Насекомые возвращающиеся к жизни после промерзания. Используя различные источники информации, подготовьте сообщение и насекомых, способных возвращаться к жизни после промерзания, и тех, которые могут жить в горячих источниках. Бракониды - будущие главные

Текст
Светлана Ястребова

Если на Земле наступит апокалипсис, в живых останутся не люди. К невыносимым условиям могут приспособиться прежде всего бактерии. Они начинали жизнь на Земле, они же её и закончат. Но, быть может, и среди более сложных организмов есть кто-то, способный выжить практически в любых условиях?

Тихоходка - водный обитатель, которому неплохо и без воды

Где живёт: луга, пруды, озёра, пустыни, горячие источники, ледники, морское дно

Где выживет: пустыни, вулканы, ледники, открытый космос

Тардиграды, водяные медведи, тихоходки - это всё они. Для этих родственников насекомых и пауков поговорка «тише едешь - дальше будешь» работает безотказно. Взрослая тихоходка не вырастает крупнее 1,5 мм и чаще всего бывает не больше десятой доли миллиметра длиной. От тех, кто только что вылупился, такие животные отличаются лишь размером: число клеток у них не увеличивается, зато сами клетки растут во все стороны.

Название «водяной медведь» за характерную манеру двигаться дал этим животным Ладзаро Спалланцани - биолог, который опроверг зарождение жизни из неживой материи. И хотя многих, кроме уж самых отъявленных скептиков, его опровержение убедило, возможно, всё пошло бы иначе, если бы он пытался доказать свою правоту с помощью тихоходок. Они хоть и зарождаются, как и все остальные, из яиц, но прекрасно выживают в тех нечеловеческих условиях, которые не могут выдержать инфузории и червячки.

После того как тихоходок стали находить в горячих источниках и на морском дне, учёные задумались, не могут ли эти животные выдержать ещё более неприятные условия. В 1998 году в журнале Annual Review of Physiology вышла статья, где было показано, что тихоходки демонстрируют признаки жизни после 10 лет летаргии в сухом мху. В 2006 другая статья пополнила копилку фактов, рассказав ещё и о том, что один экземпляр из частной коллекции пошевелил лапкой после 120 лет в полной сухости. Однако эксперты усомнились в том, что это было проявление жизнедеятельности, а не зрительная иллюзия.

В том же 1998 году японцы Кунихиро Секи и Масато Тоёсима поместили обезвоженных тихоходок двух видов в микроконтейнеры, которые затем опустили в жидкий перфторуглеводород. Тихоходки 20 минут находились под давлением 600 мегапаскаль - в 6 раз больше, чем на дне Марианской впадины. После того как водяных медведей привели в чувства, оказалось, что 80 % животных одного и 95 % животных другого вида выжили. Все известные бактерии умирают ещё при давлении 200 мегапаскаль.

Однако самые впечатляющие способности тихоходок проявились, когда в 2007 они слетали на околоземную орбиту на биоспутнике Фотон-М3. Там взрослые водяные медведи и их яйца 10 дней провисели в ящичке на наружной стенке спутника без защиты от вакуума, прямого солнечного излучения и температуры открытого космоса (-272 °С). После такого испытания выжили 68 % животных, большинство затем вполне благополучно размножались. Яйца тихоходок, побывавшие в открытом космосе, по жизнеспособности вообще не отличались ото всех остальных. Бактерии, кстати, такой выносливостью не отличаются. А почему так могут тихоходки, пока непонятно.

Антарктический криль - жертва глобального потепления

Где живёт: приполярные воды около Антарктиды

Где выживет: в холодной морской воде (-1,3–3 °C), подо льдом

Ради кого действительно стоит остановить глобальное потепление, так это ради антарктического криля. Эти маленькие рачки длиной не больше мизинца в сумме весят больше, чем любой другой вид животных - 500, если не 700 миллионов тонн. Ими кормятся киты, тюлени, пингвины, альбатросы, рыбы-бородатки и даже кальмары. Сам антарктический криль безобиден для всех, кроме микроскопических водорослей.

В то время как большинство животных любит тепло и плохо себя чувствует, если первый снег выпадет не вовремя, антарктический криль страдает от того, что ему не дают сидеть подо льдом. Три четверти площади, на которой живут эти рачки, на зиму покрывается слоем льда. За счёт глобального потепления (и мы , есть оно или нет) эта зона постоянно сужается. Меж тем, личинкам антарктического криля для продолжения развития в какой-то момент обязательно надо закрепиться в норке или пещерке. Учитывая то, что эти рачки живут не у берегов и не у дна, а в толще воды в открытом океане, поры в ледяных пластах - это единственное, что хоть как-то может им помочь.

Конечно, если конец света пройдёт по сценарию глобального потепления, антарктическому крилю не выжить. Однако в случае ядерной зимы необычным рачкам вполне есть на что надеяться.

Помпейский червь - любитель числа 42

Где живёт: гидротермальные источники в Тихом океане

Где выживет: в морской воде до +50 °C

В отличие от антарктического криля, помпейский червь любит погорячее. Тридцать лет назад, когда это животное только открыли, думали, что червь, сидящий в трубочке у подводной горячей струи, в отличие от жителей злополучных Помпей, выдерживает температуру воды +60 °C и выше. Правда, проверить это в лаборатории было довольно трудно, потому что червь умирал, как только давление воды на него падало ниже определённой цифры.

Полтора года назад помпейского червя всё-таки вытащили из океана, не снижая давления, и поселили в Университете Пьера и Марии Кюри. Там аквариумы с несколькими животными нагрели до +55 °C, после чего все подопытные скоропостижно скончались. Молекулярно-биологические анализы показали, что помпейские черви не выжили бы в этих условиях даже в теории: у них просто нет механизмов защиты от таких температур. Конечно, такую термозащиту этим животным могли бы дать бактерии-симбионты, но их наличие в теле червя-экстремала пока не доказано достоверно.

Исследование продолжили на выживших червях, и его результаты показали, что оптимальная температура воды для этого вида +42 °C. Вот уж для кого 42 действительно ответ на главный вопрос жизни, Вселенной и всего остального!

У помпейского червя есть одна уловка. Пока его хвост находится в горячей воде, голова высовывается из трубки и попадает в поток с температурой всего +22 °C. Так что, возможно, если нагреть это животное до +60 °C не целиком, а только в районе хвоста, оно вполне сможет выжить. Как бы то ни было, по сочетанию давления и температуры, которое помпейский червь может выдержать, его с чистой совестью можно поместить в список мастеров выживания.

Бракониды - будущие главные убийцы Fallout

Где живёт: все континенты, личинки - в организмах других насекомых

Где выживет: суша при облучении до 1800 Грей

Гриллоблаттиды - ночные альпинисты

Где живёт: ледники на высоте нескольких километров, мох, пространство под камнями в горах

Где выживет: там же

Эмблемой Сибири (а может, и России вообще) вполне мог бы стать гриллоблаттид. Вот только дело в том, что это бескрылое насекомое не так-то просто заметить: оно живёт в горах на поверхности снега и льда в Сибири, Японии и США и очень не любит находиться где-то ещё, погибая даже от того, что его просто держат в руке. К тому же гриллоблаттиды активны в основном ночью. (Их кузены из отряда тараканосверчков, гладиаторы, были открыты совсем недавно - в 2002 году. Они любят куда более тёплые места и встречаются в скалах Намибии и Танзании, где охотятся на других насекомых.)

Гриллоблаттиды лучше всего чувствуют себя при температуре от +1 °С до +4 °C. Если становится холоднее, у них появляется шанс замёрзнуть, поэтому насекомые прячутся под слоем снега или льда. Питаются гриллоблаттиды тем, что найдут, но предпочитают трупы насекомых опавшим листьям или другой растительной пище. Правда, остаётся загадкой, как они находят еду, учитывая то, что никакие другие насекомые на ледниках не живут, да и растительность там явно скудная.

Голый землекоп - человек будущего?

Где живёт: норы в саваннах Восточной Африки

Где выживет: местности с низким содержанием кислорода и высоким содержанием углекислого газа в воздухе

К сожалению, наши ближайшие родственники, млекопитающие, хоть и отличаются умом, но устойчивостью к неблагоприятным условиям не блещут. Впрочем, есть одно исключение - маленький сморщенный грызун вида голый землекоп. Каким-то образом он смог достичь практически всех основных целей, которые сейчас стоят перед человечеством, и обошёлся при этом без огромного мозга и развитой цивилизации.

Семья голого землекопа - царство матриархата, но отнюдь не обитель толерантности. Размножаться в группе из нескольких десятков особей может только главная самка и парочка достойных самцов. Голые землекопы не чувствуют боли: они не замечают действие кислоты, и их слизистые не раздражает перец. На зависть медикам и пенсионерам, сердца этих грызунов не стареют, и живут они 30 лет - в 10 раз дольше, чем другие животные такого же размера. Землекопы никогда не болеют раком. К тому же эти зверьки прекрасно подходят для подземных городов будущего: они предпочитают вообще никогда не высовываться из нор на поверхность и переносят без потерь отсутствие кислорода длительностью до получаса. Для сравнения можно сказать, что мозг человека погибает после 5–10 минут кислородного голодания, а необратимые изменения в отдельных областях этого органа начинаются уже на 2–3 минуте такого состояния.

Особенности организма насекомых некоторых видов позволяют: сохранять жизнь после замерзания и оттаивания; населять горячие источники с температурой воды +500С; 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.

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 –600С. Насекомые, конечно, замерзают, но их организм обустроен таким образом, что кристаллы льда образуются только снаружи, не повреждая клеток, органов и тканей.

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 +400С. 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.

Сегодня, 6 октября, отмечается Всемирный день охраны мест обитаний животных. В честь этого праздника предлагаем вам подборку из 5 животных, которые избрали своим домом места с самыми экстремальными условиями.

Живые организмы распространены по всей нашей планете, и многие из них обитают в местах с экстремальными условиями. Таких организмов называют экстремофилами. К ним относятся бактерии, археи и лишь немногие животные. О последних мы рассказываем в этой статье. 1. Помпейские черви . Эти глубоководные многощетинковые черви, не превышающие 13 см в длину, – одни из самых устойчивых к высоким температурам животных. Поэтому не удивительно, что обнаружить их можно исключительно на гидротермальных источниках на дне океанов (), из которых поступает высокоминерализованная горячая вода. Так, впервые колония помпейских червей была обнаружена в начале 1980-х годов на гидротермальных источниках в Тихом океане близ Галапагосских островов, а позднее, в 1997 году, – недалеко от Коста-Рики и снова на гидротермальных источниках.

Обычно помпейский червь размещает свое тело в трубообразных структурах черных курильщиков, где температура достигает 80°C, а свою голову с перьеобразными образованиями он высовывает наружу, где температура более низкая (около 22°C). Ученые давно стремятся понять, как помпейскому червю удается выдерживать такие экстремальные температуры. Исследования показали, что в этом ему помогают особые бактерии, которые образуют на спине червя слой толщиной до 1 см, напоминающий шерстяное покрывало. Находясь в симбиотических отношениях, черви выделяют слизь из крошечных желез на спине, которой кормятся бактерии, а последние в свою очередь изолируют тело животного от высоких температур. Считается, что эти бактерии обладают специальными белками, делающими возможной защиту червей и самих бактерий от высоких температур. 2. Гусеница Gynaephora . В Гренландии и Канаде обитает мотылек Gynaephora groenlandica, известный своей способностью выдерживать крайне низкую температуру. Так, обитая в холодном климате, гусеницы G. groenlandica, находясь в спячке, могут переносить температуру до -70° C! Это становится возможным благодаря соединениям (глицерин и бетаин), которые гусеницы начинают синтезировать в конце лета, когда температура понижается. Эти вещества предотвращают образование кристалликов льда в клетках животного и тем самым позволяют ему не замерзнуть насмерть.

Однако это не единственная особенность вида. Если для превращения из яиц во взрослую особь мотылькам большинства других видов требуется около месяца, развитие G. groenlandica может занять от 7 до 14 лет! Столь медленный рост Gynaephora groenlandica объясняется экстремальными условиями окружающей среды, в которых насекомому приходится развиваться. Интересно, что большую часть своей жизни гусеницы Gynaephora groenlandica проводят именно в спячке, а остальное время (около 5% своей жизни) они посвящают поеданию растительности, например, почек арктической ивы. 3. Нефтяные мухи . Это единственные из известных науке насекомых, которые могут жить в сырой нефти и питаться ей. Этот вид впервые был обнаружен на ранчо Ла-Брея в Калифорнии, где находится несколько битумных озер.

Авторы: Michael S. Caterino & Cristina Sandoval. Как известно, нефть является весьма токсичным веществом для большинства животных. Однако, будучи личинками, нефтяные мухи плавают вблизи нефтяной поверхности и дышат через особые дыхальца, которые выступают над нефтяной пленкой. Мухи поедают большое количество нефти, но главным образом насекомых, которые попадают в неё. Иногда кишечник мух бывает полностью заполнен нефтью. До сих пор учеными не описано брачное поведение этих мух, а также то, где они откладывают яйца. Тем не менее предполагается, что это происходит не внутри нефтяного бассейна.

Битумное озеро на ранчо Ла-Брея в Калифорнии. Интересно, что температура нефти в бассейне может достигать 38°C, однако личинки легко переносят эти изменения. 4. Артемии . Расположенное в северо-западной части американского штата Юта Большое Соленое озеро обладает соленостью, достигающей 270 промилле (для сравнения: самое соленое море Мирового океана - Красное море - имеет соленость только 41 промилле). Крайне высокая соленость водоема делает его непригодным для жизни всех живых существ в нем, кроме личинок мух-береговушек, некоторых водорослей и артемий – крошечных ракообразных.

Последние, к слову, обитают не только в этом озере, но и в других водоемах, соленость которых не ниже 60 промилле. Эта особенность позволяет артемии избежать сожительства с большинством видов хищников, таких как рыбы. Эти ракообразные обладают сегментированным телом с широким листоподобным придатком на конце, и обычно не превышают 12 миллиметров в длину. Их широко используют в качестве корма для аквариумных рыб, а также разводят в аквариумах. 5. Тихоходки . Эти крошечные создания, не превышающие 1 миллиметра в длину, - самые устойчивые к высоким температурам животные. Они обитают в разных местах планеты. Например, их находили в горячих источниках, где температура достигала 100°C, и на вершине Гималаев, под слоем толстого льда, где температура была гораздо ниже нуля. А вскоре удалось выяснить, что эти животные способны не только переносить экстремальные температуры, но и обходиться без пищи и воды более 10 лет!

Ученые выяснили, что в этом им помогает способность приостанавливать свой метаболизм, входя в состояние криптобиоза, когда химические процессы в организме животного приближаются к нулевому уровню. В этом состоянии содержание воды в организме тихоходки может упасть до 1%! А кроме того, способность обходиться без воды во многом зависит от высокого уровня особого вещества в организме этого животного - невосстанавливающегося сахара трегалозы, который защищает мембраны от разрушения. Интересно, что, несмотря на то что тихоходки способны жить в местах с экстремальными условиями, многие виды можно найти в более мягкой среде, например, в озерах, прудах или на лугах. Тихоходки наиболее распространены во влажной среде, во мхах и лишайниках.

Ответ оставил Гость

Насекомые, обитающие в умеренной и полярной зоне, наиболее устойчивы к низким температурам. В умеренной зоне устойчивость насекомых к холоду изменяется в зависимости от сезона, наиболее высока в середине зимы, наиболее устойчивыми оказываются насекомые, зимующие под корой деревьев и в пустых стеблях растений.
Если охлаждение не является очень глубоким и наступило внезапно, насекомое впадает в состояние холодового оцепенения.
Перед наступлением неблагоприятного сезона в организме насекомого происходят иногда очень глубокие физиологические перестройки. Они связаны с определенным физиологическим состоянием – диапаузой.
Ряд насекомых способен переносить морозы в течение длительного времени. Таких насекомых можно разделить на две категории: устойчивые к замерзанию (после замерзания внеклеточной жидкости они остаются живыми) и неустойчивые (гибнущие после замерзания, но имеющие специальные приспособления, чтобы ему противостоять). По–видимому, в редких случаях возможно и сочетание устойчивости к замерзанию с механизмами, препятствующими замерзанию. Такую устойчивость выработали лишь некоторые двукрылые, бабочки, жуки и сетчатокрылые, и то лишь на определенной стадии развития. У этих насекомых жидкости тела замерзают при относительно высокой для насекомых температуре – не ниже –10°С. Особенностью этих насекомых является наличие в гемолимфе особых белковоподобных веществ, способствующих образованию кристаллов льда между органами. Эти кристаллы притягивают к себе молекулы воды, оставшиеся свободными. По–видимому, при этом резко снижается возможность кристаллизации воды внутри клеток. К числу таких устойчивых к замерзанию насекомых можно отнести, например, бабочку–махаона, куколка которого в замороженном состоянии способна переносить температуру до –196° С.
Гораздо более распространена среди насекомых способность противостоять замерзанию. Такие насекомые вырабатывают специальные приспособления, суть действия которых сводится к снижению точки переохлаждения, а также к максимальному удалению веществ, способствующих образованию кристаллов льда по крайней мере внутри клеток. Для таких насекомых при их обитании в умеренной зоне точка переохлаждения, ниже которой возможно замерзание, лежит ниже –30° С, а для насекомых арктической зоны – ниже –60° С.
Зимующие гусеницы златогузки содержат в теле до 69% воды и выдерживают температуру –14° до 158 дней.
Известно, что 1 моль любого вещества на 1 литр раствора понижает температуру замерзания последнего почти на 2° Эффект от нескольких веществ, находящихся в жидкости, суммируется.
Среди таких веществ можно назвать некоторые сахара (трегалоза, глюкоза, фруктоза), специальные белки и аминокислоты. Кроме того, в теле зимующих насекомых нередко в большом количестве (до 25% от массы тела) присутствует широко используемый в технике антифриз – глицерин или аналогичные ему по действию вещества. Глицерин здесь обычно не является только пассивным антифризом и определенным образом распределяется в теле насекомого. Во всяком случае, искусственная инъекция глицерина не всегда приводит к повышению холодоустойчивости. После окончания зимовки глицерин превращается в гликоген.
Необходимость удаления из тела веществ, способствующих появлению кристаллов, приводит иногда к определенным изменениям пищевой диеты. У насекомого, полностью готового к зимовке, кишечник освобождается от содержимого.
Рекорд холодостойкости поставили личинки одного из видов комаров–дергунов, обитающие в горных районах Африки. Эти личинки развиваются во временных водоемах – углублениях скал, заполняемых водой во время дождей. Все эти водоемы вместе с личинками быстро высыхают, но личинки в сухом виде остаются живыми и после увлажнения опять приходят в активное состояние. Личинки в сухом виде без какого–либо ущерба выдерживают температуру почти абсолютного нуля (–270°).
Гораздо сложнее для насекомых противостоять высоким температурам, которые быстро приводят к нарушениям метаболизма, коагуляции белков и гибели. Какое–то время насекомые способны поддерживать температуру тела ниже температуры окружающего воздуха за счет испарения влаги, которое усиливается в результате разрушения высокой температурой воскоподобной оболочки тела. Естественно, что этот эффект определяется влажностью воздуха. Так, черные тараканы во влажном воздухе быстро погибают при +38°, а в сухом, обеспечивающем испарение, выживают какое–то время и при +48°. В некоторых случаях температура тела может быть понижена размазыванием по телу капель жидкости, выделяемых из ротового или анального отверстий.
Результатом специальных физиологических приспособлений является способность некоторых насекомых жить в горячих вулканических источниках при температуре воды до +65°. Таковы личинки некоторых мух–прибрежниц и львинок. Полной им противоположностью являются насекомые, активные на снегу в зимнее время. Для них губительна комнатная температура (+20°). Сходным образом температура +35° за минуты убивает обитающих в пещере при постоянной температуре +11° кузнечиков.

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