Що таке феромони та їх значення в біології, зоології та хімії

Цілком можна припускати, що в інших світах є цивілізація, де розумні істоти спілкуються один з одним, обмінюючись хімічними речовинами, яким притаманний який-небудь запах, або смак. Це може здатися неправдоподібним, але все-таки теоретичну можливість настільки оригінального способу передачі інформації не можна скидати з рахунків.

Порівняно неважко створити, принаймні, на папері, систему хімічного «зв’язку», за якою можна було б досить економічно передавати великий обсяг інформації. Звичайно, ідея такої системи зв’язку здається дуже дивною, бо на наше уявлення про світ наклало найсильніший відбиток одвічне володіння слуховим і зоровим апаратами сприйняття інформації.

Тим часом стає дедалі очевиднішим, що хімічні системи – основний засіб спілкування для багатьох видів тварин, а може бути, навіть і для більшості. За останні кілька років вчені, які вивчають поведінку тварин, почали з допомогою хіміків-органіків розшифровувати деякі з цих систем і відкрили цілий ряд найдивовижніших нових біологічних явищ.

Хімічні речовини, використовувані для обміну інформацією між представниками одного і того ж виду тварин, називаються феромонами. На відміну від звичайних гормонів, які виділяються всередину організму і служать для регулювання внутрішніх фізіологічних процесів, феромони виділяються назовні. Вони допомагають тварині регулювати умови зовнішнього, навколишнього середовища, роблячи вплив на інші особини того ж виду.

Існують дві форми цього впливу. Одні феромони викликають негайну і оборотну зміну в поведінці тварини, що сприймає інформацію. У цьому випадку вони, мабуть, діють безпосередньо на центральну нервову систему. Інші феромони викликають ланцюг фізіологічних явищ у тварини того ж виду. Фізіологічні зміни, у свою чергу, розширюють репертуар дій, з яких складається поведінка тварини.

У термітів, наприклад, «робочі» і «воїни» виділяють зі своїх залоз в корм молодняку інших «каст» особливі речовини. Проникаючи в організм, ці речовини впливають на керуючі диференціацією розвитку терміту ендокринні залози таким чином, що дорослі особини вже ні «воїнами», ні «робочими» не будуть.

Дія подібних феромонів не завжди проявляється у вигляді гальмування фізіологічних процесів. Вони можуть діяти і в зворотному напрямку. Дорослі самці пустельної сарани виробляють летючу речовину, що виділяється через шкірку. Вона прискорює ріст молодняку сарани. Коли личинки виявляють цю речовину своїми вусиками, їх задні ноги, деякі частини ротового апарату і самі вусики починають вібрувати. Цей секрет в сукупності з відчутними і зоровими сигналами відіграє важливу роль у формуванні гігантських зграй пустельної сарани. Дивна особливість деяких феромонів полягає в тому, що вони викликають суттєві фізіологічні зміни, які не супроводжуються, однак, негайною зміною поведінки тварини.

Вчені, які займаються дослідженням ендокринних систем ссавців, виявили, що запах інших мишей діє на самку-миша того ж виду найнесподіванішим чином. Було відмічено, що коли самок мишей поселяли групами (в досліді мишей поселяли по чотири в одну клітку), у них підвищувався відсоток помилкових вагітностей. Нормальний перебіг процесу розмноження відновлювався повністю або після видалення у самки нюхових цибулин, або після того, як самку ізолювали від інших мишей.

Феромони, які викликають певну специфічну реакцію безпосередньо центральної нервової системи, широко поширені у тваринному царстві і виконують численні функції. Велику і дуже важливу категорію таких феромонів складають так звані статеві атрактанти.

Дві таких сполуки – мускус і цибетон, властиві ссавцям речовини, що володіють сильним запахом, – відомі вже давно. Загально прийнято було вважати, що вони пов’язані зі статевими функціями. Однак точність уявлень про їх роль ніколи не піддавалася суворій перевірці в експериментах з живими тваринами. Насправді, мабуть, мускусоподібні речовини самі по собі або в комбінації з іншими речовинами виконують декілька обов’язків: служать для того, щоб відзначати кордони «володінь» тварини, допомагають захищати територію «володінь» і розпізнавати стать особин свого виду.

Природа і роль статевих атрактантів, властивих комахам, з’ясована набагато повніше. Треба сказати, до речі, що визначення складу кожного з них – це справжній науковий подвиг. Наприклад, для того щоб отримати 12 міліграмів ефірів бомбікола – статевого атрактанта самки метелики-шовкопряда, – А. Бутенандт і його помічники з мюнхенського біохімічного інституту обробили 250000 метеликів.

Атрактанти комах володіють колосальною силою дії. Якщо приблизно 10000 молекул бомбікола продиффундують в повітря з джерела, розташованого в одному сантиметрі від вусиків самця метелики-шовкопряда, в більшості випадків в його поведінці можна спостерігати характерну реакцію.

У природі самки використовують свої потужні феромони для того, щоб заявити про свою присутність якнайдалі навколо і притому з мінімальною затратою енергії. На підставі опублікованих даних про польові досліди і створеної нами математичної моделі процесу дифузії У. Боссарт, один з моїх помічників у біологічній лабораторії Гарвардського університету, і я визначили форму та розміри еліпсоїда, в межах якого атрактант самки може впливати на самців. При помірному вітрі довжина поздовжньої осі цього еліпсоїда сягає кількох тисяч метрів, а довжина поперечної осі, паралельної землі, перевищує двісті метрів.

Французький натураліст Жак Анрі Фабр, який жив у XIX столітті не міг повірити, що самка метелика може повідомляти про себе на дуже великій відстані за допомогою одного лише запаху, оскільки, як він писав, «рівною мірою можна було б сподіватися забарвити озеро краплею карміну». Тепер ми знаємо, що висновок Фабра був помилковий, але аналогія, яку він наводив, точна: для чутливих хеморецепторів самця метелика озеро дійсно стає пофарбованим.

Найбільш високорозвинені системи хімічного зв’язку в природі відкриваються при вивченні поведінки громадських комах, зокрема ос, бджіл, термітів і мурах. Всі вони спілкуються із собі подібними в основному в темних надрах своїх гнізд і володіють чутливим хеморецепторним апаратом. Методи експерименту, розроблені за останні роки, дозволили виділити в чистому вигляді феромони цих комах і встановити їх хімічний склад. Це дозволило істотно просунутися в розшифровці неприступних донедавна «кодів» зв’язку, якими користуються комахи, особливо мурашки.

Мурахи оснащені виключно розвиненою системою екзокринних залоз, призначення яких довго залишалося загадкою для ентомологів. Як з’ясувалося, багато з цих залоз виробляють феромони. Їх призначення поклало початок більш глибокому проникненню в суть організації мурашиного суспільства.

Розглянемо для прикладу, як діють так звані «хімічні стежки». Загально прийнято було вважати, що хімічні речовини, якими мурахи позначають свої стежки, служать покажчиками лише для «робочих» і що ці «дорожні знаки» мурахи доповнюють іншими видами сигналів, якими вони обмінюються всередині мурашника, Тепер ми знаємо, що хімічні «дорожні знаки» виконують виключно широке коло обов’язків. У вогненних мурашок, наприклад, вони вказують дорогу і спонукають робочих мурашок, що відають заготівлею продовольства, шукати корм і нові будівельні майданчики для мурашників. Крім того, вони служать робочим мурашкам для подачі сигналів небезпеки.

Вогненні мурахи позначають стежки речовиною, яка в незначних дозах виробляється дюфуровими залозами. Мурахи видавлюють ця речовину через жало, яке торкається землі, час від часу відриваючись від неї, так само як перо авторучки під час письма. «Дорожні» феромони, хімічний склад яких поки ще не визначений, привертають, насамперед, увагу робочих мурашок. Потрапивши в зону дії атрактанта, ці мурахи негайно рухаються у бік посилення концентрації хімічного сигналу. Якщо цією речовиною прокреслена якась лінія на землі, робочі мурашки будуть рухатися вздовж неї. Така лінія зазвичай прокладається від нового будівельного майданчика або від запасу продовольства.

Ми в лабораторних умовах витягували з дюфурових залоз робочих мурашок «дорожній» феромон, і мітили їм штучні «стежки». Робочі мурахи довгий час подорожували точно по цих стежках, навіть якщо стежка прокладалася у вигляді кола, приводила мандрівників назад в мурашник. Якщо великими дозами цього феромона впливати на все населення мурашника, то більша його частина, включаючи і матку, покине своє житло.

«Дорожні» феромони дуже летючі, і запах, яким позначена природна стежка, прокладена одною робочою мурахою, зникає вже через дві хвилини. За цей час робочі мурашки можуть пробігти приблизно 40 сантиметрів. Отже, ті з них, які трудяться за межами мурашника, здатні відійти по такій стежці не більше ніж на 40 сантиметрів від свого будинку.

Ця властивість феромона істотно обмежує дальність дії хімічних засобів зв’язку між мурахами, але в той же час додає системі зв’язку певні переваги. Як це абсолютно очевидно, старі, вже непотрібні стежинки швидко стираються і не збивають з пантелику мурах, що виходять на промисел. З іншого боку, інтенсивність запаху стежки, прокладеної багатьма «робочими», служить дуже наочною мірою кількості їжі на даній ділянці.

Коли мурахи снують туди і сюди в пошуках їжі (вона складається зазвичай з мертвих комах і цукровмісних частин рослин), вони весь час виділяють свої феромони на стежку, прокладену першовідкривачем запасів їстівного, посилюючи її, роблячи її більш «яскравою» для хеморецепторів. Треба сказати, що мурахи мітять стежку феромонами на зворотному шляху до мурашника тільки в тому випадку, якщо вони дійсно знайшли щось їстівне. Тому чим більше їжі в кінці стежки, тим більше мурах знаходять там собі прожиток і тим виразніше стає стежка. А чим сильніше запах стежки, тим більша кількість мурах відправляється второваною дорогою за здобиччю. Виснажилося джерело їжі – і число «робочих», які мітять стежку на зворотному шляху, пішло на спад. Запах поступово випаровується і пропадає, рух по стежці припиняється.

Стежка вогненних мурах – одна з небагатьох систем зв’язку в тваринному світі, зміст інформації в якій можна виміряти досить точно. Адже стежка показує шлях до певної мети, будь то запас їжі або новий будівельний майданчик, причому вона показує не тільки напрямок на ціль, але і відстань до неї. Можна досить просто визначити, наскільки близько до кінця стежки закінчуються подорожі мурашок, а потім за допомогою рівнянь теорії інформації по точності реакції мурах на стежку підрахувати кількість «бітів» сприйнятої інформації.

Між іншим, ту ж методику можна застосувати і до аналізу бджолиних «танців» – абсолютно іншої форми зв’язку між комахами. Вражаюче, але ці дві, настільки різні системи зв’язку, як виявилося, передають приблизно один і той же обсяг інформації щодо відстані (два біти) та напряму (чотири біта у бджіл і чотири або, можливо, п’ять бітів у мурашок). Чотири біта інформації дозволяють мурасі або бджолі вибрати один з 16 рівно ймовірних секторів кола, а два біти дозволяють вибрати одне з чотирьох рівно ймовірних значень відстані. Можливо, що цей обсяг інформації є граничним для сприйняття мозку та органів чуття комахи.

Не всі різновиди мурах прокладають хімічні стежки. Але кожен з тих видів, які наділені такою здатністю, виробляє феромони, властиві тільки йому. Тому практично не виникає ніякої плутанини, коли перетинаються стежки, прокладені представниками кількох різних різновидів мурах.

Інший важливий клас мурашиних феромонів – речовини, запах яких служить сигналом небезпеки. До недавнього часу вважалося, що мурахи піднімають тривогу, торкаючись один до одного: один робочий мураха штовхає іншого або починає його лоскотати своїми вусиками. Тепер з’ясувалося, що стривожені робочі мурашки випускають хімічні речовини, які зберігаються в спеціальних залозках.

Як встановлено експериментами, ці речовини можуть самі по собі викликати в навколишніх мурах всі характерні ознаки занепокоєння. Це, мабуть, найбільш яскрава ілюстрація колосальної відмінності між людським сприйняттям світу і сприйняттям навколишнього середовища тими істотами, які користуються хімічними засобами спілкування. Для людського носа «хімікати тривоги» – слабо пахнуть або навіть ароматні речовини, а для мурашок – сильнодіючі отрути, які можуть миттєво кинути всю сім’ю у шаленство.

Коли робочий мураха-жнець випускає вміст своєї підщелепної залози у спокійне повітря, сфера дії летючого феромона тривоги швидко розширюється: через 13 секунд її радіус досягає приблизно 6 сантиметрів. Потім вона починає стискатися, і через 35 секунд після спорожнення залози сигнал тривоги загасає остаточно.

Цікаво відзначити, що в малих концентраціях феромон тривоги володіє зворотною дією: він привертає мурах. Тому зовнішня частина сфери дії феромона «зазиває» до джерела тривоги, а в центральній області, де концентрація досить висока, мурашок охоплює несамовите відчуття небезпеки.

Якщо поспостерігати мурах в природних умовах, то стане зрозуміло, що сигнал тривоги повинен бути саме таким – нетривалим і з обмеженою сферою дії. Дійсно, в численній сім’ї мурах раз у раз виникають різні другорядні небезпеки. І якби сфери тривоги, яку створюють окремі робочі мурашки, були стійкими і далеко поширювалися, то весь мурашник безперервно знаходився б у стані паніки.

«Дорожні» феромони і феромони тривоги – це лише частина хімічного словника мурах. Факти говорять за те, що їх залози зовнішньої секреції виробляють й інші речовини, які спонукають робочих мурашок збиратися разом і братися за якусь справу: доглядати за маткою, годувати її, піклуватися про молодняк.

Навіть мертві мурахи випускають своєрідний феромон. За щойно загиблим мурахою його побратими доглядають, як за живим, не звертаючи уваги на його нерухомість. Але через день-два накопичуються продукти хімічного розкладання трупика, які спонукають робочих мурашок відтягнути померлого подалі від мурашника.

Треба сказати, що лише деякі з продуктів розкладання служать причиною, що викликає похоронний хід. У їх числі деякі жирні кислоти та їх ефіри. Коли цими речовинами в експериментальних цілях обмазували живих мурашок, то інші мурахи, підкоряючись велінням запаху, негайно витягали їх з мурашника на «звалище». Живі «небіжчики», зрозуміло, поспішно поверталися додому, їх знову «ховали». І так тривало до тих пір, поки в процесі багаторазового повторення похоронного обряду запах смерті не вивітрювався абсолютно.

Наше пізнання хімічних зв’язків у тваринному світі знаходиться ще в початковій стадії. Дослідники, що займаються цією проблемою, знаходяться в положенні мовознавців, які з’ясували значення всього декількох слів мови, що майже не піддається розшифровці.

Дуже можливо, що деякі «язики запахів» мають і своєрідний синтаксис. Інакше кажучи, може виявитися, що з’єднання декількох феромонів несе якусь абсолютно нову інформацію для тварин, які користуються хімічними засобами спілкування. Цікаво з’ясувати також, чи можуть тварини змінювати інтенсивність або, скажімо, частоту виділення феромонів, щоб утворювати таким чином нові сигнали. Для вирішення цих та інших не менш цікавих проблем потрібно залучити нові методи аналітичної органічної хімії і поглибити наші знання про поведінку тварин.

Автор: Е. Вілсон.