Экспериментальное исследование межвидовых взаимодействий коллембол: агрегации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование межвидовых взаимодействий коллембол: агрегации



Содержание

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Систематика коллембол

1.2 Морфология

1.3 Экология

1.3.1 Распространение. Местообитания

1.3.2 Адаптации к основным факторам среды

1.3.3 Питание коллембол

1.3.4 Структура и динамика популяций

1.4 Агрегационное поведение в естественных условиях

1.5 Агрегационное поведение в лабораторных условиях

1.6 Влияние межвидовых отношений на агрегации

Глава 2. Материалы и методы

2.1 Объект исследования

2.2 Изготовление культур

2.3 Методика проведения опытов

2.4 Математическая обработка данных

Глава 3. Результаты

Глава 4. Обсуждение

Выводы

Список литературы

Приложение



Введение

Ногохвостки (Collembola) -- процветающая в настоящее время группа мелких бескрылых сухопутных членистоногих. Это древнейшие обитатели суши, ископаемые формы известны с нижнего девона и уже тогда были довольно сходны с современными [1].

Мелкие размеры, легкость культивирования и высокий репродуктивный потенциал у ряда видов объясняет их выбор в качестве модельного объекта в научных лабораторных экспериментах. К настоящему моменту известно более сотни видов коллембол, которые могут долго размножаться в лаборатории. Потенциально, коллемболы могут служить кормом для рыб и ряда мелких амфибий. Коллембол интенсивно изучают сегодня во всем мире. В прикладном плане интерес к ногохвосткам связан с признанным биоиндикационным значением группы [2].

Первые описания коллембол появляются в XVIII веке, когда Карл Линней открыл вид Podura viridis. Известные европейские зоологи широкого профиля Линней, Фабрициус и Мюллер дают названия нескольким видам. В европейской части России и на восточной Украине в XIX веке работают Беккер, Скориков и Щербаков, выпустившие несколько работ в основном фаунистического характера и описавшие около 20 новых видов. Особенности экологии и биологии этой группы животных исследуются только с середины XX столетия. По последним данным известно 8,187 видов [3]. Но, по мнению Хопкина, это примерно 15 % от прогнозируемого числа видов данной группы микроартропод и всего на Земле их около 50 тысяч [4].

Большая часть исследований ногохвосток проводится для определения количественного и качественного анализа видов, обитающих в том или ином биотопе. Рассматриваются различные аспекты влияния факторов окружающей среды на видовой состав ногохвосток, динамки популяций и др. В лабораторных условиях изучается поведение коллембол, их межвидовые, внутривидовые взаимодействия, реакции на различные раздражители.

Почвенные коллемболы, в силу своей высокой численности, разнообразия и относительно хорошей изученности, стали классическим объектом почвенной экологии [5; 6].

Пространственное распределение коллембол в природе - один из интенсивно изучаемых вопросов их экологии. У коллембол встречаются все типы пространственного распределения, от равномерного до резко агрегированного. В истории изучения любой группы организмов наступает время, когда полученные результаты начинают интересовать не только узких специалистов, продвигающих данное направление, но более широкий круг исследователей. Группа становится модельным объектом для изучения той или иной общей проблемы [7].

Изучение поведения коллембол -- одно из актуальных направлений почвенной зоологии. Для многих видов этих микроартропод характерно образование агрегаций во время питания, линьки, размножения, в связи с возникновением благоприятных сочетаний температуры и влажности. Особенности такого поведения требуют детального анализа, что предоставит возможность пролить свет на становление социальности у беспозвоночных.

Цели и задачи

Целью данной работы является изучение предпочтений у коллембол, выбирают чаще они свой вид при выборе агрегации по типу «свой-чужой» и влияет ли на это эффект группы.

Задачи:

1. Усовершенствовать ранее разработанную нами методику исследования агрегаций по типу «свой-чужой».

2. Сравнить предпочтения коллембол видов Folsomia candida, Vertagopus pseudocinereus и Folsomia fimetaria выбирать площадку своего или чужого вида.

3. Определить, влияет ли эффект группы на предпочтения коллемболой своего вида при выборе агрегации по типу «свой-чужой».



Глава 1. Обзор литературы

1.1 Систематика коллембол

Collembola принадлежат к числу очень древних групп наземных членистоногих. Их ископаемые остатки (Rhyniella praecursor Hirst et Maulik, 1926) обнаружены в окаменелых отложениях болот Шотландии и датируются нижним ярусом среднего девона. Интересно, что эта форма по последним данным относится к современному семейству [8]. Другая фоссильная форма Protentomobrya walkeri Folsom, 1937 -- описана из канадского янтаря и датируется меловым периодом. Коллемболы из Балтийского янтаря, формировавшегося в палеогене, принадлежат уже к современным родам [9]. Древность ногохвосток подчеркивали многие ученые, в частности Тилльярд, М. С. Гиляров (1958), А.Г.Шаров (1959), Хандшин (1958) и др. [10, 11, 12, 13].

Систематическое и филогенетическое положение коллембол в общей системе Atelocerata (= Tracheata) долгое время оставалось да и в настоящее время остается предметом оживленных дискуссий. По мнению современных филогенетиков, еще достаточно широко распространенная точка зрения о включении коллембол в подкласс первичнобескрылых насекомых (Apterygota) имеет лишь историческое значение [14]. Наиболее общепринятым сейчас можно считать объединение Collembola вместе с Diplura и Protura в единый таксон Entognatha (скрыточелюстные) -- сестринскую ветвь, параллельную стволу Ectognatha = Insecta (Apterygota + Pterygota) [15,16]. При этом Entognatha и Ectognatha вместе составляют надкласс Hexapoda. Сегодня коллембол, помещают в надкласс Hexapoda, рамках нового таксона Pancrustacea [17].

Такие расхождения в систематике группы объясняются сочетанием примитивных и специализированных признаков. Примитивные черты организации [18]: как и у многоножек, отдельные членики усиков ногохвосток обладают собственной мускулатурой; в конечностях отсутствует разделение на голень и лапку, сперматозоиды лишены дополнительных трубочек и наружных грубых волокон, дробление яйца полное, зародышевые оболочки отсутствуют, осеменение наружно-внутреннее, линьки продолжаются после достижения половозрелости.

Специализированные черты: прыгательная вилка - особый локомоторный орган, находится на 4 сегменте брюшка; придерживающая ее зацепка на 3 сегменте; брюшная трубка, обеспечивающая ее прикрепление к субстрату после прыжка, функционирующая как присоска и т.д.[18].

Известны следующий семейства и подсемейства коллембол: Hypogastruridae, Neanuridae, Onychiuridae, Poduridae, Entomobryinae, Orchesellinae, Isotomidae, Tomoceridae, Neelidae, Bourletiellidae, Dicyrtomidae, Sminthuridae, Sminthurididae.[18]

1.2 Морфология

Размеры, общий вид. Размеры варьируют, у большинства -- около 1 мм. Наибольшая длина 5--9 мм (Morulina, Tetrodonthophora, Tomocerus), наименьшая для взрослых форм -- 0,2--0,7 мм (Neelidae, некоторые Poduromorpha). На голове у них имеются 4--6-члениковые антенны, нередко присутствуют простые глазки. Ротовой аппарат скрытый, грызущего типа, у некоторых видов ротовые части стилетообразные. Три пары грудных ног сходного строения. Брюшко шестичлениковое, нередко слитное, с прыгательной вилкой, представляющей видоизмененные брюшные конечности. Кроме вилки на брюшке у ногохвосток имеется брюшная трубка. Вилочка и брюшная трубка -- приспособления к прыжкам. В спокойном состоянии вилочка у коллембол подогнута под брюшко. При прыжке вилка распрямляется, тело отталкивается от субстрата и совершает скачок вперед. При опускании на субстрат коллемболы прикрепляются при помощи брюшной трубки, которая функционирует как присоска. У коллембол отсутствуют мальпигиевы сосуды и трахейная система. Размножение сперматофорное. Развитие прямое, без метаморфоза [20].

1.3 Экология

1.3.1 Распространение. Местообитания

Коллемболы широко расселены по земному шару и связаны со всеми типами почв и растительности -- от наскальных водорослевых и лишайниковых пленок до тропических лесов. Границы распространения лимитируются лишь постоянным ледовым покровом в высоких широтах и в высокогорье, хотя ногохвостки встречаются и на поверхности горных ледников, и у края ледовых шапок Земли. Основные места обитания -- скопления органического материала на поверхности почвы (лесная подстилка, степная ветошь, дернины и дерновины растений, прибрежные

выбросы, помет крупных животных и т. п.). Численность коллембол составляет десятки тысяч особей на квадратный метр площади. Лишь в самых сухих районах или при резких антропогенных нарушениях почв она опускается до сотен экземпляров [19].

1.3.2 Адаптации к основным факторам среды

Влажность. Кожное дыхание ногохвосток обусловливает высокую их чувствительность к влажности окружающего воздуха. Тем не менее, особенности строения покровов, физиологические и поведенческие адаптации позволяют им осваивать местообитания с разным гидротермическим режимом [19].

Поведенческой реакцией на возрастание сухости воздуха является усиление двигательной активности особей. Эта реакция в лабораторных условиях тем интенсивнее, чем более гигрофилен вид. В результате происходит перераспределение коллембол в пространстве и усиливается их агрегированность [21]. Распределение одного и того же вида в лесной подстилке сильно меняется в зависимости от ее влажности. Прикомлевые участки с более выровненным режимом влажности часто служат «местами резервации» коллембол в сухой период [22].

Влажность воздуха управляет также выходом ногохвосток на стволы деревьев и в травостой. Массовое появление коллембол на стволах регистрируется после дождей, и их ночная активность при этом выше, чем днем. Влажность среды определяет у коллембол также успех линек и яйцекладки [23]. В период линек животные становятся особенно чувствительными к обезвоживанию, и тенденции к агрегированию у них усиливаются [24].

Температура. Как у всех пойкилотермных организмов, скорость развития коллембол сильно зависит от поступления тепла извне. Температурный порог развития у всех видов разный; у многих он близок к 0°, однако имеются и значительно более теплолюбивые формы [25]. Повышение температуры укорачивает межлиночный период (у Onychiurus sp. в области 7--27° С в 3 раза, у Pseudosinella virei -- в 9 раз, Heteromurus nitidus -- в 6 раз), при этом увеличивается смертность. У некоторых видов скорость развития возрастает вплоть до летальных температур (Т. minor, Т. vulgaris -- до 24° С), у других перед верхней летальной точкой замедляется (Folsomia candida). В целом для видов с более продолжительным межлиночным периодом верхние летальные температуры ниже, чем для видов с более коротким интервалом между линьками [26].

Колебания температур, по-видимому, синхронизируют линьки в популяциях. Температурный режим в разных частях ареала определяет продолжительность развития поколений. Обычная температура холодового оцепенения коллембол близка к нулю, но особо холодостойкие виды могут быть активны при --6° С.

Поведенческие адаптации для избегания замерзания -- быстрое опорожнение кишечника вслед за резким снижением температуры. У кормящихся особей устойчивость к холоду ниже.

Резистентность ювенильных стадий заметно выше, чем взрослых. Например, вышедшая из яиц молодь Hypogastrura assimilis может переохлаждаться до --23,3°, взрослые особи до --19°; соответствующие критические точки для Orchesella villosa --15,9 и --5,1° С [27].

В умеренных широтах целый ряд видов проявляет подснежную активность. Массовые появления коллембол на снегу были отмечены еще в XVII в. К ним способны такие «зимние» виды, как Hypogastrura socialis, Isotoma hiemalis, Entomobrya nivalis и многие другие. В Финляндии выявлено 28 видов, способных к активности в толще и на поверхности снега. Многие из них темноокрашены и появляются только днем, что позволяет использовать тепло солнечной радиации. Массовый выход коллембол на снег происходит чаще весной, в марте, при плюсовых температурах воздуха, когда снег становится теплее почвы [28].

Свет. Отношение коллембол к свету, очевидно, определяется принадлежностью вида к жизненной форме. Пигментация, и развитие глаз у атмобионтных ногохвосток свидетельствует о значительной роли светового фактора в их жизни. У Vertagopus sarekensis экспериментально доказана способность к световой ориентации. Динамика суточного распределения этого вида четко зависела от направления солнечных лучей, тогда как у близкого вида V. westerlundi подобной зависимости не обнаружено [29]. У видов, выходящих зимой на снег, повышение температуры вызывает положительный фототаксис, помогающий животным выбираться на поверхность. Обитатели стволов деревьев при 100%-ной влажности воздуха могут выносить прямые солнечные лучи, что отмечено даже для такого вида, как Tomocerus vulgaris [30].

У почвенных форм преобладает отрицательный фототаксис, тогда как пещерные виды не проявляют фотопреферендума.

Газовый состав воздуха и химические свойства среды обитания. В местообитаниях коллембол возможно временное создание анаэробных условий, к чему многие виды оказываются достаточно хорошо адаптированными.

Показано, что ряд обитателей навоза и гниющих растительных масс очень устойчив к высоким концентрациям некоторых токсичных газов [31]. Концентрация С02, при которой половина популяции погибала в течение недели, составляла для Cryptopygus thermophilus (у автора -- Isotoma thermophila) -- 17%, Hypogastrura bengtssoni -- около 7% и Protaphorura armata -- 1,7%- Аммиак оказался ядовитым при содержании в сотые доли процента даже для навозных видов.

pH среды. По сложившемуся в литературе мнению, pH среды слабо влияет на распределение ногохвосток и их жизнеспособность [32,33].

1.3.3 Питание коллембол

В кишечниках коллембол обнаруживают обрывки разлагающихся тканей растений, почвенный детрит, часто вместе с минеральными частицами, споры и гифы грибов, зеленые водоросли, пыльцу, остатки животного происхождения [34]. Показано также питание ногохвосток бактериальными пленками, нектаром цветов и для отдельных видов -- возможность использования мягких тканей живых растений. Из имеющихся сведений следует предполагать широкую всеядность коллембол с преобладающим потреблением грибного мицелия [19].

Пищевые предпочтения разных видов коллембол проявляются достаточно четко при лабораторном содержании их с предоставлением набора кормов [36]. Мицелий грибов также поедается выборочно. Например, Folsomia candida предпочитает в значительно большей степени Mucor, чем Penicillium и Trichoderma [35].

Характер переработки пищи. Микроскопические исследования показывают, что опорные и эпидермальные ткани растений почти не перерабатываются в кишечнике коллембол. У них обнаружена высокая активность карбогидраз, позволяющих усваивать растворимые сахара -- амилазы, мальтазы, сахаразы и др., и не найдено собственных ферментов для разложения сложных полисахаридов, таких как целлюлоза, пектин и др. [37]. Однако способность коллембол гидролизовать клетчатку доказана в экспериментах с содержанием их на целлюлозных фильтрах [38]. Предполагается, что она утилизируется животными с помощью симбиотических микроорганизмов. У некоторых Onychiurus найдена целлобиаза, расщепляющая промежуточные продукты распада целлюлозы, обусловленного микробиальной активностью. В экскрементах многих видов коллембол клетчатки не обнаруживается вследствие глубокой минерализации [34].

Коллемболы обладают также высокой трегалазной и хитиназной активностью, позволяющей им усваивать гифы и даже споры грибов.

Близкие виды коллембол редко встречаются в пределах одного локального местообитания или же при этом регистрируется достаточно явное разделение экологических ниш. Среди них обнаруживается специализация по биотопам, горизонтам подстилки и другим неоднородностям среды [29].

1.3.4 Структура и динамика популяций

Возрастной состав. Определение возраста у коллембол чаще всего проводят на основе размеров тела или отдельных его частей (головной капсулы, четвертого членика усиков и т. п.), поскольку рост животных практически не прекращается в течение всей жизни, хотя и замедляется на поздних этапах. Разграничить ювенильные и взрослые формы можно также на основании морфологии генитального поля. Специфика размножения коллембол, связанная с растянутостью сроков откладки яиц в течение ряда межлиночных периодов, является биологической основой разновозрастности популяций. Синхронизация развития происходит редко, при этом чаще определяется внешними факторами.

У большинства ногохвосток жизненный цикл изменчив и не фиксирован строго в годовом периоде. Лишь у немногих видов, ведущих преимущственно наземный образ жизни, зарегистрированы механизмы, регулирующие время появления отдельных генераций, например, у Sphaeridia pumilis в Бельгии описано четкое изменение возрастной структуры популяций в течение года. Зимуют лишь яйца недиапаузирующего типа.

Ранней весной появляется молодь, быстро достигающая половозрелости. Летом популяция снова состоит в основном из яиц, но диапаузирующего типа. Перекрывание генераций и разновозрастность популяции отмечается лишь в конце весны и осенью [39].

У видов без диапаузы популяции при моновольтинности также могут в отдельные временные отрезки года быть представлены лишь одной возрастной группой. При двух и более генерациях в году популяции практически постоянно разновозрастны. При благоприятных условиях гистограмма распределения особей по размерам одно- или многовершинна. При снижении температуры и замедлении темпов развития появляется разрыв между поколениями или более резкое преобладание отдельных возрастных групп. Обычно это выражается в бимодальности кривой размерного распределения. Такая разница в структуре популяций может отражать и биотопические различия, как это было найдено для Parisotoma notabilis в листовом компосте и лесной подстилке [22].

Соотношение появляющегося потомства и взрослой части популяции есть экологическая характеристика вида, отражающая «давление среды» -- масштабы элиминации до достижения генеративного состояния. У коллембол возрастная пирамида стабильной популяции должна иметь широкое основание из-за высокого уровня смертности в природе. Ногохвостки поддерживают свою численность в основном за счет постоянного ее восполнения, т. е. «r-стратегии» по современным эволюционным классификациям. Долю молодых особей предложено использовать как «показатель редукции» популяций отдельных видов [40]. Этот показатель отражает совместное влияние факторов, контролирующих плотность популяции, и различается в разных биотопических условиях. Таблицы выживаемости, составленные для разных видов, демонстрируют тот факт, что количество и распределение в жизненном цикле наиболее уязвимых периодов с повышенной смертностью видоспецифичны. У Folsomia octoculata обнаружен примерно постоянный уровень смертности в разных возрастных группах [41]. У Lepidocyrtus lignorum наиболее высоки показатели ювенильной смертности [42]. Для Orchesella cincta и Tomocerus minor выявлено два критических периода: после появления из яиц и в период половой зрелости, когда усиливается локомоторная активность особей [43].В динамике многих видов отмечается закономерная годовая цикличность. По приуроченности подъема численности популяций к определенным сезонам года ряд авторов выделяет фенологические группы видов. Например, в ельниках Подмосковья выявлены четыре такие группы: весенне-летняя, летняя, летне-осенняя, осенне-зимняя [44]. Однако сезонная приуроченность численности может сильно сдвигаться в зависимости от погодно- климатических условий года и в разных частях ареала. По 11-летним регулярным наблюдениям в лесах Японии над динамикой популяций Mesaphorura yosii (у автора-- Tullbergia yosii) и Onychiurus (s.l.) decemsetosus глубокопочвенные по жизненной форме виды не отличаются более стабильным ходом численности по сравнению с обитателями верхних слоев [45]. Предполагается, что в фазе роста популяции темпы его зависят от плотности, тогда как снижение численности плотностью не определяется. В популяциях Folsomia candida в условиях лабораторного содержания механизмы, тормозящие рост численности популяции, начинали проявляться только при чрезвычайно высоком уровне ее плотности, который вряд ли возможен в природных условиях[46].

1.4 Агрегационное поведение в естественных условиях

Изучение коллембол в живой природе выявляет их неравномерное распределение.

В лесных почвах неоднородность среды обитания коллембол, прежде всего, связана с неравномерностью размещения запасов и влажностью подстилки. Обнаруживается высокая и устойчивая корреляция микроартропод с весом и мощностью подстилочного горизонта. Конкретное распределение отдельных видов зависит от влажности подстилки. В сухие периоды, когда влажность среды становится лимитирующим фактором, все виды коллембол концентрируются в участках с более стабильным гидротермическим режимом. (48, 49, 50). При достаточном увлажнении подстилки наблюдается относительное размежевание видов.

Джуссе предположила, что в лесу почвенные коллемболы собираются в агрегации [47]. Причем она разделила ногохвосток на две группы: коллемболы с направленным движением и с ненаправленным движением. Среди групп коллембол направленные движения были показаны только у Anurida maritima, вида, живущего в зоне прилива и отлива на берегах моря, где его движения определяются приходящим приливом, которого они избегают, перемещаются в расщелины. Однако ногохвостки, живущие в лесной почве, не демонстрировали направленного движения.

Ненаправленные движения Джуссе объяснила следующим образом:

«сухой воздух оказывает влияние на двигательное поведение коллембол. Они передвигаются не направлено и останавливаются только тогда, когда отсутствует стимул, т.е. когда влажно. Это ведет к агрегации животных в местах с оптимальными условиями.»

Но и при наличии относительно однородной обстановки исследования таких авторов как Джуссе и Христиансен показывают что микроартроподам присуща ярко выраженная мозаичность распределения [21, 56]. Агрегированность популяций, очевидно, является вообще необходимым условием существования видов с наружными формами оплодотворения. Для большинства видов ногохвосток характерно беспорядочное рассеивание самцами сперматофоров, и оплодотворение самок может быть обеспечено поэтому только при значительном их количестве и, следовательно, достаточной локальной плотности популяций в период размножения [50].

1.5 Агрегационное поведение в лабораторных условиях

Кроме внешних факторов мозаичности населения ногохвосток существуют внутренние, связанные с образованием рядом видов агрегаций. Агрегации нередко связаны с размножением, миграциями, приуроченностью к специфическим микростациям [19].

Многочисленные исследования показали, что у коллембол, как и у большинства населения почвенных животных есть агрегированное распределение. Эти выводы в основном базируются на статистических описаниях картины распределения [47, 51].

Мелкие агрегации ногохвосток невозможно изучать в условиях их естественного местообитания, это вызвано рядом причин: их мелкими размерами, отсутствием способов метки животных. Большинство видов коллембол обитают в различных порах, полостях, расщелинах и т.п., что так же затрудняет наблюдения за ними. В естественных условиях исключить действие какого-то фактора или их комплекса так же невозможно. В связи с этим поведения ногохвосток изучают в лабораторных условиях. В лабораторных исследований коллемболы являются удобным объектом в силу ряда причин:

• небольшие размеры;

• относительно простые условия разведения;

• легко размножаются, короткий жизненный цикл;

• одновременно можно проводить ряд экспериментов [48]

Исследованиями агрегаций коллембол в лабораторных условиях занимались такие ученые, как Джуссе, Верхоев, Мертенс, Ушер, Маника и др.

коллембола межвидовой агрегация конкуренция

Вначале изучение коллембол проводилось в микрокосмах, имитации естественных биоценозов. В 1974 году Джуссе на видах Tomocerus minor (Lubbock) и Orchesella cincta (L.) получила данные о связанности влажности субстрата и агрегаций коллембол [48]. Подсчет велся методом Ушера [51]. Ушер и Хидер в своей работе упоминают «своего рода взаимное притяжение» между коллемболами [54]. Мертенс и Бургоигне показали агрегацию с помощью половых феромонов у коллембол вида Hypogastrura viatica [53]. В их эксперименте как субстрат использовалась фильтровальная бумага, насиженная в течение суток большим количеством коллембол. Таким образом для коллембол характерно предпочитать насиженные местообитания не насиженным.Верхоев,

Нагелкерке и Джуссе изучили возможность существования социальных факторов, играющих роль в формировании скоплений у коллембол на видах Orchesella cincta, Orchesella villosa, и Tomocerus minor. Таким образом, были получены данные о видоспецифичности агрегаций у коллембол, микроартроподы предпочитали «свой» сектор «чужому» [52].

Предполагается, что в фазе роста популяции темпы его зависят от плотности, тогда как снижение численности плотностью не определяется. В популяциях Folsomia candida в условиях лабораторного содержания механизмы, тормозящие рост численности популяции, начинали проявляться только при чрезвычайно высоком уровне ее плотности, который вряд ли возможен в природных условиях [55].

Многочисленные исследования, что у коллембол, как и у большинства населения почвенных животных есть агрегированное распределение. Эти выводы в основном базируются на статистических описаниях картины распределения [47,51].



1.6 Влияние межвидовых отношений на агрегации

Межвидовая конкуренция при размножении коллембол

Влияние межвидовой конкуренции на размножение коллембол впервые изучалось Христиансеном в опытах с попарным культивированием на дрожжах одиннадцати видов в течение трех лет. В большинстве случаев один вид становился доминирующим по численности и подавлял размножение другого или полностью вытеснял его из культуры [56]. Другой исход экспериментов -- переменное доминирование видов, кончавшееся вытеснением или угнетением первоначального доминанта.

Полученные результаты не были следствием недостатка корма или переуплотнения культур. Автором сделан вывод об ингибировании одними видами размножения других. Были исследованы также возможные механизмы конкурентного исключения. Наиболее часто у подавляемого вида замедлялась или задерживалась откладка яиц. Далее в 1970 году Христиансен обнаружил экспериментально то, что Folsomia candida обладает высокими цифрами пищевых агрегаций и низкой степенью общей агрегации. Христиансен объяснил данное явление тем, что это был единственный вид, который регулярно размножался партеногенетически [57].

Исследование межвидовых агрегаций коллембол

В 2014 году на кафедре зоологии и экологии МГУ была разработана методика изучения межвидовых предпочтений ногохвосток.

Нами были проведены опыты, в которых два субстрата, насиженных коллемболами двух разных видов, совмещали в экспериментальной камере.

В контейнер с субстратом (фильтровальная бумага, смоченная дистиллированной водой) высаживали с помощью эксгаустера 300 особей одного вида (Folsomia candida, Vertagopus pseudocinereus или Folsomia fimetaria.) из маточных культур. Коллемболы в контейнере находились сутки, для насиживания субстрата. Опыт проводился парами между видами Folsomia fimetaria/Folsomia candida и Folsomia candida/Vertagopus pseudocinereus. Затем на экспериментальную площадку с совмещенным субстратом помещали коллембол в количестве 20 особей одного вида из пары. На экспериментальной площадке подсчет количества агрегированных особей вели в течении часа каждые 5 минут.

В результате опыта выяснено что предпочтение «свой-чужой» есть у видов Vertagopus pseudocinereus при выборе между Folsomia candida и

Vertagopus pseudocinereus а также у Folsomia fimetaria при выборе между Folsomia candida и Folsomia fimetaria. У вида Folsomia candida при выборе между Folsomia candida и Vertagopus pseudocinereus предпочтений нет как и у Folsomia candida при выборе между Folsomia candida и Folsomia fimetaria.



Глава 2. Материалы и методы

2.1 Объект исследования

Для изучения агрегаций «свой-чужой» у коллембол, были взяты виды Folsomia candida (Willem, 1902), Vertagopus pseudocinereus и Folsomia fimetaria (Linnaeus, 1758) (Рисунок 1-3). Первый и третий вид относятся к одному роду

Данные виды относятся по жизненной форме к верхнепочвенным, кроме вида Vertagopus pseudocinereus, который относится к верхнеподстилочным.

Рис. 1 Folsomia candida в культуре

Рис. 2. Vertagopus pseudocinereus в культуре

Рис. 3. Folsomia fimetaria в культуре



2.2 Изготовление культур

Методы получения коллембол из природы

Для получения лабораторной культуры могут быть использованы различные методы получения коллембол из природы: эклекторные пробы, ловушки, кошение сачком, флотация песка и эксгаустерные сборы. Эклекторные пробы - это основной способ получения мелких членистоногих. Эклекторными пробами, однако, плохо учитываются крупные, подвижные коллемболы. Они выпрыгивают из рамки, сильнее травмируются при транспортировке проб, выползают из эклекторной воронки, а некоторые не пролезают через ячейки эклекторного сита. Выгонку производят в сухом, желательно отапливаемом помещении. Часто сверху субстрат освещают с помощью электрических ламп, создающих дополнительный градиент тепла и света. Воронки вставляют в гнезда или подвешивают на веревке. В сухих условиях (помещение, где производится выгонка), флакон с увлажненным субстратом быстро высыхает. Поэтому для получения живых ногохвосток, их регулярно удаляются из этого флакона при помощи эксгаустера и помещаются под бинокуляр для предварительного определения видовой принадлежности. Исследуемые нами виды ногохвосток помещали в колбы с помощью эксгаустера (Рисунок 4). Ловушки Барбера - сосуды, закопанные вровень с поверхностью почвы. Примерный диаметр ловушки - 3-5см. Кошение сачком - применяется для учета видов, обитающих в травостое. Флотация песка. Для флотации берут крупный сосуд типа низкого ведра или тазика, засыпают порцию песка, наливают воды и аккуратно перемешивают. Через несколько минут коллемболы всплывают и их переносят иглой или тонкой кисточкой в последующие емкости. Эксгаустерные сборы. Эксгаустер - ручной прибор для сбора объектов размером 1-5 мм. Пойманных в эксгаустер коллембол пересыпают, используя воронку.

Методы культивирования коллембол

Для содержания коллембол в лаборатории были использованы лабораторные культуры. Для получения лабораторных культур необходимы живые ногохвостки в количестве 10 -- 30 особей, для дальнейшего размножения. С помощью эксгаустера ногохвосток пересаживают из одной емкости в другую емкость. Колбы заполнены листовым опадом. Листовой субстрат представлял собой осенние листья, собранные с деревьев в лесопарках Москвы и Московской области. Листья промывали и подогревали до 80°С для того, чтобы уничтожить почти всю микрофауну, оставив при этом живыми микрофлору (споры грибов). Остывшие листья помещали в колбы, которые затем закрывали плотным ватным пробками, и оставляли на несколько дней без животных. Это было необходимо для того, чтобы микрофлора начала размножаться. Помимо естественной пищи (грибы) коллемболы получали искусственный корм, состоящий из следующих компонентов: 1мл воды; 40 гр изюма без косточек; 6 гр агар-агара; 36 гр манной крупы; пекарские дрожжи; 1 столовая ложка патоки; 1мл 10% пропионовой кислоты. Смесь таких компонентов варили в течение одного часа на медленном огне. Каждая колба подписывается с указанием вида, места сбора, года и месяца (времени года). В зависимости от цели создания культуры условия ее содержания различны. Для увеличения срока содержания культуры без добавления листового опада (с течением времени, при активной жизнедеятельности коллембол он постепенно съедается), ее необходимо держать в холодильнике при температуре от 0 до +3°С. В таких условиях активность ногохвосток сильно падает, они не нуждаются в дополнительных источниках питания, популяция существует без изменений значительное время. В случае необходимости культуру извлекают из холодильника и выдерживают при комнатной температуре. С повышением температуры (переход от 0 -- 3°С к 20 - 25°С) активность коллембол резко возрастает. Вследствие чего они нуждаются в дополнительных источниках пищи, которыми могут служить в расчете на одну культуру: 2-4г сыра, любой твердый сыр, около 1 мл кефира (как с добавками, так и без). Вносить эти объемы следует раз в неделю, во время содержания культуры при комнатной температуре. В случае переизбытка пищи, она подвергается распаду грибами. Многие виды коллембол не способны использовать в пищу грибы или они просто путаются в гифах грибов и погибают. С повышение температуры сильно возрастает испарение влаги, ногохвостки очень чувствительны к изменению влажности воздуха [48]. Поэтому воду необходимо вносить в культуру чаще пищи, но на дне она не должна быть в избытке. Культура обладает небольшой буферной емкостью, этому способствует листва, находящаяся в колбе. Верхний слой пересыхает довольно быстро, а нижние слои более устойчивы к высыханию, коллемболы уходят в нижний слой, что способствует их выживанию, при достаточном увлажнении, они распределены по культуре, относительно равномерно (в вертикальном направлении). При работе с культурой листовой опад истощается, его запасы необходимо пополнять. На колбу объемом 250 мл внесение опада осуществляется раз в месяц, при комнатной температуре.

2.3 Методика проведения опытов

Условия содержания коллембол для проведения опыта

Для проведения опытов требуется большое количество особей коллембол (по 30 особей каждого вида на одну повторность опыта). По причине неудобства извлечения коллембол для опыта из резервных лабораторных культур использовали специальные маточные культуры коллембол (Рисунок 5), которые были размещены в пластиковых контейнерах с завинчивающейся крышкой. В крышке прорезано отверстие диаметром 15 мм для вентиляции, закрытое сеткой. Субстратом для коллембол служит смесь гипса и активированного угля в пропорции 9:1. Активированный уголь, предварительно растирается в ступке пестиком. Уголь и гипс смешиваются в сухом виде до получения однородной массы, затем добавляется вода. Смешение сухой массы гипса и угля с водой необходимо делать быстро, так как гипс застывает за короткое время, до консистенции густой сметаны. Приготовленную массу заливали в контейнер. Затвердевание происходит на воздухе в течение нескольких суток при комнатной температуре(20 - 25°С). Толщина слоя субстрата три сантиметра.

В отличие от резервных культур, хранимых в холодильнике, маточные культуры содержались при комнатной температуре. Это важно для достоверности результатов опыта, так как при повышении температуры (переход от 0 -- 3°С к 20 - 25°С) активность коллембол резко возрастает. Кормление коллембол осуществлялось раз в четыре дня кефиром, вносимым в контейнер на листе фильтровальной бумаги (Рисунок 6). Требовалось избегать попадания кефира на субстрат, из-за образования гифов грибов на кефире. При разрастании гифы становятся «ловчей сетью» и животные гибнут в них. Для поддержания влажности субстрат смачивали дистиллированной водой раз в три дня.

Экспериментальные камеры для проведения опытов

Опыты проводили в стеклянных экспериментальных камерах с диаметром дна 25 мм и высотой стенок 48 мм (Рисунок 7). Контейнер во время опыта закрывали прозрачной крышкой и помещали под рассеянный свет.

Субстрат для проведения опытов

Для проведения опыта как субстрат использовали фильтровальную бумагу (из химического фильтра) смоченную дистиллированной водой. Такой субстрат брали для удобства перемещения субстрата и из-за простоты его использования.

Проведение опыта

В контейнер с субстратом (фильтровальная бумага, смоченная дистиллированной водой) помещали с помощью эксгаустера 30 особей одного вида (Folsomia candida, Vertagopus pseudocinereus или Folsomia fimetaria.) из маточных культур. Коллемболы в контейнере находились сутки, для насиживания субстрата.

Опыт проводился парами между видами Folsomia fimetaria/Folsomia candida Folsomia candida/Vertagopus pseudocinereus.

Через 24 часа коллембол извлекали с помощью разных эксгаустеров (для соблюдения чистоты маточной культуры), и возвращали в маточную культуру. Фильтровальную бумагу доставали и высушивали 5-10 мин., затем разрезали пополам и две половинки от разных видов помещали на экспериментальную площадку (экспериментальная камера). На этих полукружьях были сделаны подписи карандашом, краткое обозначение вида участвующего в опыте. Затем на экспериментальную площадку помещали одну особь соответствующего вида из участвующих в эксперименте (Рисунок 8). Далее регистрировали визуальные наблюдения за перемещением коллемболы в экспериментальной камере в течении часа, каждые пять минут. Интервалы времени фиксировали с помощью секундомера. Результаты наблюдений записывали в таблицу наблюдений «свой-чужой»

Таблица 1 Пример записи повторности эксперимента «свой-чужой»

Насиживание: Folsomia candida / Vertagopus pseudocinereus. Экспозиция: V. pseudocinereus	(17.03.15): t=24C, бюкс D=25 мм, экспозиция 24ч, 2 бюкса по ~30 особей 2-х видов, тест 60 мин с 1 особью Vertagopus pseudocinereus.
Время (мин.)	Насиженный Vertagopus pseudocinereus.	Насиженный Folsomia candida
5	1	0
10	0	1
15	1	0
20	1	0
25	1	0
30	1	0
35	1	0
40	1	0
45	1	0
50	1	0
55	1	0
60	1	0

Рисунок 2. Эксгаустер

Рисунок 3. Контейнер с маточной культурой коллембол

Рисунок 4. Кормление коллембол маточной культуры

Рисунок 5. Экспериментальные камеры для проведения опытов

Было проведено 15 повторностей на каждую пару видов коллембол, из 4 сочетаний видов (Рисунок 8).

Рисунок 6. Схема сочетаний видов в эксперименте

Контейнер для опыта использовали чистый. Это позволяет исключить межвидовое влияние особей друг на друга. После проведения опыта коллемболу извлекали при помощи эксгаустера с экспериментальной площадки и перемещали обратно в свою маточную культуру. Экспериментальные камеры тщательно мыли для дальнейшего использования. Субстрат использовали один раз, в последующих опытах брали новый.

Схема первого опыта на примере Vertagopus pseudocinereus на насиженных Vertagopus pseudocinereus и Folsomia candida фильтрах показана на Рис. 9.

Рисунок 7. Схема опыта на примере Vertagopus pseudocinereus на насиженных Vertagopus pseudocinereus и Folsomia candida фильтрах

2.4 Математическая обработка данных

Результаты опытов во время проведения эксперимента заносились в таблицу наблюдений в программе Microsoft Office Excel. Названием опыта делали сочетание видов для насиживания подложки (Folsomia candida / Vertagopus pseudocinereus или Folsomia candida / Folsomia fimetaria). Указывали дату проведения опыта и видовое название коллембол, участвующих в эксперименте (выбирающих по типу «свой-чужой»), а также температуру воздуха в лаборатории. Каждой из 15 повторностей эксперимента соответствовала отдельная таблица, в которой указывались: номер повторности, время наблюдения в минутах (от 0 до 60 с шагом в 5 минут), и им соответствующие ячейки «свой-чужой», в которую записывали на какой стороне находиться ногохвостка в момент наблюдения. Все данные разбиты по времени, на 12 наблюдений, таким образом для каждой пары видов анализировалось 2 ряда данных для ячеек «свой» и «чужой»). Получали восемь рядов данных с 15 средними значениями.

Данные обрабатывались в статистической программе STATISTICA (там же были построены диаграммы). Были построены «ящики с усами» с учетом ошибки средней и доверительным интервалом 1.96*ст. ошибкой для 4 рядов с измерениями по типу «свой».

В программе STATISTICA было выполнено сравнение выборок по критерию Вилкоксона по средним арифметическим распределения «свой- чужой». За порог достоверного различия выборок взяли значение p=0,05 (стандартное принятое в науке 5 %).

По оси ординат откладывали силу агрегационного отклика на свой вид в процентах, полученных из ряда данных о наблюдаемых особях на «своей» стороне, по оси абсцисс -- номер опыта. Всего получилось четыре диаграммы размаха.



Глава 3. Результаты

В первом опыте наблюдается предпочтение своей половины фильтра видом Folsomia. candida при выборе между Folsomia candida и Vertagopus pseudocinereus. По критерию Вилкоксона отличия не были достоверны, так как p больше 0.05. (Рис. 11)

Общий характер распределения «свой-чужой» в первом опыте можно увидеть на диаграмме (Рис. 10)

Во втором опыте сильное предпочтение «своей» подложки видом Vertagopus pseudocinereus при выборе между Folsomia candida и Vertagopus pseudocinereus. Предпочтение достоверно по критерию Вилкоксона (Рис. 13).

Рис. 10 Диаграмма распределения "свой-чужой" у Folsomia. candida

при выборе между Folsomia candida и Vertagopus pseudocinereus

Рис. 11 Результат анализа первого опыта по критерию Вилкоксона

Общий характер распределения «свой-чужой» во втором опыте можно увидеть на диаграмме (Рис. 12)

В третьем опыте очень слабое предпочтение своей половины фильтра видом Folsomia fimetaria при выборе между Folsomia candida и Folsomia fimetaria. Предпочтение недостоверно по критерию Вилкоксона (Рис. 15)



Рис. 12 Диаграмма распределения "свой-чужой" у Vertagopus pseudocinereus при выборе между Folsomia candida и Vertagopus pseudocinereus

Рис. 13 Результат анализа второго опыта по критерию Вилкоксона

В четвертом опыте (Folsomia candida при выборе между Folsomia candida и Folsomia fimetaria) не обнаружено предпочтений «свой-чужой». Не достоверно по критерию Вилкоксона (Рис. 17)

Общий характер распределения «свой-чужой» в третьем и четвертом опыте можно увидеть на диаграммах (Рис. 14, 16)

Рис.14 Диаграмма распределения "свой-чужой" у Folsomia fimetaria при выборе между Folsomia candida и Folsomia fimetaria

Рис. 15. Результат анализа третьего опыта по критерию Вилкоксона



Рис. 16. Диаграмма распределения "свой-чужой" у Folsomia candida при выборе между Folsomia candida и Folsomia fimetari

Рис. 17. Результат анализа четвертого опыта по критерию Вилкоксона

Также данные из данной работы и работы с возможным влиянием эффекта группы были приведены к процентному виду по формуле a=(b*100)/c (где а - сила предпочтения своего вида в процентах для одной из 15 повторностей , b - средняя по одной из 15 повторностей , с - максимум измерения). Далее по этой работе и опытам, проведенных нами в 2014 году (Групповой выбор у коллембол, между насиженным субстратом «своего» или

«чужого» вида), были построены диаграммы размаха (Рис. 18-21). Планки погрешностей были сделаны на основе доверительного интервала 1.96*станд. ошибки.

Рис. 18. Сравнение результатов опытов . Folsomia. candida при выборе между Folsomia candida и Vertagopus pseudocinereus



Рис. 19. Сравнение результатов опытов Vertagopus pseudocinereus при выборе между Folsomia candida и Vertagopus pseudocinereus

Рис. 20. Сравнение результатов опытов 2014 г. и 2016 г.Folsomia fimetaria при выборе между Folsomia candida и Folsomia fimetaria

Рис. 21. Сравнение результатов опытов 2014 г. и 2016 г.Folsomia candida при выборе между Folsomia candida и Folsomia fimetaria



Глава 4. Обсуждение

По литературным данным к настоящему времени известно, что Коллемболы для при распределения распределении между насиженной и чистой фильтровальной бумагой выбирают насиженную. Примером может служить работа Верхоева, Нагелькерк и Джуссе [52]. На графике из этой работы видно, что вид Hypogastrura viatica предпочитает насиженный фильтр (direct impregnation) (Рис. 22). Близкую методику использовали другие авторы, у них получены и близкие результаты

Рис. 22. Сила агрегационного отклика на насиженный фильтр(работа Верхоева, Нагелькерк и Джуссе)

Следует отметить, что ногохвостки теоретически могут быть привлечены побочными продуктами, которые вымываются из фекалий в фильтровальную бумагу. Если это было бы так, то использование термина «феромон» для таких веществ было бы спорным. Только подробный химический анализ, который выходит за рамки нашего исследования, мог бы обеспечить определенное свидетельство присутствия феромонов. Таким образом в данной работе мы отходим от термина « феромон » и оперируем понятием «насиженности».

Единственной работой, в которой описывается предпочтение между "своим" и "чужим", а не между "своим" и "условно стерильным" субстратами является исследование Верхоева и др.[52]. График предпочтений вида Orchesella cincta при выборе между собой, близким видом Orchesella villosa и видом Tomocerus minor показан на Рис. 23. Из полученных данных видно, что вид, хотя явно предпочитает "свою" площадку, агрегируется и на площадках других видов. Встает вопрос о силе влияния других видов, одинаковы ли закономерности у разных видов. Данные нашей работы посвящены этому ответу на этот вопрос.

Рис. 23. График предпочтений вида Orchesella cincta (Из работы

По нашим результатам можно предположить, что из трех видов только V.cinereus умеет предпочитать площадку, насиженную своим, а не чужим видом. Остальные два вида почти одинаково скапливаются на площадках своих и чужих, предпочтение своей площадки незначительно и недостоверно.

При выборе между собой и близким видом Folsomia candida вид Folsomia fimetaria выбирает насиженный насиженную своим видом площадку как при влиянии учете группового выбора эффекта, так и в случае с выбором без него влияния группового эффекта. Но если сравнить с результатами выбора видом Vertagopus pseudocinereus при выборе между Folsomia candida и собой, то можно увидеть что картина предпочтения значительно сильнее. Возможно вопрос о связи таксономической близости и предпочтений при агрегации «свой-чужой» нуждается в дальнейших исследованиях.

Другой частью работы было сравнение силы предпочтений коллембол в группе и для одиночной особи (Рис.18-21). Нами показано, что в целом, данные полученные по двум этим методикам совпадают. Единственное отличие между групповым и одиночным опытом - при выборе между Folsomia fimetaria и близким видом Folsomia candida вид Folsomia fimetaria без влияния других особей обнаружено более сильное предпочтение



Выводы

1. Явное предпочтение мест скоплений особей своего вида наблюдается только у Vertagopus pseudocinereus. Остальные два вида, Folsomia fimetaria и Folsomia candida, не выявляют такого предпочтения или оно недостоверно в условиях нашего эксперимента.

2. В опытах с Folsomia candida не обнаружено достоверных свидетельств связи таксономической близости и реакции «свой-чужой» - вид примерно одинаково предпочитал площадки, насиженные близким видом (F. fimetaria) и видом из другого рода (V. pseudocinereus).

3. Предложенная более экономная методика (с одной особью: без эффекта группы) дает близкие результаты с методикой, использующей большое количество особей (с эффектом группы). Небольшое влияние эффекта группы было обнаружено только в опытах с Folsomia fimetaria.



Список литературы

1. Carapelli A., Nardi F., Boore J. et al. The phylogeny of basal hexapods: hints from mitochondrial genomics // Abstracts of XI Int. Colloquium on Apterygota. Rouen, 2004. - P. 12

2. Van Straalen N.M. 1998. Evaluation of bioindicator systems derived from soil arthropod communities. Appl. Soil Ecol. V. 9. P. 429-437.

...