Феромоны
Зоолог Тристрам Вьятт – о тутовом шелкопряде, кормлении кроликов и экологически чистой дезинсекции
Феромоны – это невидимые химические сигналы между членами одного вида. Вероятно, это самый распространенный способ коммуникации в царстве животных.
Открытие феромонов
Мы встречаем упоминания о существовании феромонов с очень давних времен. Древним грекам были знакомы невидимые сигналы, которые испускают собаки во время течки и которые чувствуют кобели. Они знали, что если секрецию самки поместить на полотенце, кобель будет следовать за полотенцем. Это не звук, который издавали самки, ― это запах.
Проблема в том, что количество феромонов очень маленькое, и люди в большинстве своем не способны учуять подобные сигналы между животными. Только в 1950-х годах после двадцати лет работы группы химиков под руководством Адольфа Бутенандта, который получил Нобелевскую премию за работу над человеческими молекулами – стероидами, была опубликована работа с химическим определением первого феромона. Это был бомбикол ― женский половой феромон тутового шелкопряда.
Молекула бомбикола // wikimedia.org
Как функционируют феромоны
Феромоны – это химические сигналы, которые проходят между испускающим их животным и получателем. Обычно они переносятся по воде или по воздуху. Когда они достигают животного-получателя, они почти всегда определяются обонянием (в случае с млекопитающими – носом, у насекомых и ракообразных, например у лобстера, – через усики). Специальные нервные клетки в носу или на усиках, у которых есть специальный рецептор, связывающийся с молекулой феромона, отвечают за обнаружение феромонов.
Когда молекула феромона попадает на рецептор, она раздражает нерв, тот посылает сообщение в мозг, и он обнаруживает этот феромон. То, что происходит потом, зависит от сигнала и конкретного животного. Если это мужская особь мотылька, которая обнаружила женский половой феромон, она взлетает и после серии ответных реакций на этот феромон находит самку.
Но феромоны используются в разных ситуациях. Один из феромонов содержится в молоке кормящей крольчихи. Молочный феромон помогает крольчатам найти сосок. Это очень специфическая реакция, она позволяет крольчатам находить сосок очень быстро, ведь у них есть всего три-четыре минуты в день, когда они могут получить от матери молоко.
Сигнал феромонов действует так же, как и любой другой, за исключением того, что молекуле приходится преодолевать пространство между сигнализирующей и получающей особями. Это позволяет пользоваться ими в темноте, но подразумевает, что вы находитесь более или менее близко. Такой сигнал отличается от аудиального или визуального, который потенциально может быть использован на гораздо большем расстоянии.
Виды феромонов
Феромоны могут действовать в любой ситуации и на любом этапе жизнедеятельности в зависимости от вида животного. Мы уже упоминали о половых феромонах у мотыльков, собак и о молочных феромонах у кроликов. У социальных насекомых, в том числе у пчел, ос, муравьев и термитов, существует огромное число различных феромонов, которые предусматривают обширное разнообразие действий, например феромон тревоги. Улей медовых пчел – это очень ценный ресурс, он привлекает медведей (и людей), которые хотят его украсть. У пчел коллективная система защиты, поэтому, когда пчела кусает медведя, жало остается в коже медведя и продолжает испускать феромон тревоги. Он работает как маяк, который направляет остальных пчел в атаку на медведя. У муравьев феромон тревоги важен, когда колонии сражаются: он притягивает больше солдат в бой. Конечно, у муравьев есть и следовые феромоны, с помощью которых разведчики организовывают большие группы рабочих, чтобы собирать еду.
Также существуют такие виды феромонов, которые воздействую не напрямую на поведение, а изменяют психологию животных-получателей. Например, у мышей есть феромоны, которые ускоряют или замедляют половое развитие, которые задерживают половозрелость. Бывают феромоны, непохожие на большинство других, которые обходят систему обоняния. Например, медовые пчелы кормят своих личинок специальной едой – маточным молоком. Оно содержит феромоны, в состав которых входит белок роялактин. Если кормить личинок исключительно маточным молоком, то они станут королевами. Если давать им еще и пыльцу, то они превратятся в рабочих. То есть феромоны в королевском молоке изменяют экспрессию генов, они обладают возможностью переключать способы развития личинок.
Применение феромонов
За 80 лет до того, как обнаружили первые феромоны, энтомолог Джозеф Линтнер держал на окне своего офиса в Нью-Йорке несколько самок тутового шелкопряда. Через открытое окно их феромоны привлекали больших самцов, которые порхали над тротуаром, собирая внизу толпы прохожих. Линтнер был уверен, что сильное притяжение должно вызываться каким-то химикатом, который выделяют самки мотыльков. Если бы этот притягательный химикат можно было синтезировать и начать производить в большом количестве, возможно, появился бы способ контролировать мотыльков-вредителей. От взрослых мотыльков нет никаких проблем, но вред приносят гусеницы: они портят яблоки и прочую сельскохозяйственную культуру. Если появится возможность прерывать спаривание, препятствовать взрослым особям находить друг друга и откладывать яйца, тогда можно будет остановить гусениц.
Тутовый шелкопряд // wikimedia.org
В 1960 году, чтобы проверить эту идею, были проведены эксперименты с фруктовыми садами, кукурузой и хлопковыми плантациями. Через десять лет стало понятно, что это очень успешная идея. Она предложила решение той проблеме, что пестициды перестают работать, потому что мотыльки-вредители становятся резистентными к ним. Феромоны оказались безопасными для окружающей среды и стали самым эффективным способом дезинсекции в соотношении «цена ― качество». Они не убивают мотыльков, а предотвращают встречу взрослых особей, поэтому они избавляют нас от личинок вредителей.
Препятствие спариванию и дезинсекция с помощью феромонов используются по крайней мере на десяти миллионах гектаров во всем мире: на хлопке в США, на томатах в Мексике, на баклажанах в Пакистане и на персиках в Южной Африке. В отличие от пестицидов, синтетические феромоны не убивают хищных насекомых и других естественных врагов, что позволяет контролировать популяцию вредоносных насекомых. В то же время существует проблема: каждый вид вредителя имеет свой феромон, который нужно изучить и оптимизировать для эффективной дезинсекции.
Миф о человеческих феромонах
Человеческие феромоны обсуждались долгое время. Это очень заманчивая идея, и, конечно, она имеет глубокие корни в народном традиционном знании. Есть истории о центральноевропейских деревенских жителях, носящих под мышкой носовой платок и размахивающих им на деревенских танцах перед женщинами, которые им нравятся. Те, конечно же, в них влюбляются. Настоящие истории скорее разочаровывают. Если вы поищете в Сети, огромное количество коммерческих сайтов будут пытаться продать вам, как они заявляют, «настоящие феромоны». И если посмотреть на научную литературу, там вы тоже найдете много исследований, которые призваны показать эффективность того, что они обычно называют «предположительно человеческими феромонами».
Несколько лет назад я интересовался этим вопросом и искал источники этой идеи в научной литературе. То, что я нашел, действительно удивило меня. Оказалось, что большинство опубликованных исследований опиралось на одну работу 1991 года. Это было исследование двух молекул – андростадиенона и эстратетраенола, которые предполагались в качестве человеческих феромонов, мужского и женского соответственно. Тем не менее в статье, которая входит в материалы конференции, не приводится доказательств. В посвященном методу разделе статьи написано, что молекулы предоставлены корпорацией «Эрокс». И я задался вопросом: а что сделала корпорация «Эрокс»? Все, что я нашел, было серией патентов, которые детально описывали синтез молекул, но в них не было доказательств, что они человеческие феромоны. На каких основаниях они вообще решили, что это феромоны?
Чтобы понять принцип открытия феромонов, надо вернуться к работе о тутовом шелкопряде 1959 года. В своей новаторской работе Бутенандт установил золотой стандарт того, как надо открывать и демонстрировать настоящие феромоны. Во-первых, вы должны тщательно разделить молекулы и проверить, обладает ли ваш экстракт тем же эффектом, что и естественная секреция. Потом вы определяете молекулы, синтезируете их и показываете, что синтетические молекулы производят тот же эффект, который вы исследовали в самом начале. Когда дело дошло до людей, оказалось, что эти ключевые шаги никогда и никем не были проделаны. Эти две молекулы практически взяты из воздуха и расцениваются как феромоны. Они просто сказали, что это – феромоны, но не было никаких свидетельств должного тестирования, никаких доказательств, что их применение вызывает специфическое поведение или психологическую реакцию. В самой основе не было доказательств.
Зато появилось множество литературы, которая приняла на веру, что эти молекулы – феромоны. В своем исследовании в 2015 году я показал, что есть множество причин думать, что это не так. Молекула, выдаваемая за женский феромон, была найдена только в моче женщины, которая была на третьем триместре беременности. Вряд ли она играет роль полового феромона, который притягивает супруга. Заявленные мужские «феромоны» были найдены у мужчины под мышкой, но там присутствуют сотни других молекул. Просто нет смысла выбирать именно эти две молекулы. Я боюсь, что люди просто слишком заинтересованы половыми феромонами.
Настоящий человеческий феромон
Первый человеческий феромон, который был точно определен, оказался вовсе не половым, несмотря на небывалый интерес к ним в прошлом. Вместо этого обнаруженный феромон участвует в коммуникации между матерью и ребенком. Вообще, чтобы определить феромон, нужно провести простой, но надежный эксперимент, который вы сможете повторить на любой ступени определения молекулы. В случае с человеком имеется поведение, которое потенциально зависит от запаха, биопробы и непосредственно взаимодействия между мамой и ребенком. Эту работу проделал во Франции профессор Бинойст Шаал. Его команда нашла секрецию, которая вырабатывается вокруг соска кормящей матери, которая привлекает любого ― не только ее собственного ― ребенка покормиться грудью. Исследователи улучшили простой биотест, регистрируя реакцию грудничков на секрецию, что позволило им отслеживать и определять в молекулах феромон. Может быть, это человеческий аналог молочного феромона, который был найден у кроликов.
В свете занимательной истории, которая происходит в мире феромонов в целом, выяснилось, что, изучая их, мы удивительным образом занимаемся одновременно и поведением животных, и нейронаукой. В случае с мотыльком мы имеем определенный феромон, исходящий из женской особи, и мужскую высокоспециализированную структуру ― усики, которые ловят феромоновый сигнал. Известны специфические феромоновые рецепторы, которые расположены на многих тысячах чувствительных нейронов в органах обоняния и идут в особые «усиковые» части мозга самцов.
Во многих частях мира исследователи рассматривают, как сигнал поступает в чувствительные нейроны органов обоняния и как он обрабатывается на разных уровнях мозга, в конце концов заставляя крылья лететь. Каждая ступень может быть исследована как на уровне психологии, так и на генетическом уровне. Таким образом, мы можем взглянуть на генетику и эволюцию ферментов, которые создают феромоновый сигнал у самок. Также ученые исследуют эволюцию рецепторов в усиках и нервной системы в мозге у мотыльков. Существуют похожие исследования млекопитающих и прочих позвоночных, но они находятся на гораздо более ранней ступени из-за трудностей с исследованием нервной системы у млекопитающих. Среди феромонов наиболее исследованы мышиные дарсин и ESP1.
Открытые вопросы хемосенсорики
Целая область исследований по хемосенсорике начала, хоть и с запозданием, приравниваться к исследованиям других чувств. Об этом говорят даты вручения Нобелевской премии. За открытие механизмов слуха и зрения были выданы премии в 1971 и 1967 годах. А Ричард Аксель и Линда Бак получили премию за обоняние только в 2004-м. Они открыли группу из 1000 рецепторов обоняния у мышей в 1992 году. Каждый рецептор настроен на конкретные молекулы запаха. Одна молекула запаха может стимулировать больше одного вида рецепторов. Мозг может различить, какую молекулу «вдохнула» комбинация рецепторов (и их нейронов). Этому способствует конвергенция нейронов, передающих сигналы конкретным рецепторам, которые сходятся в клубке (гломеруле) обонятельной луковицы. По этой причине существует столько же клубков, сколько и видов рецепторов.
Мы узнали о механизме восприятия запаха совсем недавно, но продвигаемся чрезвычайно быстро. Однако многое еще осталось неизученным. Мы до сих пор пытаемся обнаружить феромоны у самых простейших видов. Последним примером будет домашняя собака. Хотя мы знаем, что кобель может обнаружить феромон, выделяющийся при течке, причем с достаточно большого расстояния, но мы точно не знаем, какие конкретно молекулы вызывают эту реакцию. Так что нам предстоит открыть еще очень многое.
Это перевод статьи нашего англоязычного издания Serious Science. Прочитать оригинальную версию текста можно по ссылке.
Об авторе:
Tristram D. Wyatt – Senior Research Associate Emeritus Fellow, Kellogg College, University of Oxford.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
25.05.2017