Фитонциды водных и прибрежных растений. Исследования Ф.А. Гуревича и В.П. Тульчинской

Мы убедились, что фитонциды играют большую роль в жизни самого растения, которое их производит, в жизни сообществ растений; не безразличны они и для животных в естественных условиях лесов, лугов, полей, в любом уголке природы.

Однако почти всё, с чем знакомился читатель этой книги, основывалось на изучении фитонцидов наземных растений. А что делается в реках, озёрах, морях, океанах? Нельзя ли «мобилизовать» фитонциды водных и прибрежных растений на службу человеку, его здоровью? Остановимся на этих важных вопросах специально. Беды не будет, если мы и повторим кое-что из сказанного ранее.

Пионер исследований фитонцидов водных и прибрежных растений — Ф.А. Гуревич, влюбившийся в проблему в юношеские годы и с энтузиазмом изучающий фитонциды до сегодняшнего дня, в течение более тридцати лет. Мне доставляет удовольствие рассказать о его исследованиях. Он мой ученик, сформировался как учёный, стал кандидатом биологических наук в лаборатории, за деятельность которой отвечал я. А потом был всегда дружески связан со мною и в своих новых научных поисках. Ныне он доктор наук, профессор биологии Красноярского медицинского института.

До начала исследований Гуревича, то есть до сороковых годов, о фитонцидах водных и прибрежных растений ничего не было известно, если не считать фактов о ядовитости тех или иных растений. Он изучил влияние фитонцидов многих водных растений на бактерии, простейших, кишечнополостных (к которым, кстати сказать, принадлежит и знакомая уже нам гидра), на червей, моллюсков, насекомых, клещей, рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих.

В широком масштабе в течение двух десятилетий превосходные исследования фитонцидов растений Чёрного моря провели известный украинский учёный член-корреспондент Украинской Академии наук профессор В.П. Тульчинская и её соработники и ученики. Ярко рассказала она о своих исследованиях во многих статьях и в книге «Растения против микробов». В поисках биологически активных веществ изучено большое количество водорослей, высших растений — обитателей Чёрного моря. «Между бактериями и водорослями, — пишут Тульчинская и Юргелайтис, — существует борьба, антагонизм: много водорослей — мало бактерий, мало водорослей — много бактерий. Водоросли своими фитонцидами способствуют очищению воды от вредной микрофлоры, в том числе и микробов, занесённых в море с суши реками, поступающих сюда вместе с промышленными и бытовыми стоками или перенесённых по воздуху с суши...»[22]. Многие из черноморских водорослей продуцируют антимикробные вещества. Наиболее активные антимикробные свойства обнаружены у водорослей хондрия, цистозира, харовых и хентоморфа. Открываются огромные перспективы для медицины и иных областей науки и практики. Очень кстати вспоминает Тульчинская справедливое предвидение известного французского учёного Ж.И. Кусто о том, что наступает «эра морской фармакологии».

Сообщим по возможности словами Ф.Г. Гуревича о некоторых результатах его исследований, изложенных в его докторской диссертации «Фитонциды водных и прибрежных растений, их роль в биоценозах» 1973 года.

Вопросы о фитонцидах водных растений представляют, как уже сказано, биологический интерес и затрагивают многие области практики, так как с ними связано выяснение причин массовых отравлений или гибели обитателей водоёмов — рыбы, водоплавающей птицы, а также сельскохозяйственных животных. Не меньшую актуальность приобретают вопросы, связанные с выяснением роли фитонцидов как одного из факторов биологической самоочистки водоёмов.

Протистоцидные свойства водных и прибрежных растений Гуревич исследовал на растениях, обитающих в водоёмах Ленинграда и его окрестностей, а также Красноярска и ближайших к нему районов. Были изучены фитонцидные свойства 50 видов растений по их действию на инфузории — туфельку, глаукому, стилонихию. У всех растений, за исключением ностока, удалось выявить протистоцидные свойства тканевых соков.

У 36 видов растений обнаружены летучие фракции фитонцидов, мощность которых оказалась различной. Так, летучие фитонциды трифоли трёхлистной, череды трёхраздельной, касатика аировидного вызывали гибель инфузорий при 10—60-минутной экспозиции, а летучие вещества водорослей, манника, элодеи и других растений — лишь в течение многих часов. Различна протистоцидная сила и нелетучих фитовыделений. Например, нелетучие фракции горца земноводного и лугового чая убивали глауком в течение первых секунд или минут, а хвоща болотного — через 28—90 минут.

Фитонцидная активность тесным образом связана со стадией развития растений, их физиологическим состоянием, местом произрастания, сезонными, водными, климатическими и другими условиями. Так, летучие фитонциды горца земноводного в середине июня убивали туфелек при 2-часовой экспозиции, в августе — через 25—30 минут, в октябре же парамеции погибали в течение 0,5—8 - часового воздействия. Аналогичные явления были обнаружены в опытах с кубышкой жёлтой, аиром, манником.

Оказалось, что различные части растения могут содержать разное количество фитонцидов, отличающихся и качественно. Растёртое корневище аира выделяет летучие вещества более энергичного фитонцидного действия, чем растёртые стебель и лист. У манника большого, наоборот, наземные части в фитонцидном отношении активнее, чем подземные. Опыты показали далее, что содержание фитонцидов в маннике, произрастающем в разных водоёмах, сильно колеблется. Более того, разные экземпляры, взятые из одного и того же водоёма, обнаруживают разные фитонцидные свойства, вероятно, в связи с разным их физиологическим состоянием.

Вместе с тем одни и те же виды растений (хвощ болотный, кувшинка белая, кубышка жёлтая, стрелолист обыкновенный, белокрыльник болотный, череда трёхраздельная, ситник лягушачий, горец земноводный) сохраняют характерные для них фитонцидные свойства независимо от географической области их произрастания.

Близкие виды растений, принадлежащие к одному роду, в большинстве случаев характеризуются сходными фитонцидными свойствами. Примером могут служить манник большой, манник литовский и манник трёхцветковый.

Мы уже познакомились с интереснейшим явлением — хемотаксисом. Свойство фитонцидов вызывать отрицательный хемотаксис у подвижных форм микроорганизмов, вероятно, один из способов защиты растений. Гуревич поставил много опытов и этом направлении. Как показали исследования, фитонциды ряда водных, прибрежных, а также наземных растений могут отпугивать от себя глаукому, стилонихию, вортицеллу, нематод, живущих в воде, изменять характер и направление их движения, парализовать работу локомоторного аппарата. В большинстве случаев хемотаксис простейших ярче выражен к фитонцидам наземных, чем водных и прибрежных растений, особенно к тем, чьи фитонциды обладают сильными протистоцидными свойствами.

Реакция простейших на действие фитонцидов может меняться в зависимости от особенностей их в разных органах одного и того же растения. Так, например, при сравнении действия фитонцидов листа и корневища аира более выраженные хемотаксические явления можно наблюдать в опытах с кусочками корневищу. Летучие выделения последнего в 2—3 раза токсичнее выделений листа. Лепестки цветка жёлтой кубышки вызывают отрицательный хемотаксис у инфузорий глауком, а при испытании пыльника этого же растения никакого эффекта не обнаруживается.

Оказалось, что использование в опытах одного и того же растения в разные периоды его вегетации может дать различные результаты. Ранней весной молодой лист черёмухи не всегда вызывает хемотаксис, а в середине лета эта реакция отчётливо выявляется. К осени в опытах с пожелтевшими листьями черёмухи опять не удаётся обнаружить чётких результатов.

Быстрее всего отрицательный хемотаксис возникает у туфелек и стилонихий, затем у коловраток и, наконец, ряда сувоек и круглых червей. У дафний, находящихся в той же капле, нельзя выявить каких-либо признаков отрицательного хемотаксиса. Даже незначительные тканевые повреждения способствуют выделению фитонцидов, которые отпугивают простейших, бактерии и другие подвижные организмы и тем самым препятствуют их проникновению в ткани растений.

О влиянии фитонцидов водных и прибрежных растений на яйца моллюсков и амфибий мы уже говорили. Сообщим здесь более подробно об интересных исследованиях Гуревича.

Каковы химические взаимоотношения между растениями и животными в водоёмах? Было обнаружено, что моллюски планорбис корнеус (роговой катушки) в естественных водоёмах не откладывают яйца хаотически, а проявляют специфическую избирательную способность помещать их на различных частях определённых видов растений. Так, например, на ностоке или спирогире кладки не удалось найти вообще; очень редко они встречались на харовых или манниках. Но зато на аире, ежеголовнике, стрелолисте обыкновенном, кубышке жёлтой, кувшинке белой, горце земноводном всегда обнаруживалось обильное число яйцекладок, до 15—20 и более. Лишь при отсутствии в водоёме «любимых» растений моллюски помещают яйца на тех растениях, на которых, как правило, кладки встречаются редко.

Химические вещества, выделяемые различными растениями, диффундируя в воде, вероятно, оказывают разное влияние на развивающихся зародышей. Одни вещества стимулируют их развитие, другие могут тормозить, а третьи оказываются совершенно нейтральными. Так, например, аир ускоряет, а манник большой тормозит или даже убивает зародышей моллюсков. Это подтверждают следующие опыты.

Каждая из 38 яйцекладок планорбис корнеус на ранних стадиях (около 2500—3000 зародышей) разрезалась на две равные части. Половина из них помещалась в стеклянные чашки с прудовой водой в количестве 75 миллилитров, где находились один или два экземпляра аира, а другая — в прудовую воду без растения. Через 15—20 часов с момента постановки опыта было отчётливо видно, что зародыши быстрее развиваются там, где имеются испытуемые растения. Спустя 40 часов контрольные эмбрионы продвинулись только до стадии формирования ноги, подопытные уже имели вид вполне сформированных личинок.

Не исключена возможность, что стимулирующее действие фитонцидов аира на развитие зародышей моллюсков определяется не прямым, а косвенным путём. Оказывая отрицательное влияние на некоторые бактерии, простейшие и другие микроорганизмы, фитонциды аира могут создавать лучшие условия для аэрации среды и её очистки от токсических веществ, выделяемых гидробионтами. Гуревичу удалось показать, что летучие фитонциды аира обладают протистоцидным действием.

Поскольку на маннике большом почти не удавалось находить яйцекладки моллюска планорбис корнеус, Гуревич стал выяснять, не связан ли такой факт с фитонцидными свойствами испытуемого растения.

Для этого было взято 20 яйцекладок планорбис на ранней стадии развития. В каждой яйцекладке было 60—90 зародышей. Половина яйцекладки помещалась в пробирку с водой и манником (без корневища и корня), в другую помещалась вторая половина той же кладки, но без растения. Просмотр зародышей через трое суток показал, что у 8 опытных яйцекладок развитие моллюсков шло значительно медленнее, чем у контрольных. Контрольные зародыши находились на стадии полного формирования глаз, у опытных же глаз ещё не было видно. У зародышей 5 кладок наблюдалось незначительное отставание в развитии от контрольных, а у остальных 7 кладок различий отметить не удалось.

И в другой подобной серии опытов на 20 яйцекладках были получены сходные результаты. Следовательно, манник продуцирует в воду какие-то вещества, могущие тормозить развитие зародышей моллюсков. В случае сильного измельчения растения, а значит большей временной продукции фитонцидов, во всех опытах наблюдались более демонстративные результаты. Зародыши моллюсков на ранних стадиях развития, помещённые в чашки с водопроводной водой и свежей кашицей манника в количестве 2—3 грамма, погибли все на вторые сутки почти на тех же самых стадиях, на которых были взяты до опыта. Происходил и видимый распад тела. Контрольные зародыши развивались нормально. Далее оказалось, что эмбрионы моллюсков во всех случаях погибают и от летучих выделений манника при 1—2-часовой экспозиции.

В опытах испытывалось также влияние фитонцидов сине-зелёной водоросли на развитие яиц амфибий. Для этого икра лягушки, находящаяся на самой ранней стадии развития, помещалась в чашки с прудовой водой и осцилляторией (в количестве 2—3 грамма). В контрольные чашки помещались зародыши той же кладки, но без водоросли. В опыте было использовано более 6000 зародышей. Наблюдая за ходом развития, удалось установить, что присутствие осциллятории оказывает тормозящее действие на развитие яиц лягушки. Это может быть связано с выделением каких-то химических веществ. На 5-й день в контрольных чашках при температуре 20—24 градуса Цельсия, как правило, вылуплялись почти все зародыши; в это же время подопытные эмбрионы той же яйцекладки находились на стадии, далеко ещё не предшествующей вылуплению зародыша из яйца. Гибель подопытных зародышей наступала на 9-й день: при перенесении их в чистую прудовую воду они не развивались и постепенно начинали распадаться. В отдельных случаях опытные зародыши достигали стадии, когда имеются наружные жабры, но затем погибали, в то время как контрольные развивались вполне нормально.

Не все изучавшиеся в этом направлении животные оказались столь чувствительными к условиям среды, в которой находится осциллятория. Так, например, не удаётся отметить какой-либо существенной разницы в развитии между опытными и контрольными зародышами круглых червей; не обнаружено и токсическое действие на туфельки, стилонихии, сувойки в той среде с осцилляторией, в которой яйца лягушки, как правило, развивались медленно и нередко погибали.

Уже эти явления свидетельствуют о том, что химические вещества, выделяемые некоторыми растениями, по всей вероятности, играют немаловажную роль в жизни водоёмов.

А как ведут себя взрослые моллюски в атмосфере летучих фитовыделений и в водной среде, содержащей измельчённые растительные ткани? Это изучено на моллюске физы красной. Источником фитонцидов служили водные, прибрежные и наземные растения: элодея, валлиснерия, ризоклениум, трифоль трёхлистная, манник большой, манник трёхцветковый, манник литовский, горец земноводный. Всего под наблюдением находилось 940 животных.

Оказалось, что резистентность моллюсков к летучим фитонцидам разных растений различна. Особенно демонстративное угнетение моллюска физы красной наблюдается в атмосфере летучих фитонцидов манника большого, манника трёхцветкового и манника литовского. Животные теряют активность, втягивают тело в раковину, постепенно перестают отвечать на раздражения, а через 10—30 часов погибают. Не только манник свежий, но и высушенный (в опытах предварительно смачивался водой) может вызывать подобные явления. Несколько меньшей токсичностью обладают летучие фитонциды горца земноводного, трифоли трёхлистной.

Целые, неповреждённые растения, такие, как элодея, ряска трёхдольная, горец земноводный, рдест плавающий, валлиснерия, стрелолист обыкновенный, частуха подорожниковая, кувшинка белая, кубышка жёлтая, не оказывают на взрослых моллюсков какого-либо отрицательного действия. Видимо, поэтому моллюски охотно избирают их для откладки яиц и избегают те растения, выделения которых губительно влияют как на взрослые формы, так и на их зародыши.

При помещении 1—3 граммов кашицы из манника в стаканы со 100 миллилитрами отстоянной водопроводной воды моллюски физы погибают в течение 1—3 суток, от элодеи — через 2—7 суток, ризоклениума — через 7 суток, валлиснерии — через 15 суток. Вероятно, эволюционно у животных выработались приспособления, дающие возможность избегать те растения, фитонциды которых имеют вредоносное действие.

Взаимное влияние разных видов растений изучалось на осциллятории, ризоклениуме, хлорелле, элодее, частухе, маннике трёхцветковом в следующих вариантах: действие ризоклениума на хлореллу; влияние осциллятории и хлореллы друг на друга; взаимоотношение осциллятории, ризоклениума и хлореллы при длительном совместном их культивировании; влияние осциллятории на элодею и другие высшие растения.

В первом варианте исследований было поставлено 75 опытов. Они показали, что при совместном культивировании водорослей ризоклениум отрицательно действует на рост и развитие хлореллы. В культуре значительно уменьшается число клеток хлореллы. В то же время в контрольных стаканах, где отсутствовал ризоклениум, хлорелла размножалась более интенсивно.

Для того чтобы выяснить, не ошибочно ли предположение о значении во взаимоотношениях растений химических факторов, не объясняются ли результаты наблюдений конкуренцией между водорослями за нужные для их жизни элементы (азот и другие), были поставлены специальные контрольные опыты. Эти опыты убедили в том, что дело не в конкуренции, а именно в химических влияниях.

Многолетние наблюдения позволили Гуревичу заключить, что выделения ризоклениума, по всей вероятности, принимают участие в биологической самоочистке воды.

Во второй серии опытов изучалось влияние друг на друга осциллятории и хлореллы. В контрольные стаканы помещали только хлореллу (750 клеток в одном миллилитре). В опытах кроме хлореллы находилась осциллятория в количестве 0,05; 0,1; 0,15; 0,2 грамма. Выяснилось, что указанные водоросли уживаются друг с другом до наступления интенсивного размножения осциллятории. В момент «бурного цветения» последней, когда в культуре образуется осадок, зелёная водоросль плохо размножается, и в течение 2—6 недель в опытных стаканах вместо исходных 750 остаётся 19—85 её клеток.

В дальнейшем были проведены наблюдения за характером взаимоотношений трёх видов водорослей, находящихся длительное время в одной и той же среде, а также за изменениями их клеток. Было поставлено 120 опытов по такой же методике с той лишь разницей, что в стаканы с хлореллой одновременно добавлялись в равных количествах (0,25 грамма) синезелёные и зелёные водоросли. В первые 2—3 недели наблюдалось заметное уменьшение количества клеток хлореллы. В опытных стаканах вместо 750 их насчитывалось 50—12, в контроле — 240—109. Что касается ризоклениума и осциллятории, то за этот промежуток времени не наблюдалось какого-либо угнетающего действия их друг на друга. Спустя 1—1,5 месяца осциллятория начала обрастать ризоклениум и примерно через 2—3 месяца своими нитями со всех сторон покрывала его. По всей вероятности, осциллятория выделяет какие-то химические вещества, вызывающие в клетках зелёной водоросли глубокие изменения, нередко приводящие к полному их разрушению.

Культуральная жидкость, в которой находилась осциллятория до начальных периодов цветения, а также в первые его моменты, не была токсичной для зелёной водоросли и не вызывала в ней видимых изменений. Только после интенсивного цветения осциллятории и образования ею осадка в культуральной среде испытуемый фильтрат становился активным в отношении ризоклениума и вызывал в клетках водоросли глубокие изменения с развитием процессов, приводящих их к смерти. Об этом свидетельствовали выраженные их разрушения. Сходная картина разрушения клеток наблюдалась и у высших растений, в частности при совместном содержании осциллятории с элодеей.

Проведённые эксперименты свидетельствуют о том, что фитонциды играют существенную роль во взаимоотношениях растений в биоценозах водоёмов.

Как в природных условиях, так и в экспериментах обнаружено несколько особенно интересных в фитонцидном отношении растений, среди которых следует отметить манник большой, манник трёхцветковый и манник литовский. Их фитонциды оказывают сильное влияние на динамику численности и видовой состав обитателей водоёмов. На них раскрываются новые данные о причинах массовых отравлений и гибели животных в местах произрастания этих растений. Кроме того, полнее раскрывается биологическая роль фитовыделений в биоценозах водоёмов.

Много исследований было проведено с манником большим и манником трёхцветковым, фитонциды которых оказались весьма активными в отношении ряда видов животных и некоторых растений.

Разнообразные организмы, используемые в опытах, реагировали на выделения манника. Большую чувствительность проявили к его летучим фитонцидам гидры, черви, ракообразные, паукообразные, насекомые, птицы и млекопитающие. Многие животные погибали от летучих выделений манника в течение нескольких минут и даже секунд. Устойчивее оказались рыбы, амфибии, рептилии, но и в опытах с ними обнаружилась тяжёлая картина отравления со смертельным исходом. Не случайно водоёмы, где произрастают манник большой и манник трёхцветковый, бедны гидрами, дафниями, циклопами, симоцефалами, личинками и куколками комаров. Результаты исследований позволяют объяснить это явление фитонцидным действием манника.

У позвоночных животных летучие выделения манника трёхцветкового вызывают глубокие изменения жизнедеятельности: нарушается движение, происходит кислородное голодание тканей и органов. Животные, находясь в камере с очень небольшими концентрациями фитонцида, проявляют признаки отравления: учащается дыхание, появляется одышка, наступают конвульсии, нарушаются движения, животные лежат на боку. У крыс, находящихся в таком состоянии, снижается поглощение кислорода.

Однократное воздействие фитонцидами не вызывает существенных изменений в крови млекопитающих. Однако при хроническом отравлении теми же фитонцидами у крыс появляются существенные изменения. Летучие выделения манника могут приводить к нарушению течения беременности у крыс и мышей и снижать жизнеспособность значительной части их потомства. Хроническое отравление беременных самок млекопитающих вызывает высокую их гибель.

В опытах, выполненных в лаборатории Гуревича, из 31 беременной самки, подвергшейся ежедневному опариванию фитонцидами манника в течение 7—9 дней, 23 мыши погибли, в то время как контрольные оставались живыми. Самцы при таких же условиях воздействия фитонцидами не погибали, однако их способность к осеменению заметно снижалась. С помощью специальных методов удалось выявить в тканях крыс глубокие нарушения под влиянием фитонцидов манника в мозгу, почках, лёгких, сердце, печени и других органах.

Можно полагать, что многие случаи массовых отравлений различных сельскохозяйственных животных возникают в основном за счёт летучих фракций фитонцидов. Не исключена возможность отравления животных и от поедания ими манника в сухом или свежем виде. Обнаружено, что один из компонентов летучих фитонцидов манника — синильная кислота. Помимо неё действующим началом фитонцидов манника являются и другие химические соединения.

Как видим, чрезвычайно разнообразна роль фитонцидов водных и прибрежных растений в природе и их действие на различные организмы.

Выделения растений в сообществах создают в водоёмах характерную для них химическую среду, определяя во многом благоприятные или неблагоприятные условия для жизни тех или иных организмов и влияя на формирование видового и численного состава обитателей водоёмов.

Обладая бактерицидными, фунгицидными и протистоцидными свойствами, фитонциды, по-видимому, играют существенную роль в биологической очистке воды.

Поэтому всестороннее изучение фитонцидов приобретает особенно важное значение в условиях интенсивного технического прогресса и в связи с постановлением «О мерах по дальнейшему улучшению охраны природы и рациональному использованию природных ресурсов». Представляется важным дальнейшее развитие исследований в этом направлении, потому что оно показало существование помимо известных уже науке факторов особых связей организмов в биоценозе, обусловленных фитонцидными влияниями.

...Как ни грустно, наступает пора итогов, пусть не самых последних, но всё же...

В.К. Кетлинская