Химический язык насекомых

«Молекулы любви»

Инстинкт продолжения рода... Одно из самых загадочных явлений в окружающей нас жизни. Это он заставляет насекомых находить друг друга на огромных расстояниях. Удивительные способности этих животных вызывают восхищение даже у ученых энтомологов. Встрече самца и самки на поле или в лесу помогают яркая окраска партнеров, звуковые и зрительные ориентиры, брачные ритуалы, но главную роль играют пахучие молекулы.

Если обратиться к истории изучения феромонов, то одно из первых сообщений об аттрактантах можно найти у Плиния Старшего (24–79 гг., древнеримский писатель и ученый), советовавшего для защиты листвы деревьев от муравьев подвешивать на ветви рыбу, которая более привлекательна для этих насекомых. О значении пахучих веществ, выделяемых насекомыми, упоминается также в книге Ч. Батлера «Женская монархия», изданной в Оксфорде в 1609 году. Ученый писал о том, как пчелы используют запахи в качестве аттрактантов-репеллентов (веществ, отпугивающих или привлекающих насекомых).

Первым проник в тайны «молекул любви» насекомых замечательный французский энтомолог Жан-Анри Фабр (1823–1915). Интересно, что хотя ученый, наблюдая за бабочками, все время работал под открытым небом — в полях и лесах, открытие языка насекомых он совершил дома.

Однажды в своем рабочем кабинете натуралист стал свидетелем метаморфоза: из неподвижной куколки вышла на свет самочка сатурнии — ночного павлиньего глаза. Заметив «новорожденную», Фабр осторожно поймал ее и поместил в сосуд, который накрыл колпаком из металлической сетки. Не думал энтомолог, что стоит на пороге открытия. В один из вечеров, когда сгустились сумерки, через открытое окно в комнату пожаловали десятки самцов сатурнии. Ночные гости устроили диковинный хоровод вокруг садка с самочкой. Следующей ночью они прилетели вновь.

Ученый, продолжая свои наблюдения, стал размышлять над увиденным, пытаясь понять причины ночных посещений. Фабр вспомнил, что, обследуя окрестности, он не заметил гнезд этих насекомых. Значит, они прилетели издалека. Но что заставило самцов преодолеть несколько километров, чтобы попасть в кабинет? Зрение, конечно, было здесь ни при чем. Тогда как же они ориентируются в темноте? Звуки тоже пришлось исключить, так как самка безмолвствовала. Что же привело ночных пришельцев в дом? Натуралист предположил, что самка сатурнии испускает запах, который привлекает самцов, выполняя роль сигнала. Чтобы убедиться в правильности своей догадки, Фабр прикрыл сосуд стеклянным колпаком, но ночные визиты не прекратились. Самцы ночного павлиньего глаза продолжали прилетать в кабинет, но на самку, которая была хорошо заметна, уже не обращали никакого внимания. Их больше привлекали различные предметы, с которыми соприкасалась пленница. Ученый был вознагражден. Его предположение подтвердилось, самцы в поисках самочки пользуются обонянием. Стало понятно, что насекомых привлекают пахучие молекулы, но как узнают об их присутствии в воздухе самцы сатурнии? Продолжая свои интересные опыты, любознательный исследователь обнаружил, что датчиками запахов служат усики шестиногих, напоминающие по форме листья папоротника. Эти «носы-антенны», как локаторы, поворачиваются в разные стороны и дают насекомым жизненно важную информацию.

На усиках насекомых находится множество всевозможных рецепторов, воспринимающих температуру и влажность воздуха, скорость ветра и различные химические вещества. Эти биологические датчики покрыты небольшими пористыми волосками. Проводниками сигналов служат нервные волокна, по которым с огромной скоростью переносится информация об изменениях в окружающем мире. Если же по какой-то причине насекомое лишится усиков, то оно станет настоящим инвалидом, неспособным ориентироваться в пространстве.

В настоящее время уже хорошо известны уникальные способности насекомых «разговаривать» при помощи химических соединений. Более 350 видов шестиногих стали объектом внимательного и детального изучения. Ученые сумели ответить на многие вопросы, связанные с механизмом восприятия и синтеза пахучих молекул насекомыми.

Где же находятся у самок железы, которые вырабатывают пахучие молекулы? Оказалось, что они расположены на заднем конце брюшка и имеют различную форму и свои особенности. Время от времени эти железы выделяют секрет, с помощью которого бабочки приглашают партнеров для брачного ритуала. Такая периодичность химических сигналов, по-видимому, связана с учетом привыкания насекомых к запахам, а также с притуплением чувствительности усиков. На выделение железами «молекул любви» влияет и физиологическое состояние самок. Бабочка, только что вышедшая из куколки, неспособна привлекать самцов. Например, самки яблонной плодожорки — уничтожающей яблоки, груши, айву, абрикосы, персики, сливы, — становятся активными только в возрасте 3...4 суток. Выделение феромонов зависит от климатических условий, времени суток, а также плотности популяции насекомых. Так, у большинства ночных бабочек брачные отношения начинаются в сумерках.

Однако для совершения таинства брака недостаточно только «химического» приглашения самочки. После встречи партнера и самец, и самка выделяют пахучие вещества, вызывающие призывную позу, трепетание крыльев, круговые движения. Как только происходит оплодотворение, синтез «молекул любви» в организме насекомого прекращается, и бабочка готовится к заботам о потомстве.

Пускают в ход свои чары и самцы, когда находят избранниц. Успокаивая самочку, самец должен обеспечить нормальное спаривание. Совсем неспроста трепещут крыльями прилетевшие издалека поклонники какаовой и мельничной огневок, которые разбойничают в складах и магазинах, на элеваторах и в трюмах пароходов. Подобные движения крылышками, а также раскачивание, похожее на танец, помогают распространению летучих молекул — афродизиаков. Насекомые выделяют эти пахучие вещества во время брачных игр из органов, расположенных на разных участках брюшка. Чаще всего афродизиаки насекомых напоминают запах цветов или плодов. Самцы шелкопряда испускают молекулы с приятным запахом земляники, а химические сигналы брюквенницы пахнут цветами лимона. У одних видов насекомых секреты пахучих желез привлекают самок с больших расстояний, а у других — возбуждают их и вызывают брачные ритуалы только при встрече партнеров. Так, у бабочек-данаид самец выделяет особое пахучее вещество, которое действует на самочку лишь в момент спаривания.

С помощью обоняния насекомые также узнают о готовности самочки к спариванию. Паук-крестовик, например, по запаху может отличить половозрелую паучиху от неполовозрелой. Некоторые насекомые выделяют химические вещества, которые действуют на летательный аппарат самочки и заставляют ее немедленно опуститься и ждать приближения самца. Мужские особи многих видов шестиногих с помощью специальных пахучих молекул отпугивают соперников и подавляют у них способность чувствовать запах самки. Однако существуют насекомые, у которых полностью отсутствуют половые феромоны. Поэтому самцам некоторых видов пчел, не ведущих общественный образ жизни, приходится постоянно находиться в воздухе и перехватывать летящих мимо самочек.

У каждого вида насекомых имеется своя азбука брачных отношений и ритуалов, которая обеспечивает продолжение их рода.

Хорошо позаботилась природа, чтобы различные виды не скрещивались между собой. Только самцы некоторых огневок при поисках зовущей подруги допускают ошибку и то очень редко. Это, вероятно, происходит из-за высокой концентрации в воздухе смеси феромонов различных видов, которая мешает самцу сделать правильный выбор.

Среди насекомых существуют свои рекордсмены по восприятию пахучих молекул. Несмотря на влияние всевозможных посторонних запахов, самец шелкопряда-монашенки находит самочку на расстоянии 200...300 м, непарный шелкопряд «по зову любви» пролетает до 4 км, а большой ночной павлиний глаз и того больше — свыше 9 км. Немаловажное значение при поисках самки имеют направление ветра, время суток, температура воздуха и активность солнца. Чем больше «молекул любви» испускает самка, тем сильнее реакция «поклонников». Только одна самочка соснового пилильщика может за восемь дней назначить одновременно более 11 тысяч свиданий.

Конечно, скорость ответа во многом зависит от обонятельной способности самцов. Самый чувствительный «нос-антенна» в мире шестиногих у рыжих тараканов. Где бы ни был прусак, на кухне под плинтусом, в ящиках стола или шкафчика, но только появится в воздухе половой феромон (около 30 молекул на 1 см³), и его уже ничего не остановит.

Интересные результаты получены при исследовании физиологической связи между гормонами насекомых и активностью феромонов, выделяемых самками. По мнению ученых, гормоны — химические предшественники феромонов в биологической эволюции класса шестиногих. Для изучения роли гормональных веществ исследователи провели микрохирургическую операцию, удалив железы, вырабатывающие ювенильный гормон у самки большого мучного хрущака. Оказалось, что у прооперированного насекомого биосинтез половых феромонов резко снизился. Если сделать подопытному насекомому укол специальным стеклянным капилляром и под хитиновый покров впрыснуть гормон, синтез феромона ускоряется почти в 10 раз.

Гормональные вещества — важные регуляторы роста и развития шестиногих. Чтобы понять ту физиологическую роль, которую выполняют эти вещества, необходимо вспомнить об удивительном явлении в жизни ползающих и летающих представителей мира насекомых.

Метаморфоз — это чудо-перевоплощение крошечного яйца в очень подвижную и прожорливую личинку, а затем опять в покоящуюся и ждущую своего часа куколку, из которой выходит, наконец, половозрелое насекомое. Много умов билось над разгадкой механизма этих превращений. Еще древнегреческий философ Аристотель считал, что растущая личинка представляет собой мягкое яйцо. Много лет прошло, пока ученые смогли приблизиться вплотную к тайнам метаморфоза. И то, что уже известно сегодня, — поразительно и наводит на дальнейшие размышления об эволюции самого многочисленного класса животных, населяющего землю.

В последние годы ученые, проникающие в тайны физиологии шестиногих, выяснили, что в индивидуальном развитии и метаморфозе принимают участие три гормона. Один из них, синтезируемый клетками мозга, стимулирует активность эндокринных желез (активационный гормон), другой — рост тканей тела в процессе метаморфоза (экдизон). Третий гормон извлечен из брюшка самца цекропии в 1956 г. и назван ювенильным. Это знаменитое «золотое масло» (экстракт золотистого цвета) выделяют специальные железы, названные прилежащими телами. Гормоны действуют на определенной стадии развития личинки, и если удалить железы, синтезирующие эти вещества, то прервется «детство» насекомых: они будут вынуждены стать взрослыми. Если же сделать операцию под микроскопом и пересадить прилежащие тела личинке, готовящейся, стать куколкой, то можно омолодить ее. Однако за такую молодость насекомые расплачиваются, достигая гигантских размеров и обретая уродливые формы. Важную «диспетчерскую» роль выполняет ювенильный гормон в семьях и колониях общественных насекомых. Выйдет ли из куколки пчел матка или трутень, царица или солдат в кастах термитов — зависит от этого гормона-регулятора.

Вещества, обладающие свойствами ювенильного гормона, обнаружены в тканях различных живых организмов: от растений до человека. Расшифровав строение молекул этих веществ и выяснив их роль в росте и развитии насекомых, ученые предложили использовать подобные соединения в качестве нового оружия против многочисленных вредителей полей, садов, лесов и виноградников.

В настоящее время известно более 500 ювеноидов, которые по своей активности не уступают самым токсичным ядам. И если любое искусственно синтезированное химическое оружие — инородное тело для организма насекомых, то ювенильный гормон — «родной» регулятор химии шестиногих. Достоинство новых инсектицидов — безвредность для окружающей среды и высших животных. Ученые всего мира начали работать над созданием еще одного чудо-оружия. Уже сейчас получены хорошие результаты в борьбе с дубовой листоверткой и чехлоноской, повреждающими лиственные леса. Однако и здесь насекомые преподнесли ученым сюрприз, приобретая иммунитет к своим «ядам».

Кроме веществ внутренней секреции насекомых на синтез «молекул любви» влияет пища этих животных. При изучении поведения бабочек-данаид была обнаружена двойная роль растительных алкалоидов в жизнедеятельности этих насекомых. Эти вещества, необходимые бабочкам для биосинтеза половых феромонов, выполняют также и защитную роль.

Жуки-короеды тоже используют вещества, извлекаемые из растений двумя способами. Так, например, мирцен — мужской феромон жуков выделяется ими из пищи без изменений, а вербенол и вербеной они синтезируют, изменяя исходные структуры растительных соединений. Смесь этих компонентов можно было бы использовать как идеальную приманку для отвлечения самок короеда от сосны. Однако необходимо отметить, что все превращения растительных веществ в феромоны насекомых не обходятся без участия микроорганизмов, обитающих в кишечнике шестиногих. Так, у короедов обнаружены бактерии, которые превращают пинен в вербенол, а присутствующие гам грибы-симбионты окисляют вербенол до вербенона. Такая экологическая связь между растениями и насекомыми, по-видимому, и определяет привлекательность тех или иных деревьев для колонизации их жуками. Бабочки-данаиды и жуки-короеды — немногие из шестиногих, которые в процессе эволюции приобрели способность использовать химию растений для взаимоотношений между полами.

Интересно, что медоносная пчела получает свой следовой феромон — монотерпен гераниол также непосредственно из растений. Этот аттрактант насекомые извлекают из ароматических веществ цветков, а затем применяют для указания источников пищи. Пчелы рода тригона используют для подобной цели соединение растительного происхождения — бензаль-дегид. Это вещество с миндальным запахом (образуется из цианогенного гликозида прунасина) — идеальный феромон для мечения пищи. Дело в том, что он, по мере того как пища используется насекомыми, теряет свою биологическую активность и в результате окисления превращается в неактивную бензойную кислоту.

Исследования показали, что феромоны растительного происхождения можно обнаружить не только в теле насекомых, но также в самом растении. Так, у голосеменных растений обнаружен борнилацетат, который вызывает возбуждение у самцов американского таракана уже в концентрации 0,07 мг/см³. Причем D-изомеры этого соединения более чем в 100 раз активнее L-изомеров. При обследовании 100 видов покрытосеменных растений обнаружено, что 8 из них содержат феромоны таракана.

У насекомых далеко не всегда ведущую роль при сближении особей противоположного пола играют самочки. Ученые обнаружили, что примерно у 107 видов шестиногих самцы первыми начинают «объясняться в любви». Более чем у 280 видов первое «слово» за самочками, но существуют и такие насекомые, у которых выражено равноправие и обе особи обладают этой удивительной способностью к химическому общению.

Для «объяснения в любви» насекомые чаще используют не одно химическое соединение, а сложную смесь летучих веществ, которые выполняют различные функции в привлекающем запахе. Наряду с основным компонентом полового феромона в секретах бабочек и жуков присутствуют молекулы-синергисты (вместе действующие), которые усиливают зов самочки, и соединения-антагонисты (оказывающие противоположное действие), которые лишают «молекулу любви» ее привлекательности. Такой многокомпонентный состав тонко регулирует брачные ритуалы насекомых.

Опубликована гипотеза, авторы которой считают, что компоненты полового феромона образуют что-то вроде многослойного пахучего облака. Самцы насекомых, используя свои «носы-антенны», анализируют эту сложную композицию запахов и находят единственно правильный путь к самочке.

Американские энтомологи Вильсон и Боссерт рассчитали форму и размеры пространства действия полового феромона непарного шелкопряда в природных условиях. Оказалось, что пахучее облако представляет собой эллипсоид — этакое веретено длиною несколько километров и шириною около 200 м.

В пользу предположения о сложном составе феромонов свидетельствует траектория полета самцов, ведущих поиск подруги, а также более низкая активность искусственных феромонов по сравнению с запахом самочки. И, несмотря на это, всего 10^–7 мкг синтетического вещества достаточно, чтобы привлечь 100 самцов непарного шелкопряда к ловушке, а для тутового шелкопряда и того меньше — всего 1000 «молекул любви».

Если бы было возможно собрать все количество полового феромона, синтезируемое одной самкой непарного шелкопряда в течение двух с половиной лет, то эта небольшая доза привлекла бы к ней около миллиона возбужденных самцов.

Кроме «молекул любви», в жизни шестиногих обитателей планеты большую роль играют и другие не менее загадочные вещества, участвующие в общении насекомых.