Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Ученые всегда пытались понять, как можно сократить поголовье комаров, и в последнее время в этих исследованиях наметился серьезный прогресс. Вместо инсектицидов они пытаются ввести в оборот альтернативные тактики – прежде всего репелленты, которые можно наносить прямо на себя или применять для закрытых помещений. Но, увы, не все здесь так просто. Уже несколько десятилетий люди с известным успехом пользуются репеллентами с основой на ДЭТА (диэтилен-триамине) и икаридине – двух синтетических циклических аминах (см. рис. 19), которые работают только в довольно высоких дозах. Разнообразные лосьоны, спреи и карандаши должны содержать не менее 10–20 % активного вещества, а в некоторых случаях и все 40 %. Такая серьезная дозировка и нейротоксичность этих веществ, структурно очень близких к некоторым инсектицидам, заставили ученых искать им замену.

Натуральные вещества, содержащиеся в растительных эфирных маслах, часто пользуются большой популярностью из-за приятной, но, по сути, совершенно ложной идеи, что все натуральное безопасно. В продаже можно встретить свечи для помещений, ароматизированные цитронеллой, и различные спреи и кремы для тела с растительными экстрактами – в этом есть свой резон: сотни таких продуктов и их компонентов действительно эффективны против комаров, но проблема в том, что и здесь концентрации должны быть опасно высоки – никак не менее нескольких граммов на 100 миллилитров основы [11].

Рисунок 19. ДЭТА и икаридин – самые распространенные репелленты комаров. Опасения по поводу их нейротоксичности заставили ученых обратиться к натуральным отпугивающим веществам. Большинство эфирных масел и их составляющих – цитронеллаль, ментол, тимол, циннаматы и многие другие вещества, содержащиеся в цветах, травах и кулинарных специях, – действительно эффективно отпугивают комаров и прочих кровососущих членистоногих.

Ментол, тимол и эвгенол, с которыми мы познакомились в первой части книги, а к ним вдобавок эфирные масла шалфея, тимьяна, душицы и многих других трав действительно служат превосходными репеллентами – в очень высоких концентрациях. И снова интересное совпадение: среди самых активных (благодаря высокому содержанию непеталактона, полового феромона тлей) репеллентов почетное место занимает масло кошачьей мяты – его легко купить в соответствующих отделах магазинов. К несчастью, отпугивающие свойства таких масел стремительно падают с уменьшением концентрации; большинство натуральных веществ, считающихся репеллентами, в дозах меньше критических превращаются, наоборот, в аттрактанты. Так что запахи трав и цветов – цитраль, линалоол, гераниол и ментол – для комаров так же приятны, как и для нас. Не будем забывать, что питаются комары в основном нектаром; только самки и только перед откладыванием яиц испытывают потребность разнообразить свою диету свежей кровью.

Да, не так уж приятно узнать, что репеллент, которым мы себя обильно оросили, через некоторое время по мере выветривания превратится в аттрактант. Но так уж оно устроено в природе: двойному и противоречивому действию одного и того же пахучего вещества удивляться вообще-то не приходится. Помните, мы уже сталкивались с такой ситуацией, когда обсуждали кое-какие пищевые ароматы – приятные в следовых количествах в кулинарных деликатесах и отвратительные, стоит только концентрации превысить критическую отметку? Самым наглядным примером нам тогда послужили линейные альдегиды, ноненаль и нонадиеналь, которые придают огурцу свежий аромат, но превращаются в сущую гадость в высоких концентрациях, образующихся при распаде жиров. Так что давайте просто смиримся с тем фактом, что насекомые – не элементарно устроенные машинки, которые легко включить и выключить. Обработка ольфакторных сигналов в их очевидно крошечных мозгах включает довольно сложные процессы, а связь между периферийными сенсиллами и мозгом не назовешь ни прямой, ни понятной.

На данном этапе было бы разумно задать себе простой вопрос: что такое вообще репеллент для насекомого? Ну, это если мы, конечно, хотим добиться успеха в нелегком деле распугивания комаров. Ответа на него может быть два. В широком смысле репеллентом является все, что помогает держать насекомое на расстоянии. Но с точки зрения биологии это будет химическое вещество, служащее сигналом опасности. Лучший пример такого узкого понимания – пресловутый β-фарнезен, феромон угрозы у тлей. Когда его синтезируют сами тли, он выделяется с конкретной целью – предупредить их соплеменников, что ситуация накаляется и может начать представлять угрозу для жизни. Следовательно, его можно с полным правом считать феромоном – жизненно важным посланием, – и, как все феромоны, оно начинает работать даже при очень низких концентрациях. Разумеется, β-фарнезен можно считать феромоном, только когда адресатами послания являются другие тли. Для других видов животных это будет просто запах, временами несущий полезную информацию – как, например, для божьих коровок, которые питаются тлями и находят их по запаху.

С этой точки зрения возможен ли вообще репеллент для комаров? Науке покамест неизвестно ни одно химическое вещество, которое сами комары производили бы в опасных ситуациях, – эдакий внутриплеменной сигнал тревоги.

На самом деле мы даже подозреваем, что у комаров такого феромона вообще нет. Пока что их удалось найти только у социальных видов – или хотя бы у тех, кто живет большими группами (тех же тлей), но без внутренней иерархии и организации. В таких случаях феромон просто предупреждает об опасности всех представителей вида, до которых долетит. У комаров отдельные особи между собой никак не общаются – за исключением спаривания, – а потому от феромона тревоги просто нет никакой практической пользы.

Однако случаются и такие ситуации, когда сигнал тревоги подает сам враг или хищник. Говоря о комарах, такой возможности исключать нельзя, хотя наука пока что не знает ни о каких соединениях, способных играть подобную роль… равно как и вообще о врагах, от которых комарам пришлось бы выработать особые методики защиты или способы бегства.

Короче говоря, если вы хотите воспользоваться отпугивающими свойствами натуральных веществ с их бесконечно разнообразными химическими структурами, для начала придется признать, что у комаров нет никакого специального сигнала опасности. Скорее уж соответствующие запахи – при условии, что их будут использовать в концентрациях, в тысячи и миллионы раз превышающих природные, – смогут сбить комаров с толку и замаскировать естественный запах из законной теплокровной добычи. Не почуяв съедобного, комар не станет к вам подлетать, – нет, он не испугается, ему будет просто неинтересно.

А пока продолжается поиск новых, более эффективных репеллентов (особенно среди веществ натурального происхождения), можно попробовать как-то улучшить уже существующие продукты. Главная идея такого подхода – так модифицировать молекулу хорошего репеллента (цитронеллола или ментола), чтобы она стала менее летучей. Ее активности это не усилит, но зато менее волатильное соединение дольше продержится. К тому же такие продукты, не идентичные своим натуральным прототипам, с меньшей вероятностью превратятся для муравьев в аттрактанты, когда концентрация упадет.

И наконец, нам, возможно, стоит обратить внимание на два других сенсорных фактора, при помощи которых комары определяют местонахождение жертвы: температуру и углекислый газ. Вполне возможно, целостная методика по дезориентации комариной сенсорной системы окажется более эффективной и позволит взять этих опасных насекомых под контроль более эффективно, чем те, что пытаются работать только с запахом их добычи.

Заключение

Когда наука впервые открыла феромоны у насекомых, их посчитали чем-то вроде волшебной палочки, которая просто позволит нам включать и выключать поведенческие реакции и манипулировать этими животными, как крошечными роботами. С тех пор утекло много воды. Теперь мы знаем, что насекомые – очень сложные организмы, которые общаются с себе подобными и окружающей средой при помощи хемочувствительного инструментария, гораздо более специфицированного и тонко настроенного, чем все наши высокотехнологичные приборы. Обвести их вокруг пальца нашими примитивными химикатами – задача совсем не простая, как уже наглядно продемонстрировали во многом провальные попытки отпугивать комаров репеллентами и защищать сельскохозяйственные урожаи феромонами. С точки зрения химии насекомые достигли больших высот в синтезе весьма проблематичных молекул, таких как хиральные феромоны и сложные углеводороды, на которые у профессионального химика-органика ушли бы месяцы напряженного труда. Точно так же мастерски они анализируют комплексные смеси и выявляют критически важные компоненты среди тысяч других веществ – в природе такое встречается сплошь и рядом.

Социальные насекомые с их богатым ассортиментом феромонов, включающихся и выключающихся точно по расписанию, регулируют жизнь своих колоний и справляются с разными, подчас неожиданными проблемами потрясающе эффективно. Организованная работа тысяч пчел или миллионов муравьев, непрерывно обменивающихся дифференцированными химическими сообщениями, или слаженные действия термитов, возводящих огромные здания с системой комнат и вентиляционных шахт, подразумевают, что составляющие сообщество насекомые действуют как клетки единого организма, а их отдельные поступки в сочетании позволяют решать задачи уже совершенно другого и гораздо более высокого порядка.

В такой перспективе отдельные особи колонии уже совсем непохожи на винтики и шестеренки часового механизма. Образ жизни и действия такого суперорганизма очень пластичен; разные задачи назначаются индивидуальным насекомым в зависимости от текущего развития событий и формируемых им потребностей, как частных, так и общих. Поняв, как все это устроено, мы, возможно, сумеем наконец пролить свет на кое-какие базовые, но до сих пор не до конца изученные протоколы работы нашего собственного мозга, где каждый нейрон тоже выполняет отведенную ему роль и параллельно является способной адаптироваться частью целого. Следующим пользу от такого знания получит искусственный интеллект. Возможно, в сравнительно недалеком будущем нас ждут новые типы компьютеров, одаренные большей гибкостью и пластичностью «мышления», – совсем как коллективный разум колонии социальных насекомых.

6

Млекопитающие и феромоны

Запахи ранга и родства

Феромоны есть у всех классов и рангов животных филогенетического древа, от червей до рыб и от рептилий до млекопитающих. Даже у самых примитивных организмов – бактерий и дрожжевых грибов – размножение регулируется химическими секретами, которые можно со всеми основаниями называть феромонами. Птиц долгое время считали классом, полагающимся в нелегком деле поиска партнера больше на зрение и слух, чем на химическую коммуникацию. До некоторой степени это действительно правда – иначе зачем самцам были бы нужны ярко окрашенное оперение, брачные танцы и вокальная виртуозность? Однако недавние научные данные подтверждают, что по крайней мере у некоторых видов – преимущественно водных – феромоны играют заметную роль в общении между полами. Кроме того, у птиц есть области жизни, в которых обоняние очень важно: с его помощью ориентируются в пространстве почтовые голуби, буревестники и другие морские птицы. В этой главе мы с вами сосредоточимся на феромонах млекопитающих и подробно изучим несколько любопытных примеров того, как они работают.

С феромонами насекомых у нас вопросов нет, равно как и с очевидными поведенческими реакциями на них, а вот феромоны млекопитающих до сих пор в некотором отношении терра инкогнита, где анализировать и интерпретировать ответы на химический импульс в категориях феромональной коммуникации по-прежнему приходится с большой осторожностью [1]. В большинстве своем ученые согласны, что у некоторых видов животных определенное стандартное поведение вызывается летучими веществами, выделяемыми особями того же вида (и, следовательно, классифицируемыми как феромоны), но некоторые представители академического сообщества решительно возражают [2]. Основной аргумент против заключается в том, что мозг млекопитающих устроен гораздо сложнее, чем у насекомых, и его ответ на любой тип сигнала нельзя считать ни прямым, ни автоматическим, так как он является результатом комплексной обработки, задействующей и другие сенсорные каналы. С одной стороны, это чистая правда, и у высокоорганизованных животных связь между феромоном и поведенческой реакцией становится и слабее, и тоньше, но с другой – во многих случаях мы наблюдаем у них очень четкие и «прописанные» реакции на выделяемые другими особями того же вида химические вещества, которые можно уверенно классифицировать как феромоны.

Напомним, что феромоны, в отличие от других пахучих веществ, специфицированы по виду. Это означает, что определенная молекула или смесь молекул вырабатывается особью данного вида (с ограничениями по полу, возрасту, рангу и физиологическому состоянию – но не по «личности») и вызывает стандартную унифицированную реакцию у других особей данного вида.

Далее: млекопитающие за очень немногими исключениями обладают хорошо развитым вомероназальным органом – своеобразным вторым носом, специально предназначенным для восприятия феромонов. Нервные окончания этого органа проецируют сигнал в область мозга (дополнительный обонятельный орган), отличную от той, где обрабатываются обычные ольфакторные стимулы (основной ольфакторный орган). Однако отличия между ними не очень четкие, и некоторые феромоны фиксируются все-таки основной обонятельной системой.

Впрочем, к млекопитающим все равно не получится применить те же критерии, что и к насекомым, – от них нельзя ждать автоматического ответа на феромон, одинакового для всех особей и для всех природных ситуаций. Однако, пока определенный химический сигнал, продуцируемый особью данного вида, запускает примерно одну поведенческую модель у других особей того же вида (всех или только некой внутренней группы, отбираемой по принципу пола, возраста или физиологического состояния), этот химикат можно обоснованно считать феромоном, даже если мы при этом не можем ожидать, что модель будет совершенно идентична по всей выборке, без поправки на личную ситуацию реципиента.

Вам все эти соображения относительно того, следует ли считать ольфакторный стимул феромоном или просто запахом, могут показаться в худшем случае пустым сотрясением воздуха, а в лучшем – ненужными терминологическими тонкостями. Здесь важно то, что в этих двух случаях сигнал идет по разным нервным путям и продуцирует в итоге разную реакцию. К вопросу о том, насколько далеко можно растянуть понятие феромона и можно ли применять всё те же изначальные критерии на всем протяжении эволюции сложных животных, нам неизбежно придется вернуться, когда дело дойдет до феромонов человека.

А пока давайте рассмотрим несколько примеров того, как ведут себя химикаты (традиционно считающиеся феромонами) в мире млекопитающих и какие реакции они вызывают у своей целевой аудитории.

Половые феромоны

Когда разговор заходит о феромонах, мы первым делом думаем про афродизиаки и аттрактанты потенциального полового партнера. Половые феромоны действительно изучены лучше прочих, так как вызывают самый прямой и наглядный бихевиоральный ответ. Мы уже много говорили о том, как важно самцу насекомого найти и покорить самку именно своего вида в среде, полной самых разнообразных запахов, перемешанных с феромонами нескольких родственных видов. Выполнить эту серьезную задачу ему помогает очень чувствительная и точно настроенная система сенсорного распознавания.

Перед млекопитающими такие задачи встают, прямо скажем, редко. Для поиска партнера они пользуются, помимо обоняния, еще зрением и слухом, что до некоторой степени снимает нагрузку на ольфакторную систему. Даже безо всяких феромонов шансы, что самец домовой мыши, например, попытается овладеть коровой или лошадью, ничтожно малы. Но для самки этой самой мыши все равно очень важно выявить среди толпы кавалеров самца с самыми лучшими генами, а заодно избежать близкородственного скрещивания. Половые феромоны все равно играют у млекопитающих большую роль – просто используются немного не так, как у насекомых.

Феромоны мышей и крыс изучены, наверное, лучше всего, так как оба эти вида давно помогают человеку в биохимических и генетических лабораториях. У грызунов моча – основное средство передачи химической информации. Всякий, кто держит мышей в качестве домашних питомцев или когда-нибудь проходил мимо лабораторной клетки, наверняка узнает характерный ореховый запах – довольно сильный, но не отталкивающий, если концентрация не слишком велика. В моче мышей содержится много летучих соединений, рассказывающих не только о поле особи, но и о ее социальном положении и даже о семейной истории. Помимо всего прочего, опытная самка способна определить по ольфакторным нотам этого соблазнительного букета, как давно самец оставил ей письмо и есть ли шанс, что он все еще где-то поблизости.

Основной летучий компонент мышиной мочи, придающий ей этот зеленый, ореховый аромат, – это 2-втор-бутилтиазолин, очень близкий по структуре некоторым из тиазолов, о которых мы говорили во второй, третьей и четвертой главах в связи с пищевыми продуктами. Для самки это сильный аттрактант. Интересно, что его молекула асимметрична. Это значит, что можно нарисовать две молекулярные структуры, одинаковые по всем параметрам, – кроме того, что одна будет зеркальным отражением другой. Это явление, именуемое хиральностью, мы уже рассматривали на примере потрясающе тонко настроенной обонятельной системы насекомых и того, как она обращается с феромонами. Мыши синтезируют и выделяют с мочой только S-форму этого тиазолина. Если синтезировать искусственно зеркальную форму этого вещества, маркируемую R, она заставит мышь вести себя совершенно по-другому, чем натуральное соединение.