Влечение

Для обозначения веществ, выделяемых животными для того, чтобы влиять на поведение других животных, Карлсон и Бутенандт в 1959 г. предложили термин "феромон". Он образован от греческих слов pherein - переносить и hortnon - возбуждать, стимулировать. Мы будем использовать термин "феромон" для обозначения таких химических соединений, которые 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 Bombyx 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 Bombyx mori.

С непарным шелкопрядом Porthetria dispar связана другая захватывающая страница истории выделения и установления строения феромонов насекомых. Это насекомое было случайно занесена 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, при-писания неправильной структуры активным веществам. Для выделения активного начала необходимо собрать много сотен тысяч насекомых, отделить у них определенный анатомический орган и экстрагировать химическое вещество. Затем проводят химическое фракционирование в микромасштабах, непрерывно контролируя активность выделяемого соединения. Для завершения процесса разделения и очистки применяют методы хроматографии, которые обычно дают лишь несколько миллиграммов искомого феромона. После выделения сравнительно чистых фракций вещество подвергают тщательному спектроскопическому исследованию и осуществляют химические реакции, приводящие к его разрушению, для того чтобы произвести пробные структурные отнесения. Окончательно доказанной структура считается после проведения полного синтеза и сравнения природного соединения с соединением, полученным синтетическим путем.

В качестве примера рассмотрим выделение аттрактанта для самца жука Trogodernia inclusium. Было выращено свыше 100 тыс. неоплодотворенных самок жука, которых подвергли обработке бензолом. Растворитель удаляли посредством лиофилизации (сушка вымораживанием) для того, чтобы не разрушить или не повредить какие-нибудь феромоны насекомого. Остаток перегоняли в высоком вакууме. Кислотные компоненты экстрагировали разбавленным раствором основания. Остающиеся нейтральные вещества подвергали хроматографическому разделению на колонке, заполненной силикагелем, с последующей аналитической и препаративной газовой хроматографией. Были выделены два соединения - соединение А (3 мг) и соединение В (1 мг).

Спектроскопическое исследование и специфические химические реакции показали, что соединение А представляет собой первичный спирт, содержащий одну цис-замещенную двойную связь. При озонолизе получается альдегид, элюируемый со стандартизованной газохроматографической колонки между н-октаналем и н-нонаналем. На основании этих результатов исследователи пришли к выводу, что этот альдегид представляет собой метилзамещенный октаналь. Весьма ценную информацию можно получить также при помощи гидрогенолиза. Следует напомнить, что при гидрогенолизе происходит не только присоединение водорода к кратным связям, но и разрыв связей углерод - кислород. В результате этой реакции был получен 3-метилгексадекан

По такой же методике было исследовано соединение В. В результате озонолиза был получен тот же альдегид, который был выделен из соединения А, что позволило установить положение двойной связи и метальной группы. Структура каждого из этих соединений была доказана в результате полного синтеза следующим образом: при реакции диборана с бутеном-2 было получено реакционноспособное борорганическое промежуточное соединение

которое присоединяли к акролеину по реакции 1,4-присоединения типа реакции Михаэля

При действии на это промежуточное соединение воды было получено искомое исходное соединение

Затем этот альдегид был введен в реакцию Виттига

в ходе которой образовывалось следующее нестабильное промежуточное соединение:

которое расщеплялось, как указано пунктирной линией, образуя ненасыщенный альдегид и окись трифенилфосфина

Полученный альдегид путем гидрирования превращали в насыщенный спирт, который при нагревании с бромистым водородом дал первичный бромид

Взаимодействие этого галогензамещенного соединения с трифенилфосфином

приводит к образованию соли фосфония

которую вводили в реакцию с метиловым эфиром моноальдегид-пробковой кислоты (пробковая кислота - линейная С₈-дикарбоновая кислота)

цис-Изомер этого соединения оказался идентичен соединению В. При восстановлении цис-соединения гидридом был получен цис-ненасыщенный первичный спирт, который идентичен соединению А

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

Из многих возможных для этой структуры изомеров лишь один приводит самца моли в состояние полового возбуждения. Впоследствии было показано, что сам по себе пропилур не привлекает самцов в полевые ловушки, хотя в лабораторных опытах он оказался для них сильным возбудителем. Ученые, работающие над этой проблемой, обнаружили, что N,N-диэтил-м-толуамид, присутствующий в неочищенном природном экстракте, активирует пропилур, после чего он начинает привлекать самцов моли в полевые ловушки.

В последнее время это открытие подвергнуто серьезному сомнению. Интересно отметить, что N,N-диэтил-м-толуамид применяли в качестве чрезвычайно активного репеллента против комаров, однако это первый случай выделения такого соединения из природного источника. По-видимому, довольно большие его количества содержатся в самке розовой моли.

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 отмечает 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 воспроизведения 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.

Предполагают, что хиноны, растворяясь в таких соединениях, стабилизируются. В результате такой стабилизации увеличивается эффективность секрета. Насекомые часто выделяют смесь бензохинона и толухинона или толухинона и 2-этилбензохинона.

Толухинон

2-этилбензохинон

Некоторые многоножки, например, выделяют производные бензохинона - толухинон и 2-метокси-3-метилбензохинон

2-метоксил-3-метилбензохинон

Возможно, что биосинтез этих бензохинонов включает предварительное образование ароматических соединений, например таких аминокислот, как фенилаланин и тирозин

Помимо бензохинонов, защитными соединениями для членистоногих служат многие ароматические соединения. Были выделены крезолы, салициловый альдегид, n-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.

Выше мы рассмотрели структуры некоторых типичных феромонов насекомых. В некоторых случаях для достижения эффекта необходима смесь соединений. Самец долгоносика Anthonomus grandis выделяет сложную смесь терпеноидных соединений, в состав которой входят четыре приведенных ниже соединения:

При фракционировании этой смеси получается неактивное вещество; активность можно восстановить, лишь смешав снова все четыре терпена.

Имеются также сведения о феромонах, содержащих азот. Ивонн и Джеррольд Мейнволд выделили из самца бабочки Lycorea ceres ceres кроме двух сложных эфиров, содержащих длинные цепи и аналогичных рассмотренным выше структурам, гетероциклический кетон.

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.

Синтезировано много соединений, действующих как репелленты; так, бензилбензоат и N-бутилацетанилид отпугивают клещей, а 2-бутил-2-этилпропандиол-1,3 - комаров

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.