Загрязнение воздуха делает цветочные запахи непривлекательными для бабочек
Исследователи из Института химической экологии Общества Макса Планка (Йена, Германия) и Университета Вирджинии (США) изучили влияние высокого уровня загрязнения воздуха озоном на химическую коммуникацию между цветами и опылителями. Они показали, что табачные бражники (Manduca sexta) теряют привлекательность к запаху предпочитаемых цветов, когда этот запах изменяется озоном. Этот окислительный загрязнитель нарушает взаимодействие между растением и его опылителем — связь, развивавшуюся миллионы лет. Однако, получив возможность, бражники быстро учатся, что неприятно загрязненный запах может вести к питательному нектару. Исследование опубликовано в Journal of Chemical Ecology.
Опыление в антропоцене
Опыление — критически важная экосистемная услуга, выполняемая в основном насекомыми. Цветы привлекают их с помощью цветочных ароматов — химических сигналов, к которым у опылителей может быть врожденное предпочтение, сформированное в результате коэволюции за миллионы лет.
Термин «антропоцен» используется около 20 лет для обозначения геологической эпохи, в которой люди ответственны за многие изменения в биологических и атмосферных процессах. Однако до недавнего времени было мало известно о влиянии антропогенного изменения климата и загрязнения атмосферы на природные запахи, управляющие химической коммуникацией между организмами.
Команда исследовала, влияет ли вызванное человеком загрязнение воздуха озоном на привлечение бабочек-опылителей к запаху их любимых цветов. Озон — высокореактивный окислитель и загрязнитель, вызывающий респираторные заболевания у людей. Теперь считается, что он также изменяет цветочные ароматы, привлекающие опылителей.
В экспериментах использовали табачного бражника Manduca sexta. «Бражник Manduca sexta — идеальная модель для нашего исследования. Хотя его сильно привлекают цветочные запахи, он также использует зрительную систему для поиска цветов. Цветы, привлекающие бражников, часто имеют общие специфические соединения в своей смеси и визуально очень заметны из-за яркого белого цвета», — говорит руководитель исследования Маркус Кнаден.
Исследователи сначала определили точный состав цветочных запахов — с повышенным содержанием озона и без — и соответствующие концентрации отдельных компонентов с помощью газовой хроматографии. Для запахов, измененных озоном, использовали концентрации озона, измеряемые в жаркие дни в естественной среде обитания бражников. Реакцию бабочек тестировали в поведенческих экспериментах в аэродинамической трубе, позволяя насекомому исследовать как исходный, так и измененный озоном цветочный запах.
«Мы были удивлены, даже шокированы, что врожденное влечение к запаху цветов табака полностью терялось при повышенном уровне озона», — описывает наблюдения Кнаден.
Табачные бражники способны к обучению
Оставался вопрос: испортит ли озон в воздухе аппетит голодным бражникам или помешает им найти источник пищи? Смогут ли насекомые понять, что даже загрязненные цветочные запахи могут сулить награду? Чтобы ответить на этот вопрос, исследователи проверили, могут ли бражники научиться принимать изначально непривлекательный запах как сигнал к пище, если чувствуют его одновременно с получением награды в виде сахарного раствора.
Оценивались несколько различных способов, которыми бабочка могла бы научиться распознавать цветы по измененному озоном аромату. Это было критически важно для соотнесения экспериментов с реальным обучением. В реальном мире цветочный запах изменяется озоном только по мере движения по ветру от цветка и смешивания с озоном. Чтобы проверить, могут ли бабочки выучить измененные запахи даже когда они отделены от награды (нектара) на цветке, исследователи разработали эксперимент, где бабочке нужно было следовать за измененным запахом к цветку, но на самом цветке с сахарной наградой им предъявлялся исходный аромат.
«Хотя мы предполагали, что Manduca sexta может выучить новые цветочные запахи и надеялись, что они смогут выучить загрязненный запах своего растения-хозяина, мы были поражены, увидев, что Manduca sexta может выучить загрязненную цветочную смесь несколькими разными способами, включая изучение загрязненного запаха, отделенного от награды. Этот тип обучения, который мы неожиданно 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. Особенно примечательно и актуально в этой реакции на меняющуюся среду то, что она происходит в реальном времени, а не в эволюционных масштабах.
Способность к обучению Manduca sexta — не повод расслабляться
Хотя исследование показывает, что бражники могут научиться полагаться на измененные озоном и изначально непривлекательные шлейфы для распознавания цветов, загрязнение воздуха по-прежнему представляет серьезный риск для опыления и опылителей.
«Обучение может быть ключом к тому, как насекомые распознают свои растения-хозяева в загрязненной среде, но один из главных оставшихся без ответа вопросов нашего исследования — смогут ли опылители вообще найти свои цветы в первую очередь. Без изначального распознавания запахов, будут ли у опылителей только визуальные подсказки, чтобы помочь им найти цветы-хозяева и выучить измененный загрязнением аромат? Другой важный аспект — другие опылители могут не обладать такой же легкостью в обучении новым запахам, как Manduca sexta. Специализированные опылители, например, могут не иметь такой гибкости. Наше исследование — всего лишь отправная точка. Полевые исследования будут критически важны для понимания того, какие цветы и насекомые больше всего страдают от каких загрязнителей 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 все еще мало знаем о влиянии атмосферных изменений на химическую коммуникацию между растениями и насекомыми. Изменяются не только растительные запахи, но и половые феромоны, которые самки насекомых используют для привлечения самцов. Атмосферные изменения могут вызывать изменения в феромонах, ведущие к неудачам в спаривании.
Смертность насекомых резко возросла в последние годы, и исследователи по всему миру ищут причины. С 2020 года этой области исследований посвящено сотрудничество «Макс Планк Центр химической экологии насекомых следующего поколения» между Обществом Макса Планка и двумя шведскими университетами, в котором ключевую роль играют Институт химической экологии и соавторы исследования Билл Ханссон и Маркус Кнаден.