Красная угроза

Задача

Антоцианы — водорастворимые растительные полифенолы, обуславливающие красную или синюю окраску многих цветков и плодов, а также красную окраску осенних листьев. Их широко используют как безвредные пищевые красители. Кроме того, их часто рекламируют в качестве БАДов-антиоксидантов, благоприятно влияющих на здоровье. При этом известно, что повышенная концентрация антоцианов может обеспечивать защиту растений от насекомых-вредителей (например, тлей). По данным некоторых работ, смертность гусениц была намного выше, когда они питались частями цветков, окрашенными за счет антоцианов, чем когда неокрашенными частями цветков того же вида растений. Означает ли это, что антоцианы ядовиты и для человека? Как можно объяснить повышенную смертность насекомых?


Подсказка 1

Оmnibus cura est, et est venenum, sed dose rebus.


Подсказка 2

См. задачу «Мыши или собаки?» — в ней можно найти одно из решений.


Подсказка 3

В условии не сказано, какой смертью умирали гусеницы.


Решение

У Петра коза бесплатно
Съела весь салат салатный,
Пощадила только красный:
Вдруг он чем-нибудь опасный?
О. Емельянова

Наиболее очевидный (и, скорее всего, неверный) вариант ответа — что антоцианы ядовиты для насекомых, но не ядовиты для млекопитающих. Похоже, что это не так. В некоторых исследованиях прямо утверждается, что не доказана ядовитость антоцианов ни для одного высшего организма. Правда, антоцианы — очень большая и достаточно разнородная группа веществ. В пресс-релизе и популярных заметках (опубликованную научную статью мне найти не удалось), где говорится про повышенную смертность одного из видов гусениц (см., например, Pest-fighting Anthocyanins), речь идет про окрашенные в голубой цвет цветки петунии. Вряд ли кто-то проверял их токсичность для людей или мышей.

Есть и данные о том, что защитой от гусениц может служить повышение синтеза антоцианов в листьях и плодах табака и арабидопсиса (см., например, N. Onkokesung et al., 2014. Modulation of flavonoid metabolites in Arabidopsis thaliana through overexpression of the MYB75 transcription factor: role of kaempferol-3,7-dirhamnoside in resistance to the specialist insect herbivore Pieris brassicae). «Покраснение» растений вызывают с помощью генно-инженерных манипуляций: сейчас хорошо изучена регуляция метаболического пути синтеза антоцианов. Водные экстракты из таких растений тоже могут повышать смертность гусениц. Но токсичность очищенных антоцианов для гусениц, кажется, не проверяли.

Можно предположить, что антоцианы все-таки ядовиты, но только в очень больших дозах. В исследованиях на млекопитающих (при добавлении в пищу) достичь этих доз не удается: все-таки кролики и мыши не так прожорливы, как гусеницы. Ведь некоторые листоядные гусеницы за сутки съедают в несколько раз больше, чем весят сами. Меньшая токсичность для мышей (чем для насекомых) может быть связана и с тем, что антоцианы могут просто плохо всасываться в кишечнике млекопитающих (данные на этот счет противоречивы) и в низкой, нетоксичной дозе попадают в кровь и ткани.

Но если все-таки сами антоцианы не ядовиты ни для кого, то почему могут чаще гибнуть гусеницы при питании окрашенными частями растений? Оказывается, есть множество возможных объяснений. При большой концентрации антоцианов из них в растении могут синтезироваться другие, более токсичные вещества. Или наоборот — антоцианов становится больше, так как синтезируется больше ядовитых веществ-предшественников. Одновременно с запуском синтеза антоцианов те же регуляторные гены могут включать синтез токсинов другой химической природы — например, белков.

Ядовитым может оказаться сочетание антоциана с каким-то другим веществом, с которым они вступают в химическую реакцию, образуя токсин, или совместно действуют на клетки гусениц. Или наоборот — антоцианы могут защищать от разрушения ультрафиолетовым и видимым светом какой-то токсин (это действительно было показано для одного из защитных веществ — тиарубрина). Еще одно возможное объяснение — превращение антоциана в какое-то ядовитое производное внутри клеток гусениц (см. задачу «Мыши или собаки?»).

Еще одна возможность — токсичность антоцианов не для самих гусениц, а для их симбионтов (например, для микробиоты кишечника). Показано, что антоцианы обладают антибактериальной и антигрибковой активностью. Если антоцианы убьют бактерий кишечника гусеницы, она вполне может умереть с голоду.

Наконец, смертность гусениц может быть связана не с химическими свойствами антоцианов, а с их цветом. В задаче не сказано, где проводили опыты. Если это были природные условия — на смертность гусениц мог влиять не только состав их пищи.

Многие гусеницы (см. рис. 1) имеют белую или бледную окраску, и на фоне ярко окрашенных участков растения они будут гораздо лучше заметны для своих врагов. Их могут чаще склевывать птицы, ловить хищные насекомые или заражать паразитоиды.

Рис. 1. Гусеница голубянки Strymon melinus на цветках эриогонума. Эта гусеница была бы более заметной на ярко-красных или ярко-синих цветках

Рис. 1. Гусеница голубянки Strymon melinus на цветках эриогонума. Эта гусеница была бы более заметной на ярко-красных или ярко-синих цветках

Кроме того, антоцианы могут привлекать врагов гусениц и своим запахом. В опытах с «полосатыми» цветками результат этим вряд ли можно объяснить: запахи вряд ли маркируют отдельные части цветка. Но в принципе такой способ защиты у растений встречается нередко (см., например, О смене дня и ночи гусеницы узнают по запаху, «Элементы», 19.06.2006).


Послесловие

Первая часть этой истории — про растения, а вторая — про людей.

Химическая защита от поедания — одна из главных адаптаций растений. Про нее известно очень многое, но, конечно, далеко не всё. Из ответа ясно, какие сложные взаимодействия внутри растения и внутри вредителя могут влиять на конечный эффект. То же самое касается и «запаховой» защиты. Казалось бы, прекрасная идея — запахом «позвать полицейского», чтобы он нашел управу на гусениц. Но кто еще прилетит на запах и не обойдется ли это «себе дороже»? Яркий пример сложности химических взаимодействий — статья E. H. Poelman et al. Hyperparasitoids Use Herbivore-Induced Plant Volatiles to Locate Their Parasitoid Host в Plos One. Поврежденные гусеницами растения под действием слюны гусениц выделяют вещества, привлекающие ос-паразитоидов. А у гусениц, зараженных личинками ос, меняется состав слюны. И под действием слюны зараженных гусениц меняется запах растения: теперь он привлекает сверхпаразитоидов, которые заражают личинок ос и тем самым защищают гусениц. Окажется ли такая «защита» в итоге выгодной для растения — не ясно.

Напротив, на защитную роль окраски и мимикрии ботаники почему-то почти не обращали внимания до конца XX века. Яркая окраска цветка или его форма и цвет, придающие сходство с самкой осы, — это понятно, это служит для привлечения опылителей. А предупреждающая и покровительственная окраска — это к зоологам...

Но в последние десятилетия ситуация резко изменилась. Запрос «plant mimicry defense» выводит на многочисленные статьи и даже книги. Теперь нет недостатка в гипотезах о защитной роли окраски и формы — зато явно не хватает работ, в которых эти гипотезы были бы проверены. Та же ситуация и с гипотезами о защитной ролью антоцианов (см. S. Lev-Yadun, K. S. Gould, 2009. Role of Anthocyanins in Plant Defence).

Среди них — и предупреждающая окраска («Я ядовитое — лучше не связывайся!»), и демаскировка вредителей с покровительственной окраской (рис. 2).

Рис. 2. Красная окраска листьев и плодов может демаскировать врагов растения и повышать их смертность от хищников или паразитов

Рис. 2. Красная окраска листьев и плодов может демаскировать врагов растения и повышать их смертность от хищников или паразитов. Фото с сайта pages.drexel.edu

Предполагается и мимикрия под мертвые и старые листья («Не ешь меня, я худосочный!»), и «честный» сигнал вредителям о том, что лист скоро упадет и на него не стоит откладывать яйца. Возможно, нередко растения имитируют с помощью окраски и формы свои собственные или чужие шипы на мягких съедобных органах. С помощью цветных пятен (в том числе антоциановых) растения могут имитировать колонны марширующих кусачих муравьев, колонии липких тлей и противных ядовитых гусениц. Кому захочется съесть лист вместе с такой гусеницей? Есть и еще с пяток других гипотез, и предстоит большая работа по их проверке.

А пока можно считать твердо установленным, что многие тли избегают красных листьев, а предпочитают зеленые и особенно желтые (см. T. F. Doring et al., 2009. Autumn leaves seen through herbivore eyes). Как мы помним, вырастить растения с красными листьями теперь не так уж сложно. Может быть, скоро все сельскохозяйственные растения будут красными, и потери урожая снизятся?

Как всегда, всё не так просто. В работе Timothy Emil Farkas, 2015. Fitness tradeoffs in pest management and intercropping with colour: An evolutionary framework and potential application доказывается, что лучшей защитой была бы чересполосица красных и зеленых посевов. К такой ситуации вредителям труднее приспособиться, если выработка, например, красного пигмента — дорогостоящее удовольствие. Но и этот вариант вряд ли осуществится. Работы на генетически модифицированном арабидопсисе показали, что синтез большого количества антоцианов — прежде всего дорогое удовольствие для самого растения. Такие растения медленнее растут и дают гораздо меньше плодов. Попутно выяснилось, что от неспециализированных гусениц они защищены лучше, а вот защищенность от гусениц-специалистов, которые питаются только крестоцветными, падает. Так что поля в обозримом будущем, скорее всего, сохранят привычный зеленый цвет.

А как обстоит дело с действием антоцианов на человека? Скорее всего, они безвредны. Может быть, даже полезны. И тем не менее, к ним (как и ко многим другим антиоксидантам) особенно приложим афоризм «всё есть яд и всё есть лекарство».

Например, для родственных растительных антиоксидантов-флавоноидов на культурах клеток млекопитающих показано, что концентрация 10–25 мкМ (мкмоль/л) защищает клетки от апоптоза, повреждений ДНК и цитотоксичности, а 50–250 мкМ усиливают все эти напасти (см. обзор J. Bouayed, T. Bohn, 2010. Exogenous antioxidants—Double-edged swords in cellular redox state). В этом же обзоре приводятся впечатляющие данные о катехине EGCG из зеленого чая, который часто рекламируют как пищевую добавку. В опытах на мышах доза 30–60 мг/кг всего лишь снимала тревожность. А доза более 120 мг/кг вызывала гибель 100% мышей в течение суток. Продается это вещество в капсулах по 400 мг; и не исключено, что 2–3 капсулы «безобидной» БАД могут оказаться смертельной дозой для годовалого ребенка.

Показано, что антоцианы могут превращаться из антиоксидантов в прооксиданты при взаимодействии с ионами металлов. Поэтому не исключено, что может повредить здоровью прием какого-нибудь мальтофера или другого препарата с гидроксидом железа (III) и, к примеру, «источника жизни и долголетия» бета-каротина (научных данных на этот счет нет). Насколько сложна ситуация с влиянием антиоксидантов (в том числе витаминов A, C и E) на организм человека, видно из популярного, но достаточно подробного разбора на сайте доктора Комаровского. И многие научные данные о влиянии высоких доз витаминов, мягко говоря, настораживают. Тот же бета-каротин (витамин A) в высоких терапевтических дозах заметно увеличивает риск развития рака легких и смертность среди заядлых курильщиков, но не среди здоровых людей (см. R. Goralczyk, 2009. Beta-carotene and lung cancer in smokers: review of hypotheses and status of research); оказывается, такие факторы, как исходное состояние здоровья и привычки, тоже важно учитывать при приеме антиоксидантов.

Как ни странно, подробных данных о побочных эффектах антоцианов нет. Судя по всему, токсичными могут быть лишь дозы, в сотни раз превышающие обычный уровень их потребления с пищей — как естественного происхождения, так и содержащей добавку Е163 (так обозначаются антоцианы в пищевой промышленности). Многие научные статьи буквально восхваляют антоцианы и их роль в защите от воспаления, рака, сердечно-сосудистых болезней и т. п. Но как бы они ни были полезны — гораздо полезнее и безопаснее, похоже, есть побольше фруктов и овощей (в том числе с высоким содержанием антоцианов!), чем использовать высокие дозы БАДов.


5
Показать комментарии (5)
Свернуть комментарии (5)

  • trvit  | 03.02.2017 | 11:59 Ответить
    Извините, но мне кажется указание молярных концентраций в виде "концентрация 10–25 мкм" все-таки не лучший вариант. Я правда не химик-аналитик, а эколог, но во всех виденных мною книгах по аналитической химии молярность обозначали "М", или "моль/л", или "моль/дм³", нормальность да — иногда "н", иногда "Н". Но под "м" обычно все-таки подразумевают метры.
    Ответить
    • glagol > trvit | 03.02.2017 | 17:13 Ответить
      Согласен, мне это тоже показалось чересчур похожим на микрометры. В моем исходном тексте было µM - как в цитируемой статье. Может быть, редактор поправит.
      Ответить
    • editor > trvit | 03.02.2017 | 17:50 Ответить
      Большое спасибо, исправили.
      Ответить
      • trvit > editor | 03.02.2017 | 20:28 Ответить
        Извините, но у Вас опять неточность, или мкМ, или мкмоль/л. Моль и соответственно мкмоль — это количество вещества.
        Ответить
        • editor > trvit | 03.02.2017 | 21:01 Ответить
          Да, спасибо, исправили еще раз. Вы нас тоже извините:).
          Ответить
Написать комментарий

Другие задачи


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»