Кто на самом деле правит экосистемами? Ученые открыли молекулярные диктаторы

Биологический мир пронизан химическими сигналами. Муравьи ведут своих сородичей к пище, оставляя извилистые феромонные следы, растения выделяют аэрозоли, чтобы предупредить соседей об угрозе травоядных, а всё, что человек воспринимает как «запах», — это молекулы, которые закрепляются в его носу. Некоторые химические послания находят своих адресатов, большинство же остается незамеченным в окружающей среде. Но иногда другие виды — химические подслушивающие, случайные свидетели или неожиданные гости — могут уловить и интерпретировать эти сигналы по-своему. Если послание оказывается достаточно мощным, его влияние может распространиться по всей экосистеме.

В 2007 году биологи назвали эти мощные молекулы в честь популярного экологического концепта. «Ключевые виды», такие как морские звезды в приливных зонах Тихоокеанского Северо-Запада, встречаются нечасто, но оказывают несоразмерно большое влияние на пищевую сеть, играя для экосистем ту же роль, что и замковый камень в арке. Если такой вид исчезает, вся система может рухнуть или измениться до неузнаваемости. «Ключевые молекулы» подобным образом являются редкими химическими соединениями, способными формировать, изменять и перестраивать связи между видами на уровне целых экосистем.

Это была многообещающая гипотеза, но доказать её оказалось непросто. Химические вещества трудно обнаружить и измерить в сложных условиях экосистемы. К этому добавляется необходимость отслеживания их влияния и взаимодействий в разных организмах, что требует экспертизы в нескольких научных дисциплинах.

Теперь новое масштабное исследование, опубликованное в Science Advances, объединяет полевые работы, химический анализ и экологию сообществ, предоставляя новые доказательства теории ключевых молекул. Исследователи, изучавшие морских слизней Alderia в калифорнийских илистых равнинах, выделили из их неприятной на вкус слизи молекулы, ранее неизвестные науке. Когда ученые изучили этот химический коктейль и ввели его в естественную среду, они зафиксировали значительные изменения в жизни других видов и в структуре всей экосистемы.

«Одна небольшая и простая молекула может связывать между собой, казалось бы, несвязанные виды и целые экосистемные процессы», — отметил ведущий автор исследования Патрик Круг, морской биолог из Калифорнийского государственного университета в Лос-Анджелесе. «Теперь это признается как общее явление, о котором мы просто не задумывались».

Токсичная идея

В начале 2000-х химический эколог Ричард Циммер из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе впервые задумалс я о ключевых молекулах, изучая тетродотоксин. Этот яд, который вырабатывают взрослые калифорнийские тритоны и многие другие существа, был известен как эффективное средство отпугивания хищников. Однако исследования его лаборатории показали, что этот химикат обладает и другой функцией: он передает сигнал тревоги личинкам тритонов, побуждая их искать убежище от каннибалистичных взрослых особей. Это открытие заставило Циммера задуматься: является ли тетродотоксин уникальным в своем многофункциональном действии или же существуют другие молекулы, которые играют столь же значимые роли в экосистемах?

Совместно с аспирантом Райаном Феррером (ныне химическим экологом в Сиэтлском университете Pacific) Циммер собрал дополнительные примеры многофункциональных сигналов. В 2007 году они формально представили концепцию ключевых молекул в обзорной статье в The Biological Bulletin. Они определили, что ключевая молекула попадает в сообщество от одного или нескольких видов, обычно в качестве защитного механизма или сигнала связи, а затем приобретает другие значения — сигнализируя о спаривании, опасности, пище — для остальных участников экосистемы. Метаболические процессы и взаимодействия видов создают цепную реакцию, оказывая влияние на всю систему.

«Когда мы погружаемся в химию, мы раскрываем сложные и иногда неожиданные связи между членами экосистемы», — отметил Феррер. «Эти связи легко упустить из виду».

В статье 2013 года они выделили четыре ярких примера ключевых молекул:

• Тетродотоксин — нейротоксин, который вырабатывают тритоны, рыбы фугу и осьминоги;
• Сакситоксин — яд, продуцируемый водорослями и делающий моллюсков ядовитыми для хищников;
• Пирролизидиновые алкалоиды — растительные токсины, отпугивающие травоядных, но привлекающие насекомых;
• Диметилсульфониопропионат (DMSP) — серосодержащее соединение, вырабатываемое морскими водорослями, привлекающее животных через химические сигналы.

Эти химикаты оказывают широкое влияние на разные экосистемы. DMSP, например, служит «звонком к обеду» в океане: когда водоросли поедаются крилем и рыбой, соединение выделяется в воду, образуя газовые шлейфы, которые морские птицы ощущают с километрового расстояния. Они летят к месту кормежки, затем возвращаются в гнезда и удобряют почву своими экскрементами, способствуя росту растений на суше.

«Эти молекулы передаются с одного трофического уровня на другой», — объяснил Циммер. «В результате одно соединение может опосредовать множество взаимодействий в сообществе».

Однако до недавнего времени у ученых не было прямых доказательств того, что сами молекулы являются структурными элементами экосистем, оказывая влияние не только на их производителей, но и на других обитателей среды. Никто прежде не пытался искусственно вмешаться в экосистему, чтобы проверить «побочные» эффекты отдельных химических веществ — пока в игру не вступил специалист по слизням.

Влияние молекулы

Патрик Круг за свою карьеру изучил множество видов морских слизней, но его особенно заинтересовал Alderia. Эти моллюски размером с леденец Tic Tac невероятно распространены в калифорнийских илистых равнинах и отличаются резким запахом. «Они пахнут, как испорченный лимон, — говорит Круг. — Это так противно, что, если я не уверен, взял ли слизня, я просто его нюхаю».

Вместе с химиком Эриком Шмидтом из Университета Юты Круг обнаружил, что слизь Alderia содержит пять ранее неизвестных поликетидов — молекул, которые участвуют в защите, окраске и коммуникации у разных организмов. Они получили название альдерены.

При лабораторных испытаниях рыбы и крабы отвергали слизней с альдеренами, а крабы даже пытались стереть их привкус о камни. В ходе экспериментов на природных илистых равнинах команда Круга добавила в грунт альдерены и увидела радикальные изменения. Животные массово покинули зараженные участки, оставляя их безжизненными, но яйца морских улиток стали появляться там чаще.

«Обычный слизень выделяет несложные химические соединения, а результат — перестройка всей экосистемы», — комментирует биолог Джулия Кубанек.

Таким образом, альдерены оказались не просто частью пищевой сети, а химическим «каркасом» экосистемы. Это открытие подчеркивает, что химические взаимодействия могут быть столь же важны, как и традиционные биологические связи.