Кіріспе
Химиялық экология – тірі организмдер арасындағы химиялық байланыс арқылы жүзеге асырылатын әрекеттесулерді және олардың қатысатын организмдердің демографиясына, мінез-құлқына және нәтижесінде эволюциясына тигізетін әсерін зерттейтін ғылым. Осылайша, бұл өте кең және көп салалы ғылым. Химиялық экологтар қоғамдық немесе экожүйелік процестерді қамтамасыз ететін сигналдар ретінде танылатын нақты молекулаларды (яғни, семиохимиялық заттарды) анықтауға және осы сигналдардың эволюциясын түсінуге ұмтылады. Мұндай қызметтерді атқаратын заттар көбінесе кішкентай, оңай таралатын органикалық молекулалар болып табылады, бірақ ірі молекулалар мен шағын пептидтерді де қамтуы мүмкін. Іс жүзінде химиялық экология биоактивті метаболиттерді бөліп алу және анықтау үшін қабықшалық хроматография, жоғары өнімді сұйық хроматография және газ хроматографиясы сияқты хроматографиялық техникаларды кеңінен пайдаланады. Күтілетін белсенділікке ие молекулаларды анықтау үшін химиялық экологтар көбінесе биологиялық талдауға бағытталған фракциялауды қолданады. Қазіргі таңда химиялық экологтар химиялық байланыс арқылы жүзеге асырылатын әрекеттесулердің негізіндегі биосинтездік және сигнал трандукциясының жолдарын түсіну үшін генетикалық және геномдық техникаларды да қолданады.
Chemical ecology is the study of chemically mediated interactions between living organisms, and the effects of those interactions on the demography, behavior and ultimately evolution of the organisms involved. It is thus a vast and highly interdisciplinary field. Chemical ecologists seek to identify the specific molecules (i. e. semiochemicals) that function as signals mediating community or ecosystem processes and to understand the evolution of these signals. The substances that serve in such roles are typically small, readily diffusible organic molecules, but can also include larger molecules and small peptides. In practice, chemical ecology relies extensively on chromatographic techniques, such as thin layer chromatography, high performance liquid chromatography, and gas chromatography, to isolate and identify bioactive metabolites. To identify molecules with the sought after activity, chemical ecologists often make use of bioassay guided fractionation. Today, chemical ecologists also incorporate genetic and genomic techniques to understand the biosynthetic and signal transduction pathways underlying chemically mediated interactions.
Өсімдік химиялық экологиясы
Өсімдіктердің химиялық экологиясы өсімдіктердің тірі ортасымен (мысалы, микроорганизмдер, өсімдіктермен қоректенетін жәндіктер және тозаңдаушылар) өзара әрекеттесуінде химиялық сигналдар мен ишаралардың атқаратын рөліне қатысты зерттеулермен айналысады.
Өсімдіктер мен жәндіктер арасындағы өзара іс-қимыл
Өсімдіктер мен жәндіктердің өзара әрекеттесуінің химиялық экологиясы – химиялық экологияның маңызды саласы болып табылады. Атап айтқанда, өсімдіктер мен жәндіктер көбінесе химиялық эволюциялық қарулану жарысына тартылады. Өсімдіктер жеме-жүміске қарсы химиялық қорғаныс дамытқанда, олармен қоректенетін жәндіктер осы уларға иммунитет қабылдайды, ал кейбір жағдайларда осы уларды өздерінің жыртқыштардан қорғануы үшін қайта пайдаланады. Мысалы, монарх көбелегінің құрттары сүтқұрттан карденолидтік токсиндерді жинап алып, оларды жыртқыштарға қарсы қорғаныс ретінде қолдана алады. Көптеген жәндіктер карденолидтерден қырылады, ал карденолидтер Na+/K+ АТФазаның қуатты тежегіштері болып табылады, ал монархтар сүтқұрттармен ұзақ эволюциялық байланысының нәтижесінде осы токсинге төзімділікке ие болды. Басқа мысалдардың ішінде темекі құрты (Manduca sexta) темекі өсімдіктерінен жиналған никотинді жыртқыштардан қорғану үшін пайдаланады; ал мутуалистік микроорганизмдерге қол жеткізуге мүмкіндік беріледі. Мысалы, ризобиялар қабылдағыш өсімдіктерде инфекциялық жіптің пайда болуын қозғайтын Nod факторларын бөліп шығарады. Содан кейін ризобиялық симбионттар осы инфекциялық жіп арқылы тамыр жасушаларына енуге мүмкіндік алады. Микоризалар және басқа да саңырауқұлақ эндофиттері антибиотиктер немесе басқа да қосалқы метаболиттер өндіру арқылы қожайын өсімдіктерге зиянды саңырауқұлақтардан, бактериялардан және топырақтағы жеме-жүмістен қорғау арқылы пайда әкелуі мүмкін. Кейбір энтомопатогендік саңырауқұлақтар өсімдіктермен эндофиттік қарым-қатынас орнатуға және тіпті қоршаған топырақта тұтынатын жәндіктерден азотты тікелей өсімдіктерге жеткізуге қабілетті.
Аллелопатия
Көптеген өсімдіктер қосалқы метаболиттер (аллелохимиялық заттар деп аталады) шығарады, олар көрші өсімдіктердің өсуін тежеуі мүмкін. Аллелопатиялық бәсекелестікке қатысты көптеген мысалдар, аллелопатиялық заттар мен өсімдіктердің табиғи жағдайлардағы өнімділігі арасындағы себеп-салдарлық байланысты нақты дәлелдеудің қиындығына байланысты даулы болған, бірақ фитохимиялық заттар өсімдіктер арасындағы бәсекелестік әрекеттесуге қатысады дегені кеңінен қабылданған. Аллелопатияның ең анық мысалы – жаңғақ ағаштарының жюглон өндіруі, олардың көрші өсімдіктерге күшті бәсекелестік әсері ежелгі әлемде б.з.д. 36 жылдан бері танылған.
Өсімдіктер арасындағы байланыс
Өсімдіктер бір-бірімен ауа және топырақ арқылы химиялық сигналдарды пайдаланып байланысады. Мысалы, шөп жейтін жануарлардың шабуылына ұшырағанда, көптеген өсімдіктер өзгерген құрамындағы ұшқыш органикалық қосылыстарды (ҰОҚ) бөліп шығарады. Зақымдалған жапырақтардан әртүрлі С6 май қышқылдары мен спирттер (кейде "жасыл жапырақтардың ұшқыш заттары" деп те аталады) жиі шығады, себебі олар өсімдік жасушалары мембраналарының ыдырау өнімдері болып табылады. Бұл қосылыстар (көптеген адамдарға жаңа шабылған шөптің иісі ретінде таныс) жақын орналасқан өсімдіктер тарапынан сезілуі мүмкін, сонда олар өсімдіктердің қорғаныс механизмдерін іске қосуы ықтимал. Бұл байланыстың, көрші өсімдіктерден кездейсоқ шығарылған сигналдарды "тыңдауға" қарағанда, өзара тиесілі пайдаға байланысты белсенді таңдау тарихын қаншалықты бейнелейтіні күмәндануда.
Қорғау
Көптеген теңіз организмдері жыртқыштарды қайтармалдау үшін химиялық қорғанысқа жүгінеді. Мысалы, кейбір қабықшалылар мен мезогразерлер, тіпті Pseudamphithoides incurvaria сияқты түрлер, улы балдырлар мен теңіз шөптерін денелерін жауып, жыртқыштардан қорғану үшін пайдаланады. Бұл өсімдіктер пахидиктиол А және диктиол Е сияқты дитерпендерді өндіреді, олардың жыртқыштарды қайтаратыны дәлелденген. Басқа теңіз организмдері өздерін қорғау үшін химиялық заттарды іштен өндіреді. Мысалы, қанаты жоқ табан балық (Pardachirus marmoratus) жыртқыштардың жақтарын сал қылатын у шығарады. Көптеген зоантидтер, мысалы, палитоксин сияқты аса күшті уларды өндіреді, ол белгілі ең қауіпті заттардың бірі. Осы зоантидтердің кейбір түрлері өте жарқын түсті болады, бұл апосематикалық қорғаныстың белгісі болуы мүмкін.
Көбею
Көптеген теңіз жандары жұптасу үшін феромондарды қолданады. Мысалы, теңіз шағалаларының аталықтары аналықтары жұмыртқалаған кезде бірнеше метрге дейін сезіліп тұратын өт шығарып, оларды өздеріне тартады. Басқа процестер күрделірек болуы мүмкін, мысалы, крабтардың көбею әдеттері. Аналық крабтар қабығынан түскеннен кейін қысқа ғана уақыт ішінде жұптаса алады, сондықтан аналық крабтар жұптасуға кіріспес бұрын жұп іздеу үшін феромондар шығарады. Аталық крабтар осы феромондарды анықтап, аналықсы түскенше оны қорғайды. Дегенмен, крабтардың жемтілікке бейімділігіне байланысты, аналық өзінің еркек қорғаушысының жемтілік инстинктін басу үшін қосымша феромон шығарады. Бұл феромондар өте күшті – сондықтан олар зерттеушілер феромонмен жаққан тастармен немесе губкалармен жұптасуға тырысады.
Үстемдік
Сонымен қатар, қақпарлылар арасындағы үстемдік химиялық сигналдар арқылы да реттеледі. Қақпарлылар үстемдікті анықтау үшін шайқасқанда, олар суға несеп бөледі. Кейіннен, егер олар қайта кездессе, екеуі де бір-бірін несептегі феромондар арқылы тани алады, бұл оларға үстемдік орнатылған жағдайда төбелес жасаудан аулақ болуға мүмкіндік береді. Лобстер басқа дарақтан несеп иісін сезгенде, оның мәртебесіне қарай әртүрлі реакция жасайды (мысалы, үстемдік құбыртқадан келген несеп иісін сезгенде көбірек мойынсұнушылық танытады, ал бағыныштырақ дарақтан келген несеп иісін сезгенде батылрақ болады). Егер дарақтар несеп арқылы байланыса алмаса, төбелес ұзаққа созылып, нәтижесін болжау қиын болады. Құрамындағы химиялық заттарға негіделген зиянкестермен күресу әдістері, дәстүрлі инсектицидтерден айырмашылығы, әдетте, түрге қатысты, уытсыз және өте тиімді болады. Орман шаруашылығында, шырша және қарағай ормандарындағы қабық құрттарынан және пальма плантацияларындағы пальма құрттарынан туындаған ағаштардың өлімін азайту үшін жаппай тұтқырлау табысты қолданылған. Кенияда ірі қара малын цеце құсы тарататын трипаносомиоз ауруынан қорғау үшін, қожайын емес жануар – су құсынан алынған иіс шығаратын қоспа қолдану стратегиясы жасалған. "Қозғап-Тарту" егістік зиянкестерін басқару жүйесі ауыл шаруашылығы өнімділігін тұрақты арттыру үшін аралас егілген өсімдіктерден алынған химиялық сигналдарды пайдаланады. "Қозғап-Тарту" егістігінің тиімділігі химиялық байланыстың бірнеше түріне негізделген. Бұл техника алғашқыда Chilo partellus сияқты сабақты тесіп жейтін көбелектерді бақылау үшін ұшпалы қожайынды табу сигналдарын өзгерту арқылы жасалған, бірақ кейіннен Desmodium spp. түбірлерінен бөлінетін аллелопатиялық заттардың зиянды паразиттік арамшөп – Striga-ны басуға да көмектесетіні анықталды.
Дәрілік препараттарды әзірлеу және биохимиялық жаңалықтар
Коммерциялық дәрілердің көп бөлігі (мысалы, аспирин, ивермектин, циклоспорин, таксоль) экологиялық өзара әрекеттесуге қатысқан табиғи заттардан туындайды. Табиғи тарихты зерттеу жаңа дәрілік заттарды табуға көмектесуі мүмкін деген болжамдар бар болғанымен, табиғи заттардан алынған көптеген дәрілер олардың экологиялық қызметін бұрынғыдан білу нәтижесінде ашылмаған. Дегенмен, өсімдік токсиндерін зерттеу көптеген маңызды биологиялық жаңалықтарға жол ашты. Мысалы, бірінші рет анықталған нейротрансмиттер рецепторы – никотиндік ацетилхолин рецепторының сипаттамасы кураре мен никотиннің әсер ету механизмін зерттеу нәтижесінде пайда болды. Сол сияқты, мускариндік ацетилхолин рецепторының атауы саңырауқұлақтың мускарин токсинінен алынған.
1950 жылдан кейін
1959 жылы Адольф Бутенандт 500 000 көбелекті ұнтақтау арқылы алынған материалмен жібек көбелегінің (Bombyx mori) алғашқы түрішілік химиялық сигналын (бомбикол) анықтады. Сол жылы Карлсон мен Люшер осы сигнал түрін сипаттау үшін «феромон» терминін ұсынды. Сондай-ақ 1959 жылы Готфрид С. Френкель өзінің «Екіншілік өсімдік заттардың болу себебі» атты маңызды еңбегін жариялады, онда өсімдіктердің екіншілік метаболиттері метаболикалық қалдықтар емес, керісінше, өсімдіктерді тұтынушылардан қорғау үшін қалыптасқан деп дәлелдеді. Бұл еңбектер қазіргі химиялық экологияның бастауы болды. 1964 жылы Пол Р. Эрлих пен Питер Х. Рейвен өте ықпалды «Қашу және таралу коэволюциясы» теориясын ұсынған мақаланы бірлесіп жазды, онда өсімдіктер мен жәндіктер арасындағы эволюциялық «жарыс» өсімдіктер мен жәндіктердің жоғары деңгейде әртараптануын түсіндіруге болады делінген. Өсімдік метаболиттері жеке өсімдіктердің тіршілік етуіне ғана емес, сонымен қатар кең макроэволюциялық үлгілерге де әсер етуі мүмкін деген идея өте ықпалды болып шықты. Алайда Тибор Джерми өсімдіктер мен олардың өсімдік жейтін жәндіктері арасындағы эволюциялық жарысқа күмән келтірді және фитофаг жәндіктердің эволюциясы өсімдіктердің эволюциясына тікелей әсер етпей, кері байланыссыз, яғни өсімдіктердің эволюциясына әсер етпей, оған ілесіп қана келеді деп ұсынды. Ол өсімдіктер мен жәндіктердің макроэволюциялық үлгілерін сипаттау үшін «тізбекті эволюция» терминін қолданды, бұл жәндіктердің өсімдіктерге жасаған шабуылының селекциялық қысымының әлсіз немесе жоқтығын көрсетеді. 1960 және 1970 жылдары бірқатар өсімдік биологтары, экологтар мен энтомологтар өсімдіктердің екіншілік метаболиттерінің экологиялық рөліне қатысты зерттеулерді кеңейтті. Осы кезеңде Томас Эйснер және оның жақын әріптесі Джеррольд Майнвальд өсімдіктер мен жәндіктердегі химиялық қорғанысқа қатысты бірқатар маңызды мақалалар жариялады. Корнеллдегі басқа да бірқатар ғалымдар осы кезеңде химиялық экологияға қатысты тақырыптар бойынша жұмыс істеді, соның ішінде Пол Фини, Венделл Л. Роэлофс, Роберт Уиттакер және Ричард Б. Рут. 1968 жылы Корнелл университетінде химиялық экология бойынша алғашқы курс ашылды. 1970 жылы Эйснер, Уиттакер және мүріштерді зерттейтін биолог Уильям Л. Браун, Jr. «алломон» (эмиттерге пайдасы тиетін, бірақ қабылдағышқа емес) және «кайромон» (тек қабылдағышқа пайдасы тиетін) терминдерін енгізді, бұл терминдер жартылай химиялық сигналдарды сипаттау үшін қолданылды. Уиттакер мен Фини келесі жылы «Science» журналында өсімдіктер мен жануарлардың әртүрлі түрлеріндегі химиялық қорғаныстың экологиялық рөлі туралы соңғы зерттеулерді қамтитын әсерлі шолу мақаласын жариялады, сондай-ақ Уиттакердің жаңа семиохимиялық таксономиясын ғылыми қауымдастыққа кеңінен таныстырды. Осы уақытта Линкольн Брауэр карденолидтерді монарх көбелектерінің жинақтауы туралы бірқатар маңызды экологиялық зерттеулер жариялады. Брауэр «экологиялық химия» терминін танымал етті, ол 1968 жылы «Science» журналында жарияланған және келесі жылы «Scientific American» журналында жазған мақаласында пайда болды, тіпті бұл термин мақаланың мұқабасында алып көк шоқын мен екі монарх көбелегінің суретімен бірге жазылған. «Журнал химической экологии» 1975 жылы, ал «Chemoecology» журналы 1990 жылы құрылды. 1984 жылы Халықаралық химиялық экология қоғамы құрылды, ал 1996 жылы Германияның Йена қаласында Макс Планк химиялық экология институты құрылды.