Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экология зеленых лягушек (Rana esculenta complex) Пензенской области: распространение, популяционная изменчивость, влияние антропогенных факторов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экология зеленых лягушек (Rana esculenta complex) Пензенской области: распространение, популяционная изменчивость, влияние антропогенных факторов"

На правах рукописи

ЗАКС Михаил Михайлович

ЭКОЛОГИЯ ЗЕЛЕНЫХ ЛЯГУШЕК (Rana esculenta complex) ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ: РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ПОПУЛЯЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ, ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

6 ИОН 2013

Пенза-2013

005061266

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Пензенский государственный университет" на кафедре "Зоология и экология".

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент

Ермаков Олег Александрович.

Официальные оппоненты: Лада Георгий Аркадьевич,

доктор биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина», заведующий кафедрой биологии;

Ручии Александр Борисович,

доктор биологических наук, доцент, ФГБУ «Мордовский государственный природный заповедник имени П.Г. Сми-довича», директор.

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки «Институт экологии Волжского бассейна Российской академии наук», г. Тольятти.

Защита состоится 26 июня 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 при Пензенской государственной технологической академии по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, д. 1а/11, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия".

Автореферат разослан 23 мая 2013 г.

Ученый секретарь И

диссертационного совета / Яхкинд Михаил Ильич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Одно из актуальных и перспективных направлений исследований современной экологии - изучение закономерностей популя-ционной изменчивости животных под воздействием факторов среды, позволяющее оценить его эволюционные последствия в пространстве и времени. Кроме того, основой стабильного функционирования биосферы является сохранение биологического разнообразия, что определяет необходимость изучения различных групп организмов на региональном уровне. Удобной моделью для подобных исследований являются виды с широкой экологической пластичностью, к числу которых относятся бесхвостые амфибии. До настоящего времени комплексного изучения амфибий с применением как традиционных (морфологических), так и современных (биоакустических и молекулярно-генетических) методов на территории Пензенской области не проводилось. Между тем регион исследования расположен в лесостепной зоне и характеризуется широким диапазоном биотопов, как естественных, так и измененных человеком, что позволяет на примере амфибий решать вопросы, связанные с экологическим прогнозированием и мониторингом.

Комплекс среднеевропейских зеленых лягушек (Rana esculenta complex) является удобным объектом для изучения, так как его представители имеют высокую численность, широкое распространение и характеризуются значительным размахом изменчивости. Комплекс включает в себя три вида, из которых озерная (R. ridibundä) и прудовая (R. lessonae) лягушки являются обычными "менделевскими" видами, а съедобная (R. esculenta) лягушка представляет собой устойчивую гибридную между ними форму с уникальным типом наследования. В целом, комплекс среднеевропейских зеленых лягушек рассматривается как модель сетчатого (гиб-ридогенного) видообразования (Боркин, Даревский, 1980; Lada et al., 1995).

В эколого-фаунистическом плане батрахофауна Пензенской области изучена явно недостаточно. Сведения о ней представлены лишь в нескольких специальных публикациях, посвященных распространению амфибий (Ермаков и др., 2002), морфологии отдельных видов (Ермаков, Ильина, 1999; 1999а) и фауне амфибий государственного природного заповедника "Приволжская лесостепь" (Павлов, 1999).

Цель работы - эколого-фаунистическая характеристика батрахофауны Пензенской области и комплексное изучение группы зеленых лягушек, обитающих в различных экологических условиях, с использованием морфологических, биоакустических и молекулярно-генетических подходов.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

1. Изучить видовой состав и закономерности распределения амфибий и использовать эти данные для составления кадастра земноводных Пензенской области.

2. Изучить межпопуляционную изменчивость морфологических, биоакустических и молекулярно-генетических признаков зеленых лягушек для наиболее полного выявления таксономического разнообразия комплекса.

3. Оценить состояние популяций зеленых лягушек в различных по антропогенной нагрузке биотопах.

4. Выявить редкие виды амфибий Пензенской области и предложить практические мероприятия по сохранению их разнообразия.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Видовое разнообразие и распределение амфибий на территории Пензенской области зависят от неоднородности природных условий и степени изученности района исследований, что усиливает значение кадастровых работ.

2. Применение комплексного подхода, включающего широкий спектр методов исследования (эколого-фаунистических, морфологических, биоакустических, молекулярно-генетических), повышает эффективность изучения биоразнообразия земноводных путем выявления таксономических группировок, диагностика которых традиционными методами затруднена.

3. Частота проявления морфологических аномалий и уровень генетического полиморфизма в популяциях зеленых лягушек зависит от степени антропогенной трансформации мест обитания.

Научная новизна. Впервые изучено распространение и закономерности распределения батрахофауны в природно-территориальных комплексах Пензенской области. Впервые в Поволжском регионе для изучения группы зеленых лягушек использован комплексный подход, включающий эколого-фаунистические, морфологические, биоакустические и молекулярно-генетические исследования. Обнаружен новый для фауны области вид - съедобная лягушка - и две критические формы озерной лягушки неясного таксономического уровня. Впервые в Пензенской области обнаружены особи с морфологическими аномалиями и определена частота их встречаемости в трансформированных биотопах. Дана оценка генетического полиморфизма популяций в зависимости от степени антропогенной нагрузки.

Научно-практическая значимость. Данные, изложенные в диссертации, расширяют представления об экологии и распространении земноводных на территории Пензенской области, поэтому могут быть использованы в целях сохранения биоразнообразия. На основании анализа данных по частоте встречаемости морфологических аномалий и уровня генетического полиморфизма можно проводить биоиндикационную оценку степени загрязнения водоемов области. Материалы диссертации, сформулированные в ней научные положения, выводы и результаты могут найти применение в работе природоохранных организаций при оценке состояния естественных биогеоценозов, организации многолетнего биомониторинга, составления региональных кадастров животного мира. Выявленные закономерности межпопуляционной изменчивости земноводных позволяют использовать эти данные в преподавании общеэкологических и зоологических курсов в вузах.

Апробация работы. Материалы работы были представлены на международной научной конференции, посвященной 135-летию со дня рождения И.И. Спрыги-на "Биоразнообразие: проблемы и перспективы сохранения" (г. Пенза, 2008), экологической конференции молодых ученых Поволжья (г. Тольятти, 2009), 14-й Пущин-ской международной школе-конференции молодых ученых "Биология - наука XXI века" (Пущино, 2010), IV съезде герпетологического общества им. A.M. Никольского (Казань, 2011), всероссийской научно-практической конференции "Региональные кадастры животного и растительного мира и Красные книги" (Тамбов, 2012).

Реализация и внедрение результатов работы. Материалы диссертации используются при выполнении работ по гранту Российского фонда фундаментальных

исследований на тему "Изучение современного состояния и разнообразия животного мира лесостепных ландшафтов на примере Пензенской области" (проект № 12-04-97073-р_поволжье_а). Данные диссертационного исследования использованы при экологическом мониторинге зоны защитных мероприятий объекта по уничтожению химического оружия (пос. Леонидовка), а также при подготовке второго издания Красной книги Пензенской области. Результаты, полученные в ходе исследования, используются в учебном процессе Пензенского государственного университета при подготовке бакалавров и магистров по направлению 020400 - "Биология".

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов ВАК.

Личный вклад автора. Основные результаты, приведенные в диссертации, получены непосредственно самим автором в течение четырёхлетних экспедиционных работ на территории Пензенской области, а также камеральной обработки полученных материалов. Автор лично участвовал в сборе, обработке и анализе материала. В совместных публикациях вклад автора составил 40-60 %.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 125 страницах, состоит из введения, 6 глав, выводов и приложения. Список литературы включает 152 источника, в том числе 65 - на иностранных языках. Работа иллюстрирована 33 рисунками и 7 таблицами.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. АМФИБИИ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ И КОМПЛЕКС ЗЕЛЕНЫХ ЛЯГУШЕК {RANA ESCULENTA COMPLEX) КАК МОДЕЛЬНАЯ ГРУППА ЗООЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В первой части главы приведены сведения об истории изучения земноводных, систематическом положении и состоянии изученности комплекса Rana es-culenta. Во второй части дана всесторонняя характеристика трех видов комплекса, освещены вопросы таксономии, распространения, экологии, а также использования земноводных для биоиндикации состояния окружающей среды. В третьей части дана краткая физико-географическая характеристика региона исследования. В четвертой части приводятся данные об изучении этой группы животных на территории Поволжья и Пензенской области, показана меньшая степень ее изученности по сравнению с соседними регионами.

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Исследования проводились в период 2009 - 2012 гг. Отлов животных осуществлялся с берега водоема при помощи рыболовного подсачека. После поимки животные помещались в мешок из хлопчатобумажной ткани с влажной травой на дне, где содержались не более трех часов для проведения измерений и прижизненного отбора проб ДНК, после чего выпускались в водоем. Особи с морфологическими аномалиями фиксировались в 4 % растворе формальдегида для проведения дальнейших исследований.

2.1. Кадастровые исследования. Анализировались оригинальные точки находок амфибий, устные сообщения и литературные сведения. Координаты находок определялись при помощи Интернет-сервиса Google-карты с использованием программы SAS. Планета (http://sasgis.ru). Составлены 11 карт, включающих известные места находок каждого вида. Всего учтено 204 точки. Для анализа изученности бат-рахофауны региона и ее территориального распределения использована карта области, разбитая на квадратные выделы размером 20 х 20 км с указанием количества видов в каждом. Для ее создания применялся IDW-интерполятор, рассчитывающий регулярную поверхность, с использованием пространственных взаимоотношений случайно распределенных данных (программа Mapinfo Professional v. 9.5).

2.2. Морфологический анализ. Измерения морфологических параметров производились непосредственно после поимки животных, на берегу водоема. Фиксировались следующие показатели: длина тела (L), длина головы (Le), расстояние между глазами (Spoc), длина глаза (Lo), ширина головы (Ltc), длина бедра (F), длина голени (Т), длина первого пальца задней конечности (Dp), длина внутреннего пяточного бугра (Ci), длина плюсны (дополнительной голени) (Cs) (Таращук, 1989). Полученные данные использовались для расчета относительных показателей - индексов пропорциональности: L/Ltc, L/T, L/Ci, Dp/Ci, T/Ci, Ltc/Ci, L/Lc, L/Spoc, L/F, L/Dp, L/Cs, F/T, Ix (индекс Таращука). Для дальнейшего анализа использовались относительные показатели, нивелирующие влияние возрастной изменчивости. Всего было проанализировано 268 особей из 16 локалитетов.

При обнаружении особей с отклонениями в развитии производилась макросъемка аномального участка тела, а в случае полидактилии готовился скелетный препарат методом химической мацерации в 6 % растворе КОН с добавлением ализарина. Частота отмеченных аномалий подсчитывалась как отношение количества особей с аномалиями к общему количеству особей, отловленных в данной популяции.

2.3. Биоакустический анализ. Звуковые сигналы записывались в полевых условиях, при температуре воды 21-23 °С. Фиксировались как индивидуаль-ные, так и хоровые крики. В последнем случае отдельные звуки вырезались из общего хора с помощью программы Sound Forge 6.0. Для записи использовали магнитофон "SONY TC-D5M" и микрофон "ВВК DM-100", а также трЗ-плеер Samsung YP-U3. Запись производилась с берега водоема, микрофон располагался на расстоянии 0,5-1,5 м от животных. Частотные и временные характеристики сигналов получены с помощью программы SpectraLab 4.32.11 for Win. Для каждого звука измеряли общую длительность в миллисекундах (мс), промежуток между пиками (мс), количество пульсов, доминантную частоту в начале сигнала (Гц), доминантную частоту в конце сигнала (Гц), максимальную доминантную частоту сигнала (Гц) и амплитуду сигнала (Гц). Таким образом, для каждого звука измеряли 7 параметров (Lode, 2001). Там, где точное снятие показателей было затруднено, оно проводилось с использованием трехкратной повторности с последующим вычислением среднего арифметического. Была записана и проанализирована 141 серия звуков из 11 локалитетов. Для сравнения также использовались записи звуковых сигналов из популяций зеленых лягушек Германии (диск Heimische Froschlurchet, Rufe zur Paarungszeit).

2.4. Молекулярно-генетический анализ. В качестве образцов тканей для выделения ДНК использовалась часть пальца передней конечности амфибий, взятая прижизненно и зафиксированная в 96 % этаноле. Выделение ДНК осуществляли по стандартной методике фенолхлороформной экстракции с предварительной обработкой протеиназой К и SDS (Sambrook et al., 1989).

Для выявления разнообразия митохондриальных гаплотипов в исследуемых популяциях использовали метод ДНК-штрихкодирования (Ratnasingham, Hebert, 2007), основанный на определении нуклеотидной последовательности фрагмента митохондриального гена цитохром оксидазы (первая субьединица - COI) длиной 600 пар нуклеотидов (пн) при использовании универсальных праймеров VUTF и VUTR (Ivanova et al., 2007). Секвенирование фрагмента гена COI для 27 экз. из разных точек проводили на автоматическом секвенаторе ABI 3500 (Applied Biosystems). Для реконструкции филогенетических отношений использовали метод максимального правдоподобия (ML) в программе MEGA 5.05 (Tamura et al., 2011).

Для видовой диагностики и определения генетического полиморфизма у 62 экз. лягушек использовали два метода анализа ядерной ДНК - RAPD (Random Amplification of Polymorphic DNA) и ISSR (Inter-Simple-Sequence-Repeats), основанные на проведении полимеразной цепной реакции (ПЦР) с праймерами, имеющими множественную локализацию в геноме (Сулимова, 2004; Wolfe, 2005). Суть методов заключается в амплификации фрагментов ДНК с использованием одного короткого праймера, который связывается с геномной ДНК в двух различных участках инвертированных повторов. При электрофорезе ПЦР-продуктов образуются дискретные фрагменты (ДНК-паттерны), размер которых варьирует от 100 до 1500 пар нуклеотидов. Статистический анализ включал составление бинарных матриц, в которых отмечалось "присутствие" (1) или "отсутствие" (0) фрагментов с одинаковой молекулярной массой на электрофореграмме.

Для статистической обработки результатов применялись: стандартные статистические параметры (min-max, среднее арифметическое (М), ошибка среднего (т), стандартное квадратичное отклонение (SD)), при парном сравнении среднеарифметических показателей - параметрический /-критерий Стьюдента, при поиске дифференцирующих различий между двумя и более группами по комплексу признаков - дискриминантный анализ. Для всех статистических тес-тов был установлен уровень значимости 0,05.Статистическая обработка данных проведена в пакетах Microsoft Office Excel 2010 и STATISTICA 6.0.

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АМФИБИЙ НА ТЕРРИТОРИИ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ На территории Пензенской области достоверно зарегистрировано обитание 11 видов амфибий, два из которых относятся к отряду хвостатых (Caudata): гребенчатый тритон Triturus cristatus (Laurenti, 1768), обыкновенный тритон Lisso-triton vulgaris (Linnaeus, 1758) и девять - к отряду бесхвостых (Anura): красно-брюхая жерлянка Bombina bombina (Linnaeus, 1761), обыкновенная чесночница

Pelobates fuscus (Laurenti, 1768), серая жаба Bufo bufo (Linnaeus, 1758), зеленая жаба В. viridis Laurenti, 1768, озерная лягушка Rana ridibunda Pallas, 1771, прудовая лягушка R. lessonae Camerano, 1882, съедобная лягушка R. esculenta Linnaeus, 1758, травяная лягушка R. temporaria Linnaeus, 1758, остромордая лягушка R. arvalis Nilsson, 1842. В диссертации для каждого вида приводятся краткий очерк и аннотированная карта распространения, по образцу, приведенному ниже.

Озерная лягушка - Rana ridibunda Pallas, 1771 (рис. 1). Синонимы: Rana esculenta Linnaeus, 1758; Bufo ridibundus Schneider, 1799.

Широко распространенный, местами многочисленный вид Пензенской области, чаще встречающийся в открытых ландшафтах - водоемах, имеющих связь с речными долинами. В подходящих местах обитания может быть встречен практически повсеместно. Отмечен в 42 точках по всей территории области. Численность высокая - от 10 до 80 особей на 200 м береговой линии.

Рис. 1. Распространение озерной лягушки (Rana ridibunda) в Пензенской области: Земетчинский р-н: 1 - окр. с. Пашково, 2001 (53°39' с.ш. 42°25' в.д.) ... Неверкинский р-н: 42 - окр. с. Неверкино, Неверкинское лесничество, 2001 (52°47' с.ш. 46°45' в.д.)

В Пензенской области на основе зоогеографического районирования (Денисов и др., 1998) выделяют три природно-территориальных участка: Вадинский (I), Хоперский (И) и Сурский (III) (см. рис. 1). Два из них - Вадинский и Сурский -относятся к Европейской лесной провинции, один - Хоперский - к Степной провинции. По числу видов амфибий участки практически не различаются (10-11 видов), однако совокупности экологических факторов каждого участка приводят к неравномерному распределению видов на них (рис. 2). Максимальное число мест находок земноводных (128 точек, 63 %) - в наиболее облесенном и обводненном Сурском участке. В Вадинском и Хоперском участках общее количество точек находок одинаково (по 38 точек, по 18,5 %). Однако Вадинский участок характеризуется более равномерным обнаружением разных видов, что может быть связано с более однородным распределением по территории биотопов, пригодных для обитания амфибий. В Хоперском участке, расположенном в зоне с преобладанием открытых биотопов, наблюдается доминирование двух видов: озерной лягушки - от-

носительно независимого от лесных биотопов вида и остромордой лягушки - засухоустойчивого вида, который может комфортно обитать в степной зоне.

25-

20-

Вадинский Хоперский Сурский

■ Остромордая ля гулка ЕЗ Озерная лягуика С]Травяная лягуш<а ШОбыкновенная чесночница в] Обы кнов енный тритон ИКраснобрюхая жерлянка И Обыкновенная жаба В Гребенчатый тритон Ш Зеленая жаба Е Прудовая лягуш<а □ Съедобная лягуика

Рис. 2. Соотношение числа мест находок (ось ординат) амфибий в трех природно-территориальных участках Пензенской области

Территориальное распределение видового богатства батрахофауны региона показано на рис. 3. Видно, что крайние западные, центральные и восточные части области по сравнению с периферийными районами (юго-западными, юго- и северовосточными) отличаются большим числом видов. Такой характер распределения также может быть связан и со степенью изученности региона, так как районы максимального видового богатства совпадают с местами проведения регулярных исследований (окрестности г. Пензы, стационары ПГУ, участки ГПЗ "Приволжская лесостепь") и, соответственно, наибольшим объемом кадастровой информации.

Кол-во видов

N

Рис. 3. Распределение числа видов земноводных на территории Пензенской области по квадратным выделам 20x20 км (ГО\¥-интерполяция)

Таким образом, распределение амфибий по территории Пензенской области соответствует их биотопической приуроченности и степени изученности района исследований.

ГЛАВА 4. ГИБРИДОГЕННЫЙ ВИД - СЪЕДОБНАЯ ЛЯГУШКА И КРИПТИЧЕСКИЕ ФОРМЫ ОЗЕРНОЙ ЛЯГУШКИ - "ЗАПАДНАЯ" И "ВОСТОЧНАЯ": КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ "Необходимость охраны природы не вызывает сомнений, но природоохранная деятельность предполагает предварительное каталогизирование этой природы" (Шнеер, 2009; с. 296). Применение молекулярно-генетических методов, в том числе ДНК-штрихкодирования (Ratnasingham, Hebert, 2007) значительно ускоряет процесс инвентаризации живого мира. Однако для объективного изучения биоразнообразия необходим комплексный подход, включающий широкий спектр методов. Особенно это касается земноводных, которые, в отличие от других классов позвоночных животных, имеют незначительное количество внешних признаков для идентификации видов (Боркин и др., 2004). В главе рассматриваются результаты анализа морфологических, биоакустических и молекулярно-генетических признаков зеленых лягушек, проведенного с целью обнаружения на территории области таксономических форм, диагностика которых традиционными методами затруднена, что может привести к занижению уровня реального биоразнообразия и, соответственно, к ошибочной стратегии охраны.

4.1. Обнаружение съедобной лягушки (Rana esculenta L., 1758) в Пензенской области. Съедобная лягушка (R. esculenta) - вид гибридного происхождения, широко распространенный в Центральной, Восточной Европе, на западе и в центре Русской равнины (Лада и др., 2011). В соседних с Пензенской областью регионах - Тамбовской и Ульяновской областях, республиках Мордовия и Чувашия - известны достоверные находки вида, однако на территории Пензенской области обитание съедобной лягушки лишь предполагалось, но не было подтверждено генетическими методами.

Изучена выборка зеленых лягушек, взятая в окрестностях нежилого пос. Александровка Земетчинского р-на (53°40' с.ш.; 42°12' в.д.) и предварительно определенная как "прудовая лягушка". Для сравнения, в качестве "модельных", использовались выборки прудовой и озерной лягушек, морфологические и био-акус-тические показатели которых были изучены нами ранее (Закс, 2008, 2012а, б).

Морфологический анализ показал, что по пяти индексам (L/Ci, Dp/Ci, T/Ci, Ltc/Ci, Ix) экземпляры из выборки "Земетчино" не имели достоверных отличий от прудовой лягушки, по двум (L/Ltc, L/Cs) - напротив, от озерной лягушки. Два индекса (L/T, F/T) оказались промежуточными, а один (L/Lc) достоверно отделял исследуемую выборку от двух "модельных". По средним показателям пропорциональности характерными чертами экземпляров из выборки "Земетчино" являются относительно крупная голова и относительно длинный внутренний пяточный бугор. Мозаичность морфологических признаков выборки подтверждается дискриминантным анализом (табл. 1, рис. 4). Наибольший вклад в диагностику видов вносят факторы пропорциональности задней конечности, пяточного бугра и относительные размеры головы. Эллипсы рассеивания не перекрываются у "модельных" выборок, тогда как эллипс выборки "Земетчино" занимает промежуточное положение, образуя зоны перекрывания.

Таблица 1. Результаты дис-криминантного анализа по индексам пропорциональности трех выборок зеленых лягушек

Признак Факторные нагрузки

DF1 DF2

L/T 0,70 0,36

T/Ci -0,59 0,53

FA" 0,53 0,27

L/Ci -0,33 0,57

L/Ltc 0,07 0,23

L/Lc 0,18 0,59

Кум. (%) 86 14

x2 143,5 39,4

X Уил-кса 0,05 0,44

R. rktíbunda / "Чирмим" 1 R. lessonae "Согласие"

0 о V

\ © Э □ /

\ ^О 7 ®с* ) V * V * о . /

♦« 7

R. esculenta \ ♦ ч ♦ / R. lessonae / "Земетчино''/

Рис. 4. Размещение значений индексов пропорциональности лягушек из трех выборок в пространстве двух дискри-минантных функций. Круглой обводкой выделены экземпляры, для которых проведен молекулярно-генетический анализ

Сложная картина изменчивости морфологических признаков выборки позволила нам предположить наличие среди исследованных экземпляров съедобной лягушки. Однако известно, что к определению видов комплекса Rana esculenta только с помощью морфометрии надо относиться с большой осторожностью (Борисовский и др., 2000). Поэтому был проведен молекулярно-генетический анализ с использованием ISSR-метода. Паттерны всех экземпляров из "модельных" выборок оказались видоспецифичными, однако одна из четырех особей выборки "Земетчино" имела гибридное происхождение, т.е. оказалась съедобной лягушкой. Гибридный экземпляр наследует 5 из 11 фрагментов, специфичных для R. ridibunda, и 8 из 10 фрагментов, специфичных для R. lessonae (рис. 5). Причем эти данные коррелируют с результатами морфологического анализа, где у особей из выборки "Земетчино" также отмечено некоторое преобладание признаков прудовой лягушки.

К: К с R.I. К: R.e

\

Рис. 5. Электрофореграмма и схема паттернов ПЦР-фрагментов ядерной ДНК, полученных при ^Я-анализе с праймером (АО)8С {Я..г. - озерная, Я.е. - съедобная, Я1. - прудовая лягушка). Размеры фрагментов в парах нуклеотидов указаны слева

Таким образом, результаты комплексного анализа позволили доказать обитание на территории Пензенской области съедобной лягушки, и отнести изученную популяционную систему к ЬЕ-типу (смешанные популяционные системы из К 1езяопае и Я. езси1еЫа). Учитывая относительную редкость прудовой лягушки в нашем регионе, ее биотопическую приуроченность и находки в соседних областях, дальнейшее обнаружение вида возможно в северо-западных и восточных облесенных районах области.

4.2. Криптические формы озерной лягушки - диагностика и распространение в Пензенской области. Еще недавно было общепринято, что озерная лягушка обитает на огромной территории от северо-западной Африки до восточного Казахстана. Однако исследования последнего десятилетия показали, что под этим названием скрывается целый "букет" морфологически сходных видов (Боркин и др., 2004; Р1оШег е1 а!., 2010). В Западной Европе уже различают 9-10 отдельных видов, ранее относимых к Я г1сНЬипс1а (Боркин, 1998). На территории бывшего СССР этот комплекс изучен гораздо слабее, но по ряду различий физиологических и биохимических параметров были выделены две формы - "западная" и "восточная", уровень различий между которыми, возможно, соответствует видовому.

В ходе наших исследований обнаружено, что и на территории Пензенской области популяции Я. г1сИЬипс1а из различных локалитетов сильно различаются. Многофакторный анализ морфологических признаков (рис. 6) и параметров звукового сигнала (рис. 7) показал, что озерные лягушки распадаются на две обособленные группы, одна из которых характеризуется относительно короткими дистальными отделами задних конечностей и меньшей длительностью криков и интервалов между ними, а другая - большими значениями этих параметров.

о

"ВОСТОЧНАЯ"

"ЗАПАДНАЯ"

О

О Солдатское озеро

4

5

1- Барковка ♦ Чирчим

Рис. 6. Распределение морфометрических индексов озерной лягушки из трех популяций в пространстве двух дискриминантных функций

Солдатское

озеро

Германия

Чирчим

Чуваїшя

Барковка

Засека

Рис. 7. Распределение параметров звуковых сигналов озерной лягушки из шести популяций в пространстве двух первых дискриминантных функций

Я.г. Мастиновка 1 ' Я.г. Мастиновка 2 Я.г. Борон 1* Я.г. Жданка 1 Я.г. Жданка 2 Я. г. Круглый 1 Я. г. Круглый 2 Я. г. Ахуны 1 Я. г. Кордон 1 Я.г. Кордон 2 Я.г. Зап. Поляна 1 Я.г. Зап. Поляна 2 Я.г. Зап. Поляна 3 Я.г. Автодром ■ Я.г. Ахуны 2 Я.г. Городище 1*

Китай вепВапк Китай вепВапк

Пензенская область "ВОСТОЧНАЯ" форма

93

г- R.r. h I R.r. Ki

Пензенская область "ЗАПАДНАЯ" форма

88 i R.r. Польша GenBank I R.r. Польша GenBank Я.Г. Борон 2* i Я.г. Сосновка 1 I-Я.г. Городище2* 95 Я.г. Барковка 1 Я.г. Барковка 2 Я.г. Барковка 3 Я.г. Чирчим 1 Я.г. Чирчим 2 Я.г. Чирчим 3 Я.г. Сосновка 2 -R.I. Польша GenBank RA. Польша GenBank 861 Я.1. Земетчино 0.05 I /?./. Польша GenBank

Рис. 8. ML- дерево озерных (R.r.) и прудовых (R.I.) лягушек по данным секвенирования COI. Обозначения 1, 2, 3 относятся к разным особям из одной выборки, GenBank -последовательности из базы данных NCBI. Звездочкой обозначены места совместного обитания (синтопии) "западной" и "восточной" форм. Индексы бутстреп-поддержки <70 % и внешняя группа не показаны

По данным проведенного нами молекулярно-генетического анализа (ДНК-штрихкодирование), различия между двумя формами озерных лягушек составили 5,2 % нуклеотидных замен, что практически соответствует видовому уровню. На приведенной кладограмме (рис. 8) формы образуют два четко обособленных и статистически поддержанных кластера.

Из них к "западной" форме отнесены популяции лягушек Пензенской обл., гаплотипы которых минимально отличались от гаплотипов Польских лягушек (база данных NCBI), образуя с ними единую кладу с 95 % поддержкой. Гаплотипы остальных популяций области отнесены нами к "восточной" форме, которая оказалась сестринской к экземплярам из Китая. Генетическая дифференциация двух форм озерной лягушки в пределах нашей области явно превышает таковую между популяциями прудовой лягушки (R.I.), обитающими в Пензенской области и в Восточной Европе (см. рис. 8). Интересно, что нами выявлено два случая синтопии (совместного обитания) двух форм озерной лягушки, что предполагает возможность существования между ними гибридизации. Пространственно и биотопически "западная" форма отмечена в слабо трансформированных местообитаниях зоны смешанных и широколиственных лесов Сурского природно-территориального участка. "Восточная" форма, по-видимому, экологически более пластична, заселяет водоемы урбанизированных и селитебных ландшафтов, а также встречается в биотопах открытых пространств.

Таким образом, применение комплексного анализа позволило выявить новый для фауны Пензенской области вид - съедобную лягушку, обнаружить в Поволжье зону контакта ареалов двух криптических форм озерной лягушки — "западной" и "восточной", и найти морфологические и биоакустические различия между ними. Это имеет важное значение как при рассмотрении теоретических вопросов биологии, например, микроэволюционных процессов, так и для решения практических задач изучения и сохранения биоразнообразия.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ЗЕЛЕНЫХ ЛЯГУШЕК В УСЛОВИЯХ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

Изучение влияния антропогенного фактора на диких животных, включая амфибий, представляет не только общебиологический, но и прикладной интерес. Земноводные активно используются в качестве биоиндикаторов состояния антропогенно нарушенных экосистем в связи с высоким уровнем гетерогенности их популяций под влиянием стрессовых факторов — вплоть до проявления аномалий и изменения генетических характеристик.

5.1. Морфологические аномалии зеленых лягушек. В Поволжье и на сопредельных территориях исследования, посвященные морфологическим аномалиям бесхвостых амфибий, проводились в Республике Татарстан (Замалетдинов, 2003), Самарской (Файзулин, 2005) и Тамбовской областях (Lada, 1999). Однако подобная информация по Пензенской области до настоящего времени отсутствовала.

У просмотренных экземпляров озерных лягушек зарегистрированы следующие случаи морфологических аномалий.

Эктромелия - уменьшение числа фаланг пальцев. У одного из 15 экз. (ручей Круглый, Пензенское вдхр.) отсутствовали дистальные фаланги третьего и четвертого пальцев левой задней конечности, и у одного из 15 экз. (дачный поселок "Сосновка", старица р. Суры) отсутствовала дистальная фаланга четвертого пальца передней конечности. Микродактилия - уменьшение длины пальца. Отмечена у одного из 16 экз. (Солдатское озеро, г. Пенза) - укорочен четвертый палец правой передней конечности. Циклопия - врождённое отсутствие одного глаза. Аномалия встречена у одного экз. (Солдатское озеро). Полидактилия - многопалость, наличие лишних, дополнительных пальцев, а также раздвоение фаланг или мета-тарзапий. В точке "Сосновка" у двух из 12 особей обнаружена полидактилия задних конечностей. Кроме того, одна из этих особей имела дополнительные пальцы и на передних конечностях. На задних конечностях у обеих лягушек наблюдалось удвоение метатарзалий I пальца, дополнительный палец между I и II пальцами (рис. 9, а) и отсутствие пяточных бугров. На передних конечностях у одной из этих особей наблюдалось раздвоение проксимальных фаланг I пальца (рис. 9, б). Случай интересен тем, что полидактилия в нашем случае имеет симметричный характер, тогда как обычно подобные аномалии либо односторонние, либо двусторонние, но не симметричные (Sas, Kovacs, 2006) (рис. 9).

У прудовых лягушек (г. Пенза, п. Согласие) встречен только один тип аномалий - асимметричная полидактилия задних конечностей (гексадактилия на правой, и гептадактилия на левой).

Из четырех точек, в которых были найдены особи с морфологическими аномалиями, две - "Сосновка" и "Солдатское озеро" - несут повышенную рекреационную нагрузку, одна - "Согласие" - сильно загрязнена бытовыми отходами, и одна -"ручей Круглый" - находится недалеко от мест прежнего уничтожения химического оружия открытым способом (Иванов, Панкратов, 2006). Возможно, находки в этих точках лягушек с аномалиями развития связаны именно с этими факторами.

Частота встречаемости аномалий у Я. ^эопае составила 9,5 %, у Я псИЫтс1а в отдельных точках - 6,7 %, 12,5 % и 16,7 %. В целом по выборке зеленых лягушек (п = 93), отловленных в водоемах г. Пензы и окрестностей, частота аномалий составила 8,6 %. Отметим, что особи с мальформациями не отмечены в водоемах с низкой антропогенной нагрузкой.

IV

Рис. 9. Скелет задних (а) и передних (б) конечностей самца Rana ridibunda с симметричной полидактилией (точка "Сосновка"). Римскими цифрами обозначены номера пальцев на левых конечностях

5.2. Генетическая изменчивость озерных лягушек в биотопах с разной антропогенной нагрузкой. Генетический полиморфизм озерных лягушек изучен с помощью 11АРВ-метода в трех биотопах с разной степенью трансформации ландшафтов: фоновый биотоп с минимальным антропогенным влиянием - участок "Борок" заповедника "Приволжская лесосотепь", р. Кадада (точка "Контроль"), и два биотопа, находящихся под антропогенным влиянием. Первый - старица р. Суры в зоне защитных мероприятий объекта по уничтожению химического оружия (точка "ОУХО"), и второй - пруд в парковой зоне г. Пензы в микрорайоне Западная Поляна (точка "Город"). Анализ генетического полиморфизма популяций, вычисленный по формуле: Р = х/т, где л - число полиморфных локусов, т - общее число проанализированных локусов, показал, что его уровень в целом по выборке изменяется в пределах значений от 0,38 до 0,88. При межпопуляционном сравнении средних значений выявлено, что наиболее богатым спектром ПЦР-фрагментов, и, соответственно, высоким генетическим полиморфизмом (0,75) отличается выборка лягушек из наименее трансформированного биотопа "Контроль" (рис. 10).

У лягушек, обитающих в антропогенно трансформированных биотопах, уровень полиморфизма снижается, причем его наименьшее значение (0,55) обнаружено у лягушек из селитебной зоны — точка "Город". Выборка из зоны защитных мероприятий объекта по уничтожению химического оружия - точка "ОУХО" - имеет промежуточное значение. Достоверные отличия {р<0,05) уровня генетического полиморфизма обнаружены только при сравнении выборки "Контроль" и "Город". Таким образом, генетическая изменчивость популяций озерных лягушек исследованных биотопов имеет обратную зависимость от степени антропогенной нагрузки.

OJIIIIIÍUU >»"""* mmmf fcgMftji ¡R**^ ШММЦ Ьш*^ 1ммм*

sseaaees- ;at3=3t3=i=5ía=i=s I

Контроль (К) Зона ОУХО Город (К) ОУХО Город

Рис. 10. Электрофореграмма фрагментов амплификации с RAPD-праймером OPA-OI (слева) и уровень генетического полиморфизма (справа) экземпляров озерной лягушки из трех иссле-дованных биотопов с разной антропогенной нагрузкой

ГЛАВА 6. СОСТОЯНИЕ ОХРАНЫ ЗЕМНОВОДНЫХ В ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОХРАНЕНИЮ ИХ РАЗНООБРАЗИЯ В настоящее время из 11 видов земноводных, обитающих в Пензенской области, два включены в Красную книгу (2005) - прудовая лягушка и травяная лягушка (R. temporaria). Этим видам присвоена категория 4 - неопределенный по статусу вид. Кроме того, в приложение к Красной книге занесены обыкновенный тритон (Lissotriton vulgaris) и обыкновенная, или серая жаба (Bufo bufo), как виды,

нуждающиеся в особом внимании к их состоянию в окружающей среде. На территории участков заповедника "Приволжская лесостепь" отмечены десять видов амфибий (Павлов, 1999), т.е. все земноводные области, за исключением съедобной лягушки. Другие меры охраны земноводных в регионе не применяются.

В ходе исследований мы оценивали редкость видов по показателю встречаемости (Стрелков, Ильин, 1990), выраженному в процентах отношению мест находок каждого вида к общему количеству мест обнаружения земноводных. Таким образом, были выделены 3 категории: "редкие" (0-7 %), "обычные" (8-14 %) и "часто встречающиеся" (>15 %) виды (рис. 11).

Травяная лягушка 13%

Съедобная

<1%

жаба 7%

Остромордая лягушка 22%

жерлянка 8%

Гребенчатый тритон 6%

Прудовая лягушка Зеленая жаба 4%

тритон 8%

Обыкновенная чесночн ица 8%

Рис. 11. Диаграмма встречаемости видов амфибий на территории Пензенской области

Для сохранения разнообразия амфибий в регионе представляется целесообразным:

- создание зоологического заказника в Земетчинском районе Пензенской области, где отмечены редкие виды не только батрахофауны, но и других классов позвоночных животных, занесенных в Красную книгу области;

- проведение просветительской работы с населением, направленной на изменение негативного отношения к этой группе животных. Положительный эффект подобной работы имел место в 2001 г. при осуществлении в ряде областей Поволжского региона, в том числе Пензенской, образовательного проекта "Царевна-лягушка" (Материалы..., 2002);

- включение в Красную книгу Пензенской области съе-добную лягушку с категорией 4 - неопределенный по статусу вид.

ВЫВОДЫ

1. Современная фауна амфибий Пензенской области представлена 11 видами, неравномерно распределенными по трем природно-территориальным участкам, что связано как с разнородностью биотопов, так и со степенью их изученности.

2. Результаты анализа межпопуляционной изменчивости морфологических, биоакустических и молекулярно-генетических признаков позволили обнаружить обитание на территории области гибридогенного вида - съедобной лягушки (Rana esculenta), а также криптических форм озерной лягушки ("западной" и "восточной").

17

3. Случаи морфологических аномалий (эктромелия, микродактилия, цик-лопия, полидактилия) отмечены у зеленых лягушек только в черте г. Пензы с частотой аномалий 8,6 %.

4. Анализ генетического полиморфизма популяций озерной лягушки выявил, что с повышением степени антропогенной трансформации биотопов генетическое разнообразие снижается, не достигая, однако, уровня мономорфности.

5. Анализ кадастровой информации позволяет отнести к редким видам региона (встречаемость 0-7 %) гребенчатого тритона, обыкновенную жабу, зеленую жабу, прудовую лягушку, съедобную лягушку; к обычным видам (8—14 %) — обыкновенного тритона, краснобрюхую жерлянку, обыкновенную чесночницу, травяную лягушку; к многочисленным видам (>15 %) - озерную и остромордую лягушек. Предложен комплекс мер, направленных на сохранение разнообразия земноводных, включающий создание особо охраняемых природных территорий, расширение списка охраняемых видов и проведение просветительской работы с населением.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК

1. Закс М.М., Симонов Е.П., Ермаков O.A. Распространение земноводных (Amphibia) на территории Пензенской области // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2011. № 25. С. 181-190.

2. Закс М.М. К вопросу о морфологических различиях популяций озерной лягушки (Pelophylax (Rana) ridibundus) Пензенской области // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2012. № 29. С. 209-212.

3. Закс М.М., Ермаков O.A. Межпопуляционная изменчивость звукового сигнала озерной лягушки Pelophylax (Rana) ridibundus в Среднем Поволжье // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2012. № 29. С. 213-215.

Статьи в журналах и сборниках

4. Закс М.М. Биоакустический анализ звуковых сигналов зеленых лягушек Rana kl. esculenta-комплекс (предварительные данные) // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2008. № 10. С. 178-181.

5. Закс М.М. О морфологических аномалиях зеленых лягушек (Rana ridibunda, R. lessonae) г. Пензы // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2008. № 14. С. 63-65.

6. Закс М.М. Морфометрия и аномалии развития зеленых лягушек Rana esculenta-комппекс Пензенской области // Экологический сборник - 2. Труды молодых ученых Поволжья. Тольятти: ИЭВБ РАН, 2009. С. 51-55.

7. Закс М.М., Рыжов М.К., Ермаков O.A. Съедобная лягушка (Rana esculenta, L., 1758) в Чувашии: биоакустические данные // Вопросы герпетологии: Матер. IV съезда герпетологического об-ва им. A.M. Никольского. СПб: Русская коллекция, 2011. С. 93-96.

8. Закс М.М. Материалы к кадастру земноводных (Amphibia) Пензенской области // Региональные кадастры животного и растительного мира и Красные книги: Матер. Всеросс. науч.-практ. конф. (24-25 сентября 2012 г., Тамбов - Гал-дым). Тамбов: ТГУ, 2012. С. 28-33.

Тезисы конференций и совещаний

9. Закс М.М. История и перспективы изучения герпетофауны Пензенской области // Биоразнообразие: проблемы и перспективы сохранения: Матер. Меж-дунар. науч. конф., поев. 135-летию со дня рождения И.И. Спрыгина (13-16 мая 2008 г., Пенза). Часть 2. Пенза: ПГПУ им. В.Г. Белинского, 2008. С. 246-247.

10. Закс М.М. Полидактилия у озерной лягушки Rana ridibunda как показатель состояния водных биотопов // Биология - наука XXI века: Сб. тезисов 14-й Междунар. Пущинской школы-конф. молодых ученых. Т. 2. Пущино, 2010. С. 36.

Благодарности. Автор выражает благодарность O.A. Ермакову за руководство работой на всех этапах ее осуществления, коллективу кафедры зоологии и экологии Пензенского государственного университета за плодотворное общение, РФФИ за финансовую помощь в проведении исследований (проект № 12-04-97073-р_поволжье_а).

ЗАКС Михаил Михайлович

ЭКОЛОГИЯ ЗЕЛЕНЫХ ЛЯГУШЕК {Rana esculenta complex) ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ: РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ПОПУЛЯЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ, ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Компьютерная верстка Д.Б. Фатеева, H.H. Зосимовой

Сдано в производство 21.05.13. Формат 60x84 '/ Бумага типогр. №1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Суг. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,18. Заказ № 2300. Тираж 100.

Пензенская государственная технологическая академия. 440605, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, 1а/11.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Закс, Михаил Михайлович, Пенза

ФГБОУ ВПО «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

04201360756 ЗАКС МИХАИЛ МИХАЙЛОВИЧ

ЭКОЛОГИЯ ЗЕЛЕНЫХ ЛЯГУШЕК (Rana esculenta complex) ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ: РАСПРОСТРАНЕНИЕ, ПОПУЛЯЦИОННАЯ ИЗМЕНЧИВОСТЬ, ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: кандидат биологических наук, доцент Ермаков O.A.

ПЕНЗА-2013

СОДЕРЖАНИЕ

8

18

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АМФИБИИ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ И КОМПЛЕКС

ЗЕЛЕНЫХ ЛЯГУШЕК {RANA ESCULENTA COMPLEX) КАК МОДЕЛЬНАЯ ГРУППА ЗООЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (обзор литературы)

1Л. История и методы изучения земноводных 8

1.2. Таксономия, распространение и экология Rana esculenta complex. Использование в биоиндикационных исследованиях

1.3. Физико-географическая характеристика региона исследования 42

1.4. Изученность батрахофауны Пензенской области 47 ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 52

2.1. Кадастровые исследования 54

2.2. Морфологический анализ 55

2.3. Биоакустический анализ 55

2.4. Молекулярно-генетический анализ 56 ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ АМФИБИЙ НА

ТЕРРИТОРИИ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ ГЛАВА 4. ГИБРИДОГЕННЫЙ ВИД - СЪЕДОБНАЯ ЛЯГУШКА И

КРИГТГИЧЕСКИЕ ФОРМЫ ОЗЕРНОЙ ЛЯГУШКИ - «ЗАПАД- 76 НАЯ» И «ВОСТОЧНАЯ»: КОМПЛЕКСНЫЙ АНАЛИЗ

4.1. Обнаружение съедобной лягушки {Rana esculenta L., 1758) в Пензенской области

4.2. Криптические формы озерной лягушки - диагностика и распространение в Пензенской области

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА ЗЕЛЕНЫХ ЛЯГУШЕК В УСЛОВИЯХ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ

5.1. Морфологические аномалии зеленых лягушек 93

5.2. Генетическая изменчивость озерных лягушек в биотопах с разной антропогенной нагрузкой

ГЛАВА 6. СОСТОЯНИЕ ОХРАНЫ ЗЕМНОВОДНЫХ В

ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СОХРА- 100 НЕНИЮ ИХ РАЗНООБРАЗИЯ ВЫВОДЫ 105

ЛИТЕРАТУРА 106

ПРИЛОЖЕНИЕ 123

76

80

93 93 96

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Одно из актуальных и перспективных направлений исследований современной экологии - изучение закономерностей популяционной изменчивости животных под воздействием факторов среды, которое позволяет оценить его эволюционные последствия в пространстве и времени. Кроме того, основой стабильного функционирования биосферы является сохранение биологического разнообразия, что определяет необходимость изучения различных групп организмов на региональном уровне. Удобной моделью для подобных исследований являются виды с широкой экологической пластичностью, к числу которых относятся бесхвостые амфибии. До настоящего времени комплексного изучения амфибий с применением как традиционных (морфологических), так и современных (биоакустических и молекулярно-генетических) методов на территории Пензенской области не проводилось. Между тем регион исследования расположен в лесостепной зоне и характеризуется широким диапазоном биотопов, как естественных, так и измененных человеком, что позволяет на примере амфибий решать вопросы, связанные с экологическим прогнозированием и мониторингом.

Комплекс среднеевропейских зеленых лягушек {Rana esculenta complex) является удобным объектом для изучения, так как его представители имеют высокую численность, широкое распространение и характеризуются значительным размахом изменчивости. Комплекс включает в себя три вида, из которых озерная (R. ridibunda) и прудовая (R. lessonae) лягушки являются обычными «менделевскими» видами, а съедобная (R. esculenta) лягушка представляет собой устойчивую гибридную между ними форму с уникальным типом наследования. В целом, комплекс среднеевропейских зеленых лягушек рассматривается как модель сетчатого (гибридогенного) видообразования (Боркин, Даревский, 1980; Lada et al., 1995).

В эколого-фаунистическом плане батрахофауна Пензенской области изучена явно недостаточно, за исключением нескольких специальных публикаций, посвященных распространению амфибий (Ермаков и др., 2002), морфологии отдельных видов (Ермаков, Ильина, 1999; 1999а) и фауне амфибий государственного природного заповедника «Приволжская лесостепь» (Павлов, 1999).

Цель работы - эколого-фаунистическая характеристика батрахофауны Пензенской области и комплексное изучение группы зеленых лягушек, обитающих в различных экологических условиях, с использованием морфологических, биоакустических и молекулярно-генетических подходов. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Изучить видовой состав и закономерности распределения амфибий и использовать эти данные для составления кадастра земноводных Пензенской области.

2. Изучить межпопуляционную изменчивость морфологических, биоакустических и молекулярно-генетических признаков зеленых лягушек для наиболее полного выявления таксономического разнообразия комплекса.

3. Оценить состояние популяций зеленых лягушек в различных по антропогенной нагрузке биотопах.

4. Выявить редкие виды амфибий Пензенской области и предложить практические мероприятия по сохранению их разнообразия. Основные положения, выносимые на защиту.

1. Видовое разнообразие и распределение амфибий на территории Пензенской области зависят от неоднородности природных условий и степени изученности района исследований, что усиливает значение кадастровых работ.

2. Применение комплексного подхода, включающего широкий спектр методов исследования (эколого-фаунистических, морфологических,

биоакустических, молекулярно-генетических), повышает эффективность изучения биоразнообразия земноводных путем выявления таксономических группировок, диагностика которых традиционными методами затруднена.

3. Частота проявления морфологических аномалий и уровень генетического полиморфизма в популяциях зеленых лягушек зависит от степени антропогенной трансформации мест обитания.

Научная новизна. Впервые изучено распространение и закономерности распределения батрахофауны в природно-территориальных комплексах (ПТК) Пензенской области. Впервые в Поволжском регионе для изучения группы зеленых лягушек использован комплексный подход, включающий эколого-фаунистические, морфологические, биоакустические и молекулярно-генетические исследования. Обнаружен новый для фауны области вид - съедобная лягушка - и две криптические формы озерной лягушки неясного таксономического уровня. Впервые в Пензенской области обнаружены особи с морфологическими аномалиями и определена частота их встречаемости в трансформированных биотопах. Дана оценка генетического полиморфизма популяций в зависимости от степени антропогенной нагрузки.

Научно-практическая значимость. Данные, изложенные в диссертации, расширяют представления об экологии и распространении земноводных на территории Пензенской области, поэтому могут быть использованы в целях сохранения биоразнообразия. На основании анализа данных по частоте встречаемости морфологических аномалий и уровня генетического полиморфизма можно проводить биоиндикационную оценку степени загрязнения водоемов области. Материалы диссертации, сформулированные в ней научные положения, выводы и результаты могут найти применение в работе природоохранных организаций при оценке состояния естественных биогеоценозов, организации многолетнего биомониторинга, составления региональных кадастров животного мира. Выявленные закономерности межпопуляционной

изменчивости земноводных позволяют использовать эти данные в преподавании общеэкологических и зоологических курсов в вузах.

Апробация работы. Материалы работы были представлены на международной научной конференции, посвященной 135-летию со дня рождения И.И. Спрыгина «Биоразнообразие: проблемы и перспективы сохранения»: (г. Пенза, 2008), экологической конференции молодых ученых Поволжья (г. Тольятти, 2009), 14-й Пущинской международной школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2010), IV съезде герпетологического общества им. A.M. Никольского (Казань, 2011), всероссийской научно-практической конференции «Региональные кадастры животного и растительного мира и Красные книги» (Тамбов, 2012).

Реализация и внедрение результатов работы. Материалы диссертации используются при выполнении работ по гранту Российского фонда фундаментальных исследований на тему «Изучение современного состояния и разнообразия животного мира лесостепных ландшафтов на примере Пензенской области» (проект № 12-04-97073-р_поволжье_а). Данные диссертационного исследования использованы при экологическом мониторинге зоны защитных мероприятий объекта по уничтожению химического оружия (пос. Леонидовка), а также при подготовке второго издания Красной книги Пензенской области. Результаты, полученные в ходе исследования, используются в учебном процессе Пензенского государственного университета при подготовке бакалавров и магистров по направлению 020400 - «Биология».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень ведущих научных журналов ВАК.

Личный вклад автора. Основные результаты, приведенные в диссертации, получены непосредственно самим автором в течение четырёхлетних экспедиционных работ на территории Пензенской области, а также камеральной обработки полученных материалов. Автор лично участвовал в сборе,

обработке и анализе материала. В совместных публикациях вклад автора составил 40-60 %.

Благодарности. Выполнение настоящей работы стало возможным благодаря участию многих людей. Прежде всего, я благодарен своему научному руководителю Олегу Александровичу Ермакову за разработку тематики будущих исследований и за руководство работой на всех этапах ее осуществления. Я благодарен всем, кто в разное время помогал мне со сбором материала - И.В. Дунчеву, A.A. Кузьмину, М.М. Бегутову, С.М. Бегутову, С.С. Бакаевой и другим, кто принимал участие в полевых работах. Спасибо Е.П. Симонову за помощь в проведении молекулярно-генетических исследований. Спасибо коллективу кафедры зоологии и экологии за долгие годы продуктивного общения и за неоценимый опыт, который я при этом получил. Спасибо моим родителям, родным и близким за постоянную помощь и поддержку и за веру в результат. Спасибо РФФИ, который поддерживал исследования (проект № 12-04-97073-р_поволжье_а).

ГЛАВА 1. АМФИБИИ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ И КОМПЛЕКС ЗЕЛЕНЫХ ЛЯГУШЕК {RANA ESCULENTA COMPLEX) КАК МОДЕЛЬНАЯ ГРУППА ЗООЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ (литературный обзор)

1.1. История и методы изучения земноводных

, Земноводные с древних времен привлекали внимание людей, живших на территории современной Российской федерации. С этой группой животных связано множество легенд, приданий и поверий. Так, например, ительмены (коренные жители Камчатки) считали сибирских углозубов {Salamandrella keyserlingií) посланниками подземного духа Гаеча. Поэтому истребляли этих животных, так как верили, что сами умрут, если углозуб увидит их и спеет скрыться. Лягушка играла важную роль в космологии и мифах о сотворении мира у некоторых сибирских народов (ханты, манси, алтайцы и др.). Помимо суеверий, сельские жители имели (и имеют по сей день) реалистичные представления о земноводных. Наблюдения за расселением и численностью земноводных породили представления о том, что обилие лягушек указывает «здоровое место», что отражает первые попытки использования земноводных для биоиндикации. Знаменитый врач Абуали ибн-Сино (Авиценна) (980-1037) предлагал использовать лягушек в медицине, в частности против укусов змей и шпанских мушек. Еще 100 лет назад земноводных использовали в традиционной медицине. Лягушачья икра применялась для изготовления пластыря (европейская часть России), мясо лягушек применялось как средство от укусов змей (Пермская область) (Кузьмин, 1999).

В нашей стране становление и развитие герпетологии в современном смысле проходило в 4 этапа (Боркин, 2003).

До-линнеевский период

К этому периоду относятся работы, в которых не используется разработанная К. Линнеем бинарная номенклатура (Боркин, 2003). Некоторые отрывочные сведения о земноводных и пресмыкающихся приводит Петр Иванович Рычков (1712-1777), первый член-корреспондент Петербургской академии наук (1759. В 1762 году была опубликована его работа «Топография Оренбургская», где в разделе «Птицы знатныя» указываются земноводные, как пищевые объекты птиц: «Леглек, птица во всем подобна Аисту, токмо белая, <...>, питаются так, как и Аист, змеями и лягушками» (цит по Боркин, 2003: Рычков, 1762).

Период становления герпетологии

Описание этапа и относящихся к нему работ приведено по библиографии «Земноводные и пресмыкающиеся Волжского бассейна» (Гаранин, Ба-киев, 2012). Это этап академических экспедиций, или эпоха Палласа. Из участников академической экспедиции 1768-1775 гг., выехавшей из Петербурга и затронувшей Волжский бассейн, хронологически первым (по дате в дневниковых записях) упоминает представителей герпетофауны на территории Волжского бассейна руководитель второго «оренбургского» экспедиционного отряда - Иван Иванович Лепёхин (1740-1802). В первой и второй частях его «Дневных записок путешествия» для Волжского региона и в непосредственной близости от его границ упомянуты «гады», с учетом современной систематики, не менее 13 видов (два вида амфибий и 11 рептилий), в том числе описано 6 (один вид амфибий и пять рептилий) (Гаранин, 1983; Бакиев, 2003).

Петер Симон (в России Пётр Семёнович) Паллас (1741-1811), возглавлявший первый «оренбургский» экспедиционный отряд и, по существу, являвшийся общим руководителем академической экспедиции 1768-1775 гг. -обследовал и пересекал Волжский бассейн в 1768-1770, 1773-1774, 1793 гг., отмечая и описывая многие виды, встреченные в названном регионе и на

соседних с ним территориях. В первой части «Путешествия по разным провинциям Российской империи», изданной сначала на немецком языке, а затем в переводе на русский и другие языки, содержатся первоописания трех видов земноводных и шести видов пресмыкающихся. Третий том сводного труда «Zoographia Rosso-Asiatica» Палласа содержит описания на латинском языке 12 видов земноводных и 43 видов пресмыкающихся.

Среди других участников академической экспедиции 1768-1775 гг., которые упоминают в своих трудах земноводных - Юхан Пер (в опубликованных по-немецки трудах фигурирует как Иоганн Петер - Johann Peter, в России Иван Петрович) Фальк. Ученик К. Линнея. Руководил третим «оренбургским» экспедиционным отрядом и посетил различные районы бассейна Верхней, Средней и Нижней Волги (1768-1774). Через Тверь и Новгород Фальк попал в Москву, далее его путь пролегал через Коломну, Пензу, Сызрань, Саратов, Царицын (Волгоград) и Астрахань на восток - в Зауралье и Западную Сибирь, оттуда через Екатеринбург в Казань, затем опять в Астрахань, из Астрахани в Моздок и обратно - по Волге - в Казань. Записи Фалька, которые оформлялись им в виде картотеки, опубликованы благодаря усилиям друзей профессора; а окончательная обработка и подготовка к печати сделана И.Г. Георги (Гнучева, 1940; Боркин, 2001; Гаранин, Бакиев, 2004). В третьем томе трехтомного издания его материалов на немецком языке указаны для Волжского бассейна следующие виды низших наземных позвоночных: обыкновенная жаба Rana bufo (везде, но редко); краснобрюхая жерлянка R. bombina (Ока, Сура, Волга); травяная лягушка и/или остромордая лягушка R. temporaria (везде); зеленые лягушки - R. escalenta (при Нижней Волге), R. ridibunda [=«Rana caspica et wolgensis» (S. 412)] (при Нижней Волге); обыкновенный тритон и/или живородящая ящерица Lacerta vulgaris (во всей северной местности от Невы до Оби в болотах и водоемах).

Иоганн Готтлиб (в России Иван Иванович) Георги (1729-1802) в своих работах изданных в конце 18 начале 19 веков упоминает земноводных фауны

Волжского бассейна, в том числе и непосредственно в его границах: обыкновенная жаба - Rana bufo (в южных, умеренных и холодных местностях России), R. rubeta (в умеренной России); краснобрюхая жерлянка R. bombina (Волга, Ока, Сура, Тверь); обыкновенная чесночница R. vespertina (около Самары при Волге); зеленые лягушки - Rana ridibunda (на Каспийском море и его реках; Кама, Волга вниз от Казани, Самара, Сура), R. esculenta (Осташков); зеленая жаба R. variabilis (каспийские и калмыцкие степи, Рын-пески); травяная лягушка и/или остромордая лягушка R. temporaria (Пермь, Волга, в Вологде до 63°); обыкновенная квакша R. arborea (у Волги); гребенчатый тритон Lacerta palustris (Волга).

В «Хозяйственном описании Пермской губернии» историк и краевед Никита Саввич Попов (1763-1834) отмечает: жаб Rana bufo, истребляющих насекомых и слизней; лягушек - «зеленых водяных» R. esculenta и «древесных» R. arborea, которыми питаются хищные птицы, цапли и аисты (Попов, 1804).

Иван Алексеевич Двигубский (1771 (по другим данным - 1772) - 1839) в начале XIX столетия обнародовал результаты своей диссертации на степень доктора медицины «Primitiae Faunae Mosquensis» со списком известных ему в то время подмосковных низших наземных позвоночных, объединенных в класс Amphibia. Список включал 11 видов: Rana bufo («жаба»), R. bombina, R. temporaria,