Хімічні комунікації планктону

Хімічні комунікації планктону

Планктон — це організми, розташування яких у водній товщі визначається переважно течіями. Тобто це щось маленьке, те, що переноситься течіями. Планктон поділяється на фітопланктон (водорості) і зоопланктон (рачки). Ми говоритимемо про зоопланктон та його хімічні комунікації, про типи хімічних сигналів, міграцію та розмноження зоопланктону.

Те, як водні об'єкти комунікують між собою за допомогою хімічних сигналів, досліджено досить погано. В наземних екосистемах, як ми знаємо, є феромони, різні сигнальні системи, які досліджені значно краще. Разом з тим, вода — це середовище, сприятливе для хімічної комунікації, оскільки у воді сигнал може перебувати досить довго. В наземній екосистемі сигнал може віднести вітер і він буде втрачений, тоді як, наприклад, у замкненому озері сигнал знаходитиметься тривалий час. До того ж, вода — це ідеальний розчинник, а отже хімічні сигнали поширюються в ній добре.

Довгий час вважалось, що серед зоопланктону, організмів розміром 1-2 мм, превалюють трофічні взаємини, тобто хтось когось їсть або хтось від когось тікає. Ситуація змінилась в 20-і роки ХХ століття, коли були отримані результати класичних експериментів в області хімічних комунікацій. Робилися вони дуже просто: в банку садять рачків, вони там сидять якийсь час, потім вода фільтрується, в ній залишається вся хімія, виділена рачками, в цю воду садять тварину, яка до цього перебувала в нормальних умовах, і починається спостереження за її поведінкою порівняно з контрольною особиною. Дуже швидко було виявлено, що організми відповідають на присутність в середовищі хімічних сигналів.

Спочатку це всіх дуже втішило, але оскільки аналітична хімія на той час була слабка, а завдань перед біологією стояло дуже багато, дослідження даної теми на час відклали і призабули. Аж до 70-80-их років ХХ століття, коли відбувся бум в дослідженнях хімічних комунікацій зоопланктону, і всі типи комунікацій було більш-менш класифіковано.

Перший клас таких взаємодій — це реакція зоопланктону на продукти життєдіяльності хижаків. Наприклад, якщо рачка помістити в банку, в якій раніше жила риба, він може дуже сильно змінити форму свого тіла. Вважається, що це рятує зоопланктон від виїдання, — у рачків виростають величезні шипи, і рачок, який був розміром 1 мм, збільшується до 3 мм. Збільшення відбувається за рахунок виростів, які, з точки зору екології, є марною витратою ресурсів. Але їх цінність полягає в тому, що рот малька фізично не може захопити щось велике, і коли рачок збільшується в розмірі, він тим самим зменшує ймовірність того, що його з'їдять.

Крім того, хімічні сигнали від хижаків змушують зоопланктон мігрувати. Це одне з наймасштабніших на планеті переміщень біомаси, які щодоби відбуваються в океанах, морях і озерах. Вночі зоопланктон піднімається на поверхню, а вдень йде на глибину. Вдень світло зверху допомагає хижакам полювати, тому рачки йдуть на глибину, а вночі піднімаються на поверхню, щоб їсти. Було показано, що ці вертикальні міграції регулюються двома чинниками. Перший — це освітленість. Очевидно, що якщо не буде світла, не буде сигналу. А другий — це хімічні сполуки, які виділяють хижаки.

Другий клас реакцій — це дія продуктів життєдіяльності, хімічних сигналів, які виділяє популяція, на саму ж себе. Наприклад, якщо тварин на певній території багато, в середовищі підвищується рівень хімічного сигналу, і вони на це реагують, що допомагає їм знизити чисельність і уникнути колапсу популяції в майбутньому. Але найкрасивіша реакція цього типу — це утворення спочиваючих яєць. Рачки розмножуються або живородінням (партеногенезом), тобто утворюють ембріони, які є точною копією своїх батьків, — безстатевим способом, який дозволяє швидко збільшувати чисельність; або вони переходять до статевого розмноження, але тоді не утворюють живих тварин, а утворюють спеціальні формування, які називаються спочиваючими яйцями. В такому яйці міститься бластула, яка може зберігатись роками — вона може бути заморожена, висушена. Один з факторів, що викликає утворення таких яєць, — хімічний сигнал.

Під час буму 80-х років вчені відкрили величезну кількість ефектів від хімічних сигналів: збільшуються розміри, посилюється міграція, утворюються спочиваючі яйця, змінюється швидкість росту. Звичайно, вченим було цікаво визначити структуру цих сигналів. Їх почали досліджувати методами аналітичної хімії, але в різних лабораторіях для одного і того ж ефекту і виду тварин виділяли різні речовини. Не було консенсусу. Тому, оскільки витрачені зусилля були досить великими, а користь для науки, наприклад, водної екології або народного господарства, була маленькою, інші більш пріоритетні теми відсунули тему хімічних комунікацій на другий план, і вона практично зникла з поля зору вчених. Але на початку 2000-х почали з’являтись бурхливі роботи в цій галузі: хімія стала трохи кращою і підросло нове покоління вчених, яким знову стало цікаво, чому ж рачки в банці реагують на хімічні сигнали.

Зокрема зараз вчені намагаються ідентифікувати сигнал, який відповідає за утворення спочиваючих яєць. Вже відомо, що цей сигнал видоспецифічний, тобто якщо взяти один вид, посадити його в банку, а потім спробувати цією водою простимулювати до зміни способу розмноження самок іншого виду, то вони не будуть реагувати, вони реагують лише на воду, в якій жили представники їх виду. Крім того, вже визначено, що це нелеткий сигнал, що він термостабільний, і, швидше за все, що це якась невелика молекула розміром близько 30-40 кДа. Ймовірно, це пептидна сполука досить простої структури, тобто в ній немає ніякої вторинної або третинної структури, яка б руйнувалась при нагріванні, тому молекули зберігають свою стійкість при температурі до 100°С.

У 2006 та 2009 роках виходили хороші огляди про хімічні комунікації. З них стало відомо, що хімічні сигнали — це маленькі молекули, які працюють в дуже низьких концентраціях. Це досі дивує і вражає, оскільки зоопланктон і взагалі планктон у водних екосистемах — це сотні видів водоростей, рачків, які живуть в озерах, в морях, взаємодіють між собою. А між ними існує дуже складна і розгалужена мережа хімічних сигналів і комунікацій, які впливають на різні поведінкові, фізіологічні та репродуктивні функції. І цей складний ланцюг, мережа взаємодій, досі мало досліджений.

Десятки невивчених сигналів, ймовірно, чекатимуть свого часу, але досі незрозуміло, до чого призведе їх вивчення. Якщо ми говоримо про класичну популяційну екологію, то в ній нас в першу чергу цікавлять трофічні взаємодії, і ми описуємо динаміку чисельності популяції з точки зору ефективності засвоєння ресурсу або взаємин в парі хижак-жертва або паразит-хазяїн. Хімічні комунікації — це зовсім інша сфера, яка, з одного боку, близька до популяційної мікробіології, де метаболіти і сигнали досить давно використовуються як один з факторів, що регулюють чисельність, а з іншого боку ми стоїмо перед такою розвилкою: так, рано чи пізно ми зможемо визначити частину цих сигналів і характеризувати якісь складні взаємодії, але як це буде реалізовано потім на інтегральному рівні для опису динаміки всієї водної екосистеми? Поки що це велике питання.

X

Вхід

Завантажую...