XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Муравьиная ферма: цивилизация дома
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мне всегда очень нравилось наблюдать за живой природой, особенно за поведением различных животных и в какой-то момент захотелось провести научный эксперимент с живой природой, узнать что-то новое о мире животных самому.
Больше всего мне было интересно изучить мир насекомых, а именно муравьев. С ранней весны до поздней осени мы живем рядом и почти не обращаем внимания на удивительный мир под нашими ногами. Муравьи являются удивительными, интересными и полезными насекомыми.
Наблюдать за их жизнью очень интересно, однако самое интересное всегда скрыто от посторонних глаз под землей, в муравейнике. Так у меня родилась идея – сделать свой собственный муравейник дома и получить возможность наблюдать за жизнью муравьев на всех этапах. Более того, у меня родилась гипотеза – можно ли создать дома муравейник на 1000 муравьев из одного муравья.
Задачи исследования:
определить места обитания муравьев (для области исследования я выбрал дачу моей бабушки);
определить вид обнаруженных муравьев;
изучить особенности развития обнаруженного вида, пищевые предпочтения;
определить внешний вид самок (маток);
определить время «брачного лёта» муравьев;
поймать 4-5 маток после брачного лёта;
создать дома условия на начальном этапе развития (в начале один муравей в муравейнике);
дождаться рождения первого поколения потомства и переселить в специальную муравьиную ферму.
Муравьи
Муравьи — одно из самых развитых насекомых. Муравьиная семья представляет собой сложную группу с разделением труда, системой коммуникации и самоорганизацией. Это позволяют муравьям выполнять задачи, которые не под силу одному насекомому. Кроме того, многие виды муравьёв поддерживают тесную связь с другими насекомыми, грибами, бактериями растениями.
Муравьи являются одной из самых многочисленных групп насекомых. Они обитают на земле и деревьях по всему миру, кроме Антарктики, Исландии, Гренландии. Муравьи известны повсюду. Размеры различных представителей семейства могут варироваться от 1 до 30-50 мм. По одной из самых популярных версий муравьи произошли от какого-то древнего вида ос примерно 110-130 млн лет назад.
Муравьиная семья состоит из расплода (яйца, личинки, куколки), взрослых половых особей (самок и самцов) и многочисленных рабочих особей (бесплодных самок).
Муравьи образуют семьи различных размеров, от нескольких десятков особей до миллионов и могут занимать обширные территории. Крупные семьи состоят в основном из бесплодных бескрылых самок, формирующих касты рабочих и солдат. Почти во всех семьях есть самцы и одна или несколько самок, называемых царицами или королевами. Иногда муравьиную семью называют суперорганизмом, потому что муравьи работают как единое целое.
Удивительно, но в муравьиных колониях существуют разделение труда, связи между особями и самоорганизация при решении проблем. Все это давно исследуют учёные, и на данный момент открыли лишь малую часть муравьиных тайн. Именно поэтому мне так интересна эта тема.
Матка. Муравьиная семья имеет одну или несколько маток. Матки похожи на рабочих, но отличаются более крупными размерами. Они имеют крылья, которые откусывают себе после оплодотворения. Самка спаривается только один раз в жизни во время «брачного лёта». Продолжительность жизни муравьиной самки составляет до 12-20 лет (рекорд для самок в 28 лет зафиксирован у вида Lasius niger). Оплодотворённые самки либо основывают новую семью, либо остаются в своём муравейнике. Иногда молодых самок принимают в уже существующие семьи своего вида.
Может показаться, что матка является центром муравьиной семьи, однако в действительности им являются рабочие муравьи. Чем больше в муравейнике самок, тем «непочтительнее» отношение к ним рабочих. Рабочие муравьи переселяют самок из одной части гнезда в другую, передают на обмен в другие гнёзда, убивают тех, чья плодовитость стала слишком низкой. Рабочие контролируют и воспроизводство особей в семье: уничтожают лишних личинок или изменяют режим их кормления для изменения соотношения численности каст в семье.
Самцы. Самцы рождаются из неоплодотворённых яиц. Обычно самцы имеют крылья. Роль самцов сводится к оплодотворению молодых крылатых самок. Самцы обычно появляются в муравейнике незадолго до «брачного лёта» и вскоре после спаривания погибают.
Муравьи-рабочие. Подавляющее большинство особей в муравьиной семье составляют рабочие, являющиеся самками. Крылья у них отсутствуют, глаза меньше, чем у самок. Для некоторых видов характерно отличие в размерах в зависимости от задач, которые они выполняют в семье. Рабочие муравьи живут до 3 лет.
Часто муравьи-рабочие больших размеров имеют очень большую голову. Таких рабочих называют муравьями-солдатами, так как размеры делают их очень эффективными в бою, но в то же время они по-прежнему являются муравьями-рабочими, и их «обязанности», как правило, незначительно отличаются от «обязанностей» других рабочих.
Рабочие муравьи могут делиться также по специализации в семье. Одни муравьи ухаживают за молодью (няньки), другие – участвуют в строительстве гнезда, добывают пищу, третьи – чистят помещения, четвёртые хранят запасы жидкой пищи (медовые бочки) и т. д.
Общение. Муравьи общаются с помощью феромонов. Эти химические сигналы у муравьёв развиты сильнее, чем у других насекомых. Как и другие насекомые, муравьи воспринимают запахи своими усиками. Так как муравьи проводят жизнь в контакте с землёй, поверхность почвы является хорошим местом, чтобы оставлять след феромона, который может приниматься другими муравьями. У некоторых видов муравей, нашедший пищу, помечает свой обратный путь в муравейник, и по этому пути идут другие муравьи, которые также помечают с помощью феромонов свой обратный путь в муравейник в случае нахождения еды. Когда источник пищи исчерпан, муравьи больше не выделяют феромоны на этом маршруте, и запах постепенно рассеивается. Муравьи используют феромоны не только для прокладывания маршрутов. Раненый муравей выделяет феромон тревоги, призывающий муравьёв издалека и заставляющий всех находящихся рядом атаковать врага. Также муравьи могут общаться при помощи прикосновений и звуков.
Муравейник
Муравейник (муравьиное гнездо) – название гнезда муравьёв, которое, как правило, заметно своей надземной частью, представляющей собой кучу из кусочков листьев, хвои, веточек и земли.
Размер муравейника у разных видов может быть от жёлудя до двухметровых куполов лесных муравьёв рода. Муравейники бывают земляные, древесные, из растительных остатков (хвоинки, веточки), из живых листьев. Срок существования муравейника может быть от нескольких лет до нескольких столетий. Подземная часть сооружения с ходами и камерами уходит в землю на глубину до двух метров. Муравейники очень хрупки.
Удивительные факты о муравьях
На земле обитает более 12 тысяч видов муравьев. А общее количество муравьев на планете более 10 квадриллионов! Это более в 100 000 раз больше количества людей на земле;
крошечные муравьи составляют 15-20% от общей биомассы животных Земли, превосходя массу позвоночных существ;
муравьи воспитывают подрастающее поколение. Старая гвардия показывает своим ученикам как получать капельку сока от тлей. Обучают приемам и секретам охоты. Первым в схватку с добычей вступает самый опытный и суровый фуражир-охотник. Он показывает юнцам свое мастерство – как нападать, жалить, убивать. Так он обучает подрастающее поколение охотничьим навыкам;
с илачи – это не какой-то определенный вид. Все муравьи на планете сильны, подтянуты и способны поднимать предметы, которые в 100 раз тяжелее их собственного веса. Никто из живых существ на земле не способен на такие подвиги;
чтобы прокормить большую колонию, семейству нужна надежная кормовая база. Поэтому некоторые виды занимаются животноводством. Они выращивают тлю – муравьиную коровку. Заботятся о ней, пасут и охраняет. А та взамен дает муравьям капельку питательного сладкого сока;
практически все виды мурашей на планете занимаются строительством. Но самый большой дом удалось построить рыжим лесным муравьям. В 2015 году в Сибири был обнаружен муравейник высотой 2,5 метра;
у муравьев целых два желудка. Один желудок насекомые используют по назначению – для переваривания и усвоения пищи. Второй им нужен для того, чтобы накапливать еду, которой можно поделится с другим членом колонии;
у муравьев нет ушей, они улавливают колебания чувствительными лапками;
у муравьев нет легких, они дышат при помощи тела;
у каждого семейства свой отличительный запах, чужаков сразу распознают;
муравьи способны образовывать из своих тел «живые мосты» для пересечения водных или растительных преград.
Подготовка эксперимента
Для своего эксперимента я выбрал один из самых распространенных и простых в развитии видов муравьев – черный садовый муравей (Lasius niger). Ареал чёрного садового муравья простирается от Португалии и Англии через всю Европу до центральной части Сибири и до Монголии. Это самые известные и часто встречающиеся в средней полосе России (даже в городах) муравьи. Перед тем, как приступить к эксперименту, я стал изучать материалы и потом решил проверить их на практике.
Муравейники, как правило, в почве, имеют насыпной холмик, а также живут в гнилой древесине (в дуплах, пнях и под корой), под камнями. У каждого на даче есть большой камень, под который стоит заглянуть и очень вероятно там живет семья черных садовых муравьев. Именно такой муравейник нашел я в начале лета на даче своей бабушки. Точнее я нашел множество муравейников, почти под каждым камнем или корягой трудилась семья черных малышей.
Взрослые особи. Рабочие имеют длину около 3-4,5 мм, самцы – 4-5,5 мм, а матки – 7,5-11 мм. Я довольно быстро нашел представителей этого вида на даче своей бабушки. Они многочисленны, их можно увидеть и в траве, и на цветках, и на деревьях. Если внимательно присмотреться, то можно увидеть целые муравьиные тропы, ведущие откуда-то из-под земли. Эти тропы ведут на плодоносные деревья, кустарники и цветы.
Яйцо. Яйца белые, мелкие, длиной 0,1–0,8 мм. Покровы тонкие, нежные, почти прозрачные, белые или слегка желтоватые, округлой формы. Только что отложенные яйца микроскопически малы и поодиночке не видны невооруженным глазом. Но заметить их можно, поскольку они собраны в своеобразные пакеты.
Личинка. Личинки после вылупления мелкие, длиной 0,2–0,5 мм, почти овальные, беловатые или желтоватые.
Куколка покрыта твердой оболочкой – так называемым коконом. В конце стадии насекомые напоминают взрослых муравьев.
Период спаривания. Лёт этого вида муравьев в средней полосе России проходит с середины лета до начала осени. Перед началом лёта рабочие обычно прекращают добычу пищи для гнезда и собираются у выходов.
Крылатые особи (самки и самцы) живут в гнезде не более месяца и вылетают одновременно. После спаривания самцы гибнут, а самки отгрызают себе крылья и приступают к образованию новой семьи. В это время бескрылые оплодотворенные молодые самки встречаются даже в больших городах на тротуарах людных улиц. Найдя укромное место и устроив небольшую камеру, самка откладывает яйца. Мне предстояло создать такую же надёжную небольшую камеру в домашних условиях.
Новые семьи Lasius niger основываются молодыми матками самостоятельно, без помощи рабочих муравьёв. Матка в основанной колонии будет только одна. Матки Lasius niger являются рекордсменами среди насекомых по продолжительности жизни.
Я дождался наступления «брачного лета» в начале августа и караулил выход маток из муравейника. В результате мне удалось поймать пять маток, можно было поймать намного больше, потому что молодые матки и самцы покинули все муравейники на даче одновременно и их было очень много. Я решил ограничиться пятью особями, чтобы наверняка получить оплодотворенную матку.
Питание. Чёрный садовый муравей питается мелкими беспозвоночными и сладкой падью, которую выделяют тли через кончик своего брюшка. Этот вид муравьёв разводит и охраняет тлей разных видов, а также нектар, фруктозу, глюкозу, сахарозу. Во время наблюдения за муравейником я решил проверить вкусовые предпочтения садового муравья и предложил им сладкий сироп, который им очень понравился.
Создание инкубатора. Как я писал выше, матке нужно тихое укромное место, где она сможет положить начало своей колонии. В домашних условиях есть несколько способов создать такие условия. Если все сделать правильно, то это напрямую скажется на скорости развития колонии.
Шприц-инкубатор – очень удобная штука для старта колонии. Подходит для всех видов муравьев.
Плюсы пробирки:
есть постоянный источник влаги – не нужно следить за увлажнением;
после правильной подготовки – при уменьшении воды в пробирке ватка будет сама передвигаться – тем самым увеличивая пространство для муравьев. Очень удобно для растущей колонии!
легко кормить и убирать мусор даже при перенаселении пробирки.
Для подготовки пробирки я использовал:
длинную палочку;
пипетку;
питьевую воду;
обычную вату;
шприцы
Первым делом необходимо налить воду в шприц, который запаян с того края, на котором обычно находится игла. Наливаем в шприц воду, примерно 1/3 объема шприца. Затем вставляем в него кусочек ваты. Размер кусочка необходимо подобрать: он не должен слишком легко входить в пробирку. Должно быть усилие, иначе вода, возможно, будет протекать.
Далее нужно резким движением погрузить ватку в воду, чтобы между водой и ваткой не осталось воздуха. Если воздуха не будет, то при уменьшении количества воды, ватка будет передвигаться вслед за водой.
Если все правильно, то между ваткой и водой не должно быть пузырьков воздуха и внешняя поверхность ватки должна быть визуально немного влажной.
Если пузырьки и остались, это не особо страшно. В таком случае при уменьшении количества воды ватка просто не будет перемещаться. Протечек и других проблем быть не должно. Для каждой матки я сделал отдельный инкубатор.
Эксперимент
Этап 1. Заселение. Я заселил 5 маток в 5 заранее подготовленных инкубаторов и спрятал их в темном месте. Раз в 2-3 дня капал капельку сиропа и наблюдал. Через неделю 4 из 5 маток отложили едва заметные пакеты яиц. Одна оказалась неоплодотворенной и через пару недель я, убедившись в этом, ее выпустил.
Этап 2. Развитие и опыты. Почитав различную литературу, я решил провести несколько дополнительных экспериментов с моими матками. Целью всех экспериментов было ускорение развития колонии.
В первом эксперименте я поймал на участке 6 взрослых муравьев и решил подселить их к матке, чтобы они помогали ей развивать колонию. Но как сделать так, чтобы муравьи признали главенство новой королевы и не захотели навредить ей? Для этого муравьев достаточно хорошенько промыть в воде под краном, по одному, чтобы их не унесло. После такого «душа» рабочие особи утрачивают специфический запах своего муравейника и готовы «присягнуть на верность» новой королеве, которая одарит их новым запахом с помощью контакта усиков. Так и получилось, «чистые муравьи», которых я подселял по одному уже через некоторое время принялись заботить о матке и будущем потомстве. Забегая вперед, могу сказать, что первые рожденные муравьи оказались крупнее, чем в тех инкубаторах, где матке все приходилось делать самой.
В о второй эксперименте я взял уже в знакомом мне муравейнике несколько куколок. Подселил их в другой шприц, матка отнеслась к ним довольно благожелательно и примерно через неделю их этих куколок появились подброшенные дети, которые сразу уже признали королеву, принялись помогать ей с расплодом и заботились о самой королеве. Так я проверил второй способ ускорения развития колонии муравьев.
Этап 3 Рост семьи и новый дом. В медленном и неспешном развитии колонии провели осень и зиму. Колония, в которую я подселил взрослых рабочих особей, развивалась заметно быстрее. Видимо, зимний период сказался на плодовитости королев, и те, которые вынуждены все делать самостоятельно, произвели на свет за 5 месяцев всего несколько помощников. В колонии с подселенными рабочими к весне уже было больше 20 рабочих.
И я решил, что пора купить для них новый дом и переселить их в более просторную «квартиру» В интернете я заказал формикарий (искусственный муравейник) в который переселил свою колонию.
После пары часов семья освоилась на арене формикария, а уже к вечеру перенесла припасы и яйца в камеры.
Этот эксперимент я повторил в след за своим папой, который вырастил из нескольких особей другого вида муравьев (messor structor) большую семью, в которой живет больше 2000 муравьев. Такая семья вырастает из одной самки до 1000 муравьев за один год.
Заключение
Муравьи действительно крайне интересные существа, изучать и наблюдать которых крайне интересно.
Изучая муравьев, я узнал много интересного не только о насекомых, но и живой природе вокруг меня.
Маленькая цивилизация, выращенная из одного муравья, возможна в домашних условиях. Если приложить усилия, то эта цивилизация может стать не такой уж маленькой.
В зависимости от опыта можно пробовать эксперименты с различными видами муравьев. Lasius Niger и Messor Structor являются наилучшими видами для новичков.
Муравейник можно выпустить в дикую природу с наступлением весны (май) и повторить эксперимент с другим видом муравьев. Именно это я и планирую сделать со своей колонией.