VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение динамики численности популяции Parnassius mnemosyne L.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. ВВЕДЕНИЕ
Проблема охраны животных и растений стала особенно актуальна сейчас, в эпоху научно-технического прогресса. Потеря каждого биологического вида дикой природы наносит ущерб экономическим интересам общества в настоящем и может привести к невосполнимым потерям в будущем.
Бабочки – это одна из самых заметных и многочисленных групп насекомых с полным метаморфозом. Вопрос об охране этих насекомых возник сравнительно недавно, 30-40 лет назад. Бабочки, как и другие живые организмы, оказались очень чувствительным к различного рода антропогенным и техногенным воздействиям. Изменяются места обитания насекомых, осваиваются земли для сельского хозяйства и промышленности, усиливается фактор беспокойства бабочек в самых отдаленных и недоступных прежде местах, служащих последним убежищем редких насекомых. Их изучение имеет большое значение для решения общебиологических и зоогеографических проблем.
Изучение и охрана популяции редких и исчезающих видов в комплексе с местами их обитания имеют большое научное и практическое значение. Охрана бабочек в настоящее время становится актуальной проблемой в связи с практически полным исчезновением отдельных видов и резким снижением численности других.
Сохранение разнообразия форм жизни – важнейшая проблема, с которой столкнулось современное человечество. Ещё Г. Гаузе доказал, что устойчивость сообщества тем выше, чем больше число составляющих его видов. Следовательно, сохранение биоразнообразия – единственный механизм стабильности жизни на Земле. В связи с расширением городов, сельскохозяйственных угодий, вырубкой лесов, ухудшением экологии эти виды постепенно вытесняются, а многие из них находятся на грани вымирания, поэтому их необходимо сохранить. Охрана окружающей среды – это не региональная, а национальная и даже более того – интернациональная, всемирная задача [10].
Современное биологическое разнообразие - это результат сложнейшего процесса эволюции земной биосферы. Однако в последнее время структура биоразнообразия меняется на глазах. Можно наглядно представить себе, что лес и луг значительно богаче видами, чем сельскохозяйственные поля, да еще такие, которые обрабатываются пестицидами. В результате роста населения и усиленного развития промышленности и сельского хозяйства Земля, по некоторым, вполне корректным данным, ежедневно теряет до ста видов различных живых существ.
В настоящее время возникла опасность изменение генотипов и генофондов организмов под влиянием антропогенных мутагенов, то есть вызывающих изменения наследственности, факторов, а также полного исчезновения ряда выведенных и диких форм организмов под влиянием человека. Крупные мероприятия по охране генофондов проводятся силами государства: создание заповедников, ботанических садов, защиты живой природы от загрязнения мутагенами и другое [3].
В будущем возникает необходимость создания высокопродуктивных экологических систем, поддерживаемых человеком, а также устойчивых насаждений, защищающих посевные площади от ветров, засухи, песков и тому подобное. Вместе с тем нужно вести борьбу с хищнический использованием природных ресурсов. Для сохранения в неприкосновенности ландшафтов с интенсивными биоценозами, редкими растениями и вымирающими животными созданы заповедники и заказники [9].
Практическое значение булавоусых чешуекрылых до последнего времени недооценивалось, поскольку число видов, непосредственной вредящих сельскохозяйственным культурам, среди них невелико. Однако дневные бабочки очень чутко реагируют на изменение условий существования, и по наличию или отсутствие в данной местности определённых видов, по изменениям в их распространении можно сказать, насколько здесь проявились результаты хозяйственной деятельности человека.
Бабочки – не только украшение природы, они, прежде всего, служат индикаторами воздействий человека на живую природу. В ряде случаев по исчезновению тех или иных видов бабочек в определённых местах можно судить о характере и степени антропогенного воздействия на данный конкретный биоценоз. Бабочки – это одна из наиболее уязвимых групп насекомых, поскольку они страдают не только от разрушения мест обитания, но и от сборов и отлова в большом количестве для украшений, коллекций, пособий и других целей. В этом плане бабочек можно сравнивать с промысловыми видами животных или дикорастущих растений, для которых недостаточно сохранения места их обитания, а требуется сокращение или полный запрет их добычи. По этим и другим причинам численность многих видов бабочек так сократилась, что они оказались под угрозой исчезновения. Поэтому необходимо создать все условия для охраны и защиты этих видов.
Parnassius mnemosyne – редкий вид булавоусых чешуекрылых, занесенный в Красную книгу РФ и Красную книгу Тамбовской области [4; 5].
Цель работы – на основании анализа динамики численности популяции Parnassius mnemosyne L. в 2018 г. по сравнению с 2001-2002 гг. оценить состояние этой популяции на текущий момент.
Задачи:
- по литературным данным изучить биологию и экологию Parnassius mnemosyne в Тамбовской области;
- провести наблюдения за динамикой численности популяции Parnassius mnemosyne в ее естественном местообитании (с. Лаврово Тамбовской области);
- определить сроки лёта Parnassius mnemosyne в 2018 г;
- сравнить наблюдаемые данные с имеющимися данными по состоянию популяции Parnassius mnemosyne в 2001-2002 гг.
II. Особенности биологии и экологии ParnassiusmnemosyneL.
в Тамбовской области
II.1. Биология, распространение и охрана Parnassius mnemosyne L.
Бабочки относятся к весенне-летней фенологической группе чешуекрылых. Мнемози́на (лат. Parnassius mnemosyne) – дневная бабочка из рода Parnassius, занесённая в Красную книгу РФ, обитает в Европейской части России и на Южном Алтае.
Длина переднего крыла составляет 20-35 мм. Усики короткие, булавовидные, чёрные, вершина булавы чёрная. Грудь и брюшко чёрные, покрыты густыми белесоватыми волосками. У самки брюшко сверху голое, блестящее, иногда с жёлтыми пятнами. Крылья округлые, без выступов и вырезов по краям, покрыты редкими чешуйками.
Размах крыльев – 56-60 мм, они белые, слабо опыленные. Кайма передних крыльев черная или серая (прозрачная), имеется черное дискальное пятно и недалеко от него в ячейке второе пятно. На заднем крыле черное затемнение развито по его заднему краю и доходит до ячейки. Намечено дискальное пятно. У самки темный рисунок развит сильнее: на передних крыльях черно-прозрачные части занимают и область, распространенную от основания крыла, на задних обычно имеется ряд подкраевых полулунных пятен (рис. 1). На уровне дискального пятна иногда намечена перевязь [2].
Рис. 1. Половой диморфизм бабочек Parnassius mnemosyne L., самец слева
Распространение: Зап. Европа, Малая Азия, Иран, Сев.-Зап. Китай, Казахстан. На территории России распространена сравнительно широко, но встречается локально – европейская часть (за исключением крайнего сев. и степных р-нов Предкавказья и отчасти Черноземья); Поволжье, сев. Кавказ, Урал и зап. Сибирь вплоть до Тобольска. На Северном Кавказе отмечена на лесных полянах, в долинах рек, в местах произрастания смешанных и лиственных лесов на высотах от 1260 до 1800-1900 м. На Алтае отмечена в парковом лиственничном лесу [6].
Вид представлен рядом географически изолированных популяций. Встречается в равнинной местности, а также в горах на высотах до 2000 м, иногда выше. Предпочитает сырые луга и большие поляны в тенистых лесах, чаще на склонах. Вид оседлый. Бабочки летают с конца апреля до середины июля, иногда до середины августа. В году развивается 1 поколение.
Рис. 2. Биология развития Parnassius mnemosyne L.:
1 – гусеница последнего возраста; 2 – куколка; 3 – бабочка на листе кирказона
Самка (в садках) откладывает до 43 яиц, обычно на листьях и стеблях хохлаток или рядом с ними на почве. Зимует в стадии яйца с полностью сформировавшимися гусеницами. В апреле или в начале мая следующего года появляются черные гусеницы с красными и желтыми пятнами. Днем гусеница прячется в листьях на земле, питается ночью. Окукливание проходит на земле, при этом гусеница зарывается в листья и свивает довольно плотный кокон (рис. 2). В стадии куколки проводит около двух недель. Лет обычно продолжается в среднем 14 недель [6].
II.2. Природные ресурсы и климат Тамбовской области как местообитания Parnassius mnemosyne L.
Природные условия в Тамбовской области для жизни благоприятные. Климат умеренно-континентальный, средняя температура января – -11,5°С, июля – +20°С, продолжительность вегетационного периода – 189 суток, годовое количество осадков колеблется от 350 до 700 мм [6]. Регион расположен в лесостепной зоне с умеренно теплым климатом.
В области можно выделить три основных этапа лесной растительности:
1. Зональный, к которому относится типичные для лесостепной зоны широколиственные леса и дубравы на тёмно-серых почвах в междуречьях и высоких частях склонов речных долин.
2. Экстразональный, характеризующийся растительностью, проникшей из других растительных зон. Это сосновые леса, расположенные на песчаных террасах речных долин Цны, Челновой, Кашмы, Керши, Хмелины, Лесного Тамбова и Воронежа.
3. Интразональные - к нему относятся ольшанники, не образующие самостоятельных зон. Главным лесообразующими породами Тамбовщины являются сосна обыкновенная, дуб черешчатый, осина, береза бородавчатая и пушистая, ольха черная [8].
В пределах области распространены заливные и суходольные луга. Пойменные луга развиты в долинах рек Цны, Польного и Лесного Воронежа и их главных притоков. Самые высокие более сухие поймы занимают овсяница овечья и полевица собачья. На пониженных, более увлажненных участках поймы растут и лисохвост луговой, лютик едкий, мятлик болотный. Суходольные луга чаще всего появляется на месте вырубленных лесов. Они встречаются также на лесных полянах на опушках лесов и в болотах. Луга эти по растительности сходны с луговыми степями, но с примесью некоторых лесных растений.
Наша область расположена в северной части степей, которая всегда отличалась богатством травянистого покрова. Преобладают двудольные цветковые травянистые растения, злаки распространены в меньшем количестве. Отличительная особенность северных степей заключается в том, что весной и в первой половине лета окраска их меняется. В мае бело-желтая от золотисто-желтых цветков крестовника и белых цветов сочевника. В июле она тёмно-фиолетовая, это цветет шалфей. Первобытный, целинной степи в нашей области не сохранилось. Нынешний облик всех лугово-пастбищных ландшафтов носит черты сильного воздействия человека. На сенокосном лугу центральной части поймы рек Цны злаки составляют 40%, разнотравье 60%. Злаки: тимофеевка луговая, овсяница красная и луговая, полевица обыкновенная, мятлик луговой. В разнотравье только 5-9% составляют бобовые, в основном клевер луговой и горный [13].
Животный мир Тамбовской области богат и разнообразен. Однако многие виды животных, особенно в последнее десятилетие снижают свою численность и переходят в категорию редких и даже исчезающих. В ряде случаев это является следствием естественных процессов в биогеоценозах, но чаще причиной этому служит воздействие антропогенных факторов - разрушение и трансформация мест обитания, различные формы загрязнения, прямое уничтожение. Проблема сохранения биоразнообразия особенно актуальна в Центрально-Черноземных областях, где распаханность земель более 60% и естественные экосистемы значительно нарушены [9].
Тамбовская область характеризуется умеренно-континентальным климатом с неустойчивым увлажнением. Продолжительность вегетационного периода в 180 - 185 дней. Сумма активных температур (t>10°C) составляет 2300-2900°C. Среднегодовая температура воздуха составляет +4 - +5°С, достигая +7°С в наиболее теплые и +3°С в наиболее холодные годы. В среднем за год выпадает 425-550 мм осадков, изменяясь от 400 мм в наиболее сухие годы до 700мм в наиболее влажные годы. За период вегетации может выпадать 200-500мм осадков. Средний гидротермический коэффициент составляет 0,95-1,1 [11].
Кормовыми растениями Parnassius mnemosyne L. служат различные виды хохлаток, особенно плотная (Corydalis solida) и полая (C. cava). Отмечалось питание гусениц на очитке (Sedum) и косогорнике. Для других местообитаний указываются другие виды кормовых растений (C. ledebouriana на вост. Средней Азии и C. chionophyla на Копетдаге).
Рис. 3. Хохлатка полая
В некоторых местах хохлатка полая находится под охраной. Предпринимались попытки создания искусственных плантаций хохлатки, чтобы остановить снижение численности мнемозины, но они не дали положительного результата.
Хохлатка полая – растение, которое характеризуется невысоким мясистым стеблем длиной от 15 до 25 сантиметров и дважды или трижды рассеченными листочками. Листва богатая, а соцветия располагаются поверх нее яркими рыхлыми кистями. Чашелистики практически незаметные. Каждый отдельный цветочек хохлатки имеет вытянутую форму основания и состоит из четырех мелких лепестков, причем концы верхнего и нижнего лепестка слегка завернуты наружу. При каждом цветке имеется один-два небольших листочка – прицветника. В разных местах можно встретить желтые, розовые, фиолетовые, голубые, белые хохлатки (рис. 3) [7].
Численность особей в природных экосистемах регулируется прямыми и обратным связями, существующими в пищевых цепях. Нарушение естественных цепей питания под воздействием антропогенного фактора, неразумное вмешательство в экосистемы может привести к неконтролируемому росту численности особей отдельных популяций и разрушение природных экологических сообществ. Сокращение численности мнемозин может быть обусловлено сокращением открытых биотопов, что связано с увеличением антропогенного воздействия на места обитания вида, общим потеплением и увлажнением климата в последние годы [1; 15].
II.3. Эмпирическое исследование популяции Parnassius mnemosyne L.
II.3.1. Геоклиматические условия обитания исследуемой популяции Parnassius mnemosyne L.
В Тамбовской области мнемозина развивается в одном поколении. Наблюдения за популяцией были проведены в районе села Малое Лаврово Мичуринского района в 2018 году. Бабочки вылетают рано, в конце апреля. Массовый лет наблюдался в начале мая, продолжался до начала июня. Кормовыми растениями являлись различные виды хохлаток, особенно плотная и полая.
Территория ареала Parnassius mnemosyne L. очень узкая и разорвана на отдельные, часто изолированные участки.
На момент исследований, на территории Тамбовской области наблюдался скачкообразный перепад температур: 22.05.2018 – 18 градусов, 27.05.2018 – 20 градусов, 01.06.2018 – 10 градусов, 06.06.2018 – 13 градусов, 11.06.2018 – 16 градусов, 16.06.2018 – 20 градусов, 21.06.2018 – 25 градусов, 26.06.2018 – 25 градусов.
Лёт изучаемой популяции наблюдали в течение 5 недель. Наблюдения проводились с начала мая до начала июля 1 раз в 5 дней на территории в 1 га.
II.3.2. Результаты наблюдения взрослых особей Parnassius mnemosyne L.
Зависимость оказалась следующей: с 8.05.2018 по 22.05.2018 количество наблюдаемых бабочек было равно нулю, 27.05.2018 в поле зрения отмечалась одна бабочка, 01.06.2018 – три бабочки, 06.06.2018 – четыре бабочки, 11.06.2018 – шесть бабочек (наибольшее количество – пик), 16.06.2018 – три бабочки (динамика пошла на спад), 21.06.2018 – одна бабочка, последние наблюдения были проведены с 26.06.2018 по 3.07.2018 – бабочек не было обнаружено. Таким образом, лет бабочек в 2018 г. наблюдался поздно в сравнении с их типичным фенологическим циклом (рис. 4).
Рис. 4. Фенологический цикл развития Parnassius mnemosyne L.
Наблюдаемые эмпирические данные представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Динамика численности Parnassius mnemosyne L. в окрестностях
г. Мичуринска (с. Малое Лаврово), экз/га
|
Май |
Июнь |
Средняя |
||||||||
|
22 |
27 |
1 |
6 |
11 |
16 |
21 |
26 |
|||
|
2018 |
0 |
1 |
3 |
4 |
6 |
3 |
1 |
0 |
2,25 |
|
На основании данных таблицы 1 было получено искомое уравнение, выражающее зависимость численности популяции Parnassius mnemosyne L. в 2018 году от времени наблюдений (аппроксимация к параболической кривой):
y = -0,011x2 + 0,39x + 0,25,
где: y – численность бабочек, x – время (в днях) от начала наблюдений.
Рис. 5. Фактическая и расчётная численность популяции Parnassius mnemosyne
Сравнение фактической и расчетной кривых (рис. 5) показывает, что при благоприятных условиях развития насекомых они практически совпадают в пределах доверительного интервала (p ≤ 0,05). При неблагоприятных условиях фактическая численность бабочек имеет существенные отклонения от расчётной в связи с действием внешних факторов.
Согласно данным, полученным Труновым А.Ю. и отраженным в его дипломном исследовании [12], средняя численность взрослых особей (имаго) Parnassius mnemosyne L. в 2001 г. (неблагоприятные погодные условия) составляла 0,8 экз./га, тогда как в 2002 г. (благоприятные погодные условия) она возросла до 6,5 экз./га. Таким образом, численность изучаемой популяции в 2018 г. была ниже средней (2,25 экз./га), а ее динамика оставалась в пределах естественных колебаний. Период лёта наступил позже обычного и был сравнительно коротким.
III. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучив динамику численности данной популяции, мы пришли к следующим выводам:
1. Распространение мнемозины зависит от распространения кормового растения личинки – хохлатки полой. В районе села Лаврово хохлатка произрастает преимущественно на равнинных территориях близ лесов с хорошо развитым травянистым покровом.
2. Динамика численности данного вида зависит от погодных условий: среднесуточной температуры, влажности воздуха и силы ветра.
3. Обычные сроки лета Parnassius mnemosyne L. были в 2018 году короче обычных практически в два раза и наступили позже обычного срока, что, вероятно, связано с неблагоприятными погодными условиями.
4. Численность популяции была несколько ниже средней (в сравнении с двухтысячными годами), что можно считать относительно неблагоприятным сигналом. При этом численность не выходила за пределы известной для этой популяции динамики.
В настоящее время места обитания подвергаются значительному антропогенному воздействию – распашке, выпасу скота, возрастающим рекреационным нагрузкам. В результате отлова бабочек в локальных местообитаниях вид может быть истреблён в течение нескольких лет. Все это является основной причиной сокращения численности и ареала вида Parnassius mnemosyne L.
Исходя из сравнительно низкой численности популяции Parnassius mnemosyne L. и ее чувствительности к неблагоприятным факторам среды, мы считаем, что в Тамбовской области следует усилить охранные меры в отношении данного вида. В частности, должны быть учтены допустимые уровни реакционных нагрузок, запрещён отлов бабочек неспециалистами, желательно создание микрозаповедников для охраны этого вида.
Список использованных источников и литературы
Беляев Д.К. Общая биология. – М., 1993. – 230 с.
Виды бабочек из Красной книге России, 2001 // Электронный ресурс: http://www.urral.ru/redbook/24.html.
Егоренков Л.И., Кочуров Б.И. Геоэкология: Учеб. пособие. – М., 2005. – 320 с.
Красная книга РФ, 2001
Красная книга Тамбовской области, 2000
Мир живой природы // Электронный ресурс: http://мир-природы.рф/mnemozina.html.
Мир чудес «Чудеса нашей планеты», хохлатка полая // Электронный ресурс: http://mirchudes.net/flora/634-hohlatka-polaya.html .
Памятники природы Тамбовской области / под ред. Р.В. Воротникова. – Воронеж, 1983 – С. 27-33.
Полянский Ю.И. с соавт. Общая биология. Учеб. – М., 1991. – 288 с.
Рoznayka. Биотехнологических систем. Направления развития биотехнологии от 28 мая 2016 года // Электронный ресурс: https://poznayka.org/s2065t1.html
Строительная климатология и геофизика // Электронный ресурс: http://polyset.ru/GOST/
Трунов А.Ю.Изучение биологии, распространения и охраны редких видов чешуекрылых семейства Papilionidae в Тамбовской области как часть экологического образования. Дипломная работа. – Мичуринск, 2004. – 114 с.
Управление по охране окружающей среды и природопользованию Тамбовской области // Электронный ресурс: http://opr.tmbreg.ru/8463/8489.html
Характеристика Тамбовской области // Электронный ресурс: https://studwood.ru/733845/ekonomika/harakteristika_tambovskoy_oblasti
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова, Лекция 2. Экологическая система // Электронный ресурс: https://studfiles.net/preview/1624385/