XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Муравьи как социальные насекомые
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Вряд ли найдется человек, который хоть раз не останавливался возле муравейника, завороженный работой этих невероятно трудолюбивых насекомых. Посмотрите на землю, и вы всюду сможете увидеть муравьёв: в саду, в лесу, в поле и на лугу, на берегу реки или ручья, в городе их можно увидеть на клумбе или газоне. Они разные: маленькие, едва заметные глазом, и крупные – до нескольких сантиметров длиной, светло-жёлтые, коричневые, чёрные, рыжие, красные, с пятнышками и полосками. А что, если бы муравьи жили у нас дома? Вы, наверное, сразу представили ползающих по кухонному столу и приносящих вред человеку домовых муравьев. Это не так.
Изучение данной темы актуально в плане понимания и изучения особенностей жизни муравьёв как социальных насекомых.
Цель работы – проведение экспериментов с муравьиными колониями с учётом применения теоретических знаний о социальном поведении муравьёв.
Задачи:
Изучение особенностей жизни муравьёв как социальных насекомых.
Планирование и проведение экспериментов.
Обработка, систематизирование и представление результатов.
Муравьи – древнейшие на Земле существа, где они обитают уже миллионы лет. Подтверждением данного факта является обнаружение в 1967 году в куске янтаря с пляжа в Нью-Джерси муравья, жившего более 80 миллионов лет назад. В мире, по приблизительным оценкам, миллиард миллиардов муравьев, принадлежащих к 12 тысячам видов. Их общая биомасса приблизительно равна биомассе человечества.
2. Муравьи как социальные насекомые
Социальные насекомые — группа насекомых, отличающаяся общественным образом жизни. К ним относятся муравьи, пчёлы, осы, шмели, термиты и другие.
Социальные насекомые характеризуются обитанием в совместно построенных гнёздах, уходом за потомством, разделением обязанностей среди членов их семей.
Семьи состоят из нескольких каст: половых (репродуктивных самок и самцов) и бесплодных самок (рабочих особей). Последние выполняют все функции в семье, кроме размножения.
У социальных насекомых отмечена способность к партеногенезу (однополое размножение).
Одной из характерных особенностей социальных насекомых служит строительство крупных и сложноустроенных гнёзд (например, муравейник). Они характеризуются особой защитной конструкцией, обеспечивающей поддержание постоянных и оптимальных показателей вентиляции, влажности воздуха и т. п. У некоторых муравьёв гнёзда могут уходить под землю на глубину до 4 м, а по косвенным данным — даже до 10 метров.
2.1. Особенности строения муравьёв
Муравьи относятся к типу членистоногие, к классу насекомые, отряду перепончатокрылые, семейству муравьи (Formicidae). Тело членистое, состоит из трёх сегментов, такие как голова, грудь и брюшко.
Голова у муравьёв крупная. На голове расположены пара усиков и пара сложных глаз. Простые глаза, или глазки – три точки на темени. Сложные фасетчатые глаза расположены по бокам головы. Количество фасеток неодинаково, у одних видов их около десятка, у других, хорошо видящих, больше тысячи. Усики – антенны – это органы чувств. Они служат муравью для восприятия обонятельных, осязательных и отчасти вкусовых ощущений. Основной орган вкуса расположен у муравья в ротовом устройстве.
Ротовой аппарат муравья не приспособлен к тому, чтобы поглощать твёрдую пищу, а приспособлен только к всасыванию питательных растворов. Кроме верхней и нижней губы имеются две пары челюстей. Верхняя пара – это жвалы, или мандибулы, которыми пользуются муравьи для перемещения объектов и удержания сильной добычи. В нижней губе самой важной частью считается язычок – орган вкуса и чистки тела, а также главное орудие кормления личинок и взаимного питания взрослых особей муравейника.
На груди находятся три пары членистых конечностей. У самцов и у молодых самок грудь развита значительно сильнее, чем у рабочих, и несёт четыре крыла. Перепончатые крылья муравьиных самцов и самок прозрачны. Крылья передней пары заметно больше – длиннее и шире, чем задние.
Брюшко членистое, первый или первые два членика менее развиты и образуют стебелек. Стебелёк, соединяя брюшко с грудью, делает муравьиное тельце очень гибким. Брюшко, состоящее из подвижно соединённых спинных и брюшных полуколец способно увеличиваться в объёме. Всё дело в том, что в брюшке находится зобик – орган, служащий для хранения и переноса пищи. В брюшке находятся ядовитые железы, связанные с жалом. Брюшко самцов и самок заметно крупнее, здесь находятся органы размножения. Тело муравьёв снаружи имеет покров, состоящий из хитина. Хитиновый покров обладает большой прочностью. Он защищает муравья от механических и химических воздействий внешней среды. К средствам защиты у муравьёв относятся острые жвала, ядовитая жидкость и у некоторых видов – жало. [2]
2.2. Строение гнезда
Гнездо (муравейник), например, рыжих лесных муравьёв состоит из надземной и подземной частей. Надземная часть в хвойных лесах сооружается из хвоинок, в лиственных – из палочек и других мелких, но прочных растительных частиц. Сверху муравьи формируют покровный слой купола, защищающий муравейник от промокания во время дождей.
Купол, залитый ливнем, сохраняет прочность. Вглубь гнезда вода, как правило, не проникает. После дождя всё сооружение приобретает на солнце новый запас прочности, так как кусочки строительного материала как бы спаиваются между собой.
Внутри муравьиной кучи растительный материал крупнее – палочки могут иметь различный размер, некоторые достигают длины 10см при толщине 5мм. Здесь из этих строительных материалов сооружается система ходов и камер, в которых выращивается молодь. Купол муравейника окружен земляным валом.
Муравейник не оканчивается в куполе. У него тысячи ходов под землёй. Эти ходы могут уходить на глубину 1-2 м и заканчиваются широкими полостями. Одни используются как место свалки, в других развивается молодь, третьи служат местом зимовки всей колонии. Температура в таких полостях-зимовках не опускается зимой ниже +5 градусов. И когда наверху свирепствуют морозы, муравьям не страшно и не холодно в своем доме.
От крупных муравейников отходят хорошо заметные тропы, по которым от гнезда и к гнезду движется поток муравьёв. Кормовые тропы рыжих лесных муравьёв остаются постоянными. В результате, у каждого муравейника возникает свой кормовой участок. [1]
2.3. Муравьиная семья
Муравьиная семья – многолетнее, высокоорганизованное сообщество, состоящее из расплода (яйца, личинки, куколки), взрослых особей (самок, самцов, рабочих муравьёв). У некоторых видов муравьёв личинки плетут кокон.
Самки, как правило, крупнее рабочих муравьёв. Рабочие муравьи – это бескрылые недоразвитые самки, в большинстве своём бесплодные и не способные к размножению.
Между рабочими муравьями существует разделение труда. Только что появившиеся рабочие муравьи становятся до взросления няньками, занимающимися уходом за личинками и кормлением самки.
Взрослые рабочие муравьи выполняют разнообразные виды работ: разделывают добычу, убирают мусор, надстраивают гнездо. Затем они становятся фуражирами. Среди фуражиров одни специализируются на охоте, другие на добыче сладкой пищи, третьи таскают материал для надстройки гнезда. Наиболее крупные рабочие муравьи защищают муравейник – это солдаты.
У рыжих лесных муравьёв, например, каждый фуражир начинает свою деятельность на периферии охраняемой территории. В дальнейшем он постепенно переходит на все более близкие к гнезду индивидуальные поисковые участки, а заканчивает этот путь на куполе, где муравей несёт службу в качестве наблюдателя.
Семья (колония) рыжих лесных муравьёв при благоприятных условиях может существовать 90 – 100 лет. За это время в семье многократно сменяются самки, которые живут максимум 15 – 20 лет (это рекорд среди беспозвоночных), и в ещё большей степени – рабочие муравьи, живущие всего 3 года. [1]
2.4. Питание муравьёв
Рыжие лесные муравьи используют в основном белковую пищу (в основном насекомых) и углеводную (сахаристые выделения растений, вытекающий древесный сок и особенно богатые сахаром пади тлей, червецов, гусениц). Большую часть белковой пищи муравьи скармливают личинкам и самке, углеводной питаются сами. Для муравьёв характерен обмен пищи – трофаллаксис. Трофаллаксис позволяет фуражирам кормить своих сородичей, не отвлекая их на поиск пищи.
Рабочие - фуражиры рыжих лесных муравьёв, задача которых – добывание пищи, в течение лета приносят в гнездо 3 000 000 – 8 000 000 различных насекомых, около 20 ведер сладких соков, в основном, выделений тлей. В летние дни масса насекомых, приносимых в муравейник, может достигать 1кг.
Подсчитано, что муравьи среднего муравейника защищают от вредных насекомых 0,25га леса, а крупного – до 1 - 4га. [3]
2.5. Общение муравьёв
При общении друг с другом муравьи используют разнообразные сигналы, в основном путем прикосновения друг к другу конечностями. Используются также и химические сигналы (феромоны). Разыскивая дорогу к гнезду, рыжие лесные муравьи пользуются «языком запахов». С помощью обоняния муравьи отличают своих сожителей по гнезду от «чужаков».
Замечено, что в различных случаях муравьи по-разному трогают, ощупывают, ударяют друг друга усиками и, соответственно, изменяют свое поведение. Они как бы объясняются своеобразными жестами.
Известный советский энтомолог Мариковский Павел Устинович подметил у муравьев более двух десятков сигналов: «Чужой запах!», «Кто ты?», «Внимание!», «Дай поесть!», «Берегись!» и другие.
При использовании химических сигналов муравьи принимают оборонительную позу: поднимаются высоко на задних лапках и направляют конец брюшка вперед. И сразу чувствуется резкий запах: это муравей выбрызнул жидкость, состоящую из муравьиной кислоты и вещества тревоги – ундекана.
На дорогах, по которым они бегут из муравейника к муравейнику, муравьи оставляют жалом, так называемые следовые вещества, которые позволяют им не сбиться с дороги. Все муравьи из одного гнезда имеют общий запах, позволяющий им узнавать друг друга и не допускать муравьев из чужих гнезд в свое. [5]
2.6. Виды муравейников
Одни муравьи строят небольшие травяные холмики, а другие, обитающие в хвойном лесу, строят их из большой кучи сосновых игл. Муравьи вида Eciton burchellii, например, не строят муравейник после каждого перехода, а просто окружают королеву и яйца гроздью рабочих муравьев; эта гроздь может повиснуть на ветке или устроиться в полом бревне.
Например, самка муравьёв вида Atta sexdens перед вылетом из муравейника забирает с собой спору гриба, а после лёта взращивает эту спору, и позже будет жить в проросшем грибе сама. Гриб питается листьями, которые рабочие-листорезы срезают с растения и несут к нему.
Муравьи вида Solenopsis invicta умеют сплавляться по реке, если их муравейник затопило. Самку и расплод держат наверху, чтобы их не смогли съесть рыбы.
Многие тропические виды муравьев устраивают гнезда в древесных щелях или в полых стволах, а некоторые строят коробчатые гнезда из жеваной древесины и земли на вершинах деревьев. В Андах некоторые виды устраивают гнезда в бутонах альпийских цветов.
Муравьи вида Oecophylla smaragdina строят гнезда в виде сумки из листьев, склеивая их шелком, который выделяют их собственные личинки. [4]
2.7. Роль муравьев
Роль муравьев в природе огромна. Собирая медвяную падь тлей, муравьи охраняют их от хищных насекомых. Работая над строительством муравейников, муравьи повышают плодородие почвы. Иногда для спасения посевов, люди специально разводят муравьев.
Но, несмотря на это, часто муравьям нужна охрана. Много муравейников пропадает из-за вырубки лесов, их разоряют безграмотные туристы. Поэтому вокруг городов и в местах отдыха людей муравьиных гнезд становится все меньше и меньше. [5]
2.8. Мои наблюдения
Еще только начав изучение жизнедеятельности муравьев, я узнал, что учёные, занимающиеся исследованием муравьев называются мирмекологами. В отличии от мирмеколога, мирмекипер – это человек, который содержит муравьев в домашних условиях.
2.8.1. Наблюдение № 1 – Домашний формикарий
Как устроена муравьиная семья? Чем они занимаются целый день? Чем питаются муравьи?
Формикарии – это искусственные жилища для муравьёв, которые дают возможность наблюдать за жизненным циклом и развитием колонии круглый год в домашних условиях. Я узнал, что ещё в XIX веке мирмекологами были созданы первые домашние муравьиные фермы. В настоящее время формикарии всё чаще стали приобретать любители живой природы. Муравьиные фермы бывают разными: акриловые, гипсовые, акрилово-гипсовые, газобетонные. Формикарий подразделяется на жилую часть и арену. Арена подразумевает окружающую среду за пределами гнезда, а жилая часть – ходы в муравейнике.
2.8.2. Наблюдение № 2 – Колония муравьёв
Наблюдая за муравьиной семьёй, на первый взгляд мне показалось, что в муравейнике царит беспорядок. Но присмотревшись, я заметил, что каждый муравей занят своим делом. Никто ничего не забывает, не ленится, не мешает другому.
В ходе наблюдений я установил, что одни рабочие постоянно находятся возле самки и расплода; кормят их и переносят расплод, в случае необходимости, во влажное место, и наоборот. Другие муравьи постоянно ползают по арене в поисках еды; их называют фуражиры. Причем я узнал, что бывают активные фуражиры – они сами разыскивают пищу и доставляют ее остальным муравьям. А бывают пассивные фуражиры, – они сами еду находят редко, но под присмотром активных фуражиров переносят еду в хранилище. Основная часть жителей муравейника – рабочие, которые заботятся о колонии.
У некоторых видов муравьёв появляются рабочие больших размеров, имеющие очень большую голову. Таких рабочих называют солдатами. У некоторых видов они разгрызают крупные семена, у других охраняют вход в муравейник или разделывают крепко защищенную хитином добычу. Питаются же муравьи насекомыми, падью тлей и семенами, в зависимости от вида.
2.8.5. Наблюдение № 3 – Социальные муравьи-паразиты
Многие виды социальных муравьёв-паразитов не имеют удобные жвала, вследствие чего, не умеют ухаживать за расплодом, кормить самку, переносить или разгрызать какие-либо предметы.
Муравьи вида Polyergus rufescens (муравьи-амазонки) всей колонией нападают на гнездо муравьёв рода Formica, одурманивают рабочих своими феромонами, вследствие чего те становятся рабами, муравьи-амазонки забирают и взращивают чужой расплод.
Ещё пример. Осенью оплодотворённая самка вида Lasius umbratus (жёлтый пахучий муравей) находит или раскапывает маленькую норку, прячется туда и зимует до наступления тепла. Весной самка вылезает из норки и начинает искать рабочего-фуражира рода Lasius, чей муравейник неподалёку. После находки матка убивает рабочего, и, тыкая трупиком в его сородичей, проникает вглубь муравейника к самке. Самка жёлтого пахучего муравья убивает основательницу, после чего рабочие принимают новую королеву. А те рабочие, что не примут новую самку, будут убиты.
2.8.6. Наблюдение № 4 – Общение муравьев
При кормлении я часто наблюдал, как один муравей кормит другого. Этот процесс называется трофаллаксис. Трофаллаксис – обмен пищей и выделениями желёз. Так я узнал, что муравьи постоянно общаются между собой. Язык муравьёв - это язык запахов и жестов, так они могут поднять тревогу, указать путь к еде, отпугнуть чужаков от своей территории. По запаху муравьи отличают своих от чужаков.
2.9. Мои эксперименты
Провести эксперимент – значит выполнить определенные действия с объектом исследования и определить самому, что изменилось в ходе проведения эксперимента. Объектом моих экспериментов стали проживающие у меня в домашних условиях муравьи. Мною был проведён ряд экспериментов с ними.
2.9.1. Эксперимент № 1 – Подселение через заморозку
Что значит подселение через заморозку? С какой целью проводят данный приём?
Подселение через заморозку – это намеренное отключение сознания представителя одного вида муравьёв под воздействием отрицательной температуры для подселения его в другую колонию без агрессии. Если подселить одного к другому представителю вида без заморозки, то они в большинстве случаев не уживутся вместе, то есть будут игнорировать друг друга или атаковать. Но если подселить без заморозки представителя одного вида к колонии того же вида, то они, в зависимости от вида, смогут ужиться вместе. Дело в том, что после заморозки муравей забывает свой старый запах, и благодаря этому, может принять новую колонию. Следует отметить, что у каждой колонии имеется свой запах, отличающийся от остальных.
Данный приём используют чаще на рабочих муравьях. Проводят его либо с социальной точки зрения, а именно с целью рассмотреть поведение представителей разных колоний или вообще разных видов друг на друге, либо для того, чтобы рабочие помогли молодой самке основать колонию.
Я провёл данный эксперимент с рабочим вида Camponotus mitis из колонии численностью 200 особей и колонией Camponotus albosparsus численностью 500 особей. Я забрал рабочего Camponotus mitis с арены и поместил в пробирку. Следующим шагом было положить пробирку
в морозильную камеру, пока муравей не потеряет сознание. Когда я достал неподвижного рабочего муравья, я положил его на арену к Camponotus albosparsus и стал наблюдать как оживает муравей и как рабочие окружили новичка. В том случае, если рабочие стали атаковать его, я бы разнял дерущихся и отпустил потерпевшего обратно в свой формикарий. Это к вопросу о гуманизме. Но, на удачу, рабочего муравья вида Camponotus mitis приняла колония Camponotus albosparsus.
2.9.2. Эксперимент №2 – Подброс коконов
Подброшенный кокон - это подкидыш. В ноябре 2017 года я приобрёл свой первый формикарий с колонией муравьёв вида Lasius niger в составе одной муравьиной матки и трёх рабочих муравьёв. Полгода у меня не получалось вырастить колонию хотя бы до пяти особей из-за неумения их содержать. Через полгода осталась одна королева. Я решил провести эксперимент: забрал сотню куколок из уличной колонии чёрных садовых муравьёв и подбросил их к самке Lasius niger. Самка не проигнорировала появление чужеродных куколок и приняла их. Через пару недель все коконы были вскрыты.
2.9.3. Эксперимент № 3 – Вскрытие коконов
Летом 2019 года я стал обладателем самки-основательницы вида Formica fusca, или бурые лесные муравьи. Самка в течении нескольких недель не откладывала яйца. Из-за чего я задумал провести эксперимент по нахождению и вскрытию коконов из другой колонии того же вида. Я вышел на улицу и нашёл большую колонию бурых лесных муравьёв. Я собрал порядка 30 коконов из муравейника и принёс их домой. Мною были обнаружены уже созревшие имаго во многих коконах. Имаго – это созревший муравей и он не может самостоятельно выбраться из кокона. В естественной среде имаго достают из кокона муравьи той же колонии, вскрывая оболочку мандибулами. После того как муравья достают, ему начинают проделывать процедуру оживления, которая заключается в облизывании муравья слюной, передавая при этом запах, также ему разжимают членики и освобождают от вторичной плёнки.
Поскольку муравьи самостоятельно не выбираются из кокона, я достал две иглы и стал аккуратно снимать оболочку коконов с созревшим имаго внутри один за другим. По итогу из 30 коконов выживших и полностью развитых муравьёв было 6. Этих муравьёв я запустил к муравьиной матке, и она их приняла. Так у неё появились свои первые расплод и рабочие муравьи. Образовалась колония.
Мои колонии
Messoralexandri – 1 муравьиная матка, 25 рабочих муравьёв.
Messormuticus – 1 муравьиная матка, 70 рабочих муравьёв.
Messormuticus – 1 муравьиная матка, 30 рабочих муравьёв.
4. Результаты исследовательской работы
Мною были получены навыки в работе с научно-популярной литературой,
Усвоил много информации и знаний о социальной жизни муравьёв,
Я получил опыт в подготовке и проведении экспериментов,
Получил опыт в популяризации мирмекологии и мирмекиперства.
5. Мои планы
В мои дальнейшие планы входит определение дыхательного коэффициента нескольких видов муравьев и сравнение их с пересчетом на биомассу для установления объема потребляемого кислорода. Проектная деятельность - это интересно!
6. Список литературы
1. Г. М. Длусский, А.П. Букин «Знакомьтесь муравьи», 2001 г.
2. А. А. Захаров «Муравей. Семья. Колония», 2004 г.
3. А. А. Захаров «Организация сообществ у муравьев», 2014 г.
4. М. Брейен «Общественные насекомые. Экология и поведение», 2009 г.
5. И. А. Халифман «Повесть о муравьях», 2009 г.