Введение
Травоядные животные зависят от растений как источника пищи и развили совместно эволюционировавшие механизмы для её получения, несмотря на эволюцию разнообразного арсенала защитных приспособлений растений против поедания. Адаптации травоядных к защите растений часто называют "наступательными признаками" и они включают в себя те характеристики, которые позволяют увеличить объём потребляемой пищи и эффективность использования растения-хозяина. Растения, в свою очередь, защищают свои ресурсы, необходимые для роста и размножения, ограничивая способность травоядных поедать их. Взаимоотношения между травоядными и их растениями-хозяевами часто приводят к взаимным эволюционным изменениям. Когда травоядное поедает растение, происходит отбор в пользу растений, способных проявлять защитную реакцию – будь то биохимическая или физическая защита, или индуцированная ответная реакция. В тех случаях, когда эта взаимосвязь демонстрирует "специфичность" (эволюция каждого признака обусловлена другим) и "взаимность" (оба признака должны эволюционировать одновременно), считается, что виды коэволюционировали. Механизмы "избегания" и "радиации" в контексте коэволюции предполагают, что адаптации у травоядных и их растений-хозяев являются движущей силой видообразования. Коэволюция, происходящая между растениями и травоядными и в конечном итоге приводящая к видообразованию у обоих, может быть дополнительно объяснена гипотезой "Красной Королевы". Эта гипотеза утверждает, что конкурентный успех и неудача эволюционируют циклически, посредством постоянного совершенствования. Взаимодействие организма с конкурентом в конечном итоге приводит к повышению его эффективности благодаря естественному отбору. Это увеличение конкурентоспособности, в свою очередь, вынуждает конкурирующий организм также повышать свою эффективность посредством отбора, создавая тем самым "гонку вооружений" между двумя видами. Травоядные эволюционируют в ответ на защиту растений, поскольку растения должны сначала повысить свою конкурентоспособность из-за успеха травоядных в конкуренции за ресурсы.
Механические адаптации
Травоядные животные выработали разнообразный набор физических структур для облегчения потребления растительного материала. Для разрушения цельных растительных тканей млекопитающие развили зубные структуры, отражающие их пищевые предпочтения. Например, фругиворы (животные, питающиеся преимущественно фруктами) и травоядные, поедающие мягкую листву, имеют зубы с низкой коронкой, специализирующиеся на измельчении листвы и семян. Пасущиеся животные, склонные к поеданию жестких, богатых кремнеземом трав, обладают зубами с высокой коронкой, способными измельчать жесткие растительные ткани и изнашивающимися медленнее, чем зубы с низкой коронкой. Птицы измельчают растительный материал или дробят семена с помощью клюва и мускульного желудка. Травоядные насекомые эволюционировали широкий спектр инструментов для облегчения питания. Часто эти инструменты отражают индивидуальную стратегию питания и предпочитаемый тип пищи. В семействе Sphingidae (сфинксовые мотыльки) наблюдалось, что гусеницы видов, питающихся относительно мягкими листьями, оснащены резцами для разрывания и пережевывания, в то время как виды, питающиеся зрелыми листьями и травой, срезают их беззубыми режущими мандибулами (верхняя пара челюстей у насекомых, используемых для питания). Диета травоядного часто формирует его адаптации к питанию. Было показано, что размер головы кузнечика, а следовательно, и сила жевания, у особей, выращенных на райграсе (относительно жесткой траве), больше, чем у особей, выращенных на красном клевере (мягкой диете). Личинки чешуекрылых, питающиеся растениями с высоким содержанием конденсированных танинов (например, деревьями), имеют более щелочной средний отдел кишечника по сравнению с чешуекрылыми, питающимися травами и разнотравьем (pH 8,67 против 8,29 соответственно). Это морфологическое различие объясняется тем, что нерастворимые комплексы танинов с белками могут расщепляться и усваиваться как питательные вещества при щелочном уровне pH.
Биохимические адаптации
Травоядные вырабатывают ферменты, которые нейтрализуют и снижают эффективность многочисленных токсичных вторичных метаболитов, производимых растениями. Одна из таких групп ферментов – оксидазы смешанной функции (MFO) – детоксифицируют вредные растительные соединения, катализируя окислительные реакции. Цитохром P450 оксидазы (или P450), специфический класс MFO, непосредственно связаны с детоксикацией вторичных метаболитов растений. Исследования показали связь между питанием травоядных растительным материалом, защищенным химическими средствами защиты, и детоксикацией P450 у личинок табачного рогового червя. Индукция P450 после первоначального поглощения никотина позволила личинкам рогового червя увеличить потребление токсичных растительных тканей. Травоядные также могут производить слюнные ферменты, снижающие степень защиты, вырабатываемую растением-хозяином. Фермент глюкозооксидаза, входящий в состав слюны гусеницы Helicoverpa zea, противодействует образованию индуцированных защитных реакций в табаке. Аналогично, слюна тли снижает индуцированный ответ растения-хозяина, формируя барьер между стилетом тли и клетками растения.
Поведенческие адаптации
Травоядные могут избегать защитных механизмов растений, избирательно поедая их в пространстве и времени. Зимой мотыль, питаясь дубовыми листьями в начале сезона, максимизировал количество доступного белка и питательных веществ, одновременно сводя к минимуму содержание танинов, производимых деревом. Травоядные также могут пространственно избегать защитных механизмов растений. Колюще-сосущие ротовые органы представителей отряда Hemiptera позволяют им питаться в обход участков с высокой концентрацией токсинов. Некоторые виды гусениц питаются листьями клена, выгрызая кусочки листа ("оконное питание") и избегая жестких участков или областей с высоким содержанием лигнина. Аналогично, хлопковый листовой перфоратор избирательно избегает поедания эпидермиса и пигментных желез растений-хозяев, содержащих защитные терпеноидные альдегиды. Некоторые животные потребляют большое количество ядов с пищей, а затем едят глину или другие минералы, нейтрализующие эти яды. Такое поведение известно как геофагия. Защитные механизмы растений могут частично объяснять, почему травоядные используют различные стратегии жизненного цикла. Монофаги (животные, питающиеся растениями одного рода) должны производить специализированные ферменты для детоксикации пищи или развивать специализированные структуры для работы с накопленными химическими веществами. Полифаги (животные, питающиеся растениями из разных семейств), напротив, производят больше детоксифицирующих ферментов (в частности, MFO) для борьбы с широким спектром химических защитных механизмов растений. Полифагия часто развивается, когда растения-хозяева травоядных редки, что необходимо для получения достаточного количества пищи. Монофагия выгодна при межвидовой конкуренции за пищу, где специализация часто повышает конкурентоспособность животного при использовании ресурса. Важным примером поведенческих адаптаций травоядных является реакция на интродуцированные инсектициды и пестициды. Введение новых гербицидов и пестицидов отбирает насекомых, способных со временем избегать или использовать эти химические вещества. Добавление нетоксичных растений к популяции трансгенных растений или генетически модифицированных растений, производящих собственные инсектициды, показало способность замедлять скорость эволюции насекомых, питающихся сельскохозяйственными культурами. Однако скорость адаптации этих насекомых продолжает расти.
Микробные симбионты
Травоядные не способны переваривать сложную целлюлозу и зависят от мутуалистических, внутренних симбиотических бактерий, грибов или простейших для расщепления целлюлозы, чтобы она могла быть использована травоядным. Микробные симбионты также позволяют травоядным поедать растения, которые в противном случае были бы несъедобны, за счет детоксикации вторичных метаболитов растений. Например, грибковые симбионты сигаретного жука (Lasioderma serricorne) используют определенные растительные аллелохимические вещества в качестве источника углерода, а также производят детоксикационные ферменты (эстеразы) для удаления других токсинов. Микробные симбионты также способствуют получению растительного материала, ослабляя защиту растений-хозяев. Некоторые травоядные более успешно питаются поврежденными растениями-хозяевами. Грибы, вызывающие синюю плесень, образуют повреждения, которые снижают защитные механизмы деревьев и позволяют жукам-короедам питаться.
Манипуляция хозяином
Травоядные часто манипулируют растениями-хозяевами, чтобы эффективнее использовать их в качестве ресурсов. Травоядные насекомые благоприятно изменяют микросреду, в которой питаются, чтобы противодействовать существующим защитным механизмам растений. Например, гусеницы семейств Pyralidae и Ctenuchidae скручивают зрелые листья неотропического кустарника *Psychotria horizontalis* вокруг растущей почки, которую они поедают. Скручивая листья, насекомые уменьшают количество света, достигающего почки, на 95%, и это затенение предотвращает повышение прочности листьев и концентрацию танинов в растущей почке, при этом сохраняя количество получаемого азота в качестве питательного вещества. Личинки чешуекрылых также связывают листья вместе и питаются их внутренней стороной, чтобы снизить эффективность фототоксина гиперицина в зверобое продырявленном. Травоядные также манипулируют своей микросредой, формируя галлы – структуры растений, состоящие из растительной ткани, но контролируемые травоядным. Галлы служат как доматиями (укрытиями), так и источниками пищи для создателя галла. Внутри галла содержится съедобная, богатая питательными веществами ткань. Галлы тли на узколистной тополе (*Populus angustifolia*) действуют как «физиологические поглотители», концентрируя ресурсы в галле из окружающих частей растения. Галлы также могут обеспечивать травоядным защиту от хищников. Некоторые травоядные используют стратегии питания, способные нейтрализовать защиту их растений-хозяев. Одной из таких стратегий является использование латексных и смоляных каналов, содержащих липкие токсины и вещества, снижающие переваримость. Эти канальные системы хранят жидкости под давлением, и при повреждении (например, при поедании) вторичные метаболиты высвобождаются в месте повреждения. Однако травоядные могут избежать этой защиты, повреждая жилки листьев. Этот прием минимизирует вытекание латекса или смолы за пределы разреза и позволяет травоядным свободно питаться над поврежденным участком. Для снижения давления в каналах травоядные используют несколько стратегий, включая разрезание жилок и создание траншей. Разрезание жилок – это создание небольших отверстий вдоль длины жилки листа, а создание траншей – это разрез поперек листа, позволяющий безопасно съесть отделенную часть. Существует также третий прием, известный как окольцовка, когда листоед делает надрез вокруг стебля, отсоединяя лист от каналов в остальной части растения. Dussourd и Denno изучили поведение 33 видов травоядных насекомых на 10 семействах растений с каналами и обнаружили, что травоядные на растениях с разветвленной системой каналов использовали разрезание жилок, а травоядные на растениях с сетчатой системой каналов – создание траншей для защиты от растений. Эта цена может быть оценена при сравнении растений, использующих химическую защиту, с растениями, которые ее не используют, в ситуациях, когда травоядные исключены. Некоторые виды насекомых накапливают и используют химические вещества растений для собственной защиты. Гусеницы и взрослые бабочки монархи накапливают сердечные гликозиды из молочая, что делает их неприятными на вкус. После поедания гусеницы или бабочки монарха хищная птица обычно рвет, что заставляет ее избегать поедания бабочек, похожих на монарха, в будущем. Два разных вида клопов семейства Hemiptera, *Lygaeus kalmii* и большой молочайный клоп (*Oncopeltus fasciatus*), имеют яркую оранжево-черную окраску и считаются аposeматически окрашенными, то есть «рекламируют» свою неприятность яркой окраской. Вторичные метаболиты также могут быть полезны для травоядных благодаря антибиотическим свойствам токсинов, которые могут защитить их от патогенов. Кроме того, вторичные метаболиты могут служить сигналами для идентификации растения для питания или откладывания яиц травоядными.