Это уже не ассистенты по защите растений и биоанализу, но полностью сложившиеся естественники, способные проводить оригинальные исследования. Так, например, благодаря работам В. Уигглсуорса (Англия) стало известно, что гормоны индивидуального развития насекомых, примененные несвоевременно и не в оптимальном количестве, могут вызывать у них уродства и бесплодие, а следовательно, могут стать средством борьбы с вредителями.
Это открытие по достоинству оценивают в наше время, когда интенсивнейшее использование агрохимикатов в полях, в особенности при химической борьбе с насекомыми, то и дело приводит к пагубным последствиям, о которых убедительно рассказала Рашель Карсон (США) в книге «Молчаливая весна». Теперь все очевиднее, что для борьбы с насекомыми надо применять нестойкие препараты избирательного действия, имеющие низкую токсичность для млекопитающих, и притом такие препараты, к которым у насекомых не вырабатывалось бы привыкания. Мало того, они должны поддерживать, а не разрушать природные механизмы регуляции численности особей, действующие в популяциях насекомых, чтобы люди могли использовать эти механизмы в своих целях.
Вещества, играющие существенную роль в реакциях поведения, в регуляции роста и развития насекомых — весьма интересный объект исследования при разработке новых путей борьбы с вредными насекомыми. Феромоны (вещества разного сигнального значения, например, отпугивающие или привлекающие противоположный пол) и гормоны, активные в исключительно низких концентрациях, конечно, должны применяться периодически и в строго определенные моменты развития насекомых, дополняя естественную устойчивость растений-хозяев и другие методы биологической борьбы.
Ниже я предполагаю обсудить перспективу гормонального контроля насекомых в том виде, как она развивалась в течение послевоенного периода. Кроме того, я хочу сравнить некоторые свойства гормонов насекомых и их аналогов со свойствами классических инсектицидов.
Три важнейших гормона
К 1968 г. среди гормонов насекомых наметилось три кандидата для борьбы с насекомыми-вредителями.
1. Гормоны мозга. По аналогии с тем, что было известно о нейросекреторных гормонах позвоночных, есть опасение, что гормоны мозга насекомых представлены большими молекулами, возможно пептида, и поэтому широкий их синтез, как это требует сельско хозяйственная практика, будет затруднен. К настоящему времени ситуация не изменилась.
2. Гормон линьки a-экдизон, выделенный и кристаллизованный А. Бутенандтом (ФРГ) и П. Карлсоном (Швеция) в 1954 г. и несколько позже открытый более активный b-экдизон. В 1965 г. японские ученые обнаружили присутствие фитоэкдизинов в растениях и вскоре в Чехословакии и Нидерландах были открыты богатые источники b-экдизона. Оказалось, что иудино дерево содержит одну часть b-экдизона на каждые десять тысяч частей сырого веса! Хотя физиологические эффекты a- и b-экдизона, их влияние на линьку и диапаузу (скрытую жизнь) насекомых представляют, конечно, большой интерес, легкая водорастворимость их молекул делает эти вещества практически бесполезными для применения в полевых условиях. При отборе инсектицидов многие химические компании отказываются от веществ, которые являются водорастворимыми.
Но это не единственное затруднение. Однажды в нашей лаборатории было получено не менее 10 г чистого b-экдизона, и мы провели контрольные испытания его эффективности при химической защите растений. И хотя те растения, которые содержат экди-зоны, имеют значительно меньше насекомых-вредителей, обнаружилось, что, по-видимому, эволюция наделила современных насекомых определенными способностями справляться и с такими растениями-хозяевами. Например, у гусениц многих бабочек и у са-ранчевых проницаемость кишечника для Д-экдизона оказалась чрезвычайно низкой. Помимо того, у других насекомых, таких, как хлопковый вредитель Dysdercus, b-экдизон тормозит всю пищевую активность при концентрациях около одной части на миллион, т. е. при малейшей угрозе отравления.
3. Ювенильный гормон и его аналоги (от латинского «ювенилис» — молодой), вокруг которых концентрируются практически все современные исследования. В 1956 г. С. Вильяме (США) продемонстрировал высокую активность масляных экстрактов этого гормона, полученных из самцов шелковичного червя Cecropia, и опубликовал некоторые данные относительно его физических свойств. Гормон оказался легко растворимым в жирах и проникающим через кутикулу куколки цекропии, которая вследствие этого дополнительно линяла и становилась нежизнеспособной. Помимо того, Вильяме указывал, что к этому веществу у насекомых не вырабатывается привыкания, ибо развитие устойчивости к собственным гормонам— не что иное, как самоубийство. Мы обсудим эту интересную мысль позже.
Ювенильный гормон и его аналоги: 1 — ювенильный гормон, полученный из цекропии; 2 — фарнезол; 3 — дигидрохло-ридметилфарнезоат; 4 — эпок-сидалкиламид; 5 — этилтри-метилдодекадиеноат; 6 — изо-пропилметоксцтриметилд оде-кадиеноат; 7 — имино-N-пpoизводное (тормозящее разрушение ювенильного гормона); 8 — метилендиоксифенол-эпоксидгераниол; 9 — ювабион; 10 – пептидоподобный аналог
Действие ювенильного гормона на метаморфоз колорадского жука, обработанного на стадии куколки. Видны недоразвитые и уродливые крылья
Когда П. Шмелек (ГДР) в 1961 г. обнаружил, что терпеналкоголь-фарнезол и некоторые его производные имеют очень интересные ювенилизирующие свойства и могут быть экстрагированы из экскрементов мучного червя, химики решили, что открылась золотоносная жила для развития дополнительных морфогенетических химикалиев. После того как структура ювенильного гормона цекропии была раскрыта X. Роллером и К. Дамом (США) в 1967 г., большая серия очень активных аналогов этого гормона была уже синтезирована в Европе и Америке.
А когда в 1970 г. в Базеле состоялся симпозиум по ювенильному гормону, свыше десяти научных коллективов в Чехословакии, Германии, Швейцарии, Японии, Канаде и США уже синтезировали и испытали сотни аналогов ювенильных гормонов и их интересных производных. В том же году в Болгарии, Швейцарии, США, Нидерландах были выполнены первые полевые опыты по применению этих веществ в качестве инсектицидов.
Аналоги ювенильного гормона
В пределах этой статьи я могу упомянуть только несколько из наиболее важных групп аналогов ювенильного гормона.
Дигидрохлорид-метил-фарнезоат, найденный М. Романуком (Чехословакия), — вещество, очень активное у насекомых, принадлежащих к отряду полужесткокрылых бабочек, в концентрации нанограммов ( =10–9г), но, как оказалось, мало полезное в полевых условиях.
Открытый В. Бауэрсом (США) ювабион, к которому клопы-солдатики чрезвычайно чувствительны, — первый из найденных перспективных аналогов. Он имеет циклическую структуру и свойства ювенильного гормона.
М. Заоралом и К. Слама (Чехословакия), М. Шварцем и другими (США) были синтезированы пептидоподобные аналоги, похожие по структуре на ювенильный гормон. Препараты показали высокую активность при защите хлопчатника от вредителей.
Гераниловые эфиры, также полученные В. Бауэрсом, — очень активные вещества. Жуки малого мучного хрущика, например, в 1000 раз более чувствительны к диэтил-сезамил-геранил-эпоксиду, чем цекропия к ювенильному гормону.
Додекадиеноаты, полученные в лабораториях США — препараты с интересной избирательной способностью против равнокрылых и двукрылых насекомых. Эпоксид-три-декадиеноаты, созданные в Швейцарии, могут помочь в борьбе с тлями.
Действие ювенильного гормона на гусениц плодовой листовертки: вверху — увеличенная личинка дополнительного (6-го) возраста, посередине — нормальная личинка последнего (5го) возраста, внизу — нормальная куколка
Основы применения ювенильного гормона
Теперь мы подошли к вопросу о характере влияния ювенильного гормона и его аналогов при опрыскивании или локальном нанесении на популяции насекомых. Здесь мы опираемся на данные наших сотрудников, особенно X. Шуневельда.
Непосредственно после применения не наблюдается никаких ненормальностей, но на предимагинальных стадиях (имаго — взрослая особь) действие препаратов становится очевидным уже при следующей линьке или при последующих линьках. Так, если обработаны яйца, то эффект проявится в том, что личинки не смогут вылупиться, или же вы-лупление произойдет, но действие гормона скажется на последующих стадиях личиночного развития. Обработка личинки может вызвать продление ее возраста или же развитие ненормальных куколок. Обработка личинок, заканчивающих развитие, или куколок может привести к стерильности взрослых особей. Обработка взрослых особей может привести к тому, что самки произведут стерильные яйца. Если же взрослые насекомые в это время находятся в диапаузе, эффект будет нежелательным: они «пробудятся» и могут напасть на растения.
Ювенильный гормон должен применяться в наиболее критический момент, до того как генетический материал обусловил следующий этап развития, причем его действие на постэмбриональное развитие проявится только в скрытый период, когда генетическая информация прочитана цитоплазмой и произошел соответствующий синтез протеинов. Этим он отличается от любого инсектицида, за исключением, может быть акарицидных сульфонатов и сульфидов (таких, как тетра-дифон и тетразул), не принимая во внимание их характер действия.
Критическое время применения связано также и со скоростью разрушения гормона в организме. Период полураспада ювенильного гормона в организме занимает около получаса, и это — ограничивающий фактор действия препарата.
Связь между дозой и результатом действия
Обычно эффект действия инсектицидов графически выражается в виде размеров смертности в зависимости от дозы препарата. В случае ювенильного гормона и его аналогов эффект действия может быть оценен дозой вещества, вызывающей нарушения развития в той или иной степени (баллы) у половины обработанных особей. Так, в нашей лаборатории доктор М. Абдалла (Египет) нашел, что 50% обработанных листоверток показывают заметные нарушения в развитии при дозе, равной 0,1 ммг на индивидуум (или 2 мг/кг). Но имеется много случаев, когда эта доза в 100 раз ниже и когда осадок вещества, равный 10—20 ммг/м2 листовой поверхности он соответствует нескольким сотням мг на акр) уже производит этот эффект. Комбинация синергетиков, т. е. веществ, действующих в одном направлении, — эпоксамида и дихлорамида — вызывает даже 100%-ную реакцию нарушения у насекомого Tenebrio уже при дозе 10–6 мг/кг (1 нанограмм на килограмм).
Избирательное воздействие
Избирательное воздействие — наиболее важная проблема в современной борьбе с вредителями: как попасть в нужную «мишень», не затронув другие?
Избирательность может определяться внутренними свойствами насекомых, способом и временем применения физиологически активного вещества, а также особенностями поведения насекомых. Действие гормона цек-ропии, например, различается у разных насекомых. Различия в действии аналогов юве-нильного гормона еще более велики. Так, по данным, полученным Ф. Шормом и К. Слама с производными геранила из пара-аминобензойной кислоты, степень вредного воздействия на полужесткокрылых насекомых Pyrrhocoris и Graphosoma, различалась в 500 000 раз. Между насекомыми Dysdercus и Tenebrio разница была даже в 1000 000 раз;
Столь значительные различия могут быть следствием неодинаковой внутренней чувствительности к ювенильному гормону разных видов насекомых. Могут быть также различия в скорости проникновения, разрушения, выделения и накопления гормона.
Действие ювенильного гормона на куколку плодовой листовертки: слева — брюшная сторона с тремя парами оставшихся ложноножек (передняя часть тела превратилась в куколку, а задняя осталась личиночной) ; справа — ее спинная сторона
При разработке биологических методов борьбы с сельскохозяйственными вредителями часто приходится иметь дело с насекомыми-паразитами (один вид насекомого паразитирует на другом). При этом как лабораторные исследования, так и полевые опыты показывают, что ювенильный гормон зачастую оказывает вредное действие только на хозяина (жертву паразитизма), а само насекомое-паразит остается нормальным.
Остаточное действие и токсичность для растений
Скорость инактивации (потеря активных свойств гормона) и остаточная активность — тема, которую мы должны обсудить. Борьба с насекомыми-вредителями производится при весьма различных условиях. Вещества могут быть распылены на водной поверхности, на листьях, на коре деревьев, на стенах человеческих жилищ и хозяйственных построек. Так как ювенильный гормон и некоторые его аналоги имеют короткий период полураспада внутри насекомого и они должны присутствовать в организме в соответствующий момент его развития, важно, чтобы они сохраняли свою активность достаточно долго, в течение недели или более. С другой стороны, необходимо устранение его из окружающей среды в пределах месяца. Ясно, что здесь узкое место в гормональной борьбе с насекомыми-вредителями. Надо исходить из того, что ювенильный гормон и эпоксидные производные недостаточно устойчивы (хотя имеются исключения) и что требуются повторные серии опрыскиваний два раза в неделю. Если мы учтем, что личиночное развитие в популяциях насекомых чаще всего происходит не синхронно и что наиболее чувствительный период каждой отдельной личинки по отношению к гормону может различаться на несколько дней и даже недель, делается очевидным, что только повторные опрыскивания дадут нужный эффект. Но не вредны ли такие повторения для самих растений? Есть данные, что фитоток-сичность гормонов обычно бывает низкой, но это не значит, что она всегда отсутствует, некоторые соединения геранила, например, вызывают незначительное побурение яблоневых листьев.
Степень нарушения окукливания плодовой листовертки при действии различных доз ювенильного гормона цекропии и его производных
Токсичность для млекопитающих
Очень низний уровень токсичности для млекопитающих — одно из наиболее важных свойств ювенильного гормона и его производных. В острых опытах на крысах при приеме внутрь доза вещества, вызывающая гибель у 50% животных (L.D.50), меняется от более 5000 до более 35 000 мг/кг, что значительно выше токсичной дозы для любого из инсектицидов, находящихся в обращении. При введении через рот паратона L.D. 50 для крыс достигает 4 мг/кг, для ДДТ — 300 мг/кг. По очевидным причинам опыты по продолжительному введению ювенильного гормона в организм еще не закончены.
Об устойчивости к воздействию
Мы уже упоминали, что насекомое не будет жизненным, если оно станет устойчивым к своим собственным гормонам, т. е. лишится гормональной регуляции внутренних процессов. И в настоящее время такой устойчивости у них нет. А в будущем? При обычной ситуации насекомые никогда не нуждаются в поступлении гормонов из окружающей среды и, вероятно, против такого поступления у них может еще возникнуть морфологическая и поведенческая защита. Что касается аналогов, здесь уже представляется вполне возможным появление линий насекомых с разрушающими энзимами, которые уничтожат специфические структуры аналогов и оставят нетронутым естественный гормон. В растительном мире тоже пока такая устойчивость не найдена. Борьба с сорняками с помощью гормонов роста растений и их аналогов не привела к гормональной устойчивости растений, хотя эти вещества были введены в посевы еще в сороковых годах текущего столетия. Но селекция происходит в течение поколений, и понятия индивидуальность и генерация у растений и насекомых очень различны. Поэтому никому не известно, сравнимы ли эти два примера. Нужно учесть к тому же, что у растений некоторых видов уже имеются симптомы устойчивости против гербицидов.
Степень нарушения окукливания плодовой листовертки, обработанной постоянной дозой вещества, близкого к эпоксидному геранилу, при различном возрасте личинки насекомого.
Опасно ли присутствие гормонов в биосфере?
Вот уже более трех лет мы пытаемся в нашей Вагенингенской лаборатории индуцировать устойчивость колорадского жука к ювениль-ному гормону цекропии. Мы обработали уже двадцать восемь следующих одна за другой генераций, но не обнаружили какой-либо устойчивости. Мы намереваемся продолжить эту работу до тридцати генераций, прежде чем сделать выводы из этих опытов.
С 1950 г. нашей лабораторией изучается значение гормонов насекомых в синхронизации развития по сезонам, в синхронизации отношений между особью-хозяином и особью-паразитом, в полиморфизме («многоформии») фаз развития саранчи, в таком явлении, как две формы самок в пчелиной семье (диморфизм).
Выяснилось, например, что у колорадского жука ювенильный гормон— посредник реакции насекомого на изменение продолжительности дня и ночи; у сосновой пяденицы определенная концентрация экдизона в крови активизирует паразита Bucarcelia rutilla, зимующего под надкрыльями бабочки; у пустынной саранчи от концентрации ювениль-ного гормона зависит развитие единичной или стадной формы насекомого; у медоносной пчелы высокая концентрация ювениль-ного гормона на третий день личиночного развития определяет формирование личинки самки, которая становится маткой, и т. д.
Ясно, что такие важные эколого-физиологические явления могут быть нарушены в широком диапазоне по всей планете, если гормоны насекомых будут присутствовать в биосфере так, как, например, в ней присутствует сейчас ДДТ. Поэтому мы можем только надеяться, что ответственные за это организации не допустят использования в практике ювенильного гормона или его аналогов до тех пор, пока не будет доказано, что их экологический эффект в отношении полезных видов насекомых, особенно для перепончатокрылых-опылителей и для полезных муравьев, не отрицателен.
В будущем главным качеством вновь выпускаемых инсектицидов должна быть их совместимость с гормональными средствами в интегрированной системе борьбы.
Взгляд в будущее
Хотя «живое вещество» насекомых включает большое разнообразие химических компонентов, по сравнению с внешним миром их состав весьма однообразен.
Гормоны насекомых, переносимые током крови, не имеют конкурентов, и в этом, возможно, причина, почему их действие так легко имитируется веществами, встречающимися в окружающей среде. Характер их действия, по-видимому, не обладает высокой избирательностью.
В своей химической защите растения, вероятно использовали эту возможность. Хвойные и покрытосеменные, филогенетически более древние растения, обычно более обеспечены аналогами гормонов насекомых и близкими им соединениями. Но мы знаем очень немного о том, какую роль играют эти вещества во взаимодействии между насекомым и растением и особенно — действительно ли они играют роль химической защиты.
Это относится к имитаторам или биоаналогам ювенильного гормона (в последнее время называемым «ювеноидами»), на которые мы смотрим с большими надеждами, как на средство борьбы с насекомыми-вредителями. К настоящему времени синтезировано уже более четырех тысяч таких веществ. На основании сказанного выше мы можем ожидать, что будут найдены как биоаналоги гормонов мозга, так и, возможно, игибиторы (тормозители) всех классов гормонов насекомых.
Отсюда очевидно, что химики обладают неограниченными возможностями для получения новых химических соединений, которые позволят организовать эффективную борьбу с насекомыми.
Ян де Вильде
голландский биолог, профессор.
Гормональная борьба с насекомыми // Наука и человечество. 1975. Сборник - М.: Знание, 1974. С. 147–153.