ХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА БИОЛОГИЧЕСКОГО СИГНАЛЬНОГО ПОЛЯ СТЕПНОГО СУРКА (MARMOTA BOBAK)

Полный текст

ВведениеВ коммуникативной системе млекопитающих одним из главных источников информации о территории с находящимися на ней ресурсами является биологи- ческое сигнальное поле (сигнальное поле [8]). Следы жизнедеятельности живот- ных (норы, тропы, скопления помета и т.п.) создают запахово-зрительный образ пространства. Оставляемые в определенных местах многими поколениями жи- вотных, эти следы жизнедеятельности образуют матрицу стабильных элементов [9]. Для последующих поколений она является источником информации о тер- ритории. Каждое новое поколение повторяет (наследует) траекторию использо- вания территории предыдущими поколениями, что подтверждают наблюдения за меченными животными [19; 20]. Этот механизм кодирования и передачи ин- формации, названный «экологическим наследованием» [11], облегчает новым поколениям животных освоение территории и способствует реализации ими эко- логической ниши видов [3; 4; 10]. Сигнальное поле как пространство событий, запечатленных в стабильных элементах, передает информацию по двум сенсорным каналам - зрительному и обонятельному. Сигналы иной сенсорной модальности, например акустические, обычно привязываются к стабильным элементам, рас- ширяя их функцию [9]. Как можно предположить, для млекопитающих обоня- тельный (химический) сенсорный канал более существен, чем зрительный (оп- тический), так как именно запахи являются для них главным источником инфор- мации [13]. В литературе накоплен большой фактический материал о стабильных элементах, носителях зрительной информации, создающих зрительный образ занимаемой популяцией территории [3-5; 9; 10; 12]. Но о химическом образе16Ванисова Е.А., Горяинов С.В., Никольский А.А. и др. Химическая структура биологического...территории сведения отсутствуют. Нам не известны публикации, где бы сообща- лось о том, какие вещества могут быть стабильными элементами сигнального поля, влияя на использование территории животными.Наша работа представляет собой первую попытку описания химической струк- туры сигнального поля млекопитающих на примере поселения степного сурка (Marmota bobak, Sciuridae, Rodentia). В будущем предстоит большая и длительная работа, прежде чем предложенный нами метод получит распространение в по- левых исследованиях внутривидовых коммуникативных процессов животных.Материалы и методыОсновная задача нашей работы состоит в том, чтобы выявить химические со- единения в верхнем слое почвенного покрова на семейных участках степного сурка, предположительно несущие информацию в контексте сигнального поля, сформированного многими поколениями животных. Поселение сурков пред- ставляет собой систему нор и троп, которые и являются основными стабильными элементами сигнального поля. Норы и тропы легко опознаются визуально и пред- положительно содержат наибольшую, по сравнению с фоном, концентрацию химических веществ, оставляемых сурками в верхнем слое почвы.Материал собран в Государственном природном заповеднике «Оренбургский» с 24 апреля по 4 мая 2014 г. в поселении сурков № 7, на юго-западе участка «Бур- тинская степь». Пробы почвы собирали в матерчатых перчатках одноразовыми пластиковыми ложками с поверхности глубиной до 2 см, площадью до 25 см2 в пластиковые асептические пробирки объемом 15 мл, в экологических центрах семейных участков степного сурка, которые отличаются высокой активностью животных. Тропы для отбора проб выбирали самые выразительные. Непосред- ственно у входа в норовое отверстие центральных нор собрано 9 проб почвы («нора»); на тропах в 5 м от них - 10 проб («тропа»); и 10 проб - в 30 м от цен- тральных норовых отверстий в отдалении от троп и бутанов, где отсутствуют ви- димые следы жизнедеятельности сурков («фон»).Химический анализ проб проводили методом газовой хроматографии/масс- спектрометрии, позволяющим регистрировать летучие соединения в ультрасле- довых количествах [6], с использованием шприца для твердофазной микроэк- стракции (волокно карбоксен/полидиметилсилоксан, 75 мкм). Образец почвы массой 10 г помещали в стеклянную банку, в качестве внутреннего стандарта до- бавляли 50 мкл раствора дейтеропиридина в воде и запечатывали алюминиевой крышкой с прокладкой. Шприц выдерживали в стеклянной банке при темпера- туре 100 °С в течение 30 мин. Десорбцию соединений с волокна проводили в течение двух минут в инжекторе хроматографа. Анализ компонентного состава образцов проводился с использованием оборудования ЦКП (НОЦ) РУДН, хромато-масс-спектрометра JMS GCmate II (JEOL, Япония). Капиллярная ко- лонка DB-5MS (длина 30 м, внутренний диаметр 0,25 мм, толщина фазы 0,25 мкм, газ-носитель - гелий, скорость газа-носителя 1,5 мл/мин.). Режим работы хро- матографа: температура инжектора 260 °С, начальная температура печи хромато- графа 40 °С, затем изотерма в течение 3 мин., после чего нагрев со скоростью 10 °С/мин. до 290 °С, общее время анализа - 28 мин. Пробу вводили в режиме17Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 3без деления потока. Режим регистрации масс-спектров: энергия ионизации 70 эВ, температура источника 250 °С, сканирование в диапазоне 40-400 Да со скоростью 2 скан/с.Идентификацию компонентов проводили с помощью автоматического про- граммного комплекса AMDIS, входящего в комплект масс-спектральной базы NIST’11, а также на основе характеристичных процессов фрагментации и данных о хроматографических свойствах соединений. Интегральное содержание летучих органических веществ в пробе (Сорг) рассчитывали по методу внутреннего стан- дарта через сумму площадей пиков на хроматограмме по полному ионному току по следующей формуле:Cорг =∑SоргCBC ,SBCmпргде Sорг - площадь пиков на хроматограмме по полному ионному току, соответствующих летучим органическим соединениям; СВС - концентрация добавленного внутренне- го стандарта (мкг/г); SВС - площадь пика внутреннего стандарта; mпр - масса пробы почвы (г).Эффективность ионизации различных классов соединений принимали рав- ными единице, что позволило сравнивать содержание компонентов-маркеров в пробах в пересчете на внутренний стандарт.Статистическую обработку результатов наблюдений проводили с использова- нием программы Statgraphics Plus 5, при 95-процентном уровне значимости.Результаты и обсуждениеКоличественное содержание летучих соединений (мкг/г, табл. 1) в образцах верхнего слоя почвы, взятых с участков территории, регулярно посещаемых сур- ками (из входа в нору и с тропы), превышает их содержание в фоновом участке, который сурки не посещают или посещают эпизодически.Состав летучей фракции образцов пробы № 1Таблица 1Место взятия пробСодержание компонентовв пробах, мкг/гОсновные идентифицированные компонентыНора378,1Ряд альдегидов С6-С10, ряд н-алканов и других разветвленных угле- водородов, бензальдегид, бензонитрил, фенилацетальдегидТропа332,5Ряд альдегидов С6-С10, ряд н-алканов и других разветвленных угле- водородов, фурфураль, фенилацетальдегидФон108,5Бензальдегид, ряд н-алканов и других разветвленных углеводоро- дов, гептаналь, деканальПо общему компонентному составу пробы могут незначительно различаться между собой. Обобщенный перечень всех идентифицированных компонентов по всем пробам из всех трех локаций (нора, тропа, фон) по классам соединений перечислен ниже.Жирные кислоты: лауриновая, миристиновая, пальмитолеиновая, пальмити- новая, стеариновая, олеиновая, линолевая, линоленовая.18Ванисова Е.А., Горяинов С.В., Никольский А.А. и др. Химическая структура биологического...Альдегиды: фурфураль, бензальдегид, фенилацетальдегид, гексаналь, гептаналь, октаналь, нонаналь, деканаль, 2-деценаль, ундеканаль, додеканаль, тетрадека- наль, гексадеканаль, 14-гексадеценаль, 15-гептадеценаль, октадеканаль.Углеводороды: толуол, м-ксилол, п-ксилол, 2-пентилфуран, ряд н-алканов С10-С18 и их структурные изомеры, ундецен1, тридецен1, гексадецен1, гептадецен1, октадецен (1), D-лимонен и другие терпены, сквален.Спирты и нитрилы: холестерин, фенол, п-крезол, м-кумол, этилгексанол, геп- танол, нонанол, пропилпентанол, бензиловый спирт, фурфуриловый спирт, оле- иловый спирт, бензонитрил, гексадеканнитрил, октадеканнитрил, октадеценни- трил.Другие соединения: ацетофенон, индол, ванилин, бутилацетат, геранилацетон, гексагидрофарнезилацетон. «Другие соединения» встречаются редко.Самыми обычными соединениями, встреченными во всех пробах, являются углеводороды, в том числе нормальные алканы, ненасыщенные углеводороды, углеводороды с разветвленной структурой, а также альдегиды. Доля ненасыщен- ных углеводородов с двойной связью в общем содержании летучих органических веществ может быть весьма значительной (до 30%).Во всех пробах, взятых из норы, количество летучих веществ в пересчете на мкг/г было бо´льшим, чем в фоне. Проверка по критерию Манна - Уитни пока- зала, что различия в положении медианы (Me, табл. 2) статистически достоверны только между норами и фоном (p = 0,020). Дополнительно мы сформировали объединенную выборку «норы + тропы» (табл. 2), которая отличается от фона более высокой вероятностью оставления сурками химического следа. Содержание летучих веществ в верхнем слое почвы на участках территории, регулярно посе- щаемых сурками (норы и тропы), статистически достоверно (по критерию Ман- на - Уитни, p = 0,046) выше, чем в фоне, посещаемом сурками эпизодически (Me = 248,35 мкг/г против 143,56 мкг/г, табл. 2).Таблица 2Содержание летучих соединений в верхнем слое почвы в поселении степного суркаКоличество летучих соединений в пробах, мкг/гНорыТропыФонНоры + тропыn9101019min157,2077,7779,5977,77max701,50404,16348,68701,50x323,10230,80177,40274,60s.d.167,1595,2687,06138,56s.e.55,7230,1227,5331,79Me291,80237,30143,56248,35Относительное содержание летучих веществ в различных участках территории в поселении степного сурка наглядно представлено на рисунке, где показаны средние со стандартной ошибкой по всем четырем выборкам, различающимся вероятностью оставления сурками химического следа: нора, нора + тропа, тропа, фон.19Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 3Содержание летучих веществ, мкг/г500400н300 нтт200 ф1000Места сбора проб (участки территории)Рис. Среднее (x ± s.e.) содержание летучих соединений в различных участках поселения степного сурка:н - норы; нт - норы + тропы; т - тропы; ф - фонВыразительным стабильным элементом сигнального поля сурков являются уборные, располагаемые в углублениях на поверхности бутана. Возраст уборных равен возрасту норы. Источником летучих веществ может быть неразложивший- ся помет и продукты его разложения. В качестве предварительного исследования мы провели химический анализ образца свежего помета, пролежавшего на по- верхности бутана менее суток. Всего в летучей фракции данного образца иден- тифицировано 16 соединений (диметилдисульфид; толуол; о-ксилол; п-ксилол; п-крезол; индол; тетрадекан; 2-тридеканон; терпены), потенциально участвующих в формировании сигнального поля. Учитывая зависимость химического состава помета от питания животных, интерпретация каждого из этих соединений в ка- честве маркеров сигнального поля требует дальнейших исследований. Некоторые компоненты помета были обнаружены во всех почвенных пробах, причем их со- держание в пробах с троп и нор несколько выше, чем в фоне. В накопленной за длительное время массе экскрементов существует, вероятно, относительно устой- чивая группа веществ, создающая запаховый образ места постоянного скопления помета, выполняя функцию стабильного элемента сигнального поля.В поселении степного сурка в составе летучей фракции образцов верхнего слоя почвы обнаружено от 50 до 110 компонентов на одну пробу. Состав проб по хи- мическому составу неоднороден и характеризуется преобладанием различных классов органических веществ, что связано, вероятно, с присутствием свободных жирных кислот и их производных, а также с процессами их окисления [18]. Ин- тересно отметить, что основные классы летучих компонентов, выделенные из проб почвы в поселении степного сурка, совпадают с основными классами лету- чих компонентов секрета кожных желез млекопитающих [14. C. 261]: жирные кислоты, амины, углеводороды, кетоны, спирты, альдегиды, органосерные ве- щества. Органосерные вещества, амины и кетоны мы не выделяли в отдельные классы из-за их редкости и относительно невысокого содержания в пробах.Территория поселения сурков имеет гетерогенный запаховый образ: чем выше вероятность оставления животными химического следа, тем больше содержание20Ванисова Е.А., Горяинов С.В., Никольский А.А. и др. Химическая структура биологического...летучих компонентов в почве. Неравномерное накопление веществ в почве в про- цессе жизнедеятельности сурков создает градиенты запахового сигнального поля, облегчая ориентацию грызунов на территории поселения. Главный вывод, кото- рый можно сделать на основании полученных нами результатов, состоит в том, что в местах постоянного пребывания сурков около нор и на тропах накаплива- ются различные летучие компоненты, создавая химический образ территории. Летучие вещества, привязанные к стабильным элементам (норам и тропам), при- нимают участие в создании матрицы стабильных элементов сигнального поля, дополняя и усиливая зрительный образ территории запаховым.Какое вещество или группа соединений является для сурков сигнально зна- чимым - вопрос будущих исследований. Основным источником химической информации, оставляемой животными на поверхности грунта, являются, веро- ятно, подошвенные железы, известные у многих видов млекопитающих, включая сурков [1; 13; 17]. Аналогичную точку зрения относительно формирования сиг- нального поля сурков ранее высказывали В.И. Машкин и А.А. Батурин [7]. В бу- дущем целесообразно сравнить химический состав секрета подошвенных желез сурков с химическим составом веществ, обнаруженных на участках территории, регулярно посещаемой сурками. Возможно, эти вещества, вступая во взаимодей- ствие с почвенным покровом, удерживаясь, накапливаются в нем, создавая устой- чивый запаховый образ пространства. Другим постоянным источником запахо- вого образа являются экскременты и продукты их разложения. Сосредоточенные около нор, они маркируют бутан - центр активности всей семейной группы сур- ков [2].В контексте сигнального поля одним из главных остается вопрос о видовой специфике запахового следа. Очевидно, что все летучие компоненты, оставляе- мые млекопитающими на субстрате, принадлежат к одним и тем же классам ве- ществ. Можно предположить, что все участки территории пахнут одинаково, но с различной интенсивностью, образуя градиенты сигнального поля. Различия, вероятно, касаются структуры спектра - соотношения количества отдельных компонентов и выпадения/присутствия того или иного из них. Мы не исключа- ем, что летучие вещества, выделенные из фона в поселении степного сурка, кро- ме сурков, могут принадлежать и другим видам млекопитающих, населяющих данную территорию, таким как лисицы, косули, пищухи, зайцы и т.д. Более того, есть мнение, что химический образ (запах) территории опосредован микрофло- рой, сохраняя, тем не менее, видовую специфику млекопитающих. В.Е. Соколов и Н.А. Ушакова считают, что «газовое облако, окружающее животное… является совокупностью летучих продуктов метаболизма самого макроорганизма и его микрофлоры, которая трансформирует доступные вещества животного-хозяина… При этом животное оставляет не только химический, но и бактериальный “след”… оно наносит на окружающую поверхность секреты… желез, расположенных на подошвах лап» [15. С. 263, 267].Полевые наблюдения над большой песчанкой (Rhombomys opimus) показали [16, цит. по: 15], что специфическая для нее микрофлора неравномерно распре- деляется в пространстве, соответственно, неравномерно оставляя опосредованный21Вестник РУДН, серия Экология и безопасность жизнедеятельности, 2016, № 3микрофлорой запаховый след. Так, наибольшее количество споровых бактерий, характерных для секретов большой песчанки, обнаружено в почве из земляных холмиков, которые самцы сооружают в целях маркировки территории и трутся о них среднебрюшной железой, - 3,68 · 109 клеток/г; в пробах почвы из норы - 1,66 · 109 клеток/г; на тропах - 1,2 · 108 клеток/г, и в фоне, рядом с поселением песчанок - 1 · 106 клеток/г. Таким образом, следы жизнедеятельности песчанок, опосредованные микрофлорой, образуют матрицу стабильных элементов сиг- нального поля, где сгущения постоянных источников запахов коррелируют с ве- роятностью пребывания животных на определенных участках территории, ана- логично тому, как количество летучих компонентов в верхнем слое почвы в по- селении степного сурка коррелирует с вероятностью пребывания сурков на данной территории.Анализ специфической для каждой из трех локаций (нора, тропа, фон) струк- туры спектра должно стать продолжением начатых нами исследований химии сигнального поля. В будущем только специально проведенные исследования смо- гут дать ответ на вопрос об источниках запаховой информации, формирующих матрицу стабильных элементов, и о видовой специфике химического образа сиг- нального поля всех видов животных, обитающих на изучаемой территории.Мы благодарим И.Ю. Баклушинскую (ИБР им. Н.К. Кольцова РАН) за предо- ставление нам пластиковых асептических пробирок для сбора проб почвы.

Об авторах

Е А Ванисова

Российский университет дружбы народов

Подольское ш., 8/5, Москва, Россия, 113093

С В Горяинов

Российский университет дружбы народов

Подольское ш., 8/5, Москва, Россия, 113093

А А Никольский

Российский университет дружбы народов

Подольское ш., 8/5, Москва, Россия, 113093

Ф Ю Нифтуллаев

Российский университет дружбы народов

Подольское ш., 8/5, Москва, Россия, 113093

О В Сорока

Государственный природный заповедник “Оренбургский”

ул. Донецкая, 2/2, Оренбург, Россия, 460001

Г А Калабин

Российский университет дружбы народов

Подольское ш., 8/5, Москва, Россия, 113093

Список литературы