Химический язык насекомых

Насекомые значительно уступают по размерам тела млекопитающим и поэтому обладают меньшим числом чувствительных клеток. Например, у кролика в обонятельном эпителии их около 100 млн., а у гусеницы бражника всего 48. Вместе с тем по способности распознавать запахи насекомые не уступают крупным животным. Количество перекрыто качественным показателем — специализацией. Обонятельные сенсиллы хеморецепторных органов насекомых обладают более высокой специфичностью и избирательностью по сравнению с аналогичными органами позвоночных животных.

Наука достигла больших успехов в создании приборов, позволяющих заглянуть в глубь клетки или в просторы Вселенной, но до сих пор ученые так и не смогли сконструировать надежный «искусственный нос», способности которого хотя бы отдаленно приближались к возможностям обонятельных рецепторов насекомых.

Чувствительность усиков-«антенн», которые «вылавливают» из моря запахов молекулы определенных пахучих веществ, поразительна. Обонятельная система насекомых различает такие концентрации веществ (порядка 10...100 молекул в 1 см³), восприятие которых недоступно для современных аналитических приборов. С такой чувствительностью не сравнится ни один «искусственный нос».

В изучение механизма восприятия молекул химических веществ органами чувств насекомых большой вклад внес крупный советский энтомолог Ю. А. Елизаров. Его монография «Хеморецепция насекомых» стала своеобразным «островком знания» в океане еще неразгаданных тайн мира насекомых.

В этой научной работе, в частности, приводятся несколько вариантов классификации хеморецепторных сенсилл, в том числе и по их наружной морфологии.

Установлено, что бывают длинные прямые волоски и слегка изогнутые (хетоидные и трихоидные сенсиллы). Первые встречаются на «антеннах» жуков-короедов, а вторые — на хоботках мух, а также на усиках самцов бабочек сатурний и других видов чешуекрылых.

Среди хеморецепторов наиболее распространены короткие волоски, или конусы с закрепленными кончиками, — базикоконические сенсиллы. Их находят на «антеннах» и других частях тела различных насекомых. Известны также стилоконические сенсиллы — крошечные чувствительные конусы, обнаруженные на усиках бабочек, булавовидные — найденные у комаров и москитов, целоконические, расположенные на «антеннах» самцов и самок тутового шелкопряда. Принцип работы у всех сенсилл одинаков.

В выборе форм природа оказалась чрезвычайно изобретательной, не обойдя практически ни одной из известных нам геометрических форм.

Окончательно классифицировать сенсиллы помогут совместные работы энтомологов и химиков, оснащенных самой современной электронной аппаратурой и новейшими методами электрофизиологических исследований.

Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика» АН СССР, Институт зоологии и паразитологии АН Литовской ССР начиная с 1971 г. проводят в Вильнюсе Всесоюзные симпозиумы по хеморецепции насекомых. Ученые докладывают о своих работах в области морфологии чувствительных органов насекомых, а также обсуждают новые методики проведения исследований.

Ученые долго не имели данных о чувствительных клетках «антенн» такого широко распространенного вредителя, как яблонная плодожорка. Но в настоящее время биологи изучают способы получения этим вредителем информации извне, так как это может помочь в разработке новых методов борьбы с ним.

«Антенны» яблонной плодожорки вооружены трихоидными, стилоконическими и целоконическими сенсиллами. На одну «антенну» у самцов в среднем приходилось от 5000 до 8000 трихоидных сенсилл, что в 2 раза больше, чем у самок, а целоконических и стилоконических — около 400 и 40 соответственно. Энтомологи предполагают, что разница в количестве трихоидных сенсилл у разных полов яблонной плодожорки объясняется тем, что у самцов они играют более важную роль, чем у самок, так как воспринимают половые феромоны, которые выделяют девственные самки.

Чтобы представить всю сложность работы исследователей, остается назвать размеры объектов, с которыми приходилось работать. Длина самой большой сенсиллы около 50 мкм, а самой маленькой — 9...10 мкм. Даже фильтрующий вирус табачной мозаики по сравнению с сенсиллой выглядит великаном, он примерно в 10 раз больше сенсиллы!

Академик А. Е. Ферсман как-то заметил: «Без хронологии нет истории, как без истории нет науки». Методика получения электроантеннограмм (ЭАГ) сравнительно молода, но и она уже имеет свою историю.

Электрофизический метод изучения обонятельных органов насекомых ученые впервые применили примерно четверть века назад. В его основу был положен принцип регистрации биоэлектрических потенциалов живых организмов.

Практически исследования проводились следующим образом. В полость «антенны» насекомого-самца вводили микроэлектроды. Затем ее обдували воздухом, содержащим половые аттрактанты этого вида шестиногих. Специальные датчики определяли длительность раздражения обонятельных органов насекомого и регистрировали отклонение биоэлектрического потенциала. Эти данные записывались приборами в виде графиков, расшифровав которые исследователи получили ценный научный материал.

Электрофизический метод позволил ученым лучше понять взаимосвязь между работой усиков-«антенн» насекомых и поведением последних в природе.

Оказалось, что обонятельные сенсиллы на «антеннах» некоторых насекомых отвечают не только на половые феромоны и близкие к ним химические вещества. Они реагируют на соединения, которые действуют как пищевые аттрактанты.

Открылась возможность глубже изучить проблемы химической взаимосвязи насекомых и растений и исследовать вещества, выделяемые растением-хозяином, которые служат пищевыми стимуляторами для насекомых.

Известно, что насекомые обладают способностью привыкать к ядам. Это произошло с озимой совкой — опасным вредителем урожая. Многочисленные и разнообразные «газовые атаки» на ее популяции создали из совки «многоядного» вредителя. Бороться с ней стало чрезвычайно трудно, так как она хорошо приспособилась употреблять вместе с пищей широкий набор ядохимикатов. Здесь-то и понадобились знания биологии насекомого. Известно, что самки бабочки совки начинают выделять половой аттрактант, а самцы воспринимают его лишь после своеобразной «подзарядки» цветочным нектаром. Возможно, некоторая доза его служит своеобразным допингом, а может быть, она — природный триггер (механизм запуска) половых «сигналов-ответов» озимой совки.

Энтомологи обнаружили, что температура окружающей среды — один из факторов, влияющих на амплитуду электроантеннограмм при раздражении антенн насекомых. Так, для самцов тутового шелкопряда при воздействии 10 мкг феромона бомбикола максимальная реакция наблюдается при 20...25°C, а у бабочек зимней пяденицы наибольшая активность при действии экстракта желез самки отмечается при 12°C. В природных условиях размножение вышеперечисленных насекомых происходит именно при таких температурах.

После электрофизической оценки синтетических аналогов (энантомеров) феромонов бабочек учеными была высказана гипотеза об образовании в рецепторах насекомых специфических ионных каналов для молекул феромона.

Исследователи при изучении активности феромонной смеси, состоящей из цис- и трансвербенола, ипсдиенола и ипсенола в соотношении 1:0,24: 0,18:0,25, отметили максимальную электрофизиологическую реакцию у самцов и самок жуков короеда-типографа.

Увеличение концентрации транс- и цисвербенола не влияло на величину ЭАГ у обоих полов насекомых, а в случае с ипсдиенолом приводило к изменению ее амплитуды. Смесь феромонов воспринималась насекомыми как самостоятельный химический сигнал.

Подобные исследования также провел исследователь хеморецепции насекомых Ю. А. Елизаров, который отмечал, что электроантеннограмма в отдельных случаях может быть использована и при анализе пахучих молекул пищевых субстратов насекомых.