XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение социального устройства муравьёв на популяционно-видовом уровне
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Муравьи – древнейшие на Земле представители живой природы, возраст которых исчисляется миллионами 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.
Цель работы: изучить социальное устройство муравьёв и их поведение в различных искусственно созданных ситуациях, исходя из проведённых экспериментов и личных наблюдений.
Задачи:
1. Изучить особенности жизни муравьёв в домашних условиях, пронаблюдав за ними
2. Спланировать и провести эксперименты для изучения социального поведения
3. Сформировать целостную картину о взаимоотношениях муравьёв, исходя из результатов проведённых экспериментов
1. Муравьи как живой организм
Муравьи - насекомые, которые отличаются общественным образом жизни. Они обитают в совместно построенных гнёздах, ухаживают за потомством, разделяют обязанности среди членов их колоний.
Семьи состоят из нескольких каст: половых (репродуктивных самок и самцов) и бесплодных самок (рабочих особей). Последние выполняют все функции в колонии, кроме размножения.
Муравьи по классификации относятся к типу Членистоногие, к классу Насекомые, отряду Перепончатокрылые, семейству Муравьи (Formicidae). Тело членистое, состоит из трёх сегментов, таких 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 располагаются по бокам головы. Количество фасеток неодинаково, у одних видов их около десятка, у других, хорошо видящих, например, у муравьёв рода Harpegnathos, 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.
В проекте не будет рассмотрено внутреннее строение муравья, а внимание будет уделено особенностям их жизнедеятельности на популяционно-видовом уровне.
2. Роль муравьёв
Муравьиная кислота НСООН является антиоксидантом, стимулирует иммунную систему и способствует остановке кровотечения, используется при выпадении волос. Кислоту применяют в лекарствах от артрита, хронического бронхита, неврозов. В народной медицине муравьиная кислота используется в мазях и различных настойках, имеющих противовоспалительные и болеутоляющие свойства. Сейчас, в связи с эпидемиологическими обстоятельствами, учёные активно ищут вещества, содержащиеся/выделяющиеся в муравьях, способные к лечению определённых болезней.
В природе муравьи играют большую роль в экосистеме. Работая над строительством муравейников, муравьи повышают плодородие почвы. Играют большую роль в пищевой цепи, съедая множество гниющих умерших организмов и паразитов, а также, являясь пищей для многих других животных. Но, несмотря на большую плодовитость и повсеместное огромное количество колоний и различных видов, часто муравьям нужна охрана, потому что много муравейников пропадает из-за вырубки лесов: их разрушает человек и тем самым нарушает экологическую систему.
3. Мои наблюдения
Еще только начав изучение жизнедеятельности муравьев, я узнал, что учёные, занимающиеся исследованием муравьев, называются мирмекологами. В отличие от мирмеколога, мирмикипер – это человек, который содержит муравьев в домашних условиях.
В своих исследованиях я использовал интернет-ресурсы и научную литературу, работал в программе Power Point по созданию презентаций. Применялось следующее оборудование и принадлежности: формикарии, пробирки-инкубаторы, микроскоп цифровой, медицинские принадлежности (стерильная медицинская вата, пинцет, лупа, шприцы, иглы от шприцов), морозильная камера. Все эксперименты были проведены в домашних условиях. В презентации использованы фото- и видеоматериалы только из личного архива.
3.1. Наблюдение № 1 – Домашний формикарий
Формикарий – искусственное жилище для муравьёв, имеющее большую площадь прозрачного материала (в основном акрила) для наблюдения за муравьями. Чаще всего состоит из жилого модуля (материалы: гипс, акрил, газобетон) и арены (акрил). Арена используется для кормления муравьёв и подачи муравьям новых объектов для изучения. Главные аспекты, которые стоит учитывать при подбирании формикария для колонии отдельного вида на определённом этапе развития – это увлажняющая составляющая (гипсовая прослойка, наногубка), кокосовый субстрат (для некоторых подсемейств тропических муравьёв).
3.2. Наблюдение № 2 – Колония муравьёв
В ходе наблюдений я установил, что одни рабочие постоянно находятся возле самки-основательницы 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 в колонию. А бывают пассивные фуражиры, - они сами еду находят редко, но под присмотром активных фуражиров переносят еду в хранилище муравейника. Основная часть жителей муравейника – рабочие, которые заботятся о колонии.
У некоторых видов муравьёв появляются рабочие больших размеров, имеющие очень большую голову (полиморфизм). Таких рабочих называют солдатами. Муравьи питаются насекомыми, падью тлей и семенами, в зависимости от вида. В домашних условиях я кормлю муравьёв туркменскими тараканами, мучным червём, жуком-знахарем, не цитрусовыми фруктами (все виды без исключений), семенами мака, льна (зерноядные), а также 40%-глюкозой из фармацевтического магазина, медовый сироп, сахарный сироп (сиропоядные).
3.3. Наблюдение № 3 – 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.
4. 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.
4.1. Эксперимент № 1 – Имитация зимовки для колонии вида жёлтых пахучих муравьёв (Lasiusumbratus)
Ареал обитания муравьёв огромен. В ходе эволюции они приспособились переживать продолжительные низкие температуры, благодаря замедлению обмена веществ в организме. Это называется диапауза. У муравьёв продолжительность зимовки зависит от ареала обитания. Чем дольше зима, тем дольше зимовка. В домашних условиях необходимо было создать подобные условия для обеспечения нормального развития. В домашних условиях лучше всего подошёл холодильник. Данный вид обитает в умеренном поясе, и зимовка длится приблизительно 4 месяца.
Первый опыт был проведён с колонией муравьёв вида Lasiusumbratus. Сначала усиленно покормил колонию. Затем пришло время положить пробирку-инкубатор с колонией в холодильник на 4 месяца.
В течение этого времени раз в 3 недели я подкармливал колонию углеводами. В белке они почти не нуждались: он необходим для развития расплода на личиночной стадии.
Весной я вытащил пробирку. Колония пережила искусственно созданную мною зимовку. Эксперимент удался.
4.2. Эксперимент № 2 – Подселение «через заморозку»
Что значит подселение «через заморозку»? С какой целью проводят данный приём? Это намеренное отключение сознания представителя одного вида муравьёв под воздействием отрицательной температуры на некоторое время 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 около 200 особей и колонией Camponotus albosparsus численностью около 500 особей. Я забрал рабочего Camponotus mitis с арены и поместил в пробирку. Следующим шагом стало помещение пробирки в морозильную камеру (пока муравей не потеряет сознание). Я достал неподвижного рабочего муравья из камеры и положил его на арену к Camponotus albosparsus, затем стал наблюдать как оживает муравей, и как рабочие окружили новичка. В том случае, если бы рабочие стали атаковать его, я бы разнял агрессивных атакующих друг друга особей и отпустил потерпевшего обратно в свой формикарий. Это к вопросу о гуманизме. Но, на удачу, рабочего муравья вида Camponotus mitis приняла колония Camponotus albosparsus. Эксперимент удался.
4.3. Эксперимент №3 – 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. Эксперимент удался.
4.4. Эксперимент № 4 – Инквилинизм у муравьёв-паразитов вида Lasiusumbratus (жёлтый пахучий муравей)
Социальные муравьи-паразиты – это те виды муравьёв, которые развиваются и живут за счёт других видов муравьёв. К таким видам относится жёлтый пахучий муравей Lasiusumbratus. Осенью муравьиная матка Lasiusumbratus летает с самцами, то есть спаривается. Затем сгрызает себе крылья, выкапывает или находит норку и зимует там, как я уже ранее описал. В течение всей зимы она выживает благодаря своим крыльям и питательным веществам, запасённым в жировом теле с самого рождения. Весной матка вылезает из норки и начинает искать колонию муравьёв рода Lasius. Когда матка нашла муравейник, она убивает рабочего-разведчика из данной колонии, благодаря своему телосложению, сильным мышцам. Далее матка сжимает трупик в мандибулах и спускается вглубь муравейника. Спускаясь, она тыкает трупиком в рабочих муравьёв, тем самым показывая, что она “своя”. Так матка добирается до самки-основательницы, убивает её и становится на её место. Этот вид паразитизма называется инквилинизм. Я захотел содержать данный вид.
Цель эксперимента: установить принятие между муравьиной маткой и подселёнными рабочими, а также принятие маткой подброшенных коконов, и тем самым развить колонию.
Я забрал около 20 коконов и 10 рабочих муравьёв из уличной колонии Lasiusniger. Затем я подселил к матке рабочих “через заморозку” для дальнейшего ими вскрытия подброшенных коконов. После успешного подселения я подбросил коконы. Поскольку вид муравьёв Lasiusumbratus – паразитирующий вид, колония должна была развиваться. Так и получилось! Матка начала откладывать яйца, муравьи прижились, рабочие начали вскрывать коконы. Эксперимент удался.
4.5. Эксперимент № 5 – Искусственное извлечение имаго посредством вскрытия коконов
Летом я стал обладателем самки-основательницы вида Formica fusca, или бурые лесные муравьи. Самка в течение нескольких недель не откладывала яйца. Из-за чего я задумал провести эксперимент по нахождению и вскрытию коконов из другой колонии того же вида. На улицу я нашёл большую колонию бурых лесных муравьёв. Я собрал около 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 извлекают из кокона муравьи той же колонии, вскрывая оболочку мандибулами. После того как муравья достают, с ним начинают 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, с помощью игл для инъекций мною были аккуратно вскрыты коконы и извлечены в последующем созревшие внутри имаго. По итогу из 30 вскрытых коконов было извлечено живых и полностью развитых муравьёв – 6. Этих муравьёв я подселил к муравьиной матке «напрямую» (подселение без использования методов «заморозки» и «утопления» в отношении представителя одной колонии к другой того же вида). Так у неё появились свои первые расплод и рабочие муравьи. Образовалась новая колония. Эксперимент удался.
Также мною были проведены такие эксперименты как подселение «через утопление» и инквилинизм у муравьёв-паразитов вида Lasius umbratus (жёлтый пахучий муравей), но, к сожалению, фото- и видеоматериалов не было сделано на момент проведения экспериментов.
5. Популяризация мирмикиперства
Увлекательный и загадочный мир муравьёв заслуживает, на мой взгляд, пристального внимания, изучения и популяризации знаний об этих замечательных существах. Три года назад я создал группу в социальной сети «ВКонтакте» «Аntomolog». Там я рассказываю о своих наблюдениях за муравьями, фиксирую интересные моменты из их жизни, публикую блоги и эксперименты, общаюсь с коллегами по хобби и делюсь впечатлениями о посещённых энтомологических выставках. Также веду дополнительные записи в личном дневнике. Свои колонии муравьёв я отобразил в таблице 1.
Таблица 1
Мои колонии муравьёв
|
Виды (лат.): |
Количество колоний (матка и минимум 2 рабочих муравья): |
Количество муравьиных маток, не выведенных в колонии: |
|
Aphaenogaster subterranea Tetramorium caespitum Temnothorax unifasciatus Plagiolepis sp. Lasius cf. alienus cf. brunneus Lasius flavus Lasius niger Crematogaster sp. Camponotus piceus Camponotus japonicus Camponotus mitis Camponotus nicobarensis Camponotus albosparsus Camponotus cf. aethiops Messor alexandri Messor kasakorum Messor muticus Pheidole pallidula Pheidole sp. Odontomachus cf. bauri |
55 9 7 5 3 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Итого: 97 колоний |
Lasius niger 10 Myrmica rubra 7 Formica fusca 3 Lasius umbratus 3 Lasius flavus 3 Aphaenogaster subterranea 2 Tetramorium caespitum 2 Итого: 30 маток |
|
(cf.) – Предположительно (sp.) – Неопределённый |
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.