae) может вызывать у растения накопление фумаровой кислоты. Далее растение само окисляет ее с образованием токсичного эпоксисукцината. Затем эпоксисукцинат превращается в мезовинную кислоту, которая, в свою очередь, окисляется в щавелевоуксусную кислоту, участвующую в цикле Кребса. Однако появление существенных концентраций эпоксисукцината достаточно для интоксикации растения. Экологическое и прикладное сельскохозяйственное и биотехнологическое значение биохимических средств агрессии грибов. Значение этих веществ выходит за рамки фитопатологии. Поскольку растения не могут физически передвигаться (подобно тому, как животные убегают от хищников) и не способны механически уничтожать грибы, то исход поединка между грибами и постоянно доступными для них растениями решает соотношение между эффективностью биохимических средств нападения грибов и эффективностью биохимических средств защиты растений. В свою очередь исход этой борьбы определяет принципиально важный параметр экосистемы: какая доля первичной продукции поступит в детритный канал потребления (в трофическую цепь: растение → сапрофиты и т. д.), а какая доля - в пастбищную цепь. Поэтому все рассмотренные химические вещества с точки зрения экосистемы, где они действуют, являются хеморегуляторами. С определенным основанием их можно назвать химическими ценозорегуляторами. Конечно, огромное значение имеют химические средства агрессии грибов для понимания фитопатологического процесса. Данному вопросу посвящена огромная литература. Сельскохозяйственное значение могут иметь фитотоксины грибов как прообраз гербицидов. Интересна в этом случае специфичность действия ряда фитотоксинов грибов на высшие растения. Еще один аспект сельскохозяйственного значения грибов - роль их токсинов и продуктов активности их ферментов в токсикозе почв, почвоутомлении и аллелопатии (например, [Мирчинк, 1976, Гродзинский и др., 1987]; см. также гл. 3 данной книги). Рассмотренные в данном разделе вещества относятся к весьма эффективно действующим БАВ, которые могут быть получены при культивировании соответствующих грибов как биотехнологических объектов. Ферменты грибов (а также некоторых прокариот) и ферментативные реакции в среде их культивирования могут использоваться для микробиологической трансформации веществ с целью получения соединений, применяемых в промышленности и медицине. Высокоэффективный и многофункциональный аппарат ферментов грибов, их быстрая биохимическая адаптация к новым субстратам порождают еще одну серьезную экологическую и экономическую проблему - биоповреждение материалов и изделий.

2.3.3. Биохимические средства защиты растений от грибов Выделяются две большие группы веществ, обеспечивающих устойчивость данного вида растения к патогенным грибам (Ingham, 1973; Wood, 1982; и др.]. Одна группа веществ постоянно присутствует в высшем растении, независимо от того, произошла атака гриба на него или нет. Эти вещества называют преинфекционнымн соединениями. Другая группа веществ отсутствует в здоровом и неатакованном растении, но появляется в нем после инфекции гриба. Эти вещества носят название постинфекционных соединений. Преинфекционные соединения. Среди них выделяют две группы веществ. Во-первых, прогибитины - постоянно предсуществующие в растении метаболиты, которые уже в имеющейся концентрации уменьшают или полностью останавливают развитие патогена in vivo. Во-вторых, так называемые ингибитины - метаболиты, концентрация которых в тканях растения после инфекции резко увеличивается. Экологически важно следующее. Роль многих из преинфекционных соединений выходит за рамки индивидуальной устойчивости данного организма к патогену. Многие преинфекционные соединения защищают растения не только от грибов, но и несут другие экологические функции: участвуют в аллелопатическом подавлении других растений или в какой-то мере уменьшают пищевую активность растительноядных животных. Прогибитины. Многие из них - вещества фенольной природы, но есть и другие вещества (среди тех нрогибитинов, структура которых установлена). Примерами таких прогибитинов могут служить протокатеховая кислота и катехол, оба вещества из лука Allium сера. Другой приме - пиносильвин (pinosylvin) из древесины сосны (оксистильбен с двумя оксигруппами). В люпине найдены лутеон (lnteone) и 2 -деоксилутеон, в проростках ячменя (Hordeum) - гордатин A (hordetine А) и гордатин Б, в овсе (Avena) - авенацин (avenacin), в корнях магонии (Mahonia trifoliate, сем. барбарисовых) - берберин (berberine). На примере биохимических взаимодействий овса и гриба аско- мицета офиоболюса - Ophiobolus graminis, вызывающего корневую гниль у злаков, можно наблюдать, как на биохимическом уровне происходит эволюционная притирка вида-продуцента и вида-кон- сумента. У данного гриба, как и у многих других патогенов, описано несколько разновидностей, отличающихся специализацией на определенных видах-хозяевах. Одна из разновидностей О. graminis var. avenae специализируется на овсе; эта разновидность при своей совместной с овсом эволюции выработала фермент авенациназу, гидролизующий связь, которой к авенацину присоединяется терминальный остаток пентозы. После его отщепления авенацин теряет токсичность. Аналогичным образом (но при широком наборе биохимических механизмов) происходит эволюционная выработка резистентности членистоногих и растений к ядохимикатам. Таблица 5. Примеры токсичных для грибов веществ, локализованных на поверхности растений [Harborne, 1983] Сходная ситуация обнаружена при биохимическом взаимодействии овса с грибом дрехслерой - Drechslera avenacea. У овса есть ингибитор авенакозид А. Есть указания на то, что дрехслера выработала фермент, отщепляющий остаток глюкозы от 26-го углеродного атома (С26) авенакозида А. Среди тюксичных для грибов веществ выделяют группу веществ, локализованных на поверхности растений и составляющих один из первых эшелонов обороны от грибов (табл. 5). Ежегодно описывают новые вещества растений с антифунгальным действием. Примеры некоторых новых данных в этой области приведены в табл. 6. Ингибитины. После инфекции патогена у многих растений около места инфекции возрастает концентрация некоторых ароматических соединений. Сравнительно хорошо изучено накопление производных кумарина и кумаровой кислоты. Последняя получается из тирозина после отщепления аминогруппы и образования двойной связи. Таблица 6. Некоторые антифунгальные вещества высших растений Так, при взаимодействии картофеля и гриба фитофторы - Phytophtora infestans (класс оомицетов) вблизи места инфекции картофельных клубней спорами фитофторы может резко увеличиваться концентрация кумарина скополетина (в 10-20 раз), а также хлорогеновой кислоты (в 2-3 раза). Постинфекционные соединения. Среди них выделяют две группы веществ. Во-первых, постингибитины - вещества, образующиеся при модификации (гидролизе или окислении) предсуществовавших в растении нетоксичных веществ. Во-вторых, фитоалексины - метаболиты, которые образуются после инфекции растения совершенно заново, как полагают, в результате активизации генов или активации латентной ферментной системы. Постингибитины. Принцип ввода в действие токсичных веществ путем модификации ранее накопленных нетоксичных предшественников очень широко распространен в биохимической экологии. Он используется не только при защите растений от атак патогенов (табл. 7). Этот же принцип реализуется и при обороне растений от фитофагов, и при аллелопатических взаимодействиях между растениями. Таблица 7. Примеры некоторых фунгитоксинов, присутствующих в растениях в связанной форме (bound toxins) [Harborne, 1983] Экологически интересно, что, по-видимому, хотя бы в некоторых случаях широко используется не только принцип, но и класс веществ - полифункциональные конкретные вещества. Это может относиться к цианогенным гликозидам, которые служат для защиты и от патогенных микроорганизмов, и от животных-фитофагов. 1. Цианогенные гликозиды. Интересно биохимическое взаимодействие лядвенца Lotus corniculatus (сем. бобовые) и патогенного гриба стемфилиума - Stemphylium loti. Лядвенец накапливает цианогенный гликозид - линамарин. Под действием фермента ли- намариназы от него отщепляется остаток глюкозы. Получившееся соединение спонтанно распадается с образованием HCN. Однако патоген экологически связан с лядвенцем (латинское название гриба не случайно). Это означает, что патоген способен преодолевать химическую оборону лядвенца; в ходе коэволюции с данным растением он выработал фермент формамидгидролиазу, который превращает HCN в формамид. Известны и многие другие цианогенные гликозиды. Так, у растений рода брассика (Brassica), куда входят капуста, брюква, репа и турнепс, образуется содержащий глюкозу синигрин. Под действием фермента мирозиназы он образует изородановый аллил (аллилгорчичное масло) СН2=СН-СН2-NCS. Еще одна экологически интересная группа примеров - виды рода тюльпан (Tulipa) из сем. лилейных. Растения этого семейства образуют луковицы, в которых накапливаются и длительно хранятся питательные вещества. Луковицы локализованы в почве, где могут подвергаться атаке грибов. Тем не менее луковицы не поражаются или сравнительно мало поражаются грибами благодари наличию ряда адаптаций, в том числе фунгитоксичных веществ. Например, у тюльпанов описаны гликозиды 1-тулипозид A (tuli- poside А) и 1-тулипозид Б. Они могут превращаться в тулипалин A (tulipalin А) и Б соответственно. Оба последних соединения высокотоксичны для грибов. Еще одна группа соединений, которые могут выступать и в роли постингибитинов, и в роли других экологических хемоэффекторов или хемомедиаторов,- фенолы. 2. Фенолы. Один из путей резкого увеличения их токсичности - окисление предсуществующих 3,4-оксифенолов с образованием высокотоксичных о-хинонов, которые могут конденсироваться с аминосоединениями с образованием еще более токсичных соединений. Именно таково защитное вещество - постингибитин яблони, являющееся производными 3-оксифлоретина (3-hydroxyphloretin). Образование фунгитоксичного о-хинона из фенола происходит благодаря ферменту (фенолазе), который вступает в действие лишь после того, как заражающий патоген нарушает клеточные мембраны. Рассмотрим вторую крупную группу постинфекционных соединений [Метлицкий, Озерецковская, 1973; Bailey, Mansfield, 1982; и др.]. Фитоалексины. Постулат о существовании веществ типа фитоалексинов, образующихся в растении после инфекции, выдвинули в 1941 г. Мюллер и Бёргер (Muller, Borger). Первый фитоалексии был выделен, кристаллизован и химически охарактеризован лишь в 1960 г. Круикшенком и Перрином (Gruickshank, Perrin). Этим фитоалексином оказалось вещество из группы птеро- карпанов, обнаруженное в горохе (Pisum sativum) и названное поэтому пизатином (pisatin). Пизатин образуется в горохе после заражения его грибом монилиния - Monilinia fructicola (подкласс эуаскомицеты). К началу 80-х годов было изучено химическое строение более 50 фитоалексинов (см., например, [Дьяков, 1983]). По своей химической структуре фитоалексины очень разнообразны [Метлицкий, Озерецковская, 1973]. Среди них находят изофлавоноиды (сем. маревые и бобовые), полиацетилены (сем. сложноцветные), терпены, терпеноиды и их производные (сем. молочайные, вьюнковые, мальвовые, пасленовые), производные фенантрена (сем. орхидные), бензойные кислоты (сем. розоцветные), изокумарины (сем. зонтичные) и др. [Дьяков, 1983]. Ежегодно сообщается об идентификации в инфицированных грибами растениях все новых антифунгальных соединений. Один из примеров - выявления в корнях Vigna angularis ("adzuki bean") после инфекции растений авирулетным штаммом Cephalosporium gregatum тип В (другой, ранее известный патогенный штамм обозначен как тип А) девяти антифунгальных веществ, среди которых новый изофлаванон дигидроуайтеон [Abe et al., 1987]. Общая черта многих различных по химической структуре фитоалексинов - некоторая степень липидорастворимости (гидрофобности). Даже у фенольных соединений нередко ряд полярных гидроксильных групп маскирован метилированием или образованием метилендиоксильных колец. Это может указывать на то, что фитоалексины способны взаимодействовать с клеточными мембранами грибов. Имеются свидетельства, что первичное действие некоторых фитоалексинов на клетки-мишени - подтверждение мембран последних: вызываемые различными фитоалексинами лизис зооспор грибов и эритроцитов, быстрая деполяризация мембранного потенциала харовых водорослей, потеря электролитов, обесцвечивание дисков сахарной свеклы и т. д. (например, [Дьяков, 1983]). Синтез фитоалексинов в клетках растений активизируется под действием некоторых химических веществ - так называемых элиситоров (elicitors), изучению которых посвящена немалая литература (см., например, [Дьяков, 1983; Проценко, 1987]). Элиситорная активность показана для широкого круга веществ, в том числе для таких, как различные углеводы (например, глюкоманнаны, β-1,3-глюкан, гепта-β-глюкозид), гликопротеины, липиды. Найдено элиситорное действие липогликопротеинового комплекса и некоторых жирных кислот - эйкозапентеновой и арахидоновой, выделенных из клеток фитофторы - Phytophthora infestans (например, [Дьяков, 1983; Проценко, 1987]). Интересно, что свойствами элиситоров обладают и некоторые синтетические вещества, а также такие факторы, как соли тяжелых металлов, Уф-облучение, ряд пестицидов и детергентов. Весьма интересным классом веществ грибов, участвующих в биохимическом диалоге грибов и растений-хозяев, являются так называемые супрессоры-метаболиты, способные ингибировать реакцию образования фитоалексинов у сортов растения-хозяина, совместимых с данной расой гриба (см., например, [Проценко, 1987]). По-видимому, экологические отношения растений и грибов подвергались весьма сложной эволюции на молекулярном уровне: растения эволюционно вырабатывали более активные фитоалексины и способность диагносцировать факт начала инфекции, а грибы - более эффективные биохимические механизмы защиты от фитоалексинов (то же самое может обобщить на всю группу химических защитных средств у растений). Для изофлавоноидов, например, установлено два типа биохимических механизмов их инактивации: гидроксилирование ядра и деметилирование метоксильных групп. Можно отметить, что оба типа этих реакций уменьшают липорастворимость. Продукты этих реакций более подвержены окислительному разрыву ароматических колец. Примером может служить детоксикация медикарпина из донника (Melilotus). Гидроксилирование его ядра приводит к уменьшению биологической активности; дополнительное, второе, гидроксилирование приводит к полностью неактивному веществу. Обе эти реакции описаны под действием некоторых грибов. Изучение биотрансформации и детоксикации фитоалексинов имеет широкое биотехнологическое значение; эти реакции важны для изучения более широкого вопроса о путях биотрансформации и инактивации живыми организмами ксенобиотиков (в том числе загрязняющих среду их обитания, см. гл. 6), а также способов биотехнологического синтеза некоторых органических соединений. Биохимический диалог между грибами и растениями пока еще недостаточно изучен; он далеко не исчерпывается изложенным выше. Так, некоторые грибы способны вырабатывать белки, которые связывают и тем самым инактивируют молекулы, служащие химической защитой растений. Возбудитель антракноза злаков Соlletotrichum graminicola (Ces) Wils. вырабатывает гликопротеины, способные связывать фенолы, которые образуются растениями в ответ на инфекцию. Эти гликопротеины являются одним из основных компонентов слизи, покрывающей споры грибов данного вида [Nicholson et al., 1986]. Новые данные о различных веществах растений, токсичных для грибов и подавляющих их развитие, размножение, прорастание спор и другие процессы, приведены в работах различных авторов (например, [Анисимов, 1987; Гродзинский и др., 1987; Bailey, 1986]. Другие способы и аспекты биохимической защиты высших растений от патогенов. Помимо перечисленных соединений, обладающих в той или иной степени фунгитоксичным действием, необходимо отметить еще некоторые факты, важные для биохимической защиты растений от патогенов. Растения во многих случаях способны подавлять те ферменты, которые служат авангардом в атаке гриба,- ферменты, расщепляющие компоненты клеточных стенок у растений. Кроме токсинов, ингибиторов и ферментов, немалую роль могут играть и органические кислоты. Их значение обусловлено тем, что токсичность многих вторичных метаболитов для грибов зависит от pH и максимальная их токсичность проявляется лишь при определенных значениях pH. Органические кислоты участвуют в детерминировании величины pH и могут сдвигать ее в область, где токсичность метаболитов грибов понижена. Еще один способ защиты растений - инактивация токсинов грибов. Растения могут в определенных случаях модифицировать молекулу токсина и образовывать конъюгаты их с молекулами своих клеток (интересно, что последний способ защиты подобен некоторым путям детоксикации загрязняющих веществ, см. гл. 6). Есть основания предполагать, что в защите растений могут участвовать механизмы, связанные с генерацией активных форм кислорода (см., например, [Аверьянов, Лапикова, 1988, 1989]). Экологическая роль защитных веществ растений. Вещества, тормозящие развитие грибов, фактически выступают регуляторами на участке важного раздвоения потока энергии через экосистему, а именно на участке, где происходит разделение энергетического потока на пастбищную и на детритную трофическую цепь. Та часть растительной биомассы, которая окажется доступной для грибов и усвоенной или некротизированной ими, идет по детритной трофической цепи. Та же часть, которая окажется недоступной (в значительной мере благодаря химическим защитным средствам растений) для грибов, наоборот, становится потенциальным энергетическим ресурсом для растительноядных животных и может использоваться далее по пастбищной трофической цепи. Тем самым биохимические средства защиты растений, как и биохимические средства атаки у грибов, приобретают функцию экологических хеморегуляторов, а в какой-то мере и ценозорегуляторов. Практическое значение защитных веществ растений для экологизации сельского хозяйства. Для экологизации сельского хозяйства и уменьшения использования пестицидов, в том числе фунгицидов, перспективным направлением является выведение таких сортов растений, которые от природы устойчивы к патогенам. Немалую роль в этой устойчивости играют отмеченные классы веществ. Выведение сортов растений, наиболее богатых пре- и постинфекционными антифунгальными соединениями, в свою очередь, предполагает хорошую изученность этих веществ и закономерностей их распределения у растений. Некоторые из них, возможно, удастся применять в сельском хозяйстве как экологически безопасные и специфичные к определенным патогенам фунгициды. В пользу такой возможности говорит следующее. Фитоалексин перца - сесквитерпеноид капсидиол (capsidiol) был использован в борьбе с фитофторой на томате в виде раствора с концентрацией 5 × 10-4 М (Ward et al., 1975; см. [Harborne, 1982]). Еще один возможный подход - обработка растений элиситорами фитоалексинов. Она может проводиться различными препаратами: слабо вирулентными штаммами грибов, средой прорастания спор грибов, препаратами клеточных стенок и глюканами из грибов, а также некоторыми искусственными соединениями. В результате индуцируется устойчивость растений благодаря росту их фунгитоксичности. Однако обработка элиситорами имеет и свои недостатки. Многие из веществ с элиситорным действием фитотоксичны. На синтез фитоалексинов растения расходуют много энергии и в отсутствие эпифитотии обработка элиситорами вызывает снижение урожая [Дьяков, 1983]. Токсичные фитоалексины могут снижать кормовые и пищевые качества растений. Среди новых и перспективных путей использования веществ, которые участвуют во взаимодействиях растений и поражающих их грибов-патогенов,-применение так называемых сенсибилизаторов. Сенсибилизаторами называют природные и искусственно синтезированные вещества, усиливающие образование в растениях фитоалексинов в ответ на заражение. Так, из клеток фитофторы - Phytophthora infestans выделено вещество (липогликопротеиновый комплекс), которое повышало Устойчивость картофеля к заражению несколькими грибами - фитофторозом, ризоктониозом, паршой и альтернариозом (Метлицкий, Озерецковская, 1981; Метлицкий и др., 1978; см. [Дьяков, 1983]). О высокой эффективности действия этого вещества говорит то, что однократная обработка им действовала так же успешно, как четыре опрыскивания фунгицидом цинебом. Для практики имеет немалое значение то, что сенсибилизаторы обладают длительным действием. Так, обработка клубней картофеля перед посадкой упомянутым веществом из фитофторы влияет на образование фитоалексинов в зараженных клубнях картофеля нового урожая. Сенсибилизирующим воздействием на растения обладают и некоторые искусственные соединения. Так, производное 2,2-дихлор-3, 3-диметилциклопропана способно повышать образование рисом защитных веществ (момилактонов) в ответ на заражение некоторыми патогенами. Небезынтересно, что сенсибилизирующее воздействие могут оказать и некоторые гербициды и фунгициды. Использование и активация природных биохимических механизмов защиты растений от патогенных грибов, возможно, позволит снизить применение пестицидов в сельском хозяйстве и благодаря этому уменьшить загрязнение экосистем этими важными поллютантами. Однако анализ последних данных указывает на то, что молекулярный диалог, инициирующий биохимическую войну между инфицирующим растение грибом и растением-хозяином, является весьма сложным многостадийным процессом. Биохимическая защита растений от грибной инфекции - гораздо более сложное и динамичное явление, чем полагали ранее. Более глубокое познание эколого-биохимических проблем, порождаемых современным уровнем знания и незнания в этой области, - необходимое условие выработки практических приемов борьбы с инфекцией патогенных грибов. Вместе с тем становится ясно, что применение фунгицидов - явно слишком грубая и несовершенная имитация одной из заключительных стадий химической борьбы растений против патогенных грибов.

2.4. Взаимодействия низших растений с животными Накоплены обширные данные о взаимодействиях этого типа, опосредуемых токсичными или антифидантными веществами, вырабатываемыми 1) грибами и 2) водорослями.

2.4.1. Грибы Некоторые токсины грибов - микотоксины - приведены в табл. 8. Общее число их весьма велико. По-видимому, токсины грибов, образующих крупные плодовые тела, служат защитой от животных- консументов и предохраняют их плодовые тела от преждевременного поединия (до периода рассеивания спор). С этим предположением согласуются инсектицидные свойства токсинов ряда грибов. Таблица 8. Примеры микотоксинов [Барбье, 1978; Kawai et al., 1986; Mani et al.,1986; и др.] Более тонкую экологическую функцию несут, по-видимому, токсины грибов, не образующих крупных плодовых тел (например, спорыньи, аспергилла, пенициллиума, фузариума и др.). Сами эти грибы не представляют большой ценности как кормовой ресурс для животных, и обилие у них мощных ядов не сразу находит свое объяснение. Можно предполагать, что эти грибы в какой-то мере защищают не только непосредственно себя, а также и ту кормовую базу, на которой они питаются, поскольку она (плоды, ткани растений) может привлекать других консументов. Таким образом, эти токсины опять выступают в качестве важных экологических хеморегуляторов (или хемоэффекторов), которые в некоторой мере регулируют, какая доля энергии, усвоенной автотрофами, пойдет по пастбищной трофической цепи, а какая - по детритной. Среди последней группы микотоксинов некоторые вызывают рак, например, афлатоксины (рис. 3); есть примеры воздействия На такую важную демографическую характеристику популяции животных - потребителей общего кормового ресурса, как рождаемость. Так, зеараленон вызывает феминизацию молодых самцов и частые выкидыши у самок домашних свиней. О практическом значении микотоксинов говорит то, что существенная часть по некоторым данным более 10% - ежегодно производимых в мире продуктов питания (около 55 млн т одних только зерновых) становится непригодным к употреблению в пищу вследствие поражения плесневыми грибами [Барбье, 1978]. Существенна роль экологических хемомедиаторов во взаимоотношениях хищных грибов и нематод. С одной стороны, нематоды выделяют вещества, служащие индуктором образования ловушек у хищных грибов. Вещество с таким действием, названное немином, выделено из фильтрата культуры нематоды Neoplectana glaseri (Balan, Lechevalier, 1972; см. [Великанов, Сидорова, 1983]). Рис. 3. Афлатоксины Aspergillus flavus и другие микотоксины [Heathcote, 1984; и др.] 1 - афлатоксин B1 и один из путей его биотрансформации в токсичные продукты под воздействием ферментов микросомальной фракции печени крысы. Эпоксид (1а) способен связываться с ДНК и нуклеофильными центрами белков, включая сульфгидрильные группы и атомы азота. Дигидродиол (16) может превращаться в диальдегид, способный связываться с белками с образованием Шиффова основания. Кроме того, показано торможение дигидродиолом синтеза белка в системе in vitro; 2 - афлатоксин В2; 3 - афлатоксин G1; 4 - афлатоксин G2; 5 - стеригматин (sterigmatin), производные которого микотоксины аустоцистины (austocystins), выделены из Aspergillus ustus; 6 - охратоксины А, В и С (ochratoxins) из Penicillium и Aspergillus; 7 - 12,13-эпокситрикотецен (12,13-epoxytricothecene), основа ряда микотоксинов (например, Fusarium); 8 - микотоксин Т2 С другой стороны, сами хищные грибы выделяют аттрактанты, привлекающие нематод к ловушкам. Так действуют летучие терпены, вырабатываемые артроботрисом - Arthrobotrys oligospora и канделябриеллой - Candelabriella musiformis. У некотрых видов грибов одни и те же вещества совмещают функции аттрактантов и нематотоксинов, у других видов грибов эти две функции выполняют разные вещества. Токсичные для нематод вещества, продуцируемые грибами, могут иметь значение для сельского хозяйства. Информация о подобных веществах продолжает накапливаться: так, пять веществ, токсичных для нематод Meloidogyne incognita (Kofoid and White) Chitwood, были выделены из фильтрата культуры Fusarium solani [Mani et al., 1986]. Биохимические механизмы действия микотоксинов в высшей степени разнообразны. Среди них - ингибирование различных ферментов, в том числе РНК-полимеразы II (α-аманитин) и многих других (см., например, [Безбородов, 1986]), ингибирование синтеза белка (α-сарцин, рестриктоцин и митогиллин), разобщение окислительного фосфорилирования в митохондриях (флавоскирин) [Каwai et al., 1986] и др. Среди веществ грибов с выраженной физиологической активностью есть группа веществ, экологическая роль которых пока неясна: это вещества с противоопухолевой активностью. Таковы некоторые полисахариды, например β-1,6-глюкан из Grifola frondosa [Nanba et al., 1987] и другие полисахариды, а также некоторые алкалоиды, например агроклавин, продуцируемый культурой Claviceps штамм 47 [Glatt et al., 1987] и рядом видов родов Penicillium и Aspergillus, а также растениями семейства Convolvulaceae. Возможно, что противораковая активность этих веществ является побочным эффектом их других биологических активностей, имеющих экологически значимую роль. Можно отметить еще один, совершенно отличный от предыдущих аспект эколого-биохимических отношений грибов с животными. Это участие некоторых грибов-симбионтов или комменсалов в биохимических процессах формирования экологических хемомедиаторов, важных для коммуникации животных друг с другом. Так, микроорганизмы (бактерии и дрожжи), обитающие на кожных покровах и кожных железах млекопитающих, участвуют в формировании запахового профиля данных животных. В частности, показано участие дрожжей Candida kruzei в сообществе микроорганизмов, населяющих inguinal pouches дикого кролика Oryctolagus cuniculus [Merritt et al., 1982]. Воздействие микотоксинов на животных может существенно зависеть от деятельности микроорганизмов в пищеварительном тракте последних. Так, микотоксин деоксиниваленол (deoxynivalenol или vomitoxin) Fusarium sp. трансформируется микроорганизмами рубца жвачных, что существенно снижает токсичный эффект [Kins et al., 1984]. Обзор данных о некоторых микотоксинах сделан во многих работах (например, [Мирчинк, 1976; Hesseltine, 1986; и др.]).

2.4.2. Водоросли и цианобактерии Некоторые одноклеточные водоросли синтезируют высокотоксичные для животных вещества (табл. 9, 10). Изучены токсины динофлагеллят родов Gonyaulax, Gymnodinium и др. (рис. 4). В литературе по токсинам динофлагеллят нередко выделяют следующие группы токсинов: 1) паралитические (paralytic shellfish poisoning) - сакситоксин и более 10 его производных; 2) диарретические (diarrhetic shellfish poisoning) - 8 полиэфирных токсинов (polyether toxins), а также пектенотоксины (pectenotoxins, РТХ 1-3); 3) нейротоксичные вещества (neurotoxic shellfish poisoning) - бреветоксины (brevetoxins В, С), а также GB-3, РВ-1, Gb-4; 4) сигуатоксин и маитотоксин (ciguatotoxin, maitotoxin) [Yasumoto, 1985; Shimizu, 1987]. Экологически интересно, что некоторые морские беспозвоночные, в том числе используемые человеком в пищу моллюски, накапливают токсины динофлагеллят, служащих им кормом. Это может придавать моллюскам опасную для человека токсичность. Это обстоятельство необходимо учитывать в аквакультуре. Нейротоксин Gonyaulax sp.- одно из наиболее ядовитых для теплокровных соединений, у которого ЛД50 (для мышей) всего лишь 5-10 мкг/кг. Этому яду идентичен сакситоксин, найденный у двустворчатого моллюска Saxidomus giganteus, обитающего в прибрежных водах Аляски, а также у некоторых других моллюсков. Таблица 9. Примеры динофлагеллят, продуцирующих токсины (по [Shimizu, 1987], с изменениями) Таблица 10. Примеры некоторых токсинов Gonyaulax [Shimizu, 1987] Рис. 4. Вещества водорослей, токсичные для позвоночных [Baden, 1983; И др.] 1 - рипоцефалин (rhipocephalin), сесквитерпен зеленой водоросли Rhipocephalus phoenix; 2 - бреветоксин Б (brevetoxin В) или ВТХ-В водоросли Ptychodiscus brevis (Gymnodinium breve); 3 - производное гидразида дипропилтиофосфорной кислоты (фосфо-рогидразидотиоат, phosphorohydrazidothioate) той же динофлагелляты; 4 - сакситоксин (saxitoxin); известно еще не менее 11 производных сакситоксина, которые получаются при замене атомов водорода, указанных стрелками, на -ОН, -SO-3 и -OSO-3 Разнообразные токсины найдены у цианобактерий (синезеленых водорослей) (табл. 11, см. рис. 4), которые, по современным представлениям, относятся к прокариотическим микроорганизмам (являются цианобактериями). Обширная информация о токсинах различных планктонных водорослей содержится в работе Л. А. Сиренко, В. Н. Козицкой [1988]. Интересная группа экологических хеморегуляторов найдена у макрофитных морских водорослей (см., например, рис. 5). Многолетние бурые водоросли Fucus vesiculosus и Ascophyllum nodosum, доминирующие в литоральных экосистемах, имеют пищевые детерренты, которые отпугивают потенциальных консументов - моллюсков Littorina liitorea. Этими защитными веществами оказались полифенолы, а именно низкомолекулярные флорэглюцинольные (phloroglucinol) полимеры [Geiselman, McConnell, 1981]. По своей экологической функции фенольные защитные вещества очень напоминают полифенолы наземных высших растений, также служащие детеррентами. Имеются данные о том, что между бентическими водорослями и беспозвоночными животными возможны антагонистические взаимодействия, опосредуемые экзометаболитами. Было показано, что водорастворимые вещества, экскретируемые морским анемоном Condylactis gigantea (Weinland), могут ингибировать рост водорослей на экспериментальных стеклянных пластинках. Экссудат анемона ингибировал прорастание спор водорослей и был токсичен для развивающихся зеленых, красных и бурых водорослей [Bak, Borsboom, 1984]. Данные в этой области представляются важными для формирования водных экосистем в марикультурных хозяйствах. Таблица 11. Некоторые токсины синезеленых водорослей [Ikawa et al., 1982: Codd. 1984; и др.] Новый аспект эколого-биохимических взаимодействий обнаружен при изучении симбиоза водных беспозвоночных (моллюсков, морских анемонов, кораллов и др.) с фотосинтезирующими симбионтами (водорослями). Показано, что морские анемоны Anthopleura elegantissima, определенные ткани моллюсков Tridacna сгосеа и другие организмы, содержащие симбиотические водоросли, имеют повышенное содержание ферментов супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы [Shick, Dykens, 1985]. Эколого-биохимическое значение этих ферментов - обезвреживание избыточного кислорода, продуцируемого фотосинтезирующими эндосимбиотическими водорослями. Однако остается проблемой выяснение степени универсальности этого явления.

2.5. Метаболиты низших растений и проблемы формирования среды обитания Для экологии водных организмов большое значение имеет качество и биологическая полноценность водной среды обитания, которые формируются под действием комплекса факторов, в том числе под влиянием населяющих водоемы гидробионтов [Телитченко, 1982, 1987; Остроумов, 1986]. Важный термин В. И. Вернадского "биокосные тела" в приложении к воде природных экосистем наполняется новым содержанием в свете новых фактов. Рис. 5. Токсичный терпеноид стипотриол (stypotriol), внутриклеточный токсин бурой водоросли Stypopodium zonale. В морской воде, окружающей водоросли, обнаружен ихтиотоксичный и цитотоксичный продукт окисления (возможно, окисленный растворенным кислородом) о-хинон стиполдион (stypoldione)

2.5.1. Выделение органических веществ в водную среду обитания Весьма существенный процесс в жизни водных экосистем - выделение органического вещества клетками водорослей во внешнюю среду. Многочисленные исследования этого процесса показали, что водоросли экскретируют во вешнюю водную среду значительную долю первичной продукции (см., например, [Сиренко, Козицкая, 1988]), что приводит к накоплению растворенного органического вещества (РОВ). Выделение органического вещества во внешнюю среду имеет весьма многообразные последствия, пока еще не изученные во всех аспектах (см., напр., [Константинов, 1986; Сиренко, Козицкая, 1988; Остроумов, 1986; Sposito, 1986]). Один из этих аспектов - воздействие на соотношение окислительных и восстановительных процессов в водных экосистемах: с одной стороны, РОВ подвергается окислению с образованием, в частности, перекисей липидов [Грановская, Телитченко, 1978, Telitchenko, 1986], с другой стороны, среди выделяемых водорослями экзометаболитов имеются антиоксиданты [Телитченко, 1982; Скурлатов и др., 1983]. Таблица 12. Примеры антибактериальных веществ водорослей [Wright, 1984; Сидорова, Максимова, 1985; и др.] Имеются данные о росте концентрации перекиси водорода в воде под воздействием водных растений [Батовская, 1988]. В состав внеклеточных органических продуктов микроводорослей (например, [Максимова, Горская, 1980]) входят, в частности, липиды, включая свободные жирные кислоты (СЖК). На морской зеленой водоросли Westella botryoides (West.) Wild (сем. Scenedesmaceae) было показано, что липидный экстракт клеток (ЛЭК) и липидный экстракт среды культивирования (ЛЭС) после освещения (3000 лк) обладали выраженной антибактериальной активностью и угнетали рост Staphylococcus aureus [Сидорова, Максимова, 1985]. При наложении хроматограмм ЛЭК и ЛЭС на твердые среды, засеянные S. aureus, зоны подавления роста бактерий образовывались вокруг пятен, содержащих СЖК, причем только на свету. Подобные данные были получены также при изучении липидных веществ, продуцируемых морскими диатомовыми водорослями [Gauthier et al., 1978]. Антибиотически активные метаболиты были обнаружены и у Scenedesmus acuminatus УА-2-7 [Ахунов, Таубаев, 1975]. Обзор данных об антибиотической активности метаболитов (табл. 12) водорослей показывает, что их число огромно [Wright, 1984]; аналогичным действием обладают многие метаболиты и других гидробионтов, в частности губок. При анализе данных о РОВ и его биохимико-экологических функциях представляется полезным сопоставлять результаты изучения водного и почвенного гумуса. В этой связи интересны указания на бактерицидную активность почвенного гумуса. В упомянутых работах антибиотическая активность тестировалась на прокариотических микроорганизмах. Однако представляется целесообразным в дальнейшем проводить тестирование и на эукариотных организмах, в том числе грибах и водорослях. Думается, что подобный подход поможет пролить дополнительный свет на природу химических веществ, обусловливающих антагонизм между водорослями и формирующих видовой состав водных сообществ. К проблеме качества воды безусловно примыкают вопросы продуцирования водорослями токсинов. Выше рассмотрены токсины водорослей, которые тестировались в основном на животных. Есть также данные о способности некоторых водорослей выделять вещества, токсичные для этих же или других водорослей, а также грибов (разд. 2.2.1 и 2.2.2). Имеются указания на продуцирование морской цианобактерией (синезеленой водорослью) Lyngbya aestuarii жирной кислоты с сильным гербицидным эффектом, который тестировали на ряске Lemna minor [Entzeroth et al., 1985]. Имеется еще один важный аспект влияния выделяемых водорослями веществ на свойства водной среды обитания: некоторые органические вещества, входящие в РОВ, способны связывать те или иные ионы и тем самым влиять на ионный состав водной среды. Способность гумусовых веществ связывать ионы металлов подробно рассмотрена в работе [Sposito, 1986]. Низшие организмы, в том числе некоторые грибы и водоросли, способны выделять хелатные соединения и, следовательно, воздействовать на концентрацию свободных ионов металлов в водной среде. Понижение концентрации свободных ионов металлов может иметь многочисленные положительные и отрицательные последствия для гидробионтов, в том числе: 1) приводить к дефициту микроэлементов и тормозить рост гидробионтов; 2) снижать токсичность антропогенного загрязнения; 3) нарушать процессы, протекающие с участием свободных радикалов (подробнее см. [Sposito, 1986; Скурлатов и др., 1983; Остроумов, 1986]). Наряду со сказанным большое значение для гидробионтов и формирования качества воды имеют другие аспекты накопления и метаболизма РОВ, в том числе связанные с существованием в воде различных витаминов, ферментов и других биологически важных молекул (см., например, [Константинов, 1986; Остроумов, 1986; Сиренко, Козицкая, 1988]). Более глубокое изучение проблем, затронутых выше, а также сформулированных в следующем подразделе, необходимо для совершенствования биотехнологии выращивания гидробионтов в аквакультурных хозяйствах. 2.5.2. Нерешенные проблемы Таким образом, имеется весьма интересная информация о том, что продуцируемые гидробионтами, в том, числе водорослями, вещества способны Бездействовать на свойства водной среды обитания. Эта информация весьма важна не только для понимания теоретических проблем экологии, но и для практических проблем формирования водных экосистем в аквакультуре. Однако следует подчеркнуть обилие еще нерешенных проблем, которые возникают в данной области. Среди них следующие. Каковы взаимоотношения между всеми изложенными отдельными явлениями, влияющими на качество воды (перекисными процессами, светозависимыми антибактериальными эффектами, антибиотической активностью гумусовых веществ, связыванием ионов некоторыми компонентами РОВ) ? Какова степень специфичности токсического действия некоторых компонентов РОВ на гидробионты? Ограничено ли токсическое действие только изученными тест-объектами или оно распространяется на гораздо более широкий круг объектов? Каково экологическое значение некоторых конкретных классов химических веществ, найденных в составе выделений водорослей или выделенных из их клеток, например галогенированных монотерпенов красных водорослей [Rivera et al., 1987]? Каков возможный вклад метаболитов грибов в РОВ? Какова мера сходства и различия между составом и экологическими функциями РОВ водоемов и органических веществ, выделяемых почвенными организмами в заполненное водой капиллярное пространство между частицами почвы?

2.6. Прикладное значение и перспективы использования рассмотренных в данной главе БАВ и близких им соединений Сельское и лесное хозяйство. Защитные вещества растений (разд. 2.3.3, см. также [Bailey, 1986]) являются одной из основ устойчивости растений к фитопатогенным грибам. При селекции или биотехнологическом создании новых сортов сельскохозяйственных растений необходимо обеспечивать высокую способность растений к биосинтезу этих веществ. С другой стороны, патотоксины патогенных грибов (см. разд. 2.3.2) в некоторых случаях обладают высокой специфичностью (например, Токсин I Alternaria citri) или другими свойствами (например, церкоспорин), которые делают их интересными при поиске новых гербицидов. Некоторые токсины грибов могут использоваться для борьбы с нематодами. Ряд водорослей продуцируют токсины, которые могут служить гербицидами (например, Lyngbya aestuarii) (см. также разд. 2.3.2). Биотехнология. Для устойчивого культивирования грибов и водорослей и управления их размножением ключевое значение имеет понимание роли хемоаттрактантов и половых феромонов (разд. 2.2.1), других хеморегуляторов. При поиске новых видов и штаммов-продуцентов необходимых ферментов, токсинов, пигментов, антибиотиков понимание экологической роли этих веществ дает указание на то, в каких экологических нишах и природных местообитаниях следует искать эти штаммы, что способствует экономии времени и средств. Водоросли служат биопродуцентами некоторых важнейших пищевых добавок, в том числе β-каротина (carotene) и эйкоза пентаеновой кислоты (ЕРА; может снижать содержание в сыворотке холестерола). Из водорослей получают альгинат, необходимый во многих технологических процессах; мировой рынок этого продукта составляет ежегодно (не считая Китая) свыше 200 млн долл. Рынок для [β-каротина (который снижает риск некоторых видов рака) только в США достигнет к 1990 г. 100 млн долл. [Klausner, 1986]. Понимание экологической роли метаболитов водорослей облегчит поиск и культивирование продуцентов. Токсины грибов (афлатоксины; см. разд. 2.4.1) загрязняют пищевые продукты и опасны для здоровья человека. Способность культур грибов к биотрансформации введенных в раствор органических веществ используется для биотехнологического синтеза некоторых фармакологически активных веществ и других соединений. Дополнительная информация об использовании низших растений и продуцируемых ими экологически важных метаболитов в биотехнологии, пищевой и медицинской промышленности изложена во многих работах (например, [Сытник и др., 1987]). Аквакультура. Качество воды определяется воздействием многих факторов, в том числе продуцируемых гидробионтами РОВ, воздействием водорослей и других организмов на окислительно-восстановительные процессы и содержание свободных радикалов в воде. Это воздействие реализуется в значительной мере через экскрецию гидробионтами экзометаболитов (разд. 2.5.1). Недоучет этих факторов может приводить к болезням и гибели выращиваемой рыбы и, по-видимому, других продуктов аквакультуры. Охрана среды. Способность экосистем к самоочищению в значительной мере определяется продуцированием прокариотами, грибами (разд. 2.3.2) и водорослями ферментов, разрушающих те или иные классы соединений и химических связей. Необходимость стимулировать разрушение поллютантов в тех или иных экосистемах может делать экономически целесообразным специальный поиск и нарабатывание биомассы тех штаммов прокариот и грибов, которые разрушают данный поллютант, и внесение их в данную экосистему. По-видимому, управление экосистемами очистных сооружений также требует понимания роли метаболитной регуляции культур и популяций (в широком смысле слова) прокариот, грибов и водорослей. Биомедицинские исследования, медицина. Многие прокариоты и грибы являются основным или единственным источником получения остро необходимых для исследовательской работы препаратов ферментов и их ингибиторов, токсинов и других вторичных метаболитов (см. разд. 2.3.2, 2.4.1). Многие из продуктов метаболизма грибов имеют ценность как лекарственные средства, в том числе как антибиотики и противораковые препараты или модели и предшественники для их создания. Токсины водорослей (разд. 2.4.2) наряду с токсинами животных играют большую роль в изучении молекулярных основ функционирования биомембран. Выделение в очищенном виде и изучение механизмов действия токсинов грибов и водорослей (не говоря уже о токсинах прокариот) - необходимая стадия в разработке методов терапии.

2.7. Некоторые нерешенные проблемы Среди многочисленных проблем, крайне важных концептуально или практически, можно отметить следующие. 1. Эукариоты и прокариоты четко различаются на молекулярно-биологическом уровне. Однако неясно, где пролегает грань между биохимической экологией про- и эукариот. 2. Неясно, в чем принципиальное отличие между биохимической экологией водных систем и почв - если оно вообще имеется. 3. Изучение экологических хемомедиаторов и хеморегуляторов показало фрагментарность современных знаний о биохимической экологии грибов и водорослей (и, по-видимому, прокариот).. Создается впечатление, что во многих важных частях этой области наши знания ограничены лишь отдельными примерами. 4. Имеется огромное число метаболитов низших растений, структура которых уже установлена, по экологическая роль в природных системах остается неясной, несмотря па имеющиеся указания на их выраженную биологическую активность in vitro. 5. Из сказанного выше вытекает, что мы пока не можем корректно переносить результаты многих лабораторных эксперементов по изучению БАВ низших растений на природные экосистемы. Следовательно, еще более серьезной проблемой становится неумение экспериментатора моделировать в опыте некоторые существенные черты природных систем. 6. По-видимому, существует некоторая недооценка роли межвидовых комплексов низших растений, их ассоциаций и экологических кластеров, в которые могут входить и низшие растения, и прокариоты нескольких видов. Хотя исследования таких ассоциаций ведутся, наше мышление иногда слишком привязано к представлениям и данным об обособленных видах. В биотехнологии это ведет к акценту на выращивание и культивирование в биореакторах преимущественно отдельных видов, а не ассоциаций, которые, возможно, более распространены в природе и более перспективны для биотехнологии. В этой связи представляются весьма интересными опыты по изучению и культивированию межвидовых ассоциаций, которые ведутся в АН СССР (например, в лаборатории Г. А. Заварзина) и МГУ (на кафедре клеточной физиологии и иммунологии М. В. Гусевым и сотр.). 7. Недостаточное знание роли экологических хемомедиаторов и хеморегуляторов привело к тому, что до сих пор отсутствует концепция биологической сущности искусственно выращиваемой культуры прокариот, грибов, водорослей; неясно, в какой мере можно считать ее популяцией, аналогичной популяциям других организмов. Для успешного выращивания биотехнологических объектов, управления экосистемами очистных сооружений необходимо значительно углубить знания экологических хеморегуляторов, экскретируемых культивируемыми организмами.