Энтомология / Тыщенко В. П. Физиология насекомых
.pdf
Как известно, крахмал служит основным резервным углеводом растений, а гликоген выполняет ту же функцию у животных. Оба полисахарида построены из нескольких сот остатков глюкозы, связанных друг с другом α-1,4- и α-1,6- связями:
71
По-видимому, расщепление 1,4- и 1,6-связей в молекулах полисахаридов осуществляется сходными, но разными ферментами. Установлена существенная разница в молекулярной массе α-1,4- и α-1,6-амилаз, выделенных из гомогенатов кишечника саранчовых. Оба фермента доводят гидролиз полисахаридов до дисахарида мальтозы.
Некоторые всеядные и растительноядные насекомые могут усваивать клетчатку (целлюлозу). Это вещество тоже относится к полисахаридам: оно построено из нескольких тысяч остатков глюкозы, расположенных в одну неразветвленную цепь и связанных друг с другом α-1,4-связями (см. с. 13). Карбогидраза, разрывающая такие связи в молекуле клетчатки, получила название целлюлазы. Этот фермент доводит гидролиз клетчатки до дисахарида целлобиозы. У насекомых существует собственная и микроорганизменная целлюлаза. Первая секретируется клетками слюнных желез или средней кишки, а вторая поставляется симбиотическими микроорганизмами.
Кчислу насекомых неспособных переваривать клетчатку относятся гусеницы подгрызающей совки Agrotis orthogonia, поскольку они не имеют ни собственной, ни микроорганизменной целлюлазы. А таракан Periplaneta americana имеет оба типа ферментов: собственная целлюлаза выделяется клетками слюнных желез, а микроорганизменная продуцируется простейшими
ибактериями, заселяющими кишечник.
Кчислу насекомых, переваривающих клетчатку, относятся также некоторые щетинохвостки, термиты и сверчки. У щетинохвосток имеется собственная целлюлаза, а у сверчков и термитов — микроорганизменная.
Азотсодержащий природный полисахарид хитин (см. с. 13) вряд ли имеет пищевое значение для насекомых. Хитиназа расщепляет хитин до N- ацетилглюкозамина. Этот фермент обнаружен в пищеварительном тракте у тараканов, но не найден у саранчовых.
О способности карбогидраз расщеплять олигосахариды можно судить по пищевой ценности разных сахаров. Насекомые легко усваивают некоторые моносахариды, имеющие 6 атомов углерода (гексозы).
Обычно приемлемыми гексозами являются лишь глюкоза, фруктоза и галактоза, а иногда и манноза. Дисахариды и трисахариды расщепляются карбогидразами кишечника только в том случае, если они построены из остатков этих гексоз.
Многие насекомые могут расщеплять такие дисахариды как мальтоза, трегалоза и сахароза:
Эти сахара относятся к группе α-глюкозидов, так как они имеют α-связи у остатка глюкозы. Ферменты, разрывающие такие связи, называются α- глюкозидазами. В пищеварительном тракте насекомых обнаруживаются 3 высокоактивных α-глюкозидазы — мальтаза, трегалаза и инвертаза (сахараза). Основными субстратами для этих ферментов являются 3 перечисленных дисахарида. Расщепление сахарозы может осуществляться не только соответствующей α-глюкозидазой, но и β-фруктозидазным ферментом, разрывающим β-связь у остатка фруктозы. Однако инвертаза, содержащаяся в гомогенатах средней кишки и слюнных желез у большинства насекомых, обладает свойствами α-глюкозидазы и обнаруживает незначительную β- фруктозидазную активность.
Замечательная особенность инвертазы заключается в ее способности не только расщеплять сахарозу, но и синтезировать новые трисахариды на основе этого дисахарида. У тлей, кокцид и клопов при действии кишечной инвертазы на сахарозу образуются глюкоза, фруктоза и 2 особых трисахарида
— глюкосахароза и мелицитоза. При синтезе обоих трисахаридов молекулы сахарозы присоединяют дополнительный остаток глюкозы. Когда глюкоза присоединяется к глюкозидному остатку сахарозы, образуется глюкосахароза, а когда она присоединяется к фруктозидному остатку, образуется мелицитоза. Таким образом, последовательность моносахаридных остатков в молекуле глюкосахарозы может быть представлена в таком виде: глюкоза—глюкоза— фруктоза. В молекуле мелицитозы эта последовательность иная: глюкоза— фруктоза—глюкоза. Оба трисахарида содержатся в медвяной росе, выделяемой тлями, червецами и щитовками, а мелицитоза, кроме того, входит
всостав пчелиного меда.
Вгруппе β-глюкозидаз кишечника насекомых специального упоминания заслуживает лишь целлобиаза. Этот фермент расщепляет β-связь в молекуле дисахарида целлобиозы:
73
Субстратная специфичность целлобиазы, видимо, достаточно строгая, потому что она не расщепляет другие β-глюкозидные углеводы, например селицин или арбутин.
Основными субстратами галактозидаз являются дисахариды, содержащие остатки галактозы:
Гидролиз этих сахаров осуществляется двумя ферментами. Мелибиаза, расщепляющая мелибиозу, обладает свойствами α-галактозидазы, а лактаза, расщепляющая молочный сахар — лактозу, относится к β-галактозидазам.
Протеазы пищеварительного тракта представлены несколькими ферментами, проявляющими максимальную активность в кислой, нейтральной или щелочной среде. У многих насекомых обнаружен фермент, активируемый щелочной средой .и сходный с трипсином. Так, личинки мясной мухи Phormia regina при внекишечном переваривании белков продуцируют протеазу, которая подвержена влиянию специфических ингибиторов трипсина и имеет оптимум рН в области 7,9—9,3. Среди протеаз, активируемых кислой средой, у насекомых, видимо, нет ферментов, по своим свойствам аналогичных пепсину позвоночных. У личинок мух в кислой среде (с оптимумом рН от 2 до 3) действуют какие-то другие протеазы, отличающиеся от пепсина.
Гусеницы платяных молей Tineola bisselliella и некоторые другие насекомые, питающиеся шерстью, имеют своеобразный протеолитический фермент — кератиназу. Этот фермент способен растворять основной белок шерсти — кератин, не гидролизуемый обычными протеазами. Как и трипсиноподобный фермент кишечника насекомых кератиназа проявляет максимальную активность в щелочной среде.
74
В результате воздействия протеаз на белковые компоненты пищи образуются полипептиды и дипептиды, расщепляемые пептидазами. Существует 3 основных типа пептидаз — дипептидазы, аминопептидазы и карбоксипептидазы. Дипептидазы расщепляют связь между двумя аминокислотами, составляющими дипептид. Эти ферменты проявляют высокую субстратную специфичность. Например, глицил-глицин-пептидаза гидролизует дипептид, составленный из двух остатков аминокислоты глицина. Аминопептидазы и карбоксипептидазы действуют на полипептиды и относительно мало специфичны. Аминопептидаза отщепляет концевые аминокислоты, имеющие свободные аминогруппы, а карбоксипептидаза производит отщепление аминокислот с карбоксильными группами:
Липазы осуществляют ферментативный гидролиз жиров и масел до жирных кислот и глицерина. Как известно, жиры и масла представляют собой триглицериновые эфиры жирных кислот. Действие липазы на такую сложную молекулу триглицерида приводит к последовательному освобождению трех молекул жирной кислоты:
Воска, составляющие специальную пищу гусениц большой восковой моли (Galleria mellonella) и некоторых других насекомых, тоже относятся к сложным эфирам жирных кислот, но в отличие от жиров и масел они образуются на основе одноатомных высших спиртов. Так, один из основных компонентов пчелиного воска представлен мирициловым эфиром пальмитиновой кислоты:
Кроме этого соединения пчелиный воск содержит и другие эфиры, высшие жирные кислоты, спирты и углеводороды.
75
Гусеницы G. mellonella усваивают до 50% продуктов, содержащихся в воске. Они могут переваривать мирициловый эфир пальмитиновой кислоты, и следовательно, имеют такие специфические липазы, которых нет у других насекомых. Механизм расщепления воска этими гусеницами изучается уже давно, но до сих пор даже не выделен фермент, способный осуществлять гидролиз восковых соединений в условиях in vitro, т. е. вне кишечника. Перед началом переваривания у G. mellonella воск эмульгируется какими-то веществами, выделяемыми клетками кишечника. При этом было отмечено появление в средней кишке большого количества полифосфатов, которые, возможно, облегчают всасывание веществ, образующихся при расщеплении воска.
ФУНКЦИИ ЗАДНЕЙ КИШКИ
Процессы переваривания и всасывания пищи у насекомых завершаются в средней кишке. Задняя кишка обычно не принимает участия в этих процессах, и пищеварительные ферменты в ней обнаруживаются очень редко. Основные функции задней кишки связаны с формированием экскрементов, водным обменом, выделением и осморегуляцией.
Для многих наземных насекомых пища является важнейшим или даже единственным источником влаги. В таких случаях извлечение воды из пищи происходит в разных отделах кишечника, и пищевая масса по мере ее продвижения по кишечнику приобретает более сухую консистенцию. В задней кишке процессы отсасывания воды осуществляются ректальными сосочками, которые в числе 3, 4 или 6 опухолевидных выпуклостей размещаются по периметру прямой кишки. Степень развития сосочков наибольшая у тех видов насекомых, которые нуждаются в сохранении воды.
Ректальные сосочки поглощают воду из полости кишечника и передают ее в гемолимфу, тем самым восстанавливая запасы влаги в теле насекомого. Перенос молекул воды происходит в специальных клетках, образующих внутренний слой ректального сосочка. Апикальная поверхность этих клеток снабжена листовидными складками (рис. 34), а цитоплазма плотно забита митохондриями и микротрубочками. Кутикулярная выстилка прямой кишки действует как молекулярное сито, ограничивающее транспорт крупных молекул, но проницаемое для воды.
Филлипсом (Phillips, 1964) разработана специальная методика для изучения работы ректальных сосочков. Пищеварительный тракт выше прямой кишки перевязывают волоском, а затем иглой шприца через анальное отверстие вводят в кишечник точно измеренное количество жидкости. Последующий анализ изменений осмотического давления в задней кишке позволяет установить направление и скорость потоков воды через стенки кишечника. Использование данной методики показало, что клетки ректальных сосочков способны к активному транспорту молекул воды, и в ре-
76
зультате их работы перепад осмотического давления между полостью кишечника и гемолимфой постепенно увеличивается. Оказалось, что ректальные сосочки могут транспортировать в гемолимфу не только воду, но и минеральные ионы, например Na+, K+ и Сl¯. Перенос ионов из полости кишечника в гемолимфу успешно осуществляется даже против 100-кратного градиента их концентрации. Активный транспорт минеральных ионов через стенки кишечяика позволяет насекомым поддерживать их запас в гемолимфе. Именно эта функция ректальных сосочков оправдывает их усиленное развитие у водных клопов, не нуждающихся в сохранении воды.
Таким образом, работа ректальных сосочков препятствует неэкономному расходованию воды и минеральных солей при выведении
Рис. 34. Схема ректального сосочка (по Gupta, Berridge, 1966, с изменениями):
1 — пассивный транспорт воды, 2 — активный транспорт, 3 — токи воды в межклеточных пространствах и каналах, 4 — кутикула, 5 — межклеточные пространства
экскретов и фекалиев из задней кишки. Активный перенос молекул и ионов клетками ректальных сосочков лежит в основе тех физиологических процессов, которые связаны с осморегуляцией и экскреци-
77
ей у насекомых (см. с. 89 и 100). Поэтому задняя кишка может быть причислена к органам, выполняющим осморегуляторные и экскреторные функции.
ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ ПИЩИ НАСЕКОМЫХ
Пища называется полноценной, если содержит в доступной форме и достаточном количестве все вещества, необходимые для роста, развития и размножения насекомых. Основными компонентами полноценной пищи являются белки, углеводы и жиры (липиды), а дополнительными компонентами — вода, минеральные соли и витамины. Кроме того, полноценная пища должна содержать аттрактанты — вещества, стимулирующие питание, а не иметь репеллентов — веществ, затормаживающих пищевые реакции.
Пищевая ценность белков зависит только от их аминокислотного состава и скорости гидролиза в кишечнике насекомых. Поэтому белковые компоненты любой пищи можно заменить набором соответствующих аминокислот. Личинки мухи Musca autumnalis благополучно завершают развитие на корме, содержащем единственный источник аминокислот — яичный альбумин. Однако другой белок — желатин не может удовлетворить пищевые потребности личинок, потому что он не имеет триптофана, необходимого для развития насекомых.
Триптофан относится к незаменимым аминокислотам, которые не синтезируются самими насекомыми. Такие аминокислоты обязательно должны присутствовать в пищевом рационе. Результаты,. полученные при выкармливании насекомых на искусственных питательных средах, показали, что и для насекомых и для млекопитающих незаменимыми являются следующие 10 аминокислот: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин (табл. 2). Исключение любой незаменимой аминокислоты из пищевого рациона ведет к неполноценности корма и гибели животных.
Неспособность насекомых синтезировать незаменимые аминокислоты была доказана и в опытах с использованием органических соединений, меченных радиоактивным углеродом 14С. После инъекции глюкозы-14С в тело гусениц совки Agrotis orthogonia радиоактивная метка почти не обнаруживается в молекулах всех 10 незаменимых аминокислот. Меченого углерода нет также в тирозине,. потому что эта аминокислота синтезируется только из другой незаменимой аминокислоты — фенилаланина. Вместе с тем, высокая радиоактивность найдена в аланине, серине, глицине, пролине и в других аминокислотах, синтезируемых гусеницами из глюкозы-14С.
Заменимые аминокислоты, которые могут синтезироваться насекомыми, не являются обязательными компонентами пищи. Добавление их в пищу способствует ускоренному росту и развитию насекомых.
78
В пищевом рационе многих насекомых важную роль играют углеводы. Они обязательно должны присутствовать в пище специализированных фитофагов, у которых недостаточно выражена способность к синтезу углеводов из липидов и аминокислот Например, личинки хлопкового долгоносика Anthonomus grandis быстро погибают при питании кормом, лишенном сахаров. Отсутствие или недостаточное содержание углеводов в пищевом рационе вызывает гибель личинок саранчи Schistocerca gregaria, а повышение их концентрации стимулирует личиночный рост (рис. 35). Для имагинальных стадий многих перепончатокрылых, чешуекрылых и двукрылых углеводное питание составляет необходимое условие развития гонад.
Обычно потребность насекомых-фитофагов в углеводах полностью удовлетворяются при высоком их содержании, достигающем
Таблица 2. Потребность крыс и насекомых в аминокислотах
Группы и виды животных |
Аргинин |
|
|
|
|||
|
Валин |
||
Млекопитающие |
+1 |
+ |
|
Крыса |
|||
|
|
||
Насекомые |
|
|
|
Жесткокрылые — Coleoptera |
+ |
+ |
|
Anthonomus grandis |
|
|
|
Trogoderma granarium |
+ |
+ |
|
Чешуекрылые — Lepidoptera |
+ |
+ |
|
Argyrotaenia velutina |
|||
|
|
||
Chilo suppressalis |
+ |
+ |
|
Двукрылые — Diptera |
+ |
+ |
|
Calliphora vicina |
|||
|
|
||
Drosophila melanogaster |
+ |
+ |
|
|
|
|
|
Hylemiya brassicae |
+ |
+ |
|
|
|
|
Незаменимые
Гистидин |
Изолейцин |
Лейцин |
Лизин |
Метионин |
Аминокислоты
Треонин |
Триптофан |
Фенилаланин |
Заменимые
Аланин |
Глицин |
Глутаминовая к- та |
Пролин |
Серин |
Тирозин |
+ + + + + + + + — — — — |
— — |
|
+ + + + + + + + — — |
×2 — 3 |
— — |
+ + + + + + + + — — — — — — |
||
+ + + + + + + + — — — — — — |
||
+ + + + + + + + — — — — — — |
||
+ + + + + + + + × × |
— — — — |
|
+ + + + + + + + — × × — — — |
||
+ + + + + + + + — — — — — —
1Аминокислота должна обязательно включаться в пищевой рацион.
2Аминокислота стимулирует рост и развитие насекомых.
3Аминокислота может быть исключена из пищевого рациона.
79
40—70% от общей массы сухой пищи. Однако гусеницы листовертки Chonstoneura fumiferana способны довольствоваться и низким содержанием углеводов: 0,9% — для самцов и 4% — для самок. В этом отношении они напоминают насекомых-зоофагов, у которых потребности в углеводах удовлетворяются даже незначительными их добавками к пищевому рациону. Личинки некоторых двукрылых, потребляющие мясо и другие продукты животного происхождения, благополучно выживают и развиваются даже при полном исключении углеводов из пищевого рациона. Гусеницы большой восковой моли Galleria mellonella тоже могут завершить свое развитие на корме без углеводов. Очевидно, у этих насекомых хорошо выражена способность к синтезу углеводов из аминокислот и липидов.
Потребности насекомых в углеводах мало специфичны, и для полного их удовлетворения достаточно включать в пищевой рацион любой легко усваиваемый сахар, например глюкозу, фруктозу, мальтозу, трегалозу или сахарозу. У таракана Blatella germanca глюкоза, сахароза, и мальтоза являются оптимальными для усвоения углеводами, а рамноза и целлобиоза совсем не усваиваются.
Некоторые неусваиваемые сахара могут быть даже токсичными для насекомых.
Многие липиды могут синтезироваться насекомыми из сахаров и аминокислот, поэтому их присутствие в пищевом рационе не обязательно. Только некоторые ненасыщенные жирные кислоты и стерины могут рассматриваться как обязательные компоненты полноценной пищи.
Отсутствие в пище жирных кислот не всегда сказывается на росте, развитии и размножении
насекомых. Личинки жуков и комаров могут синтезировать все необходимые им жирные кислоты, но гусеницы должны обязательно получать с пищей либо линолевую, либо линоленовую кислоту:
СНз—(СН2)4—СН=СН—СН2—СН=СН—(СН2)7—СООН
Линолевая кислота
СН3—СН2—СН=СН—СН2—СН=СН—СН2—СН=СН—(СН2)7—СООН
Линоленовая кислота
80