Химическая экология - Chemical ecology

Химическая экология представляет собой изучение химически опосредованных взаимодействий между живыми организмами и влияния этих взаимодействий на демографию, поведение и, в конечном счете, на эволюцию вовлеченных организмов. Таким образом, это обширная и междисциплинарная область.[1][2] Химические экологи стремятся идентифицировать конкретные молекулы (т.е. полухимикаты ), которые действуют как сигналы, опосредующие сообщество или экосистема процессы и понять эволюцию этих сигналов. Вещества, которые выполняют такие функции, обычно небольшие, легко диффундирующие. Органические молекулы, но может также включать небольшие пептиды.

На практике химическая экология во многом опирается на хроматографические методы, такие как тонкослойная хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография, и газовая хроматография, чтобы изолировать и идентифицировать биоактивные метаболиты. Чтобы идентифицировать молекулы с желаемой активностью, химики-экологи часто используют фракционирование под контролем биопроб. Сегодня химические экологи также используют генетические и геномные методы, чтобы понять биосинтетический и преобразование сигнала пути, лежащие в основе химически опосредованных взаимодействий.[3]

Химическая экология растений

Бабочка монарх гусеница на молочай завод.

Химическая экология растений - это исследование, которое объединяет химические и биологические свойства растений и их взаимодействие с биотической средой (например, с микроорганизмами, насекомыми-фитофагами и опылителями).

Взаимодействие растений и насекомых

Дальнейшая информация: Защита растений от травоядных
осталось
Серия из исследования Эйснер и коллеги изучают оборонительный спрей в жуки-бомбардиры. Бумага специально обработана, чтобы иметь цветовая реакция спреем, который обычно прозрачный.

Химическая экология взаимодействия растений и насекомых - важное подразделение химической экологии.[2][4][5] В частности, растения и насекомые часто участвуют в химическом эволюционная гонка вооружений. По мере того, как растения вырабатывают химическую защиту от травоядных, насекомые, которые питаются ими, вырабатывают иммунитет к этим ядам, а в некоторых случаях перенаправляют эти яды на свои собственные. химическая защита против хищников. Одним из наиболее известных примеров этого является бабочка монарх, гусеницы которых питаются молочай завод. В молочаях содержится карденолид токсины, но гусеницы бабочки-монарха имеют развился оставаться незатронутым токсином. Вместо этого они изолируют токсины на личиночной стадии, а яд остается во взрослой особи, что делает ее неприятной для хищников. Существует множество других подобных примеров, в том числе табачный рогатый червь. Manduca sexta гусеницы, которые активно секвестрируют никотин найдено в табачное растение;[4] и белла мотылек, который выделяет хинон -содержащая пена с головы, когда ее потревожит потенциальный хищник, полученный от кормления Crotalaria вид как гусеница.

Химические экологи также изучают химические взаимодействия, участвующие в косвенная защита растений, например, привлечение хищники и паразитоиды через травоядных летучие органические соединения (ЛОС).

Взаимодействие растений с микробами

Дальнейшая информация: Устойчивость к болезням растений, Использование растений эндофитных грибов для защиты, и Фитоалексин

Растения также взаимодействуют с микроорганизмы. Чтобы это стало возможным, микробы должны установить границу раздела между собой и растением, врастая в растение через его поверхность. Для этого микробам необходимо нарушить защитную гидрофобный восковой слой на поверхности растения. Для этого микроорганизмы выделяют особую жидкость, которая расщепляет жиры кутикулы.[6]

Во многих случаях химическая экология растений включает мутуалистические взаимодействия с другими организмами. Одно из них связано с взаимодействием с грибами, в частности с микориза - где грибы образуют оболочку снаружи корней или проникают в корни, растущие между клетками корня, и даже проталкиваются через клеточные стенки отдельных клеток корня. В этой связи грибы производят химические вещества, которые разлагают органические вещества в почве вокруг корня и поглощают неорганические питательные вещества, выделяемые этим разложение Благодаря гораздо большей площади поверхности нитей грибов по сравнению с впитывающей поверхностью корня, они пропускают часть воды и питательных веществ к растению, тем самым значительно повышая способность корней растений извлекать питательные вещества и воду из почвы. Грибы также могут обеспечивать химическую защиту (антибиотики ) против вредных бактерий и грибков в почве.[7]

Взаимодействие растений с растениями

Аллелопатия

Основная статья: Аллелопатия

Много примеров аллелопатический соревнование были противоречивыми из-за трудности положительной демонстрации причинной связи между аллелопатическими веществами и производительностью растений в естественных условиях,[8] но широко распространено мнение, что фитохимические вещества участвуют в конкурентных взаимодействиях между растениями. Одним из ярких примеров аллелопатии является производство юглон от ореховые деревья, чье сильное конкурентное влияние на соседние растения было признано в древнем мире еще в 36 г. до н.э.[9]

Связь завод-завод

Основная статья: Связь с заводом

Растения общаются друг с другом с помощью воздушных и подземных сигналов. Обсуждается, в какой степени это общение отражает историю активного отбора на основе взаимной выгоды, в отличие от «подслушивания» сигналов, непреднамеренно посылаемых соседними растениями.[10]

Морская химическая экология

Морская химическая экология - это то, как органическая жизнь в морской среде использует химические вещества для питания, взаимодействия, воспроизводства и выживания, начиная от микроскопического фитопланктона и заканчивая множеством видов ракообразных, губок, кораллов и рыб.

Защита

Zoanthus sociatus производит палитоксин

Использование химикатов часто используется для выживания морских организмов. Немного ракообразные и мезографы, такой как Pseudamphithoides incurvaria, используйте конкретные водоросли и водоросли как средство сдерживания, покрывая свои тела этими растениями. Эти заводы производят спирты такие как пахидиктиол-А и диктиол-Е, которые предотвращают хищничество рачка. Когда эти водоросли отсутствуют или используются другие водоросли без этих спиртов, скорость, с которой поедаются эти ракообразные, намного выше. Другие ракообразные используют свою естественную защиту в сочетании с производимыми химическими веществами, чтобы защитить себя. Химические вещества в моче помогают объединить их в группы. Это в сочетании с их шипами делает их гораздо более сложной мишенью для хищников.[11] Другие выделяют слизь или токсины которые затрудняют их поедание хищниками, например, подошва без плавников, Pardachirus marmoratus, в котором используется токсин, способный парализовать челюсти потенциального хищника. Много зоантиды вырабатывают сильнодействующие токсины, такие как палитоксин, которое является одним из самых ядовитых известных веществ. Некоторые виды зооантид очень ярко окрашены, что может указывать на апосематический защита.[12]

Размножение

Химическая связь очень важна для воспроизводства морских организмов. Некоторые процессы относительно просты, например, привлечение одного человека к другому. мужчина миноги привлекают овулирующих самок, выделяя желчь, которую можно обнаружить на много метров ниже по течению.[13] Другие процессы могут быть более сложными, например, брачные привычки крабов. Из-за того, что вязка может быть произведена только вскоре после самки линька

из ее оболочки, феромоны продуцируются и распространяются с мочой до и после линьки.

Американский лобстер (Homarus americanus )

Самцы крабов обнаруживают их и защищают потенциального партнера до тех пор, пока панцирь не расплавится. Однако из-за склонности крабов к каннибализму самка вырабатывает дополнительный феромон, чтобы подавить это желание. Эти феромоны очень сильны, и это привело к примерам, когда самцы крабов пытались совокупиться с камнями или губками, подвергшимися воздействию этих феромонов.[11]

Доминирование

Определение господство среди ракообразных очень тесно связаны с химическими сигналами. Когда ракообразные борются за доминирование, они выделяют мочу, которая помогает определить победителя. После завершения боя оба человека узнают друг друга в будущем по моче, вспоминая, кто из них доминирует, и таким образом избегая драки. Это также может повлиять на будущие бои. Когда человек подвергается воздействию мочи доминирующего ракообразного, он будет действовать более послушно, а при контакте с мочой субдоминанта - наоборот. Когда люди не могут общаться через мочу, ссоры могут быть более длительными и непредсказуемыми.[11]

Приложения химической экологии

Ловушка с феромонами, используемая для ловли вредителя Лимантрия монаха.

Борьба с вредителями

Химическая экология была использована при разработке устойчивых стратегий борьбы с вредителями. Семиохимические вещества (особенно насекомые половые феромоны ) широко используются в комплексная борьба с вредителями для наблюдения, ловушка и нарушение спаривания насекомых-вредителей.[14] В отличие от обычных инсектицидов, методы борьбы с вредителями на основе феромонов обычно являются видоспецифичными, нетоксичными и чрезвычайно эффективными. В лесном хозяйстве массовый отлов в ловушку успешно используется для снижения смертности деревьев от короед инвазии в еловых и сосновых лесах и от пальмовые долгоносики на пальмовых плантациях.[14] В водной системе половой феромон от инвазивных морская минога был зарегистрирован Агентством по охране окружающей среды США для использования в ловушках.[15] В Кении была разработана стратегия защиты крупного рогатого скота от трипаносомоз распространяться Муха цеце путем применения смеси репеллентных запахов, исходящих от животного, не являющегося хозяином, козел.[16]

Успешный двухтактная борьба с сельскохозяйственными вредителями Система использует химические сигналы от пересаженных растений для устойчивого увеличения сельскохозяйственных урожаев. Эффективность двухтактного сельского хозяйства зависит от множества форм химической связи. Хотя методика «пуш-пул» была изобретена как стратегия борьбы с мотыльками-стеблями путем манипуляции с летучими подсказки для поиска хозяина, позже было обнаружено, что аллелопатические вещества, выделяемые корнями Desmodium spp. также способствуют подавлению вредных паразитических сорняков, Стрига.[17]

Открытия в области разработки лекарств и биохимии

Основная статья: Natural_product § Медицинское использование

Большая часть коммерческих препаратов (например, аспирин, ивермектин, циклоспорин, таксол ) получены из натуральных продуктов, которые возникли в результате их участия в экологических взаимодействиях. Было высказано предположение, что изучение естественной истории могло бы способствовать открытию новых ведет к наркотикам, большинство лекарств, полученных из натуральных продуктов, не были обнаружены из-за предварительного знания их экологических функций.[18] Однако многим фундаментальным биологическим открытиям способствовало изучение токсинов растений. Например, характеристика никотиновый рецептор ацетилхолина, первый нейротрансмиттер рецептор, который необходимо идентифицировать, в результате исследований механизмов действия кураре и никотин. Точно так же мускариновый рецептор ацетилхолина берет свое название от грибкового токсина мускарин.[19]

История химической экологии

После 1950 г.

Шелковая моль (Bombyx mori)

В 1959 г. Адольф Бутенандт идентифицировали первый внутривидовой химический сигнал (бомбыкол ) из шелковой моли, Bombyx mori, с материалом, полученным путем измельчения 500 000 моль.[20] В том же году Карлсон и Люшер предложили термин «феромон» для описания этого типа сигнала.[21] Также в 1959 году Готфрид С. Френкель также опубликовал свою знаменательную статью «Смысл существования вторичных растительных веществ», в которой утверждалось, что вторичные метаболиты растений эволюционировали для защиты растений от травоядных.[22] Вместе эти работы положили начало современной химической экологии. В 1964 г. Пол Р. Эрлих и Питер Х. Рэйвен соавтором статьи, предлагающей свою влиятельную теорию ускользать и излучать коэволюцию, который предположил, что эволюционная «гонка вооружений» между растениями и насекомыми может объяснить чрезвычайное разнообразие растений и насекомых.[23] Идея о том, что метаболиты растений могут не только способствовать выживанию отдельных растений, но также могут повлиять на широкий кругозор. макроэволюционный паттерны, оказались бы очень влиятельными.

В 1960-х и 1970-х годах ряд биологов, экологов и энтомологов расширили это направление исследований экологической роли вторичных метаболитов растений. В течение этого периода, Томас Эйснер и его близкий соратник Джеррольд Майнвальд опубликовал серию основополагающих статей о химической защите растений и насекомых.[24][25] Ряд других ученых в Корнелле в этот период также работали над темами, связанными с химической экологией, в том числе Пол Фини, Венделл Л. Рулофс, Роберт Уиттакер и Ричард Б. Рут. В 1968 году в Корнелле был открыт первый курс химической экологии.[26] В 1970 году Эйснер, Уиттакер и биолог-муравей Уильям Л. Браун-младший создали термины алломон (для описания полухимических веществ, которые приносят пользу эмитенту, но не получателю) и кайромона (для описания полухимических веществ, приносящих пользу только получателю).[27] Уиттакер и Фини опубликовали влиятельную обзорную статью в Наука в следующем году, подведем итоги недавних исследований экологической роли химической защиты у самых разных растений и животных и, вероятно, познакомим более широкую научную аудиторию с новой таксономией семиохимических веществ Уиттакера.[28] Примерно в это время Линкольн Брауэр также опубликовал серию важных экологических исследований по секвестрации карденолидов монархами. Брауэру приписывают популяризацию термина «экологическая химия», который появился в названии статьи, которую он опубликовал в Наука в 1968 г.[29] и снова в следующем году в статье, которую он написал для Scientific American, где этот термин также появился на передней обложке под изображением гигантской сойки, возвышающейся над двумя бабочками-монархами.[21][30]

Специализированный Журнал химической экологии был основан в 1975 году и журнал, Химиоэкология, была основана в 1990 году. В 1984 году было создано Международное общество химической экологии, а в 1996 году Институт химической экологии Макса Планка была основана в Йене, Германия.[21]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ «Что такое химическая экология? | Химическая экология». NCBS. Получено 2017-12-10.
  2. ^ а б Дайер, Ли А.; Филбин, Кейси С .; Ochsenrider, Kaitlin M .; Richards, Lora A .; Massad, Tara J .; Смиланич, Анжела М .; Forister, Matthew L .; Parchman, Thomas L .; Галланд, Лэни М. (25 мая 2018 г.). «Современные подходы к изучению взаимодействия растений и насекомых в химической экологии». Обзоры природы Химия. 2 (6): 50–64. Дои:10.1038 / с41570-018-0009-7. ISSN  2397-3358.
  3. ^ Meinwald, J .; Эйснер, Т. (19 марта 2008 г.). «Химическая экология в ретроспективе и перспективах». Труды Национальной академии наук. 105 (12): 4539–4540. Дои:10.1073 / pnas.0800649105. ISSN  0027-8424. ЧВК  2290750. PMID  18353981.
  4. ^ а б Миффер, Аксель; Боланд, Вильгельм; Маффеи, Массимо Э. (2008), "Химическая экология взаимодействий растений и насекомых", Молекулярные аспекты устойчивости растений к болезням, Wiley-Blackwell, стр. 261–291, Дои:10.1002 / 9781444301441.ch9, ISBN  9781444301441
  5. ^ Дайер, Ли А.; Филбин, Кейси С .; Ochsenrider, Kaitlin M .; Richards, Lora A .; Massad, Tara J .; Смиланич, Анжела М .; Forister, Matthew L .; Parchman, Thomas L .; Галланд, Лэни М. (25 мая 2018 г.). «Современные подходы к изучению взаимодействия растений и насекомых в химической экологии». Обзоры природы Химия. 2 (6): 50–64. Дои:10.1038 / с41570-018-0009-7. ISSN  2397-3358.
  6. ^ Мюллер, Кэролайн; Ридерер, Маркус (2005). «Свойства поверхности растений в химической экологии». Журнал химической экологии. 31 (11): 2621–2651. Дои:10.1007 / s10886-005-7617-7. ISSN  0098-0331. PMID  16273432.
  7. ^ Спителлер, Питер (2015). «Химическая экология грибов». Отчеты о натуральных продуктах. 32 (7): 971–993. Дои:10.1039 / C4NP00166D. PMID  26038303.
  8. ^ Дюк, С. О. 2010. Аллелопатия: текущий статус исследований и будущее дисциплины: комментарий.
  9. ^ Уиллис, Р. Дж. 2000. Juglans spp., Юглон и аллелопатия. Журнал аллелопатии 7: 1–55.
  10. ^ Хайль М. и Р. Карбан. 2010. Объяснение эволюции связи растений с помощью бортовых сигналов. Тенденции в экологии и эволюции 25: 137–144.
  11. ^ а б c Хэй, Марк Э. (2009). «Морская химическая экология: химические сигналы и сигналы структуры морских популяций, сообществ и экосистем». Ежегодный обзор морской науки. 1: 193–212. Bibcode:2009 ОРУЖИЕ .... 1..193H. Дои:10.1146 / annurev.marine.010908.163708. ISSN  1941-1405. ЧВК  3380104. PMID  21141035.
  12. ^ Бакус, Джеральд Дж .; Targett, Nancy M .; Шульте, Брюс (1986). «Химическая экология морских организмов: обзор». Журнал химической экологии. 12 (5): 951–987. Дои:10.1007 / bf01638991. ISSN  0098-0331. PMID  24307042.
  13. ^ Ли, Вейминг; Скотт, Александр П .; Siefkes, Майкл Дж .; Ян, Хунгао; Лю, Цинь; Юн, Сан-Сон; Гейдж, Дуглас А. (2002-04-05). «Желчная кислота, выделяемая самцами морской миноги, действующая как половой феромон». Наука. 296 (5565): 138–141. Дои:10.1126 / science.1067797. ISSN  1095-9203 0036-8075, 1095-9203 Проверьте | issn = ценность (Помогите). PMID  11935026. Получено 2020-10-19.
  14. ^ а б П. Витцгалл, П. Кирш и А. Корк. 2010. Половые феромоны и их влияние на борьбу с вредителями. J Chem Ecol 36: 80–100.
  15. ^ KleinJan. 20, К., 2016, и 13:30 вечера. 2016. Прощай, лохи! Половой феромон может бороться с деструктивными миногами.
  16. ^ Сайни, Р. К., Б. О. Оринди, Н. Мбахин, Дж. А. Андоке, П. Н. Муаса, Д. М. Мбуви, К. М. Муя, Дж. А. Пикетт и К. В. Боргемейстер. 2017. Защита коров на небольших фермах в Восточной Африке от мухи цеце путем имитации запаха крупного рогатого скота, не являющегося хозяином. PLOS «Забытые тропические болезни» 11: e0005977. Публичная научная библиотека.
  17. ^ Хан, З., К. Мидега, Дж. Питчар, Дж. Пикетт и Т. Брюс. 2011. Двухтактная технология: подход ресурсосберегающего земледелия для комплексной борьбы с насекомыми-вредителями, сорняками и здоровье почвы в Африке. Международный журнал устойчивости сельского хозяйства 9: 162–170. Тейлор и Фрэнсис.
  18. ^ Капорале, Л. Х. 1995. Химическая экология: взгляд из фармацевтической промышленности. Труды Национальной академии наук 92: 75–82.
  19. ^ Мартиндейл Р. и Р. А. Дж. Лестер. 2014. Об открытии никотинового рецепторного канала ацетилхолина. Стр. 1–16 в R. A. J. Lester, ed. Никотиновые рецепторы. Спрингер, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк.
  20. ^ Вятт, Т. Д. 2009. Пятьдесят лет феромонов. Природа 457: 262–263. Издательская группа "Природа".
  21. ^ а б c Бергстрём, Г. 2007. Химическая экология = химия + экология! Чистая и прикладная химия 79: 2305–2323.
  22. ^ Френкель, Г. С. 1959. Raison d’Être вторичных растительных веществ: эти странные химические вещества возникли как средство защиты растений от насекомых и теперь направляют насекомых в пищу. Science 129: 1466–1470. Американская ассоциация развития науки.
  23. ^ Эрлих, П. Р. и П. Х. Рэйвен. 1964. Бабочки и растения: исследование коэволюции. Evolution 18: 586–608.
  24. ^ Эйснер, Томас (1964-12-04). "Кошачья мята: ее смысл существования". Наука. 146 (3649): 1318–1320. Дои:10.1126 / science.146.3649.1318. ISSN  1095-9203 0036-8075, 1095-9203 Проверьте | issn = ценность (Помогите). PMID  14207462. Получено 2020-10-25.
  25. ^ Эйснер, Томас; Майнвальд, Джерролд (1966). «Защитные секреты членистоногих». Наука. 153 (3742): 1341–1350. ISSN  0036-8075. JSTOR  1719969. Получено 2020-10-25.
  26. ^ http://www.chemicalecology.cornell.edu/historyandintro.html
  27. ^ Браун, У. Л., Т. Эйснер и Р. Х. Уиттакер. 1970. Алломоны и кайромоны: трансспецифические химические вестники. BioScience 20: 21–21. Oxford Academic.
  28. ^ Уиттакер, Р. Х. и П. П. Фини. 1971. Аллелохимия: химические взаимодействия между видами. Наука 171: 757–770. Американская ассоциация развития науки.
  29. ^ Брауэр, Л. П., В. Н. Райерсон, Л. Л. Коппингер и С. К. Глейзер. 1968. Экологическая химия и спектр вкусовых качеств. Наука 161: 1349–1350. Американская ассоциация развития науки.
  30. ^ https://monarchwatch.org/blog/2018/08/02/dr-lincoln-brower/

дальнейшее чтение

внешние ссылки