Введение

В 1938 году австрийский этолог Карл фон Фриш впервые сообщил об обнаружении химического сигнала тревоги, известного как "шрекстофф", у рыб-миног. Сигнал тревоги – это реакция, которую производит отдельная особь, "отправитель", в ответ на опасность, предупреждающая других животных, "получателей", об угрозе. Этот химический сигнал тревоги выделяется только при механическом повреждении отправителя, например, когда он был пойман хищником, и воспринимается обонятельной системой. Когда этот сигнал достигает получателей, они оценивают риск нападения хищника как более высокий и демонстрируют антихищническое поведение. Поскольку популяции рыб, обладающие этой особенностью, выживают успешнее, эта особенность поддерживается естественным отбором. Хотя эволюция этого сигнала долгое время была предметом споров, недавние данные указывают на то, что шрекстофф возник как защита от стрессовых факторов окружающей среды, таких как патогены, паразиты и УФ-излучение, а затем был использован и хищниками, и жертвами в качестве химического сигнала.

Предыстория

Химические сигнальные системы обнаружены у ряда различных таксонов, включая брюхоногих моллюсков, иглокожих, земноводных и рыб. Одним из наиболее изученных химических сигналов тревоги является шрекштофф, широко используемый в надотряде Ostariophysi (например, пескари, харациновые, сомообразные и др.). Около 64% всех видов пресноводных рыб и 27% всех видов рыб в мире относятся к надотряду Ostariophysi, что подчеркивает широкое распространение и важность этой химической системы сигнализации у рыб.

Шрекстофф в остариофизанах

Производство стеркстоффа оказалось метаболически затратным и, следовательно, является частью условной стратегии, которую могут использовать только особи, имеющие доступ к достаточным ресурсам. Одним из предполагаемых активных компонентов стеркстоффа является гипоксантин 3N-оксид (H3NO), который может вырабатываться в клубневых клетках, которые в дальнейшем будут называться «клетками, выделяющими вещество тревоги». Было обнаружено, что функциональная группа оксида азота является основным химическим триггером антихищнического поведения у воспринимающих особей. Стеркстофф – это смесь, и фрагменты гликозаминогликана, хондроитинсульфата, способны вызывать реакции страха. Полисахаридный предшественник является компонентом слизи, и предполагается, что фрагменты образуются при повреждениях. Как и стеркстофф, полученный из экстракта кожи, хондроитинсульфат активирует подмножество обонятельных сенсорных нейронов. Производство и реакция на стеркстофф изменяются в процессе онтогенеза. Например, молодые ручьевые колюшки (Culaea inconstans) чаще попадают в ловушки для миног, приманенные экстрактами кожи сородичей, чем взрослые особи. Этот результат указывает на то, что молодые ручьевые колюшки не так легко, как взрослые, устанавливают связь между стеркстоффом и потенциальным присутствием хищника. Неясно, усиливается ли эта связь со временем в результате обучения или физиологического развития. Помимо изменений в онтогенезе, степень выработки стеркстоффа варьируется в течение сезона размножения. Самцы толстоголовых миногов (Pimephales promelas) прекращают выработку стеркстоффа в период размножения, но при этом продолжают проявлять антихищническое поведение в ответ на стеркстофф. Выработка стеркстоффа может быть прекращена в это время, поскольку самцы толстоголовых миногов часто получают механические повреждения при строительстве гнезд. Для самца было бы невыгодно вырабатывать стеркстофф во время строительства гнезда, так как это непреднамеренно отпугивало бы самок, тем самым снижая вероятность получения партнера. Прекращая выработку стеркстоффа в период размножения, самцы избегают этой проблемы. Прекращение выработки клеток, выделяющих вещество тревоги, по-видимому, контролируется андрогенами.

Гипотезы эволюции schreckstoff

Для эволюции шрекстоффа было предложено несколько различных гипотез. Первая гипотеза состоит в том, что эволюция шрекстоффа была обусловлена родственным отбором. Подтверждение этой гипотезы потребовало бы доказательств того, что особи живут группами близкородственных особей и что выделение химических сигналов тревоги повышает вероятность того, что родственные особи избегнут хищничества. Вторая гипотеза, привлечение хищников, предполагает, что выделение шрекстоффа может привлечь дополнительных хищников, которые будут препятствовать процессу хищничества, увеличивая вероятность того, что добыча избежит нападения и выживет. Эта гипотеза исходит из того, что хищники будут привлекаться шрекстоффом и будут мешать друг другу либо из-за конкуренции за пойманную добычу, либо посредством хищничества друг над другом. Она также предполагает, что, несмотря на то, что добыча уже получила механические повреждения, у нее все же есть возможность сбежать и восстановиться после нападения. Проверка и подтверждение этих предположений послужит поддержкой гипотезы о привлечении хищников. Третья гипотеза предполагает, что шрекстофф выполняет иммунную функцию, обеспечивая защиту от патогенов, паразитов и/или УФ-излучения. Для подтверждения этой гипотезы необходимо наблюдать корреляцию между производством клеточных сигнальных веществ тревоги и присутствием патогенов и паразитов. Прямые доказательства того, что шрекстофф подавляет рост водных патогенов и паразитов, предоставили бы дополнительную поддержку гипотезе об иммунитете. Другая гипотеза заключается в том, что шрекстофф является продуктом распада слизи и бокаловидных клеток, индуцированным повреждением. Отбор в пользу сигнального ответа происходит главным образом на уровне воспринимающего субъекта.

Гипотеза выбора родственников

Одна из первых гипотез об эволюции шрекштоффа была основана на теории родственного отбора У. Д. Гамильтона. Согласно теории родственного отбора, отправитель химического сигнала тревоги готов нести издержки, связанные с отправкой этого сигнала, если выгоды для близких особей достаточно велики. В ситуации, когда отправитель сигнала несет значительные издержки (то есть выделяет химический сигнал тревоги, поскольку получил потенциально смертельное механическое повреждение), выгоды для близких родственников должны быть существенными. В рамках родственного отбора отбираются поведения, кажущиеся вредными для отправителя, поскольку они приносят пользу особям, которые, вероятно, разделяют аллели по общему происхождению. Таким образом, частота аллелей отправителя в следующем поколении увеличивается благодаря их присутствию в успешных родственниках. Для применения теории родственного отбора к эволюции шрекштоффа необходимо выполнение ряда условий. Во-первых, должны быть доказательства того, что выделение шрекштоффа отправителем приносит пользу получателям. Во-вторых, необходимо показать, что особи отряда Ostariophysi в основном взаимодействуют с членами своей семьи. Если хотя бы одно из этих двух предположений не выполняется, гипотеза родственного отбора не будет подтверждена. Существуют некоторые доказательства в поддержку первого предположения о том, что выделение шрекштоффа дает измеримые преимущества получателям этого химического сигнала. Лабораторный эксперимент показал, что пескари, подвергшиеся воздействию шрекштоффа сородичей, выживали на 39,5% дольше, чем контрольная группа, при помещении в аквариум с хищной щукой (Esox lucius). Это указывает на то, что шрекштофф повышает бдительность получателей, что приводит к более быстрому времени реакции после обнаружения хищника. Второе предположение, что особи отряда Ostariophysi взаимодействуют с близкими членами семьи, не подтверждается эмпирическими данными. В косяках европейских миног (Phoxinus phoxinus) не было обнаружено различий в степени родства внутри и между косяками, что указывает на то, что особи не взаимодействуют ближе с родственниками, чем с неродственниками. Состав косяков не изучался у всех представителей отряда Ostariophysi, и косяки, состоящие исключительно из членов семьи, могут быть обнаружены в будущем. Тем не менее, тот факт, что производство шрекштоффа сохраняется у видов, где его функция явно не связана с выгодами для родственников, является веским аргументом против родственного отбора как механизма эволюции шрекштоффа. Также было обнаружено, что у пескарей вырабатывается меньше клеток эпидермального сигнального вещества (и, следовательно, меньше шрекштоффа) в присутствии знакомых сородичей из косяка. Результаты этого исследования указывают на один из двух сценариев, ни один из которых не согласуется с гипотезой о том, что шрекштофф эволюционировал посредством родственного отбора. Во-первых, если бы шрекштофф эволюционировал посредством родственного отбора, следовало бы ожидать, что в присутствии родственников будет вырабатываться больше клеток эпидермального сигнального вещества, чем в присутствии неродственников. Это означает, что знакомые сородичи у пескарей должны быть тесно связаны, и производство шрекштоффа должно увеличиваться в косяках со знакомыми особями. Исследование не подтвердило это. Во-вторых, эти результаты указывают на то, что особи либо вообще не взаимодействуют с родственниками, либо производство шрекштоффа варьируется в зависимости от степени знакомства фокальной особи с особями, с которыми она образует косяк. В заключение, доказательства не поддерживают гипотезу о том, что шрекштофф эволюционировал, поскольку он усиливал инклюзивную приспособленность отправителя за счет повышения выживаемости родственников.

Гипотеза привлекательности хищника

Гипотеза привлечения хищников предполагает, что основная цель шрекстоффа – привлечь дополнительных хищников в область. Согласно этой гипотезе, дополнительные хищники будут взаимодействовать с исходным хищником, и эти взаимодействия предоставят сигнализирующему (отправителю) возможность спастись. Для подтверждения этой гипотезы необходимо выполнение ряда условий. Во-первых, шрекстофф должен привлекать хищников. Во-вторых, последующие хищники должны прерывать акт хищничества, тем самым повышая вероятность спасения добычи. В-третьих, сигнализирующий должен быть способен восстановиться после механических повреждений, полученных в ходе акта хищничества. Исследование предоставляет подтверждение первого условия – выделение шрекстоффа должно привлекать хищников. Этот эксперимент показал, что шрекстофф, извлеченный из кожи пескаря обыкновенного, привлекал как северного судака (Esox lucius), так и хищных водомерков (Colymbetes sculptilis). Кроме того, полевое исследование показало, что хищные рыбы в семь раз чаще атаковали наживку, смоченную губкой с экстрактом кожи пескаря обыкновенного, чем губку, смоченную водой или экстрактом кожи непринадлежащего к отряду карпообразных цихлида-монаха (который, предположительно, не производит шрекстофф). В то время как два предыдущих исследования привели примеры систем, в которых шрекстофф действует для привлечения дополнительных хищников, была обнаружена система, для которой это не так. Красноперый окунь (Micropterus punctulatus) подвергался воздействию экстрактов кожи (содержащих шрекстофф) и мышц (контроль, не содержащих шрекстофф) пяти различных совместно обитающих видов добычи. Красноперый окунь не проявлял интереса ни к одному из растворов, содержащих шрекстофф. Этот результат указывает на то, что шрекстофф не всегда привлекает соответствующих хищников в данной области. Северный судак является интродуцированным видом во многих регионах, поэтому вряд ли он коэволюционировал с пескарем обыкновенным в процессе эволюции системы шрекстоффа. Эта система может быть более экологически релевантной, и мало что свидетельствует о том, что шрекстофф эволюционировал как аттрактант хищников. В заключение, дебаты о выполнении первого условия этой гипотезы продолжаются. Второе условие, необходимое для поддержки гипотезы о привлечении хищников, заключается в том, что дополнительные хищники должны периодически прерывать акты хищничества, повышая вероятность спасения добычи. В системе северного судака/пескаря обыкновенного дополнительные северные судаки могут прерывать акт хищничества двумя способами. Во-первых, дополнительные судаки того же размера вмешиваются в акт хищничества, контактируя с основным хищником (кусая его и т.д.). Во-вторых, дополнительные судаки большего размера, привлеченные шрекстоффом, могут охотиться на исходного хищника. Вероятность спасения пескаря обыкновенного после захвата северным судаком значительно возрастает, когда второй судак вмешивается в акт хищничества. Северный судак имеет популяцию со структурой по возрасту, смещенную в сторону более молодых и мелких особей. Если молодой судак атакует пескаря обыкновенного и привлекает более старшего, крупного сородича, то молодой судак может подвергнуться риску каннибализма и будет склонен отпустить добычу, чтобы сосредоточиться на спасении. Что касается второго условия, то дополнительные хищники, по-видимому, действительно прерывают акты хищничества, повышая вероятность спасения сигнализирующего. Последнее условие, заключающееся в том, что особи должны успешно восстановиться после акта хищничества, по-видимому, выполняется. Подтверждение этому условию исходит из наблюдения, что у многих мелких рыб в естественных популяциях имеются шрамы, предположительно оставленные после неудачных попыток хищников. Хотя доказательства, подтверждающие, что шрекстофф привлекает хищников, неоднозначны, исследования показывают, что несколько хищников будут мешать друг другу, и добыча может восстановиться после актов хищничества, если ей удастся спастись. Степень, в которой хищники привлекаются к акту хищничества, зависит от скорости диффузии шрекстоффа в водной среде, которая, в свою очередь, зависит от параметров течения воды. Эта гипотеза предполагает, что шрекстофф эволюционировал как способ повышения вероятности выживания во время акта хищничества, а его роль в качестве сигнала для сородичей эволюционировала впоследствии. Поддерживаемая большим количеством эмпирических исследований, чем гипотеза родственного отбора, гипотеза привлечения хищников оставалась популярной в течение довольно длительного времени.

Шрекстофф как возможная защита от патогенов, паразитов и УФ-лучей

Последняя гипотеза предполагает, что шрекстофф выполняет иммунную функцию и может быть первой линией защиты от патогенов, паразитов и/или УФ-излучения. Доказательства в пользу этой гипотезы весьма убедительны. Недавнее комплексное исследование показало, что воздействие паразитов и патогенов, проникающих в кожу остеофизисов, стимулирует выработку сигнальных клеток. Кроме того, повышенное воздействие УФ-излучения коррелировало с увеличением производства сигнальных клеток. Роль шрекстоффа в иммунном ответе была дополнительно подтверждена тем фактом, что экстракты кожи толстоголовых миноу ингибировали рост Saprolegnia ferax (водяной плесени) в культуре. Напротив, экстракты кожи меченосцев (Xiphophorus helleri), которые, как считается, не производят шрекстофф, увеличивали рост S. ferax по сравнению с контрольными группами. Кадмий, тяжелый металл и иммуносупрессант у позвоночных, подавляет выработку сигнальных клеток при заражении рыб сапролегнией. Более того, в последующем исследовании толстоголовые миноу подвергались воздействию кортизола, хорошо известного иммуносупрессанта, что значительно снижало инвестиции в сигнальные клетки в сочетании с активностью лейкоцитов. Результаты этих масштабных исследований убедительно свидетельствуют о том, что основная функция шрекстоффа заключается в обеспечении иммунитета против ряда экологических угроз, направленных на эпидермис рыбы. Если шрекстофф эволюционировал как защита от патогенов, паразитов и УФ-излучения, то последующее высвобождение шрекстоффа в окружающую среду позволило как хищникам, так и жертвам использовать эту систему. Хищники в некоторых экосистемах могут использовать шрекстофф в качестве сигнала о легкой добыче, либо прерывая процесс хищничества, чтобы украсть добычу, либо охотясь на первоначального хищника. Близлежащие особи того же вида, в свою очередь, используют шрекстофф в качестве химического сигнала, предупреждающего их о присутствии хищника в данной области.

Экологические соображения

Наиболее убедительные исследования на сегодняшний день указывают на то, что клетки тревожного вещества служат частью иммунного ответа, а экологические последствия этого вещества как химического сигнала тревоги развились впоследствии. Это открытие порождает ряд интересных исследовательских вопросов. Во-первых, как уже упоминалось, самцы у многих видов остариофисов прекращают выработку клеток тревожного вещества в период нереста, вероятно, чтобы не отпугнуть самок от гнезда, когда самцы получают механические повреждения при его строительстве. В свете иммунной гипотезы, клетки тревожного вещества, возможно, вырабатываются в меньшем количестве в период нереста, поскольку повышенный уровень тестостерона может подавлять иммунный ответ. Кроме того, это открытие указывает на то, что самцы более уязвимы к воздействию УФ-В-излучения, а также к паразитам и патогенам в период нереста. Роль шрекстоффа как иммунного ответа имеет дополнительные последствия в условиях растущих экологических изменений. Факторы стресса окружающей среды, включая УФ-В-излучение, загрязнение и паразитов, увеличиваются в окружающей среде и, вероятно, будут продолжать увеличиваться со временем. Воздействие УФ-В-излучения возрастает из-за истощения озонового слоя, заболевания становятся все более значимыми как на локальном, так и на глобальном уровнях, а в экосистемы поступают загрязняющие вещества, включая тяжелые металлы. Если концентрация кадмия, тяжелого металла, влияющего на способность рыб вырабатывать шрекстофф в ответ на стрессовые факторы окружающей среды, увеличится, иммунный ответ многих рыб семейства остариофисов будет ослаблен.