«ТОЛЕРАНТНОСТЬ ПЧЕЛ APIS MELLIFERA L. К КИСЛОРОДНОМУ ГОЛОДАНИЮ ...»

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Российский государственный аграрный заочный университет»

На правах рукописи

Спасик Светлана Евгеньевна

ТОЛЕРАНТНОСТЬ ПЧЕЛ APIS MELLIFERA L.

К КИСЛОРОДНОМУ ГОЛОДАНИЮ

Специальности 03.02.08 – Экология Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель – доктор биологических наук, доцент М.Д. Еськова Балашиха

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. Введение

Общая характеристика работы

2. Обзор литературы 2.1. Изменчивость морфометрических признаков пчел 2.2. Фенотипическая изменчивость 2.3. Сезонная изменчивость 2.4. Внутригнездовая температура и ее влияние на развитие пчел 2.4.1. Механизм терморегуляции 2.4.2. Температура в зонах локализации развивающихся членов пчели- ной семьи 2.4.3 Влияние температуры на развитие и жизнеспособность пчел 2.5. Асимметричность парных органов и систем 2.6. Влияние техногенного загрязнения среды на физиологическое со- стояние пчел 2.6.1. Техногенные загрязнения окружающей среды 2.6.2. Физиологические эффекты гипоксии 2.6.3. Загрязнение среды обитания пчел 2.7. Физиологические эффекты гипоксии позвоночных животных 2.8. Эффекты гипоксии насекомых 3. Материалы и методы проведения исследований 4. Результаты исследований 4.1. Влияние гипоксии на развитие пчел. 4.2. Влияние гипоксии на развитие охлаждавшегося расплода. 4.3. Влияние гипоксии на взрослых пчел. Физиологические эффекты гипоксии 4.4. Толерантность к гипо-и гипертермии анестезированных пчел 5. Выводы 6. Предложения 7. Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Медоносная пчела освоила зоны умеренного и холодного климата, распространившись вплоть до полярного круга. В этом, наряду с развитием средств регуляции внутри гнездовой температуры (Еськов, 1995), важная роль принадлежит приспособлению к жизни в укрытиях, ограничивающих доступ кислорода. Однако гипоксия влияет на физиологическое состояние взрослых и развивающихся пчел, что выражается увеличении значения дыхательного коэффициента, нарушении возрастной последовательности смены функций и сокращении продолжительности жизни (Еськов, 1995; Еськов, Еськова, 2011; Skowronek, Yaykox,1976).

Газовая среда в жилище пчел в период их активной жизнедеятельности зависит от количества расплода и численности взрослых особей. С увеличением числа особей, находящихся на стадии личинки, содержание кислорода в гнезде весной уменьшается, а диоксида углерода возрастает. При прочих равных условиях концентрации диоксида углерода в летнее время резко возрастает при похолоданиях, в результате чего и взрослые пчелы, и развивающиеся пчелы подвергаются гипоксии. При оптимальной внешней температуре концентрация диоксида углерода понижается до десятых долей процента.

Минимального значения этот показатель газового состояния среды достигает при жаркой погоде. Высокая температура побуждает пчел аэрировать жилище, для чего они машут крыльями. Активность пчел вентилировщиц и их количество зависит от температуры и концентрации диоксида углерода в гнезде (Еськов, 1992; 1995).

Кислородное голодание на личиночной стадии развития рабочих пчел отражается на уменьшении у них длины хоботков и массы тела, но увеличении содержания в нем жира. У маток, наряду с уменьшением массы тела, происходит сокращение овариол, что имеет отношение к снижению плодовитости (Еськов, Торопцев, 1978). Кислородное голодание влияет на интенсивность метаболизма и величину дыхательного коэффициента (Еськов, Еськова, 2011). Высокие концентрации СО2 (от 30% и выше) наркотизируют пчел.

Это ускоряет у рабочей особи процессы физиологического старения, а матки утрачивают способность к спариванию (Mackensen, 1947). Остается невыясненным влияние на развивающихся пчел гип-о и гипертермии в условиях кислородного голодания.

У медоносной пчелы, как и одиночно живущих насекомых, интенсивность дыхания находится в прямой зависимости от температуры, понижаясь с ее приближением к верхней границе витального диапазона (Еськов, 1995).

Потери воды телом пчел под влиянием гипертермии подвержены возрастной изменчивости (Еськов, Бабкина,1990). В регуляции водного обмена пчел важная роль принадлежит метаболической воде, аккумулируемой в ректумах.

Эта вода накапливается в ректумах в то время весенне-летнего периода жизни, когда пчелы из-за неблагоприятной погоды не могут вылетать из улья (Еськов, 1995).

Специфическая особенность медоносной пчелы выражается в высокой толерантности к гипоксии. Действию особенно высоких концентраций СО пчелы подвергаются в период зимовки, когда интенсивное охлаждение стимулирует их агрегирование в небольшой зоне гнездового пространства (Еськов, 2003) Но гипоксия влияет на интенсивность метаболизма (Еськов, Еськова, 2011).

Высокие концентрации диоксида углерода анестезируют пчел. Это может влиять на ускорение физиологического старения рабочих пчел (Skowronek, 1976) и маток (Mackensen, 1947). Однако сведения о влиянии на пчел высокий концентраций диоксида углерода носят фрагментарный характер. Поэтому актуальным является изучение закономерностей влияния гипоксии на развитие, физиологическое состояние и жизнеспособность пчел, а также выявление их толерантности анестезии в атмосфере диоксида углерода.

2.1. ИЗМЕНЧИВОСТЬ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ ПЧЕЛ

Виды настоящих пчел. Пчелы рода Apis (настоящие пчелы) включают в себя 6 видов: Apis mellifera, A. indica (A.cerana), A. dorsata, A. laboriosa, A.

florea и A. andeniformis. Самый большой ареал занимает медоносная пчела (Apis mellifera L.). Это связано с наличием у этого вида специфических адаптаций к неблагоприятным условиям и накоплению в гнезде больших кормовых запасов. Важное значение имеет высокая внутривидовая дифференциация.

Внутривидовая дифференциация медоносной пчелы.

В настоящее время выделяют 8 подвидов медоносной пчелы: западносредиземноморский (A.m.intermissia), северо-сибирский (A.m.mellifera), средневосточный (A.m.meda), фаро-тропический (A.m.adonsoni), капский (A.m.capensis), восточно-северо-африканский (A.m.lamarskii), мадагаскарский (A.m.unicolor) и кавказский (A.m.remipes). Имеются и другие подходы к классификации. Одна из них включает пять внутривидовых структур (Cakau et al., 1985). По этой классификации вид распадается на следующие группировки:

европейскую, северо-западную, европейскую, юго-восточную, средневосточную, центрально-южно-африканскую и египетско-суданскую. Ф. Руттнер (1969) выделяет всего три группы: европейскую, азиатскую и африканскую. Эти группы имеют множество переходных форм.

В Европейской части России медоносная пчела представлена большим разнообразием рас и популяций, которые по приведенным выше классификациям относятся к той или иной мере к западно-средиземноморским, кавказским, северо-сибирским (по первой из указанных классификаций), европейским северо-западным, европейским юго-восточным (по второй классификации). Четкой дифференциацией отличаются следующие расы, обитающие на территории Европы и принимавшие участие в формировании генотипа пчел Европейской части России, - темные среднеевропейские (A. mellifera mellifera L.), краинские (A. mellifera carnica Polem.), карпатские (A. m.

carpatica), украинские степные (A. m. acervorum), серые горные кавказские (A. m. caucasica Gorb.), желтые кавказские (A.m.remipes Gerst) и итальянские (A.m.ligustica Spin).

В изолированных регионах формируются популяции, отличающиеся от исходных рас по комплексу морфофизиологических признаков. В частности, на севере Пермской области локализована прикамская популяция. Она выделяется среди темных среднеевропейских пчел высокой холодостойкостью, более высоким наполнением зобика и, соответственно, преимуществом в использовании обильного и непродолжительного нектаровыделения (Еськов, Петухов, Симанков, 1995; Петухов, Шураков, Коробов, Симанков, 1995; Петухов, Шураков, Еськов, Коробов, 1996).

Темные среднеевропейские пчелы обитают в центре европейской части России и на северо-западе Европы. Эти пчелы были интродуцированы в Сибирь, Северную и Южную Америку (Руттнер, 1969).

Отличительные признаки этих пчел – относительно небольшая длина хоботка, варьирующая преимущественно в пределах 5,7-6,4 мм, ширина 4-го брюшного тергита (3-й в брюшном отделе, 4-й - анатомическом) - от 4,8 до 5,2 мм. Окраска хитина обычно бывает однородной темной. Но иногда встречаются пчелы с небольшими участками тела, имеющими желтую окраску.

К особенностям поведения этих пчел относится высокая активность размножения. Она выражается и в высокой плодовитости маток (до 2000 яиц в сутки) и склонность размножению посредством роения. Запечатывание меда в ячейках отличается у этих пчел тем, что они оставляют воздушное пространство (зазор) между медом и крышечками. По этой причине они имеют светлую окраску (ее называют в пчеловодстве “белой печаткой”). Среднеевропейским пчелам свойственна высокая агрессивность (Кожевников, 1929;

Алпатов, 1945, 1948; Руттнер, 1969).

В группе темных среднеевропейских пчел выделяются среднерусские пчелы. Эволюция пчел среднерусской породы проходила у северной границы ареала вида Apis mellifera L. D в достаточно суровых климатических условиях. Эти пчелы характеризуются исключительной зимостойкостью, устойчивостью к нозематозу, гнильцовым заболеваниям, а так же к падевому токсикозу. Эти качества позволяют успешно разводить их на севере страны, где безоблетный период продолжается более шести месяцев. Пчелы этой породы отличаются более поздним, но интенсивным весенним развитием. Слабый медосбор не влияет на откладку яиц маткой. Матки этой породы обладают высокой яйценоскостью, и способны увеличивать семью к главному медосбору (до 60 тыс. и более) Такие семьи рекомендуют эффективно использовать при медосборе с липы, гречихи, вереска (Кривцов, 1993;1995). Благодаря хорошей приспособленности к суровым условиям, среднерусские пчелы рекомендуют для разведения в 52 субъектах Российской Федерации.

Пчелы этой породы распадаются на популяции, многие из которых поглощены в процессе интродукции в их ареалы пчел других группировок. В частности, на территории Башкирии выделялась популяция бурятских пчел (Кожевников, 1931; Шереметьев и соавт., 1965; Шакиров, 1977; Шафиков, 1977; Петров, 1980; Косарев и соавт., 1987). На территории Кировской области была обнаружена кильмезская популяция пчел, отличающаяся высокой зимостойкостью и продуктивностью. Эти пчелы отличались темной окраской дорсальной части груди и брюшка. Вентральная часть этих отделов тела имела бурую окраску (Шабардин, 1954). Эти пчелы были выявлены в шестидесятых годах. Однако они оказались полностью поглощенными под влиянием интродукции южных популяций, что было установлено исследованиями В.В.

Шабалина (1998).

Итальянские пчелы названы по первоначальному местообитанию. В середине 19 в. они были завезены в Германию и США. Для итальянских пчел характерна светлая окраска брюшных стернитов и двух-четырех тергитов. В их части, обращенной к брюшку, имеются желтые полосы. Длина хоботка находится в пределах от 6,3 до 6,7 мм, четвертого тергита - от 4,7 до 5,2 мм.

Плодовитость маток достигает 2500 яиц в сутки (Руттнер, 1969).

Итальянские пчелы сформировались в условиях теплого средиземноморского климата. Обладая большой численностью рабочих пчел, семьи итальянских пчел в состоянии собирать большие запасы корма. Одни эти пчелы не приспособлены к длительной зимовке.

В южной части Австрийских Альп и на севере Балкан сформировались краинские пчелы. Они имеют темную окраску тела (серые). Длина хоботка колеблется в основном в пределах от 6,4 до 6,8 мм, четвертого тергита - от 4,7 до 5,1 мм. Суточная яйцекладка матки достигает 2000.

В Западной Украине локализуются карпатские пчелы, сформировавшиеся в процессе расселения Украинских. В связи с этим Украинские и карпатские пчелы имеют во многом сходные морфологические признаки. Длина хоботка находится обычно в пределах 6,3-6,7 мм, четвертого тергита - от 4,4 до 5,1 мм. Те и другие пчелы оставляют воздушный зазор между медом и закрывающей его восковой крышечкой (Аветисян, Губин, Давыденко, 1969).

В высокогорных районах Кавказа сформировались серые горные кавказские пчелы. Эти пчелы отличаются наибольшей длиной хоботка среди среднеевропейских пчел. У серых горных кавказских пчел длина хоботка колеблется от 6,7 до 7,2 мм. Длина четвертого тергита относительно небольшая. Она находится в пределах 4,4-5,0 мм. Матки этих пчел имеют невысокую плодовитость, откладывая за сутки от 1000 до 1500 яиц (Хидешели, Мгедлишвили, 1969).

По данным последних исследований ГНУ Краснополянская опытная станция пчёловодства НИИП Россельхозакадемии выявлена высокая устойчивость серых горных кавказских пчел к холодным климатическим условиям. При разведении серых горных кавказских пчёл в центральных и северных областях прекрасно зимуют, многолетний опыт показал хорошую зимовку кавказянок даже в районах с очень низкой зимней температурой южного Урала, Магнитогорска и Челябинска (Снежногорск), Омска и других районов с морозной зимой. Однако для успешной зимовки требуется повышенное внимание пчеловода при сборке гнезда. Очень чувствительны к примесям пади в зимних кормах. Рейтинг пчёл серой горной кавказской породы остается очень высоким, после среднерусской она является второй основной породой России. ГНУ Краснополянская опытная станция пчёловодства НИИП Россельхозакадемии в настоящее время является широко известным центром разведения пчёл серой горной кавказской породы. Пасеки хозяйства расположены в трех зонах: Черноморского побережья на высоте 50-400 м над уровнем моря с теплым климатом, мягкой зимой и ранней весной; в горной зоне на высоте 400-600 м над уровнем моря с устойчивым снежным покровом, достигающим 1,5 м и с температурами, опускающимися до –150; в высокогорной зоне на высоте 500-1500 м над уровнем моря (окрестности Красной Поляны, Эсто-Садка и Рудинки по ущельям рек Мзымта и Лаура). Снежный покров достигает здесь 2 м, а температура в отдельные дни снижается до – 220. Пчёлы здесь зимуют на воле. Климат горной и высокогорной зон позволяет вести отбор на зимостойкость, что является важнейшим условием при поставке маток в центральные районы. Горная местность с ущельями и долинами горных рек, ограниченными горами, обеспечивает идеальный контроль над спариванием (Сокольский, 2013).Эти пчелы выделяются среди перечисленных популяций низкой агрессивностью, слабо выраженным инстинктом размножения пчелиных семей посредством роения. Запечатывая ячейки, наполненные медом, пчелы не оставляют между ним и крышечками воздушных зазоров. Прикосновение меда к крышечкам обеспечивает им темную окраску (в пчеловодстве это называется “мокрой печаткой”).

Украинская степная пчела имеет некоторые черты, отличающие ее от соприкасающихся с ее ареалом среднерусских и карпатских пчел. Украинской степной пчеле характерна серая окраска. Длина хоботка колеблется от 6,3 до 6,7 мм, 4-го тергита - от 4,6 до 5,1 мм. Плодовитость матки достигает 1800 яиц за сутки. Между медом и крышечками пчелы оставляют воздушный зазор (Билаш, Кривцов, 1991).

2.2. ФЕНОТИПИЧЕСКАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ

Как известно, фенотип (совокупность всех признаков) формируется в процессе взаимодействия генотипа с факторами внешней среды. Для медоносной пчелы важное адаптивное значение имеет сезонная изменчивость.

При этом на онтогенетические преобразования влияет качество и количество корма, температура, влажность и другие меняющиеся факторы среды.

Социальная организация медоносной пчелы отражается на специфике ее изменений. Она выражается в изменчивости состояния всей семьи, представляющую собой биологическую единицу, индивидуально подлежащую действию естественного отбора и других элементарных факторов эволюции (мутационному процессу, изоляции и колебаниям численности). Вместе с тем семья представлена отдельными особями, продолжительность жизни которых и их жизнедеятельность, определяется их индивидуальными свойствами.

Указанная причина обуславливает необходимость двух подходов к анализу фенотипической изменчивости у медоносной пчелы - изменчивость пчелиной семьи и изменчивость ее членов.

Изменчивость состава пчелиной семьи.

Семья медоносной пчелы включает в себя матку (самка, обеспечивающая репродукцию рабочих пчел и трутней, а также воспроизводство других маток), рабочих пчел и трутней. Рабочие пчелы и трутни могут находиться на разных стадиях развития. Облигатным условием существования семьи является наличие взрослых пчел. Взрослые пчелы и матка составляют семью в период зимовки, а также в условиях, неблагоприятных для воспроизводства касты рабочих пчел и трутней.

В зонах с умеренным и холодным климатом репродукция рабочих пчел начинается чаще всего в середине - конце зимовки. Репродукция трутней приходится на окончание весны - начало лета. Завершение репродукции рабочих пчел и маток совпадает с окончанием медосбора в конце лета - начале осени.

Воспроизводство маток зависит от состояния пчелиных семей и маткиосновательницы. Одна из причин воспроизводства маток связана с патологией или возрастом матки-основательницы. Другая причина - реализация инстинкта размножения.

Размножение пчелиных семей происходит посредством их деления.

Перед размножением матка откладывает максимальное количество яиц, из которых развиваются рабочие пчелы и трутни. Непосредственно перед размножением семьи матка откладывает яйца в специализированные ячейкиматочники. Обычно разделение семьи (вылет части пчел с маткой) происходит, когда развивающиеся матки достигают стадии предкуколки или куколки младшего возраста. Однако неблагоприятные погодные условия могут существенно задерживать деление семьи.

Количество маточников (и соответственно развивающихся маток) перед размножением пчелиных семей существенно различается у различных рас пчел. Для европейских рас характерно выращивание 3-7 маток (реже несколько десятков). У египетских пчел А. mellifera lamarckii количество развивающихся маток может достигать 400 (Руттнер, 1976). У сицилийских пчел может развиваться в семье более 600 маток (Alber, 1978).

В семье медоносной пчелы наибольшее представительство всегда имеют рабочие пчелы. Их численность подтверждена выраженной сезонной цикличностью, зависящей от изменения внешней температуры и состояния кормовой базы. Максимальное количество пчел бывает летом в период интенсивного развития семьи. Численность рабочих пчел уменьшается к окончанию зимовки. Их уменьшение продолжается весной до тех пор, пока гибель старых перезимовавших пчел отстает от воспроизводства молодых (Еськов,1992).

На положении временных членов пчелиной семьи находятся трутни.

Они появляются в апреле-июне, и количество их зависит от состояния семьи.

Общая численность трутней, как правило, в несколько раз ниже численности пчел. К осени большая часть трутней погибает, а оставшихся пчелы изгоняют из гнезда. Трутни могут оставаться на зимовку только в безматочных семьях (Еськов,1992).

Деление размножающейся пчелиной семьи происходит посредством социотомии (в пчеловодстве это явление принято называть роением). Первый рой пчел покидает семью обычно со старой маткой, последующие рои с молодыми. Выход роя стимулируют пчелы. Согласованность их действий регулируется посредством акустических и тактильных контактов (Еськов, 1972, 1979).

Рой пчел, вышедших из улья, собирается вначале в виде грозди, а затем улетает в новое жилище. Оно обнаруживается пчелами-квартирмейстерами до выхода роя. Обычно пчелы находят несколько мест поселений. Выбор одного из них происходит на роевой грозди (Еськов, 1979, 1992; Петров, 1980;

Frisch, 1965; Lindauer, 1955; Seeley, Morse, 1963; Avitabille et al., 1978; Caron, 1979).

Освоение нового жилища начинается со строительства сот. Оно имеет вначале беспорядочное расположение и лишено выраженной ориентации. К завершению строительства соты располагаются параллельно. Расстояние между их поверхностями составляет в среднем 12 мм.

У других социальных пчелиных размножение происходит по иному принципу. В частности, у безжалых пчел рода Hypotrigona происходит постепенное переселение в новое жилище. Вначале пчелы строят в нем гнездо, а затем в него прилетает молодая матка (Michener, 1946; Kerr, Krause, 1960;

Darchen, 1972). Такая форма размножения не получила развития у медоносной пчелы. Это, по-видимому, связано с тем, что в условиях умеренного и холодного климата небольшое количество переселяющихся пчел имеет высокую вероятность гибели при понижении температуры и/или при недостатке корма из-за отсутствия цветущих медоносных растений.

Изменчивость особей. Среди представителей надсемейства пчелиных высоким уровнем морфофизиологической дифференциации отличаются шмели Bombus. Морфофизиологическая дифференциация в шмелиной семье связана преимущественно с периодом их от рождения, этим порождается их кастовая структура. Обычно первая генерация шмелей, появляющихся после закладки первой выводковой ячейки самкой-основательницей, полностью состоит из рабочих особей. Они представляют собой недоразвитых самок.

Рабочие особи, появляющиеся в процессе развития семьи, отличаются по размерам и массе. Они укрупняются от первой к последующим генерациям. У Bombus lucorum масса рабочих особей колеблется в пределах от 40 до 320 мг. У половозрелых самок она достигает 460-700 мг (Cumber, 1949). Сезонная динамика массы шмелей выражается в постепенном ее увеличении.

Она достигает максимума перед завершением репродуктивного цикла в гнезде шмелиной семьи (Sladen, 1912; Frison, 1928; Richards, 1946; Carafato, 1978).

Кастовая дифференциация поддерживается у шмелей посредством гормонального подавления репродуктивной способности рабочих особей. В выделении гормона участвуют, по-видимому, мандибулярные железы (Honk et al., 1980; Rseler et al., 1981). Вероятно, участвуют также выделения покровов тела самок-основательниц (Rseler et al., 1981).

С размером рабочих особей в шмелиной семье связано их функционирование. Мелкие рабочие особи выполняют обычно внутригнездовые функции, а крупные занимаются фуражировкой (Cumber, 1949; Richards, 1946;

Free, 1955; Garofalo, 1978). В этом выражается связь полиэтизма членов шмелиной семьи с их размером. Последнее же определяется с основной сезонной динамикой развития шмелиной семьи.

По морфологическим признакам и гнездовому поведению различаются пчелы в семьях Eulaema nigrita. У этого вида пчелы небольшого размера выполняют функцию рабочих, а крупные - самок-основательниц. Они появляются на завершающих фазах развития семьи (Zucchi et al., 1969). Существенные сезонные различия по морфометрическим признакам характерно для антофорид Ezoneurella erempohila и E.setosa. По ширине головной капсулы пчелы первых генераций отличаются от последующих более чем в 1,5 раза (Houston, 1977).

Механизм дифференциации маток на касты маток (самокосновательниц) и рабочих особей связан преимущественно с изменением кормления. При недостатке корма развиваются рабочие, при избытке - половозрелые самки. Это в значительной мере связано с численностью членов семьи. Чем их больше, чем обычно обильнее кормление развивающихся членов семьи (Еськов, 1995; Brian, 1952; Puovrean, 1971; Garofalo, 1978).

У безжалых пчел имеется множество промежуточных форм между овулирующей самкой (их может быть много) и рабочими особями. Но с увеличением численного состава семьи происходит укрупнение рабочих пчел. Отличия по размерам самок и рабочих особей у безжалых пчел, как и других социальных пчелиных, зависит от количества и качества корма, потребляемого на личиночной стадии (Darchen, 1973; Darchen, Delage-Darchen, 1974, 1975; Imperatriz-Fonseca, 1976).

В семье медоносной пчелы, как и у других видов пчел рода Apis, имеется две четко дифференцированных касты самок - матка и рабочие пчелы.

Они существенно различаются по комплексу морфофизиологических признаков. Развитие самки в матку или рабочую особь является реализацией наследственной программы (в генотипе заложено и то и другое). От качества и количества корма зависит ход морфогенеза особей, развивающихся из оплодотворенных яиц. Масса молодых (неоплодотворенных) маток у среднерусских пчел равняется в среднем 211±6 мг. У овулирующих маток масса тела возрастает на 15-20% (Еськов, Торопцев, 1979).

У рабочих особей медоносной пчелы масса тела может изменяться более чем в 1,5 раза. Однако это не связано с морфофизиологическими отличиями пчел. Это связано с наполнением их зобиков и пищеварительных трактов. Поэтому в течение нескольких секунд может происходить быстрое увеличение или уменьшение массы тела пчел.

Среднее значение массы тела рабочих пчел равняется 114,5±1,8 мг.

Примерно половина массы приходится на брюшной отдел. Его масса отличается по указанным выше причинам наибольшей вариабельностью. После последнего осеннего облета масса тела пчел составляет в среднем 99,1±2,0 мг (Сv= 15%). К середине зимы она возрастает в среднем на 12, к концу на 19%.

Масса тела пчел изменяется также в первые дни имагинальной стадии. Если после выхода из ячеек масса пчел составляла в среднем 114 мг, то через 5- ч она достигала 122 мг (Еськов, 1990г).

В годовом цикле жизни пчелиной семьи пчелы разных генераций отличаются по содержанию воды. Ее количество имеет тенденцию уменьшения от весны к осени (Жеребкин, 1979; Еськов, 1990). Противоположную тенденцию имеет содержание жира, возрастающее к началу зимовки. Количество жира у пчел осенних генераций больше, чем у весенних примерно в 1,5 раза.

Подобно этому к осени происходит накопление гликогена (Жеребкин, 1965;

Жеребкин и соавт., 1974; Еськов, 1990).

Имеются некоторые сведения о сезонной динамике изменчивости морфометрических признаков. Отмечается, что в некоторых семьях от весенней к осенней генерациям происходит укрупнение пчел. В то же самое время приводятся случаи, когда эта тенденция нарушается (Гранкин, 1975; Еськов, 1995). Можно предположить, что отмеченное противоречие связано с тем, что в пчелиных семьях происходила смена маток. Возможно также влияние существенного изменения трофического обеспечения пчел.

Температура по-разному влияет на массу тела развивающихся насекомых. Например, масса имаго у тли Acyrthosiphon pisum под влиянием повышения температуры в период постэмбрионального развития уменьшается (Lamb et.al., 1987), а у жука - листоеда Entomoscelis americana — увеличивается (Lamb, Gerber, 1985). От температуры зависит также масса развивающихся рабочих пчел, трутней и маток.

Этим обуславливается необходимость специального исследования сезонной изменчивости морфометрических признаков рабочих пчел, что входило в одну из задач наших исследований.

2.4. ВНУТРИГНЕЗДОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА И ЕЕ ВЛИЯНИЕ

НА РАЗВИТИЕ ПЧЕЛ

Пчелам характерен так называемый “групповой эффект”. Под этим подразумевается стремление пчел агрегатироваться, когда их численность достигает некоторого критического уровня. Это явление было обнаружено Дж. Леконтом (1956). Он установил, что агрегация пчел начинается после того, как их численность достигает 50-70 особей. При меньшей численности агрегация бывает неустойчивой (Шовен, 1960; Еськов, 1992).

Дж. Фри и В.Спенсер-Бутч (1958), продолжая изучение агрегации изолированных групп пчел, обнаружил влияние на этот процесс внешней температуры. В частности, установлено, что понижение температуры стимулирует агрегацию. При 30оС в группе из 200 пчел, содержавшихся в энтомологическом садке, агрегатировалось около 24% особей, при 15оС - 77% и при 10оС Агрегация пчел сопряжена с регуляцией ими температуры. В скоплениях пчел температура всегда превосходит внешнюю температуру. По сведениям Дж. Фри и В.Спенсер-Бутча (1959) в группе из 25 пчел температура превышала внешнюю на 6оС при 10оС, а при 15оС - на 5оС. По данным Е.К.Еськова (1992) при 24оС в группе из 10 пчел температура была на уровне 25о. С повышением численности до 25, 50 и 100 особей при указанных условиях температура в центрах их скоплений равнялась соответственно 25,5, 27,9 и 28,4оС. Однако небольшие группы пчел (до 25 особей) не реагируют активизацией термогенеза на понижение температуры до 1-2оС и впадает в холодовое оцепенение через 8-19 мин охлаждения. У оцепеневших пчел температура тела не отличается от внешней.

Высокая терморегуляторная активность обнаружена в группах, содержавших около 500 пчел. При таком количестве пчел температура в центре их скоплений при - 5оС поддерживалась на уровне 26-30оС, а при - 15оС - опускалась до 23-28оС. При этом отмечались кратковременные понижения температуры у пчел до 17оС (Еськов, 1983).

Садок с пчелами можно рассматривать в качестве модели, иллюстрирующий механизм терморегуляции в гнезде семьи в то время, когда не происходит воспроизводства рабочих особей и трутней, т.е. во время зимовки. В частности, охлаждение стимулирует агрегацию пчел. Они уплотняются тем сильнее, чем ниже окружающая температура. Нагрев побуждает повышение локомоторной активности и разрыхления скопления. Уплотнение способствует снижению тепловых потерь, а разрыхление - повышает теплоотдачу, что используется пчелами при перегреве гнезда.

Важная роль в регуляции внутригнездовой температуры принадлежит специфичности функционирования тепловых рецепторов. У пчел тепловые рецепторы сочетают функцию рецепторов углекислого газа (Lacher, 1964).

Это важно для активизации термогенеза в скоплениях пчел при резких понижениях температуры. В частности, низкая температура стимулирует сильную агрегацию пчел. Под влиянием этого в центрах их скоплений происходит повышение температуры и углекислого газа. Совместное действие того и другого стимулов усиливает активизацию пчел, отражается на гиперактивизации тепловыделения. Благодаря этому происходит миграция нагретых пчел из теплового центра на периферию скопления (Еськов, 1995). Без этого пчелы, находящиеся на периферии скопления, впадали в состояние оцепенения. В таком состоянии продолжительность их жизни ограничивается 3-4 сутками (Еськов, 1992). Поэтому без активной миграции зимующие пчелы быстро погибали. Вначале цепенела и погибала их часть, локализующаяся на периферии скопления, а затем все остальные. Изложенное подтверждается результатами исследований, выполненных на зимующих пчелах различными методами терморегистрации. Первые дистанционные измерения температуры посредством термопар были выполнены Г.Вильсоном и В.Милумом в 1927 г.

(Wilson, Milum, 1927). Они применили для измерения внутригнездовой температуры семьи 44 термопары. Они обратили внимание на неравномерное повышение температуры на стимулы, активизирующие зимующих пчел.

В последующие годы были выполнены многочисленные исследования, подтверждающие высокую терморегуляторную активность пчел. При этом были выявлены связи между внешней и внутригнездовой температурой. Показано, что внутригнездовая температура зависит от физиологического состояния пчел и их численности (Жданова, 1957; Таранов, 1961; Bdel, 1953, 1958; Esch, 1960; Farrar, 1953; Riedel, 1948; Roth, 1965; Wohlgemuth, 1957;

Koeniger, 1972). Показано влияние физических факторов, активизирующих пчел на внутригнездовую температуру. Обнаружено, что низкочастотное поле, стимулирующее гиперактивизацию локомоций пчел, влияет на быстрое и резкое повышение внутригнездовой температуры. За 10-20 с действия электрического поля частотой 500 Гц при напряженности 150-300 В/см температура в гнезде повышается до 42-44оС (Еськов, 1969, 1982, 1995).

2.4.2. Температура в зонах локализации развивающихся Температура в разных зонах пчелиного гнезда может существенно различаться. Эти различия достигают наибольших значений в период зимовки максимум в центре, минимум - на периферии. Независимо от времени года и внешней температуры наибольшей стабильностью терморегуляции отличаются зоны, в которых локализуются развивающиеся члены пчелиной семьи.

Температура у развивающихся рабочих пчел (пчелиного расплода) имеет некоторые различия в зависимости от количества пчел в семье, внешней температуры и зоны локализации расплода. Повышение внешней температуры от 1 до 30оС отражается на повышении температуры у расплода, локализующегося в центре в семье средней величины, всего на 0,4оС, на периферии - на 0,9оС (Еськов, 1995).

Терморегуляторная активность зависит от генотипа. По этой причине отличается температура у собственного и интродуцированного из других семей (Еськов, 1993). Способность пчел отличать особей чужих семей обнаружена также в садковых опытах (Moritz, 1988). Имеются сведения, указывающие на то, что используемое в пчеловодстве перераспределение расплода от одних семей к другим, может нарушать нормальное распределение обязанностей среди рабочих особей (Calderone et al., 1989).

Инбридинг и гетерозис оказывает разное влияние на терморегуляторную активность пчел. Инбридинг влияет на понижение терморегуляторной активности, а гетерозис - на ее повышение. Это четко прослеживается при похолоданиях и выражается в отличиях по температуре у расплода. Она при прочих равных условиях бывает выше в семьях гибридных пчел и ниже у инбредных (Brckner, 1975).

У развивающихся трутней (трутневой расплод) температура не имеет существенных отличий от температуры у пчелиного расплода. Небольшие отличия по температуре у трутневого и пчелиного расплода возможно лишь в верхней части гнезда (Еськов, 1995).

Некоторые отличия по температуре имеют зоны локализации развивающихся маток. Используемые для этого ячейки (маточники) пчелы стремятся отстраивать преимущественно на периферии гнезда. Этим достигается наибольшая независимость температуры у маточников. При повышении внешней температуры от 7 до 26оС температура у маточников повышается в среднем с 33,3 до 34,7оС (Еськов, 1995). На 0,3-0,5оС отличается температура у маточников, отстраиваемых пчелами на соте и рамке-штативе (используется современной технологией репродукции маток). При этом внешняя температура оказывает сходное влияние на ее колебание у тех и других маточников (Еськов, Торопцев, 1978, 1979).

На температуру у развивающихся рабочих пчел и трутней влияет стадия их развития. Обычно на стадии личинки (при одинаковой внешней, численности пчел и зоне локализации расплода) температура выше, чем на стадии личинки. Это выражается в понижении температуры у расплода после его запечатывания. В частности, при 21±9оС температура в верхней части сот, занятых развивающимися трутнями после запечатывания ячеек понижается в среднем на 0,4оС (Еськов, 1995).

Итак, температура в зонах локализации развивающихся пчел и трутней не имеет существенных отличий. При прочих равных условиях она немного (в пределах 1оС) ниже у развивающихся маток. Небольшое понижение температуры происходит после превращения личинок в куколок. Внешняя температура при значительных ее изменениях (на 30оС) изменяется у расплода менее чем на 1оС.

По вопросу влияния температуры на развитие и жизнеспособность насекомых имеется большое количество публикаций. Установлены диапазоны для развития и определена температурная толерантность у многих видов социальных и одиночно живущих насекомых. Однако имеющиеся сведения не позволяют определить общие закономерности влияния термофактора. Решение этого вопроса осложняется разнообразием видовых адаптаций.

Одни виды пчел могут развиваться в широком диапазоне температур, другие в очень узком. Например, нормальное развитие Microplitis rufiventris возможно в диапазоне температур от 10 до 30оС (Hutchison et al., 1986).

Сходные диапазоны развития имеют цикады Typhlocyba froggatti (Tenlon, Penman, 1987), бабочка монарх Danaus plexipus (Malcolm et al., 1987), жук Pachnoda simeata (Donaldson, 1985). В отличие от этого диапазон развития у Muthimna unipuncta ограничивается 9-11оС (Bues et al., 1987).

Температура оказывает существенное влияние на продолжительность эмбрионального и постэмбрионального развития. В частности, в 9-12 раз меняется продолжительность эмбрионального развития у клопа Nysius viniter (Kehat, Wyndham, 1972) и у пестряка Thanasimus dubius (Turnbow, Franklin, 1980) под влиянием изменения температуры от 15 до 30-35оС. При этом у названных видов повышение температуры ускоряет развитие. В отличие от этого у Campoletis sonorensis повышение температуры от 20 до 30оС замедляет развитие примерно с 25 до 15 суток (Isenhour, 1986).

Развитие членов пчелиной семьи Apis mellifera возможно в относительно узком диапазоне температур. Это связано с тем, что медоносная пчела достигла высокого уровня внутригнездовой терморегуляции.

Эмбриональное развитие у медоносной пчелы возможно в пределах от 31 до 37оС. У границ указанного диапазона гибель развивающихся эмбрионов находится на уровне 10-20%. Оптимальная температура для эмбрионального развития ограничивается 32-35оС. У рабочих пчел постэмбриональное развитие ограничивается 28-38оС, у трутней - 29-36о, у маток - 29-38оС. Оптимальная температура у маток находится в пределах от 32 до 34,5о, у рабочих пчел - от 34 до 35о и у трутней - от 32 до 35оС (Еськов, 1990; Еськов, Торопцев, 1978, 1979, 1979а).

Продолжительность развития яйца изменяется более чем в полтора раза под влиянием понижения температуры их инкубации с 38 до 30оС. В частности, при 38оС продолжительность эмбриональной стадии равняется в среднем 69 часов, а при 30оС – 114 часов. Оплодотворенные и неоплодотворенные яйца не отличаются по продолжительности развития (Еськов, 1995).

У пчел, маток и трутней стадия куколки имеет значительные отличия по продолжительности развития (учитывается развитие от запечатывания ячеек сот или маточников до выхода из них взрослых особей). Куколки рабочих пчел развиваются при 38оС в течение 235 ч, при 34оС - 290 ч и при 29оС ч. У трутней развитие при 34оС завершается примерно за 14 суток, при 30оС продолжительность развития в запечатанных ячейках возрастает в среднем на 53 часа, а при 36оС сокращается на 19 ч. У маток с повышением температуры от 31 до 38оС продолжительность развития уменьшается на 2,5 суток (Еськов, 1990; Еськов, Торопцев, 1979).

От температуры инкубации запечатанного расплода зависит масса тела развивающихся пчел, маток и трутней. Увеличение температуры в пределах 29-37оС отражается на уменьшении массы тела нарождающихся пчел в среднем на 10%. При этом в среднем на 11% уменьшается масса головного отдела и на 3% - грудного. Сходное влияние оказывает температура инкубации на развивающихся трутней и маток (Еськов, 1990г).

Температурная зависимость размеров придатков и экзоскелета у медоносной пчелы и других видов насекомых имеет существенные различия. Отличаются также направления изменений под влиянием однонаправленных воздействий термофактора.

Понижение температуры в пределах ее колебаний, не выходящих за пределы, необходимые для развития, влияет на уменьшение экзоскелета у жука Enaphalodes ruflus (Galford, 1974). У пчелы-листореза Megachile rotundata это стимулирует увеличение морфометрических признаков (Tepedino, Parker, 1986).

На медоносной пчеле температурная зависимость изменчивости морфометрических признаков впервые была обнаружена А.С.Михайловым (1927). Позже Е.К.Еськовым и др. было установлено, что изменение температуры инкубации расплода по-разному влияет на отклонение от средней нормы размеров разных частей тела. В частности, хоботок под влиянием понижения температуры инкубации запечатанного пчелиного расплода уменьшается в среднем на 12%. Установлено, что хоботок отличается наибольшей вариабельностью. В отличие от хоботка мандибулярная железа достигает максимальной величины у пчел, развивающихся при 34оС. Длина и ширина крыльев также имеет наибольшую величину в случае развития при 34-35оС (Еськов, 1983, 1990а, 1991, 1995; Еськов, Лобов, 1992, 1994).

Детально изучена температурная зависимость изменения брюшных тергитов и стернитов под влиянием температуры инкубации. Установлено, что под влиянием повышения температуры размеры всех брюшных тергитов уменьшаются, а стернитов увеличиваются (Еськов, 1995). Однако отсутствуют сведения о температурной зависимости изменчивости восковых зеркалец.

Неизвестна также сезонная и температурная зависимость изменчивости соразмерности этих структур и крыльев.

Итак, изложенное позволяет заключить, что стабилизация пчелами внутригнездовой температуры повлияла на понижение температурной толерантности у развивающихся членов пчелиной семьи. Однако высокая стабильность внутригнездовой температуры способствовала стабилизации онтогенетических преобразований, показателем чего является низкая вариабельность морфометрических признаков у пчел.

2.5. АСИММЕТРИЧНОСТЬ ПАРНЫХ ОРГАНОВ И СТРУКТУР

Билатеральная симметрия обеспечивает базу для дифференциации организмов (Беклемишев, 1964). Однако симметрия в природе не бывает совершенной, всегда имеют место те или иные отклонения от билатеральной симметрии. При этом асимметричность у одних видов наследственно детерминирована и имеет адаптивное значение, у других - носит случайный флуктуирующий характер. В частности, локомоторные и сенсорные органы имеют наибольшую вероятность симметричности (Захаров, 1987; Yolicoeur, 1963).

Слабая направленная асимметрия характерна для правой и левой сторон тела, что выражается обычно в различиях по размерам костей (Юровская, ;Verji, 1977; Taylol, Halliday, 1977).

Соответственно разнообразию явлений асимметрии предприняты разные подходы ее классификации. Широкое распространение имеет классификация асимметрии, предложенная Ван Валеном (Van Valen, 1962). Согласно этой классификации все многообразие форм асимметрии дифференцируется на три типа:

1. Направленная асимметрия, включающая облигатное неравноценное развитие органов на разных сторонах тела.

2. Асимметрия, порождаемая доминирующим развитием парных структур то на одной, то на другой стороне тела.

3. Флуктуирующая асимметрия.

Анализу причин, объясняющих появление флуктуирующей асимметрии, посвящено большое количество публикаций. Их обобщение и анализ приведен в монографии В.М.Захарова, посвященной проблеме асимметрии у животных (1987). Автор отмечает, что изменчивость может быть дифференцирована на внутрииндивидуальную и надиндивидуальную. Первая ограничивается различными частями одного и того же организма, вторая - между особями или их совокупностями.

Для флуктуирующей асимметрии характерна незначительность и случайность изменений. Они порождаются случайными нарушениями развития.

По этой причине различия между сторонами тела не имеют выраженной направленности. Например, жилкование крыльев у стрекоз (Захаров, 1987), несоразмерности парных органов и структур у дрозофилы (Левотин,1978).

Исследованиями Б.Л. Астаурова (1927, 1930) в генотипически однородных группировках (в чистых линиях дрозофил) также не обнаружено взаимосвязи в проявлении билатеральных признаков.

Экологические условия могут влиять на выражение флуктуирующей асимметрии. Это установлено в исследованиях на прыткой ящерице (Захаров, 1982). Ее эмбриональное развитие проходило при 20, 25, 30 и 35оС. Оказалось, что минимальным уровнем асимметрии отличались особи, развивавшиеся при 25оС.

Имеются некоторые противоречия в отношении влияния половых различий на выражение флуктуирующей асимметрии. Ряд авторов (Staley, Green, 1971; Leary et al., 1983; Pankakoski, 1985) утверждают, что флуктуирующая асимметрия не связана с половыми различиями. Однако на гинандроморфных экземплярах бабочки Erynnis horatins правые крылья имеют признаки женской особи, левые мужской. Отличия выражаются в структуре жилкования (Israel, Cilek, 1982).

Обобщая литературные и собственные сведения о флуктуирующей асимметрии, В.М.Захаров (1987) приходит к заключению, что это явление следует рассматривать как следствие некоторых нарушений, происходящих в процессе индивидуального развития. Поэтому В.М.Захаров утверждает, что флуктуирующую асимметрию следует квалифицировать как случайное природное явление.

В последние годы появились сведения, указывающие на наличие определенной закономерности проявления асимметричности парных органов.

Впервые об этом было заявлено проф. Е.К. Еськовым в 1997 г. Им на крыловых зацепках медоносной пчелы установлено, что их варьирующая асимметричность связана с количеством. На большом материале доказано, что отклонению количества зацепок от средней нормы в сторону уменьшения сопутствует повышение вероятности асимметричности за счет превышения их количества на левых крыльях. В случае же отклонения количества зацепок за пределы средней нормы возрастает вероятность асимметрии в результате превышения их количества на правых крыльях. В области средней нормы у большинства пчел количество зацепок на левых и правых крыльях совпадает (Еськов, 1977).

Отмеченная закономерность была подвержена результатами последующих исследований, выполненных на медоносной пчеле. В частности установлено, что закономерность, обнаруженная у зацепок, проявляется также в длине и ширине крыльев. Подобно этому изменяется несоразмерность их жилкования (Еськов, Шингаркина, 1997).

Измерения овалов восковых зеркалец на четвертых стернитах подтвердили закономерность перераспределения доминирования с лево- на правостороннюю в соответствии с увеличением анализируемого признака от минимального к максимальным значениям. При этом вероятность асимметричности уменьшалась с приближением размеров зеркалец к средним значениям (Еськов и соавт., 1996; Шингаркина, 1998).

Таким образом, появились сведения, которым ставится под сомнение случайность флуктуирующей асимметричности. Однако остаются неизвестными причины, порождающие перераспределение асимметричности с левона правостороннюю и обратно. Изучение этих причин входило в одну из задач настоящего исследования.

2.6. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СРЕДЫ НА

ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ ПЧЕЛ

2.6.1. Техногенное загрязнение окружающей среды Такой состав атмосферного воздуха, к которому мы привыкли, сформировался еще 200 миллионов лет назад. И на протяжении многих веков он оставался неизменным. Именно при таком составе воздуха возможна жизнь на Земле как человека, так и аэробного микроорганизма. Атмосфера обладает способностью к самоочищению от загрязняющих веществ. Воздушное движение приводит к рассеиванию примесей. Пылевые частицы выпадают из воздуха на земную поверхность под действием силы тяжести дождевых потоков. Многие газы растворяются во влаге облаков и с дождями также достигают почвы. Болезнетворные микроорганизмы погибают под воздействием солнечного света в атмосфере.

Динамическое загрязнение атмосферы происходит, главным образом, в ее нижних слоях. Загрязняющие вещества, попадая в атмосферу, под воздействием излучения, присутствия свободных радикалов, озона, молекул воды претерпевают изменения, различные химические превращения вплоть до образования весьма опасных соединений. Степень загрязнения атмосферного воздуха зависит от числа источников загрязнения атмосферы и массы выбрасывающих загрязняющих веществ (Современное состояние, 2006).

Раньше растения справлялись с определенной массой загрязняющих веществ (в процессе фотосинтеза, накапливания углерода и других вредных элементов), то сейчас несопоставимая разница между загрязнением и очисткой. Но в настоящее время объем ежегодно выбрасываемых в атмосферу вредных веществ резко возрос, составляет многие миллионы тонн и превышает пределы способности атмосферы к самоочищению (Воскресенская с соавт., 2004).

Длительное техническое развитие нашей страны привело Россию к экологическому кризису. В ряде индустриально развитых регионов радикальные рыночные реформы ещё более расстыковали экономический и экологический интересы, создали опасный дискомфорт в человеческом бытие (Ермакова, Сухарева, 1997).

Несмотря на принимаемые меры, экологическая безопасность граждан России постоянно снижается, что наиболее остро проявляется в ухудшении качества среды обитания человека, ведущей к снижению продолжительности жизни, увеличению смертности и ухудшению генофонда населения, деградации природных ресурсов, распространении радиоактивного загрязнения (Егоренков,1993). Ежегодно в России объём валового выброса промышленными предприятиями вредных веществ, загрязняющих атмосферный воздух, составляет 30-32 млн. тонн, т.е. около 200 кг в расчёте на одного жителя. По степени загрязнения окружающей среды лидируют территории, где расположены предприятия металлургии, нефтепереработки, химии, производства минеральных удобрений. Именно в таких районах в атмосферном воздухе обнаружено свыше 200 вредных веществ. Официально в России к ним отнесены районы, особо загрязнённые в результате чернобыльской катастрофы, а так же некоторые территории Южного Урала (Ермакова, 1997).

Автомобили – источник изменения температуры воздуха в городах. Если в городе одновременно движется 100 тыс. автомашин, то это равно эффекту, производимому одним миллионом литров горячей воды. Один усредненный автомобиль за 6 лет эксплуатации выбрасывает в атмосферу 9 т СО (Сетевой журнал «Живая Планета», 2010).

С загрязнением атмосферы связаны и такие явления, как повышение температуры (парниковый эффект), сокращение озонового слоя, и как следствие, повышение концентрации диоксида углерода в составе воздуха. Загрязнение атмосферы порождает кислотные дожди, которые уничтожают урожай, растительность, негативно сказываются на состоянии животного мира, водных объектов (Грибовский, 1997, 1998). Состояние атмосферы и причины ее загрязнения диоксидом углерода и парниковый эффект, изменения климата - вот важнейшие и актуальные темы сегодняшний день в экологии.

С каждым годом увеличивается количество выбросов парниковых газов, эквивалентных СО2, – примерно 44 миллиарда тонн. Например, в результате работы тепловых станций в атмосферу выбрасывается наиболее интенсивно, по сравнению с другими газами, диоксид углерода (СО).

Диоксид углерода не является формально вредным газом в определенной концентрации. Однако диоксид углерода – хороший поглотитель инфракрасного излучения и имеет свойство повышать температуру атмосферы.

Примерно с 1957 года ученые тщательно занимаются измерением концентрации углекислого газа в атмосфере. По полученным данным, около половины выбросов накапливается в атмосфере. Рассчитано, что при такой тенденции концентрация углекислого газа к середине следующего столетия возрастет в четыре раза. Пока не определено смогут ли океан и флора самортизировать такое увеличение, но уж на тепловом балансе земного шара это бесспорно отразится.

Наблюдения за содержанием диоксида углерода в атмосфере показывают, что его концентрация неизменно растет. Известно, что СО в атмосфере, подобно стеклу в оранжерее, пропускает лучистую энергию Солнца к поверхности Земли, оно задерживает инфракрасное излучение Земли и тем самым создает так называемый парниковый эффект.

Вулканы являются также частью геохимического цикла углерода. На протяжении многих геологических периодов диоксид углерода высвобождался из недр Земли в атмосферу, нейтрализуя тем самым количество СО, изъятого из атмосферы и связанного осадочными породами и другими геологическими поглотителями СО. Однако этот вклад не сравнится по величине с антропогенной эмиссией оксида углерода, которая, по оценкам Геологической службы США, в 130 раз превышает количество СО, эмитированного вулканами.

Антропогенные факторы включают в себя деятельность человека, которая изменяет окружающую среду и влияет на климат. В некоторых случаях причинно-следственная связь прямая и недвусмысленная, как, например, при влиянии орошения на температуру и влажность, в других случаях эта связь менее очевидна. Различные гипотезы влияния человека на климат обсуждались на протяжении многих лет. Главной проблемами на сегодня являются повышенная из-за сжигания топлива концентрация СО в атмосфере. Другие факторы, такие как землепользование, уменьшение озонового слоя, животноводство и вырубка лесов, также влияют на климат.

Начав расти во время промышленной революции в 1850-х годах и постепенно ускоряясь, потребление человечеством топлива привело к тому, что концентрация СО в атмосфере возросла с ~280 чнм до 380 чнм. При таком росте спроецированная на конец 21-го века концентрация будет составлять более 560 чнм. Известно, что сейчас уровень СО в атмосфере выше, чем когда-либо за последние 750 000 лет.

Еще одним источником загрязнения атмосферы являются лесные пожары. Они влияют на газовый состав атмосферы. При лесных пожарах в среднем сгорает 30% поверхностной биомассы и 1 км2 лесной площади (охваченный пожаром), в тропических лесах выбрасывается 5-6 тысяч тонн углерода (в виде СО, СО и углеводородов), в лесах умеренного пояса – от 300 до 1200 тонн.

Углеводороды подвергаются многочисленным превращениям, соединяются с оксидами азота и серы, образуя аэрозоли. Особенно часто это происходит, когда такие примеси оказываются в теплом слое воздуха, над которым расположен холодный слой. В таком случае воздушные массы не перемешиваются, и частицы надолго остаются на своем месте. Так рождается смог.

Огромное влияние оказывает, прежде всего, сжигание органического топлива, в результате которого в атмосферу выбрасывается углекислый газ, обладающий, как известно, парниковым эффектом. В середине XIX в. содержание СО в атмосфере не превышало 0,0032%, на рубеже двадцатого и двадцать первого веков оно достигло 0,05%. Выделение углекислоты антропогенными источниками настолько велико, что оно уже нарушило естественный круговорот углерода на планете. В индустриальную эру содержание СО в атмосфере и поверхностных водах океана многократно возросло. В результате воздушная оболочка Земли стала задерживать больше тепла, создавая так называемый парниковый эффект, что уже привело к изменению климата во многих регионах. Согласно последним научным исследованиям, повышение температуры на поверхности земного шара на 2 градуса Цельсия к году станет неизбежным. Некоторые учёные не исключают, что потеплеет на целых 5 градусов. Кроме того, наметилась ещё одна, не столь очевидная, но не менее серьёзная угроза – закисление Мирового океана. При взаимодействии СО2 с водой образуется угольная кислота. Уровень кислотности морских вод оставался неизменным в течение 20 миллионов лет, но учёные предсказывают, что к 2100 году он увеличится в четыре раза. Для океанских экосистем, а также всех связанных с ними видов, в том числе и человека, последствия будут катастрофическими (Стюарт Хазелдин, Вивиан Скотт, 2013).

Изменение климата ученые связывают с изменениями содержания в атмосфере «парниковых» газов. Известно, как менялся химический состав атмосферы 160 тыс. лет. Эти сведения получены на основе анализа состава пузырьков воздуха в ледниковых кернах, извлеченных с глубины до 2 км на станции «Восток» в Антарктиде и в Гренландии. Найдено, что в теплые периоды концентрации СО и СН4 были примерно в 1,5 раза выше, чем в холодные ледниковые. Эти результаты подтверждают высказанное в 1861 г.

Дж. Тиндалем предположение о том, что историю изменения климата Земли можно объяснить изменениями концентрации СО в атмосфере.

Парниковый эффект нарушит климат планеты, изменив такие критически важные переменные величины, как осадки, ветер, слой облаков, океанические течения и размеры полярных ледниковых шапок. Хотя последствия для отдельных стран далеко не ясны, ученые уверены в общих тенденциях.

Внутренние районы континентов станут суше, а побережья влажнее. Холодные сезоны станут короче, а теплые длиннее. Усиление испарения приведет к тому, что почва станет суше на обширных площадях.

2.6.2. Физиологические эффекты гипоксии Углекислый газ является химическим раздражителем дыхательного центра у млекопитающих, достаточное (необходимое) его количество накапливается в крови в результате обмена веществ, окислительных процессов. Но если в окружающем воздухе содержится повышенная концентрация С0,то в крови животных он также будет накапливаться в избыточных количествах.

Увеличение концентрации данного газа (свыше 1%) но вдыхаемом воздухе приводит к развитию ацидоза, тканевой аноксии, угнетению метаболических процессов, расширению периферических сосудов, учащению дыхания и тахикардии. Особенно чувствительны к повышению содержания СО во вдыхаемом воздухе птицы, интенсивно растущий молодняк, высокопродуктивные животные (Pedchenko 2010-2014) Диоксид углерода образуется при выдыхании животных как конечный продукт обмена веществ. В природных условиях происходят непрерывные процессы выделения и поглощения углекислого газа. В атмосферу углекислый газ выделяется в результате жизнедеятельности живых организмов, процессов горения, гниения и брожения. В природе с участием углекислого газа происходят многие процессы процессами. Он активно поглощается растениями в процессе фотосинтеза. Из воздуха углекислый газ вымывается осадками. За последнее время отмечается увеличение концентрации СО в воздухе промышленных городов (до 0,04% и выше) за счет продуктов сгорания топлива.

СО накапливается в убежищах, норах, ульях, в помещениях для выращивания домашнего скота. Его повышенная концентрация угнетающе действует на организм животных, снижает его защитные свойства, усвояемость корма. Содержание углекислого газа в воздухе помещений для животных не должно превышать 0,25%.

Диоксид углерода играет большую роль в жизнедеятельности животных, так как является физиологическим возбудителем дыхательного центра.

Снижение концентрации углекислого газа во вдыхаемом воздухе не представляет существенной опасности для организма, так как необходимый уровень его парциального давления в крови обеспечивается регулированием кислотно-щелочного равновесия. В противоположность этому повышение содержания углекислоты в воздухе приводит к нарушению окислительновосстановительных процессов в организме. При таких условиях в организме подавляются окислительные процессы, снижается температура тела, повышается кислотность тканей, что ведет к выраженным ацидотическим отекам и деминерализации костей. Увеличение концентрации углекислого газа в воздухе до 0,5% вызывает повышение кровяного давления, учащения дыхания и пульса. В помещение с оптимальным гигиеническим режимом содержание углекислого газа повышается не более чем в 2-3 раза по сравнению с атмосферным воздухом. При неудовлетворительной работе вентиляции и скученном содержании животных диоксид углерода может накапливаться в количествах, превышающих в 20-30 раз его содержание в атмосферном воздухе, что составляет 0,5-1% и выше. Основным источником накопления углекислого газа в помещениях являются животные, которые в зависимости от вида, возраста и продуктивности выделяют его до 16-225 л/ч. (Кубатко А.А., 2011.) К примеру, для выращивания молодняка свиней концентрация СО не должна превышать 0,15-0,2 %, телят и жеребят – 0,2-0,25%.

С птицей дело обстоит более сложно. У птицы в отличие от других животных более интенсивный обмен веществ. К примеру, на 1 килограмм массы цыпленка выделение углекислого газа, тепла и поглощается кислорода в 5-6 раз больше, чем крупный рогатый скот.

Повышение концентрации СО в воздухе отрицательно влияют на организм, его физиологическое состояние, повышение кислотности тканей, замедление окислительных процессов, уменьшается щелочной резерв крови,возникает деминерализация костной ткани. Вдыхание воздуха с повышенной концентрацией углекислого газа вызывает нарушение терморегуляции в организме.

2.6.3. Загрязнение среды обитания пчел Роль пчёл в природе выходит далеко за сельскохозяйственные границы, так как опыление дикорастущих растений имеет для сохранения биологического равновесия в природе такое же значение, как и опыление цветков культурных растений, даже если это скромное воздействие (Смирнов, 1997).

Медоносная пчела является насекомым, которое исключительно хорошо приспособлено для роли индикатора загрязнения окружающей среды, потому что жизнь пчел теснейшим образом связана с естественной средой (Jedryszuk,l 987). По мнению О. Цимбала (2014), причиной исчезновения пчел может являться изменение климата, загрязнение пестицидами и выращивание генетически модифицированных растений.

2.7. Физиологические эффекты гипоксии позвоночных животных Гипоксия — это патологическое состояние, которое наступает в организме при недостаточном снабжении тканей и органов кислородом или при нарушении утилизации кислорода в них. Кислород — обязательный компонент для нормального существования любого организма. Лишь некоторые виды анаэробных микроорганизмов могут существовать при полном отсутствии кислорода.

Недостаток кислорода или его низкое парциальное содержание в воздушной среде закономерно влияют на интенсивность окислительного метаболизма и объем освобожденной энергии.

Из этого следует, что проблема гипоксии в биологии и медицине разрабатывается со времен открытия Пристли и Лавуазье о роли кислорода в биологических структурах.

Установлено, что существуют живые организмы, имеющие высокую устойчивость к недостатку кислорода (например, креветки и черепахи). Тем не менее, большинство организмов имеют определенную границу чувствительности к кислородной недостаточности.

При превышении этого уровня включаются молекулярные и системные механизмы адаптации, которые действуют лишь в определенных границах уровня парциального давления кислорода (pO2).

По различным физиологическим эффектам принято различать следующие уровни гипоксии: 1) индифферентный, который не вызывает заметных изменений в состоянии организма; 2) саногенный, который активирует метаболические процессы и изменения на клеточном уровне; 3) патогенный, который вызывает нарушение нормальной жизнедеятельности клеток, органов и систем; 4) абиогенный, который несовместим с сохранением жизни клеток и организма.

Известно, что повторное влияние кислородного голодания способно инициировать адаптивную перестройку соотношения аэробной и анаэробной энергии, которая обеспечивает новые изменения организма и повышает его выносливость к измененным условиям существования. Такое состояние может оставлять “метаболический шлейф” и, так сказать, растормаживать “спящие гены”, а также приводить к перестройке энергетического метаболизма. Об этом говорят известные факты чрезвычайно высокой устойчивости к недостатку кислорода морских свинок (Guinea Pigs), лам и некоторых других эндемических видов животных, которые постоянно проживают в условиях высокогорья.

Недостаток кислорода в организме животных сопровождается сложным симптомокомплексом. Сложность заключается в том, что он складывается не только из нарушенных функций и структур различных органов, но и из запущенных в ответ на это защитных реакций:

- усиление вентиляции легких путем учащения или углубления дыхания;

- активизация сердечной деятельности, то есть частоты сердечных сокращений, минутного объема крови, увеличения массы циркулирующей крови за счет сокращения сосудов печени и селезенки, это позволяет повысить количество эритроцитов и гемоглобина;

- усиленная выработка окислительно-восстановительных ферментов, ведущая к лучшему использованию кислорода.

К сожалению, все эти старания обладают недостаточной силой для борьбы с гипоксией, и хотя дыхательная и сердечная система реагируют на такие изменения молниеносно, но и также быстро исчерпывают свои ресурсы.

В изучении гипоксии на млекопитающих большое внимание отводится выявлению приделов устойчивости к кислородному голоданию. Так, в исследованиях П.В. Балана (1999) было доказано, что во время моделирования гипоксии у новорожденных крысят наблюдалась выраженная брадикардия и значительные изменения в кардиограмме. Наблюдались серьезные изменения и нарушения в ритмической работе сердца.

Развивающийся во время острой гипоксии стресс-синдром наряду с положительными эффектами глюкокортикоидов оказывает выраженное катаболическое действие на белковый обмен, вызывает отрицательный азотистый баланс, повышает расход жировых запасов организма (Berger R., GarnierY., 2000). Различные органы и ткани дифференцированно снабжаются кислородом и энергетическими ресурсами и переходят на индивидуальные режимы функционирования, ослабевает влияние нервной системы на регуляцию органов и тканей, как вследствие истощения пула медиаторов, так и вследствие потери чувствительности клеток периферических тканей и органов к их действию (Забродин, 1984).

Состав атмосферного воздуха имеет постоянные значения, и в отличие от водной среды дыхание наземных животных практически не ограничивается недостатком кислорода. И только некоторые специфические экологические условия влияют на концентрацию кислорода и на специфические адаптации при повышенном содержании диоксида углерода. Например, закрытые убежища, дупла, норы, т.е. места, где может скапливаться углекислота и снижается содержание кислорода. Так, к примеру, в норах калифорнийского суслика содержание этих газов СО и О в среднем составляет 2,4-2,9 и 17,6а в норах кроликов 6-8 и 13-14%. А в неглубоких ходах кротов и гоферов СО колеблется от 0,3-5,5%, а кислород – в пределах 15-20%. В жилищах птиц живущих в дуплах воздух тоже обеднен кислородом, а содержание СО наоборот, повышено, особенно в период насиживания. А после вылупления птенцов (например у дятла или поползня) концентрация СО возрастает от 0,7 до 2-4%.

Доказано, что животные, живущие в подземных жилищах, лучше переносят гипоксию, чем виды которые не сталкиваются с таким образом жизни. Неблагоприятное состояние газовой среды складывается зимой под толщей снега. По данным Н. В. Башениной (1956), при высоте снежного покрова 45-80 см содержание СО в приземном слое воздуха составляет 2,8-4,0%.

Адаптации у животных в первую очередь связаны с повышением дыхательных свойств крови, т.е. отношение гемоглобина к кислороду. Такой вид адаптации свойственен, например червям, ведущим подземный образ жизни. У большинства норных животных отмечается пониженный уровень метаболизма, и в связи с этим уменьшается потребность в кислороде, а вот толерантность дыхательных центров к накоплению СО, наоборот, проявляется в большей степени. Например, эти особенности выражены в большей степени во время спячки. А у ежей такие реакции наблюдаются при скручивании в момент опасности.

Чаще всего встречается естественная ситуация, уменьшающая содержание кислорода. Это снижение атмосферного давления и вместе с тем и давления кислорода в высокогорье. Такие высотные адаптации хорошо изучены у млекопитающих. У них описано несколько типов приспособлений к газообмену в условиях снижения давления кислорода. З.И. Барашов (1960) разделяет эти реакции на две группы: «борьба за кислород» и адаптация к гипоксии. Под адаптацией к гипоксии подразумеваются реакции, протекающие на тканевом уровне и обеспечивающие устойчивость к недостаточному снабжению тканей О. К этому можно отнести неспецифические реакции повышения тканевой устойчивости к гипоксии, а так же усиление анаэробного гликолиза.

А вот реакции, которыми характеризуются «борьба за кислород», представляют собой компенсаторные реакции, экологическая направленность которых – поддержание нормального снабжения кислородом тканей.

Самая первая реакция – учащение дыхания и сердцебиения. И одновременно с этим, увеличение циркуляции числа эритроцитов путем мобилизации их из кровяных депо. Такой процесс может привести к общей перестройке эритропоэза. В результате горные виды (и горные популяции широкораспространенных видов) характеризуется более высоким содержанием эритроцитов и гемоглобина по сравнению с близкими формами, обитающими на меньшей высоте. Так у подвида мыши, обитающей в горах, содержание гемоглобина на 6,3, а количество эритроцитов на 12% превышают те же показатели у равнинных форм (Калабухов, 1935). У хомячков, живущих на разных высотах, высокогорные популяции тоже отличались увеличенным числом эритроцитов и гематокрита. что влекло за собой и увеличение общей кислородной емкости крови (Marsall, Matthias, 1971).

Для горного подвида суслика характерна гипертрофия миокарда, что явно связано с увеличением нагрузки на сердце в связи с большим объемом крови (Барбашова и др., 1976). Увеличение размеров сердца рассматривают как характерную черту горных форм, что в значительной степени связано с устойчивым усилием его функции в условиях горной гипоксии. У лам, обитающих в высокогорьях Южной Америки, эффект дыхательного свойства крови выражен более отчетливо, насыщенность артериальной крови кислородом даже на высоте более 3000 м остается выше 97%. И специальной адаптации сердечной деятельности и внешнего дыхания у этих животных нет (Banchero, 1973; Sillau et al., 1976).

Изменения дыхательных свойств крови могут отражать приспособление к горной гипоксии, но могут быть и следствием адаптации общего теплообмена (Garey, Morton, 1976).

Наиболее систематические исследования высотного потолка были проведены на разных животных Н.Н. Сиротининым (1950). Большая устойчивость в гипоксии имеет место у коз. Автор высказывает предположение, что это обусловлено горным происхождением этих животных. Свиньи, по тем же данным, очень чувствительны к недостатку кислорода — их высотный потолок не превышает 6000-7000 м н.у.м. Низкий высотный потолок наблюдается у домашней кошки; он не превышает 10 000 м. Очень низкий потолок — 8000 м и у медведя.

Пойкилотермные организмы обладают гораздо большей устойчивостью к гипоксии, нежели гомойотермные. Это отчетливо выявляется в опытах в барокамере. В этой связи значительный интерес представляет очень высокий устойчивость к кислородной недостаточности у летучих мышей — животных, дневной сон которых сопровождается резким понижением температуры тела.

Наиболее высоким, чем равнинные животные, высотным потолком обладают организмы, в течение жизни подвергающиеся гипоксическим состояниям,— ныряющие и животные, способные сворачиваться клубком (скручиваться). Практически самым высоким потолком устойчивости к кислородной недостаточности обладают некоторые копытные и, в частности, овцы и козы.

Исследования на лабораторных животных, которых поднимали в горы, и на животных, выращенных на разных высотах, проведено достаточно исследований. Среди таких исследований особое место занимает работа южноамериканских исследователей, проведенная на собаках. При исследовании собак, выросших на высоте 4530 м н. у. м. и на уровне моря, было обнаружено, что у выросших на высоте имеется сравнительно небольшое повышение числа эритроцитов, более значительное увеличение гемоглобина крови и очень большое увеличение миогемоглобина (Hurtado, Rotta, Merino a. Ports, 1937). Последнее было выражено слабее в сердечной мышце и сильнее в скелетной мускулатуре.

У птиц не обнаружено высотных адаптаций. По-видимому, это связанно с повышенной эффективностью утилизации СО, связанному с морфофизиологической спецификой строения дыхательной системы. Распространенное ранее мнение о сродстве крови птиц к кислороду не подтверждено.

Точные эксперименты доказывают, что сродство гемоглобина к кислороду и общая кислородная емкость крови птиц и млекопитающих практически одинаковы (Lutzet al., 1973,1974).

В исследованиях не удалось обнаружить существенных отличий таких показателей, как число эритроцитов и содержание гемоглобина, даже у птиц, обитающих в высокогорье. В некоторых случаях зафиксированы лишь увеличенные индексы сердца и легких.

Итак, у птиц накопление углекислого газа в крови не учащает дыхания, а вызывает его замедление и даже остановку. Пребывание птицы в помещении, где содержание углекислого газа в воздухе, превышает 0,3%, грозит возможностью хронического отравления птицы. Она становится вялой, рост замедляется, а иногда и прекращается. И поэтому на птицефермах нужно особое внимание уделять вентиляции помещений.

Эмбрионы птиц на стадии яйца, не имея защиты материнской системой, уступают млекопитающим по толерантности к гипоксии. Она, подобно гипотермии, подавляет у эмбрионов птиц активность метаболизма. Повреждающее действие высотной гипоксии на эмбрионы птиц выражается в замедлении их роста и повышении смертности. Наибольшей повреждающей эффективностью гипоксия обладает на начальных стадиях эмбрионального развития (Wangensteen и др., 1974). Обмен газов в яйце кур происходит постоянно и особенно интенсивно время инкубации. В свою очередь увеличивается содержание углекислого газа и уменьшается содержание кислорода.

Во время инкубации зародыш дышит кислородом воздуха инкубатора. Поэтому особенно важен обмен воздуха в инкубаторе.

Из экспериментов с куриными яйцами, развивающимися в инкубаторе, можно сделать вывод об опасности при повышении уровня углекислоты.

По данным Лемпсона и Эдмонда (Lampson and Edmond), лучшие результаты инкубации получаются при содержании в воздухе инкубатора углекислоты до 0,6%. Однако, по их данным, зародыш курицы может развиваться и в условиях значительно большего содержания углекислоты. Выводимость снижается при содержании в воздухе 1,5% углекислоты, а при содержании углекислоты свыше 2,0% наступает смерть зародышей.

Эти же авторы нашли, что содержание углекислоты в воздухе инкубатора оказывает и косвенное влияние на рост и развитие зародыша, так как концентрация водородных ионов белка яйца находится в течение первой недели в прямой зависимости от концентрации углекислоты в инкубаторе. Высокой устойчивостью к гипоксии обладают диапаузирующие насекомые (Слоним А.Д.).

У наземных насекомых потери воды через кутикулу зависят от температуры. Скорость испарения воды резко возрастает при температуре, вызывающей плавление восков эпикутикулы. Эта температура у личинки мухи Сalliphora находится на уровне 37-38оС, у куколки жука Tenebrio – около 48оС (1), а у нимфы Rhodnius – 58оС, что обуславливается видовой специфичность восков, обладающих разной температурой плавления.

С влиянием температуры на интенсивность дыхания связаны потери воды телом насекомых. Поэтому в условиях пониженной влажности при высокой температуре для ограничения потерь воды насекомые закрывают дыхальца, что приводит к снижению интенсивности дыхания.

Как пример влияния кислородного голодания на организм насекомых можно использовать исследования В.А. Березовский, А. М. Вайсерман, И. Г.

Литовка,Е. Г. Чака, П. В. Лахин, Н. М. Кошель, Л. В. Мехова,В. П. Войтенко (2010). Они изучали влияние гипоксического стресса различной длительности на ранних этапах жизни имаго на продолжительность жизни Drosophila melanogaster. И выявили что, гипоксическое воздействие (pO2 ~3 мм рт.ст. в азоте) продолжительностью 20 мин не повлияло на среднюю продолжительность жизни (СПЖ) самцов, продолжительностью 30 и 35 мин достоверно увеличивало, а продолжительностью 25, 40 и 45 мин снижало СПЖ по сравнению с контролем. У самок ни в одной из экспериментальных групп не выявлено увеличения СПЖ; причем гипоксия на протяжении 25, 40 и 45 мин привела к достоверному уменьшению СПЖ самок по сравнению с контролем. Гипоксический стресс при всех примененных режимах воздействия способствовал достоверному увеличению максимальной продолжительность жизни (МПЖ) самцов по сравнению с контролем. Особенно выраженным было увеличение МПЖ при применении гипоксического стресса на протяжении 20 и 30 мин. У самок же гипоксическое воздействие, независимо от его длительности, привело к уменьшению МПЖ по сравнению с контролем. Таким образом, наряду с ожидаемым отрицательным влиянием (уменьшением ПЖ) у самцов при некоторых вариантах гипоксического воздействия были выявлены проявления гормезиса (парадоксального стимулирования) по показателю ПЖ.

Было изучено влияние гипоксии на личинок кровососущих комаров (Сиботаев, Семенов и др.; г. Томск, 2009-2013 г.). Исследования проводились на личинках комаров родов Anopheles, Aedes и Culex. В ходе экспериментов установлено, что личинки комаров рода Aedes являются самыми устойчивыми к гипоксии при полном отсутствии кислорода. При высокой концентрации растворенного кислорода в воде большая жизнеспособность характерна для личинок малярийных комаров Anopheles beklemishevi. Личинки комаров рода Aedes и Culex проявили большую устойчивость гипоксии в сравнении с Anopheles.

Объяснение таких разных реакций основано на морфологических отличиях дыхательного аппарата комаров данных родов. Устойчивость к гипоксии личинок комаров всех трех рассматриваемых родов в наибольшей степени связанна с температурой воды, определяющей интенсивность метаболизма. Опыты проводились пли нескольких экспозициях температур (+10, +20, +23°С).

Медоносная пчела не диапаузирует в неблагоприятных для нее условиях жизни, но приспособлена к жизни в укрытиях, что связано с высокой толерантностью к насыщению гнездового пространства СО2, выделяемому в процессе дыхания (Еськов). Окислительные процессы в организме пчел замедляются при возрастании концентрации СО в зимнем гнезде. И это может влиять на продолжительность жизни пчел и их физиологическое состояние.

У пчел адаптация к углекислоте не беспредельна: при концентрации СО выше 4-5% пчёлы переходят к активной вентиляции, семья начинает шуметь, клуб разрыхляется и содержание углекислоты снижается. Исходя из полученных данных при изучении литературы, были определены цели наших исследований. И заключались они в изучении толерантности взрослых и развивающихся пчел к гипоксии. Изучалось влияние анестезии взрослых пчел в диоксиде углерода на их физиологическое состояние и продолжительность жизни. Были изучены элиминирующее влияние анестезии диоксидом углерода при изменении температуры от ее значений, стимулирующих холодовое оцепенение, до гипертермии. Анализировали влияние высоких концентраций СО2 на развитие пчел от предкуколки до имаго в условиях оптимальных для развития расплода. Исследовали влияние гипоксии в условиях гипотермии развивающихся куколок рабочих пчел.

3. МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование выполнено на рабочих особях медоносной пчелы Apis mellifera L. В разных вариантах опытов кислородному голоданию подвергали развивающихся или взрослых пчел. Эффективность гипоксии изучали при оптимальной для них температуре, а также в условиях гипо-и гипертермии.

Во всех вариантах опытов для поддержания заданной концентрации СО2 использовали эксикатор, снабженный двумя штуцерами, через которые в нем регулировали состав газовой среды. Обеспечение необходимой концентрации диоксида углерода в эксикатор нагнетали химически чистый диоксид углерода. Избыток диоксида углерода, выделяемого пчелами, замещали воздухом, а для поглощения водяных паров в эксикаторе использовали прокаленный силикагель.

Концентрация СО2, поддерживаемая в эксикаторе, соответствовала замещению такого же количества О2. Для контроля газовой среды использовали оптико-интерференционный газоанализатор ИГА. В тех случаях, когда концентрация СО2 в эксикаторе превышала предельное значение шкалы газоанализатора использовали «разбавление» анализируемых проб газа воздухом с помощью шприца.

Для наркотизации взрослых пчел их отлавливали из ульев в садки, которые помещали на определенное время в эксикатор. Пчелы после замещения воздуха диоксидом углерода, на что требовалось несколько секунд, наркотизировались в течение 5-15 с. Наркотизированные пчелы внешне напоминали пчел, оцепеневших под влиянием охлаждения. Это их состояние принимали за начало наркотизации. Действие СО2 завершалось после изъятия садков из эксикатора. Но пчелы некоторое время продолжали находиться в оцепеневшем состоянии. Их высыпали их садков на лист бумаги и наблюдали за восстановление локомоций. Время, необходимое для их восстановления локомоторной активности, отсчитывали от изъятия садков из эксикатора до восстановления локомоций активности. За начало активизации принимали состояние, в котором пчелы начинали передвигаться по опорному субстрату. После этого их отлавливали и возвращали в садки.

Отдаленные последствия гипоксии оценивали по продолжительности жизни активизировавшихся пчел. Их содержали в энтомологических садках при 24±2оС. В качестве корма использовали 50%-ный раствор сахарозы. Гибель пчел учитывали через каждые сутки.

Непосредственное влияние разных экспозиций кислородного голодания оценивали по изменению массы головных, грудных и брюшных отделов тела. Для этого у пчел контрольной группы (не подвергавшихся наркотизации) и восстановившихся после наркотизации ампутировали головные, грудные и брюшные отделы тела и раздельно их взвешивали. Содержание воды в теле пчел определяли посредством высушивания до постоянной массы при 102оС.

Влияние гипоксии на развивающихся пчел изучали на расплоде, который до завершения личиночной стадии и запечатывания ячеек сотов, развивался в гнездах своих семей. Каждый из сотов с запечатанным расплодом разрезали по вертикали на равные части. Одну из них заключали в сетчатый изолятор (контроль), а другую помещали в эксикатор (опыт) с заданной газовой средой. Контрольную и опытную группы развивающихся пчел инкубировали при оптимальной температуре (34±0,1оС) и влажности (70±4%) в суховоздушном термостате ТС-80.

Влияние кислородного голодания оценивали по количеству пчел, завершавших развитие выходом из ячеек, и их состоянию. У пчел контрольной и опытной групп ампутировали головные отделы, хоботки и крылья. Массу ампутированных отделов тела определяли на торсионных или электронных весах с точностью 0,05 мг. Длину и ширину крыльев измеряли окулярмикрометром стереоскопического микроскопа МБС-10 с ценой деления 0, мм. Под микроскопом подсчитывали также количество зацепок на задних крыльях.

Толерантность анестезированных пчел к гипер- и гипотермии изучали на пчелах, которых разное время содержали при 0, 25, 35 или 45оС. Температура на уровне 25 и 35оС соответствовала ее внутриульевым значениям.

Охлаждение пчел до 0оС стимулировало у них холодовое оцепенение. Для содержания пчел при указанных плюсовых температурах использовали суховоздушный термостат ТС-80, нулевую температуру поддерживали в холодильной камере. Чтобы исключить затраты времени на нагревание или охлаждение эксикатора, его перед началом каждого опыта выдерживали в течение 2-3 ч при заданной температуре в термостате или холодильной камере.

Статистический анализ цифровых материалов выполнен с использованием Microsoft Excel для office XP и профессионального пакета для обработки и анализа многомерной статистической информации (Протасов, 2005).

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования выполнено на расплоде, который до стадии предкуколки развивался в условиях благоприятных и относительно неблагоприятных пчелиных семей. Эти периоды отличались по внешней температуре и продуктивности кормового участка. В благоприятный период внешняя температура находилась в пределах 22–28ОС, при которой, как известно (Е.К. Еськов, 1995), пчелы затрачивают минимальное количество энергии на обеспечение.

При этом продуктивность кормового участка находилось на уровне, который обеспечивал или немного превосходил суточную потребность пчелиных семей в углеводном и белковом корме. В неблагоприятное время стояла дождливая погода, препятствующая вылету пчел из улья, а температура не превышала 20 оС.

Благоприятный период. Жизнеспособность и аномалии развития.

Значительное повышение концентрации СО2 в течение развития пчел от предкуколки до имаго отражалось на уменьшении их жизнеспособности.

Среди пчел, инкубируемых в оптимальных условиях по температуре, относительной влажности и концентрации СО2 (контрольная группа), не отмечалось их гибели. В случае инкубации расплода при 5%-ной концентрации СО2 гибель пчел не превышала 0,1%. Она значительно возрастала при повышении концентрации этого газа в среднем до 10 и 15%, составляя соответственно 14,4±2,5 и 24,8±4,1%.

Недоразвитие крыльев, выражающееся в отсутствии крыльевых пластин, встречалось только у тех пчел, которые развивались при 10 и 15%-ном содержании СО2. Наличием такой аномалии отличалось у 5,1±1,4% пчел, развивавшихся при 10%-ной и 14±2,4% – при 15%-ной концентрации СО2.

Эти же пчелы имели недоразвитые хоботки. Их минимальная длина у первых составляла 4,5 мм, у вторых – 4,2 мм, а средние значения – 5,47±0.327 мм и 4,65±0,401 мм соответственно.

Масса тела и содержание воды в нем. У пчел, развивавшихся при свободном доступе воздуха, масса головных отделов составляла 11,7±0,27 мг, грудных – 37,4±0,39 мг и брюшных – 44,9±1,16. Развитее в условиях гипоксии отражается на увеличении массы разных отделов и соответственно всего тела пчел. Под влиянием повышения содержания СО2 от 0,1% до 5% масса головных отделов увеличивалась в среднем на 3,9%, грудных – на 1,1% и брюшных – на 0,5%. В случае повышения концентрации газа до 10% эти изменения достигали 5,9; 3 и 4%, а до 15% – 6,5; 3,4 и 4,3% соответственно.

С увеличением массы отделов тела под влиянием гипоксии сопряжено увеличение содержания в них воды. Незначительное ее повышение происходило у пчел, развивавшихся при 5%-ной концентрации СО2. Увеличение содержания воды было особенно существенным в брюшных отделах пчел, которые развивались при 10- и 15%-ных концентрациях СО2. У них содержание воды возрастало в среднем на 17 и 19,3%. На меньшую величину, составлявшую 3,3 и 4,1%, возрастало ее содержание в головных отделах и меньше всего – на 1,1 и 1,3% в грудных. У пчел, развивавшихся в при свободном доступе внешнего воздуха, содержание воды в головных отделах составляло 71,6±0,69%, в грудных – 72,1±0,52% и в брюшных – 83,8±0,61%.

Морфометрические признаки. У пчел, не имеющих выраженных морфологических аномалий, длина хоботков, крыльев и количество зацепок находилась в обратной зависимости от концентрации диоксида углерода (табл. 1). Соответственно увеличению его концентрации с 0,1 до 5, 10 и 15%, длина хоботков уменьшалась на 4,5; 6,4 и 7,5% (Р 0,99) (рис. 1).

Рис. 1. Изменение длинны хоботка у пчел, развивавшихся при разной концентрации СО от куколки до имаго Длина передних крыльев при повышении СО2 с 0,1 до 5, 10 и 15% уменьшалась на 2,7; 5,4 и 9,7%, а задних - на 5,3; 6,8 и 11,5% (Р 0.99) соответственно. Подобно размерам крыльев, изменение количества зацепок на них имело сходную тенденцию уменьшения под влиянием увеличения концентрации диоксида углерода (табл. 1). Соответственно повышению его концентрации до 5, 10 и 15 % количество зацепок уменьшалось на 0,9; 2,1 и 5,1% (Р 0,9).

Таблица 1. Морфометрические признаки пчел, развивавшихся от предкуколки до имаго при разной концентрации СО рация Итак, гипоксия влияет не только на размеры, но и симметричность крыльев по их размеру и количеству зацепок. Соответственно повышению концентрации СО2 от 0,1 до 10% асимметричность, обусловленная левосторонним превышением длины крыльев и количества зацепок на задних крыльях, уменьшается. При 10%-ной концентрации СО2 средние значения указанных признаков утрачивают статистически значимые различия. Дальнейшее повышение СО2 отражается на проявлении асимметричности за счет некоторого превышения длины правых крыльев по отношению к левым. Соответственно этому изменяется соотношение зацепок на правых и левых задних крыльях. Следовательно, влияние гипоксии на изменчивость асимметричности крыльев обуславливается изменчивостью их размеров и количества зацепок.

Неблагоприятный период. Абсолютной летальной эффективностью обладала газовая смесь, содержавшая 10±1% СО2. Но имела значение также фаза развития пчел. Если они находились в указанной концентрации СО2 в течение первых шести суток, а затем в течение такого же времени в естественной воздушной среде, то до стадии имаго не доживало 68±2,7% пчел.

Изменение порядка изменения условий развития (вначале в воздушной среде, а затем в условиях гипоксии) отражалось на сокращении гибели пчел до 59±2,6%. В случае развития в течение 12 суток при 5±1%-ной концентрации СО2 до имаго доживало не менее 97% пчел. Среди пчел, развивавшихся при неограниченном доступе внешнего воздуха, гибель не превышала 1%.

У 33±11,7% пчел, которые в течение первой половины периода развития от предкуколки до имаго находились в 10±1%-ной СО2, были недоразвиты крылья (имелись лишь их зачатки или неразвернутые крыльевые пластинки). Таких пчел было в 2,6 раза (Р0,99) меньше, если расплод подвергался гипоксии в течение последних шести суток развития в запечатанных ячейках.

Развитие в течение всего периода от предкуколки до имаго в 5±1%-ной атмосфере СО2 влияло на уменьшение длины хоботков на 6% (Р0,99), передних крыльев – на 6,7% (Р0,99), задних – на 5,4% (Р0,99), зацепок – на 1,5% (Р 0,9), (табл. 2). Уменьшение массы тела составило 14,6% (Р0,999).

Наиболее существенным было недоразвитие головных отделов. Их масса равнялась 7,73±0,16 мг, что меньше, чем в контроле, на 21,8% (Р0,999).

Крылья отсутствовали у 13±7,5% пчел.

С уровнем гипоксии связаны изменения морфометрических признаков пчел, доживавших до имаго (табл. 2). Под влияние развития в 10±1%-ной СО2 в течение первых 6 суток длина передних крыльев уменьшалась в среднем на 16% (Р0,999), задних – на 15,1% (Р0,999), количество зацепок на них – на 3,2% (Р0,9). У пчел, развивавшихся в таких условиях в течение последних 6 суток, длина передних крыльев уменьшалась на 4,8% (Р0,9), задних – на 13,7% (Р0,999) (рис.3), а количество зацепок – на 2,5% (Р 0,9).

Укорочение хоботков у первых составило 8%, у вторых – 6,4% (Р0,99) (рис.2, 3).

Рис.2. Изменение длины хоботка у пчел развивавшихся при 5±1%-ной концентрации СО2 от предкуколки до имаго Таблица 2. Влияние 5±1%-ной концентрации СО2 на развитие пчел от Длина передних Длина задних крыльев Количество зацепок на крыльях Рис. 3. Влияние 5±1%-ной концентрации СО на развитие пчел от предкуколки до имаго 4.2. Влияние гипоксии на развитие охлаждавшегося расплода Эти исследования выполнены на запечатанном расплоде, который развивался в своих семьях до стадии куколки. Соты с запечатанным одновозрастным расплодом извлекали из ульев и разрезали на три равные части.

Этим исключалось влияние случайных факторов (трофического обеспечения личинок, температуры в зонах их развития и др.) на физиологическое состояние особей к достижению стадии предкуколки. В каждом варианте опытов одну из частей расплода инкубировали в сухо воздушном термостате ТС-80 в оптимальных условиях – при температуре 34±0,1оС, относительной влажности воздуха в пределах 70-75% и газовой среде, содержание СО2 в которой не превышала 0,1%. Две другие части расплода подвергали в течение определенного времени охлаждению при свободном доступе воздуха или в атмосфере диоксида углерода.

Под влиянием охлаждения расплода до 0оС в естественной воздушной среде течение 1,5 ч к завершению развития до стадии имаго элиминировалось 15,1±3,1% пчел. Из расплода, подвергавшегося охлаждению в течение ч, до имаго не доживало 20,4±7,6% пчел. Кислородное голодание при 0оС интенсифицировало элиминацию пчел. За 1,5 ч их гибель составляла 26,6±4,9%, а за 3 ч – 100% (рис. 4).

Рис. 4. Влияние 10±1%-ной концентрации СО2 на развитие пчел от предкуколки до имаго Таблица 3. Масса отделов тела, пчел, подвергавшихся на стадии куколки охлаждению в естественной газовой среде (А) или атмосфере СО2 (Б);

Развитие пчел в течение 3 ч при 25оС в естественной воздушной среде и 100%-ной атмосфере СО2 не отражалось на их гибели. Среди пчел, развивавшихся при такой температуре в течение 20 ч при свободном доступе воздуха, гибель составляла 0,4±0,2%, а в условия гипоксии – 40±5,2%.

Охлаждение и гипоксия расплода влияла на уменьшение массы тела пчел к достижению стадии имаго (табл. 1). Масса головных отделов под влиянием охлаждения до 0оС в течение 1,5 ч при свободном доступе воздуха уменьшались в среднем на 5%, грудных – на 6,2 и брюшных – на 8,9, а в условиях гипоксии – на 9,7; 7,2 и 16% соответственно (Р 0,95).

Существенное влияние на изменение массы головных отделов оказывало развитие пчел в течение 20 ч при 25оС. При свободном доступе воздуха она уменьшалась в среднем на 10,2% и на 11% в условиях гипоксии. Брюшные отделы уменьшались на 7,6 и 18%, а грудные – всего на 1,2 и 2,7% соответственно (табл. 3).

Таблица 4. Морфометрические признаки пчел, подвергавшихся на стадии куколки охлаждению в естественной газовой среде (А) или атмосфере СО Подобно массе отделов тела, под влиянием гипотермии происходило уменьшение морфометрических признаков. У пчел, развивавшихся в течение 1,5 ч при 0оС, длина передних левых крыльев уменьшилось по отношению к контролю в среднем на 2,5%, правых – на 1,8%, а задних – на 3,3 и 2,3% (Р 0,99). Развитие в течение 20 ч при 25оС отражалось на укорочении передних левых крыльев на 3%, правых – на 2,2% и задних – соответственно на 4,3 и 4% (Р0,99). Под влиянием гипоксии эти различия у пчел, развивавшихся в течение указанного времени при 0оС, возрастали, соответственно, на 5,6; 4,5;

4, 2,9, а при 25 оС – на 5,1; 3,7; 5,4 и 4,5% (Р 0,99). Уменьшению длины задних крыльев в значительной мере соответствовало изменение количества зацепок (табл. 5).

Таблица 5. Количество зацепок на задних крыльях пчел, подвергавшихся на стадии куколки охлаждению в естественной газовой среде (А) или атмосфере Охлаждение и гипоксия развивающихся пчел сильнее всего влияли на длину хоботков (табл. 4). Под влиянием охлаждения до 0оС в течение 1,5 ч при свободном доступе воздуха их длина уменьшалась на 16,1%. Под влияние гипоксии это изменение возрастало до 19,1%. Близкие к указанным изменения происходили под влиянием развития в течение 20 ч при свободном доступе воздуха и в атмосфере СО2, составляя, соответственно, 16,4 и 19,6% (Р 0,999).

Физиологические эффекты анестезии Анестезия пчел в атмосфере СО2 обладает непосредственным и пролонгированным элиминирующим эффектом. Под влиянием разных периодов воздействия СО2 (от 30 до 120 мин), гибель пчел варьировала в широких пределах (от 3–7 до 23–29%). Увеличение экспозиции анестезии в четыре раза отражалось примерно на двукратном увеличении гибели пчел. Но из-за высокой вариабельности процента элиминации пчел доверительная вероятность различия находилась на низком уровне (Р 0,9).