Химические вещества организмов
Живые организмы. От них зависит жизнь на земле. Растения, существа, питающиеся светом, служат основанием пищевой пирамиды на Земле. Они же делают воздух нашей планеты пригодным для дыхания. Фотосинтез - это чудо. Животные являются неотъемлемой частью пищевых цепей, восстанавливая круговороты вещества в природе. Но царство растений и животных хранит немало таких чудес, что поражают воображение и заставляют усомниться в том, что ты верно представляешь себе, ЧТО же они такое, эти удивительные и непостижимые травы, деревья и цветы, животные, змеи, насекомые….
ХИМИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА
Стрекательные клетки
Стрекательными клетками обладают кишечнополостные животные. Большое количество стрекательных клеток у гидры находится на щупальцах, где они образуют стрекательные батареи. Стрекательная клетка имеет стрекательную капсулу, заполненную ядовитым веществом. Внутрь капсулы ввернута стрекательная нить. На поверхности клетки находится чувствительный волосок, при его раздражении нить выбрасывается и поражает жертву. После выстреливания нити клетки погибают, а на их месте из промежуточных клеток образуются новые. В щупальцах гигантской медузы цианеи находят защиту от врагов молодь многих рыб. Медуза не трогает их, но убивает тех хищников, которые в азарте погони за мальками слишком близко подплывают к щупальцам медузы. Основой ядовитого вещества кишечнополостных является муравьиная кислота.
Психотропное оружие тундры
Возможно, именно химическое оружие растений служит причиной одного из самых загадочных явлений в жизни животного царства - "самоубийства" норвежских леммингов, которые раз в несколько лет огромными массами бросаются в море со скалистых обрывов. В действительности причиной такого поведения зверей может быть недавно открытый механизм защиты у хлопчатника и осоки, растений, составляющих основу рациона норвежского лемминга. Эти растения умеют производить яд, который блокирует действие желудочного сока лемминга - их главного уничтожителя. Так как лемминги едят умеренно, растения не выделяют яд в критических количествах. Когда же пожирание приобретает характер полного опустошения - так бывает, когда численность леммингов достигает пика, растения начинают производить яд безостановочно. В результате ни один лемминг не может переварить съеденного. В ответ организм животного начинает выделять все больше желудочного сока и истощается гораздо быстрее, чем от "нормального" голода. Чем больше лемминг ест, тем голоднее и слабее становится и тем скорее теряет от голода рассудок. Стада леммингов без остановки движутся по тундре, опустошая ее, и, когда выходят на берег озера или моря, без колебаний бросаются в воду в своей погоне за едой.
Вооружены и очень опасны
В своем стремлении защитить листья от пожирателей растения чаще всего полагаются не на шипы и иглы. Очень многие растения умеют производить химические соединения, которые, так или иначе отпугивают врагов. В некоторых случаях "оборонительная доктрина" растения оказывается удивительно сложной и тонко "продуманной". Дикие виды картофеля в Южной Америке выпускают в воздух вещество, идентичное тому, которое служит сигналом опасности у тли. Неудивительно, что тля никогда не садится на эти кусты. Африканская аюга (живучка) синтезирует гормон, управляющий развитием гусеницы определенного вида. Если гормон попадет в организм такой гусеницы, из нее выйдет нежизнеспособная бабочка-мутант с двумя головами. Чтобы это узнать, ученым пришлось специально вводить гусеницам вытяжку аюги - в природе эти гусеницы закономерно избегают кормиться на страшных листьях. Широко распространенный папоротник-орляк "заряжает" молодую листву цианидом, который смертелен для абсолютного большинства насекомых, а когда листья созревают и становятся слишком жесткими для насекомых, но привлекательными для млекопитающих, папоротник начинает производить другой яд, вызывающий слепоту и опухоли даже у достаточно крупных животных, таких, как кролики или олени. Надежная защита от пожирателей - один из факторов, обеспечивающих господство папоротников на лесистых холмах умеренных широт. Растение ваточник получил свое название за млечный сок, выступающий на сломе стебля. Этот сок очень ядовит для пожирателей, у небольшого животного он может вызвать остановку сердца. Только бабочка монарх чудесным образом избегает отравления, ее гусеницы преспокойно объедают листья ваточника. Более того, яд ваточника монарх научился использовать себе во благо. Секрет в том, что гусеницы не перерабатывают содержащийся в растении токсин, но накапливают его в организме, становясь для хищников несъедобными. Бабочки, которые выйдут из этих гусениц, тоже будут ядовиты, они носят на крыльях яркую предостерегающую окраску, и птицы не нападают на них. Кроме одной маленькой, но, видно, очень гордой мексиканской птички из семейства иволговых. Она одна знает, что яд у бабочки монарха содержится только в крыльях и в шкурке, и, отделив отравленные части, спокойно поедает добычу.
Оружие индейцев
Из всех лягушек- древолазов батрахотоксины были найдены лишь у пяти видов рода листолазов, три из которых обитают в Колумбии. Наибольшее содержания яда зафиксировано у листолаза наземного, в одной особи может содержаться до 500 мкг батрахотоксина, 300 мкг гомобатрахотоксина и 200 мкг батрахотксинина А. До настоящего времени точно не установлено, каким именно способом накапливается яд в организмах древолазов. По одной из версий, он может содержаться в некоторых специфических продуктах, поглощаемых древолазами в природной среде обитания. В лабораторных условиях древолазы могут потерять ядовитые свойства. В 2004 году в Новой Гвинее был обнаружен вид жуков, которые содержат довольно много батрахотоксинов. По предположению учёных, древолазы вполне могут питаться встречающимися в Колумбии близкими родственниками этих жуков, таким образом, накапливая яд в своём организме. По другим версиям, яд может синтезироваться самими древолазами или бактериями-симбионтами. Яд обладает сильным кардиотоксическим действием, вызывая спазмы сердечной мышцы, свойственно также паралитическое действие на дыхательную мускулатуру и мышцы конечностей. При попадании в кровь через слизистую оболочку или трещину в коже, яд вызывает аритмию (экстрасистолию), ведущую к остановке сердца, в результате которой наступает летальный исход. Эффективного антидота(противоядие) не найдено. При комбинации с ядом скорпиона токсичность яда повышается в 12 раз. В настоящее время известен способ синтеза батрахотоксина и создан аналог, который в два раза более токсичен. Индейцы Южной Америки смазывали ядом стрелы для духовых трубок перед охотой, проводя наконечником по спинам древолазов. Смерть жертвы наступала через 4—8 минут после попадания одной стрелы.
Почему крапива жжется?
Многие растения снабжены волосками, они отламываются при легчайшем прикосновении и впиваются в незащищенную плоть врага. Это хорошее средство, отпугивающее травоядных животных, потому что губы и ноздри у них очень нежные. Но крапива вооружена еще лучше. У крапивы волоски жесткие и полые, как иглы для инъекций. Внутри них - жидкость, содержащая гистамин (один из главных элементов, участвующих в развитии аллергических реакций у человека) и еще одно вещество, схожее с осиным ядом. На конце волоска крапивы - крохотная головка, отламывающаяся при малейшем прикосновении. Даже слабого контакта достаточно, чтобы волосок пронзил кожу обидчика. Мягкое основание волоска тут же срабатывает как резиновая груша, впрыскивая ядовитую жидкость в ранку.
ХИМИЧЕСКАЯ АТАКА
Точные стрелки
В случае опасности жуки божьи коровки поджимают сяжки под голову, а ноги под туловище, притворяются мёртвыми и выпускают желтоватый острый сок. Нападающий, имеющий более длинные ноги, в таких случаях старается спастись бегством. В анальной области бобра находятся парные железы, выделяющие сильно пахнущий секрет — бобровую струю. Этим секретом бобр метит территорию, тем самым, отпугивая собратьев. Под хвостом у основания ануса у скунса находятся особые пахучие железы, выделяющие маслянистую жидкость с отвратительным, стойким запахом, похожим на запах тухлых яиц; в случае опасности скунс выбрызгивает её в сторону врага. Яркая контрастная окраска скунса служит предостережением возможным хищникам. Свою жертву пауки запутывают в паутину и кусают, впрыскивая парализующий или смертельный яд. Для человека опасны лишь несколько видов пауков. Наиболее известный среди них “черная вдова”. Хотя укус самки, которую можно узнать по красным “песочным часам” на брюшке, чрезвычайно болезнен, он редко бывает смертельным.
ХИМИЧЕСКОЕ ОРУЖИЕ В БОРЬБЕ ЗА ПИТАНИЕ
Грибы поганки всасывают органические растворы всей поверхностью своей грибницы. Однако необходимая органика далеко не всегда находится в растворенном виде. Подстилка в лесу состоит из отмерших веточек, коры, листьев. В их основе лежит клетчатка, или целлюлоза. По своему составу она близка к сахару, но молекулы ее соединены между собой такими прочными химическими связями, что переваривать целлюлозу могут только очень немногие живые организмы. Грибы для этих целей применяют поистине совершенное “химическое оружие” — целый набор самых разных, очень активных ферментов, способных растворить практически любую органику, будь то мертвый ствол дерева или панцирь погибшего жука. Нити гриба, постоянно выделяющие ферменты, затем поглощают образовавшийся питательный раствор. “Химическое оружие” грибов настолько эффективно, что они фактически в одиночку справляются с первичной переработкой отмершей древесины, возвращая мертвое органическое вещество в оборот лесных экосистем, делая его снова доступным как для животных, так и для растений. Кроме того, гифы (нити грибницы) многих грибов очень тесно переплетаются с корнями деревьев.
ХИМИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ ПРИВЛЕЧЕНИЯ
Мускус — сильно пахнущее вещество, вырабатываемое железами некоторых животных (кабарги, овцебыка, бобра и других) или находящееся в корнях некоторых растений и применяемое в парфюмерии (облагораживающее и фиксирующее действие). Животный мускус - продукт выделения мускусных желез; играет роль химического сигнала для мечения территории, привлечения особей другого пола и служит для смазки шерсти. В XIX веке мускус в России был статьей экспорта: его брали у выхухоли, когда шкурки зверьков отправляли во Францию, на парфюмерные нужды. До сих пор парфюм на натуральных основах, в частности - мускусе - по цене в десятки раз превосходит ароматы на синтетических основах. Растительный мускус содержится в корне аптечного дягиля, в семенах гибискуса и некоторых других растениях. Для многих животных важнейшая роль при передаче и получении информации принадлежит запахам. Для этого они выделяют особые химические вещества — феромоны. Феромоны - биологически активные летучие вещества c небольшой молекулярной массой, выделяемые животными в окружающую среду и специфически влияющие на поведение других особей, как правило, того же вида в период ухаживания и спаривания. Феромоны вырабатываются эндокринными железами, и специальными клетками организма, а их восприятие осуществляется посредством рецепторов, которые передают "возбуждающий" сигнал в кору больших полушарий, тем самым настраивая особь противоположного пола на половой контакт. Каждое такое вещество имеет свой запах и несет строго определенную информацию. До настоящего времени у одних лишь насекомых изучено более ста видов различных феромонов. Их запахи способны привлекать и отпугивать животных, заставлять их собираться вместе или избегать друг друга, помогают охранять владения и находить пищу, распознавать своих и чужих, выяснять пол и возраст сородичей. Насекомые беспрекословно повинуются химическому сигналу, даже если он послан за несколько километров, а концентрация феромона ничтожно мала. Самцы обыкновенной моли улавливают запах феромонов, испускаемых самкой, на расстоянии до 11 километров! Самцы тутового шелкопряда готовы лететь 12 километров, чтобы встретиться с самкой, пославшей запах любви. Запахи насекомые улавливают с помощью усиков (антенн), расположенных у них на голове. Информация, полученная с помощью усиков, многократно важнее визуальной информации. Ученые давно догадывались, что животные могут общаться между собой при помощи запахов. Однако честь первооткрывателя феромонов выпала нашему современнику — западногерманскому биохимику Адольфу Бутенандту. Ему удалось выделить капельку маслянистой жидкости весом четыре миллиграмма из железы бабочки тутового шелкопряда и определить ее химический состав. Уже сейчас знание языка запахов помогает человеку бороться с вредителями садов и огородов — яблоневой, сливовой и восточной плодожорками, хлопковой совкой. Достаточно установить ловушку с привлекающим насекомых феромоном, как те массово устремляются на его запах. Недавно обнаружено, что муравьи Рихтера помечают путь между источником пищи и муравейником необычайно действенным химическим веществом. Привлекательное лишь для этого вида муравья, оно столь эффективно, что одной чайной ложки хватило бы на миллион шестьсот тысяч километров. Химические вещества сигнализируют об опасности и разлагаются меньше, чем за минуту; те же, которые побуждают животных держаться вместе, действуют значительно дольше. Вещества, выделяемые самками мотыльков, переносятся ветром на 1,5 км и более; самцы одного из видов тритонов рассылают свои феромоны, хвостом взбивая воду.
Феромоны человека
Выделяясь во внешнюю среду, феромоны, подсознательно влияют на человека, возбуждая в нем сексуальное влечение и желание. В зависимости от типа вещества, они оказывают воздействие либо на женщину, либо на мужчину. По химическому строению феромоны весьма разнообразны и не образуют однородной группы химических соединений. Феромоны активны в чрезвычайно низких концентрациях. Сейчас уже абсолютно достоверно известно, что кожа человека — это, своего рода, “фабрика” разнообразных феромонов. Исследовать их начали совсем недавно. Не вызывает сомнений, что именно они во многом определяют сексуальную привлекательность человека. Идея добавлять эти вещества в духи была быстро подхвачена производителями парфюмерии, а дальнейшие изучения состава и свойств феромонов, а именно избирательное действие этих веществ на противоположный пол, позволили создавать "разнополые" духи (мужские и женские). Совсем недавно ученые смогли синтезировать феромоны и сделали их идентично натуральным. С помощью добровольцев провели исследовательские эксперименты по воздействию искусственных феромонов на противоположный пол. 70% добровольцев дали высокую оценку и признали влияние духов с феромонами, как сексуально привлекательные.
ЯД РАСТЕНИЙ
Почему растения бывают ядовитыми?
Заманчиво предположить, что растения выработали способность производить яды, чтобы не быть съеденными. До некоторой степени это, может быть, и верно. Однако нет растения, которое не годилось бы в пищу тому или иному животному - даже бледная поганка пришлась по вкусу улиткам, и они питаются ею без видимого ущерба для здоровья. Некоторые животные поглощают растительные яды даже с пользой для себя: они служат им защитой. (Известный пример - бабочки-данаиды, их гусеницы кормятся на молочае, ядовитый сок которого им не вредит, а, наоборот, помогает выжить.) По этой причине многие ученые склоняются к мысли, что яды появились в растительном мире случайно, а сохранились потому, что не мешают существованию растений. Благодаря своему неприятному вкусу или запаху многие ядовитые растения избегают участи быть съеденными травоядными животными. Животные питаются и теми растениями, которых обычно избегают. Особенно склонны поедать ядовитые растения домашние животные. Овцы и коровы на выпасе едят такие опасные растения, как аконит, шпорник и астрагал. Лошади, привязанные так, что им удается дотянуться до куста олеандра или рододендрона, охотно щиплют их ядовитые листья. Голодный скот часто травится цикутой и болиголовом. Свиньи пожирают ядовитые корни. Даже животные, обычно питающиеся мясом, могут стать жертвой ядовитых растений. Кошки иногда едят листья филодендрона и травятся ими.
Как растения травят своих врагов?
Пижма, молочай и кендырь - горькие на вкус. Дурман, если его обломить или надкусить, издает неприятный запах. Не случайно эти и многие другие противные растения ядовиты. Яды зачастую служат основной защитой растений, а скверный вкус - предостережением для возможных едоков. Пасущиеся животные не трогают такие растения. И те и другие в выигрыше - растения не съедены, а животные не отравлены. Не у всех растений яды одинаковы. Диффенбахия и симплокарпус содержат острые кристаллы оксалата кальция, которые вонзаются в слизистую рта и горла животного, вызывая нестерпимую боль и жжение. У растений семейства молочайных неприятный жгучий сок. Некоторые растения действуют и более изощренно: многие представители семейства бобовых содержат ядовитые аминокислоты.
Как растения спасаются от болезней?
Болезни растений вызываются патогенными грибами, бактериями и вирусами. Однако, если даже такой возбудитель проникнет в растение (например, через ранку), то и тогда растению удается справиться с болезнью. Многие растения, такие, как сапонария или пастушья сумка, содержат напоминающие мыло вещества, называемые сапонинами. Когда в их клетки проникает болезнетворный организм, сапонины атакуют мембраны его клеток, и он гибнет. Некоторые вырабатываемые растением химические вещества выступают в роли антибиотиков.
Сигнал тревоги
Исследователи наблюдали за посадками ив и берез, листья которых пожирали вредители. Насекомые сначала с аппетитом поглощали зелень, но, спустя некоторое время, начали погибать. Ученые решили выяснить причину мора среди вредителей. Лабораторные опыты все объяснили. Оказалось, обороняясь от врагов, березы и ивы меняли химический состав листвы — и насекомые попросту умирали от нехватки нужных им веществ. Однако самым поразительным оказался другой факт: химический состав листвы модифицировался даже у тех деревьев, до которых насекомые добраться не успели. Ясно, что "узнали" они об этом от своих обгладываемых жуками сородичей. Но как?! Через соприкасающиеся корневые системы - подумали исследователи. Однако проверка показала, что дело не в этом. Длительные и неоднократные опыты подсказали иное решение: растения общались при помощи запахов. Березы и ивы, атакованные вредителями, выделяли газ этилен. Ветер относил облачко газа к соседним деревьям, сообщая сигнал тревоги.
ЯД ЖИВОТНЫХ
Механизмы введения яда
Пчелы, осы и муравьи - близкие родственники; в этой группе насекомых способностью жалить обладают только самки. (Жало - это модифицированный яйцевод.) Жало свойственно не всем видам. Большинство насекомых, его имеющих, могут жалить много раз подряд, а медоносная пчела - только один раз. Ее зазубренное жало, которое находится в задней части туловища, застревает в жертве и вырывается из тела насекомого вместе с ядовитой железой. Поскольку жало остается в теле жертвы, пчела погибает. Обычно укус пчелы или осы сопровождается лишь местными явлениями: припухлостью и болью, которые через несколько дней проходят. Однако некоторые люди отличаются повышенной чувствительностью к укусам или необычной реакцией на тех или иных насекомых. Таким образом, яды в организмах появились случайно, но в ходе эволюции закреплялись и были полезны. В результате естественного отбора и борьбы за существования выживали и оставляли потомство особи, способные к химической атаке, химической защите, выработке ядов и привлечению особей противоположного пола.
См. приложение.
Источники информации:
- Азбука природы. М.: Изд.дом “Ридерз Дайджейст”, 1997.
- А.А.Плешаков “От земли до неба” М.: Просвещение, 1998.
- Большая энциклопедия природы. Т.4. М.: Мир книги, 2003.
- Растения и пчелы.— М.: Агропромиздат, 1985.
- http://subscribe.ru/archive/science.news.nauka/
- http://www.vokrugsveta.ru/vs/?article_id=385">Журнал “Вокруг Света”.