Тайная сила обоняния. Доверься носу. Иди за инстинктами

Но какую бы точку отсчета мы ни выбрали, ясно одно: люди оказывают огромное влияние на планету в целом, а также на каждый вдох и выдох, которые делаем мы и другие животные. Точно так же мы воздействуем на молекулы, которые содержатся в каждом из этих вдохов и выдохов.

Наш изменчивый обонятельный ландшафт

Во-первых, давайте посмотрим на естественные запахи и на то, как они меняются. Тысячу лет назад природа практически не подвергалась влиянию человека. Многие виды растений и животных вместе населяли поля и леса. Повсюду росли цветы. Ель и сосна соседствовали с лиственными деревьями. Ключевое понятие, характеризующее природу того времени, – биологическое разнообразие. Со временем люди все активнее вырубали или выжигали леса, превращали цветущие луга в пахотные земли. Все эти изменения привели к массовому распространению нашего вида и увеличению количества человеческих особей. В то же время постепенно происходили глубокие изменения в обонятельном ландшафте нашей среды.

Вместо смешанных лесов с их разнообразием пород мы создали крупномасштабные монокультуры деревьев. Соответственно, и запахи стали более простыми – сравним запах современного елового леса с ароматом древнего смешанного. Вы и сами можете сравнить, когда в следующий раз окажетесь в лесу.

Такое же упрощение происходило параллельно на полях. Огромные монокультуры теперь можно найти там, где раньше было большое биологическое разнообразие. Прерии Северной Америки превратились в бескрайние поля кукурузы и пшеницы. Та же участь постигла и европейские луга. Ощущая так называемые естественные запахи вокруг нас, мы должны осознавать, что обонятельный ландшафт претерпел значительные изменения. Как это произошло?

Разрушительная роль CO

Когда мы ведем автомобиль, летим в самолете или занимаемся промышленной деятельностью, мы выделяем много веществ, влияющих на климат и молекулярный состав атмосферы. Одним из наиболее широко освещаемых изменений, связанных с антропоценом, является увеличение в окружающей среде объема углекислого газа, CO

: оно способствует возникновению парникового эффекта, то есть резкому изменению глобальных температур, а также повышению кислотности океанов и общей дестабилизации климата[2 - Lindsey, R. (2020). Climate Change: Atmospheric Carbon Dioxide. Climate.gov. https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide (https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/climate-change-atmospheric-carbon-dioxide).].

CO

представляет собой слабо реакционноспособное соединение и не влияет напрямую на запахи в атмосфере, но может влиять на то, какие летучие вещества выделяет растение. Причина – в физиологических изменениях внутри растения. Углекислый газ увеличивает фотосинтез за счет сниженного потребления воды и изменения химического состава тканей растений[3 - Drake, B. G., Gonzalez-Meler, M. A. & Long, S. P. (1997). MORE EFFICIENT PLANTS: A Consequence of Rising Atmospheric CO

? Annual review of plant physiology and plant molecular biology, 48, 609–639. https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.48.1.609 (https://doi.org/10.1146/annurev.arplant.48.1.609).]. Колебания уровня CO

 также могут влиять на способность насекомых находить растения-хозяев. Мотыльки ощущают выброс CO

, который происходит при раскрытии цветка, и используют его, чтобы найти своих поставщиков нектара. Если насекомым трудно найти нужные цветы из-за повышенного фонового уровня CO

в воздухе, это сказывается как на опылении, так и на заражении вредителями[4 - Goyret, J., Markwell, P. & Raguso, R. (2008). Context- and scale-dependent effects of floral CO

on nectar foraging by Manduca sexta. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105, 45654570. 10.1073/pnas.0708629105.].

При повышенном фоновом уровне CO

комарам труднее найти «донора крови», потому что этот газ является одним из основных обонятельных сигналов, которые комары используют для распознавания своих хозяев (см. главу 9)[5 - Majeed, S., Hill, S. & Ignell, R. (2013). Impact of elevated CO

background levels on the host-seeking behaviour of Aedes aegypti. The Journal of experimental biology. 217.10.1242/jeb.092718.]. С точки зрения человека, это можно считать преимуществом, но есть и обратная сторона.

Уже доказано, что видообразование комаров резко ускоряется в периоды повышенного содержания CO

в атмосфере[6 - Tang, C., Davis, K. E., Delmer, C., Yang, D. & Wills, M. A. (2018). Elevated atmospheric CO

promoted speciation in mosquitoes (Diptera, Culicidae). Communications biology, 1, 182. https://doi.org/10.1038/s42003-018-0191-7 (https://doi.org/10.1038/s42003-018-0191-7).]. Это приводит к тому, что другие, более специфические запахи становятся эффективными в качестве потенциального механизма изоляции между новыми видами. С этой точки зрения прогнозируемое антропогенное повышение уровня CO

в атмосфере имеет важные последствия для здоровья человека и, потенциально, для эффективности опыления за счет изменения численности и распределения насекомых.

Так что на суше перспективы безрадостны. Но и в море не лучше. CO

растворяется в воде и образует угольную кислоту (H

CO

), которая увеличивает кислотность воды[7 - Haugan, P. M. & Drange, H. (1996). Effects of CO

on the ocean environment. Energy Conversion and Management, 37, 1019–1022. https://doi.org/10.1016/0196-8904 (https://doi.org/10.1016/0196-8904) (95)00292-8.]. Исследования показали, что такая вода ухудшает обоняние морских обитателей. И независимо от того, помогает ли им обоняние избегать врагов, находить пищу или партнера, более низкий уровень pH океана значительно влияет на их жизнь и затрудняет подобную деятельность[8 - Porteus, C., Hubbard, P., Uren Webster, T., van Aerle, R., Canario, A., Santos, E. & Wilson, R. (2018). Near-future CO

levels impair the olfactory system of a marine fish. Nature Climate Change. 8.10.1038/s41558-018-0224-8.]. Пока неизвестно, смогут ли морская экосистема и пищевая сеть адаптироваться к изменившимся условиям.

Увеличение содержания газов и сдвиги температуры

В отличие от CO

, озон (O

) и оксиды азота (NO

) могут оказывать прямое влияние на состав аромата благодаря своей окисляющей способности. В последнее время уровень обоих экологических токсинов в атмосфере увеличился и, как ожидается, продолжит расти[9 - Yeung, L. Y., Murray, L. T., Martinerie, P., Witrant, E., Hu, H., Banerjee, A., Orsi, A. & Chappellaz, J. (2019). Isotopic constraint on the twentieth-century increase in tropospheric ozone. Nature, 570 (7760), 224–227. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1277-1 (https://doi.org/10.1038/s41586-019-1277-1).]. По мере повышения уровня этих газов все более вероятно, что смесь запахов, которая помогает насекомым в поиске пищи, организмов-хозяев или мест откладывания яиц, изменится. Хотя каждый из этих аспектов имеет свои собственные последствия, взаимодействие между ними, в свою очередь, приведет к новым изменениям.

Газы NO

образуются везде, где мы сжигаем какое-либо топливо. Они опасны для здоровья сами по себе и, кроме того, вызывают кислотные дожди и смог. Закись азота, также известная как веселящий газ, тоже способствует глобальному потеплению.

Метан вырабатывается в ходе многих естественных процессов: часто приводят в пример газы в кишечнике и отрыжку у коров. Однако сейчас он в том числе высвобождается в результате оттаивания тундры и таким образом способствует еще большему повышению температуры.

Озон образует в стратосфере вокруг Земли естественный защитный слой, поглощающий солнечную радиацию. Одновременно в нижних слоях атмосферы это основной компонент смога: он получается при взаимодействии солнечного света с различными техногенными выбросами.

Помимо различных газов, существует много гербицидов, фунгицидов и инсектицидов, используемых для борьбы с вредными сорняками, грибками и насекомыми. Такие химические вещества также оказывают заметное влияние на восприятие запаха. И, наконец, многочисленные виды деятельности человека высвобождают ионы металлов, которые могут напрямую влиять на обоняние.

Изменения температуры воздуха и моря являются ключевыми признаками антропоцена. Повлияют ли они на то, как мы ощущаем мир? Повышение температуры окружающей среды может непосредственно воздействовать на состав аромата, поскольку количество отдельных веществ в смеси зависит от их летучести. Но в результате могут измениться и физиологические реакции отправителя и получателя.

Мир насекомых

В последние годы появились вызывающие тревогу исследования, показывающие, что насекомые исчезают. В некоторых регионах Германии, например, биомасса насекомых сократилась более чем наполовину[10 - Seibold, S., Gossner, M. M., Simons, N. K. et al. (2019). Arthropod decline in grasslands and forests is associated with landscape-level drivers. Nature, 574, 671–674. 10.1038/s41586-019-1684-3.]. Столь резкое изменение среды обитания имеет серьезные последствия и для людей. Популяции пчел снижаются, а это означает, что фруктовые деревья не опыляются и мед не производится. Также страдают шмели и некоторые другие полезные виды насекомых.

И это еще не все. Насекомые являются основой питания многих птиц, поэтому пернатым не хватает пищи. Может ли уменьшение численности насекомых быть вызвано воздействием газов и загрязнения на запахи и обоняние? Это кажется вероятным, по крайней мере частично. Несколько исследований различных систем показали, что запахи меняются из-за выделяемых нами газов.

Например, опыление насекомыми. Коэволюция на протяжении миллионов лет настраивала взаимодействие цветов и насекомых к их взаимной выгоде (ну, в большинстве случаев; см. главу 13). Насекомые используют внешний вид цветов в первую очередь для ориентирования на больших расстояниях, а запах – при приближении. Если насекомое находит цветок, оно опыляет растение и получает в награду нектар и пыльцу. Однако здесь мы имеем дело с уязвимой системой. Мы можем доказать эту уязвимость, нарушив близкое обонятельное взаимодействие между цветком и насекомым (подробнее об этом исследовании см. в главе 7).

Если аромат цветка исчезает, то и опыление не происходит, и насекомое не может собрать нектар. Но поскольку это очень уязвимая система, для прерывания связи достаточно не полного исчезновения, а просто изменения запаха. И именно это происходит в результате загрязнения атмосферы газами, особенно озоном.

Воздействие озона

Озон обладает сильным окислительным действием, то есть он запускает химические реакции в других молекулах. В ходе эксперимента в моей лаборатории табачные бражники летели к определенному цветку в аэродинамической трубе. Сначала мы смоделировали условия, существующие сегодня в природе. Бражники быстро нашли цветок, опылили его и забрали нектар. Затем мы подвергли цветок воздействию озона в повышенной концентрации и снова наблюдали за поведением бабочек. Теперь насекомые явно потеряли ориентацию и уже не могли найти цветы. Когда мы проанализировали, какие молекулы выделяются из бутонов, оказалось, что вместо некоторых из них возникло другое вещество с совершенно другим запахом.

При таких концентрациях озона, которые возникают в теплые дни в ряде регионов мира, эффективность опыления растений насекомыми заметно снижалась. В ходе наших экспериментов мы исследовали, может ли воздействие озона уменьшить умение насекомых приспосабливаться. Именно это мы и обнаружили.

Если бы мы предложили мотыльку «новый» цветочный запах вместе с мощными визуальными сигналами, однократного восприятия нового запаха вместе с наличием нектара было бы достаточно, чтобы бабочка в будущем летела к богатому озоном запаху и воспринимала его как сигнал присутствия пищи[11 - Cook, B., Haverkamp, A., Hansson, B. S. et al. (2020). Pollination in the Anthropocene: a Moth Can Learn Ozone-Altered Floral Blends. Journal of Chemical Ecology. 1–10. 10.1007/s10886-020-01211-4.]. Как сказал Ян Малкольм в «Парке юрского периода»: «Жизнь всегда находит выход».

Однако в большинстве случаев выяснялось, что высокий уровень озона оказывает пагубное влияние на эффективность опыления пчелами, шмелями, мотыльками и другими насекомыми. То же самое относится и к другим газам – например, к выхлопным газам дизельных двигателей[12 - Girling, R., Lusebrink, I., Farthing, E. et al. (2013). Diesel exhaust rapidly degrades floral odours used by honeybees. Scientific Reports, 3, 2779. https://doi.org/10.1038/srep02779 (https://doi.org/10.1038/srep02779).]. Очевидно, что мы должны сделать все возможное, чтобы ограничить выбросы таких газов и максимально сократить их количество.

В другом исследовании моя коллега Джеральдин Райт изучала воздействие современных пестицидов на пчел-опылителей. Неоникотиноиды, в настоящее время наиболее широко используемые в мире инсектициды, менее вредны для птиц и млекопитающих, чем старые карбаматы и фосфорорганические соединения. Считалось, что меньшие количества менее вредны для полезных пчел. Однако, когда Джеральдин изучала обонятельные способности у медоносных пчел, подвергшихся воздействию неоникотиноидов в очень низких концентрациях, было обнаружено, что они серьезно нарушены[13 - Kessler, S., Tiedeken, E. J., Simcock, K. L., Derveau, S., Mitchell, J., Softley, S., Stout, J. C. & Wright, G. A. (2015). Bees prefer foods containing neonicotinoid pesticides. Nature, 521 (7550), 74–76. https://doi.org/10.1038/nature14414 (https://doi.org/10.1038/nature14414).]. И в этом случае обонятельная коммуникация и навыки, лежащие в ее основе, пострадали от действий людей.