Химия и запахи

 

        Для того чтобы называть вещества, с помощью которых одни животные могут влиять на поведение других, Карлсон и Бутенандт в 1959 г. предложили термин «феромон». Он образован от греческих слов pherein — переносить и hormon — возбуждать, стимулировать. Мы будем использовать термин «феромон» для обозначения таких химических соединений, которые Для обозначения веществ, выделяемых животными делают возможным общение между особями. В этом разделе основное внимание будет уделено аттрактантам, выделяемым насекомыми и другими низшими животными.

Было показано, что некоторые насекомые реагируют  на молекулы феромонов в столь неправдоподобно низких концентрациях, как 10~¹⁷ М. Это пример одного из наиболее высокочувствительных эффектов, известных науке в настоящее время. Эти химические аттрактанты управляют многими сторонами деятельности насекомых, например поисками пищи, повадками при спаривании и выбором места для откладывания яиц. При помощи аттрактантов насекомые могут подавать сигнал тревоги, вести преследование, отличать особей своей группы от чужих и сбиваться в рой. Очевидно, действие молекул феромонов состоит не просто в стимулировании и однозначном ответном сигнале. Скорее всего, происходит более сложное воздействие, при котором феромоны вызывают модификацию физиологии организма. При этом они подготавливают организм для последующего стимулирования, в котором молекулы феромонов могут либо принимать, либо не принимать участие.

Впервые полная характеристика феромона насекомого была произведена Бутенандтом и его  коллегами, работавшими с самкой шелкопряда Вотbyx mori и выделившими половой аттрактант. Для того чтобы выполнить эту работу, группе Бутенандта пришлось экстрагировать феромон из заднего брюшного отдела более чем полумиллиона неоплодотворенных самок шелкопряда. Путем тщательного фракционирования и контролирования активности в конце концов было получено активное вещество, идентифицированное как гексадекадиен-10-транс-12-цис-ол-1. Это вещество известно под названием «бомбикол».

 

 

 

 

          Структура этого соединения была установлена путем исследования его спектра и при помощи реакции химического разложения. В заключение, как и обычно, был проведен полный синтез вещества предложенной структуры и тщательное сравнение природного вещества и вещества, полученного, синтетическим путем. Так была установлена структура полового феромона Вотbух тоri.

С непарным шелкопрядом  связана другая захватывающая страница истории выделения и установления строения феромонов насекомых. Это насекомое было случайно занесено в штат Массачусетс в середине прошлого столетия и оказалось страшным вредителем, погубившим обширные лесные массивы на севере США. В настоящее время непарный шелкопряд перебирается и в другие районы, что, в конце концов может привести к ужасным последствиям. Уже пятьдесят лет назад было установлено, что самка непарного шелкопряда каким-то образом привлекает самца. Было высказано предположение, что самка выделяет химическое вещество, которое самец может различить. После многолетних исследований пришли к выводу, что таким веществом является 10-ацетокси-цис-гексадецен-7-ол-1. Примерно через 10 лет эта же группа ученых показала, что в действительности феромон представляет собой эпоксиалкан, состоящий из 19 атомов углерода, 2-метил-7-эпоксиоктадекан. Это соединение было названо «диспарлуром».

     

 

 

 

                  

 

           При исследованиях аттрактантов насекомых нередки случаи приписания неправильной структуры активным веществам. Для выделения активного начала необходимо собрать много сотен тысяч насекомых, отделить у них определенный анатомический орган и экстрагировать химическое вещество.

Розовая моль Pectirophora gossypiella  выделяет половой феромон, представляющий собой ацетат 10-пропил-граяс-тридекадиен-5,9-ола-1, который был назван «пропилуром»

 

 

            Самого высокого уровня организации среди насекомых достигли сообщества пчел, ос, муравьев и термитов. Было бы преждевременно объявлять химические вещества главной причиной, обусловливающей регулирование степени и характера участия отдельных индивидуумов в структуре общества насекомых. Однако уже при современном уровне знаний можно показать, что эти насекомые выделяют разнообразные специфические феромоны, которые вызывают весьма характерные ответные реакции. Членистоногие, к которым относятся эти насекомые, обладают способностью испускать наиболее разнообразные и сложные феромоны из всех выделяемых низшими животными (обычно вырабатываются в железах наружной секреции и хранятся в мешочке).

              Среди феромонов имеются вещества, которыми насекомое от 
мечает свой путь для того, чтобы другие особи, принадлежащие 
к данной группе, могли найти дорогу; есть вещества, служащие 
для предупреждения других особей об опасности; вещества,  
используемые как сигнал для роения, для сбора пищи, для воспро 
изведения и (или) защиты.

            Феромоны, которыми насекомые отмечают свой путь, должны состоять из короткоживущих молекул. Было показано, что экстракты, полученные из рыжих муравьев, можно хранить в гексане при 4°С по крайней мере в течение трех лет и они при этом не утрачивают способности метить путь. Однако при 25 °С активное вещество быстро дезактивируется. В качестве феромонов, метящих путь термитов, были выделены такие соединения, как н-додекатриен-3-цис-6-цис-9-транс-ол-1

 

          Пчелы, для того чтобы отметить источник пищи и обратный путь к улью, оставляют на своем пути капельки, содержащие феромоны. Эти метящие путь феромоны выделяются из челюстной железы. Когда пчелы-разведчики вылетают из улья, они оставляют вдоль своего пути на определенных расстояниях друг от друга капельки, содержащие летучие пахучие вещества. Рабочие пчелы по этим душистым капелькам находят путь к источнику пищи. На пути к улью рабочие пчелы оставляют капельки, в которых концентрация метящих путь феромонов значительно выше. Анализ экстрактов из подчелюстных желез пчел-разведчиков и рабочих пчел показал, что они содержат метилкетоны и бензальдегид. Каким же образом пчелы из разных семей узнают «свои» метки пути? Заманчиво предположить, что, вероятно, данному виду пчел соответствует определенная смесь кетонов, отличающаяся от выделений подчелюстных желез пчел другого вида и даже другой популяции этого же вида. Ясно, что в любой пчелиной семье, в которой рабочие пчелы были бы неспособны воспринимать язык феромоновых меток, специфический для данной семьи, произошла бы катастрофа. Поэтому похоже, что состав феромонов изменяется от семьи к семье и от вида к виду.

         Другим средством коммуникации между пчелами служит поразительный «круговой танец», при помощи которого они обозначают расстояние от улья до нового источника пищи и направление, в котором этот источник находится.

Весьма интересна  особая роль, которую играет в активности феромонов бензальдегид. Это соединение, по-видимому, усиливающее кратковременные метящие свойства выделений подчелюстной железы пчел, оказалось важным защитным агентом в секреторных выделениях муравьев. Муравьи, обладающие довольно ограниченным набором простых и сравнительно летучих органических молекул, способны, используя для разных целей различные комбинации этих молекул, производить многообразные действия, связанные с феромонами. Основные феромоны, передающие сигнал тревоги, включают такие соединения, как терпены, сложные эфиры, кетоны и алкены. Все эти соединения весьма летучи, запах их долго сохраняется и они обладают способностью вызывать раздражение. В отличие от феромонов, являющихся метками пути, эти соединения вырабатываются в сравнительно больших количествах, поскольку они участвуют в создании сигнала тревоги, требующего быстрого ответа, а сами существуют сравнительно недолго.

 

           Членистоногие и другие животные организмы постоянно находятся в отношениях хищник—жертва. Поэтому не удивительно, что те представители членистоногих, которые обитают на земле, обладают весьма разнообразными системами химической защиты. Наиболее распространенными типами соединений, выделенных из муравьев, которые, по всей вероятности, участвуют в защитных механизмах, являются терпеноиды и близкие к ним соединения. Ниже приведены некоторые типичные структуры этих соединений:

 

 

 

 

              К наиболее распространенным типам соединений, служащих для членистоногих защитными веществами, относятся бензохиноны. Часто их обнаруживают вместе с другими соединениями, например углеводородами, состоящими из длинных цепей, алифатическими эфирами или альдегидами.

         Помимо бензохинонов, защитными соединениями для членистоногих служат многие ароматические соединения. Были выделены крезолы, салициловый альдегид, н-оксибензальдегид, бензойные кислоты, бензальдегид и другие соединения. Жуки-ныряльщики из семейства Dytiscidae имеют два типа секреторных желез, вырабатывающих защитные соединения. Одна из них расположена в протораксе и вырабатывает стероиды, а другая находится в брюшке и выделяет ароматические соединения, например бензойную кислоту, n-оксибензойную кислоту и n-оксибензальдегид.

 

                                                Заключение

 

 

           Вкус, запах и влечение — это центральные явления для понимания химизма экологии. Используя наши знания в этой области и синтезируя новые необходимые соединения, можно существенно улучшить условия человеческого существования.

        Органики-синтетики занялись изучением феромонов насекомых для того, чтобы можно было осуществлять контроль над численностью насекомых, иногда приводящих к разрушительным последствиям. Были получены многие аттрактанты и репелленты. Тримедлур привлекает средиземноморскую фруктовую мушку, а гептилбутират и гексадиен-2,4-илбутират — шершней.

            Эти соединения оказались эффективными, безопасными для человека и высокоспецифичными для указанных целей. Они должны сохранять свое действие в течение достаточного периода и не причинять вреда другим живым организмам.                         Необходимо разработать такие аттрактанты и репелленты, которые предохраняли бы человека и других животных от заражения опасными болезнями, переносимыми насекомыми (гл. 6).

            Установлены также структуры некоторых феромонов, выделяемых млекопитающими. Поскольку поведение многих видов приматов напоминает поведение насекомых, не удивительно, что и они тоже выделяют аттрактанты. Для высших животных гораздо труднее получить воспроизводимые результаты, связанные с действием феромонов, поскольку индивидуальные черты, присущие отдельным представителям внутри группы, могут мешать получению однозначных ответных сигналов. Предполагается, что и человек также выделяет феромоны. Несмотря на то что до сих пор ни один такой феромон еще не выделен и не охарактеризован, эта область исследования представляется весьма интересной и потенциально плодотворной.

 

                                          Литература

 

1. Гудман М., Морхауз Ф. Органические молекулы в действии. М.: изд-во «Мир», 1977. – 335 с.
2. Шульпин Г.Б. Эта увлекательная химия. М.: Химия, 1984. – 184 с.