Все в мире насекомых удивительно – и разнообразие видов, и гигантская численность, и образ жизни, и непостижимое по сложности и целесообразности строение организмов, и порой необъяснимое поведение отдельных особей, семейств, колоний. Насекомым принадлежит важнейшая роль и в многозвенной экологической цепи и в ее тончайших, едва уловимых нитях.
Это самая богатая видами группа животных. Она насчитывает около миллиона только описанных видов насекомых, и открытия продолжаются. Ученые полагают, что насекомых на Земле не менее двух – трех миллионов видов. Это гораздо больше, чем всех прочих животных и растений вместе взятых. Причем каждый вид насекомых имеет свои особенности строения, процессов жизнедеятельности и поведения. По словам одного известного энтомолога, от одного вида насекомого до другого зачастую не ближе, чем от мухи до слона. А поскольку вид представляет собой качественно обособленную форму живого, то все его представители взаимно скрещиваются с образованием потомства. В то же время межвидовые скрещивания никогда не дают полноценного потомства, способного к продолжению рода и передаче «разновидовых» признаков. Здесь срабатывает заложенная в организмах генетическая система защиты чистоты каждого вида.
Насекомые составляют 29 отрядов. Среди них: прямокрылые – кузнечики, саранча, сверчки, медведки, таракановые, богомолы, термиты, стрекозы, поденки, вши; равнокрылые (членистохоботные) – цикады, червецы, тли; полужесткокрылые (или клопы); жесткокрылые (или жуки); чешуекрылые (или бабочки); двукрылые – мухи, комары, москиты, мошки, блохи; перепончатокрылые – пчелы, осы, муравьи, наездники и другие.
Насекомые – это многогранное чудо живой природы, имеют на Земле свое особое предназначение, которое трудно переоценить. Они являются прекрасными опылителями, почвообразователями, санитарами природы, и что важно для человека – насекомые улучшают плодородие почвы, сдерживают чрезмерное распространение многих сельскохозяйственных вредителей, производят мед и лекарственные вещества, красители сочных цветов, шелк. Более половины нашего питания составляет растительная пища. И 15 % ее обязана своим урожаем насекомым-опылителям. Они опыляют и большинство растительных кормов для животных. Кроме того, нам доставляет наслаждение любование красотой причудливых форм, рисунков и расцветок тела, а также грациозностью движений. Только малая часть (около 1 %) насекомых, приносит невольный ущерб деятельности человека. Но это ничто по сравнению с той важной ролью, которую они играют в жизни людей и в поддержании природного экологического равновесия.
Насекомые щедро одарены всем необходимым, чтобы активно жить и воплощать свое предназначение на Земле. Они имеют совершенные органы и системы, а также мозг и своеобразное сердце. Нервная и сенсорная (связанные с органами чувств) системы позволяют насекомым ощущать и воспринимать окружающий мир, органы движения – перемещаться в пространстве и осуществлять все действия, связанные с жизнедеятельностью, а системы координации и управления целенаправленно руководят всеми процессами и структурами организма, а также поведением насекомых.
При всем богатстве форм и окрасок, совершенстве строения организма, отдельных устройств, систем и взаимосвязанных физиологических процессов, поведение насекомых отличается не меньшим разнообразием. Как генетически заложенное инстинктивное поведение, так и приобретенный индивидуальный опыт поражают своей сложностью, целесообразностью и уникальностью. Не существует двух видов насекомых, которые вели бы себя одинаково. Представителя каждого вида можно узнать по врожденной стратегии добывания пищи, строительной деятельности, по тем позам, звукам, выделяемым химическим веществам, которые ему присущи при пищевой, репродуктивной, защитной, социальной и других формах поведения.
Непостижима сложность поведения и строения организма общественных насекомых – муравьев, пчел, ос, термитов. Издавна многие виды их деятельности вызывают чувство восхищения. Еще Августин Блаженный писал: «Нас поражают больше деяния маленьких муравьев и пчел, чем громадные тела китов». Среди этих насекомых имеются и фермеры, которые пасут, охраняют и «доят» полезных для них животных и насекомые–земледельцы, способные не только собирать урожай, но и выращивать его, подготовив предварительно землю и посадочные семена. Все общественные насекомые – прекрасные строители, сооружающие в зависимости от своей видовой принадлежности и малые индивидуальные постройки, и большие общественные дома, и целые города с мощными коммуникативными системами. В них все учтено для нормальной жизнедеятельности как отдельной особи и семьи, вплоть до создания необходимого микроклимата, так и жизни колоний и гигантских федераций общественных насекомых.
Современная энтомология не видит принципиальных оснований для противопоставления поведения насекомых и так называемых «высших» позвоночных животных. Ведь у насекомых некоторых видов в поведении участвуют такие сложнейшие психические процессы, как воображение, абстрактное мышление, символизация, память, способность к обучению и выработке условных рефлексов, собственный «язык» и даже элементарная рассудочная деятельность. Мир насекомых, куда входят эти удивительнейшие и совершенные создания, хрупок и неповторим во всех своих многообразных проявлениях. Его следует не только любить, но и обязательно беречь.
Возможности для повсеместного обитания
Для насекомых – этого необычайно многочисленного класса маленьких существ, характерно то, что они успешно живут и размножаются практически повсеместно – от Заполярья до изнывающих зноем пустынь, и отсутствуют только в глубине океана. Буквально кишит насекомыми почва. Мириады их носятся в воздухе, и даже на высоте до 2 км эти существа образуют гигантский слой планктона, который служит пищей для птиц.
Разнообразие типов организма и мест обитания насекомых
Насекомые каждого вида занимают только тот ареал и способны выдерживать именно те условия окружающей среды, для которых предназначен их организм, «настроены» врожденные механизмы жизнедеятельности и поведения. Благодаря этому насекомые могут обитать в самых суровых условиях, даже в холодной арктической тундре и на снежных горных вершинах, в солнечных саваннах и пустынях, во влажных тропических лесах и тайге, в жилищах людей и на животных. Например, бабочки, казалось бы, совсем хрупкие создания, обитают на земном шаре почти повсеместно. Их активная жизнедеятельность возможна благодаря особой целесообразности типа организма, который условно можно назвать «южным», «северным», «тропическим», «универсальным». Так, универсальный организм бабочек одних видов обеспечивает их распространение по многим районам с самыми разнообразными природными факторами. А организм других – предназначен только для конкретного местообитания, как, например, у бабочек, живущих исключительно в Альпах, выше линии снегов при средней температуре –10 0 С. Или, к примеру, у одного из обитателей пустыни – жука-чернотелки некоторых видов специфичное устройство организма обеспечивает активную жизнь именно в этой среде. Насекомое хорошо переносит жару и утоляет жажду, конденсируя живительную влагу ночных туманов.
Особенности организма насекомых некоторых видов позволяют: сохранять жизнь после замерзания и оттаивания; населять горячие источники с температурой воды +50 0 С; долгое время жить без воды за счет окисления запасенных питательных веществ; выживать в глубоком вакууме и часами находиться в чистом углекислом газе; жить в солевом рассоле, сырой нефти и т.д.
Конечно, в холодных и сухих районах, а также в таких критических для жизни условиях проживают представители немногих видов насекомых. Однако именно они своим примером с наглядностью демонстрируют, какими поистине феноменальными возможностями наделены, казалось бы, совсем беззащитные существа. Больше того, как и многие другие животные, насекомые именно не «выживают» в такой сложной и суровой среде, а живут в ней той полноценной жизнью, особенности которой внесены в их генетическую программу. Рассмотрим это на некоторых примерах.
Холодоустойчивость насекомых
Некоторые насекомые относятся к покорителям и постоянным обитателям горных вершин. В седловине Эльбруса на высоте 5300 м можно увидеть стрекоз и крапивниц. А оседло живущие мухи, жуки, тли бабочки, саранчовые обнаружены в Гималаях даже на высоте 6000 м над уровнем моря. Питаются они пыльцой растений и органическими остатками, которые приносят горные бризы. Живут насекомые под камнями, в почве, в редких пятнах высокогорных растительных ковров и даже в снегу. Но особенно много их у кромки тающего льда, где большая влажность и легче найти корм, приносимый талой водой. Для нормальной жизни и воспроизводства сверчки одного из видов обязательно поселяются именно на горной местности, покрытой снегом, так как устройство их организма рассчитано только на среду обитания с пониженной температурой. А проживающая в северных широтах и высоко в горах бабочка желтушка наделена удивительным свойством живорождения, что очень озадачило в свое время энтомологов, поскольку для бабочек это не характерно. Предполагается, что живорождение помогает ее потомству завершить развитие в течение короткого лета этих мест.
Блоха изотома обитает исключительно на поверхности вечных снегов. Каждую ночь организм этого крошечного насекомого подвергается самым жестоким испытаниям, однако насекомое снова и снова демонстрирует великолепную способность жить в предельно суровых условиях. Оно полностью замерзает, как только заходит солнце, но благодаря своей темной окраске также быстро оттаивает в теплых утренних лучах. Ожив, блоха изотома продолжает заниматься всеми насущными жизненными проблемами, осуществляя реализацию своей наследственной программы, которую и передаст потомкам. Недавно энтомологи обнаружили, что комары-дергуны некоторых видов тоже способны жить и продолжать свой род в таких экстремальных условиях, которые, казалось бы, несовместимы с жизнью. Они обитают в трещинах и тоннелях ледников на высоких склонах Гималаев. Это насекомое наделено таким превосходным организмом, что прекрасно чувствует себя и не замерзает при –16 0 С. А самка комара даже проявляет активность в зимний период, когда в горах свирепствуют морозы. Как дергуны живут и продолжают род при столь низких температурах, и каковы физиологические особенности их организма комаров этого вида пока ученым не ясно.
Около 40 видов насекомых (комары, шмели, жуки, дневные и ночные бабочки) живут за Северным Полярным кругом – там, где есть цветковые растения. Благодаря северному типу организма комары некоторых разновидностей играют особо важную роль в холодных арктических пустынях и зоне тундры. Их самцы и самки, перелетая от цветка к цветку, питаются нектаром и попутно опыляют растения. Ведь в тундре и тайге практически нет пчел. В Заполярье опылением цветков заняты и шмели. Их организм хорошо оснащен для работы в холодных краях. Активная работа мышц и лохматая теплая шубка шмеля обеспечивают нагрев его тела до +37 0 С при наружной температуре воздуха 0 0 С. Это тепло образуется во время полета за счет химических реакций, происходящих в мускулах.
Организм не только жителей высокогорий, но и обитателей мхов и лишайников антарктических островов, например жуков определенных видов, способен не разрушаться при быстром охлаждении почти до – 400С. Их генетическая программа управляет уникальным минипроизводством глицеринового масла и других особых веществ, действие которых подобно действию известного автомобильного антифриза. Такими же спасительными веществами наделены некоторые виды земноводных и других холодоустойчивых представителей животного мира. А жуки и мухи, обитающие на Аляске, наделены замечательной способностью выдерживать даже температуры до –60 0 С. Насекомые, конечно, замерзают, но их организм обустроен таким образом, что кристаллы льда образуются только снаружи, не повреждая клеток, органов и тканей.
От влажных тропиков до безводных пустынь
Для несметного количества насекомых экологической нишей служат тропические леса, занимающие немалую часть земной поверхности. Ветви деревьев, начиная с высоты не ниже 15 м, так тесно переплетены между собой и плотно обвиты лианами, что сквозь образуемую крону почти не пробивается свет. Полог леса, толщина которого порой составляет 30 м, заселен такими животными, как обезьяны, птицы, мыши, лягушки, насекомые и даже земляные черви (!). Здешние обитатели тут рождаются, растут, живут активной полноценной жизнью и умирают. Причем многие из них за всю свою жизнь никогда не касаются земли. А насекомые обитают на всех «этажах» леса: в земле, листовой подстилке, в стволах деревьев, в глубине тропического полога и на самом верхнем ярусе леса – на ветвях и листьях этой так называемой «крыши мира».
Из насекомых в тропическом лесу преобладают бабочки, жуки, муравьи, термиты, цикады. Бабочки и жуки необычайно велики и красивы. Им дарована яркая окраска, чтобы с помощью ее находить свои пары, ведь иначе в гуще переплетенных ветвей насекомым невозможно ни увидеть, ни услышать друг друга. Существуют там и удивительные птицекрылые бабочки, гигантские крылья (30 см) которых позволяют в брачный сезон летать самцам и самкам выше сплошной кроны тропических деревьев.
Насекомые составляют и значительную часть жителей пустынь. Больше всего там муравьев, москитов, комаров, жуков-чернотелок и красивых златок, особенно черно-золотистого цвета. Все они прячутся от дневного зноя в глубоких норках, а выбираются на охоту только с наступлением темноты. Великолепные возможности организма и поведения демонстрируют жуки-чернотелки некоторых видов, обитающие в самых жарких и безводных районах пустыни. Благодаря инстинктивным поведенческим механизмам они отправляются ночью на вершины песчаных дюн, чтобы «испить влагу туманов». Опустив голову, жук поднимает брюшко кверху и поворачивается навстречу влажному ветру с моря. Влага, конденсируясь на его особой ребристой спинке, стекает насекомому прямо в рот.
От соленых вод до нефти
Представители большинства видов насекомых обитают на суше, но немало их проживает в самых разнообразных водных средах, в том числе и нетрадиционных. Так, особое устройство организма личинок некоторых видов комаров позволяет им прекрасно развиваться в горячих гейзерах, где могут еще жить лишь бактерии. Такую же способность проявляют зеленые стрекозы, молодые особи которых являются обитателями гейзеров с температурой воды +40 0 С. Личинки комаров в массе способны размножаться и в солоноватых прибрежных водах Каспийского моря. А такие насекомые, как, например клопы некоторых видов, обладают всеми возможностями для нормальной жизни в океанах – Атлантическом и Тихом.
Как ни удивительно, но существует калифорнийская нефтяная муха, местообитание и вся жизнедеятельность которой связана исключительно с густой сырой нефтью. Согласно наследственной программе она питается попавшими туда и прилипшими насекомыми и даже производит в нефти свое потомство. В ее организме все «предусмотрено» для этого. Кишечник мухи заселен бактериями-симбионтами, которые расщепляют парафин нефти и способствуют его усвоению. Муха может свободно бегать на своих тонких ножках по нефтяной пленке, не прилипая к ней, однако прикосновение к пленке любой другой частью тела для мухи губительно. Организм личинок этой мухи, которые развиваются в сырой нефти и питаются прилипшими насекомыми, тоже обеспечен всем необходимым. Так, программа инстинктивного поведения заставляет этих малышей, подобно водным личинкам, держать кончики специально изготовленных организмом дыхательных трубок над поверхностью нефти, чтобы дышать кислородом воздуха.
© Все права защищены
Дьявольский червь
Этот вид нематод обнаружен лишь недавно, в 2011 году. Ему нипочем всесокрушающее давление, недостаток кислорода и высокая температура. Места обитания червя расположены до 3,5 километров ниже поверхности планеты. Выбрав себе такой «дом», животное установило новый «мировой рекорд», улучшив прежнее «достижение» многоклеточных организмов сразу полтора километра. Черви проводят жизнь в полной темноте, поедая простейших бактерий и запивая их водой, возраст которой 12 тысяч лет.
Гималайский прыгучий паук
Прыгучий паук – полная противоположность дьявольского червя. Его «дом» расположен на высоте свыше 6,5 км над уровнем моря. Обычная «погода» для паука – чрезвычайно низкое атмосферное давление и температура, при которой замерзает все живое. Крошечные насекомые, которых заносят в горы ветра – единственная пища гималайского паука, да и та попадается не часто.
Бессмертная медуза
Кто из взрослых людей не хотел бы ненадолго вернуться в детство, когда все проблемы можно решить, поплакавшись в мамин подол? Оказывается это не фантастика, а естественный природный процесс. В соответствующих условиях эта похожая на светодиод или полицейскую "мигалку" медуза способна вернуться к младенческому состоянию, что делает ее практически бессмертной. Ученые пока не обнаружили каких-то ограничений на количество превращений. К сожалению, каждый раз, когда бессмертная медуза «впадает в детство», она становится очень уязвимой для насекомых и болезней, что ограничивает теоретическое бессмертие на практике.
Красный плоский короед
Это насекомое родом из северных районов Аляски и Канады, способно противостоять морозам до -150 градусов Цельсия. Организм жука производит природный антифриз, белок, который препятствует кристаллизации крови. Кроме того, в крови есть глицерин, который также останавливает замораживание.
Помпейский червь
Места обитания помпейского червя расположены на океаническом дне. Однако их главная способность не в том, что они успешно противостоят глубине и давлению. Червь живет в горячих термальных источниках, где температура воды достигает 80-100 градусов Цельсия. Свое тело он прячет в «домике», но голова торчит снаружи. В результате разница температуры окружающей среды для хвоста и головы составляет более 60 градусов.
Тихоходка
Микроскопические, длиной не более миллиметра животные способны выжить буквально везде. Для них не проблема ни широкий диапазон температур, от космического холода до 150 градусов Цельсия, ни давление, в 1200 раз превышающее атмосферное. Тихоходки способны десятилетиями обходиться без воды и выдерживают радиацию, в тысячу раз превышающую смертельные дозы для человека. В 2007 году люди отправили тихоходок в космос, чтобы найти пределы их живучести. Большинство животных успешно вернулись на Землю.
| Комментарии: 0 |
Александр Марков
Александр Марков, Яков Кротов
С христианской точки зрения
Человек происходит от обезьяны, а религия - от невежества? Или как? Где проходит граница между научным и христианским пониманием человека? Гость программы "С христианской точки зрения" - биолог Александр Марков. Ведёт программу Яков Кротов.
Трансгенные растения имеют тенденцию распространяться "сами по себе", это уже довольно известный факт. И именно как к факту к этому следует относиться. Как это происходит? И кто со всей определенностью может сказать, к чему это может привести? С этими и другими вопросами мы обратились заместителю директора по научной работе Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева Российской Академии наук, Владимиру Дылыковичу Цыдендамбаеву.
Многие люди испытывают невралгические боли в детском возрасте, но для молодых морских ежей рост означает выворачивание наизнанку. В новом исследовании выяснена ключевая роль распространенного и знакомого вещества гистамина для впечатляющего видоизменения, когда свободно плавающая личинка превращается в более привычную покрытую иглами взрослую особь, обитающую на морском дне.
Математики из Университета Аризоны разработали модель, которая позволяет объяснить особую спиральную структуру, которая часто встречается в живой природе - у подсолнухов, артишоков, капусты и других растений.
Кто только не населяет планету Земля! Если задуматься, люди - это может быть самый умный, но наверное, и самый малочисленный отряд. Вот, например, насекомые - это значительно более распространенный и многообразный класс живых существ. В процессе длительной эволюции насекомые приспособились к определенным условиям жизни.
Тепловой обмен считают основным и ведущим энергетическим процессом в отношениях организма и среды. Температура определяет состояние тел и все важнейшие явления природы. Характерно, что насекомые — пойкилотермные (холоднокровные) животные.
У насекомых температура тела и все происходящие в нем химические реакции зависят от температуры окружающей среды, от поглощения и отражения лучистой энергии солнца покровами тела.
Основное значение температуры в жизни насекомых отразилось в бесконечном разнообразии их внешнего облика — величине, форме, окраске. Мелкие насекомые имеют менее постоянную температуру тела, чем крупные.
Температуру тела хорошо сохраняет густой волосяной покров, а различная скульптура кожных покровов (бугорки, шипики, гребни) способствует усилению теплоотдачи. Окраска покровов тела имеет огромное значение в регулировании температуры тела насекомого. В прохладном и влажном климате насекомые имеют обычно темную окраску (черная, коричневая или темно-серая), в сухом и жарком — более светлую (белая, желтая, оранжевая, светло-серая). Серебристые или золотистые волоски усиливают отражение сильных потоков лучей. Экспериментально доказано, что светлая форма поглощает больше тепла и меньше влаги, а темная (например, у озимой совки) при более низких температурах — меньше, что объясняет явление сезонного диморфизма. Температура влияет на пигментацию и цвет обусловлен условиями метаболизма.
Если насекомое находится в состоянии покоя, то вследствие испарения с поверхности тела, температура его на 2-3 °С ниже окружающей. При работе мышц (в полете) температура резко повышается. Например, у летящей азиатской саранчи при 30-37 °С температура тела на 17-20 °С выше, а у сидящей не поднимается выше температуры, окружающей среды. Теплоотдача регулируется через испарение воды с поверхности тела и при дыхании.
Активность насекомых ограничена определенными температурными границами: верхним и нижним порогом развития. Большинство насекомых осенью впадают в оцепенение — анабиоз (замедление жизненных функций в результате охлаждения). При достижении некоторого нижнего температурного предела, критической точки (-12 °С), начинается процесс затвердевания соков насекомого, при котором происходит освобождение скрытой энергии, и температура тела насекомого быстро, скачкообразно повышается почти до 0 °С. Повышение температуры тела — это последняя защитная реакция организма, которая может спасти его от гибели. После этого начинается замерзание соков тела и при снижении температуры до уровня, при котором произошло освобождение скрытого тепла, наступает смерть насекомого. Температурную зону, лежащую между критической точкой (-12 °С) и точкой гибели насекомого, называют зоной анабиоза.
Верхний порог развития насекомых не превышает 40 °С. Выше этого предела насекомые также впадают в тепловое оцепенение (диапаузу), что является гарантийной адаптацией вида. Температура 52 °С является летальной, т. е. насекомое гибнет, так как коллоиды белков свертываются.
Активная жизнь насекомых протекает при температуре 10-35 °С. Наиболее благоприятна температура 26 °С, при которой скорость развития средняя, плодовитость максимальная, а смертность минимальная. Оптимальная температура непостоянна, зависит от комплекса действующих факторов в сочетании с температурой.
С повышением температуры ускоряются все процессы метаболизма. Например, божья коровка при температуре 27 °С развивается около 16 дней, а при температуре 22 °С — 30 дней.
Выявлены случаи оживления насекомых после полного замерзания их соков и, следовательно, почти полного прекращения обмена веществ. Например, гусениц лугового мотылька и древоточца пахучего помещали в температуру до минус 190 °С, после чего насекомых оживляли. Погибали только клетки жирового тела, а мышечные и трахейные клетки не нарушались.
Сохранить жизнь при замерзании можно только при постепенном замораживании, когда соки тела превращаются в стеклообразное аморфное вещество без образования кристалликов льда. Процесс образования некристаллического вещества называют витрификацией. При нем не происходит перестройки молекулярных рядов, поэтому возможно оживление. Это явление (витрификация) было изучено на яичном белке, протоплазме, простейших, желатине и других веществах.
Гибель насекомого под воздействием низких температур обусловлена образованием кристаллов льда в тканях их тела, т. е. нарушением клеточной структуры, что ведет к необратимым физиологическим изменениям.
Переохлаждение соков играет физиологически защитную роль против кристаллизации воды. Уровень холодостойкости зависит от содержания воды в организме и физиологического состояния организма, от соотношения в нем связанной и свободной воды.
Таким образом, температура оказывает прямое и косвенное влияние на жизнь насекомых. Температура определяет плодовитость, продолжительность стадии развития, прожорливость, подвижность, смертность.
Многочисленные наблюдения и опыты, проведенные с целью выявления действия субнулевых температур на пойкилотермных животных, опровергли некоторые ранее разработанные общепринятые теории, и в последние годы вся проблема в целом подверглась пересмотру.
Многие исследователи получили данные, что насекомые различных сильно отличающихся друг от друга видов переживают замораживание при низких температурах. Например, Сколендер и сотрудники показали, что личинки комара-звонца (Chironomus), которых обнаруживали на Аляске замерзшими во льду или в иле на дне арктических водоемов при температуре -20°, всегда оживали после оттаивания, даже после замораживания при -40°. Они переживали также неоднократное охлаждение до -16°. Определяли количество льда и воды в этих замороженных, но живых личинках при различных температурах. Отношение содержания воды к сухому весу резко уменьшалось по мере падения температуры. При -15° вымерзало до 90% воды. При -35°, т. е. наиболее низкой температуре, применявшейся в данных исследованиях, в личинке оставалось еще какое-то небольшое количество свободной воды. Иногда личинку переохлаждали, но это не влияло на переживание ею низких температур. С помощью микрометода определяли потребление кислорода частично замороженной личинки при различных температурах. В интервале температур от 0 до -15° у отдельных личинок наблюдалось резкое уменьшение потребления О 2 . Поразительные изменения коэффициента Q 10 для потребления О 2 обнаружены в личинках, охлажденных до температур, лежащих выше точки замерзания, а также между точкой замерзания и -5°. Некоторое количество кислорода они потребляли и при -15°, но когда температура падала до -40°, потребность в кислороде сводилась к нулю. В опытах определяли интенсивность диффузии кислорода и СО 2 через лед, и она оказывалась достаточной для поддержания дыхания личинок, находившихся в мелких замерзших водоемах при температуре, преобладающей в естественных условиях.
Очень интересное изучение выживаемости замороженных насекомых провел японский ученый Асэхина с сотрудниками. Они сообщили, что предкуколки бабочки Монета flavescens (более известной как Cnidocampa flavescens Walk.) переживали замораживание при -30°, будучи переохлажденными примерно до -20°. Типичная кривая показывает постепенное понижение температуры насекомого во время охлаждения до -20°.
Затем следует резкое и быстрое повышение температуры, совпадающее с наступлением процесса замораживания и обусловленное выделением скрытой теплоты кристаллизации. После этого температура постепенно понижается и достигает уровня температуры окружающего воздуха, тогда как жидкости организма постепенно вымерзают. Когда зимующих предкуколок освобождали от коконов, они переживали замораживание при таких низких температурах, как -30°, что подтвердилось восстановлением у них сокращений сердца после оттаивания. Они переживали также неоднократное замораживание и оттаивание с интервалами в 1 день. Будучи на той же стадии развития, но в интактных коконах, предкуколки переживали и нормально развивались после замораживания и пребывания в течение 100 дней при температуре -15°. В противоположность этому гусеницы, вылупившиеся в летние месяцы, не переживали даже кратковременного замораживания при -10°.
Процесс замораживания зимующих предкуколок Cnidocampa flavescens изучали под микроскопом. Куколкам вскрывали брюшную полость и охлаждали их на столике микроскопа до -10 или -20°. Вымерзание начиналось в нескольких местах с поверхности крови. Постепенно кристаллы разрастались в радиальном направлении, пока не заполняли все пространство, занятое кровью. Когда сердца зимующих предкуколок изолировали и охлаждали в крови непосредственно под микроскопом, кристаллы льда образовывались вне клеток сердечной мышцы. Отдельные клетки и целые органы сморщивались, но после оттаивания они вновь приобретали нормальный вид, а сердечная деятельность восстанавливалась. При таком же замораживании сердец летних гусениц в крови, а также при замораживании сердец зимующих гусениц в 0,15 М растворе хлористого натрия отдельные клетки замораживались изнутри при температуре около -15°. Внутри клеток были видны кристаллы льда, а все сердце в целом темнело. Сердца, в которых происходила внутриклеточная кристаллизация льда, после оттаивания не возобновляли ритмических сокращений. Вполне возможно, что у насекомых, замерзших в естественных зимних условиях, кристаллы льда образовались вне клеток, которые обезвоживались и сморщивались.
В следующих опытах Асахина и Аоки охлаждали зимующих предкуколок Cnidocctmpa flavescens до -90° в специальной холодильной камере, где температура за 1,5 час снижалась от -5 до -90° Спустя 45 мин предкуколок согревали при комнатной температуре, причем из 60 ожило 20. Предкуколок, извлеченных из коконов, погружали в жидкий кислород с температурой -180°. Предварительно их замораживали при -30° и выдерживали при этой температуре в течение одного дня. После оттаивания при комнатной температуре у них восстанавливались сокращения сердца и некоторые предкуколки продолжали развиваться, но не завершали полностью метаморфоза до стадии имаго. Предкуколки, которых до погружения в жидкий кислород выдерживали в течение 1 дня при температуре -10 или -20°, не выживали после оттаивания. Зимующие гусеницы бабочки боярышницы A porta crataegi adherbal Fruhstorfer также переживали погружение в жидкий кислород при условии предварительного замораживания при -30°. После оттаивания у них восстанавливалась нормальная подвижность и они продолжали расти. Можно полагать, что выживание при температуре -180° зависело в каждом отдельном случае от внеклеточного вымерзания воды при -30°.
Еще не выяснены основные факторы, способствующие выживанию этих и других видов насекомых при низких температурах на определенной стадии цикла развития, а также отличие их от насекомых, которые неизбежно погибают при действии замораживания. Новую струю внесли исследования Уайетта и сотрудников, которые установили, что глицерин является основным растворимым компонентом в плазме куколки бабочки Hyalophora cecropia и родственного ей вида сатурнии Telea polyohemus; глицерин обнаружен также в яйцах тутового шелкопряда (Bombyx mori) и в личинках лугового мотылька (Loxostege stictlcalts) и золотарниковой мухи-пестрокрылки (Eurosta solidaglnis). В каждом случае стадия развития насекомого, во время которой в организме находили глицерин, представляла собой зимнюю стадию. Отсюда можно было сделать вывод, что своей устойчивостью к холоду некоторые насекомые обязаны именно накоплению глицерина. Более ранние исследования показывали, что присутствие глицерина в гемолимфе и тканевых жидкостях не всегда связано с устойчивостью к холоду. Солт, например, обнаружил, что личинки лугового мотылька (Loxostege stictlcalts), не переживающие замораживания, имеют почти такую же концентрацию глицерина (2-4%), как и личинки золотарниковой мухи-пестрокрылки (Eurosta solidagints), которые переживают храпение в течение 18 дней при температуре -55°.
Интересно отметить, что концентрация глицерина в личинках Bracon cephi увеличивалась осенью при хранении их как в естественных условиях, так и при температуре -5°. Одновременно с этим понижалась температура переохлаждения и таяния. В, этот же период у насекомых наблюдалась способность переживать воздействие температур от -40 до -47° в переохлажденном состоянии, а также переживать замораживание. Весной и ранним летом происходил обратный процесс - концентрация глицерина в крови понижалась и исчезала устойчивость к холоду. В гемолимфе и других тканевых жидкостях зимующих личинок В. cephi, помимо глицерина, присутствовали также какие-то другие, еще не идентифицированные растворенные вещества. Когда концентрация глицерина достигала 5 М, она не соответствовала наблюдавшемуся в это время понижению температуры таяния примерно на одну моляльную единицу. Не может быть никаких сомнений в том, что исключительная устойчивость личинок В. cephi к холоду в осеннее время связана главным образом с их способностью обеспечивать высокую концентрацию глицерина. Концентрация глицерина в личинках в середине зимы достигала 20-27%, и этого было достаточно для обеспечения переохлаждения до такой низкой температуры, что насекомые не замерзали в своих естественных местах обитания. Концентрация глицерина была также достаточной для защиты отдельных клеток и тканей от повреждения, если личинки В. cephi все-таки замерзали. В чувствительных же к холоду личинках Loxostege sticticalis его концентрация была, видимо, недостаточно высокой для оказания защитного действия. Как бы то ни было, исследования на Bracon cephi показали, что благодаря изменению метаболических процессов с наступлением холодов у ряда насекомых развивалась повышенная устойчивость к холоду. Примечательно, что раньше сам Солт сомневался в существовании такого основного фактора, повышающего устойчивость к холоду.
Впоследствии глицерин обнаружили в зимующих личинках жуков-древоточцев Melandra striata и кукурузного мотылька (Pyrausta nubilalis). Впадающие в спячку пенсильванские муравьи-древоточцы (Camponotus pennsilvanicus) и их яйца содержали зимой 10% глицерина. Когда муравьев, постепенно согревая до комнатной температуры, выводили из состояния спячки, они вновь становились подвижными и приблизительно через 3 дня в их организме уже нельзя было обнаружить глицерина. Как только у насекомых посредством охлаждения вызывали состояние спячки, глицерин вновь появлялся и снова каждый раз исчезал, когда муравьев выводили из этого состояния. Таким образом, нет никаких сомнений в том, что глицерин играет главную роль в устойчивости этих видов насекомых к зимним холодам.
Однако оставалось еще много неясных моментов. Так, например, не известно, откуда берут глицерин личинки Bracon cephi и Camponotus pennsilvanicus в осеннее время. Чино установил, что глицерин и сорбит в находящихся в диапаузе яйцах тутового шелкопряда (Botbyx mori) образуются из гликогена. Уайетт и Мейер полагают, что глицерин является продуктом ферментативного гидролиза глицерофосфатов во время диапаузы у куколок Hyalophora cecropia. Другой невыясненный вопрос касается причины повреждений чувствительных к холоду видов насекомых во время замораживания и оттаивания. Повышение концентрации электролитов, наступающее в процессе вымерзания воды, представляет собой основную причину повреждения эритроцитов и сперматозоидов некоторых видов млекопитающих и, вероятно, различных других клеток в организме млекопитающего. Глицерин в соответствующей концентрации защищает их, по крайней мере частично, действуя как солевой буфер. Однако многие насекомые не так уж богаты электролитами. Глицерин в маленьких количествах может оказывать защитное действие на некоторые липопротеидные компоненты оболочек, находящиеся как внутри, так и вне клеток. Необходимо провести еще много исследований, чтобы выявить роль глицерина в гемолимфе насекомого, в частности в отношении повышения устойчивости к холоду.
Было сделано еще одно важное наблюдение. Крупные клетки жирового тела устойчивой к холоду золотарниковой мухи-пестрокрылки (Eurosta solidaginis) переживают внутриклеточную кристаллизацию льда. Солт изучал процессы замораживания и оттаивания этих клеток непосредственно под микроскопом. Замерзая, они сохраняли свою сферическую форму и первоначальный размер, не сжимаясь, как это обычно бывает с клетками при наступлении внеклеточной кристаллизации. При неоднократном замораживании и оттаивании отдельные капельки жира внутри клеток сливались друг с другом. В естественных условиях зимой клетки жирового тела личинки Е. solidaginis округлялись, а после наступления теплой погоды процесс развития продолжался. Следовательно, можно предположить, что внутриклеточное замораживание и оттаивание представляют собой нормальное явление у этого насекомого на стадии личинки. Так это или нет, но Солт первый наблюдал (причем совершенно отчетливо) выживание живых клеток после внутреннего замораживания. Возможно, различные клетки других холодоустойчивых пойкилотермных животных также переживали внутриклеточную кристаллизацию льда в естественных условиях. Вновь возникает вопрос: всегда ли внутриклеточное замораживание влечет за собой летальный исход?
Давно известно, что многие насекомые для полного развития нуждаются на определенной фазе их жизненного цикла в пребывании в течение какого-то периода времени на холоду. Например, озимая муха (Leplohylemyia. coarctata (Fall.)) откладывает яйца на землю в самое жаркое время года, в июле или августе, а ее личинки вылупляются зимой следующего года, между январем и мартом. Таким образом, они переносят воздействие температур от +30° и выше в августе до -5° и ниже в январе и феврале. Первая стадия развития (морфогенез до диапаузы) протекает при температурах от +3 до +30°. За этим следует диапауза с верхним температурным пределом около +12° и оптимальной, как предполагали ранее, температурой примерно +3°. Уэй установил заметное увеличение длительности диапаузы при -6°, как показало сокращение числа личинок, вылупившихся из яиц через 6, 14 и 34 дня, по сравнению с результатами, полученными, когда яйца инкубировали при +3°. Уэй провел специальный опыт для определения минимальной температуры диапаузы. Яйца, отложенные в середине августа, оставляли в земле, на открытом воздухе, до второй недели ноября, а затем их переносили в сосуды с температурой +3, -6, -18, -22 и -24°. Через определенные промежутки времени яйца извлекали из сосудов и инкубировали при +20°. Регистрировали время вылупления личинок, причем получили неожиданные результаты. При падении температуры ниже -6° диапауза заканчивалась быстрее. Так, из инкубированных при +3° яиц 50% личинок вылупилось через 20 дней, а из инкубированных при температуре -6° - через 45 дней. Однако после воздействия температурой -24° те же 50% личинок вылупилось уже через 6 час, а 88% - через 24 час. При -24° диапауза длилась в 80 раз меньше, чем при общепризнанной ранее оптимальной температуре +3°, и в 180 раз меньше, чем при -6°. Находящиеся в диапаузе яйца повреждались, когда их выдерживали при низких температурах дольше, чем это требовалось для завершения диапаузы. Например, Уэй наблюдал, что после выдерживания при температуре -24° в течение б дней вывелось 98% личинок, а после выдерживания в течение 20 дней - только 32%. После инкубации при температуре -18° в течение 63 дней вылупилось 97%, а после инкубации в течение 206 дней - лишь 36%. Для того чтобы добиться быстрого окончания диапаузы, необходимо было до хранения яиц при -18 или -24° инкубировать их 50-80 дней при +5°. Совершенно ясно, что существуют по крайней мере две фазы в диапаузе. Первая наступает сравнительно быстро при температуре около +5° и может наступить при +20°, но никогда при -18 или -20°. Вторая быстрее всего наступает при температуре от -18 до -24° и может наступить при -5°, но никогда при +20°. Уэй показал, что яйца в диапаузе переохлаждались даже до таких низких температур, как -25 и -28°, и замораживание не было причиной быстрого окончания диапаузы в яйцах, на которых действовали температурой от -18 до -24°. Переохлажденные до -26,5° и затем замороженные яйца при оттаивании оказывались погибшими. До настоящего времени попытки ввести в яйца глицерин терпели неудачу. Еще неясны физиологические процессы, происходящие во время диапаузы, и неизвестны средства, с помощью которых их можно было бы ускорить, используя низкие температуры. Это, по-видимому, один из немногих примеров, когда течение биологического процесса ускоряется за счет понижения температуры животного до -20 или -24°.
Изучая воздействие низких температур на насекомых и другие живые организмы, важно помнить об основных экологических принципах. Мелланби подчеркивает, что при охлаждении насекомых их возможное переживание и смерть не является ни единственным, ни даже самым важным фактором, которые следует иметь в виду. Выживание вида зависит от многих сторон активности, связанных с жизненным циклом, в том числе от питания и способности размножаться. Выживаемость же отдельной особи связана с ее способностью избегать непосредственно угрожающей ей опасности. Так, например, личинки желто-лихорадочного комара (Aedes aegypti) обычно находятся у поверхности воды, но немедленно уходят на дно, как только их встревожит появление какой-либо тени или сотрясение воды. Реакция тревоги исчезает при охлаждении воды до 9-14° (в зависимости от того, к какой температуре привыкли личинки). Последующее охлаждение приводит к тому, что личинки становятся неподвижными, хотя они еще в состоянии реагировать на механическое раздражение. Затем достигается температура Холодовой комы, а при дальнейшем понижении температуры насекомые уже находятся в состоянии холодового наркоза. Показано действие акклиматизации при различных температурах на личинки A. aegypti у согретых после Холодовой комы и оживших личинок восстанавливается реакция тревоги.
Многие насекомые погибают при температурах выше нуля. Личинки комара А. aegypti, например, погибают при +0,5° через различные сроки в зависимости от температуры, при которой они раньше жили. Все личинки, культивированные при +30°, погибали менее чем через 17 час при температуре +0,5°. Если же их предварительно выдерживали при температуре 17°, они переживали такой срок хранения при +0,5°. Через 18 час наступала полная акклиматизация к окружающей холодной среде при условии, что температура была все же выше, чем та, при которой наступает холодовая кома.
В отношении некоторых насекомых можно добиться того, что они привыкнут к действию низких температур, бывших ранее летальными. Так, пребывание при относительно высокой температуре +15° помогает черным тараканам (Blatta orientalis) переживать кратковременное пребывание при такой низкой температуре, как -6,8°, которая детальна для насекомых этого вида, предварительно инкубированных при +30°. Механизм такой быстрой акклиматизации еще не известен, но вряд ли можно сомневаться в наличии приспособительных изменений во всех тканях активного насекомого в ответ на колебания температуры. Насекомые, впадающие под влиянием холода в состояние наркоза, не акклиматизируются. Более того, они подвергаются опасности быть уничтоженными другими животными или различными механическими и физическими силами, помимо самого замерзания. Замерзание не всегда является главной причиной гибели охлажденных насекомых. Для выживания многих видов существенное значение имеет продолжительное пребывание их ежегодно при температуре значительно выше нуля.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Вконтакте
Экстремофилы - это организмы, которые живут и процветают в местах обитания, где жизнь невозможна для большинства других организмов. Суффикс (-фил) в переводе с греческого означает любовь. Экстремофилы «любят» обитать в экстремальных условиях. Они обладают способностью выдерживать такие состояния, как высокая радиация, высокое или низкое давление, высокий или низкий уровень pH, отсутствие света, сильная жара или холод и экстремальная засуха.
Большинство экстремофилов - это микроорганизмы, такие как , и . Более крупные организмы, такие как черви, лягушки, насекомые и , также могут жить в экстремальных местах обитания. Существуют различные классы экстремофилов, основанные на типе среды, в которой они процветают. Вот некоторые из них:
- Ацидофил - организм, который процветает в кислой среде с уровнем pH3 и ниже.
- Алкалифил - организм, который процветает в щелочных средах с уровнем pH9 и выше.
- Барофил - организм, который живет в условиях высокого давления, таких как глубоководные места обитания.
- Галофил - организм, который живет в местах обитания с чрезвычайно высокой концентрацией соли.
- Гипертермофил - организм, который процветает в средах с чрезвычайно высокими температурами (от 80° до 122° C).
- Психрофил/криофил - организм, который живет в экстремально холодных условиях и низких температурах (от -20° до +10° C).
- Радиорезистентные организмы - организм, который процветает в условиях с высоким уровнем радиации, включая ультрафиолетовое и ядерное излучение.
- Ксерофил - организм, который живет в экстремально сухих условиях.
Тихоходки
Тихоходки или водные медведи могут переносить несколько типов экстремальных условий. Они живут в горячих источниках, антарктическом льду, а также в глубоких средах, на горных вершинах и даже в . Тихоходки обычно встречаются в лишайниках и мхах. Они питаются растительными клетками и крошечными беспозвоночными, такими как нематоды и коловратки. Водные медведи размножаются , хотя некоторые размножатся через партеногенез.
Тихоходки могут выживать в различных экстремальных условиях, потому что они способны временно приостанавливать обмен веществ, когда условия не пригодны для выживания. Этот процесс называется криптобиозом и позволяет водным медведям войти в состояние, которое позволит им выжить в условиях экстремальной засушливости, нехватки кислорода, сильного холода, низкого давления и высокой токсичности или радиации. Тихоходки могут оставаться в этом состоянии в течение нескольких лет и выходить из него, когда окружающая среда становится пригодной для жизни.
Артемия (Artemia salina )
Артемия - вид небольших ракообразных, которые способны жить в условиях с чрезвычайно высокой концентрацией соли. Эти экстремофилы обитают в соленых озерах, соляных болотах, морях и скалистых берегах. Их основным источником пищи являются зеленые водоросли. Артемии имеют жабры, которые помогают им выжить в соленой среде, поглощая и выделяя ионы, а также продуцируя концентрированную мочу. Как тихоходки, артемии размножаются половым и бесполым путем (через партеногенез).
Бактерии хеликобактер пилори (Helicobacter pylori )
Helicobacter pylori - бактерия, живущая в крайне кислой среде желудка. Эти бактерии выделяют ферментную уреазу, нейтрализующую соляную кислоту. Известно, что другие бактерии не способны выдержать кислотность желудка. Helicobacter pylori являются спиральными бактериями, которые могут зарываться в стенку желудка и вызывать язвы или даже рак желудка у людей. По данным Центра по контролю и профилактике заболеваний (CDC), у большинства людей мира есть эти бактерии в желудке, но они, как правило, редко вызывают заболевания.
Цианобактерии Gloeocapsa
Gloeocapsa - род цианобактерий, которые обычно живут на мокрых породах скалистых берегов. Эти бактерии содержат хлорофилл и способны к . Клетки Gloeocapsa окружены студенистыми оболочками, которые могут быть ярко окрашенными или бесцветными. Ученые обнаружили, что они способны выжить в космосе в течение полутора лет. Образцы горных пород, содержащие Gloeocapsa , были размещены снаружи Международной космической станции, и эти микроорганизмы смогли выдержать экстремальные условия космоса, такие как колебания температур, вакуумное воздействие и радиационное облучение.
