Животные анализируют мир - Юрий Симаков

Для подобной химической локации насекомые используют перистые антенны-усики, усаженные хеморецепторами, своеобразными миниатюрными биодатчиками.

Чувствительность биологических анализаторов насекомых просто поразительна — она не уступает самым совершенным методам анализа, применяемым физиками и химиками, самой совершенной аппаратуре. Так, например, у тутового шелкопряда (Bombix mori) ученые выделили вещество, которое назвали «бомбикол» (от латинского названия шелкопряда). Самки бабочек выделяют бомбикол из желез, и незначительные концентрации его приводят самцов в сильное половое возбуждение. Самцы начинают трепетать крыльями и совершать вращательные движения телом. Какие же минимальные концентрации бомби-кола может ощущать самец? Цифра эта очень мала. Самцу шелкопряда подносили стеклянную палочку, на которой содержалась миллионная доля пикограмма (один пикограмм равен миллионной доле грамма) раствора бомбикола. И этого количества оказалось достаточно, чтобы самец пришел в возбуждение и начал сильно трепетать крыльями. Трудно даже себе представить, что молекулы бомбикола взаимодействуют с анализаторами, расположенными на усиках и ножках шелкопряда!

Немецкий биохимик А. Бутенанд, изучив состав бомбикола, получил четыре стереоизомера этого соединения и показал, что самцы непарного шелкопряда не только улавливают своим анализатором минимальное количество бомбикола, но и различают стереоизомеры пахучих веществ, то есть конфигурацию молекул.

Так что же улавливают хеморецепторы — колебания атомов в исследуемой молекуле или ее конфигурацию?

На этот вопрос пока нет исчерпывающего ответа. Существует две теории. По одной из них, предложенной биологом Дж. Эймуром, анализируемые молекулы вещества и хеморецепторы подходят друг к другу, как «ключ к замку» (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение принципов работы обонятельных рецепторов по принципу «ключ к замку»: слева — молекулы пахучего вещества; справа — «ключ» хеморецептора

Дж. Эймур выделил семь основных обонятельных рецепторов, воспринимающих камфорные, эфирные, цветочные, мускусные, мятные, острые и гнилостные запахи. Причем «замки» и «ключи» имеют простую конфигурацию. Например, эфирные «ключи» — палочки, мускусные — диски, камфорные — шаровидные. Когда конфигурация молекулы одного вещества подходит к одному из семи видов химических анализаторов, происходит платный контакт, и на рецепторах возникает электрический заряд. Так же, как на экране цветного телевизора только три цвета — синий, красный и зеленый — создают всю гамму цветов, весь букет запахов создается семью составляющими, которые хеморецепторы воспринимают как отдельные компоненты действующего запаха. Вместе они дают полную картину запаха, поступающего в мозг в виде биотоков по нервным обонятельным волокнам, а мозг полностью анализирует его.

По другой теории, разработанной физиологом Р. Райтом, молекулы пахучего вещества совершают постоянные колебания, так как колеблются составляющие их атомы. Предполагается, что каждое вещество характеризуется определенным «дрожанием». Вот эти-то колебания при непосредственном контакте, а возможно, и дистанционно, улавливаются хеморецепторами и также анализируются мозгом.

Трудно пока отдать предпочтение какой-либо из этих теорий. Уж очень они обе заманчивы. Во всяком случае, легче изучать не дистанционное восприятие запаха, а контактное. Ранее уже упоминалось о таких контактных «анализах», которые может делать муха. Ведь у нее хеморецепторы находятся на лапках, и она всегда знает, что у нее под ногами: еда, питье или что-то несъедобное. Ученые подсоединили электроды к нервным волокнам синей мухи, усилили отведенные импульсы и записали их на осциллограмме. Оказалось, что на ее лапках четыре типа рецепторов: одни анализируют состав воды, другие определяют вид сахара, третьи исследуют различные соли, четвертые указывают на наличие белковой пищи. Но самое интересное, что анализаторы химических веществ у мухи находятся и в хоботке, причем хоботок автоматически отвечает на показания ножных хеморецепторов: он вытягивается, и муха начинает пить или есть. Поэтому экспериментаторы наносят на лапку мухи исследуемое вещество и по выпрямлению хоботка судят, какие концентрации и какие вещества улавливает насекомое. Такой химический анализ занимает несколько секунд, и его вполне могут использовать химики-аналитики в некоторых своих работах.

Но есть животные, которые самым настоящим образом «щупают» конфигурацию молекул. Да, да, именно конфигурацию молекул!

Среди водных организмов довольно широко распространены морские желуди, или балянусы. Их можно увидеть на камнях прибрежных скал, а иногда и на живой раковине моллюска. Да что там моллюск — они и к китам ухитряются прикрепиться. На кораблях и гидротехнических сооружениях морские желуди — основной компонент обрастания.

Морские желуди — это усоногие ракообразные. Конечно, они не похожи на речного рака и даже на морского краба, но все же это их родственники. Личинки у бапянусов, как и у всех ракообразных, свободноплавающие и похожи на личинок других раков (рис. 2а). В раннем «детстве» морские желуди выдают свое происхождение, что они ракообразные, а во взрослом состоянии рака в них не узнать (рис. 2б).

Рис. 2. Балянусы и их личинки:

а — личинки рачков балянусов на различных стадиях развития; б — взрослые балянусы, или морские желуди

Поставим под микроскоп личинку баляпуса. На ее антеннах можно увидеть своеобразные диски, а если внимательнее присмотреться, то и волоски, окружающие диск. Это и есть прибор, «ощупывающий» конфигурацию белковых молекул. Ведь личинка, проплавав какое-то время, должна прикрепиться к твердой поверхности и сделать вокруг себя своеобразный домик со створками. Но как найти хорошее место для прикрепления? Очень просто: использовать опыт предшественника, если он сумел выжить и оставить след после себя, то и последующему жильцу, вероятно, на этом месте будет неплохо. А какой же след оставил после себя живущий на этом месте балянус? Белок, причем нерастворимый в воде. Этот белок по составу напоминает тот, который встречается в твердом покрове ракообразных и даже насекомых. Но личинка морского желудя не только не путает его с белком других животных, а, наоборот, узнает место, где ранее сидели балянусы именно ее вида. Значит, своим анализатором, на ощупь, она определяет те незначительные отличия в молекуле белка, которые по конфигурации соответствуют ее виду. Ни химики, ни физики такого прибора еще не имеют. Как тут не вспомнить теорию химического анализа, основанную на принципе «ключа и замка», когда форма молекул исследуется рецепторами, подходящими комплементарно к структуре исследуемых белков?

Ну а теперь отправимся в мир мигрирующих рыб, например лососей. До настоящего времени способность лососей находить путь вверх по реке к своим родным водоемам даже ихтиологам, которые их изучают, кажется сверхъестественной. Каждый год эти рыбы из океана возвращаются к родным рекам, а затем плывут вверх по реке, преодолевая пороги, камни и сильные встречные течения. Как будто им кто-то точно поставил задачу — вернуться в то место, где они родились сами, и только там провести нерест. Все это невероятно: в огромном океане, где кормились лососи, они должны найти устье родной реки, а затем уже в реке — место вы клева из икринок. Однако здесь ученые преуспели и многое раскрыли.

Так, они установили, что миграция лососей состоит из двух этапов. На первом этапе они отыскивают устье родной реки. И делают это примерно, как птицы, ориентируясь по Солнцу. Путь от «морских пастбищ» до устья реки может составлять сотни, а иногда и тысячи километров. Например, шотландский лосось, который кормится у берегов Гренландии, для возвращения в устье реки преодолевает четыре тысячи километров. Но ориентация по Солнцу, как у птиц, так и у лососей, пока только предполагается. Действительно, выпущенные на волю лососи при солнечной погоде быстро находят пути своего следования, а если небо покрыто облаками, они теряют ориентацию. В лабораториях пробовали сделать искусственное «Солнце», его вращали, и лососи меняли траекторию своего движения. Следовательно, Солнце для их ориентации что-то значит.

С расстояния ста километров от своей реки лососи определяют направление движения с помощью обоняния. В проведенных экспериментах десять тысяч помеченных лососей возвращались в то же место, где они вылупились из икры. Что же за прибор у лососей улавливает запах родного водоема? Установлено, что у рыб есть У-образные трубочки с хеморецепторами. Вода прогоняется через эти трубочки микроресничками или течением, создаваемым при движении рыбы. Американские исследователи заткнули лососям ноздри ватными тампонами, и рыбы уже не могли найти путь к нерестилищам.