Валерий Балаян - Химический язык насекомых
Известно, что «нос» насекомых может различить самый тонкий аромат среди множества других запахов. Современные химики-аналитики также научились выделять определенные пахучие молекулы из огромного количества химических веществ. Исследователи делают это с помощью новейших методов анализа, один из которых — хроматография.
Этот метод был открыт русским ученым М. С. Цветом в 1906 г. Исследователь еще в юношеские годы заинтересовался тайной зеленого пигмента — хлорофилла. Изучая этот пигмент — «трансформатор» энергии солнечных лучей в энергию химических связей молекул, ученый совершил важное научное открытие. Он изобрел великолепный метод разделения органических веществ, основанный на различной способности их к адсорбции. Используя для разделения зеленых пигментов производные петролейного эфира, М. С. Цвет наблюдал две окрашенные полоски — темно-зеленую и синюю (хлорофиллы а и в). Работая со смесью пигментов из листьев крапивы, ученый с помощью специальной колонки (цилиндра из стекла) получил такое расположение разноцветных слоев: верхний — бесцветный, затем желтый, снова светлый, желто-зеленый, зеленовато-синий, три слоя желтых и последний — светло-серый. Почти настоящая радуга! Химические компоненты зеленого пигмента расположились друг за другом в колонке с адсорбентом, и эту разноцветную картину можно было уже идентифицировать как качественно так и количественно. Красный столбик с пигментом ученый назвал хроматограммой, а сам способ такого разделения сложных веществ — хроматографическим методом. М. С. Цвет, как и многие другие скромные труженики науки, не получил при жизни признания и высокого положения в обществе, но вклад его в науку по достоинству оценен учеными XX в.
Метод, открытый русским ученым, произвел научную революцию во многих областях человеческого знания: биологии, химии, физике и медицине. Благодаря хроматографии стало возможным быстро и точно определить строение и химический состав белков, удалось расшифровать состав очень редких и загадочных веществ, пришельцев из космоса — углистых хондритов. Этот метод широко применяется для анализа загрязнения окружающей среды и установки правильного диагноза в клинических лабораториях. Для химиков хроматографический метод стал надежным помощником в исследованиях молекул: от простых газов до сложнейших углеводородов и аминокислот. Без хроматографии не обходятся и исследователи феромонов. Со временем открытия «молекул любви» тутового и непарного шелкопрядов и до наших дней этот метод надежно служит охотникам за молекулами.
Так, для разделения экстрактов из насекомых применяют различные виды хроматографического анализа. Результаты его регистрирует перо самописца, вырисовывая множество низких и высоких пиков. Например, при расшифровке феромона тутового шелкопряда бомбикола ученые наблюдали около 30 различных пиков.
Со времени открытия этого пахучего вещества положение дел у охотников за летучими молекулами значительно улучшилось. Благодаря современным методам исследований стало возможно определить содержание изучаемого феромона в массе вещества менее 0,1 мг. Если доктору А. Бутенандту потребовалось 20 лет на разгадку тайны пахучих молекул шелкопряда, то сейчас в течение 2...3 лет ученые расшифровывают структуру аттрактантов десятков насекомых. Стали известны химические формулы феромонов яблонной плодожорки, хлопкового долгоносика, бабочки-гелехиды, медоносной пчелы, капрового жука и других шестиногих. Теперь известно, что для общения на химическом языке насекомые пользуются многоатомными спиртами, эфирами, кетонами и различными циклическими соединениями. В настоящее время исследователи обладают целым арсеналом средств для разгадки строения пахучих молекул. В этом химикам в значительной степени помогли физики, и прежде всего тем, что создали физико-химические методы анализа органических веществ. Однако для успешного решения задачи мало располагать точными методами и сложными приборами, без которых сейчас не обходится ни одна аналитическая лаборатория. Охотнику за молекулами-невидимками нужно иметь глубокие знания и опыт, а также уметь правильно сделать выбор методики, необходимой в каждом конкретном случае.
Для разделения смеси феромонов химики, как правило, пользуются методом газо-жидкостной хроматографии. Обладая высокой чувствительностью, он позволяет обнаружить одну молекулу искомого феромона среди 1012 молекул газа-носителя. Сущность этого метода заключается в том, что смесь пахучих молекул пропускают через колонку с неподвижной жидкой фазой при помощи инертного газа. Компоненты смеси разделяются в зависимости от их свойств между газовым потоком и неподвижной фазой и выходят из колонки в определенном порядке. Затем они регистрируются специальными детекторами и записываются в форме пиков на перфоленте хроматографа. Для идентификации полученных компонентов сравнивают их показатели при разделении на колонке с аналогичными параметрами известных чистых веществ — «свидетелей». На проведение такого анализа уходят минуты, а его возможности позволяют не только разделить смесь феромонов, но и накопить отдельные вещества в количестве, необходимом для дальнейшей работы.
Однако даже самый совершенный газовый хроматограф не позволяет расшифровать структуру молекул изучаемых веществ. Для того чтобы установить полный «портрет» феромона, химики обращаются за помощью к таким физическим методам, как масс-спектрометрия, инфракрасная спектроскопия, электронные спектры поглощения как в видимой, так и в ультрафиолетовой областях, а также ядерному парамагнитному резонансу.
Масс-спектрометрия — самый чувствительный из методов, позволяющих исследовать структуру молекул. Ведь для такого анализа исследователю достаточно располагать следовыми количествами феромонов — 10–9 г. На чем же основан принцип этого метода? В специальном приборе масс-спектрометре на пары исследуемого вещества воздействуют пучком быстрых электронов, которые ионизируют молекулы и превращают их в положительно заряженные ионы. Затем магнитное поле делит полученные частицы на молекулярные и осколочные ионы, которые регистрируются с помощью коллектора и системы усиления сигналов. На ленте прибор выписывает пики, которые соответствуют ионам с определенным отношением массы к заряду. Соответствующая обработка полученных результатов позволяет ученым идентифицировать тот или иной компонент феромона.
В последнее время широкое распространение получили приборы, созданные путем слияния двух методов: газо-жидкостной хроматографии и масс-спектрометрии. Компьютеры этих электронных роботов, получивших название «хроммассов», располагают огромной памятью о спектрах уже известных веществ, и поэтому для идентификации исследуемых компонентов химического языка насекомых не требуется много времени. Современные приборы позволяют анализировать практически почти все известные классы органических соединений. Для проведения анализа достаточно располагать всего лишь 10–9 г вещества.
Довольно часто обращаются химики к методу инфракрасной спектроскопии, который позволяет определить в молекуле такие функциональные группы, как C=0, C=C, OH и другие. Этот метод возник после первых опытов Исаака Ньютона по разложению солнечного света на разноцветные полоски. Дальнейшие исследования спектров атомов и молекул позволили немецким ученым Р. В. Бунзену и Г. Р. Кирхгофу изобрести спектральный метод анализа. Благодаря ему ученые узнали химический состав Солнца, многих звезд и туманностей. Для инфракрасной спектроскопии необходимо располагать несколькими миллиграммами исследуемого вещества, чтобы получить данные о его химической структуре. А вот для того, чтобы снять спектры молекул в видимой или ультрафиолетовой области, нужно иметь и того менее — всего лишь доли миллиграмма. Эти методы позволяют определить в изучаемых объектах наличие хроматофоров и ароматических колец.
При расшифровке структуры феромонов исследователям довольно часто приходится иметь дело с пространственными изомерами молекул. Здесь на помощь химикам приходит метод ядерного парамагнитного резонанса (ЯМР). Он помогает установить расположение в молекуле водорода, фтора и других атомов, обладающих парамагнитными свойствами. К недостатку метода относится необходимость располагать не менее 3...5 мг изучаемого вещества. В 1944 году советский ученый Е. К. Завойский обнаружил явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). При помощи этого метода можно судить о наличии в молекуле свободных радикалов.
Определенный интерес для аналитиков представляет разработанный на кафедре биофизики МГУ профессором Б. Н. Тарусовым и его сотрудниками метод биохемолюминесценции. При помощи специальной электрохимической ячейки в результате окисления некоторых соединений, например циклических аминокислот, создается постоянный фон сверхслабого свечения. Добавляя в такую среду изучаемое вещество, ученые наблюдают изменение фона свечения и по этим данным судят о свойствах молекул.
