Теория информации объяснила гонку вооружений насекомых и растений

Избыточность ассортимента летучих органических соединений (ЛОС), выделяемых растениями, можно объяснить с позиций теории информации, сообщается в Science. Насекомые анализируют запаховые сигналы и извлекают из них выгоду, понимая, какие растения можно есть, а растения пытаются создать вокруг этих сигналов информационный шум, выделяя все новые ЛОС, значение которых членистоногим пока непонятно.

Давно известно, что растения и насекомые обмениваются информацией, в основном представленной химическими сигналами — летучими органическими соединениями, которые можно учуять. Какие-то из этих соединений отпугивают насекомых, какие-то приманивают их, какие-то отравляют, какие-то привлекают хищников, способных этих насекомых съесть. Однако большинство данных о ЛОС и их действии на насекомых получены в исследованиях, где рассматривали минимальное количество видов — к примеру, одно растение и одно животное. Работ, где учитывали бы взаимодействия в масштабах целого сообщества, практически нет.

Экологи из Австрии, Мексики, США и других стран под руководством Пэн Цзюань Цзу (Pengjuan Zu) из Массачусетского технологического института представили исследование, в котором проанализировали отношения сразу множества видов насекомых и растений. Для этого они в 2018 году провели полевые наблюдения в сухом тропическом лесу мексиканского заповедника Чамела-Куишмала. Исследователей интересовали гусеницы 28 видов бабочек и листья 20 видов растений. В воздухе, непосредственно окружающем эти листья, искали летучие органические соединения и сравнивали их с уже известными. Также ученые определяли, чьи гусеницы какие растения едят.

Собранные данные проанализировали с точки зрения теории информации. Экологические исследования, проведенные с ее использованием, предполагают, что характер взаимодействия отправителя и получателя сигналов определяет качество передаваемых данных. Условно говоря, организмы будут стараться подавать врагам зашумленные сигналы, которые можно интерпретировать по-разному, а дружественным существам — по возможности однозначные сигналы без помех. Исходя из этой логики, растения должны транслировать травоядным насекомым данные, которые сбивают с толку, а насекомым приходится учиться понимать их правильно и вычленять важную информацию из шума.

Цзу и коллеги составили матрицы связей летучих органических веществ и насекомых, а также ЛОС и растений. Выяснилось, что каждый вид бабочек связан с небольшим числом видов растений — от 1 до 9. Однако одно растение выделяет в среднем 26 различных ЛОС, поэтому гусенице конкретного вида приходится взаимодействовать с десятками летучих органических соединений и понимать, какую информацию каждое из них несет. Всего авторы идентифицировали 56 ЛОС биологического происхождения, так что получается, что разные виды растений производят сходные наборы таких соединений — вероятно, чтобы насекомые не различали виды по запаху.

В компьютерных симуляциях отношений гусениц и растений исследователи вносили изменения в элементы полученных матриц так, чтобы качество передаваемой информации повышалось или снижалось. Они начинали и с вариантов, когда насекомые плохо понимают сигналы растений (и/или растения выделяют совсем немного разных ЛОС), и с вариантов, когда гусеницы уже хорошо идентифицируют виды по набору их летучих органических соединений. В каких-то случаях рассматривали все виды сразу, в каких-то — лишь некоторые из исследованных. Это нужно было для проверки состоятельности гипотезы, так как известно, что выборка сильно влияет на результаты исследований взаимодействия организмов.

Взаимодействия растений и гусениц с точки зрения теории информации. Мутации закрепляются у растений, если они повышают неоднозначность сигналов, которые те посылают насекомым с помощью ЛОС, а у насекомых закрепление мутаций происходит, если те позволяют им снизить неоднозначность воспринимаемых от растений данных. AP — матрицы взаимодействия гусениц с растениями, PV — матрицы связи растений и их летучих органических веществ.

Независимо от числа ЛОС в модельной системе, изначального качества передачи сигналов растениями, их декодирования насекомыми и того, какие виды учитывали, получалось, что «мутации» у растений (изменения в матрицах их связей с ЛОС) закреплялись тогда, когда они снижали вероятность однозначного восприятия запаховых сигналов насекомыми, а «мутации» у гусениц (изменения в матрицах их связей с растениями) оставались в том случае, если они повышали качество вычленения сигнала из шума, создаваемого множеством растительных летучих органических веществ.
Работа показывает, что передача информации объясняет гонку вооружений между различными видами. Интересно будет еще узнать и некоторые частности: к примеру, как насекомые справляются с тем, что растения и хищники тоже могут распознавать их по характерному набору летучих органических соединений.

Растения выделяют летучие органические вещества, которые действуют не только на насекомых, но и на представителей своего же вида, и на соседние растения других видов. Так, золотарники видового комплекса Solidago canadensis предупреждают соседние экземпляры о появлении насекомых-вредителей и сигнализируют по-разному в зависимости от того, обрабатывали ли их раньше инсектицидами. Известно также, за счет чего растения воспринимают некоторые ЛОС — конкретно кариофиллены. Табаку Nicotiana tabacum помогает распознавать их аналог TOPLESS-белков.

Светлана Ястребова

https://nplus1.ru/