Феромоны – это биологически активные вещества. Природные феромоны продуцируют и выделяют в окружающую среду животные организмы с целью вызова ответной поведенческой или физиологической реакции у особей того же вида. Феромоны являются средствами внутрипопуляционной регуляции и играют важную роль в коммуникации различных видов насекомых: обеспечивают сближение разнополых особей в период размножения, концентрацию насекомых на кормовых растениях или в местах зимовки, управляют поведением рабочих особей общественных насекомых[3]. Феромоны обнаружены у животных различных групп, от беспозвоночных до млекопитающих. В настоящее время наиболее изучены и представляют практический интерес феромоны насекомых[2].
Химический состав феромонов
На сегодняшний день идентифицированы феромоны, продуцируемые представителями 17 отрядов насекомых: Ногохвостки (Подуры), Таракановые, Клопы, Равнокрылые, Трипсы, Термиты, Богомолы, Прямокрылые, Ручейники, Уховертки, Жесткокрылые, Веерокрылые, Скорпионовые мухи, Чешуекрылые, Сетчатокрылые, Перепончатокрылые, Двукрылые[3].
По химическому составу феромоны насекомых относят к различным химическим классам органических соединений. Это могут быть спирты, альдегиды, эфиры, кетоны, лактоны, амиды, гетероциклические соединения, карбоновые кислоты, терпеноиды, стероиды.
Молекулы феромонов высоколетучи, способны быстро разлагаться под действием влаги, света и кислорода воздуха[3].
В составе феромонов представителей различных отрядов преобладают различные группы химических веществ: у равнокрылых, двукрылых, чешуекрылых – эфиры карбоновых кислот; у термитов – терпеноиды, у перепончатокрылых – кетоны и альдегиды[3].
Феромон насекомого состоит обычно из смеси химических веществ, представленной основными компонентами (от одного до трех) и несколькими, иногда более десяти – минорными компонентами. В частности, у самки яблонной плодожорки в составе полового феромона идентифицировано до 13 компонентов. У самки гроздевой листовертки – до 16, у самки восточной плодожорки – 4 вещества[3].
На химический состав феромона существенное влияние оказывает пища насекомого на личиночной и (или) взрослой стадии. Отмечено, что если разные виды одного семейства питаются одинаковой или сходной по составу пищей, то часто их особи выделяют феромоны, относящиеся к одному классу химических веществ. Например, гусеницы бабочек Малой восковой моли и Большой восковой моли питаются пчелиными сотами. Феромоны, выделяемые имаго обоих видов относятся к группе альдегидов. Виды, пища которых специфична (тутовый шелкопряд и дубовый шелкопряд), выделяют феромоны содержащие специфические вещества, идентифицированные в листьях кормовых деревьев или их метаболиты[3].
Все компоненты феромона необходимы для вызова соответствующей реакции насекомого. Исключение одного или нескольких приводит к изменению или отсутствию требуемой реакции[3].
Феромоны насекомых видоспецифичны, то есть действуют только на особей только данного вида. Они могут различаться даже у популяций одного вида насекомых из разных географических зон по соотношению основных и минорных компонентов или наличию оптических, или структурных изомеров одного и того же компонента. Однако отмечается, что при исследовании отдельных компонентов феромонов 379 видов насекомых было выделено только 299 химических веществ. Таким образом химических соединений значительно меньше, чем самих видов. Это говорит о том, что феромоны разных видов насекомых содержат одни и те же вещества, а видоспецифичность обеспечивает соотношение этих веществ. Чаще всего видоспецифичность феромона обеспечивается минорными компонентами, играющими роль усилителя активности основного компонента своего вида (синергизм) или ингибированию (подавлению) привлечения другого вида[3].
Минорные компоненты – часто геометрические или оптические изомеры основных компонентов, предшественники их биосинтеза или родственные структуры, отличающиеся функциональными группами или степенью насыщенности. Как правило минорные компоненты составляют от одного до десяти процентов от основного компонента феромона[3].
Это говорит о возможности синтетического получения при помощи ограниченного количества химических веществ большого разнообразия комбинаций, то есть видоспецифичных феромонов[3].
Классификации феромонов
Американские биологи Э. Уилсон и В. Боссерт в 1963 году предложили разделить феромоны на два основных типа:
- Релизеры – вещества, вызывающие определенную поведенческую реакцию особей того же вида. Обычно они действуют в течение относительно короткого времени[3].
- Праймеры – вещества меняющие физиологическое состояние особи и модифицирующие ее развитие. Они, как правило, обладают длительным действием[3].
Релизеры в основном представлены летучими веществами и распространяются по воздуху. Праймеры часто передаются контактным путем. В то же время один и тот же феромон в различных условиях может выступать как в роли релизера, так и в роли праймера[3].
В. Детье, Л. Брацн, С. Смит в 1960 году предложили широко используемую в настоящее время терминологию, определяющую химические стимулы по характеру их действия на насекомых:
- аттрактанты – вещества, обеспечивающие направленное движение к источнику стимуляции;
- репелленты – вещества, обеспечивающие направленное движение от источника стимуляции;
- аррестанты – вещества, вызывающие резкое замедление движения или остановку;
- стимулянты – вещества, приводящие к началу движения или рефлекторного акта (питанию, яйцекладке);
- детерренты – вещества, тормозящие реакцию[3].
Кроме того, выделяют несколько групп сигнальных веществ:
Кайромоны – биологически активные вещества, оказывающие влияние на особей других видов. Они могут быть вредны для выделяющей их особи, но полезны на уровне популяции. Например, к кайромонам относятся пахучие вещества, привлекающие к особям данного вида хищников и паразитов. Роль кайромона выполняет феромон самцов средиземноморской плодовой мухи, привлекающий к ним хищника – Германскую осу. Вещества, получаемые насекомыми из кормовых растений, в частности алкалоиды, а в последствии используемые для защиты или как половые феромоны также относятся к кайромонам[3].
Алломоны – биологически активные вещества, выделяемые одним видом и вызывающие выгодные для него физиологические или поведенческие реакции других видов. В частности, гусеницы и куколки бабочек-голубянок (Lycaenidae)используют целый комплекс химических сигналов для управления поведением муравьев. Последние уносят, обманутые «химическим комуфляжем», уносят их в свои гнезда и заботятся как о собственных куколках и личинках, в то время как они питаются личинками самих муравьев и тлями, о которых заботятся муравьи[3].
Биологическое назначение
По биологическому назначению феромоны разделяются на множество групп: половые, агрегационные, следовые, терроториальные, феромоны тревоги, сбора пищи. У общественных насекомых феромоны координируют деятельность всех особей одной семьи, поддерживая ее единство[3].
Половые феромоны – средство коммуникации между особями разного пола. Выделенные особями одного пола они провоцируют у особей противоположного пола определенное поведение, приводящее к спариванию. Половые феромоны самцов обычно действуют на самок как афродизиаки и вызывают половое возбуждение. Феромоны самок вызывают у самцов возбуждение, сопровождаемое сложным брачным поведением, приводящим к спариванию[3].
Агрегационные феромоны обеспечивают сосредоточение особей обоих полов и имеют разные цели: обеспечение встречи половых партнеров, сосредоточение популяции для занятия ареала подходящего для размножения, совместного преодоления сопротивления растения-хозяина, концентрации популяции в укрытиях[3].
Феромоны тревоги – служат для оповещения членов сообщества об опасности. Их действие может приводит к рассеиванию (бегству) особей либо к объединению с целью оказания сопротивления противнику[3].
Следовые феромоны – пахучие метки, используются насекомыми для привлечения и ориентации на местности. В частности, муравьи и термиты используют такие вещества для разметки территории и прокладки дорог. Следовые феромоны привлекают как самцов, так и самок[3].
Феромоны приуроченные к месту кладки яиц – сообщают другим самкам конкретного вида отложены ли яйца на данный субстрат или кормовое растение. Например, у некоторых видов плодовых мух (Tephritidae) самки откладывают яйца на плоды поодиночке. В этом случае феромоны, которыми самка помечает плод исключают пищевую конкуренцию среди отрождающихся личинок[3].
Использование синтетических феромонов насекомых
Половые и агрегационные феромоны обеспечивают сближение насекомых, первоначально разделенных пространством. Феромон является своеобразной связующей нитью между особями одного вида. Поскольку синтетические феромоны используют в количествах, в тысячи раз превышающие количества, выделяемые живыми насекомыми, то их применение приводит к обрыву этой связи и эффективному подавлению коммуникации вредителей[3].
Есть два основных способа использования синтетических феромонов против вредных насекомых:
1. Мониторинг:
- получение данных о численности популяции вредителя в агробиоценозе;
- определение ареала распространения вредителя;
- фиксирование начало лета вредителей[3].
2. Борьба с вредителями:
- метод дезориентации – насыщение воздуха синтетическим феромоном для создания препятствия для встречи половых партнеров;
- метод массового отлова – привлечение насекомых с помощью синтетических феромонов и их уничтожение до того, как они смогут обнаружить природный источник феромонов;
- метод «привлечь и уничтожить» – применение феромоно-инсектицидных композиций с целью уничтожения привлеченных самцов вредных видов;
- метод автостерилизации – привлечение самцов с помощью синтетических феромонов с последующей обработкой веществом, способствующим их стерилизации;
- метод автоконтузии – обработка самцов с помощью феромонных ловушек пудрой, содержащей феромоны самки. В результате самцы не только не могут найти самку (автоконтузия), но и привлекают других самцов, дезориентируя их запахом синтетического феромона[3].
Кроме того, специально разработанные синтетические феромоны находят большое применение в пчеловодстве, позволяя управлять поведением пчелиной семьи и значительно повышать ее производительность[3].
Токсикологические свойства и характеристики
Феромонные препараты являются энергосберегающей и экологически безопасной альтернативой применению инсектицидов. Благодаря видоспецифичности феромонные препараты безопасны для полезных видов насекомых, различных групп млекопитающих и других животных[3].
Однако в соответствии с Российским законодательством, а именно ст. 65 п. 15 подпункта 6 "Водного кодекса Российской Федерации" от 3 июня 2006 г. № 74-ФЗ, их применение как и прочих пестицидов и агрохимикатов, запрещено в границах водоохранных зон и водных объектов[1].
Классы опасности
- для человека – 4;
- для пчел феромоны безопасны[1].
Синтез феромонов
Способы и методы синтеза синтетических феромонов зависит от химического класса, к которому относятся вещества, входящие в состав природного феромона соответствующего насекомого. Приведем только несколько примеров синтеза алифатических соединений[2].
Насыщенные углероды – выделяются многими видами насекомых в качестве основного компонента феромона или как минорную добавку. Эти структуры обычно являются простыми и специальных методов синтеза не требуют. Но встречаются разветвлённые насыщенные углеводороды:
- 2-метил-гептадекан – феромон бабочки-медведицы;
- 15,19-диметил -, 17,21- диметил- и 15,19,23-триметилгептатриаконтан – феромоны мух Glossinamorsitansmorsitans(мухи Цеце)[2].
В синтезе разветвленных углеводородов для создания цепи нужной длины и определенного положения боковых цепей используют реакции Гриньяра и Виттинга[2].
Ненасыщенные углеводороды – химические вещества, выделяемые некоторыми мухами. Длина цепи C20– C33, с различным количеством и положением двойной связи. При идентификации такие углеводороды синтезированы по реакции Виттига с использованием гексаметанола в качестве растворителя, для достижения преимущественного образования Z-изомеров[2].
Насыщенные разветвленные спирты и их эфиры:
- 4-метал-3-гептанол, являющийся одним из компонентов феромона жука Scolytusmultistriatus(Cтруйчатый заболонник);
- 10-метилдодецилацетат – компонент феромонов несколько видов Семейства Листоверток (Tortricidae);
- 3,7-диметил-2-пентадеканол, его ацетат и пропионат – соединения, выделяемые несколькими видами пилильщиков, как основной компонент полового феромона[2].
При получении рацемических смесей насыщенных разветвленных спиртов и их эфиров, для создания необходимой длины цепи пользуются реакцией Гриньяра, алкилированием металл-произволных галоидными алкилами, синтезом с малоновой кислотой. Используют также синтез ацетата, включающий перегруппировку ацетилен-диенового спирта в альдегид при кипячении в диглиме[2].
Насыщенный эпоксид – известно только одно вещество этого класса с феромонной активность. Это 2-метил-цис-7,8-эпоксиоктадекан (диспарлур) – аттрактант Непарного шелкопряда (Lymantria dispar) и Шелкопряда-монашенки (Lymantria monacha). Один из способов его синтеза – получение дизамещенных алкинов с последующим стереоспецифическим гидрированием и эпоксидированием олефина[2].
Ацетаты алифатических моноеновых спиртов – химический класс соединений к которому относятся многие феромоны чешуекрылых. Для их синтеза используют стереоселективные методы. Однако, данные методы не позволяют получить моноеновые кислоты, спирты и ацетаты без примесей противоположного изомера. Поэтому применяют специальные методы очистки: адсорбционная хроматография на аргентированных сорбентах, препаративная жидкостная и газожидкостная хроматография, получения соединений включения с мочевиной. Многие синтезы моноеновых алифатических соединений основываются на реакции Виттинга[2].
Феромонная ловушка
Феромонная ловушка
Феромонная ловушка для бабочки Rhyacionia frustrana (вредитель Сосны Верджинии)[4]
История исследований феромонов насекомых
Наука о феромонной коммуникации вначале развивалась медленно.
Первой работой, опубликованной в этом ключе считается книга английского пчеловода Ч. Батлера «Женская монархия», изданная в Оксфорде в 1609 г. Она содержит сведения о пахучих веществах медоносной пчелы[3].
Известны исследования швейцарского естествоиспытателя Ф. Юбера (1792 г), немецкого пчеловода А. Берлепш (1877 г), русского ученого Н.В. Насонова (1882 г) по влиянию пахучих веществ рабочих пчел и пчелиной матки на поведение рабочих пчел[3].
В 1837 году немецкий зоолог К.Т. Сибольд впервые высказал предположение о существовании половых феромонов. Последующие работы биолога Ф. Мюллера (1878 г), М. Штандфус (1896 г) подтвердили выводы Сибольда. Широко известны труды французского энтомолога Ж.-А. Фабра (вторая половина XIXвека) по исследованию влияния самок бабочек сатурнии, только вышедших из куколок на самцов своего вида[3].
1893 г. американские ученые Э.Форбуш и Ч. Ферналд впервые использовали ловушки с живыми самками непарного шелкопряда для отлова самцов. Эти ловушки привлекали самцов, но на практике показали низкую эффективность[3].
Американские исследователи К. Коллинс и С. Поттса (1913 – 1931 гг.) установили, что экстракт последних сегментов брюшка девственной самки непарного шелкопряда обладает такой же аттрактивностью для самцов, как и живая самка[3].
В конце XIXвека появляется целый ряд работ, касающихся в определённой степени вопросов феромонной коммуникации насекомых. Но в большинстве случаев многие крупные натуралисты, энтомологи и зоологи прошлого относились к этой теме с недоверием. Интенсивные исследования феромонов насекомых и попытки определить их состав приходятся на середину XXвека[3].
1959 году немецкий биохимик А. Бутендат после 20 лет исследований впервые установил химический состав феромона насекомого. Это был транс-10, цис-12-гексадекадиен-1-ол, вещество получило название «бомбикол»[3].
В 1959 году Немецкий биохимик П. Карлсон и швейцарский энтомолог М. Люшер предложили термин «феромон», что в дословном переводе с греческого обозначает «переносчик возбуждения». Их работа, опубликованная в журнале Nature, называлась «Феромоны: новый термин для класса биологически активных веществ»[3].
В 1950 – 1960-х гг. число публикаций, посвященных проблеме феромонов, увеличилось до 10–25 в год. В 1970–1980-х гг. число таких публикаций достигло 200 – 300 в год. А уже в 1983 году количество таких работ достигло 12 тысяч[3].
В 1970-х гг. синтетические феромоны в ловушках нашли широкое применение для мониторинга вредителей и определения оптимальных сроков обработок инсектицидными препаратами[3].
В конце 1970-х в США зарегистрирован первый феромонный препарат, используемый для борьбы с вредными насекомыми методом дезориентации[3].
1980 году на территории Норвегии феромонными ловушками в количестве 600 тысяч штук было отловлено 2,9 млрд жуков короеда-типографа, что значительно сократило время вспышки массового-размножения этого вредителя[3].
В 1970-1980-х годы – время развития высокоточных методов химии и электрофизиологии насекомых во всем мире. Открытия, полученные в этих областях, позволили идентифицировать и синтезировать феромоны большого количества видов экономически значимых насекомых-вредителей. К 1984 году было синтезированы феромоны для 670 видов насекомых. В странах Западной Европы в это время прошли испытания синтетические феромоны для 125 видов насекомых, и широко использовалось феромоны против 25 видов насекомых. 1987 году феромонные препараты производились на заводах 17 международных корпораций и применялись на общей площади более 650 тыс. гектаров против вредителей леса, плодовых культур, винограда, риса, чая и прочих культур[3].
В 1981 году Всеросийсикй научно-исследовательский институт биологической защиты растений (ВНИИБМЗР) синтезировал феромон картофельной моли[3].
В 1985 г разрешены к широкому применению советские феромонные препараты яблонной плодожорки (производство ПОБХ «Флора» Эстонской ССР) и сливовой плодожорки (производство Щелковский филиал ВНИИХСЗР)[3].
В 1987 советскими учеными были получены данные о строении феромонов 160 видов насекомых, обитающих на территории СССР[3].
К 1990 голу в «Список препаратов, разрешенных к применению в сельском хозяйстве» было внесено 26 феромонных препаратов[3].
С 1991 года начинается интенсивное распространение метода дезориентации. Около 80% феромонных препаратов, используемых до настоящего времени, были зарегистрированы в начале 90-х годов XXвека[3].
На сегодняшний день на территории Росси разрешено применение трех препаратов: Шин-Етсу МД СТТ, Д, Шин-Етсу МД Л, Д, Бриз, парообразующий продукт в диспенсере[1].
Оставьте свой отзыв:
Отзывы:
Комментарии для сайта Cackle