CC BY
25
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 5 - 6, 2015
УДК 577.332
УСТОЙЧИВОСТЬ МОЛЕКУЛ ФЕРОМОНОВ ЧЕШУЕКРЫЛЫХ НАСЕКОМЫХ К
ФАКТОРАМ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
'П.В. Артюшенко, 1,2Ф.Н. Томилин, 2А.А. Кузубов, 1,2 С.Г. Овчинников, 3П.Е. Цыкалова,
4 Т.М. Овчинникова
'Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 660036, Красноярск, Академгородок, 50
2Сибирский федеральный университет, 660041, Красноярск, пр.Свободный, 71 Международный научный центр исследования экстремальных состояний человека при Президиуме КНЦ СО РАН, Красноярск, Академгородок, 50 4Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, 660036, Красноярск, Академгородок. 50., е-mail: [email protected]
Экспериментальная оценка воздействия факторов внешней среды на молекулы феромонов представляет собой достаточно трудную техническую задачу, и в связи с этим свойства молекул феромонов и характеристики воздействия на них оценивались расчетным путем, с использованием квантово-химических методов Расчеты по устойчивости молекул феромонов лесных чешуекрылых насекомых к факторам внешней среды производились для компонентов феромонов лесных чешуекрылых (непарного шелкопряда Limantria dispar L., соснового шелкопряда Dendrolimus pini L. и сибирского шелкопряда Dendrolimus sibiricus superans Tschetv.) c помощью квантово-химического метода B3LYP. С помощью таких расчетов был смоделирован процесс перехода молекул из основного состояния в возбуждённое. Были определены длины волн поглощения света молекулами, значения дипольного момента и рассмотрен процесс перехода электронов с занятых молекулярных орбиталей на вакантные. На основании полученных расчетных данных был сделан вывод о возможной химической активности и устойчивости молекул феромонов при воздействии на них факторов окружающей среды. Проведенные расчеты показали, что на структуру феромонов возможно влияние внешних факторов, например солнечного света. Показано, что все рассчитанные молекулы феромонов способны поглощать в ультрафиолетовом диапазоне спектра. При этом переход молекулы феромона непарного шелкопряда в возбуждённое состояние может происходить под воздействием излучения в области дальнего ультрафиолета. Феромоны других насекомых поглощают в области ближнего ультрафиолета. Под действием света в молекулах феромонов могут изменяться межатомные расстояния и углы связи, что приводит к активации молекулы. Анализ связей между характеристиками поискового поведения отдельных видов чешуекрылых насекомых и квантово-химическими свойствами молекул феромонов может дать ключ к объяснению особенностей поведения особей этих видов.
Ключевые слова: чешуекрылые, коммуникация, феромоны, устойчивость, внешняя среда, конформеры, возбужденное электронное состояние, спектр поглощения, дипольный момент
Experimental evaluation of the impact of environmental factors on the pheromones molecule is a rather difficult technical problem, and therefore the properties of pheromone molecules and the characteristics of the impact on them is estimated by calculation using quantum-chemical methods. The calculation of stability of the forest lepidopteran insects pheromones molecules to the factors of medium made for the components of forest lepidopteran pheromones of gypsy moth Limantria dispar L., pine moth Dendrolimuspini L. and siberian moth Dendrolimus sibiricus superans Tschetv. using quantum-chemical method B3LYP/6-31(p,d). The transition of molecules from the ground state to an excited were calculated. It was defined wavelengths of the absorption of light by molecules, dipole moment, and the transition of electrons from the occupied molecular orbitales for vacant molecular orbitales was studied. Based on the calculated data it was concluded a possible chemical activity and stability of the pheromone molecules under impact of environmental factors. The calculations showed that the structure of the pheromones may be changes under influence of external factors, such as sunlight. It is shown that all of the calculated pheromone molecules are able to absorb in the ultraviolet range of the spectrum. The transfer of gypsy moth pheromone molecules in the excited state can occur under the influence of radiation in the far ultraviolet. Pheromones other insects absorb in the near ultraviolet. The interatomic distances and bond angles may be changed under the action of light and pheromone molecules may to activate. Analysis of the links between the characteristics of the search behavior of certain types of lepidopteran insects and quantum-chemical properties of molecules, pheromones may provide the key to the explanation of the behavior of these species.
Keywords: lepidoptera, communication, pheromones, stability, external environment, conformers, excited electronic state, absorption spectrum, dipole moment
ВВЕДЕНИЕ
Эволюционным решением задачи поиска партнера для размножения у насекомых стал механизм фе-ромонной коммуникации, связанный с выделением особями специфических для каждого вида химических веществ. У чешуекрылых насекомых феромоны выделяются самками, а самцы находят источник феромонов - самок по так называемой следовой
струе — потоку молекул феромонов, воспринимаемыми специфическими рецепторами (Murlis et al., 2000; Justus, Carde, 2002; Qian, Cowen, 2002). Данные о химическом составе феромонов отдельных видов насекомых сведены в открытую базу данных (www. pherobase.com). Анализ этих данных показывает, что молекулы феромонов чешуекрылых по своей химической структуре в основном относятся к углеводородам, алифатическим С10-С18 непредельным спиртам,
ацетатам непредельных спиртов, альдегидам, кето-нам и эпоксидам. Отдельный вид насекомых может иметь от одного до восьми компонентов феромонов (www.pherobase.com). Существенно меньше известно о деталях механизма собственно поиска и об алгоритмах, лежащих в основе процесса принятия решения о направлении движения. В частности, мало изучены особенности феромонной коммуникации, связанные с потерей информации в процессе передачи сигнала. Эти потери могут быть связаны с инактивацией молекул феромонов вследствие воздействия различных внешних факторов (света, химических веществ, встречающихся в воздухе, температуры воздуха и т.п.). В настоящей работе рассматривается возможность воздействия некоторых физических факторов внешней среды, в частности ультрафиолетового (УФ)-излучения, на молекулы феромонов. Так как экспериментальное изучение воздействия факторов внешней среды на молекулы феромонов представляет собой достаточно трудную техническую задачу, свойства молекул феромонов и характеристики воздействия на них оценивались расчетным путем, с использованием квантово-химических методов (Becke, 1993; Stephens et al., 1994; Lee et al., 1988).
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
В качестве объектов анализа выбраны молекулы феромонов непарного шелкопряда Limantria dispar L., соснового шелкопряда Dendrolimus pini L. и сибирского шелкопряда Dendrolimus sibiricus superans Tschetv. Феромон непарного шелкопряда диспарлюр состоит из одного компонента - (7R,8S)-u,re-7,8-эпокси-2-метилоктадекана, относящегося к классу эпокисей (Onufrieva et al., 2013; Thorpe et al., 2007; Bierl et al., 1970). Феромон соснового шелкопряда состоит из четырех компонентов. Основной компонент ^,Е)-5,7-додекадиеналь содержит диеновую и альдегидную функциональную группу. Добавочные компоненты относятся к классу сложных эфи-ров и непредельных спиртов: ^)-5-додекенилацетат,
(Е)-7-додекенилацетат, ^,Е)-5,7-додекадиенол. Феромон сибирского шелкопряда включает в себя два основных компонента: ^,Е)-5,7-додекадиеналь (альдегид) и ^,Е)-5,7-додекадиен-1-ол (спирт) и шесть добавочных, а именно три непредельных альдегида и три непредельных спирта: ^)-5-додекеналь, (E)-6-додекеналь, (Е)-7-додекеналь, ^)-5-додекен-1-ол, (E)-6-додекен-1-ол, (Е)-7-додекен-1-ол (Kong et al., 2007; Kirichenko et al., 2009; Gninenko, Orlinskii, 2002; Kova-lev et al., 1993; Klun et al., 2000; Khrimian et al., 2000).
Для расчета характеристик молекул феромонов был использован метод B3LYP (Hertwig, 1997; Tirado-Rives, Jorgensen, 2008) с базисом 6-31(p,d) программы GAMESS (Schmidt et al., 1993).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Одним из основных внешних факторов, способных воздействовать на молекулы феромонов, приводя к трансформации их структуры и даже их разложению, является свет. Структура молекул феромонов может изменяться также в результате реакции этих молекул с водой, в изобилии имеющейся в воздухе в виде водяных паров. В связи с этим было изучено влияние на молекулы феромонов светового излучения различных длин волн в видимом и ультрафиолетовом диапазонах, а также возможности взаимодействия различных молекул феромонов с водой.
Для всех рассматриваемых молекул были смоделированы конформеры, отличающиеся между собой различными углами между атомами углерода внутри скелета молекулы. В результате проведения процесса оптимизации геометрии набралось большое количество структур энергетически близких между собой (энергетическая разница между конформерами не превышала 5,5 кДж/моль). Примеры конформеров основных компонентов изученных молекул феромонов приведены на рисуноке 1. Для дальнейших расчетов характеристик молекул были выбраны наиболее устойчивые конформеры с наименьшим значением полной энергии.
Непарный шелкопряд
(7R,8S)-цис-7,8-эпокси-2-метилоктадекан
Сосновый шелкопряд
^Л)-5,7-додекадиеналь*
Сибирский шелкопряд
(Z,E)-5,7-додекадиен-1-oл
Рисунок 1 - Конформеры молекул феромонов непарного, соснового и сибирского шелкопрядов. *Данное вещество является также основным компонентом феромона Сибирского шелкопряда.
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 5 - 6, 2015
В качестве характеристик взаимодействий молекул со средой были использованы такие расчетные квантово-химические показатели, как значения ди-польных моментов (Д) молекул и длина волны (1), соответствующая максимуму поглощения света этими молекулами. В таблице 1 приведены значения длин волн светового изучения, достаточных для перевода молекулы в возбуждённое состояние, и соответствующей силы осциллятора С.О. (большая сила осциллятора соответствует более интенсивным переходам в спектре поглощения).
Таблица 1 — Спектральные характеристики молекул феромонов
Молекула феромона Дипольный момент, Д Длина волны X,, нм СО.
Непарный шелкопряд
(7К,88)-цис-7,8-эпокси-2- 2,0 144 0,03
метилоктадекан
Сосновый шелкопряд
^,Е)-5,7-додекадиеналь* 2,3 226 0,95
^,Е)-5,7-додекаднен-1-ол* 1,5 227 0,99
^)-5-додекенилацетат 1,8 170 0,71
(Е)-7-додекенилацетат 1,9 170 0,93
Сибирский шелкопряд
^)-5-додекеналь 2,6 171 0,55
(Е)-б-додекеналь 2,7 169 0,77
(Е)-7-додекеналь 2,6 169 0,78
(Е)-5-додекен-1-ол 1,2 171 0,74
(Е)-6-додекен-1-ол 1,4 170 0,88
(Е)-7-додекен-1-ол 1,7 173 0,35
*Данные вещества также входят в состав феромонов сибирского шелкопряда.
Как видно из приведенных в таблице данных, для молекул, содержащих сопряженные двойные связи,
(7R,8S)-цис-7,8-эпокси-2-метилоктадекан
длины волн поглощения составляют 226-227 нм, для молекул с одной двойной связью - от 169 нм до 173 нм. Длина волны поглощения для молекулы диспа-люра, не имеющей в структуре двойных связей, заметно короче и составляет 144 нм. Таким образом, излучение в области ближнего ультрафиолета способно поглощаться молекулами феромонов Б.рт и Б^иретт sibiricus, возбуждая эти молекулы. При этом возникает возможность разрыва двойных связей и распада этих молекул.
Все молекулы феромонов рассматриваемых насекомых относятся к кислородсодержащим веществам. Отрицательный заряд, концентрирующийся на атомах кислорода в исследуемых молекулах, составляет от -0,2 до -0,35. В целом можно сказать, что молекулы феромонов имеют достаточно большой дипольный момент от 1,2 Д до 2,7 Д. Известно, что для молекул с таким дипольным моментом возможно взаимодействие с полярными молекулами, содержащимися в воздухе, например с той же водой, дипольный момент которой равен 1,86 Д (Когановский, 1977). Как видно из табл.1, все изученные молекулы имеют дипольный момент, близкий к дипольному моменту воды, и при определенных дополнительных условиях способны взаимодействовать с ней. Такие взаимодействия могут приводить к уменьшению концентрации молекул феромонов в воздухе и к затуханию феромонного сигнала.
Помимо расчета спектральных характеристик молекул, связанных с переходом в возбужденное состояние, был проанализирован процесс перехода электронов при возбуждении с занятой молекулярной орбитали на вакантную орбиталь. Анализ этого процесса даёт информацию об относительной реакционной способности молекулы, и о возможных местах протекания химической реакции. На рисунке 2 представлена электронная структура молекулярных орбиталей некоторых феромонов, относящихся к разным классам веществ.
(2,Е)-5,7-додекадиеналь
(2,Е)-5,7-додекадиен-1 -ол
(Е)-7 -доде кенилацет ат
Рисунок 2 — Занятые (слева) и вакантные (справа) молекулярные орбитали молекул феромонов непарного, соснового и сибирского шелкопряда, участвующие в электронных переходах
У молекулы феромона непарного шелкопряда изменения электронной структуры наблюдаются преимущественно в области эпоксидного кольца. Это означает, что все химические процессы для дис-палюра в активном состоянии будут происходить у эпоксидной группы, и для данной молекулы возможны реакции с водой с образованием многоатомного спирта. Анализ электронной структуры молекул феромонов, содержащих двойные связи, показывает, что независимо от типа функциональной группы, процесс возбуждения идёт в области расположения двойной связи, при этом переход идет со связывающей орбитали на разрыхляющую орбиталь. Поэтому в молекулах феромонов сибирского и соснового шелкопрядов при переходе в возбужденное состояние будут происходить изменения геометрии в области расположения двойных связей. Например, для линейного конформера (2,Е)-5,7-додекадиеналя, содержащего систему сопряженных двойных связей, происходят следующие изменения: длина связи С5-С6 и С7-С8 увеличивается с 1,34 А до 1,42 А, длина связи С6-С7 уменьшается с 1,45 А до 1,36 А. Такие изменения могут, по всей видимости, влиять на способность сенсорного аппарата самцов воспринимать молекулы феромонов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные расчеты показали, что на структуру феромонов возможно влияние внешних факторов, например солнечного света. Показано, что все рассчитанные молекулы феромонов поглощают в ультрафиолетовом спектре. При этом переход молекулы диспалюра в возбуждённое состояние может происходить под воздействием излучения в области дальнего ультрафиолета. Феромоны других насекомых поглощают в области ближнего ультрафиолета. Под действием света в молекулах феромонов могут изменяться межатомные расстояния и углы связи, что приводит к активации молекулы. Полярность молекул феромонов позволяет предположить, что для них возможны реакции с полярными молекулами, например с Н2О, содержащейся в воздухе.
Однако возможность нахождения насекомыми половых партнеров указывает на то, что в процессе эволюции насекомые сумели компенсировать риски влияния внешних факторов на систему феромонной коммуникации. Так, риск дезактивации феромонов сибирского и соснового шелкопрядов повышается в утренние и дневные часы, когда уже достаточно велика интенсивность солнечной радиации, но влажность воздуха еще значительна. Максимум же поисковой активности сибирского шелкопряда, у которого молекулы феромона неустойчивы к внешним воздействиям, приходится на вечерние и ночные часы (К1ип et а1., 2000; Баранчиков и др., 2002; Петько, 2004), когда интенсивность УФ-излучения близка к нулю и риск затухания сигнала в феромонном коммуникационном канале минимален. Следует также принимать во внимание, что молекулы компонентов феромона сибир-
ского шелкопряда, выделенные самками в течение предыдущего вечера и ночи, могут в течение следующего светового дня дезактивироваться под воздействием УФ-излучения, что уменьшит уровень шума в феромонном канале к следующему вечеру. Тогда воздействие среды можно рассматривать как механизм, способствующий распаду молекул феромонов после окончания поиска друг друга особями разных полов. Поисковая же активность непарного шелкопряда наблюдается как в дневное, так и в вечернее время (Бедный, 1984; Кондаков, 2002), что хорошо согласуется с устойчивостью диспалюра к солнечной УФ-радиации.
Таким образом, анализ связей между характеристиками поискового поведения отдельных видов чешуекрылых насекомых и квантово-химическими свойствами молекул феромонов может дать ключ к объяснению особенностей поведения особей этих видов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Becke A.D. A new mixing of Hartree-Fock and local density-functional theories. // J. Chem. Phys. 1993.-No.8(2).-P. 1372-1377. Bierl B.A., Beroza M., Collier C.W. Potent sex attractant of the gypsy moth: its isolation, identification, and synthesis.// Science. 1970. - No. 170(953). - P.87-89. Gninenko Yu. I., Orlinskii A.D. Dendrolimus sibiricus in the coniferous forests of European Russia at the beginning of the twenty-first century.// EPPO BULLETIN. 2002. -No. 32. - P.481-483. Hertwig R.H., Koch W. On the parameterization of the local correlation functional: What is Becke-3-LYP.// Chem. Phys. Lett. 1997. - No.268. - P.345-351. Justus K.A., Carde R.T. Flight behavior of males of two moths, Cadra cautella and Pectinophora gossypiella, in homogeneous cloud of pheromone.// Physiological Entomology. 2002. - No. 27. - P.67-75. Khrimian A., Klun J.A., Hijji Y. Syntheses of (Z,E)-5,7-dodecadienol and (E,Z)-10,12-hexadecadienol, Lepidoptera pheromone components, via zinc reduction of enyne precursors. Test of pheromone efficacy against the Siberian moth.//J.Agr. Food.Chem. 2002. - No. 50(22). - P.6366-6370.
Kirichenko N. I., Baranchikov Y.N., Vidal S. Performance of the potentially invasive Siberian moth Dendrolimus superans sibiricus on coniferous species in Europe// Agricultural and forest entomology. 2009. - No.11. - P.247-254. Klun J. A., Baranchikov Yu. N., Mastro V. С. A Sex Attractant for the Siberian Moth — Dendrolimus Superans Sibiricus (Lepidoptera: Lasiocampidae) //J. Entomol. Sci. 2000. Vol. 36. P. 84—92.5.
Kong X.-B., Zhao C.-H., Wang R. Sex pheromone of the larch caterpillar moth, Dendrolimussuperans, from northeastern China// Entomologia experimentalis et Applicata. 2007. -No. 124. - P. 37-44. Kovalev B.G., Bolgar T. S., Zubov P.A., et al. Identification of additional components of the sex pheromone of Dendrolimus pini// Chemistry of Natural Compounds. 1993. - No. 29. - P.135-136. Lee C. Yang W., Parr R. G. Development of the Colle-Salvetti Correlation- Energy Formula into a Functional of the Electron// Density Phys. Rev. B. 1988. -No. 37. - P.785-789.
Хвойные бореальной зоны, XXXIII, № 5 - 6, 2015
Murlis J., Willis M.A., Carde R.T. Spatial and temporal structures of pheromone plumes in fields and forests.// Physiological Entomology. 2000. - No. 25. - P.211-222.
Onufrieva K.S., Thorpe K.W., Hickman A.D. Persistece of the Gypsy Moth Pheromone, Disparlure, in the Enviroment in Various Climates// Insects. 2013. - No. 4. - P.104-116.
Qian L., Cowen E.A. The information content of a scalar plume - A plume tracing perspective// Environmental Fluid Mechanics. 2002. - No. 2. - P. 9-34.
Schmidt M. W., Baldridge K.K., Boatz J.A., General Atomic and Molecular Electronic Structure System// J. Comput. Chem. 1993. - No. 14. - P.1347-1363.
Stephens P. J., Devlin F. J., Chabalowski C. F. and Frisch M. J. Ab Initio Calculation of Vibrational Absorption and Circular Dichroism Spectra Using Density Functional Force Fields// J. Phys. Chem. 1994. - No. 98(45). - P.11623-11627.
Thorpe K.W., Tscheslavskia K.S., Tobin P.C. Persistent effects of aerial applications of disparlure on gypsy moth: Trap catch and mating success // Entomol.Exp.Appl. 2007. - No. 125. - P.223-229.
Tirado-Rives J., Jorgensen W.L. Performance of B3LYP Density Functional Methods for a Large Set of Organic Molecules// J. Chem. Theory Comput. 2008. - No. 4. - Р 297-306. www.pherobase.com
Баранчиков Ю. Н., Вендило Н. В., Кондаков Ю. П. Мониторинг популяций сибирского шелкопряда в рамках проекта USAID «Лесные ресурсы и технологии» (ФО-РЕСТ) // Мониторинг состояния лесных и урбоэкоси-стем. М., 2002. С. 88—89. Бедный Н.С. Применение феромонных ловушек в надзоре
за непарным шелкопрядом. Кишинев, 1984. 186 с. Когановский А.М. Адсорбция растворенных веществ /
A. М. Когановский, А. М. Кириченко, Т. М. Левченко,
B. А. Кириченко. - Киев : Наук. думка, 1977. - 223с. Кондаков С.Ю. Организация и проведение феромонного
мониторинга за непарным шелкопрядом в лесах Красноярского края// Лесной журнал. 2002 . № 1. с. 44 - 47. Петько В.М. Феромонный мониторинг популяций сибирского шелкопряда. Автореф. дис. канд. биол. наук. Красноярск: ИЛ СО РАН, 2004. 18 с.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 13-04-00375, № 16-04-00132 А). Авторы выражают благодарность межведомственному суперкомпьютерному центру РАН г. Москва МВС-100К и комплексу высокопроизводительных вычислений ИКИТ СФУ за помощь в проведении расчетов.
Поступила в редакцию 10.09.15 Принята к печати 28.12.2015
