Что такое феромоны и их значение в биологии, зоологии и химии

Вполне можно предполагать, что в других мирах есть цивилизация, где разумные существа общаются друг с другом, обмениваясь химическими веществами, которым присущ либо запах, либо вкус. Это может показаться неправдоподобным, но все-таки теоретическую возможность столь оригинального способа передачи информации нельзя сбрасывать со счетов.

Сравнительно нетрудно создать, по крайней мере, на бумаге, систему химической «связи», по которой можно было бы достаточно экономично передавать большой объем информации. Конечно, идея такой системы связи кажется очень странной, потому что на наше представление о мире наложило сильнейший отпечаток извечное обладание слуховым и зрительным аппаратами восприятия информации.

Между тем становится все очевиднее, что химические системы — основное средство общения для многих видов животных, а может быть, даже и для большинства. За последние несколько лет ученые, изучающие поведение животных, начали с помощью химиков-органиков расшифровывать некоторые из этих систем и открыли целый ряд удивительнейших новых биологических явлений.

Химические вещества, используемые для обмена информацией между представителями одного и того же вида животных, называются феромонами. В отличие от обычных гормонов, которые выделяются внутрь организма и служат для регулирования внутренних физиологических процессов, феромоны выделяются наружу. Они помогают животному регулировать условия внешней, окружающей среды, оказывая влияние на другие особи того же вида.

Существуют две формы этого влияния. Одни феромоны вызывают немедленное и обратимое изменение в поведении животного, воспринимающего информацию. В этом случае они, по-видимому, действуют непосредственно на центральную нервную систему. Другие феромоны вызывают цепь физиологических явлений у животного того же вида. Физиологические изменения, в свою очередь, расширяют репертуар действий, из которых слагается поведение животного.

У термитов, например, «рабочие» и «воины» выделяют из своих желез в корм молодняка других «каст» особые вещества. Проникая в организм, эти вещества воздействуют на управляющие дифференциацией развития термита эндокринные железы таким образом, что взрослые особи уже ни «воинами», ни «рабочими» не будут.

Действие подобных феромонов не всегда проявляется в виде торможения физиологических процессов. Они могут действовать и в обратном направлении. Взрослые самцы пустынной саранчи вырабатывают летучее вещество, выделяемое через кожицу. Оно ускоряет рост молодняка саранчи. Когда личинки обнаруживают это вещество своими усиками, их задние ноги, некоторые части ротового аппарата и сами усики начинают вибрировать. Этот секрет в совокупности с осязательными и зрительными сигналами играет важную роль в формировании гигантских стай пустынной саранчи. Удивительная особенность некоторых феромонов состоит в том, что они вызывают существенные физиологические изменения, которые не сопровождаются, однако, немедленным изменением поведения животного.

Ученые, занимающиеся исследованием эндокринных систем млекопитающих, обнаружили, что запах других мышей действует на самку-мышь того же вида самым неожиданным образом. Было замечено, что когда самок мышей поселяли группами (в опыте мышей поселяли по четыре в одну клетку), у них повышался процент ложных беременностей. Нормальное течение процесса размножения восстанавливалось полностью либо после удаления у самки обонятельных луковиц, либо после того, как самку изолировали от других мышей.

Феромоны, которые вызывают определенную специфическую реакцию непосредственно центральной нервной системы, широко распространены в животном царстве и выполняют многочисленные функции. Большую и очень важную категорию таких феромонов составляют так называемые половые аттрактанты.

Два таких соединения — мускус и цибетон, присущие млекопитающим вещества, обладающие сильным запахом,— известны уже давно. Общепринято было считать, что они связаны с половыми функциями. Однако точность представлений об их роли никогда не подвергалась строгой проверке в экспериментах с живыми животными. В действительности, по-видимому, мускусообразные вещества сами по себе или в комбинации с другими веществами выполняют несколько обязанностей: служат для того, чтобы отмечать границы «владений» животного, помогают защищать территорию «владений» и распознавать пол особей своего вида.

Природа и роль половых аттрактантов, свойственных насекомым, выяснены гораздо полнее. Надо сказать, кстати, что определение состава каждого из них — это настоящий научный подвиг. Например, для того чтобы получить 12 миллиграммов эфиров бомбикола — полового аттрактанта самки бабочки-шелкопряда, — А. Бутенандт и его помощники из мюнхенского биохимического института обработали 250 тысяч бабочек.

Аттрактанты насекомых обладают колоссальной силой действия. Если примерно 10 тысяч молекул бомбикола продиффундируют в воздух из источника, расположенного в одном сантиметре от усиков самца бабочки-шелкопряда, в большинстве случаев в его поведении можно наблюдать характерную реакцию.

В природе самки используют свои мощные феромоны для того, чтобы заявить о своем присутствии как можно дальше вокруг и притом с минимальной затратой энергии. На основании опубликованных данных о полевых опытах и созданной нами математической модели процесса диффузии У. Боссарт, один из моих помощников в биологической лаборатории Гарвардского университета, и я определили форму и размеры эллипсоида, в пределах которого аттрактант самки может воздействовать на самцов. При умеренном ветре длина продольной оси этого эллипсоида достигает нескольких тысяч метров, а длина поперечной оси, параллельной земле, превышает двести метров.

Живший в XIX веке французский натуралист Жак Анри Фабр не мог поверить, что самка бабочки может сообщать о себе на очень большом расстоянии посредством одного лишь запаха, поскольку, как он писал, «в равной мере можно было бы надеяться окрасить озеро каплей кармина». Теперь мы знаем, что вывод Фабра был ошибочен, но аналогия, которую он приводил, точна: для чувствительнейших хеморецепторов самца бабочки озеро действительно становится окрашенным.

Наиболее высокоразвитые системы химической связи в природе открываются при изучении поведения общественных насекомых, в частности ос, пчел, термитов и муравьев. Все они общаются с себе подобными в основном в темных недрах своих гнезд и располагают чувствительным хеморецепторным аппаратом. Методы эксперимента, разработанные за последние годы, позволили выделить в чистом виде феромоны этих насекомых и установить их химический состав. Это позволило существенно продвинуться в расшифровке неприступных до недавнего времени «кодов» связи, которыми пользуются насекомые, особенно муравьи.

Муравьи оснащены исключительно развитой системой экзокринных желез, назначение которых долго оставалось загадкой для энтомологов. Как выяснилось, многие из этих желез вырабатывают феромоны. Их назначение положило начало более глубокому проникновению в суть организации муравьиного общества.

Рассмотрим для примера, как действуют так называемые «химические тропы». Общепринято было считать, что химические вещества, которыми муравьи обозначают свои тропы, служат указателями лишь для «рабочих» и что эти «дорожные знаки» муравьи дополняют другими видами сигналов, которыми они обмениваются внутри муравейника, Теперь мы знаем, что химические «дорожные знаки» выполняют исключительно широкий круг обязанностей. У огненных муравьев, например, они указывают дорогу и побуждают рабочих муравьев, ведающих заготовкой продовольствия, искать корм и новые строительные площадки для муравейников. Кроме того, они служат рабочим муравьям для подачи сигналов опасности.

Огненные муравьи обозначают тропы веществом, которое в ничтожных дозах вырабатывается дюфуровыми железами. Муравьи выдавливают это вещество через жало, которое касается земли, время от времени отрываясь от нее, точь-в-точь, как перо авторучки во время письма. «Дорожные» феромоны, химический состав которых пока еще не определен, привлекают, прежде всего, внимание рабочих муравьев. Попав в зону действия аттрактанта, эти муравьи немедленно движутся в сторону усиления концентрации химического сигнала. Если этим веществом прочерчена какая-нибудь линия на земле, рабочие муравьи будут двигаться вдоль нее. Такая линия обычно прокладывается от новой строительной площадки или от запаса продовольствия.

Мы в лабораторных условиях извлекали из дюфуровых желез рабочих муравьев «дорожный» феромон, и метили им искусственные «тропы». Рабочие муравьи долгое время путешествовали точно по этим тропам, даже если тропа прокладывалась в виде окружности, приводившей путешественников обратно в муравейник. Если большими дозами этого феромона воздействовать на все население муравейника, то большая его часть, включая и матку, покинет свое жилище.

«Дорожные» феромоны очень летучи, и запах, которым обозначена естественная тропа, проложенная одним рабочим муравьем, исчезает уже через две минуты. За это время рабочие муравьи могут пробежать примерно 40 сантиметров. Следовательно, те из них, которые трудятся за пределами муравейника, способны отойти по такой тропе не более чем на 40 сантиметров от своего дома.

Это свойство феромона существенно ограничивает дальность действия химических средств связи между муравьями, но в то же время придает системе связи определенные преимущества. Как это совершенно очевидно, старые, уже ненужные тропки быстро стираются и не сбивают с толку муравьев, выходящих на промысел. С другой стороны, интенсивность запаха тропы, проложенной многими «рабочими», служит очень наглядной мерой количества пищи на данном участке.

Когда муравьи снуют туда и сюда в поисках пищи (она состоит обычно из мертвых насекомых и сахаросодержащих частей растений), они все время выделяют свои феромоны на тропу, проложенную первооткрывателем запасов съедобного, усиливая ее, делая ее более «яркой» для хеморецепторов. Надо сказать, что муравьи метят тропу феромонами на обратном пути к муравейнику только в том случае, если они действительно нашли что-то съедобное. Поэтому чем больше еды в конце тропы, тем больше муравьев находят там себе пропитание и тем явственней становится тропа. А чем сильнее запах тропы, тем большее количество муравьев отправляется по проторенной дороге за добычей. Истощился источник пищи — и число «рабочих», которые метят тропу на обратном пути, пошло на убыль. Запах постепенно улетучивается и пропадает, движение по тропе прекращается.

Тропа огненных муравьев — одна из немногих систем связи в животном мире, содержание информации в которой можно измерить достаточно точно. Ведь тропа показывает путь к определенной цели, будь то запас пищи или новая строительная площадка, причем она показывает не только направление на цель, но и расстояние до нее. Можно довольно просто определить, сколь близко к концу тропы заканчиваются путешествия идущих по ней муравьев, а затем с помощью уравнений теории информации по точности реакции муравьев на тропу подсчитать количество «битов» воспринятой информации.

Между прочим, ту же методику можно применить и к анализу пчелиных «танцев» — совершенно иной формы связи между насекомыми. Поразительно, но эти две, столь разные системы связи, как оказалось, передают примерно один и тот же объем информации относительно расстояния (два бита) и направления (четыре бита у пчел и четыре или, возможно, пять битов у муравьев). Четыре бита информации позволяют муравью или пчеле выбрать один из 16 равновероятных секторов круга, а два бита позволяют выбрать одно из четырех равновероятных значений расстояния. Возможно, что этот объем информации является предельным для восприятия мозга и органов чувств насекомого.

Не все разновидности муравьев прокладывают химические тропы. Но каждый из тех видов, которые наделены такой способностью, вырабатывает феромоны, присущие только ему. Поэтому практически не возникает никакой путаницы, когда пересекаются тропы, проложенные представителями нескольких различных разновидностей муравьев.

Другой важный класс муравьиных феромонов — вещества, запах которых служит сигналом опасности. До недавнего времени считалось, что муравьи поднимают тревогу, прикасаясь друг к другу: одни рабочий муравей толкает другого или начинает его щекотать своими усиками. Теперь выяснилось, что встревоженные рабочие муравьи испускают химические вещества, которые хранятся в специальных железках.

Как установлено экспериментами, эти вещества могут сами по себе вызывать у окружающих муравьев все характерные признаки беспокойства. Это, пожалуй, наиболее яркая иллюстрация колоссального различия между человеческим восприятием мира и восприятием окружающей среды теми существами, которые пользуются химическими средствами общения. Для человеческого носа «химикаты тревоги» — слабо пахнущие или даже ароматные вещества, а для муравьев — сильнодействующие яды, которые могут мгновенно ввергнуть всю семью в неистовство.

Когда рабочий муравей-жнец испускает содержимое своей подчелюстной железы в спокойный воздух, сфера действия летучего феромона тревоги быстро расширяется: через 13 секунд ее радиус достигает примерно 6 сантиметров. Затем она начинает сжиматься, и через 35 секунд после опорожнения железы сигнал тревоги затухает окончательно.

Интересно отметить, что в малых концентрациях феромон тревоги обладает обратным действием: он привлекает муравьев. Поэтому внешняя часть сферы действия феромона «зазывает» к источнику тревоги, а в центральной области, где концентрация достаточно высока, муравья охватывает неистовое чувство опасности.

Если понаблюдать муравьев в естественных условиях, то станет понятно, что сигнал тревоги должен быть именно таким — непродолжительным и с ограниченной сферой действия. Действительно, в многочисленной семье муравьев то и дело возникают различные второстепенные треволнения. И если бы сферы тревоги, которую создают отдельные рабочие муравьи, были устойчивыми и далеко распространялись, то весь муравейник непрерывно находился бы в состоянии паники.

«Дорожные» феромоны и феромоны тревоги — это лишь часть химического словаря муравьев. Факты говорят за то, что их железы внешней секреции вырабатывают и другие вещества, которые побуждают рабочих муравьев собираться вместе и браться за какое-то дело: ухаживать за маткой, кормить ее, заботиться о молодняке.

Даже мертвые муравьи испускают своеобразный феромон. За только что погибшим муравьем его собратья ухаживают, как за живым, не обращая внимания на его неподвижность. Но через день-два накапливаются продукты химического разложения трупика, которые побуждают рабочих муравьев оттащить умершего подальше от муравейника.

Надо сказать, что лишь некоторые из продуктов разложения служат причиной, вызывающей похоронное шествие. В их числе некоторые жирные кислоты и их эфиры. Когда этими веществами в экспериментальных целях обмазывали живых муравьев, то другие муравьи, повинуясь велению запаха, немедленно вытаскивали их из муравейника на «свалку». Живые «покойники», разумеется, поспешно возвращались домой, их снова «хоронили». И так продолжалось до тех пор, пока в процессе многократного повторения похоронного обряда запах смерти не выветривался совершенно.

Наше познание химических связей в животном мире находится еще в начальной стадии. Исследователи, занимающиеся этой проблемой, находятся в положении языковедов, которые выяснили значение всего нескольких слов языка, почти не поддающегося расшифровке.

Очень возможно, что некоторые «языки запахов» имеют и своеобразный синтаксис. Иначе говоря, может оказаться, что соединение нескольких феромонов несет какую-то совершенно новую информацию для животных, которые пользуются химическими средствами общения. Интересно выяснить также, могут ли животные изменять интенсивность или, скажем, частоту выделения феромонов, чтобы образовывать таким образом новые сигналы. Для решения этих и других не менее интересных проблем нужно привлечь новые методы аналитической органической химии и углубить наши знания о поведении животных.

Автор: Э. Уилсон.