Группа исследователей из Института химической экологии Макса Планка в Йене, Германия, и Университета Вирджинии, США, изучила влияние высокого уровня загрязнения воздуха озоном на химическую связь между цветами и опылителями. Они показали, что табачные бражники теряют влечение к запаху предпочитаемых ими цветов, когда этот запах изменяется под действием озона. Таким образом, этот окисляющий загрязнитель нарушает взаимодействие между растением и его опылителем, отношения, которые развивались на протяжении миллионов лет. Однако, когда им предоставляется шанс, бражники быстро узнают, что неприятный загрязненный запах может привести к получению питательного нектара.
Опыление в антропоцене
Опыление - это важнейшая экосистемная услуга, которую выполняют в основном насекомые. Цветы привлекают насекомых цветочным ароматом, который является химическим сигналом, к которому опылители могут иметь врожденное предпочтение. Это предпочтение является результатом коэволюционных отношений между цветами и их опылителями, которые развивались на протяжении миллионов лет.
Вот уже около 20 лет термин «антропоцен» используется в научном сообществе для обозначения геологической эпохи, в которую человек несет ответственность за многие изменения в биологических и атмосферных процессах. Однако до недавнего времени мало что было известно о влиянии антропогенного изменения климата и загрязнения атмосферы на естественные запахи окружающей среды, которые обеспечивают химическую связь между организмами.
Группа исследователей из Института химической экологии им. Макса Планка и Университета Вирджинии изучила, влияет ли антропогенное загрязнение воздуха озоном на привлечение мотылька-опылителя к запаху одного из их любимых цветов. Озон является окислителем, высокореактивным химическим веществом и загрязнителем, который, как известно, вызывает респираторные заболевания у людей. Теперь также считается, что озон изменяет цветочные ароматы, которые испускают цветы, чтобы привлечь их опылителей.
Для своих экспериментов ученые использовали табачного бражника Manduca sexta. «Бражник Manduca sexta является идеальной моделью для нашего исследования. Хотя его сильно привлекают цветочные запахи, он также использует свою зрительную систему, чтобы находить цветы. к их ярко-белому цвету», - говорит руководитель исследования Маркус Кнаден, возглавляющий исследовательскую группу в отделе эволюционной нейроэтологии в Институте Макса Планка.
Исследовательская группа сначала определила точные составы цветочных запахов - с повышенным содержанием озона и без него - и соответствующие концентрации отдельных компонентов запаха с помощью газовой хроматографии. Для запахов, измененных озоном, исследователи использовали концентрации озона, которые можно измерить в жаркие дни в естественной среде обитания табачных бражников. Они проверили реакцию мотыльков в поведенческих тестах в аэродинамической трубе, что позволило насекомому исследовать как первоначальный цветочный запах, так и цветочный запах, измененный озоном..
«Мы были удивлены, даже шокированы тем, что врожденное влечение к запаху цветов табака полностью терялось в присутствии повышенного уровня озона», - сказал Кнаден, описывая то, что наблюдалось во время экспериментов.
Табачные бражники способны учиться
Оставался вопрос, испортит ли озон в воздухе аппетит голодных и добывающих пищу табачных бражников или помешает насекомым найти источник пищи. Смогут ли насекомые понять, что даже грязные запахи цветов могут быть наградой? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи проверили, могут ли табачные бражники научиться воспринимать изначально непривлекательный запах в качестве сигнала к еде, если они нюхают его, одновременно предлагая вознаграждение в виде раствора сахара. Исследователи оценили несколько различных способов, с помощью которых бабочка может научиться распознавать цветы на основе цветочного запаха, измененного озоном. Это было важно, чтобы связать эти эксперименты с реальным обучением. В реальном мире цветочный аромат изменяется под воздействием озона только тогда, когда он движется по ветру от цветка и смешивается с озоном. Чтобы увидеть, могут ли мотыльки усваивать измененные озоном цветочные ароматы, даже если они отделены от сахарной награды на цветке, исследователи разработали эксперимент, в котором мотыльки должны были следовать за измененным озоном запахом к цветку, но им был представлен оригинальный запах. запах на цветке, содержащем сахарную награду.
Хотя мы ожидали, что Manduca sexta сможет выучить новые цветочные ароматы, и надеялись, что они смогут выучить загрязненный цветочный аромат своего цветка-хозяина, мы были поражены, увидев, что Manduca sexta может выучить загрязненную цветочную смесь в различными способами, в том числе изучением загрязненного запаха, который не был связан с наградой за сахар. Этот тип обучения, который мы с удивлением обнаружили у Manduca sexta, может быть очень важен для способности насекомых использовать обучение, чтобы справляться с быстро меняющейся средой», - говорит первый автор Бринн Кук из Университета Вирджинии. Что особенно примечательно и уместным в этом виде реакции на изменяющуюся среду является то, что она происходит в реальном времени, а не в эволюционных временных масштабах.
Обучаемость Manduca sexta не является абсолютной
Хотя исследование показывает, что табачные бражники могут научиться полагаться на измененные озоном и изначально непривлекательные шлейфы, чтобы узнавать свои цветы, загрязнение воздуха по-прежнему представляет серьезную опасность для опыления и опылителей. «Обучение может быть ключом к тому, чтобы насекомые узнавали свои растения-хозяева в загрязненной среде, но один из основных вопросов, оставшихся после нашего исследования, заключается в том, смогут ли опылители вообще найти свои цветы. Без первоначального распознавания запахов опылители будут иметь только визуальные подсказки, которые помогут им найти цветы-хозяева, чтобы узнать цветочный аромат, измененный загрязнением?Еще один важный аспект, который следует учитывать, заключается в том, что другие опылители могут не иметь таких же возможностей для изучения новых запахов, как у Manduca sexta. Например, у специализированных опылителей может не быть такой гибкости в обучении. Наше исследование является лишь отправной точкой. Полевые исследования будут иметь решающее значение для понимания того, какие цветы и насекомые больше всего страдают от тех или иных загрязняющих веществ и, вероятно, почему», - говорит Кук.
Загрязнение воздуха и изменение климата имеют далеко идущие последствия для нашей экосистемы; далеко не все они изучены и поняты. Например, мы еще мало знаем о влиянии атмосферных изменений на химическую связь между растениями и насекомыми. Изменяются не только запахи растений, но и половые феромоны, которые самки насекомых используют для привлечения самцов. Атмосферные изменения могут вызвать изменения в феромонах, которые могут привести к неудаче спаривания. Смертность насекомых резко возросла в последние годы, и исследователи во всем мире ищут причины. С 2020 года Центр Макса Планка Химическая экология насекомых следующего поколения, сотрудничество между Обществом Макса Планка и двумя шведскими университетами, в котором Институт химической экологии Макса Планка и соавторы исследования Билл Ханссон и Маркус Кнаден играют важную роль. большая роль, была посвящена этой области исследований.