14 МАРТА 2023 Г.
Высокие уровни озона разрушают химический сигнал спаривания насекомых и, таким образом, могут способствовать глобальному сокращению численности насекомых.
Сексуальное общение насекомых в значительной степени зависит от феромонов, химических аттрактантов, которые специально позволяют самцам и самкам вида спариваться. Половые феромоны являются отличительными для самцов и самок вида. Даже самые незначительные различия, такие как те, которые наблюдаются при образовании новых видов, гарантируют, что спаривание больше не происходит, потому что самцы и самки находят друг друга только по безошибочному запаху своих сородичей.
Большинство феромонов насекомых представляют собой молекулы запаха, содержащие углерод-углеродные двойные связи. Известно, что такие двойные связи легко разрушаются озоном. “Мы уже знали, что загрязнители окружающей среды, такие как озон и оксид азота, ухудшают цветочные ароматы, делая цветы менее привлекательными для их опылителей. Поскольку соединения с двойными углеродными связями особенно чувствительны к разрушению озона, а почти все половые феромоны насекомых содержат такие двойные связи, мы задались вопросом, влияет ли загрязнение воздуха также на то, насколько хорошо самки и самцы насекомых находят и идентифицируют друг друга во время спаривания ”, - говорит Маркус Кнаден, который возглавляет группу поведения, ориентированного на запах вОтдел эволюционной нейроэтологии и является ведущим автором исследования (см. Также “Загрязнение воздуха делает цветочные запахи непривлекательными для моли“).
Цепочка ухаживания из четырех самцов мух-дрозофил. Самцы мух проявляли необычное ухаживающее поведение по отношению к другим самцам, которые подвергались воздействию повышенного уровня озона, поскольку в настоящее время их часто можно встретить в городах летом. Автор: Бенджамин Фабиан, Институт химической экологии Макса Планка
Чтобы изучить влияние озона на брачное поведение модельной мухи Drosophila melanogaster, ученые сначала разработали систему воздействия озона на мух, которая могла бы имитировать уровни озона в воздухе, поскольку в настоящее время они часто измеряются в городах летом.Для этого исследователям пришлось создать непрерывный воздушный поток с точно определенными уровнями озона, что осложняется тем фактом, что озон не является стабильным химическим соединением и легко разлагается. В то же время мухи часто переносят очень небольшое количество феромонов даже в нормальных условиях. “Поэтому нам нужна была методика, которая позволила бы нам измерять даже крошечные количества феромонов у отдельных мух, которые либо подвергались воздействию озона, либо не подвергались измерениям. Для этого мы использовали устройство термической десорбции, соединенное с газовым хроматографом / масс-спектрометром, что позволило нам измерить небольшое количество запахов, испускаемых отдельными мухами ”, - сказал первый автор Нанджи Цзян, описывая технические проблемы.
Озон разрушает углерод-углеродные двойные связи в феромонах
В экспериментах самцы мух подвергались воздействию слегка повышенных концентраций озона. Затем ученые измерили, продолжают ли мухи выделять свой феромон. Когда мухи подвергались воздействию 100 частей на миллиард (частей на миллиард, что соответствует концентрации 10-9) озона в течение двух часов, измеренные уровни феромонов значительно снизились по сравнению с контрольной группой, которая подвергалась воздействию только окружающего воздуха. В дополнение к самцам модельной мухи Drosophila melanogaster, исследователи также протестировали самцов мух восьми родственных видов рода Drosophila. Только у одного вида, Drosophila busckii, выделение специфических мужских феромонов не изменилось после воздействия озона, но эти соединения также не содержат углерод-углеродных двойных связей и, следовательно, не так легко реагируют с озоном.
Озон резко ухудшает брачное поведение мух
Затем исследователи проверили привлекательность самцов мух для их сородичей. Сделанные ими наблюдения были тревожными, что может быть в основном связано с ролью соответствующих феромонов. Они выделяются самцами у видов дрозофил и повышают их привлекательность для самок. В то же время самцы используют запах, чтобы отличать самок от других самцов: в то время как их феромон привлекает самок, он отталкивает других самцов. Во время спаривания самцы передают свой феромон самкам. Только что спаренные самки, которые пахнут феромоном, больше не привлекательны для других самцов в течение следующих нескольких часов. Следовательно, повышенный уровень озона не только заставил самок испытывать меньшее влечение к самцам; скорее, озонированные самцы внезапно заинтересовали своих коллег-самцов. “Мы знали, что повышенный уровень озона может повлиять на системы спаривания насекомых, потому что разрушение двойных углеродных связей и, следовательно, феромонов путем окисления - это не ракетостроение в химии. Тем не менее, мы были шокированы тем, что даже слегка повышенные концентрации озона оказывали такое сильное влияние на поведение мух. На самом деле, мы изначально хотели сосредоточиться на взаимодействии между самцами и самками. Мы могли бы объяснить, что самцы начали ухаживать друг за другом после короткого воздействия озона, потому что они, очевидно, не могли отличить озонированных самцов от самок. Однако мы не думали об этом раньше. Поэтому мы были весьма озадачены поведением самцов, подвергшихся воздействию озона, которые выстраивались в длинные цепочки ухаживания ”, - Нанджи Цзян и Маркус Кнаден обобщают влияние озона на поведение при спаривании.
Исследовательская группа также наблюдала влияние высокого уровня озона в воздухе на брачное поведение других видов дрозофил. Даже самцы вида Drosophila busckii были менее успешны в спаривании после воздействия озона, хотя озон не изменяет феромон, который, как было описано, выделяют самцы D. busckii. Однако другие, до сих пор не идентифицированные химические соединения, чувствительные к озону, также могут играть дополнительную роль в их поведении при спаривании. У восьми из девяти других изученных видов исследовательская группа наблюдала необычное ухаживающее поведение самцов по отношению к другим самцам, подвергшимся воздействию озона. Интересно, что на один вид, D. suzukii, у которого, как известно, отсутствуют феромоны, но который реагирует на визуальные сигналы, вообще не повлиял повышенный уровень озона.
Загрязнение воздуха способствует глобальному сокращению популяций насекомых
Большинство феромонов насекомых содержат углерод-углеродные двойные связи. Поэтому считается, что озон препятствует половому общению у многих видов насекомых. “Насекомые и их феромоны эволюционировали на протяжении миллионов лет. Напротив, концентрация загрязнителей воздуха только резко возросла после индустриализации. Маловероятно, что коммуникационные системы насекомых, которые развивались в ходе эволюции, смогут адаптироваться к новым условиям в течение короткого периода времени, если феромоны внезапно исчезнут. Единственным решением этой дилеммы является немедленное сокращение загрязняющих веществ в атмосфере ”, - говорит Билл Ханссон, глава отдела эволюционной нейроэтологии и соучредитель Центра Макса Планка next Generation Insect Chemical Ecology (nGICE), который занимается изучением влияния климатических изменений и загрязнения атмосферы на насекомых и животных.их химическая связь. В частности, исследования сосредоточены на воздействии антропогенного изменения климата на экосистемные услуги насекомых, вспышках инвазивных видов насекомых и распространении переносчиков болезней в Европе.
Ученые из Йены хотят изучить воздействие озона на более широкий спектр насекомых, включая мотыльков, которые обычно следуют за шлейфами феромонов на большие расстояния. Половые феромоны также являются важными сигналами для насекомых, чтобы различать сородичей и близкородственные виды. “Мы хотели бы выяснить, приводит ли высокий уровень озона к увеличению скорости гибридизации, когда близкородственные виды мух делят свою среду обитания. Наконец, химическая коммуникация у насекомых не ограничивается поведением при спаривании. Все общественные насекомые, такие как пчелы, муравьи и осы, используют химические сигналы для идентификации членов своей колонии. Мы также изучаем, влияет ли социальная структура внутри муравьиных колоний, когда муравьи возвращаются из своих поездок за кормом, во время которых они подвергались воздействию повышенных уровней загрязняющих веществ. Вы даже не хотите представлять, что произойдет, если социальные структуры в колониях муравьев или ульях внезапно рухнут, потому что феромонная коммуникация больше не работает ”, - обеспокоен Маркус Кнаден, который также изучает поведение пустынных муравьев.
Высокий уровень озона не только вреден для здоровья человека. Нынешний образ жизни промышленно развитых стран сопряжен с очень высокими издержками для окружающей среды и климата; многие косвенные последствия даже неизвестны. Текущее исследование дает дополнительное объяснение, почему популяция насекомых резко сокращается во всем мире, помимо применения инсектицидов и уничтожения мест обитания. Если химическая связь нарушается загрязнителями в воздухе, они не могут размножаться с достаточной скоростью. Это также может повлиять на многих опылителей, таких как пчелы и бабочки. Тот факт, что 80% наших посевов необходимо опылять насекомыми, ясно показывает, какие масштабы может принять эта проблема в будущем, если нам не удастся резко снизить загрязнение воздуха.
Ссылка: “Воздействие озона нарушает половое общение насекомых” 14 марта 2023 года, Nature Communications.
DOI: 10.1038 / s41467-023-36534-9