Исследователи выяснили, почему микробы производят химические вещества, вызывающие запах петрикора - землистого запаха после недавнего дождя.
Мало найдется более верных предвестников весны, чем петрикор. Это земляной аромат, который появляется после хорошего дождя в основном обусловлен химическими соединениями, называемыми терпенами. Например, геосмин - это терпен, который чаще всего ассоциируется с бактериями Streptomyces, хотя его производят и другие бактерии и грибки, и он встречается в почвах и пресных водоемах по всему миру. Его повсеместное распространение уже давно восхищает ученых - не в последнюю очередь потому, что до сих пор неясно, почему его вырабатывают различные микроорганизмы.
Лиана Заруби из Университета Саймона Фрейзера (Канада), впервые столкнулась с этой загадкой в 2015 году на лекциях Брэндона Финдли по химической экологии и вспоминает, что ее заинтриговал дополнительный вопрос, который он задал: «Как вы думаете, что делает геосмин и как бы вы это проверили?». В итоге она поступила в его лабораторию в качестве магистранта, чтобы изучить этот вопрос. «Я подумала, что это очень интересно», - говорит она.
После нескольких месяцев изучения литературы и проверки гипотезы за гипотезой они с Финдли решили, что геосмин и еще один терпен, который способствует появлению петрикора, 2-метил-изоборнеол (2-MIB), могут косвенно отпугивать хищников. Хотя эти химические вещества сами по себе не токсичны для животных, другие соединения, которые производят бактерии, являются таковыми, поэтому геосмин и 2-MIB могут быть своеобразным апосематическим (отпугивающим) сигналом, подобно окраске многих ядовитых насекомых, которая говорит голодным птицам, чтобы они обедали в другом месте.
По признанию Заруби, первый раунд экспериментов с амебами, питающимися бактериями, прошел неудачно. Эти организмы - очень медленные хищники, а геосмин очень нестабилен, объясняет она. В экспериментальной установке исследователей амебам потребовались бы недели, чтобы добраться до бактерий, но геосмин разрушился бы за несколько дней или даже часов. «Поэтому мы подумали о более быстрых хищниках, таких как нематоды».
Сначала исследователи проверили, отреагируют ли черви C. elegans на присутствие геосмина. Они обнаружили, что хотя это химическое вещество не повлияло на здоровье нематод, оно резко повлияло на их движения, заставив их двигаться гораздо быстрее и чаще менять направление. Черви-мутанты с недостатком способности распознавать растворимые и летучие пахучие вещества не показали подобных изменений в поведении, что говорит о том, что дикие особи ощущали запах или вкус соединения.
Затем исследователи поместили в чашку Петри C. elegans и Streptomyces coelicolor, бактерии, которые производят геосмин и 2-MIB. В итоге черви избегали бактерий. Но если исследователи модифицировали бактерии таким образом, чтобы они не производили химические вещества, или чтобы черви не могли обнаружить эти химические вещества, нематоды чаще потребляли бактерии и заболевали от токсичных метаболитов, также производимых микробами. «Таким образом, геосмин действует как отпугивающий сигнал, - пишут авторы в своей статье, - честно и надежно сообщая о невкусности своих производителей и обеспечивая взаимную выгоду хищнику и жертве». Хотя это вещество не повлияло на здоровье нематод, оно сильно повлияло на их передвижение.
Финдли отмечает, что это первый случай, когда апосматическая сигнализация была задокументирована у бактерий. Он добавляет, что неудивительно, что геосмин и 2-MIB должны быть хорошими апосематическими сигналами: состоящие из углеводородов, объединенных в кольца или цепочки, эти соединения очень хорошо встраиваются в клеточные рецепторы. Но поскольку они также быстро разрушаются, то не успевают накапливаться в окружающей среде или далеко распространяться, а это значит, что они точно сообщают об организме, который их производит, прямо здесь и сейчас. «В качестве химического мессенджера это делает их очень, очень ценными», - утверждает Финдли.
Данное исследование - лишь одна из нескольких недавних работ, в которых указываются возможные функции геосмина и 2-MIB. Например, исследование ученых из Шведского университета сельскохозяйственных наук показало, что эти два химических вещества привлекают веснянок, которые питаются бактериями, вырабатывающими их, не испытывая никаких вредных последствий от токсинов. В свою очередь, веснянки распространяют споры бактерий в своих фекалиях и переносят их на своем теле, помогая микробам перемещаться в новую среду.
Некоторые виды мух также нашли способ интерпретировать пахучий сигнал петрикора. В 2012 году, работая в Институте химической экологии Макса Планка в Германии, нейроэколог Маркус Стенсмир опубликовал работу, в которой показал, что плодовые мухи чувствуют отвращение к геосмину, даже если он добавлен в уксус. «Мухи очень любят уксус», - говорит Стенсмир. «Все, что может сделать его менее привлекательным, должно быть важным». По его словам, это отвращение, как показала исследовательская группа, регулируется одним рецептором, настроенным специально на геосмин и способным обнаруживать это химическое вещество в концентрациях до 1 части на 100 миллионов.
Неясно почему мухи не любят геосмин. Возможно, личинки мух чувствительны к токсинам, производимым различными производителями геосмина, предполагает Стенсмир. Это также может быть связано с конкуренцией за пищу. Некоторые плесени, такие как Penicillium, которые производят геосмин, поедают дрожжи, растущие на гниющих фруктах. Поскольку личинки плодовых мушек также питаются дрожжами, присутствие плесени, о котором сигнализирует геосмин, означает, что личинки, отложенные на конкретный кусок фрукта, будут голодать.
Последующие исследования Стенсмира показали, что самки комаров Aedes aegypti, которые обладают очень похожим рецептором, специфичным для геосмина, реагируют совершенно иначе. «Им это нравится», - говорит он. В этом есть смысл, учитывая, что комары нечувствительны к токсинам, которые вырабатывают бактерии, и, по сути, личинки комаров питаются бактериями, вырабатывающими геосмин. Стенсмир отмечает, что самки комаров в его исследовании предпочитали откладывать яйца в местах, где присутствовал геосмин. «Если просто посмотреть на комаров и мух, которые не слишком далеки друг от друга, то это соединение кажется очень важным», - говорит он. «Но оно имеет разное значение».
Стенсмир полагает, что, скорее всего, огромное количество животных способно распознавать геосмин. Даже люди очень чувствительны к нему и способны учуять геосмин в концентрации до 400 частей на триллион. «У нас есть пример нематод, есть пример насекомых, есть пример людей; между ними есть целый ряд животных, которые, возможно, также реагируют на это химическое вещество или могут использовать его тем или иным образом». Действительно, некоторые животные реагируют на это соединение так, что кажется, будто оно совершенно не связано с бактериями. Исследования 1990-х годов показывают, что геосмин может помогать европейским стеклянным угрям находить пресную воду - функция, которую, по предположению Стенсмира, могли использовать и предки людей. А низкие, но не высокие концентрации этого химического вещества, похоже, могут подавлять жалящее поведение медоносных пчел.
Геосмин может таить в себе еще больше секретов. Например, Заруби отмечает, что штаммы грибков, производящие это химическое вещество, по-видимому, не используют тот же генный путь, что и бактерии, а значит, возможно, производство геосмина многократно эволюционировало независимо. Финдли добавляет, что исследование может помочь ученым взглянуть на апосматизм по-новому: с точки зрения хищника, а не только жертвы, производящей сигнал «не ешь меня». Апосематические сигналы зависят «как от отправителя, так и от получателя сигнала», - поясняет он. «В нашем случае мы имеем довольно полный контроль над генетикой этих нематод. Поэтому мы можем исследовать эволюцию с двух сторон, под разными углами. И я в восторге от этого».
