Кіріспе
1938 жылы австриялық этолог Карл фон Фриш алғаш рет шабақтардағы химиялық дабыл сигналының – шершіндердің (Schreckstoff) болуы туралы хабарлады. Дабыл сигналы – бұл қауіпке жауап ретінде "жіберуші" жеке тұлғаның басқа жануарларды, "қабылдаушыларды" қауіптен ескертетін реакциясы. Бұл химиялық дабыл сигналы жіберушіге механикалық зақым келгенде ғана бөлінеді, мысалы, жыртқышқа түскен кезде, және ол иіс сезу жүйесімен анықталады. Бұл сигнал қабылдаушыларға жеткенде, олар жыртқыштық қауіпті күшейте түседі және жыртқышқа қарсы қылық көрсетеді. Осы қасиетке ие балық популяциялары жақсырақ тіршілік етеді, сондықтан бұл қасиет табиғи іріктеу арқылы сақталады. Бұл сигналдың эволюциясы бұрын қызу талқылауларға себеп болған, бірақ соңғы деректер шершіндердің патогендер, паразиттер және УВ-В сәулеленуі сияқты қоршаған ортаның стрес факторларына қарсы қорғаныс ретінде пайда болғанын, ал кейін жыртқыштар мен жемтілер оны химиялық сигнал ретінде қолданғанын көрсетеді.
In 1938, the Austrian ethologist Karl von Frisch made his first report on the existence of the chemical alarm signal known as Schreckstoff (fright substance) in minnows. An alarm signal is a response produced by an individual, the "sender", reacting to a hazard that warns other animals, the receivers, of danger. This chemical alarm signal is released only when the sender incurs mechanical damage, such as when it has been caught by a predator, and is detected by the olfactory system. When this signal reaches the receivers, they perceive a greater predation risk and exhibit an antipredator response. Since populations of fish exhibiting this trait survive more successfully, the trait is maintained via natural selection. While the evolution of this signal was once a topic of great debate, recent evidence suggests schreckstoff evolved as a defense against environmental stressors such as pathogens, parasites, and UVB radiation and that it was later co opted by predators and prey as a chemical signal.
Өмірбаян
Химиялық дабыл жүйелері әртүрлі таксондарда анықталды, оның ішінде жұмсақ денелілерде, терідемелілерде, қосмекенділерде және балықтарда. Химиялық дабыл сигналдарының ең жақсы зерттелгендерінің бірі – schreckstoff, ол Ostariophysi суперқатарында (мысалы, шабақтар, харациндер, сомдар және т.б.) кеңінен қолданылады. Барлық тұщы су балықтарының шамамен 64% және әлемдегі барлық балықтардың 27% осы ostariophysan суперқатарына жатады, бұл балықтарда осы химиялық дабыл жүйесінің кең таралғандығын және маңыздылығын көрсетеді.
Шрекстофффтаның остариофизандардағы құрамы
Шрекстфолд өндіру метаболизмдік тұрғыдан қымбат екені дәлелденді, сондықтан ол тек жеткілікті ресурстарға қол жеткізе алатын жеке тұлғалар қолдана алатын шартты стратегияның бір бөлігі болып табылады. Шрекстфолд құрамындағы ықтимал белсенді ингредиенттердің бірі гипоксантин 3N оксиді (H3NO) болып табылады, ол енді "дабыл зат жасушалары" деп аталатын клуб жасушаларында өндірілуі мүмкін. Азот оксидінің функционалдық тобы қабылдаушыларда жыртқышқа қарсы мінез-құлқының негізгі химиялық триггері екені анықталды. Шрекстфолд – қоспа, ал гликозаминогликан фрагменттері, хондроитин сульфаты, қорқыныш реакциясын тудыруға қабілді. Алдын ала полисахарид – шырыштың құрамындағы компонент, ал фрагменттердің зақымдану кезінде түзілуі болжамдалады. Терілік экстракттан алынған шрекстфолд сияқты, хондроитин сульфаты да иіс сезу нейрондарының белгілі бір тобын белсендіреді. Шрекстфолд өндірісі мен оған жауап беру онтогенез барысында өзгереді. Мысалы, жас бұлақ балықтары (Culaea inconstans) ересектерге қарағанда, өз терісінің экстрактімен жем салынған шабақ тұзақтарына көбірек түседі. Бұл нәтиже жас бұлақ балықтарының шрекстфолд пен жыртқыш жануардың болуы арасындағы байланысты ересектерге қарағанда оңайрақ жасай алмайтынын көрсетеді. Бұл байланыстың уақыт өте келе оқу немесе физиологиялық даму нәтижесінде нығаятыны әлі анық емес. Онтогенездегі өзгерістерден басқа, шрекстфолд өндірілу деңгейі көбейту маусымында да өзгереді. Еркек майлы балықтар (Pimephales promelas) көбейту маусымында шрекстфолд өндірісін тоқтатады, бірақ осы кезеңде шрекстфолдқа жауап ретінде жыртқышқа қарсы мінез-құлқыларын сақтайды. Шрекстфолд өндірісі осы кезде тоқтатылуы мүмкін, себебі еркек майлы балықтар ұя салып жатқанда механикалық зақымдарға ұшырайды. Ұя салып жатқанда шрекстфолд өндіру еркектер үшін зиянды, өйткені ол әйелдерді бейсалы түрде қуып, жұптасу мүмкіндігін азайтады. Көбейту маусымында шрекстфолд өндірісін тоқтату арқылы еркектер бұл мәселені шешеді. Дабыл зат жасушаларының өндірісін тоқтату андрогендермен реттеледі.
Шрехтфолфтың эволюциясына қатысты гипотезалар
Шрекштоффтың эволюциясы туралы бірнеше түрлі гипотезалар ұсынылған. Бірінші гипотеза бойынша, шрекштоффтың эволюциясы туыстық таңдау арқылы жүзеге асты. Бұл гипотезаны қолдау үшін, жекелемелердің жақын туыстардың тобында өмір сүретіні және химиялық дабыл сигналдарының шығарылуы туысқандардың жыртқыштан қашу ықтималдығын арттыратынына дәлелдер қажет. Екінші гипотеза, жыртқыштарды тарту, шрекштоффтың бөлінуі қосымша жыртқыштарды тартады, олар жыртқыштық оқиғасына кедергі келтіріп, олжаның қашып, шабуылдан аман қалу мүмкіндігін арттырады. Бұл гипотеза жыртқыштардың шрекштоффқа тартылатынын және өзара бәсекелестік арқылы немесе бір-бірін жеу арқылы араласатынын болжайды. Сонымен қатар, олжаның механикалық зақымдарға ұшырағанына қарамастан, олжаның қашып кетуі және шабуылдан қалпына келуі мүмкін деп санайды. Осы болжамдарды тексеру және растау жыртқыштарды тарту гипотезасын қолдайды. Үшінші гипотеза шрекштоффтың иммундық функцияға ие екенін, ол патогендерге, паразиттерге және/немесе УВВ сәулесіне қарсы қорғаныс береді деп ұсынады. Бұл гипотезаны қолдау үшін, дабыл затты өндіретін жасушалардың болуы мен патогендер мен паразиттердің арасындағы байланыс байқалуы керек. Шрекштоффтың судағы патогендер мен паразиттердің өсуін тежейтініне тікелей дәлелдер иммунитет гипотезасын қосымша қолдайды. Тағы бір гипотеза бойынша, шрекштофф – жарақат салдарынан туындаған шырыш пен клубты жасушалардың ыдырау өнімі. Дабылға жауап беруге таңдау негізінен қабылдаушы деңгейінде жүреді.
Қауымды таңдау гипотезасы
Шрекстоффтың эволюциясына қатысты алғашқы гипотезалардың бірі В.Д. Гамильтонның туыстық таңдау теориясына негізделген. Туыстық таңдау теориясы бойынша, химиялық дабыл сигналын жіберуші, егер туысқандарға тигізетін пайдасы жеткілікті болса, осы сигналды жіберуге байланысты шығындарды көтеруге дайын болады. Сигналды жіберуші үлкен шығындарға ұшыраған жағдайда (яғни, қақтығыс салдарынан өлімге әкелуі мүмкін механикалық зақым алғандықтан химиялық дабыл сигналын бөліп шығарады), жақын туыстарға тигізетін пайдасы зор болуы керек. Туыстық таңдау тұрғысынан қарағанда, жіберушіге зиянды көрінетін мінез-құлықтар, олардың ортақ тегінен аллельдерді бөлісетін тұлғаларға пайда келтіретіндіктен, таңданып алынады. Осылайша, жіберушінің аллельдерінің келесі ұрпақтағы жиілігі, табысты туыстардың арасында болуы арқылы артады. Шрекстоффтың эволюциясына туыстық таңдау теориясын қолдану үшін бірнеше шарт орындалуы тиіс. Біріншіден, жіберушінің шрекстоффты бөліп шығаруы қабылдаушыларға пайда әкелетініне дәлелдер болуы керек. Екіншіден, Ostariophysi тобына жататын жануарлардың негізгі байланысы отбасы мүшелерімен болуы көрсетілуі керек. Егер осы екі шарттың бірі бұзылса, туыстық таңдау гипотезасы қолдау таппайды. Шрекстоффты бөліп шығару қабылдаушыларға нақты артықшылықтар береді деген алғашқы шартты қолдайтын бірнеше дәлелдер бар. Лабораториялық тәжірибеде, бір түрге жататын шрекстоффқа ұшыраған майлы балықтар (fathead minnows), жыртқыш солтүстік шырша (Esox lucius) бар аквариумға қойылғанда, бақылау тобына қарағанда 39,5% көбірек тірі қалды. Бұл жайт шрекстофф қабылдаушыларда сақ болу сезімін күшейтеді, нәтижесінде жыртқыштың анықталуынан кейін реакция уақыты жеделдейді дегенді көрсетеді. Екінші шарт, яғни Ostariophysi тобына жататын жануарлардың жақын туыстарымен байланыста болуы, эмпирикалық деректермен толыққанды расталмады. Еуропалық миноу (Phoxinus phoxinus) үйірлерінде үйірдің ішінде де, арасында да туыстық байланыс деңгейінде ешқандай айырмашылық табылған жоқ, бұл жануарлардың туысқандарымен туысқан емес жануарларға қарағанда тығыз байланыста еместігін көрсетеді. Остариофиза тобының барлық өкілдерінде үйір құрамы зерттелмеген, сондықтан толығымен отбасы мүшелерінен құралған үйірлер болатынын жоққа шығаруға болмайды. Дегенмен, функциясы туыстық пайдаға байланысты емес түрлерде шрекстофф өндірісінің сақталуы, шрекстоффтың эволюциясының механизмі ретінде туыстық таңдауға қарсы күшті дәлел келтіреді. Сондай-ақ, майлы балықтар (fathead minnows) таныс үйірдегі жануарлардың қасында болғанда эпидермалық дабыл заттарының жасушаларын (және демек, шрекстоффты) аз өндіретіні анықталды. Бұл зерттеудің нәтижелері екі мүмкін жағдайды көрсетеді, екеуі де шрекстоффтың туыстық таңдау арқылы дамыған деген гипотезаға қайшы келеді. Біріншіден, егер шрекстофф туыстық таңдау арқылы дамыған болса, туысқандарының қатысуында туысқан емес жануарларға қарағанда көбірек эпидермалық дабыл заттарының жасушалары өндірілуі керек еді. Бұл майлы балықтардағы таныс үйірдегі жануарлардың жақын туыстар болуын және таныс жануарлармен үйірде болғанда шрекстофф өндірісінің артуын білдіреді. Зерттеуде мұндай жағдай анықталған жоқ. Екіншіден, бұл нәтижелер жануарлардың туыстарымен ешқандай байланысқа түспейтінін немесе шрекстофф өндірісі балықтың үйірдегі жануарлармен қаншалықты таныс екеніне байланысты өзгеретінін көрсетеді. Қорытындылай келе, дәлелдер шрекстоффтың туыстардың тіршілігін арттыру арқылы жіберушінің инклюзивті жарамдылығын арттыру нәтижесінде дамыған деген гипотезаны қолдамайды.
Жыртқыш тартымдылық гипотезасы
Жыртқыштарды тарту гипотезасы бойынша, шрекштоффтың негізгі мақсаты – аймаққа қосымша жыртқыштарды тарту. Бұл гипотезаға сәйкес, қосымша жыртқыштар бастапқы жыртқышпен өзара әрекеттеседі, ал бұл өзара әрекеттесулер жіберушіге қашуға мүмкіндік береді. Бұл гипотезаны қолдау үшін бірқатар шарттар орындалуы керек. Біріншіден, шрекштофф жыртқыштарды өзіне тартады. Екіншіден, келесі жыртқыштар аңдау оқиғасына кедергі келтіріп, олжаның қашу ықтималдығын арттыруы керек. Үшіншіден, жіберуші аңдау оқиғасы кезінде болған механикалық зақымданудан қалпына келуі керек. Бір зерттеу бірінші шартты қолдайды, яғни шрекштоффты бөліп шығару жыртқыштарды тартуы тиіс. Бұл тәжірибеде майлы бас миноуларынан алынған шрекштофф солтүстік шыршаны (Esox lucius) және жыртқыш суға түсетін құрттарды (Colymbetes sculptilis) тартты. Сонымен қатар, табиғи зерттеуде жыртқыш балықтар майлы бас миноу терісінің экстрактымен сіңген әйнекке сумен немесе тері экстрактымен сіңген әйнектен жеті есе көп шабуыл жасады. Алдыңғы екі зерттеу шрекштоффтың қосымша жыртқыштарды тартуға қатысты жүйелердің мысалдарын көрсеткен болса, мұндай жағдай жоқ жүйе табылды. Бөлшекті бас (Micropterus punctulatus) бес түрлі бірге кездесетін жемшөп түрінің терісінен (шрекштоффты қамтитын) және бұлшық етінен (бақылау, шрекштоффты қамтитын емес) алынған экстракттарға ұшырады. Бөлшекті бас шрекштоффты қамтитын емдеулердің ешқайсысына қызығушылық танытпады. Бұл нәтиже шрекштоффтың аймақтағы тиісті жыртқыштарды әрқашан тартпайтынын көрсетеді. Солтүстік шырша көптеген аймақтарда енгізілген түр болғандықтан, шрекштофф жүйесінің эволюциясы кезінде майлы бас миноуларымен бірге дамымаған болуы мүмкін. Бұл жүйе экологиялық тұрғыдан маңызды болуы мүмкін және шрекштофф жыртқыштарды тартушы ретінде дамығанын көрсететін дәлелдер аз. Қорытындылай келе, гипотезаның бірінші шарты орындалған-орындалмағаны туралы пікірталас жалғасуда. Жыртқыштарды тарту гипотезасын қолдау үшін қажетті екінші шарт – қосымша жыртқыштардың кейде аңдау оқиғаларын бұзып, олжаның қашу ықтималдығын арттыруы керек. Солтүстік шырша/майлы бас миноу жүйесінде қосымша солтүстік шыршалар аңдау оқиғасына екі жолдың бірімен кедергі келтіре алады. Біріншіден, бірдей өлшемдегі қосымша солтүстік шыршалар басты жыртқышпен байланысқа түсіп (оны шағып алу және т.б.) аңдау оқиғасына кедергі келтіреді. Екіншіден, шрекштоффқа тартылатын үлкен шыршалар бастапқы жыртқышқа жем болуы мүмкін. Солтүстік шыршаның тұтқындауынан кейін майлы бас миноуларының қашу ықтималдығы екінші шырша аңдау оқиғасына кедергі келтіргенде айтарлықтай артады. Солтүстік шыршаның жас құрылымы жас, кішірек дарақтарға бейім. Егер жас шырша майлы бас миноуларына шабуыл жасап, үлкен дарақтарды тартса, онда жас шырша каннибализмге ұшырауы мүмкін және олжаны босатып, қашуға бейім болады. Екінші шартқа қатысты, қосымша жыртқыштар аңдау оқиғаларын бұзып, жіберушінің қашу ықтималдығын арттырады. Соңғы шарт, дарақтар аңдау оқиғасынан кейін сәтті қалпына келуі керек, қанағаттандырылған сияқты. Бұл шартты растайтын дәлел – табиғи популяциядағы көптеген шағын балықтардың, мүмкін, сәтсіз аңдау әрекеттерінен болған, жарақат белгілері бар екендігі. Шрекштофф жыртқыштарды тартатыны туралы дәлелдер аралас болса да, зерттеулер бірнеше жыртқыштардың бір-біріне кедергі келтіретінін және олжа аңдау оқиғасынан құтылғанда қалпына келе алатынын көрсетеді. Жыртқыштардың аңдау оқиғасына тартылу деңгейі оның су ортасында таралу жылдамдығына байланысты, бұл өз кезегінде су ағысының параметрлеріне байланысты. Бұл гипотеза шрекштоффтың аңдау оқиғасы кезінде тірі қалу ықтималдығын арттырудың жолы ретінде дамығанын және оның кейіннен дамыған түрдестердің жыртқыш белгісі ретінде рөлін көрсетеді. Қауымдық таңдау гипотезасына қарағанда эмпирикалық зерттеулер көбірек қолдау тапқандықтан, жыртқыштарды тарту гипотезасы біраз уақыт бойы танымал болды.
Шрекстофф патогендерге, паразиттерге және УФ-В сәулелеріне қарсы ықтимал қорғаныс ретінде
Соңғы гипотеза бойынша, шрекстофф иммундық функцияға ие және патогендерге, паразиттерге және/немесе УФ-В сәулесіне қарсы қорғаныстың алғашқы желісі болуы мүмкін. Бұл гипотезаны қолдайтын дәлелдер мол. Жақында жүргізілген толыққанды зерттеу көрсетті, паразиттер мен патогендердің остериофизан балықтарының терісіне енуі сигнализациялық жасушалардың өндірілуін стимуляциялайды. Сонымен қатар, УФ-сәулеленудің күшеюі сигнализациялық жасушалардың өндірісінің артуымен байланысты болды. Шрекстоффтың иммундық жауаптағы ролі майлы бас балықтарының терісінен алынған экстракттардың *Saprolegnia ferax* (судағы саңырауқұлақ) өсімін мәдениетте тежегендігі арқылы одан да нығайтылды. Керісінше, шрекстофф өндірмейтін деп есептелетін қылышқұйрық балықтарының (*Xiphophorus helleri*) терісінен алынған экстракттар *S. ferax* өсімін бақылау тобымен салыстырғанда арттырды. Балықтарда сапролегния инфекциясы кезінде ауыр металл және омыртқалы жануарларда иммунодепрессант ретінде танылатын кадмий сигнализациялық жасушалардың өндірілуін тежейді. Бұдан әрі, майлы бас балықтарын кортизолмен емдеу, белгілі иммунодепрессант, лейкоциттердің активтігімен қатар сигнализациялық жасушаларға инвестицияны айтарлықтай төмендетті. Осы ауқымды зерттеулердің нәтижелері шрекстоффтың негізгі функциясы балықтың эпидермисіне қауіп төндіретін қоршаған ортаның көптеген факторларына қарсы иммунитет беру екенін күшеп көрсетеді. Егер шрекстофф патогендерге, паразиттерге және УФ-В сәулесіне қарсы қорғаныс ретінде пайда болған болса, онда оның қоршаған ортаға шығарылуы жыртқыштар мен олжаның осы жүйені пайдалануына мүмкіндік берді. Кейбір жүйелерде жыртқыштар шрекстоффты жеңіл олжа табу үшін пайдалана алады, олжаны ұрлау үшін немесе бастапқы жыртқышқа шабуыл жасау үшін жыртқыштық оқиғасын бұзу арқылы. Жақын жердегі туысқандар шрекстоффты химиялық сигнал ретінде пайдаланады, осы аймақта жыртқыш бар екенін ескертеді.
Экологиялық факторлар
Осы уақытқа дейінгі ең сенімді зерттеулер сигнализация жасушаларының иммундық жүйедегі жауап ретінде қызмет ететінін және осы заттың экологиялық салдары кейіннен химиялық дабыл сигналы ретінде дамығанын көрсетеді. Бұл жаңалық қызықты зерттеу сұрақтарын тудырады. Біріншіден, жоғарыда айтылғандай, көптеген остариофизандар түріндегі еркектер көбейту маусымында дабыл жасушаларын өндіруді тоқтатады, бұл әйелдер еркектер ұя салу кезінде механикалық зақым алғанда қателікпен ұядан қуылмауы үшін жасалған болжам. Иммундық гипотезаға сәйкес, дабыл жасушалары көбейту маусымында тестостерон деңгейінің жоғарылауы иммундық жауапты төмендеткендіктен, азырақ өндірілуі мүмкін. Сонымен қатар, бұл жаңалық еркектердің көбейту маусымында УФ-В сәулеленуіне, сондай-ақ паразиттер мен патогендерге шағу қаупінің артуын көрсетеді. Schreckstoff-тың иммундық жауап ретіндегі рөлі, қоршаған ортаның өзгеруі күшейген осы заманда қосымша маңызға ие. Қоршаған орта стресстері, соның ішінде УФ-В сәулеленуі, ластану және паразиттер қоршаған ортада артып келеді және одан әрі артуы мүмкін. Стратосфералық озонның азаюына байланысты УФ-В сәулеленуі күшейіп, аурулар жергілікті және жаһандық деңгейде маңыздырақ болып келеді, ал ауыр металдар сияқты ластаушылар экожүйеге енгізілуде. Егер қоршаған ортадағы стресстерге жауап ретінде балықтың schreckstoff өндіру қабілетіне әсер ететін кадмийдің концентрациясы артса, көптеген остариофизандардың иммундық жүйесі нашарлайды.