Chemická ekologie - Chemical ecology
Chemická ekologie je studium chemicky zprostředkovaných interakcí mezi živými organismy a účinků těchto interakcí na demografii, chování a konečný vývoj zúčastněných organismů. Jedná se tedy o rozsáhlý a vysoce interdisciplinární obor.[1][2] Chemičtí ekologové se snaží identifikovat konkrétní molekuly (tj. semiochemikálie ), které fungují jako zprostředkující signály společenství nebo ekosystém procesy a porozumět vývoji těchto signálů. Látky, které v takových rolích slouží, jsou obvykle malé a snadno rozptýlené organické molekuly, ale může také zahrnovat malé peptidy.
V praxi se chemická ekologie do značné míry spoléhá chromatografické techniky, jako tenkovrstvá chromatografie, vysoce účinná kapalinová chromatografie, a plynová chromatografie, izolovat a identifikovat bioaktivní metabolity. K identifikaci molekul s vyhledávanou aktivitou chemičtí ekologové často používají frakcionaci řízenou biotestem. Dnes chemičtí ekologové také začleňují genetické a genomické techniky k pochopení biosyntetický a signální transdukce cesty, které jsou základem chemicky zprostředkovaných interakcí.[3]
Chemická ekologie rostlin

Chemická ekologie v rostlinách je studie, která integruje chemické a biologické vlastnosti rostlin a jejich interakci s biotickým prostředím (např. Mikroorganismy, fytofágní hmyz a opylovači).
Interakce rostlin a hmyzu

Chemická ekologie interakce rostlin a hmyzu je významným podoblastem chemické ekologie.[2][4][5] Zejména rostliny a hmyz jsou často součástí chemické látky evoluční závod ve zbrojení. Jak rostliny vyvíjejí chemickou obranu proti bylinožravcům, hmyz, který se jimi živí, si vytváří imunitu vůči těmto jedům a v některých případech tyto jedy znovu používá pro své vlastní chemická obrana proti predátorům. Jedním z nejznámějších příkladů je motýl monarcha, jejichž housenky se živí druh mléka rostlina. Milkweeds obsahují kardenolid toxiny, ale housenky motýlů monarchy ano vyvinul zůstat nedotčen toxinem. Místo toho vylučují toxiny během jejich larválního stádia a jed zůstává v dospělosti, což je pro dravce nechutné. Existuje mnoho dalších takových příkladů, včetně tabákového hornworm Manduca sexta housenky, které aktivně sekvestrují nikotin nalezen v tabákové rostliny;[4] a bella můra, který vylučuje a chinon -obsahující pěnu z hlavy, když je narušen potenciálním predátorem získaným při krmení Chřestnatec druh jako housenka.
Chemičtí ekologové také studují chemické interakce spojené s nepřímá obrana rostlin, jako je přitažlivost predátoři a parazitoidy vyvolané býložravci těkavé organické sloučeniny (VOC).
Interakce rostlin a mikrobů
Rostliny také interagují s mikroorganismy. Aby to bylo možné, musí mikroby vytvořit rozhraní mezi nimi a rostlinou tím, že do rostliny narostou jejím povrchem. K tomu je třeba, aby mikroby prolomily ochrannou vrstvu hydrofobní voskovitá vrstva na povrchu rostliny. Za tímto účelem mikroorganismy vylučují speciální tekutiny, které štěpí tuky z kutikuly.[6]
V mnoha případech jde o chemickou ekologii rostlin vzájemné interakce s jinými organismy. Jedním z nich je interakce s houbami, zejména mycorrhizae - kde houby tvoří obal na vnější straně kořenů, nebo pronikají kořeny rostoucími mezi kořenovými buňkami, a dokonce protlačují buněčné stěny jednotlivých kořenových buněk. V tomto vztahu houby produkují chemikálie, které rozkládají organickou hmotu v půdě kolem kořene, absorbují anorganické živiny uvolněné tímto rozklad díky mnohem většímu povrchu nití hub, ve srovnání s absorpčním povrchem kořene, a prochází částí vody a živin, což výrazně zvyšuje schopnost kořenů rostlin extrahovat živiny a vodu z půdy. Houby mohou také poskytovat chemickou ochranu (antibiotika ) proti škodlivým bakteriím a houbám v půdě.[7]
Interakce rostlina-rostlina
Alelopatie
Mnoho příkladů alelopatický soutěž byly kontroverzní kvůli obtížnosti pozitivního prokázání příčinné souvislosti mezi alelopatickými látkami a výkonem rostlin v přírodních podmínkách,[8] ale je všeobecně přijímáno, že fytochemikálie se účastní konkurenčních interakcí mezi rostlinami. Jedním z nejjasnějších příkladů alelopatie je výroba juglone podle ořechové stromy, jejichž silné konkurenční účinky na sousední rostliny byly ve starověkém světě uznány již v roce 36 př.[9]
Komunikace mezi rostlinami
Rostliny spolu komunikují prostřednictvím vzdušných a podzemních signálů. Diskutuje se o tom, do jaké míry toto sdělení odráží historii aktivního výběru kvůli vzájemnému prospěchu na rozdíl od „odposlechu“ narážek neúmyslně emitovaných sousedními rostlinami.[10]
Mořská chemická ekologie
Mořská chemická ekologie je způsob, jakým organický život v mořském prostředí používá chemikálie k jídlu, interakci, reprodukci a přežití, od mikroskopického fytoplanktonu po mnoho druhů korýšů, hub, korálů a ryb.
Obrana

Používání chemických látek se často používá jako prostředek k přežití mořských organismů. Nějaký korýši a mesograzery, tak jako Pseudamphithoides incvaria, použijte zejména řasy a mořské řasy jako prostředek odrazení zakrytím jejich těl v těchto rostlinách. Tyto rostliny produkují alkoholy jako je pachydictyol-A a dictyol-E, které zabraňují predace korýšů. Pokud tyto mořské řasy chybí nebo se nosí jiné mořské řasy bez těchto alkoholů, je rychlost konzumace těchto korýšů mnohem vyšší. Ostatní korýši používají svou přirozenou obranu v kombinaci s vyrobenými chemikáliemi k obraně. Chemikálie v jejich moči je pomáhají koordinovat do skupin. To v kombinaci s jejich hroty z nich dělá mnohem těžší cíl pro predátory.[11] Ostatní vylučují sliz nebo toxiny které ztěžují predátorům jejich snědení, jako je bezohledná podrážka, Pardachirus marmoratus, který používá toxin schopný paralyzovat čelisti rádoby dravce. Mnoho zoanthidy produkují silné toxiny, jako např palytoxin, což je jedna z nejjedovatějších známých látek. Některé druhy zooanthidů jsou velmi pestrobarevné, což může svědčit o aposematic obrana.[12]
Reprodukce
Chemická komunikace je pro reprodukci mořských organismů velmi důležitá. Některé procesy jsou relativně jednoduché, například přitahování jednoho jedince k druhému. mužský lampreys přilákat ovulující ženy emitováním žluči, kterou lze detekovat mnoho metrů po proudu.[13] Jiné procesy mohou být složitější, například zvyky při páření krabů. Vzhledem k tomu, že páření lze provést pouze krátce po samici líná
z její ulity, feromony jsou produkovány a šířeny močí před a po procesu línání.

Samci krabů je detekují a budou bránit potenciálního partnera, dokud se skořápka nerozpustí. Avšak kvůli kanibalistické tendenci krabů je samicí produkován další feromon, který potlačuje toto nutkání. Tyto feromony jsou velmi účinné a vedly k příkladům, kdy se krabi pokoušeli kopulovat s kameny nebo houbami vystavenými těmto feromonům.[11]
Dominance
Určující dominance mezi korýši jsou velmi úzce spjaty s chemickými podněty. Když korýši bojují o určení dominance, uvolňují moč, což pomáhá určit vítěze. Po ukončení boje se oba jednotlivci v budoucnu navzájem poznají pomocí moči, přičemž si budou pamatovat, kdo je mezi nimi dominantní, a vyhnou se tak boji. To může mít také dopad na budoucí boje. Když je jedinec vystaven moči dominantního korýša, bude působit submisivněji a opačně, bude-li vystaven moči subdominantního jedince. Když jednotlivci nejsou schopni komunikovat prostřednictvím moči, boje mohou být delší a nepředvídatelnější.[11]
Aplikace chemické ekologie

Hubení škůdců
Chemická ekologie byla použita při vývoji strategií udržitelné ochrany proti škůdcům. Semiochemikálie (zejména hmyz sexuální feromony ) jsou široce používány v integrovaná ochrana proti škůdcům pro dohled, odchyt a narušení páření škodlivého hmyzu.[14] Na rozdíl od běžných insekticidů jsou feromonové metody hubení škůdců obecně druhově specifické, netoxické a extrémně účinné. V lesnictví se hromadné odchyty úspěšně používaly ke snížení úmrtnosti stromů kůrovec zamoření v smrkových a borových lesích a od palmové nosatce na palmových plantážích.[14] Ve vodním systému sexuální invazivní feromon mořský mihule byl registrován Agenturou pro ochranu životního prostředí USA pro nasazení do pastí.[15] V Keni byla vyvinuta strategie na ochranu skotu před trypanosomiáza rozšířil o Tsetse létat aplikací směsi repelentních pachů pocházejících z jiného než hostitelského zvířete waterbuck.[16]
Úspěšný ochrana proti škůdcům v zemědělství systém využívá chemických podnětů z rostlin s meziplodinami k udržitelnému zvýšení zemědělských výnosů. Účinnost zemědělství typu „push-pull“ závisí na mnoha formách chemické komunikace. Ačkoli byla metoda push-pull vynalezena jako strategie pro ovládání můr vyvrtávajících stonky prostřednictvím manipulace těkavých látek narážky na hledání hostitele, bylo později zjištěno, že alelopatické látky vylučované kořeny Desmodium spp. také přispívají k potlačení škodlivých parazitických plevelů, Striga.[17]
Objevy vývoje léčiv a biochemie
Velká část komerčních drog (např. aspirin, ivermektin, cyklosporin, taxol ) jsou odvozeny z přírodních produktů, které se vyvinuly díky jejich zapojení do ekologických interakcí. I když bylo navrženo, že studium přírodní historie by mohlo přispět k objevování nových vede droga „většina léčiv získaných z přírodních produktů nebyla objevena kvůli předchozím znalostem jejich ekologických funkcí.[18] Mnoho základních biologických objevů však bylo usnadněno studiem rostlinných toxinů. Například charakteristika nikotinový acetylcholinový receptor, první neurotransmiter Receptor, který má být identifikován, vyplývá z vyšetřování mechanismů působení kurare a nikotin. Podobně muskarinový acetylcholinový receptor odvozuje svůj název od houbového toxinu muskarin.[19]
Historie chemické ekologie
Po roce 1950

V roce 1959 Adolf Butenandt identifikoval první vnitrodruhový chemický signál (bombykol ) z hedvábného můry, Bombyx mori, s materiálem získaným rozemletím 500 000 můr.[20] Ve stejném roce Karlson a Lüscher navrhli termín „feromon“ k popisu tohoto typu signálu.[21] Také v roce 1959 zveřejnil Gottfried S. Fraenkel svůj mezník „Raison d'être sekundárních rostlinných látek“, který argumentoval, že sekundární metabolity rostlin se vyvinuly tak, aby chránily rostliny před býložravci.[22] Společně tyto články označily začátek moderní chemické ekologie. V roce 1964 Paul R. Ehrlich a Peter H. Raven spoluautorem příspěvku, který navrhuje jejich vlivnou teorii uniknout a vyzařovat koevoluci, který naznačoval, že evoluční „závod ve zbrojení“ mezi rostlinami a hmyzem může vysvětlit extrémní diverzifikaci rostlin a hmyzu.[23] Myšlenka, že rostlinné metabolity mohou nejen přispět k přežití jednotlivých rostlin, ale může také ovlivnit širokou škálu makroevoluční se ukázalo být velmi vlivným.
V 60. a 70. letech rozšířila řada rostlinných biologů, ekologů a entomologů tuto linii výzkumu ekologických rolí sekundárních metabolitů rostlin. Během tohoto období Thomas Eisner a jeho blízký spolupracovník Jerrold Meinwald zveřejnil sérii klíčových článků o chemické obraně u rostlin a hmyzu.[24][25] Řada dalších vědců v Cornellu během tohoto období také pracovala na tématech souvisejících s chemickou ekologií, včetně Paula Feenyho, Wendell L. Roelofs, Robert Whittaker a Richard B. Root. V roce 1968 byl v Cornellu zahájen první kurz chemické ekologie.[26] V roce 1970 vytvořili Eisner, Whittaker a mravenec biolog William L. Brown, Jr. allomon (k popisu semiochemikálií, které prospívají vysílači, ale nikoli přijímači) a kairomon (k popisu semiochemikálií, z nichž má prospěch pouze příjemce).[27] Whittaker a Feeny publikovali v roce 2006 vlivnou recenzi Věda Následující rok shrnuje nedávný výzkum ekologických rolí chemické obrany u široké škály rostlin a živočichů a pravděpodobně představí Whittakerovu novou taxonomii semiochemikálií širšímu vědeckému publiku.[28] V této době Lincoln Brower také publikoval řadu důležitých ekologických studií o monarchovém sekvestraci cardenolidů. Brower byl připočítán k popularizaci pojmu „ekologická chemie“, který se objevil v názvu článku, který publikoval v Věda v roce 1968[29] a znovu následující rok v článku, pro který napsal Scientific American, kde se tento výraz objevil také na přední obálce pod obrazem obřího bluejay, tyčícího se nad dvěma motýly monarchy.[21][30]
Specializované Journal of Chemical Ecology byla založena v roce 1975 a časopis, Chemoekologie, byla založena v roce 1990. V roce 1984 byla založena Mezinárodní společnost chemické ekologie a v roce 1996 společnost Max Planck Institute of Chemical Ecology byla založena v Jeně v Německu.[21]
Viz také
- Chemická obrana
- Feromon
- Květen R. Berenbaum
- Lincoln Brower
- Thomas Eisner
- Jerrold Meinwald
- Wendell L. Roelofs
- Unikněte a vyzařujte koevoluci
Reference
- ^ „Co je chemická ekologie? | Chemická ekologie“. NCBS. Citováno 2017-12-10.
- ^ A b Dyer, Lee A .; Philbin, Casey S .; Ochsenrider, Kaitlin M .; Richards, Lora A .; Massad, Tara J .; Smilanich, Angela M .; Forister, Matthew L .; Parchman, Thomas L .; Galland, Lanie M. (2018-05-25). „Moderní přístupy ke studiu interakcí rostlin a hmyzu v chemické ekologii“. Nature Chemistry. 2 (6): 50–64. doi:10.1038 / s41570-018-0009-7. ISSN 2397-3358.
- ^ Meinwald, J .; Eisner, T. (19. března 2008). "Chemická ekologie ve zpětném pohledu a perspektivě". Sborník Národní akademie věd. 105 (12): 4539–4540. doi:10.1073 / pnas.0800649105. ISSN 0027-8424. PMC 2290750. PMID 18353981.
- ^ A b Mithfer, Axel; Boland, Wilhelm; Maffei, Massimo E. (2008), „Chemická ekologie interakcí rostlin a hmyzu“, Molekulární aspekty odolnosti rostlinných chorob, Wiley-Blackwell, str. 261–291, doi:10.1002 / 9781444301441.ch9, ISBN 9781444301441
- ^ Dyer, Lee A .; Philbin, Casey S .; Ochsenrider, Kaitlin M .; Richards, Lora A .; Massad, Tara J .; Smilanich, Angela M .; Forister, Matthew L .; Parchman, Thomas L .; Galland, Lanie M. (2018-05-25). „Moderní přístupy ke studiu interakcí rostlin a hmyzu v chemické ekologii“. Nature Chemistry. 2 (6): 50–64. doi:10.1038 / s41570-018-0009-7. ISSN 2397-3358.
- ^ Müller, Caroline; Riederer, Markus (2005). "Vlastnosti povrchu rostlin v chemické ekologii". Journal of Chemical Ecology. 31 (11): 2621–2651. doi:10.1007 / s10886-005-7617-7. ISSN 0098-0331. PMID 16273432.
- ^ Spiteller, Peter (2015). "Chemická ekologie hub". Zprávy o přírodních produktech. 32 (7): 971–993. doi:10.1039 / C4NP00166D. PMID 26038303.
- ^ Duke, S. O. 2010. Allelopathy: Současný stav výzkumu a budoucnost oboru: Komentář.
- ^ Willis, R. J. 2000. Juglans spp., Juglone a allelopathy. Allelopathy Journal 7: 1–55.
- ^ Heil, M. a R. Karban. 2010. Vysvětlení vývoje rostlinné komunikace vzdušnými signály. Trends in Ecology & Evolution 25: 137–144.
- ^ A b C Hay, Mark E. (2009). „Marine Chemical Ecology: Chemical Signals and Cues Structure Marine Population, Communities, and Ecosystems“. Výroční zpráva o námořní vědě. 1: 193–212. Bibcode:2009 ARMS .... 1..193H. doi:10.1146 / annurev.marine.010908.163708. ISSN 1941-1405. PMC 3380104. PMID 21141035.
- ^ Bakus, Gerald J .; Targett, Nancy M .; Schulte, Bruce (1986). "Chemická ekologie mořských organismů: Přehled". Journal of Chemical Ecology. 12 (5): 951–987. doi:10.1007 / bf01638991. ISSN 0098-0331. PMID 24307042.
- ^ Li, Weiming; Scott, Alexander P .; Siefkes, Michael J .; Yan, Honggao; Liu, Qin; Yun, Sang-Seon; Gage, Douglas A. (04.04.2002). „Kyselina žlučová vylučovaná mužským mořským mihule, který působí jako sexuální feromon“. Věda. 296 (5565): 138–141. doi:10.1126 / science.1067797. ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 Šek
| issn =
hodnota (Pomoc). PMID 11935026. Citováno 2020-10-19. - ^ A b Witzgall, P., P. Kirsch a A. Cork. 2010. Sexuální feromony a jejich dopad na ochranu před škůdci. J Chem Ecol 36: 80–100.
- ^ KleinJan. 20, K., 2016 a 1:30 Pm. 2016. Tak dlouhé přísavky! Sexuální feromon může bojovat proti ničivým lampám.
- ^ Saini, R. K., B. O. Orindi, N. Mbahin, J. A. Andoke, P. N. Muasa, D. M. Mbuvi, C. M. Muya, J. A. Pickett a C. W. Borgemeister. 2017. Ochrana krav na malých farmách ve východní Africe před mouchami tse-tse napodobením pachového profilu hostitele, který není hostitelem. PLOS zanedbané tropické nemoci 11: e0005977. Veřejná knihovna vědy.
- ^ Khan, Z., C. Midega, J. Pittchar, J. Pickett a T. Bruce. 2011. Technologie Push — pull: přístup zachování zemědělství pro integrovanou správu hmyzích škůdců, plevelů a zdraví půdy v Africe. International Journal of Agricultural Sustainability 9: 162–170. Taylor & Francis.
- ^ Caporale, L. H. 1995. Chemická ekologie: pohled z farmaceutického průmyslu. Sborník Národní akademie věd 92: 75–82.
- ^ Martindale, R. a R. A. J. Lester. 2014. O objevu kanálu nikotinových acetylcholinových receptorů. Str. 1-16 in R. A. J. Lester, ed. Nikotinové receptory. Springer, New York, NY.
- ^ Wyatt, T. D. 2009. Padesát let feromonů. Nature 457: 262–263. Nature Publishing Group.
- ^ A b C Bergström, G. 2007. Chemická ekologie = chemie + ekologie! Čistá a aplikovaná chemie 79: 2305–2323.
- ^ Fraenkel, G. S. 1959. Raison d’Être sekundárních rostlinných látek: Tyto zvláštní chemikálie vznikly jako prostředek k ochraně rostlin před hmyzem a nyní vedou hmyz k jídlu. Science 129: 1466–1470. Americká asociace pro rozvoj vědy.
- ^ Ehrlich, P. R. a P. H. Raven. 1964. Motýli a rostliny: Studie v koevoluci. Evoluce 18: 586–608.
- ^ Eisner, Thomas (04.12.1964). „Catnip: Je to Raison d'Être“. Věda. 146 (3649): 1318–1320. doi:10.1126 / science.146.3649.1318. ISSN 1095-9203 0036-8075, 1095-9203 Šek
| issn =
hodnota (Pomoc). PMID 14207462. Citováno 2020-10-25. - ^ Eisner, Thomas; Meinwald, Jerrold (1966). „Obranné sekrece členovců“. Věda. 153 (3742): 1341–1350. ISSN 0036-8075. JSTOR 1719969. Citováno 2020-10-25.
- ^ http://www.chemicalecology.cornell.edu/historyandintro.html
- ^ Brown, W. L., T. Eisner a R. H. Whittaker. 1970. Allomony a kairomony: transspecifičtí chemičtí poslové. BioScience 20: 21–21. Oxford Academic.
- ^ Whittaker, R. H. a P. P. Feeny. 1971. Allelochemics: Chemical Interactions between Species. Science 171: 757–770. Americká asociace pro rozvoj vědy.
- ^ Brower, L. P., W. N. Ryerson, L. L. Coppinger a S. C. Glazier. 1968. Ekologická chemie a chutné spektrum. Science 161: 1349–1350. Americká asociace pro rozvoj vědy.
- ^ https://monarchwatch.org/blog/2018/08/02/dr-lincoln-brower/
Další čtení
- Berenbaum MR & Robinson GE (2003). „Chemická komunikace v postgenomickém světě [úvodní článek Kolokvia]“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 100 (Suppl 2, 25. listopadu): 14513. Bibcode:2003PNAS..10014513B. doi:10.1073 / pnas.2335883100. PMC 304109. PMID 14595008.
- Wajnberg, Eric; Colazza, Stefano (2013). Chemická ekologie parazitoidů hmyzu. Blackwell. ISBN 978-1118409527.
- Putnam, A. R. (1988). „Alelochemikálie z rostlin jako herbicidy“ Technologie plevelů. 2(4): 510-518.
externí odkazy
- Nové antibiotikum pro africké mravence, které údajně chrání hmyzí houby symbióza kontrolou bakteriálních infekcí
- Čichání rostlinného zápachu
- Mezinárodní společnost chemické ekologie
- „Hledání: Recenze chemické ekologie“. PubMed. Americká národní lékařská knihovna.