3. Ядовитые вещества и химическая защита

Один из способов не быть съеденным — это стать несъедобным. Этот простой принцип широко используется и растениями, и жи­вотными. Растения — первичные продуценты в пищевой цепи, и поскольку они не могут бегать, они остаются на месте и их легко поедать.

Ядовитые вещества — очень распространенное средство защи­ты от поедания, и поразительное множество растений несъедобно для животных. Но «хищники» в свою очередь выработали способы обхода этой защиты или противодействия ей, так что едва ли есть хоть одно растение, совершенно не имеющее врагов. В качестве примера такой адаптации можнопривести бабочку-капустницу, гусеницы которой питаются на определенных крестоцветных (капусте, горчице и т. п.). Эти расте­ния содержат горчичные масла, которые ядовиты или смертельны для других бабочек, но хорошо переносятся гусеницами капуст­ницы и даже служат аттрактантами, привлекающими взрослых ба­бочек для откладки яиц на этих растениях.

Животные тоже используют яды и токсины для защиты; у не­которых (например, змей, пауков, скорпионов) яд служит как для целей обороны, так и для поражения добычи.

Некоторые животные не только ухитряются «обойти» химичес­кую защиту растений, но даже используют токсичные компонен­ты поедаемых растений, чтобы сделать себя невкусными или не­съедобными для своих врагов.

РАСТИТЕЛЬНЫЕ ЯДЫ. Разнообразные химические компоненты растений влияют поч­ти на все физиологические системы. Они могут действовать на кожу, на пищеварительный тракт, на кровь, на различные части: нервной системы, влиять на обмен веществ, на питательную цен­ность пищи, а также на гормональную и репродуктивную системы животного. Разнообразие веществ и их эффектов делает их трудно поддающимися классификации, но их можно объединить в не­сколько основных групп частично по химическому сходству, а ча­стично по сходству действия. Приведенные ниже примеры про­иллюстрируют огромное разнообразие таких соединений и их фи­зиологических эффектов.

АЛКАЛОИДЫ. Алкалоиды принадлежат к группе органических соединений, которые имеют между собой мало общего, кроме того, что все они содержат азот. Среди них есть токсичные соединения, оказываю­щие сильное воздействие на центральную нервную систему позво­ночных (например, опиум - сырой продукт из опийного мака — содержит полезные для медицины алкалоиды морфин и кодеин). Широко используемым алкалоидом является никотин; другие хо­рошо известные и высокотоксичные алкалоиды — это стрихнин и компоненты стрельного яда кураре.

ГЛИКОЗИДЫ. Это соединения, которые при гидролизе да­ют одну или несколько молекул Сахаров и ряд других соедине­ний. Один из самых известных гликозидов — дигиталис, широко применяемый при лечении болезней сердца. Он содержится в на­перстянке, и его передозировка опасна для жизни.

Ряд растений содержит гликозиды, из которых при гидролизе образуется синильная кислота (HCN). Из таких гликозидов хоро­шо известен, например, амигдалин, содержащийся в горьком мин­дале и в косточках абрикосов, слив и вишен. Семена яблони тоже содержат небольшие количества этого высокотоксичного соедине­ния. Для большинства из нас это несущественно, однако сообща­лось, что один человек, обожавший яблочные семечки как дели­катес, накопил их полную чашку и после того, как съел их все за один прием, умер от отравления цианидом (Kingsbury, 1964).

Во многих тропических странах один из главных продуктов питания — кассава (маниок) —выделяет так много синильной кис­лоты, что даже приготовление клубней для еды связано с риском смертельного отравления. Собранные клубни измельчают в воде и, после того как крахмальные зерна осядут на дно, ядовитую жидкость сливают. У некоторых индейцев Центральной Америки процесс приготовления кассавы считается столь опасным, что эту работу поручают только старикам — видимо, потому, что считают их отжившими свой век.

Интересно, что для одних людей синильная кислота (цианид) сильно пахнет горьким миндалем, а для других — совершенно лишена запаха. Это различие не обусловлено неспособностью ощу­щать запах горького миндаля, так как бензальдегид, который для чувствующих цианид пахнет очень похоже на него, имеет харак­терный запах «горького миндаля» и для людей, не ощущающих запах цианида. Те кто не чувствует запаха цианида (таких людей довольно много), должны быть очень осторожны при использова­нии этого опасного вещества, поскольку обоняние не может пре­достеречь их.

МАСЛА И СМОЛЫ. Разного рода масла и смолы широко распространены в расте­ниях и вызывают много различных физиологических эффектов. Одна из таких смол является действующим началом в марихуа­не— препарате конопли (Cannabis), который благодаря своему влиянию на центральную нервную систему изменяет состояние сознания и вызывает галлюцинации.

Другие масла и смолы раздражают кожу или действуют на желудочно-кишечный тракт, вызывая рвоту, понос и ряд других симптомов. Некоторые вещества раздражают слизистую носа и растения.

ЩАВЕЛЕВАЯ КИСЛОТА. Щавелевая кислота содержится во многих растениях из весьма различных семейств. Ее острое токсическое действие обусловлено тем, что она осаждает кальций в виде нерастворимой соли — оксалата. При остром отравлении концентрация кальция в крови снижается, что ведет к неврологическим симптомам, судорогам и сильному повреждению почек.

В связи с этим представляет интерес растение Halogeion, обычное для западных районов США. Свыше 30% сухого веса этого растения могут составлять растворимые соли щавелевой кислоты. Оно чрезвычайно токсично для пасущихся животных и явилось причиной гибели тысяч овец.

К тому же семейству Chenopodiaceae относятся два растения, часто употребляемые в пищу человеком, — шпинат и ревень. Ни одно из них обычно не едят в количествах, достаточных для ост­рого отравления. Однако листья ревеня, которые иногда исполь­зуют как овощную пищу, содержат больше щавелевой кислоты, чем стебли, что привело в нескольких случаях к смерти. Если каждый день есть много шпината, осаждение оксалата кальция в кишечнике приведет к уменьшению количества кальция, способ­ного всасываться, и может со временем вызвать симптомы недо­статочности этого элемента.

ИНГИБИТОРЫ ФЕРМЕНТОВ. Некоторые растения, включая ряд представителей семейства бобовых, содержат вещества, подавляющие действие трипсина - важного протеолитического фермента поджелудочной железы. Та­кие ингибиторы трипсина обнаружены в соевых бобах, лимских бобах, арахисе и ряде растений из других семейств.

Большинство ингибиторов трипсина чувствительно к нагрева­нию, и поскольку люди обычно варят пищу, эти ингибиторы не имеют большого значения для человека. Однако они снижают использование белка животными, которые едят сырые или необра­ботанные соевые бобы и сходные продукты, так что эти вещества существенны для животноводства. Их вредное действие можно уменьшить или устранить путем тепловой обработки.

ВЕЩЕСТВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА ЭНДОКРИННЫЕ ЖЕЛЕЗЫ. Капуста, горчица, редис и ряд других растений семейства кре­стоцветных обязаны своим острым вкусом горчичным маслам, которые действуют как раздражающие вещества и даже могут выз­вать смертельное отравление. Кроме того, многие из этих расте­ний содержат вещества, подавляющие функцию щитовидной же­лезы и вызывающие ее увеличение (зоб). Когда в рационе лабо­раторных животных много листьев капусты или репы, у них раз­вивается зоб.

Антитиреоидные вещества растений химически родственны ле­карственным препаратам вроде тиомочевины, применяемым при лечении гиперфункции щитовидной железы. Хорошо известно, что некоторые люди находят фенилтиомочевпну чрезвычайно горькой, другие находят ее безвкусной. Неспособность ощущать вкус тио­мочевины наследуется как рецессивный признак. Одно из антитиреоидных веществ репы и капусты также безвкусно для одних и горько для других, причем чувствующие горечь и не чувствую­щие ее соответствуют ощущающим и не ощущающим вкус фенилтиомочевины. Это указывает на возможную фи­зиологическую роль соответствующего гена.

ВЕЩЕСТВА, ВЛИЯЮЩИЕ НА РАЗМНОЖЕНИЕ ЖИВОТНЫХ. Одна из стратегий защиты, используемых растениями, состо­ит в отрицательном воздействии на размножение своих врагов с помощью веществ, «обманывающих» эндокринную систему живот­ного. От этого могут страдать как насекомые, так и позвоноч­ные.

Такие вещества могут, например, нарушать нормальное разви­тие насекомых, которые в личиночной стадии проходят опреде­ленное число линек, прежде чем превращаются во взрослую фор­му (имаго). Развитие личинок регулируется так называемым ювенильным гормоном, но для превращения в имаго, напротив, необходимо отсутствие этого гормона. Ряд американских вечно­зеленых деревьев синтезирует вещества, которые действуют как ювенильный гормон; результат очень прост: насеко­мые не переходят во взрослое состояние, и тем самым их размно­жение предотвращается.

Было создано много синтетических веществ, сходных по свое­му действию с ювенильным гормоном; некоторые из них даже на­много более эффективны, чем естественные гормоны. При опреде­ленных условиях их можно использовать как сильные инсектици­ды, оказывающие минимальное воздействие на других животных, в том числе домашних, которые нечувствительны к гормонам на­секомых. Один из недостатков таких инсектицидов — то, что они эффективны только в течение короткого периода, когда личинки превращаются в имаго.

Более разностороннее влияние оказывают синтезируемые рас­тением вещества, которые действуют как антагонисты ювенильного гормона. Они эффективны на протяже­нии значительно более долгого периода и нарушают нормальное развитие, а также ряд других процессов, регулируемых ювениль-ным гормоном. Они полностью или частично подавляют выработ­ку этого гормона; это ведет не только к преждевременному ме­таморфозу, но также к нарушению диапаузы, откладки яиц, обра­зования половых аттрактантов и т. д. Эти вещества, вероятно, приобретут большее значение, когда будет получено больше све­дений об их физиологическом действии.

Размножение позвоночных тоже подвержено влиянию расти­тельных веществ, действующих на эндокринную систему. Некото­рые растения, обычно поедаемые животными на пастбищах, осо­бенно представители семейства бобовых, содержат биологически активные вещества с эстрогенным действием, имитирующим нор­мальную активность эстрогенов животных. Эти эстрогены нару­шают цикл размножения у овец и крупного рогатого скота и мо­гут играть роль в регулировании численности диких грызунов.

Вредные эффекты растительных эстрогенов широко изучались в Австралии, где они влияют на размножение овец. У животных, поедающих подземный клевер, плодовитость падает из-за наруше­ния процессов, с которыми связано зачатие, так что число суяг­ных овец резко сокращается.

Эстрогенные вещества растений имеют значение не только для животноводства; их роль в природе гораздо шире. В безводных районах Калифорнии однолетние растения в засушливые годы вырабатывают фитоэстрогены. Когда их листья поедаются пере­пелами, эти вещества тормозят размножение и предотвращают появление потомства, которому не хватило бы пищи. Во влаж­ные годы растения энергично растут и концентрация эстрогенов в них низка, и в такие годы перепела размножаются в изобилии. Богатые урожаи растительной массы и зерна в такие годы гаран­тируют выживание увеличившейся популяции. Тесная связь меж­ду размножением животных и продуктивностью растений извест­на давно, и механизм ее, по крайней мере в приведенном приме­ре,— это хорошо отрегулированный естественный биологический контроль численности популяции.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ЯДОВ ЖИВОТНЫМИ. Обычный ваточник (Asclepias) и другие растения, принадле­жащие к тому же семейству, синтезируют сердечные гликозиды. Кроме влияния на сердце животных, поедающих эти ядовитые растения, гликозиды действуют также на мозговые центры, конт­ролирующие рвоту. Когда животное поедает растение, рвота обыч­но начинается раньше, чем успеет всосаться летальная доза яда, так что эффект сводится лишь к очень неприятному желудочно­му расстройству.

Несмотря на свою ядовитость, ваточники служат единственной пищей личинок целой группы насекомых, в которую входит ба­бочка-данаида Danaus plexippus. В природе различные насекомо­ядные позвоночные избегают этих бабочек и их гусениц по той простой причине, что в них накапливаются ядовитые вещества ваточников. Если птица съест всего лишь одну ярко окрашенную, данаиду, она будет жестоко страдать и больше никогда не попро­бует это повторить. Таким образом, у этих бабочек выработалась способность не только питаться ядовитыми растениями, но и ис­пользовать эти яды для защиты от врагов.

Такое использование токсичных веществ, получаемых из пищи, широко распространено среди насекомых, но оно не ограничено' только этим классом. Ряд морских животных питается различны­ми кишечнополостными, которые от других врагов хорошо защи­щены своими стрекательными капсулами, или нематоцистами. Од­но из таких кишечнополостных, со свойствами которого человек познакомился на собственном мало приятном опыте, — это сифонофора Physalia, которая может даже вызвать смерть пловца, близко с нею соприкоснувшегося. Некоторые голожаберные мол­люски, питающиеся этим животным, заглатывают кусочки его тка­ни и переваривают их. При этом нематоцисты не перевариваются и не разряжаются; они включаются в ткани моллюска и служат ему для защиты.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЖИВОТНЫМИ СОБСТВЕННЫХ ЯДОВ. Животные используют также разнообразные яды и токсины собственного производства. Хорошо известные примеры — змеи, скорпионы, пауки, пчелы и осы. К менее обычным средствам за­щиты относится синильная кислота, которую выделяют многонож­ки из группы двупарноногих, будучи потревожены; еще более эффектный пример — аэрозоль с температурой 100°С, выбрасываемый жуками-бомбардирами.

Жуки-бомбардиры выпускают свою защитную струю из пары желез, открывающихся на кончике брюшка. Струя видна как легкая дымка, и разряд сопровождается слышимым звуком «взрыва». Секретирующие железы — двухкамерные. Большая, внутренняя камера содержит раствор гидрохинонов и перекиси водорода; в наружной камере находится смесь ферментов — каталаз и пероксидаз. Когда жук производит разряд, он выжимает жидкость из внутреннего резервуара в наружную камеру. Проис­ходит мгновенная взрывная реакция; перекись водорода разлага­ется ферментами, и гидрохиноны окисляются с выделением огром­ного количества тепла. Под давлением образующегося газа смесь выстреливается в виде тонкодисперсного аэрозоля, который оказывает сильное отталкивающее действие на врагов. Жук может быстро производить ряд залпов и направлять кончик своего брюш­ка практически в любую сторону, с которой его атакуют.

20