Химическая экология

редактировать

Химическая экология - это изучение химически опосредованных взаимодействий между живыми организмами и влияния этих взаимодействий на демографию, поведение и, в конечном итоге, эволюция вовлеченных организмов. Таким образом, это обширная и междисциплинарная область. Химические экологи стремятся идентифицировать конкретные молекулы (например, семиохимические вещества ), которые действуют как сигналы, опосредующие процессы сообщества или экосистемы, и понять эволюцию этих сигналов. Вещества, которые выполняют такие функции, обычно представляют собой небольшие легко диффундирующие органические молекулы, но могут также включать небольшие пептиды.

На практике химическая экология в значительной степени опирается на хроматографические методы, такие как тонкослойная хроматография, высокоэффективная жидкостная хроматография и газовая хроматография для выделения и идентификации биоактивных метаболитов. 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 биосинтетические и пути передачи сигналов, лежащие в основе химически опосредованных взаимодействий.

Содержание

  • 1 Химическая экология растений
    • 1.1 Взаимодействие растений и насекомых
    • 1.2 Взаимодействия растений и микробов
    • 1.3 Взаимодействия растений и растений
      • 1.3.1 Аллелопатия
      • 1.3.2 Связь растений и растений
  • 2 Химическая экология моря
    • 2.1 Защита
    • 2.2 Воспроизведение
    • 2.3 Доминирование
  • 3 Применение химической экологии
  • 4 История химической экологии
    • 4.1 После 1950 года
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Дополнительная литература
  • 8 Внешние ссылки

Химическая экология растений

Бабочка монарх гусеница на растении молочая.

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

Взаимодействие растений и насекомых

left Серия из исследования, проведенного Эйснером и его коллегами, исследующими защитный спрей на жуках-бомбардирах. Бумага специально обработана, чтобы иметь цветную реакцию с распылителем, который обычно является прозрачным.

Химическая экология взаимодействия растений и насекомых является важным разделом химической экологии. В частности, растения и насекомые часто участвуют в химической эволюционной гонке 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 для своей собственной химической защиты от хищников. Одним из наиболее известных примеров этого является бабочка-монарх, гусеницы которой питаются растением молочая. Молоча содержат карденолидные токсины, но гусеницы бабочек-монархов эволюционировали, чтобы не подвергаться воздействию токсина. 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, включая гусениц табачного рогатого червя Manduca sexta, которые активно секвестрируют никотин, обнаруженный в табачном растении ; и bella moth, которая выделяет хинон -содержащую пену из своей головы, когда ее беспокоит потенциальный хищник, полученный в результате кормления видов Crotalaria в качестве гусеницы.

Взаимодействие растений с микробами

Растения также взаимодействуют с микроорганизмами. Чтобы это стало возможным, микробы должны установить границу раздела между собой и растением, врастая в растение через его поверхность. Для этого микробам необходимо разрушить защитный гидрофобный восковой слой на поверхности растения. Для этого микроорганизмы выделяют специальные жидкости, которые расщепляют жиры кутикулы.

Во многих случаях химическая экология растений включает взаимное взаимодействие с другими организмами. Одно из них связано с взаимодействием с грибами, и в частности с микоризами, когда грибы образуют оболочку снаружи корней или проникают в корни, растущие между клетками корня, и даже проталкиваются через клеточные стенки отдельных корней. клетки. В этой связи грибы производят химические вещества, которые разлагают органические вещества в почве вокруг корня, поглощают неорганические питательные вещества, выделяемые этим разложением, благодаря гораздо большей площади поверхности нитей грибов по сравнению с поглощающей поверхностью корень и пропускают часть воды и питательных веществ к растению, тем самым значительно повышая способность корней растения извлекать питательные вещества и воду из почвы. Грибки могут также обеспечивать химическую защиту (антибиотики ) от вредных бактерий и грибков в почве.

Взаимодействие растений и растений

Аллелопатия

Многие примеры аллелопатической конкуренции были спорными из-за трудности положительной демонстрации причинно-следственной связи между аллелопатическими веществами и продуктивностью растений в естественных условиях, но широко признано, что фитохимические вещества участвуют в конкурентных взаимодействиях между растениями. Одним из ярких примеров аллелопатии является производство юглона ореховыми деревьями, сильное конкурентное влияние которых на соседние растения было признано в древнем мире еще в 36 году до нашей эры.

Связь между растениями

Растения общаются друг с другом через воздушные и подземные сигналы. Обсуждается, в какой степени это общение отражает активный отбор на основе взаимной выгоды, а не «подслушивание» сигналов, непреднамеренно посылаемых соседними заводами.

Морская химическая экология

Морская химическая экология - это насколько органична Жизнь в морской среде использует химические вещества для питания, взаимодействия, воспроизводства и выживания, от микроскопического фитопланктона до многих видов ракообразных, губок, кораллов и рыб.

Оборона

Использование химикатов часто используется для выживания морских организмов. Некоторые ракообразные и мезогрейтеры, такие как Pseudamphithoides incurvaria, используют определенные водоросли и морские водоросли в качестве сдерживающих средств, прикрывая свое тело эти растения. Эти растения производят спирты, такие как пахидиктиол-A и диктиол-E, которые предотвращают хищничество ракообразных. 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. Другие выделяют слизь или токсины, которые затрудняют их поедание хищниками, например, Pardachirus marmoratus, который использует токсин, способный парализовать челюсти человека. -быть хищником. Некоторые морские организмы могут защищаться с помощью апосематической окраски, например, некоторые зоантиды.

Воспроизводство

Химическая коммуникация очень важна для воспроизводства морских организмов. Некоторые процессы относительно просты, например, привлечение одного человека к другому. Самцы миног привлекают овулирующих самок, выделяя желчь, которую можно обнаружить на много метров ниже по течению. Другие процессы могут быть более сложными, например, брачные привычки крабов. В связи с тем, что спаривание может происходить только вскоре после линьки самки из панциря, феромоны производятся и распространяются с мочой до и после процесса линьки. 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.

Доминирование

Определение доминирования среди ракообразных очень тесно связано с химическим воздействием. реплики. 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 тем самым 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, схватки могут быть более длительными и непредсказуемыми.

Применение химической экологии

Феромоновая ловушка, используемая для поимки вредителей Lymantria monacha.

Была использована химическая экология в разработке устойчивых стратегий борьбы с вредителями. Полухимические вещества (особенно насекомые половые феромоны ) широко используются в комплексной борьбе с вредителями для наблюдения, отлова и нарушения спаривания насекомых-вредителей. В отличие от обычных инсектицидов, методы борьбы с вредителями на основе феромонов, как правило, являются видоспецифичными, нетоксичными и чрезвычайно эффективными. В лесном хозяйстве массовый отлов в ловушку успешно используется для снижения смертности деревьев от заражения короедами в еловых и сосновых лесах и от пальмовых долгоносиков на пальмовых плантациях. В водной системе половой феромон из инвазивной морской миноги был зарегистрирован Агентством по охране окружающей среды США для использования в ловушках.

Успешный сельскохозяйственный вредитель типа push-pull Система управления использует химические сигналы от пересаженных культур 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, которые бороздят стебель, путем манипулирования летучими сигналами поиска хозяина, позже было обнаружено, что аллелопатические вещества, выделяемые корнями Desmodium spp., также вносят свой вклад на подавление вредных паразитарных сорняков, Striga.

Большая часть коммерческих препаратов (например, аспирин, ивермектин, циклоспорин, taxol ) получены из натуральных продуктов, которые образовались в результате их участия в экологических взаимодействиях. Хотя было высказано предположение, что изучение естественной истории может способствовать открытию новых лекарственных препаратов, большинство лекарств, полученных из натуральных продуктов, не были обнаружены из-за предварительного знания их экологических функций. Однако многим фундаментальным биологическим открытиям способствовало изучение токсинов растений. Например, характеристика никотинового рецептора ацетилхолина, первого рецептора нейротрансмиттера, который будет идентифицирован, стала результатом исследований механизмов действия кураре и никотина. Точно так же рецептор мускаринового ацетилхолина получил свое название от грибкового токсина мускарин.

История химической экологии

После 1950 г.

В 1959 г. Адольф Бутенандт идентифицировал первый внутривидовой химический сигнал (бомбикол ) от шелковой моли, Bombyx mori, с материалом, полученным путем измельчения 500000 бабочек. В том же году Карлсон и Люшер предложили термин «феромон» для описания этого типа сигнала. 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. Вместе эти работы положили начало современной химической экологии. В 1964 году Пол Р. Эрлих и Питер Х. Рэйвен выступили соавторами статьи, в которой предложили свою влиятельную теорию побега и коэволюции излучения, в которой предполагалось, что эволюционные `` руки '' -расход между растениями и насекомыми может объяснить чрезвычайное разнообразие растений и насекомых. Идея о том, что метаболиты растений могут не только способствовать выживанию отдельных растений, но также могут влиять на широкие макроэволюционные паттерны, окажется очень влиятельной.

В 1960-х и 1970-х годах ряд биологов, экологов и энтомологов расширили это направление исследований экологической роли вторичных метаболитов растений. В этот период Томас Эйснер и его близкий соратник Джеррольд Майнвальд опубликовали ряд основополагающих статей о химической защите у насекомых. Ряд других ученых в Корнелле также работали над темами, связанными с химической экологией в этот период, в том числе Пол Фини, Венделл Л. Рулофс, Роберт Уиттакер и Ричард Б.. Корень. В 1968 году в Корнелле был открыт первый курс химической экологии. В 1970 году Эйснер, Уиттакер и биолог-муравей Уильям Л. Браун-младший изобрели термины алломон (для описания семиохимических веществ, которые приносят пользу источнику, но не получателю) и кайромон ( для описания полухимических веществ, которые приносят пользу только получателю). В следующем году Уиттакер и Фини опубликовали влиятельную обзорную статью в Science, в которой резюмировались недавние исследования экологической роли химической защиты у самых разных растений и животных и, вероятно, более широкая научная аудитория представила новую таксономию семиохимических веществ Уиттекеру. Примерно в это же время Линкольн Брауэр также опубликовал ряд важных экологических исследований, посвященных секвестрации карденолидов монархами. Брауэру приписывают популяризацию термина «экологическая химия», который появился в названии статьи, которую он опубликовал в Science в 1968 году, и снова в следующем году в статье, которую он написал для Scientific American, где этот термин также появился на обложке под изображением гигантской сойки, возвышающейся над двумя бабочками-монархами.

Специализированный Журнал химической экологии был основан в 1975 году, а журнал Chemoecology - в 1990 году. В 1984 году было основано Международное общество химической экологии, а в 1996 году оно было основано в Йене, Германия.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Викискладе есть средства массовой информации, связанные с химической экологией.
Последняя правка сделана 2021-05-14 09:31:49
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте