Введение

Химическая экология – это изучение химически опосредованных взаимодействий между живыми организмами и влияния этих взаимодействий на демографию, поведение и, в конечном счете, эволюцию вовлеченных организмов. Таким образом, это обширная и высокомеждисциплинарная область. Химические экологи стремятся выявить специфические молекулы (то есть полухимические вещества), которые функционируют как сигналы, опосредующие процессы в сообществах или экосистемах, и понять эволюцию этих сигналов. Вещества, выполняющие такие функции, как правило, представляют собой небольшие, легко диффундирующие органические молекулы, но могут включать также более крупные молекулы и небольшие пептиды. На практике химическая экология широко использует хроматографические методы, такие как тонкослойная хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография и газовая хроматография, для выделения и идентификации биоактивных метаболитов. Для идентификации молекул с необходимой активностью химические экологи часто применяют фракционирование, направляемое биоанализом. В настоящее время химические экологи также используют генетические и геномные методы для понимания биосинтетических и сигнальных путей, лежащих в основе химически опосредованных взаимодействий.

Растительная химическая экология

Химическая экология растений изучает роль химических веществ и сигналов в опосредовании взаимодействий растений с их биотическим окружением (например, с микроорганизмами, фитофагами и опылителями).

Взаимодействие растений и насекомых

Химическая экология взаимодействия растений и насекомых – значимая область химической экологии. В частности, растения и насекомые часто вовлечены в эволюционную гонку химического вооружения. По мере развития у растений химической защиты от поедания травоядными, насекомые, питающиеся ими, вырабатывают устойчивость к этим ядам, а в некоторых случаях используют эти яды для собственной химической защиты от хищников. Например, гусеницы бабочки монарх накапливают карденолидные токсины из растений-хозяев семейства молочайных и способны использовать их для защиты от хищников. В то время как большинство насекомых погибают от карденолидов – мощных ингибиторов Na+/K+ АТФазы, монархи эволюционировали и приобрели устойчивость к токсину за время своей долгой совместной эволюции с молочайными. Другие примеры накопления токсинов включают табачного бражника Manduca sexta, который использует никотин, извлеченный из табачных растений, для защиты от хищников. С другой стороны, мутуалистическим микробам может быть предоставлен доступ. Например, ризобии выделяют факторы Nod, которые запускают образование инфекционной нити в восприимчивых растениях. Затем ризобиальные симбионты могут перемещаться по этой нити, чтобы проникнуть в клетки корней. Микоризы и другие грибковые эндофиты также могут приносить пользу растениям-хозяевам, производя антибиотики или другие вторичные метаболиты, отпугивающие вредные грибки, бактерии и травоядных в почве. Некоторые энтомопатогенные грибы также могут формировать эндофитные отношения с растениями и даже передавать азот непосредственно растениям из насекомых, которых они потребляют в окружающей почве.

Аллелопатия

Многие растения производят вторичные метаболиты (известные как аллелохимические вещества), которые способны подавлять рост соседних растений. Многие примеры аллелопатической конкуренции оставались предметом споров из-за сложности однозначного доказательства причинно-следственной связи между аллелопатическими веществами и ростом растений в естественных условиях, однако широко признается, что фитохимические вещества играют роль в конкурентных взаимодействиях между растениями. Одним из наиболее явных примеров аллелопатии является выработка юглона грецкими орехами, сильное конкурентное воздействие которых на соседние растения было отмечено еще в древнем мире в 36 году до нашей эры.

Связь между растениями

Растения общаются друг с другом посредством химических сигналов, распространяющихся как по воздуху, так и под землей. Например, при повреждении травоядными многие растения выделяют измененный набор летучих органических соединений (ЛОС). Различные C6 жирные кислоты и спирты (иногда называемые летучими веществами зеленых листьев) часто исходят из поврежденных листьев, поскольку они являются продуктами распада клеточных мембран растений. Эти соединения (многим известные как запах свежескошенной травы) могут восприниматься соседними растениями, где они могут запускать индукцию защитных механизмов. Ведутся споры о том, насколько эта коммуникация является результатом активного отбора, обусловленного взаимной выгодой, а не "подслушиванием" сигналов, случайно испускаемых соседними растениями.

Оборона

Многие морские организмы используют химическую защиту для отпугивания хищников. Например, некоторые ракообразные и мезогразеры, такие как Pseudamphithoides incurvaria, используют токсичные водоросли и морские водоросли в качестве щита от хищничества, покрывая ими свои тела. Эти растения производят дитерпены, такие как пахидиктиол А и диктиол Е, которые, как было показано, отпугивают хищников. Другие морские организмы производят химические вещества самостоятельно для защиты. Например, камбала-головастик (Pardachirus marmoratus) вырабатывает токсин, парализующий челюсти потенциальных хищников. Многие зоантиды производят сильнодействующие токсины, такие как палитоксин, одно из самых ядовитых известных веществ. Некоторые виды этих зоантид имеют очень яркую окраску, что может указывать на апосематическую защиту.

Размножение

Многие морские организмы используют феромоны для поиска партнера. Например, самцы морских миног привлекают овулирующих самок, выделяя желчь, которую можно обнаружить на расстоянии многих метров вниз по течению. Другие процессы могут быть более сложными, например, брачные привычки крабов. Поскольку самки крабов могут спариваться только в короткий период после линьки, самки крабов вырабатывают феромоны перед началом линьки, чтобы привлечь самца. Самцы крабов обнаруживают эти феромоны и охраняют свою потенциальную самку до завершения линьки. Однако, из-за каннибалистических наклонностей крабов, самка вырабатывает дополнительный феромон, подавляющий каннибалистические инстинкты у своего самца-охранника. Эти феромоны очень сильны – настолько, что они могут побудить самцов крабов пытаться спариваться с камнями или губками, покрытыми феромонами исследователями.

Доминирование

Доминирование среди ракообразных также опосредовано химическими сигналами. Когда ракообразные борются за установление доминирования, они выделяют мочу в воду. Впоследствии, при повторной встрече, особи могут узнавать друг друга по феромонам, содержащимся в моче, что позволяет избежать драки, если иерархия уже определена. Когда лобстер сталкивается с мочой другой особи, он ведет себя по-разному в зависимости от предполагаемого статуса особи, оставившей мочу (например, проявляет больше покорности при контакте с мочой более доминирующего краба или больше смелости – с мочой субдоминантной особи). Если особи не могут обмениваться сигналами через мочу, драки могут быть более продолжительными и непредсказуемыми. В отличие от традиционных инсектицидов, методы борьбы с вредителями на основе феромонов обычно видоспецифичны, нетоксичны и обладают высокой эффективностью. В лесном хозяйстве успешно применяется массовый отлов для снижения гибели деревьев от повреждений короедами в еловых и сосновых лесах, а также от пальмовых долгоносиков на пальмовых плантациях. В Кении разработана стратегия защиты крупного рогатого скота от трипаносомоза, переносимого мухой цеце, путем нанесения смеси отталкивающих запахов, полученных от животного-нехозяина – водяного козла. Успешная система управления вредителями "push-pull" использует химические сигналы от сопутствующих культур для устойчивого повышения урожайности. Эффективность системы "push-pull" основана на различных формах химической коммуникации. Хотя технология "push-pull" была изначально разработана для борьбы с мотыльками-стеблевыми сверлильщиками, такими как Chilo partellus, путем манипулирования летучими сигналами поиска хозяина, позднее было обнаружено, что аллелопатические вещества, выделяемые корнями Desmodium spp., также способствуют подавлению вредоносного паразитического сорняка Striga.

Разработка лекарств и биохимические открытия

Большая часть коммерческих лекарственных препаратов (например, аспирин, ивермектин, циклоспорин, таксол) происходит из природных соединений, эволюционировавших в связи с их участием в экологических взаимодействиях. Хотя предполагалось, что изучение истории природы может способствовать поиску новых перспективных лекарственных средств, большинство лекарств, полученных из природных источников, были открыты не благодаря предварительным знаниям об их экологических функциях. Тем не менее, изучение растительных токсинов сыграло важную роль во многих фундаментальных биологических открытиях. Например, характеристика никотинового ацетилхолинового рецептора, первого идентифицированного рецептора нейромедиатора, стала результатом исследований механизмов действия кураре и никотина. Аналогично, мускариновый ацетилхолиновый рецептор получил свое название в честь грибкового токсина мускарина.

После 1950 года

В 1959 году Адольф Бутенандт идентифицировал первый внутривидовой химический сигнал (бомбикол) у шелкопряда, *Bombyx mori*, используя материал, полученный путем измельчения 500 000 мотыльков. В том же году Карлсон и Люшер предложили термин «феромон» для обозначения этого типа сигнала. Также в 1959 году Готфрид С. Френкель опубликовал свою основополагающую работу «Причина существования вторичных веществ растений», утверждая, что вторичные метаболиты растений – это не продукты метаболических отходов, а скорее эволюционировали для защиты растений от поедания. Вместе эти работы положили начало современной химической экологии. В 1964 году Пол Р. Эрлих и Питер Х. Рейвен совместно опубликовали статью, в которой представили свою влиятельную теорию коэволюции «бегства и радиации», предполагающую, что эволюционная «гонка вооружений» между растениями и насекомыми может объяснить исключительное разнообразие этих групп. Идея о том, что растительные метаболиты могут не только способствовать выживанию отдельных растений, но и влиять на масштабные макроэволюционные закономерности, оказалась весьма плодотворной. Однако Тибор Джерми подверг сомнению концепцию эволюционной гонки вооружений между растениями и их растительноядными насекомыми, предположив, что эволюция фитофагов следует за эволюцией растений без существенной обратной эволюционной связи, то есть без влияния на эволюцию растений. Он ввел термин «последовательная эволюция» для описания макроэволюционных закономерностей взаимодействия растений и насекомых, подчеркивая, что селективное давление, оказываемое нападением насекомых на растения, слабое или отсутствует. В 1960-х и 1970-х годах ряд ботаников, экологов и энтомологов расширили эти исследования, посвященные экологической роли вторичных метаболитов растений. В этот период Томас Эйснер и его тесный коллега Джеррольд Майнвальд опубликовали серию основополагающих работ о химической защите растений и насекомых. Ряд других ученых из Корнеллского университета также работали над темами, связанными с химической экологией, включая Пола Фини, Венделла Л. Роэлофса, Роберта Уиттакера и Ричарда Б. Рута. В 1968 году в Корнелле был запущен первый курс по химической экологии. В 1970 году Эйснер, Уиттакер и миколог Уильям Л. Браун-младший ввели термины «алломон» (для обозначения полухимических веществ, приносящих пользу излучателю, но не получателю) и «кайромон» (для обозначения полухимических веществ, приносящих пользу только получателю). В следующем году Уиттакер и Фини опубликовали в журнале *Science* влиятельный обзор, обобщающий последние исследования экологической роли химической защиты у широкого спектра растений и животных и, вероятно, представивший новую таксономию полухимических веществ Уиттакера более широкой научной аудитории. Примерно в это же время Линкольн Брауэр опубликовал серию важных экологических исследований по накоплению карденолидов монархами. Брауэру приписывают популяризацию термина «экологическая химия», который впервые появился в названии статьи, опубликованной в журнале *Science* в 1968 году, а затем в статье для журнала *Scientific American* в следующем году, где этот термин также был размещен на обложке под изображением гигантского синего сокола, возвышающегося над двумя бабочками-монархами. Специализированный журнал *Journal of Chemical Ecology* был основан в 1975 году, а журнал *Chemoecology* – в 1990 году. В 1984 году было учреждено Международное общество химической экологии, а в 1996 году в Йене (Германия) был основан Институт химической экологии имени Макса Планка.