Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Пути адаптации и экологические закономерности освоения жужелицами (Coleoptera, Carabidae) севера Русской равнины
ВАК РФ 03.00.16, Экология
Автореферат диссертации по теме "Пути адаптации и экологические закономерности освоения жужелицами (Coleoptera, Carabidae) севера Русской равнины"
На правах рукописи
□□345425 1
ФИЛИППОВ Борис Юрьевич
ПУТИ АДАПТАЦИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОСВОЕНИЯ ЖУЖЕЛИЦАМИ (COLEOPTERA, CARABIDAE) СЕВЕРА РУССКОЙ РАВНИНЫ
03.00.16 - экология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
О 5 ДЕК 200В
Москва - 2008
003454251
Работа выполнена на кафедре зоологии и экологии биолого-химического факультета Московского педагогического государственного университета
Научный консультант: Доктор биологических наук, профессор
Шарова Инесса Христиановна
Официальные оппоненты: Доктор биологических наук, старший
научный сотрудник Федоренко Дмитрий Николаевич
Защита состоится 22 декабря 2008 г. в '-> часов на заседании Диссертационного совета Д 212.154.20 при Московском педагогическом государственном университете по адресу: 129164, Москва, ул. Кибальчича, д. 6, корп. 5, биолого-химический факультет, ауд. 304.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПГУ по адресу: 119992, Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1.
Доктор биологических наук, профессор Чернышев Владимир Борисович
Доктор биологических наук, профессор Мозолевская Екатерина Григорьевна
Ведущая организация: Институт экологических проблем Севера
УрОРАН
Автореферат разослан
Ученый секретарь Диссертационного Совета
Шаталова С.П.
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы. Изучение адаптаций животных к жизни в высоких широтах - актуальное направление современной экологии. Интерес к этой проблеме стал формироваться еще на рубеже XIX-XX веков. Однако значительный объем публикаций по изучению адаптаций животных к жизни на Севере пришелся на середину XX века. В этот период были установлены закономерности изменения физиологии животных на Севере, их пространственного распределения и циклов воспроизводства. Изучение механизмов адаптации проводилось на разных систематических группах животных, включая насекомых (Downes, 1965).
Уникальность природы Севера обусловлена сочетанием низкого таксономического разнообразия с высокой специфичностью фауны и флоры. Жесткокрылые - один из самых многочисленных и разнообразных отрядов животных, представлены на Севере непропорционально малым числом видов. При этом в высоких широтах жуки семейства жужелицы занимают ведущие позиции как по таксономическому разнообразию, так и по обилию среди герпетобия: доля представителей этого семейства в составе колеоптерофауны Арктики достигает 1/3 от общего числа видов отряда (Чернов, и др., 2000, 2001; Chernov, Makarova, 2008). В районах с низкими температурами жужелицы демонстрируют разнообразные варианты адаптаций. Было показано, что у них в высоких широтах и в высокогорьях наблюдается изменения суточной активности (Neudecker, 1971), суточных миграций (Somme et al., 1996), параметров холодоустойчивости (Россолимо, Рыбалов, 1994) и комплекса физиологических параметров способствующих зимовке и развитию гонад при отрицательных температурах (Kaufmann, 1971).
Исследованиями почвенных зоологов показано, что семейство жужелицы - удобный модельный объект экологических и фаунистических исследований разного плана (Арнольди, 1965; Стриганова, Порядина, 2005).
Начиная со второй половины XIX в. до настоящего времени идет процесс накопления сведений о таксономическом составе фауны жужелиц севера таежной зоны и тундр. Полученные данные позволили провести инвентаризацию таксономического состава представителей этого семейства в приполярных и заполярных районах (Lindroth, 1992а, 1992b, 1992с) и выявить зонально-подзональные закономерности распределения жужелиц на Севере и в выскогорьях (Bakken, 1985; Davis,1987).
Изучение жизненных циклов позволило установить некоторые закономерности в развитии жужелиц на севере Европы (Refseth, 1988; Lindroth, 1992а) и в Северо-западной Сибири (Коробейников, 1986). Вместе с тем, на сегодняшний день имеются только общие представления о механизмах адаптации жужелиц к жизни в высоких широтах и поддержания численности популяций на северном пределе распространения (Kaufmann, 1971;Коробейников, 1984, 1990).Возможные пути изменения жизненных циклов жужелиц в высоких широтах определены лишь в самом общем виде (Paarmann, 1974; Sota, 1992; Matalin, 2008).
Настоящая работа представляет синтез многолетних полевых исследований и имеющихся в литературе сведений по жужелицам Севера. Тема исследования направлена на выявление адаптаций жужелиц к жизни на севере Русской равнины.
Цель исследования. Выявление путей эколого-морфологических и демографических адаптаций жужелиц к жизни на севере Русской равнины, основанных на изменении морфологии, параметрах развития особей, воспроизводства популяций и пространственного распределения вблизи северной границы ареала.
Задачи исследования.
1. Изучить состав и структуру сообществ жужелиц в градиенте от средней тайги до южных тундр для выявления экологических закономерностей освоения ими севера Русской равнины.
2. Выявить экологические предпосылки изменения состава населения жужелиц зональных и интразональных сообществ в зональном градиенте севера Русской равнины.
3. Установить важнейшие характеристики жизненных циклов массовых видов жужелиц в условиях севера Русской равнины и установить возможности их изменения.
4. Выявить демографическую структуру, параметры воспроизводства и механизмы поддержания численности популяций полизональных видов жужелиц на северном пределе распространения.
5. Определить внутривидовую географическую изменчивость важнейших эколого-морфологических и репродуктивных параметров имаго СагаЫ(1ае в градиенте от средней тайги до южных тундр.
6. На основании обобщения данных по биотопическому распределению, размерным характеристикам имаго и жизненным циклам в разных природных зонах выявить пути адаптации и роль модификации жизненных циклов в формировании населения и фауны жужелиц на Севере.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Комплекс взаимообусловленных адаптаций отмечен у одногодичных хищных видов с летними личинками. У них изменяется сезонный цикл, сокращается период размножения, возрастает число яиц у самок или доля повторно размножающихся особей, имаго на Севере становятся мельче, у отдельных видов отмечается смена стаций. Адаптации у них направлены на компенсацию дефицита тепла вблизи северной границы распространения вида. У одногодичных видов со смешанным питанием и зимней личинкой отмечен минимальный набор изменений морфологии особей и репродуктивных параметров популяций.
2. Изменения в сезонном развитии СагаЫс1ае в зональном градиенте условий среды отражаются в наборе и пропорции жизненных циклов жужелиц разных природно-климатических зон севера Русской равнины. Способность к изменению цикла обогащает фауну жужелиц севера Русской равнины. Примерно 25% видов жужелиц осваивает северные территории за счет модификации жизненного цикла.
3. Изменения в экологической структуре населения жужелиц зональных и интразональных биоценозов обусловлены способностью отдельных массовых видов к изменению жизненных циклов. Стенобионтные виды с консервативным одногодичным жизненным циклом и летними личинками в однотипных сообществах на Севере замещаются эвритопными видами с двухлетним жизненным циклом и зимними личинками.
Научная новизна и теоретическая значимость. Осуществлен эколого-таксономический анализ населения жужелиц севера Русской равнины. Выявлены закономерности распределения жужелиц в составе разных подзон тайги и тундры, биоразнообразие таксоценов жужелиц различных типов сообществ в составе разных природных зон и подзон. Выявлены массовые и редкие виды жужелиц, а также тенденции пространственного изменения карабидокомплексов разных природных зон. Установлены причины изменения структуры населения жужелиц в зависимости от типа жизненного цикла. Охарактеризованы основные типы жизненных циклов жужелиц. Показана специфика спектров жизненных циклов жужелиц разных природных зон севера Русской равнины. Определены основные адаптации жужелиц с разным типом питания и типом развития в разных зонах и подзонах Севера, Сформулированы закономерности внутривидовой географической изменчивости параметров репродукции особей и популяций полизональных видов жужелиц на севере Русской равнины.
Теоретическое значение работы состоит в развитии современных представлений об экологических предпосылках формирования фауны насекомых высоких широт и выявлении эколого-морфологических адаптации животных к жизни на Севере.
Практическая значимость и использование результатов работы. Выявленные особенности адаптаций жужелиц на Севере могут быть использованы для биоиндикации состояния почвенной биоты в условиях антропогенных воздействий. Эти закономерности позволяют прогнозировать изменения населения жужелиц под влиянием антропогенного преобразования естественных сообществ. Результаты исследования могут использоваться при мониторинге состояния малонарушенных и антропогенно трансформированных ценозов. Сведения, полученные при выполнении исследования, стали основой для очерков Красной Книги Архангельской области.
Итоги диссертационного исследования используются в лекционных и практических занятиях, на полевых практиках по зоологии и экологии животных для студентов Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова (ПГУ). Собранный материал положил начало карабидологической коллекции в ПГУ. Результаты исследования использованы при подготовке учебного пособия с грифом Минобразования РФ "Экология Архангельской области" для средних школ.
Связь работы с научно-исследовательскими темами и программами. Исследования по теме диссертационной работы выполнялись
в рамках пяти проектов РФФИ и РФФИ-Север (№ 05-04-48596, 05-04-63058, 07-04-10002, 08-04-98802, 08-04-00090), Совета по грантам Президента Российской Федерации ведущих научных школ (НШ-2154.2003.4). В каждой из перечисленных тем автор выполнял собственный объем исследований, являясь исполнителем или руководителем проекта.
Апробация работы. Результаты диссертации были доложены и обсуждены на международных, отечественных и региональных конференциях по экологии, энтомологии и зоологии: "Биоразнообразие наземных и почвенных беспозвоночных на Севере" (Сыктывкар, 1999); "Разнообразие беспозвоночных животных на Севере" (Сыктывкар, 2003), II, III и IV Всероссийских совещаниях по почвенной зоологии (Москва, 1999; Тюмень, 2005; Москва, 2008), XII и XIII съездах Русского энтомологического общества (Санкт-Петербург, 2002; Краснодар, 2007), "Биогеография почв"
/Г*------------ 1ЛЛ1\ "VTTT______.Ü------ —_____ЙГ„______ „
(^ъичъижар, лхи сорОиси^лим илс^дс лараипдилии-ш ^шши^о^ад,
2007).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 29 работах (8 статей в журналах перечня ВАК РФ, 7 статей в научных журналах и сборниках научных трудов, одна монография и 13 материалов докладов конференций и совещаний).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 193 страницах основного текста и 174 страницах приложений. Рукопись состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и 10 приложений, содержит 46 рисунков и 124 таблицы. Список цитируемой литературы включает 477 источников, в том числе 176 на иностранных языках.
Благодарности. Автор диссертации благодарен своему научному консультанту - д. биол. н., проф. И.Х. Шаровой за постоянные консультации и поддержку, оказываемые на протяжении более 10 лет. Большую помощь на всех этапах выполнения работы автор получал со стороны д. биол. н., проф. К.В. Макарова и к. биол. н. A.B. Маталина. Слова благодарности автор направляет в адрес всех сотрудников кафедры зоологии и экологии Московского педагогического государственного университета, с которыми мне посчастливилось сотрудничать при подготовке диссертации, а также своим коллегам по кафедре зоологии и методики обучения биологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова за понимание и поддержку. Автор благодарит своих коллег в различных научных учреждениях, способствовавших организации и проведению полевых исследований и обсуждению ее основных положений: JI.B. Пучнину (Государственный природный заповедник "Пинежский"), Б.М. Катаева (Зоологический институт РАН, Санкт-Петербург), Л.Ц. Хобракову (Института биологии, Улан-Уде). Особая благодарность моим коллегам и студентам, с которыми мне довелось делить радости и преодолевать трудности экспедиций в различные участки тундры и тайги.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Глава 1. Современное состояние проблемы изученности фауны и экологии жужелиц Севера
Глава представляет собой обзор литературы по истории изучения и современному состоянию изученности различных аспектов жизни жужелиц в приполярных и заполярных областях. Первые публикации по жужелицам высоких широт носили инвентаризационный характер. В них приводятся сведения о видовом составе отдельных территорий, или местообитаний. Часто статьи этого периода содержат описания новых для науки видов, подвидов или вариаций жужелиц. Накопление сведений позволило в первой половине XX века перейти к описанию биоценотических комплексов жужелиц в составе разных географических зон и изданию крупных фундаментальных сводок, например по жужелицам Фенноскандии (Lindroth, 1949, цит. по Lindroth, 1992а, 1992b, 1992с).
В публикациях этого периода появляются первые сведения о жизненных циклах жужелиц. Применение метода почвенных ловушек (Barber, 1931) позволило собирать многочисленные серии жуков и анализировать их динамику напочвенной активности, а также встречаемость в природе. В 1939 г. была предложена первая классификация типов развития жужелиц (Larsson, 1939). Идеи этого исследователя получили дальнейшее развитие в трудах многих карабидологов (Lindroth, 1949 цит. по Lindroth, 1992а; Paarmann, 1979, Sota, 1994), а разработанная классификация типов развития жужелиц применяется и в настоящее время.
В главе рассматривается состав жизненных форм жужелиц на Севере (Шарова, 1981), состав и cipytaypa фауны жужелиц Арктики (Чернов и др., 2001, 2002), типология и географическая изменчивость жизненных циклов жужелиц умеренной зоны Палеарктики (Маталин, 2006). Приводится анализ современных публикаций по другим аспектам экологии и экологической физиологии жужелиц в Заполярье.
Глава 2. Природно-климатические особенности севера Русской равнины
Регион исследований включает 5 географических пунктов в составе 4 природно-климатических зон севера Русской равнины: средняя тайга (Архангельская область, окрестности с. Вилегодское), северная тайга (Архангельская область, заповедник "Пинежский", дельта Северной Двины), лесотундра (п-ов Канин, окрестности пос. Несь) и южная тундра (п-ов Канин, окрестности пос. Шойна) (рис. 1). Самая южная точка исследований находилась на юго-востоке Архангельской области (61°10' с.ш.), северная -на севере п-ва Канин (67°52' с.ш.). Таким образом, исследованиями были охвачены все подзоны в пределах зонального профиля протяженностью с севера на юг около 800 км.
исследований. • - места стационарных исследований.
Обосновывается выбор региона исследований, приводится характеристика геологического строения, рельефа, внутренних вод, климата, почвенно-растительного покрова и краткая история формирования биоты.
Глава 3. Методология исследования
Для установления закономерностей пространственного распределения и географического изменения карабидофауны был использован метод выделения локальных фаун (Чернов, 1989; Penev, Turin, 1994; Penev, 1996; Чернов и др., 2000) в составе зонального профиля от средней тайги до южной тундры. Приводится теоретическое обоснование выбора этого метода.
Данные собственных исследований дополнялись опубликованными сведениями о встречаемости отдельных видов жужелиц на территории района исследования. На основании объединения результатов оригинальных исследований с ранее опубликованными сведениями составляли список видов жужелиц для каждой из 4 локальных фаун севера Русской равнины (отдельно для южной тундры, лесотундры, северной и средней тайги). Для северной тайги, где был изучен состав двух локальных фаун, анализировалась фауна государственного природного заповедника "Пинежский". Сведения по видовому составу локальной фауны дельты Северной Двины привлекались для сравнения данных по антропогенному
преобразованию территории и анализу видового состава жужелиц северной тайги в целом.
В составе каждой локальной фауны исследовались все биоценозы, в которых потенциально могут обитать жужелицы. При выборе биоценозов придерживались ландшафтно-катенного метода.
Исследования проводили в 1998-1999 и 2001-2006 гг. Основным методом сбора материала были почвенные ловушки Барбера (Barber, 1931; Skuhravy, 1956; Тихомирова, 1975). В качестве ловушек использовали пластиковые стаканы с диаметром отверстия 93 мм. В каждом биотопе устанавливали от 20 до 40 ловушек по 10 в каждой серии с расстоянием между ловушками и между линиями 10 м. Ловушки действовали на протяжении всего сезона. Объем проведенных исследований представлен в таблице 1. В общей сложности за время исследований методом почвенных ловушек изучено население жужелиц 55 биоценозов и отработано более 175 000 ловушко-суток.
Дополнительно применяли ручной сбор жуков, преимущественно по берегам водоемов, на пустырях, штормовых выбросах вдоль берега моря.
Объем материала исследования составил более 60 000 экз. имаго и около 1500 личинок жужелиц. В общей сложности в регионе собрано 216 видов жужелиц из 49 родов.
Таблица 1. Общий объем материала
Район исследования, год Количество Количество Количество N, экз.
биоценозов ловушек лов.-сут.
Южная тундра, 2003 10 340 8840 3837
Южная тундра, 2005 10 390 28 350 4794
Лесотундра, 2002 8 265 13 125 8199
Северная тайга, 2004 14 360 42 740 14 195
Северная тайга, 1998,1999 11 430 53 990 13 455
Средняя тайга, 2006 11 240 32 600 16 751
Итого 55 2025 179 645 61 231
Анализ видового состава и экологической структуры населения жужелиц отдельных биоценозов проводили с использованием наиболее часто применяющихся в экологической литературе параметров, характеризующих численность, динамическую плотность и видовое разнообразие.
Зоогеографический анализ видового состава фауны проводили на основе данных отечественных карабидологов о распространении видов жужелиц (Крыжановский, 1983; Кгугапоуэку е1а1„ 1995).
Экологическая характеристика населения жужелиц проведена на основе выделения экологических групп жужелиц по биотопическому предпочтению, гигропреферендуму, жизненным формам (Шарова, 1981).
Жизненные циклы жужелиц изучали с применением метода определения сезонной динамики демографической структуры популяций. Определение возрастного состояния имаго жужелиц проводили по
распространенной методике с учетом степени развития гонад и состояния мандибул и покровов (Wallin, 1989). Для этого всех собранных жуков вскрывали. При этом выделяли ювенильное, имматурное, генеративное первого и второго годов жизни и постгенеративное физиологические состояния имаго. Спектры демографической структуры популяций строили по численному обилию, отдельно для самцов, самок и совместно для обоих полов. Для расшифровки развития и жизненных циклов учитывали сроки встречаемости личинок в ловушках.
Классификация типов развития принята по С. Ларссону (Larsson, 1939), а жизненных циклов - по A.B. Маталину (Маталин, 2007).
У собранных жуков при помощи окуляр-микрометра измеряли длину тела с точностью до 0,1 мм. При вскрытии имаго определяли число яиц в яичниках у самки и измеряли длину одного самого крупного яйца (с точностью до 0,01 мм). После оценки распределения определялась достоверность различий с использованием методов однофакторного дисперсионного анализа и теста Стьюдента (Ивантер, Коросов, 2003).
Термины и понятия, используемые в работе. Локальная фауна -совокупность видов, обитающих на территории размером соответствующей суточному пешему переходу (Чернов, 1989). Под типом развития принимаем наличие или отсутствие зимующей личинки в сочетании с сезонной приуроченностью периода размножения (Larsson, 1939; Lindroth, 1992а). Жизненный цикл - закономерное сочетание сезонного и репродуктивного ритмов, регулярно воспроизводящееся в конкретных стациальных и сезонно-климатических условиях (Маталин, 2007).
Главя 4. Географо-экологические закономерности освоения жужелицами севера Русской равнины
В главе приведена характеристика важнейших параметров четырех локальных фаун и населения жужелиц зональных и интразональных биоценозов в составе разных природных зон. Оригинальные данные приводятся в приложении 1-5 к диссертации. Для формирования общих закономерностей изменения фауны жужелиц Севера собственные данные дополнялись сведениями по южной тайге Кировской области (Алалыкина, Целищева, 2002; Целищева, 2005).
4.1. Эколого-фаунистические изменения в широтном градиенте
Всего на территории района исследования от средней тайги юга Архангельской области до южной тундры полуострова Канин собрано 216 видов жужелиц из 49 родов. Для европейского Севера России известно 334 вида жужелиц (Kryzhanovskij et al., 1995). Таким образом, в пределах региона собранно 64,7% потенциально возможных видов. С юга на север число видов жужелиц в составе изученных природных зон закономерно снижается. В южной тайге отмечен 241 вид жужелиц (Алалыкина, Целищева,
2005; Целищева, 2005). Нами в средней и северной тайге выявлено 166 и 152 вида соответственно. На п-ове Канин в лесотундре собрано 74, а в тундровой - 49 видов жужелиц.
На фоне общего обеднения видового состава от южной тайги к южной тундре снижается и видовая насыщенность родов (отношение вид/род). Расчеты, проведенные на основе состава фауны жужелиц разных подзон севера Русской равнины, показывают, что максимальные значения видовой насыщенности родов характерны для зоны тайги и значительно (на 31,2 %) снижаются на рубеже северной тайги и лесотундры (табл. 2). Далее на север значения этого показателя уменьшаются до 2,33 в южных тундрах и 2,36 в типичных тундрах.
Таблица 2. Видовая насыщенность родов жужелиц в составе отдельных подзон севера Русской равнины
Подзоны ЮТг' СрТг СевТг ЛТ ЮТн ТТн2
Число видов 243 184 167 74 49 26
Число родов 59 47 42 27 21 11
Вид/род 4,12 3,91 3,98 2,74 2,33 2,36
Условные обозначения: ЮТг - южная тайга; СрТг - средняя тайга; СевТг -северная тайга; ЛТ - лесотундра; ЮТн - южная тундра; ТТн - типичные тундры.
'по: Алалыкина, Целищева, 2002; 2по: Колесникова, Ужакина, 2005.
Снижение видового разнообразия родов на севере связано с несколькими обстоятельствами. С одной стороны, в тундрах сокращается разнообразие типов биогеоценозов, что неизбежно приводит к обеднению таксономического состава жужелиц. Другая причина связана с тем, что с продвижением на север в составе фаун разного ранга существенно сокращается число приводных видов жужелиц, что обусловлено холодными микроклиматическими условиями около водоемов. Вместе с тем, центр таксономического разнообразия этого семейства жесткокрылых в умеренной зоне располагается именно в околоводных ландшафтах. Считается, что семейство жужелиц сформировалось в приводных местообитаниях, где у него отмечается наивысшее таксономическое и морфо-адаптивное многообразие и здесь встречаются как малоспециализированные, так и эволюционно продвинутые формы (Раагтапп, 1979; Шарова, 1981). Еще одна возможная причина низкого видового разнообразия таксонов родовой группы связана с относительной молодостью арктических ландшафтов и возможным продолжением адаптивной радиации многих систематических групп разного ранга в высоких широтах (Чернов, 2001, 2000).
Имеющиеся данные позволяют анализировать широтно-региональные аспекты распространения видов в таежной и тундровой зонах (рис. 2). Наиболее значимым рубежом, ограничивающим проникновение видов жужелиц на север, служит граница северной тайги и лесотундры. Ее с юга не
преодолевают 93 вида. В северную тайгу проникают отдельные элементы арктической фауны жужелиц. В частности в пределах этой подзоны отмечены ВетЫсИоп/е11тапт, Р1его$Нски$ Ъгеч'юогтъ, тогда как в среднюю тайгу эти виды не заходят.
Более характерен для северной фауны жужелиц противоположный процесс - проникновение южных видов в более северные территории. В южных тундрах п-ова Канин отмечен ряд таежных видов: Ре1орЫ1а ЬогеаШ, СагаЬт glabratus, СусИгш сагаЪо'к1ев, Р1его$йскиз oblongopunctatus, СуттсИя \aporar\orum. Еще более активно, чем бореальные виды, освоили южные тундры полизональные жужелицы, такие как СаШкш те1апосерИа1ш, Agonum ^ЛщтоБит и многие другие. При этом полизональные лесные виды единично встречаются в типичных тундрах, а полизональные эвритопные виды способны осваивать ландшафты типичных тундр. Например, такие
■з ппигмпт TI.tr1 1эмтт1.т тrav /
—I............- ~ • """ ■»
Вайгаче в зоне развития типичных тундр (Якобсон, 1898).
\fr\tirtr\hiliip ----»»»*•"
Т/
к^инш пи
Рисунок 2. Рубежи зонального распространения жужелиц на севере Русской равнины
Зоогеографический анализ фауны жужелиц севера Русской равнины позволил выявить несколько закономерностей. В широтном градиенте доля палеарктических видов жужелиц плавно возрастает от южной тайги до северной тайги и быстро снижается к южным тундрам (табл. 3). Число
голарктических видов остается примерно одинаковым, а их доля, соответственно, возрастает в северном направлении, особенно существенно в южных тундрах. В тундре разнообразие типов ареалов жужелиц снижается, что естественно отражает обеднение видового состава. На севере в составе фаун снижается общее число и доля европейско-сибирских и европейских видов жужелиц. В составе фауны южной тундры и лесотундры присутствуют сибирские (Bembidion difforme) виды. В северной и средней тайге сибирские элементы представлены Bembidion foveum и Carabus schoenherri.
Таблица 3. Зоогеографический состав фаун жужелиц разных подзон севера Русской равнины___1_
Тип ареала Тайга Лесо- 1ундра Южная 1ундра
ложная Средняя Северная
S h, % S Is, % 5 Is, % S Is, % S Is, %
Палеарктический 134 55,14 124 67,39 118 71,08 45 60,81 13 26,50
Голарктический 24 9,88 24 13,04 23 13,86 17 22,97 23 46,90
Европейский 28 11,52 12 6,52 6 3,61 4 5,41 6 12,20
Евро-сибирский 48 19,75 19 10,33 16 9,64 7 9,46 7 14,30
Еврокавказский 7 2,88 5 2,72 3 1,81 1 1,45 - -
Евро-азиатский степной 1 0,41 - - - - - - - -
Средиземноморский 1 0,41 - - - - - - - -
Условные обозначения: 5 - число видов; Л, % - доля видов в сборах; по: Алалыкина, Целищева, 2002.
В cneKipax жизненных форм жужелиц по типу питания и ярусу обитания с юга на север происходит закономерное упрощение. Трофическая структура фауны жужелиц остается стабильной на протяжении всей таежной зоны и лесотундры и значительно меняется только при переходе от лесотундры в южную тундру (табл. 4). В частности, зоофагов в южной тундре 85,6 % фауны, а миксофитофагов - 14,4 %. В остальных подзонах севера Русской равнины от южной тайги до лесотундры доля зоофагов составляет 73,0-75,5 %, а миксофитофагов 24,5-27,0 %.
Число вариантов жизненных форм жужелиц по ярусу обитания постепенно снижается с 17 в южной тайге до 10 в южной тундре. К северу стремительно понижается и видовая насыщенность жизненных форм. В частности, в южной тайге на одну жизненную форму приходится в среднем 14,3 вида, тогда как в южных тундрах этот показатель составляет только 4,9.
Со снижением теплообеспеченности территории постепенно сокращается разнообразие жужелиц, не связанных с почвой и подстилкой. В средней тайге, по сравнению с южной, отсутствуют фитобионты стеблевые (iOdacantha, Demetrias)-, в фауне жужелиц лесотундры отсутствуют фитобионты листовые (Lebia) и стратобионты подстилочно-подкорные (Dromius), обычные в северной тайге; в южных тундрах отсутствуют
эпигеобионты летающие (Cicindela). Таким образом, на севере жужелицы концентрируются в основном в подстилке и в верхних ярусах почвы.
Таблица 4. Состав жизненных форм жужелиц разных подзон севера Русской равнины____
Тайга Лесо- Южная
Жизненная форма Южная' Средняя Северная тундра тундра
5 Is, % S Is, % S Is, % S Is, % 5 Is, %
Зоофаги, всего: 183 75,31 139 75,54 124 74,1 54 72,97 42 85,6
фитобионт стеблевой 2 0,82 - - - - - - - -
фитобионт листовой 2 0,82 3 1,63 1 0,60 - - - -
эпигеобионт летающий 5 2,06 3 1,63 5 3,01 1 1,35 - -
эпигеобионт ходящий 19 7,82 8 4,35 8 4,82 5 6,76 6 12,2
эпигеобионт бегающий 7 2,88 7 3,80 7 4,22 5 6,76 3 в.'
стратобионт поверхн.-подстил. 69 28,40 60 32,61 54 32,53 23 31,08 15 30,6
стратобионт подстилочный 38 15,64 30 16,30 25 15,06 11 14,86 8 16,3
стратобионт подстилочно-почв. 15 6,17 12 6,52 11 6,63 4 5,41 3 6,1
стратобионт подстил .-подкорный 8 3,29 3 1,63 1 0,60 - - - -
стратобионт-скважник 4 1,65 1 0,54 1 0,60 1 1,35 2 4,1
стратобионт-эндогеобионт 1 0,41 - - - - - - - -
геобионт роющий 10 4,12 10 5,43 9 5,42 3 4,05 4 8,2
геобионт бегающе-роющий 2 0,82 2 1,09 1 0,60 1 1,35 1 2,0
псаммоколимбет прибрежный 1 0,41 - - - - - - - -
Миксофитофаги, всего: 60 24,69 45 24,46 56 25,90 20 27,03 7 143
стратобионт 1 0,41 2 1,09 2 1,20 - - - -
стратобионт-скважник 13 5,35 11 5,98 12 7,23 6 8,11 4 8,2
геохортобионт 46 18,93 32 17,39 29 17,47 14 18,92 3 6,1
Число жизненных форм, L 17 14 14 11 10
Число видов, S 243 184 166 74 49
SIL 14,29 13,14 11,86 6,73 4,90
Условные обозначения: 5 - число видов; /б, % - доля видов в сборах; по-Алалыкина, Целищева, 2002.
С юга на север сокращается число видов жужелиц, зарывающихся в почву. В южной тайге отмечено 14 видов геобионтов, в южной тундре их только 5 видов, при этом их доля в составе фауны тундр возрастает. В составе фауны жужелиц юга таежной зоны присутствуют стратобионты почвенные (¿аешол/елм5) и приводные псаммоколимбеты (ОторИгоп), не заходящие в среднюю тайгу.
Среди зоофагов число жизненных форм жужелиц по ярусному распределению постепенно сокращается от южной тайги к южной тундре, при этом доля подстилочных видов в составе фауны сохраняется. Среди миксофитофагов число видов геохортобионтов значительно сокращается при переходе от лесотундры и северной тайги в южные тундры. Это связано с тем, что фауна Арктики существенно обеднена видами трибы НаграНш,
которые на ряду с Атапш составляют основу этой жизненной формы. Из ПаграНш в тундру проникают только немногие мелкие виды /З/с/гегУо/п'сАги (подрод Огеодгеим^).
Таким образом, наиболее значимым фаунистическим рубежом на европейском Севере России оказывается граница тайги и лесотундры. Несмотря на изменение видового состава, хорологические (главным образом секторные) характеристики фауны сохраняются, тогда как набор экологических групп и спектры жизненных форм существенно меняются. Это свидетельствует о ландшафтных и экологических причинах наличия зонального барьера между тайгой и лесотундрой.
4.2. Закономерности биотопического распределения жужелиц в широтном градиенте
Широтные изменения в составе и структуре населения жужелиц зональных и интразональных биоценозов носят различный характер. Для зональных биоценозов Севера минимальное число видов жужелиц характерно для ельников северной тайги и тундр. Динамическая плотность жужелиц зональных биоценозов сохраняется на одинаковом уровне на протяжении всей таежной зоны и снижается при переходе из тайги в лесотундру и южную тундру. Минимальные показатели индексов видового разнообразия жужелиц характерны для ельников северной тайги, отличающихся высокой сомкнутостью древостоя и дефицитом тепла в напочвенном покрове.
Экологическая структура населения жужелиц зональных биоценозов сменяется в широтном направлении не линейно. По набору экологических групп жужелиц наиболее бедны ельники северной тайги. В них 75 % видов и 99 % численности жужелиц составляют лесные и лесоболотные виды. В ельниках средней тайги увеличивается доля эврибионтных и луговых видов. С продвижением на север от северной тайги к южной тундре возрастает разнообразие биотопических групп жужелиц в зональных биоценозах. В них появляются тундровые виды, много эвритопных, луговых и лесных видов.
Минимальные показатели числа видов и обилия миксофитофагов отмечены в зональных лесах северной тайги. К югу и к северу от северной тайги отмечено увеличение доли миксофитофагов. С юга на север сокращается разнообразие жизненных форм жужелиц и происходит изменение в их вертикальном распределении: подстил очно-почвенные виды сокращают свою численность вплоть до их исчезновения в лесотундре и южной тундре, снижается обилие эпигеобионтов. Одновременно в тундре возрастает обилие подстилочных и поверхностно-подстилочных форм. В лесотундре и южной тундре вследствие особенностей строения почв возрастает доля стратобионтов скважников и геобионтов бегающее-роющих.
Зональные изменения экологической структуры комплексов жужелиц интразональных биоценозов рассмотрены на примере лугов. С юга на север в зоне тайги не отмечается заметных изменений в числе видов, уловистости и видовом разнообразии жужелиц. Снижение перечисленных показателей отмечается при переходе из лесной зоны в лесотундровую и тундру. Вместе с тем, на лугах северной тайги отмечено изменение состава доминантных видов и, как следствие, экологической структуры: вместо луговых видов здесь доминируют эвритопные виды. При этом замещение луговых видов эвритопными происходит в составе одной жизненной формы (подстилочно-почвенные виды рода Poecilus заменяются видами из рода Pterostichus; геохортобионты из рода Harpalus замещаются видами рода Amara и Curtonotus). Подобные перестройки не сказываются на спектре населения жужелиц по ярусам обитания. В лесотундровой зоне по сравнению с северной тайгой доля эвритопных видов на лугах еще больше возрастает, при этом в составе жизненных форм исчезают подстилочно-почвенные виды. Наконец, на лугах южной тундры доля луговых видов вновь возрастает, что приводит к частичному восстановлению лугового облика населения жужелиц, вместе с тем подстилочно-почвенные виды замещаются геохортобионтами.
В зональном аспекте наиболее существенные перестройки состава и структуры сообществ жужелиц происходят на лугах, расположенных на границе лесной и тундровой зон.
Таким образом, видовое богатство отдельных локальных фаун жужелиц на Севера определяется преимущественно населением интразональных сообществ. Наиболее велико значение интразональных карабидокомплексов в области фаунистичсского рубежа тайги и лесотундры, где они определяют до 4/5 видового состава.
В зоне наиболее выраженного фаунистического рубежа происходит исчерпание граничных зональных фаун (таежной и тундровой соответственно), при возрастании вклада видов интразональных сообществ, следствием чего являются значительные изменения в экологической структуре карабидокомплексов.
4.3. Экологические механизмы формирования карабидокомплексов зональных н интразональных биоценозов в широтном градиенте
Основу населения жужелиц зональных сообществ тайги и тундры составляют типичные лесные или тундровые виды жужелиц, соответственно. Вместе с тем, в средней и, особенно, в южной тайге в зональные леса проникают виды открытых пространств. Это приводит к повышению видового и экологического разнообразия жужелиц. Однако уже в северной тайге виды открытых пространств, в силу высокой сомкнутости древостоя и затененности напочвенного яруса, практически не проникают. Их находки единичны и могут считаться случайными.
В лесотундре и южной тундре участки водоразделов заняты однотипными сообществами - ерниковыми тундрами. Однако в лесотундре, в силу малой представленности арктических видов, тундровые карабидокомплексы формируются в основном лесными и эврибионтными жужелицами. В южных тундрах доля тундровых видов в формировании зональных ерниковых тундр возрастает, хотя участие лесных видов жужелиц сохраняется довольно высоким.
Таким образом, в широтном аспекте происходит смена источников формирования населения жужелиц зональных ценозов. Так, на юге таежной зоны к лесным видам присоединяются виды открытых пространств. В средней и северной тайге они формируются в основном за счет лесных видов. В лесотундровой зоне плакорные тундровые биогеоценозы формируются за счет представителей лесной фауны, а в южных тундрах арктическими тундровыми и полизональными лесными и опушечными видами жужелиц, способными к смене стаций. В частности, некоторые лесные (Amara brunnea) и опушечные виды (Cymmdis vaporariorum) этого семейства в Заполярье обитают в зональных ерниковых тундрах; д ругие лесные виды, проникающие в южную тундру, заселяют уже азональные стации. Например, Pterostichus oblongopunctatus, в южных тундрах приурочен к болотам, расположенным в котловинах.
В отличие от зональных биоценозов, население жужелиц лугов в составе лесной зоны характеризуется высоким сходством видового состава и экологической структуры. В частности, луга зоны широколиственных лесов и в Брянской области (Булохова, 1995) и в средней тайге Архангельской области (собственные данные) характеризуются преобладанием таких видов, как Poecilus versicolor, Amara аепеа и некоторых других. Однако уже в северной тайге и лесотундре многие типичные луговые виды сокращают свою численность на лугах или отсутствуют. Вместо них в составе населения преобладают эвритопные виды (Филиппов, Зезин, 2004, 2005, 2006). В южной тундре доля луговых видов постепенно возрастает по сравнению с лесотундровой зоной за счет луговых арктических видов.
Таким образом, в механизмах формирования жужелиц лугов прослеживаются иные закономерности, чем в зональных сообществах. Главную роль в комплектовании видового состава жужелиц лугов играют виды открытых пространств. В лесной зоне - это преимущественно луговые виды умеренной зоны, в тундре - луговые голарктические виды. В северной тайге и лесотундре при сокращении луговых видов луга заселяют эвритопные виды. Перестройки видового состава жужелиц лугов на севере в пределах лесной зоны происходят в одной жизненной форме, что не сказывается на спектрах ярусного распределения (Филиппов, Зезин, 2006).
В целом, зональные биоценозы от средней тайги до южной тундры отличаются низкими значениями видового богатства и разнообразия. Максимум таксономического разнообразия и обилия жужелиц на Севере характерен для интразональных сообществ. В средней и северной тайге, а
также в лесотундре максимальные значения уловистости установлены для пойменных лесов, а наибольшее число видов жужелиц отмечено на лугах. В южных тундрах, в связи с отсутствием пойменных лесов и крупных лугов, наибольшие показатели обилия жужелиц отмечены на болотах.
Одна из причин большего видового богатства интразональных ландшафтов состоит в распространении на Север ряда жужелиц по пойменным сообществам, в том числе и антропогенного происхождения. В лесотундровой зоне, как и в северной тайге, в пойменных лесах обитают виды южного происхождения (СагаЬт gra.nu.latm, СиПопоШ аиИсиз). Лесные виды жужелиц, способные к изменению биотопического предпочтения, на Севере выбирают биоценозы с более мягким микроклиматом, чаще всего это разреженные пойменные олуговелые леса и луга. В частотности на лугах лесотундровой зоны нередки такие типичные лесные виды, как СусЬгиз со.го.Ьохд.вв и .
Антропогенное преобразование территории способствует расширению таксономического разнообразия разных локальных фаун в составе северной тайги. На малонарушенной территории Пинежского заповедника отмечено 102 вида жужелиц. На территории дельты Северной Двины, испытывающей сильное антропогенное преобразование, собрано 154 вида жужелиц. В черте Архангельска на пустырях, бурьянах и залежах отмечено 78 видов, некоторые из которых не встречаются в естественных биоценозах северной тайги. Э то способствует расширению списка видов данной локальной фауны.
Таким образом, соотношение зональных и азональных карабидокомплексов заметно меняется в широтном градиенте. Если в средней и южной тайге виды интразональных сообществ могут проникать в плакорные зональные ассоциации, то на севере тайги они оказываются строго ограничены типичными для них стациями.
Смена стаций при проникновении на Север явление единичное, причем зональные таежные виды могут переходить к обитанию как в зональной тундре, так и в азональных болотистых стациях, и интразональных - лугах.
В составе интразональных сообществ, таких как луга, меняется набор доминантных видов, причем ведущая роль может принадлежать как зональным, так и полизональным видам. Хотя видовое богатство этих сообществ в широтном градиенте от средней тайги до южной тундры уменьшается почти в 5 раз, луга служат своеобразным коридором, по которому жужелицы способны проникать на Север, обогащая состав локальных фаун.
Однако в обоих типах сообществ продвижение на Север аллохтонных видов обусловлено не столько сменой биотопических предпочтений, сколько модификацией циклов развития и демографической структуры популяций, чему посвящена следующая глава.
Глава 5. Демографические и эколого-морфологические адаптации жужелиц на севере Русской равнины 5.1. Типы жизненных циклов жужелиц и их реализация в разных подзонах
Для 60 видов (28 %) из 216 видов жужелиц, собранных на территории севера Русской равнины, детально описаны жизненные циклы (Филиппов, 1999, 2006а, 20066,2007а, 20076; Шарова, Филиппов, 1999, 2002,2003).
В общей сложности отмечено 6 вариантов жизненного цикла: одногодичный с раннелетним размножением - 1 рЛ, одногодичный с позднелетним размножением - 1 пЛ, факультативно-двухгодичный с летним размножением - (2) Л, факультативно-двухгодичный с раннелетним размножением - (2) рЛ, облигатно-двухгодичный с раннелетним размножением — 2 рЛ, облигатно-двухгодичный с позднелетним размножением - 2 пЛ (табл. 5). В отличие от центральной Европы, в районе исследований у всех видов жужелиц размножение происходит в течение только летних месяцев. В связи с укорочением вегетационного сезона, виды с одногодичным жизненным циклом, размножающиеся в центральных частях Европы в первой половине сезона, на севере становятся раннелетними (размножение в июне-июле), а виды, размножающиеся во второй половине вегетационного сезона - позднелетними (размножение в июле-августе).
Ниже рассматриваются варианты жизненных циклов, характерные для жужелиц севера Русской равнины.
Одногодичный жизненный цикл с раннелетним размножением (рис. 3) сформировался на основе весеннего типа развития с зимовкой неполовозрелых (и мматурных и постгснсративных) имаго. Размножение у таких видов происходит в начале сезона. В течение лета в популяциях развиваются личиноки. Во второй половине сезона появляется молодое поколение жуков, вначале ювенильных, потом - имматурных, которые уходят на зимовку и приступают к размножению в начале следующего сезона.
Вегетационный сезон
Iii» J""' - ' 1—1-1- Em
Гь—1 niii 1_1
I п ш rv' v vi та vnr к х xi хп
Рисунок 3. Схема одногодичного жизненного цикла с раннелетним размножением ц а примере Carabus granulatus в северной тайге. По горизонтальной шкале - месяцы; lim -зимующие имматурные имаго, темный прямоугольник - период размножения, белый прямоугольник - период появления жуков нового поколения. Серый фон - период зимовки (среднесуточные температуры менее +5 °С).
Таблица 5. Жизненные циклы жужелиц севера Русской равнины (начало)
Подзона
Вид Средняя Северная Лесо- Южная
тайга тайга тундра тундра
Pelophila borealis (Paykull, 1790) 1 рЛ 1 рЛ 1 рЛ? ?
Leistus ferrugineus (Linnaeus, 1758) 1 пЛ - - -
Leistus terminatus (Hellwig in Panzer, 1793) 1 пЛ 1 пЛ 1 пЛ 1 пЛ
Nebria rufescens (Ström, 1768) - ? 2 рЛ 2 рЛ
Notwphilus aquaticus (Linnaeus, 1758) 1 пЛ ? 1 рЛ? 1 рЛ
Notiophilus germinyi Fauvel, 1863 1 рЛ? ? 1рЛ? 1 рЛ
Notwphilus biguttatus (Fabricius, 1779) 1 рЛ? 1 рЛ? - -
Carabus granulatus Linnaeus, 1758 1 рЛ 1рЛ 1 рЛ? -
Carabus mtens Linnaeus, 1758 1 рЛ 1рЛ 1 рЛ 1 рЛ
Carabus glabratus Paykull, 1790 2 рЛ 2 рЛ 2рЛ 2рЛ
Carabus cturolimbatiis Dsjcsii, 1929 . 2 пЛ - -
Carabus schoenhem Fischer von Waldheim, 1823 2 рЛ 2 рЛ? - -
Carabus ermaki Lutshnik, 1924 . - - 2 рЛ
Cychrus caraboides (Linnaeus, 1758) 2рЛ 2 рЛ 2 рЛ 2 рЛ
Diacheila polita (Faidermann, 1835) - - - 2л
Diacheila arctica (Gyllenhal, 1810) - - 1 рЛ? 1 рЛ
Elaphrus lapponicus Gyllenhall, 1810 - - 1 рЛ 1рЛ
Elaphrus cupreus Duftschmid, 1812 1рЛ 1рЛ 1 рЛ -
Elaphrus riparius (Linnaeus, 1758) 1 рЛ 1рЛ 1рЛ -
Loricera pilicornis (Fabricius, 1775) 1 рЛ 1 рЛ 1 рЛ 1 рЛ
Clivinafossor (Linnaeus, 1758) ? 1рЛ? 1 рЛ 1 рЛ?
Broscus cephalotes (Linnaeus, 1758) 2 пЛ 2 рЛ - -
Miscodera arctica (Paykull, 1798) ? - 2 рЛ? 2 рЛ
Trechus rivularis Gyllenhal, 1810 1 пЛ 1 пЛ - -
Trc'ch'js secojis PsyVijH, 1790 1 пЛ 1 пЛ - -
Bembidwn fellmanni (Mannerheim, 1823) - - - 2 рЛ
Bembidion hash C.R. Sahlberg, 1827 - - - 2 рЛ
Patrobus assimilis Chaudoir, 1844 ? 2 рЛ 2 рЛ 2 рЛ
Patrobus atrorufus (Strom, 1768) ? 2 рЛ 2 рЛ -
Patrobus septentrioms Dejean, 1828 - ? 2 рЛ? 2 рЛ
Poecilus versicolor Sturm, 1824 1рЛ 1 рЛ 1рЛ -
Poecilus lepidus (Leske, 1785) 2 рЛ 2 рЛ - -
Pterostichus rtiger (Schaller, 1783) 2рЛ 2 рЛ 2 рЛ? -
Pterostichus strenuus (Panzer, 1797) 1 рЛ 1 рЛ - -
Pterostichus brevicornts (Kirby, 1837) - 2 пЛ 2 пЛ 2 пЛ
Pterostichus mannerheimi (Dejean, 1831) - 2 рЛ - -
Pterostichus oblongopunctatus (Fabricius, 1787) 1рЛ 1 рЛ 1 рЛ? 1 рЛ?
Pterostichus melanarius (Illiger, 1798) 2 рЛ 2 рЛ - -
Calathus melanocephalus (Linnaeus, 1758) (2) Л 2 рЛ 2 рЛ 2 рЛ
Calathus micropterus (Duftschmid, 1812) (2) Л 2 рЛ 2 рЛ? -
Calathus erratus C.R. Sahlberg, 1827 1 пЛ 7 - -
Agonum ericeti (Panzer, 1809) 1рЛ? 1рЛ 1 рЛ -
Agonum constmile (Gyllenhal, 1810) 1 рЛ 1 рЛ 1рЛ 1рЛ
Agonum alpinum Motschulsky, 1844 - 1рЛ? 1 рЛ -
Agonum fuliginosum (Panzer, 1809) 1 рЛ 1 рЛ 1 рЛ 1 рЛ
Platynus assimilis (Paykull, 1790) 1 рЛ? 1 рЛ 1 рЛ -
Amara aenea (De Geer, 1774) 1 рЛ - - -
Таблица 5. Жизненные циклы жужелиц севера Русской равнины (продолжение)
Подзона
Вид Средняя Северная Лесо- Южная
тайга тайга тундра тундра
Amara communis (Panzer, 1797) 1 рЛ 1 рЛ ?
Amara montivaga Sturm, 1825 1 рЛ 1 рЛ? - -
Amara nitida Sturm, 1825 1 рЛ 1 рЛ -
Amara ovata (Fabricius, 1792) 1 рЛ 1 рЛ - -
Amara brunnea (Gyllenhal, 1810) 2 рЛ? 2 рЛ 2 рЛ 2 рЛ
Amara quenseli (Schönherr, 1806) ? ? 2рЛ? 2 рЛ
Amara ingenua (Duftschmid, 1812) 1 пЛ? 1 пЛ? - -
Curtonotus aulicus (Panzer, 1797) 2 рЛ 2 рЛ 2 рЛ -
Curtonotus lorridus (Panzer, 1797) 9 2 рЛ 2 рЛ ?
Curtonotus alpinus (Paykull, 1790) - - 2 рЛ? 2 рЛ
Harpalus rufipes (De Geer, 1774) (2) Л? 2 рЛ - -
Harpalus affinis (Schrank, 1781) (2) рЛ? ? - -
Cymindis macularis Fischer von Waldheim, 1824 ? ? 2 рЛ? 2 рЛ
Cymindis vaporariorum Linnaeus, 1758 2рЛ? 2 рЛ 2 рЛ 2 рЛ
Число 1 рЛ 20 20 18 10
Число 1 пЛ 7 4 1 1
Число (2) Л 3 - - -
Число (2) рЛ 1 - - -
Число 2 рЛ 9 16 17 15
Число 2 пЛ 1 2 1 2
Условные обозначения: 1 рЛ - одногодичный с раннелетним размножением, 1 пЛ -одногодичный с позднелетним размножением, (2) Л - факультативно-двухгодичный с летним размножением, (2) рЛ - факультативно-двухгодичный с раннелетним размножением, 2 пЛ - облигатно-двухгодичный с позднелетним размножением, 2 рЛ -облигатно-двухгодичный с раннелетним размножением, ? - параметры жизненного цикла неизвестны или вызывают сомнения, "-" вид отсутствует в сборах.
Одногодичный жизненный цикл с позднелетним размножением.
(рис. 4) на Севере формируется на основе осеннего типа развития. У видов с данным типом жизненного цикла зимуют личинки старших возрастов. В первой половине сезона они заканчивают преимагинальное развитие и окукливаются. С появлением жуков нового поколения в популяциях начинается период размножения, который обычно приходится на вторую половину лета.
Вегетационный сезон _
L3 L3
i
i п ш XV V vi та \тп к х п и
Рисунок 4. Схема одногодичного жизненного цикла с позднелетним размножением на примере ТгесЫв хесаШ в северной тайге. Усл. обозначения - ЬЗ - зимующие личинки третьего возраста. Остальные обозначения - как на рис. 2.
Двухгодичные варианты жизненных циклов.
Для облигатно-двухгодичного цикла с раннелетним размножением
характерны две зимующие фазы онтогенеза. Первая зимовка проходит на стадии личинки третьего возраста. После завершения примагинального развития летом следующего года молодое поколение жуков уходит на вторую зимовку в неполовозрелом состоянии и приступает к размножению только во второе лето их жизни (рис. 5).
Вегетационный сезон
Вт ш
I 1 1ш1
1 1
Т-1--1-1-1-'т-г
I п ш гг V VI та ип IX х XI хп
Рисунок 5. Схема облигатно-двухгодичного жизненного цикла с раннелетним размножением на примере СагаЬиз glabratus в северной тайге. Усл. обозначения - как на рис. 2 и 3.
Облигатно-двухгодичный жизненный цикл с позднелетним размножением на Севере характеризуется зимовкой как личинок, так и неполовозрелых имаго и размножением во второй половине сезона (в июле-августе) при сокращающейся длине дня (рис. 6). После размножения зимовавших жуков к концу теплого сезона в популяциях таких видов успсвают развиться только личинки старших возрастов. Они зимуют и в следующем сезоне завершают преимагинальное развитие. В середине лета от них появляются молодые имаго, которые уходят на зимовку не приступая к размножению. Переход в генеративное состояние отмечается только в следующем сезоне после летней эстивации.
Вегетационный сезон
Ьт
8........ШИ
1 | Км 1 1 ■ ■— 1
1 1
I п ш IV V та \тп к х XI хп
Рисунок 6. Схема облигатно-двухгодичного жизненного цикла с позднелетним размножением на примере СагаЬия аигоНтЪаШз в северной тайге. Усл. обозначения - см. рис. 2 и 3.
Факультативно-двухгодичный жизненный цикл с летним размножением сводится к тому, что часть особей в популяции развивается по одногодичному варианту с позднелетним размножением и зимовкой
личинок, а другая часть - по двухгодичному варианту с раннелетним размножением с двумя зимовками: на фазе личинок и имматурных имаго (рис. 7). Совмещение сроков репродукции двух групп особей приводит к размножению популяции в течение всего календарного лета. Такой вариант жизненного цикла диагностируется по длительному размножению в сочетании с двумя периодами появления молодого поколения в сезоне. В связи с наличием в составе популяции двух групп особей, различающихся сезонной цикликой развития, такие виды предложено называть поливариантными (Маталин, 2006).
Вегетационный сезон
2 рЛ
1 пЛ
1ии
■*ЬЗ
-О-
о
3
11ш
ьз-
I П Ш IV V и УН МП к X XI хп
Рисунок 7. Схема факультативно-двухгодичного цикла с летним размножением на примере Са/аГ/гг« те1апосерИа1ия в средней тайге. Усл. обозначения - 2 рЛ - двухгодичное развитие с раннелетним размножением, 1 пЛ - одногодичное развитие с позднелетним размножением, остальные обозначения как на рис. 2 и 3.
5.2. Географическая изменчивость жизненных циклов жужелиц
Изучение развития жужелиц в зональном аспекте показало, что у одних видов жизненные циклы остаются консервативными, тогда как у других подвержены изменению.
У всех весенних полизональных видов жужелиц сохраняется тип жизненного цикла, свойственный им в центральных частях ареала. Этому способствует ряд физиологических адаптации. Нами впервые показано, что на Севере происходит сокращение времени перехода в половозрелое состояние в начале сезона, вне зависимости от систематического положения и экологических особенностей вида. При этом у большинства "весенних" видов напочвенная активность отмечается сразу после схода снежного покрова и устойчивого перехода среднесуточных температур выше +5 °С. В умеренной зоне начало напочвенной активности у жужелиц и переход в репродуктивное состояние имаго происходит значительно позднее.
Сокращению периода перехода в генеративное состояние способствуют физиологические особенности у особей северных популяций полизональных видов. В Заполярье у многих широко распространенных видов жужелиц в конце сезона отмечено значительное развитие жирового тела. При вскрытии особей, собранных в южной тундре, у самок и самцов
жира было настолько много, что это затрудняло определение возрастного состояния. На примере арктического Pterostichus brevicornis было доказано, что жировые отложения, накопленные перед зимой, способствуют более быстрому созреванию особей в период зимовки и в начале следующего сезона (Kaufmann, 1974). Интересно, что у весенних видов накопление жиров начинается у половозрелых особей уже в конце периода размножения. Таким образом, подготовка к зимовке у постгенеративных имаго начинается в конце периода размножения, т.е. в первой половине лета. Вторую половину сезона имаго не активны. У молодого поколения жировое тело начинает формироваться сразу после перехода в имматурное состояние.
Следующее изменение связано с сокращением на Севере периода размножения у весенних видов с летними личинками, что детально изучено на примере Carabus granulatus (Филиппов, 2006а). В северной тайге половозрелые самки встречаются в ппироде на протяжении трех декад, в то время как в зоне широколиственных лесов генеративные особи данного вида встречаются с июня до августа (Васильева, 1978) (рис. 8). У других весенних видов нами отмечено аналогичное сокращение периода откладки яиц на севере ареала.
У большинства изученных нами весенних видов период размножения в северной тайге длится около 4 декад, а в южных тундрах он сокращается до трех (Шарова, Филиппов, 2003; Филиппов, 2006а, 2007а). Сокращение периода размножения на Севере обусловлено сокращением сезона и тем, что преимагинальное развитие заканчивают только те личинки, которые появились из яиц, отложенных в самом начале сезона.
Малая длительность периода размножения синхронизирует развитие преимэгинальных стадий и способствует одновременному появлению молодой когорты жуков во второй половине сезона. Однако сокращение сроков яйцекладки сказывается и на количестве отложенных самками яиц, а, следовательно, и на численности появившихся от них личинок и молодых жуков. Сокращение периода репродукции компенсируется увеличением продолжительности жизни имаго. В результате в размножении одновременно участвуют имаго нескольких генераций, что способствует сохранению репродуктивного потенциала популяции.
В заполярных популяциях Carabus nitens среди самок около 50% составляют повторно размножающиеся особи (Филиппов, 2007). Известно, что многие виды Carabus живут более одного года. В южных тундрах имаго С. henningi живут 3-4 года (Коробейников, 1982), а самки С. truncaticollis живут в Заполярье до 4 лет (Рябицев, 1995). Высокая доля повторно размножающихся особей в северных популяциях жужелиц рассматривается как адаптация к обитанию в Субарктике (Коробейников, 19846).
1Ш1 -штш—\ \- Вт
11111 |||||||))1№||М|||)|| ,-! 1к1
I П Ш IV V VI \и \тп к X XI хп Рисунок 8. Географическая изменчивость жизненного цикла СагаЬил-§гапи1а1ш (А - Архангельск, северная тайга; Б - Брянск, широколиственные леса, по: Васильева, 1978).
Таким образом, долгая жизнь имаго и многократная повторная репродукция, при сокращении периода размножения, обеспечивают высокую численность размножающихся особей у весенних видов жужелиц.
У осенних видов с зимними личинками и моновариантным жизненным циклом на Севере сохраняются основные параметры фенологии. У эвритопного ТгесИия яесаШ окукливание и появление нового поколения в центральной Европе и северной тайге Архангельской области происходит примерно в одни и те же сроки - в июне - начале июля (рис. 9). Периоды максимальной напочвенной активности и размножения в разных частях ареала этого вида также близки (Ьагезоп, 1939; собственные данные по средней и северной тайге).
У другого осеннего вида - ЬеЫШ ¡егпгтаШ на Севере также сохраняются сроки активности, свойственные ему в других частях ареала. В Дании размножение этого вида отмечается в июле-августе (ЬагеБоп, 1939). По нашим данным, как в северной тайге, так и в южной тундре Ь. гегттат также активен в июле-августе, когда происходит его размножение. Выход нового поколения имаго отмечен в начале июля.
В целом у видов с одногодичным осенним вариантом развития на Севере сохраняются базовые параметры жизненного цикла: размножение происходит в конце лета - начале осени, а продолжительность репродуктивного периода на северном пределе распространения такая же, как и в основной части ареала. Это обусловлено тем, что у осенних видов личинки способны развиваться при низких положительных температурах.
L 3 -1 LT 1 L3
L3 —| ' | " - - L3
Л-1-г-1-1--—-1-г
I П ш IV V VI VH \ТП к X XI хп
Рисунок 9. Географическая изменчивость жизненного цикла Trechus secalis (А - Архангельск, северная тайга; Б - Дания, по: Larsson. 1939).
У поливариантных видов с осенним размножением, способных переходить на двухлетний жизненный цикл, на Севере отмечаются следующие изменения в развитии (рис. 10). В южной и центральной Европе развитие Calathus melanocephalus происходит в течение одного вегетационного сезона (Larsson, 1939), при этом период размножения начинается в конце лета и заканчивается осенью с максимумом в сентябре (Schjeftz-Christensen, 1965; Kabacik-Wasylik, 1970; Boer, van Dijk, 1996), либо происходит зимой и заканчивается в апреле (Gilbert, 1956). В некоторых случаях молодые имаго и старые жуки размножаются в разные сроки (Dijk, 1972), что удлиняет период яйцекладки. В Фенноскандии происходит не только смещение периода размножения на середину лета, но и переход к двухлетнему жизненному циклу (Lindroth, 1992; Forssk&l, 1972).
По нашим данным, в средней тайге Архангельской области у этого вида отмечен поливариантный факультативно-двухгодичный жизненный цикл: одна часть популяций развивается по одногодичному варианту с позднелетним размножением, другая - по двухгодичному с раннелетним размножением. В северной тайге и южной тундре Европейской части России, для С. melanocephalus характерен облигатно-двухгодичный цикл с максимальной активностью в середине лета.
При анализе разных вариантов развития в средней тайге, где у этого вида отмечается совмещение одногодичного и двухгодичного циклов, заметно, что при однолетнем жизненном цикле с позднелетним размножением сохраняются сроки и продолжительность размножения особей, свойственные виду в умеренных широтах. Часть популяций, развивающаяся в течение двух лет, изменяет сроки размножения со второй половины лета на первую.
1ии
413
Шп
г
2 рЛ 1 пЛ
->ЬЗ
ьз
■о-
ЬЗ-
11111
ьз
Э
Шп
-о-
ьз
]
Ит
ЬЗ'л
ьз
та \тп
к
XI
хп Месяц
Рисунок 10. Географическая изменчивость жизненного цикла Са/а//ш,у те1апосерка1из. (А - п-ов Канин, южная тундра; Б - Архангельская область, северная тайга; В - Архангельская область, средняя тайга; Г - Дания, по: ЬагБЗОп, 1939; 1 пЛ - одногодичный цикл с позднелетним размножением, 2 рЛ - двухгодичный цикл с раннелетним размножением. Остальные обозначения как на рис. 2 и 3).
Продолжительность размножения у видов с двухгодичным жизненным циклом на Севере дольше, чем у одногодичных с раннелетним размножением. Личинки этих видов могут зимовать на разных стадиях и способны развиваться более длительный период до и после зимовки, а, следовательно, период яйцекладки может не изменяться в северных популяциях.
У видов с двухгодичным жизненным циклом на Севере может отмечаться увеличение доли имаго, живущих более одного года. Различия в доле старых и молодых самок в популяциях этих видов связаны с изменением продолжительности периода размножения. У Ргегояй'с/гая те1апапш период размножения в зоне широколиственных лесов составляет 10-13 декад (Шарова, Денисова, 1997), в северной тайге - 5-6 декад (Шарова, Филиппов, 2003). В Чехии доля особей старше одного года в популяции 1,63% (Лоуда, 1985). В северной тайге этот показатель достигает 21,6% (Шарова, Филиппов, 2003). Таким образом, сокращение периода
размножения компенсируется возрастанием в популяции доли старых особей.
У Calathus melanocephalus к северу доля старых особей постепенно снижается. В Европе на островах Северного моря 50-80 % половозрелых самок в популяциях вида относятся к старому, зимовавшему поколению при одногодичном жизненном цикле (van Dijk, 1972). В средней тайге Архангельской области по нашим данным 53,2 % самок этого вида размножаются как минимум во второй раз. При этом жизненный цикл реализуется как факультативно-двухгодичный. В южной тундре у С. melanocephalus отмечен облигатно-двухгодичный жизненный цикл, а доля повторно размножающихся самок в популяции составляет лишь 31,3%. У этого вида при сокращении доли повторно размножающихся особей сроки размножения максимальны в северной тайге. В зоне хвойно-широколиственных лесов продолжительность размножения этого вида составляет 6 декад (Хотулева, 1997), в северной тайге - 10 декад (Филиппов, 20066), а в южных тундрах - 7 декад (Филиппов, 20076).
Географическая изменчивость жизненных циклов полизональных видов жужелиц в условиях Севера сводятся к нескольким вариантам.
Виды с исходно весенним размножением не изменяют тип жизненного цикла в тайге и тундре по сравнению с центральной Европой, за исключением того, что их активность и размножение становится раннелетней вместо весенней. Для них на всем ареале характерен облигатный одногодичный жизненный цикл с размножением в первой половине вегетационного сезона, с зимующим имаго и летними личинками. Однако в средней тайге Архангельской области у Harpalus affinis отмечен факультативно-двухгодичный жизненный цикл, характерный для вида и в более южных районах (Маталин, 1998).
У жужелиц с исходно одногодичным жизненным циклом и осенним размножением на Севере наблюдается несколько вариантов изменения развития в сезоне.
У части из них на северной границе распространения сохраняется такой же жизненный цикл, что и в центральной части ареала. У них зимует личинка, а размножение происходит во второй половине сезона. В связи с тем, что на Севере сроки размножения у этих видов приходятся на вторую половину лета, фенологически эти виды могут характеризоваться как позднелетние.
Большинство видов с исходно осенним размножением и зимующими личинками на Севере переходят к двухлетнему развитию. При этом сроки размножения различаются у видов с эстивацией имаго и без него. Виды жужелиц, у которых отсутствует фотопериодическая регуляция перехода в половозрелое состояние, приступают к размножению в начале сезона, то есть при длинном дне. Переход от одногодичного осеннего к облигатно-двухгодичному жизненному циклу с раннелетним размножением на Севере отмечен у 22 видов жужелиц. В месте перехода от одногодичного к двухлетнему циклу при равных долях особей в популяциях с двумя
вариантами развития в природе отмечается факультативный двухгодичный жизненный цикл.
При наличии фотопериодической регуляции перехода в половозрелое состояние у одногодичных осенних видов в северных популяциях формируется облигатно-двухгодичный жизненный цикл с позднелетним размножением. Таких видов немного (СагаЬш аигоИтЪаЫя в северной тайге Архангельской области).
5.3. Зональные спектры жизненных циклов жужелиц на севере Русской равнины
С юга на север наблюдается снижение доли видов с летними личинками и возрастание доли видов с зимующими личинками (рис. 11). Наиболее существенны эти изменения при переходе от лесотундры к южным тундрам.
100% 80% 60%
40%
20%
0%
Рисунок 11. Зональные изменения в спектрах типов развития жужелиц севера Русской равнины. Ь - виды с зимующей личинкой, I - виды с летней личинкой; СрТг - средняя тайга, СевТг - северная тайга, ЛТ - лесотундра, ЮТн - южная тундра.
Кроме того, в северном направлении сокращается доля видов с одногодичным жизненным циклом и возрастает - с двухгодичным (рис. 12). Только в средней тайге в составе фауны отмечены виды с факультативно-двухгодичным жизненным циклом, который является переходным от одногодичного к облигатно-двухгодичному.
Следует отметить, что к северу доля видов с зимующими имаго сокращается в значительно большей степени (на 50 %), чем доля видов с одногодичным жизненным циклом (на 37 %) (рис. 12).
С юга на север отмечены изменения числа видов жужелиц с разным типом жизненного цикла. В южной тундре, лесотундре и северной тайге у жужелиц выявлено 4 варианта жизненных циклов, а в средней тайге - 6. В средней тайге преобладают виды с одногодичным жизненным циклом и
■ ■ | |
СрТг СевТг ЛТ ЮТн
раннелетним размножением (рис. 12). С продвижением на север их доля постепенно сокращается. Одновременно возрастает доля видов с двухгодичным жизненным циклом и раннелетним размножением. Аналогично с севера на юг сокращается доля видов с одногодичным жизненным циклом и позднелетним размножением.
СрТг СевТг ЛТ ЮТн
Рисунок 12. Зональные изменения в спектрах жизненных циклов жужелиц севера Русской равнины. Условные обозначения: 1 - одногодичный жизненный цикл, 2 - облигатно-двухгодичный жизненный цикл, (2) -факультативно-двухгодичный жизненный цикл, pJI - раннелетнее размножение, пЛ - позднелетнее размножение, Л — летнее размножение. Остальные обозначения как на рис. 11.
Ранее неоднократно отмечалось возрастание доли "осенних" видов в фаунах жужелиц севера Европы по сравнению с более южными регионами (Thiele, 1977; Lindroth, 1992). Одно из объяснений таких географических изменений основано на предположении, что личинки Carabidae более устойчивы к гипоксии по сравнению с имаго в период весеннего паводка (Paarmann, 1969; Lindroth, 1992 b).
Позднее было показано, что у многих одногодичных осенних видов жужелиц на Севере наблюдается двухлетний жизненный цикл (Houston, 1981; Refseth, 1984, 1986). Таким образом, наличие у вида зимующей личинки и имматурного имаго - предпосылка к формированию на севере ареала двухлетнего жизненного цикла, что обеспечивает более широкое распространение осенних видов в приполярных и заполярных районах.
Сведения по изменению жизненных циклов позволяют судить о влиянии модификации жизненного цикла на колонизацию жужелицами высоких широт. По нашим данным, для 25 % видов преодоление северного рубежа каждой зоны или подзоны обусловлено изменением жизненного цикла (рис. 13).
S 40
|
35 1 30 25 20 15 i 10 5 • 0
Рисунок 13. Зональные изменения соотношения видов с консервативным и модифицированным жизненным циклом на севере Русской равнины. СевТг -северная тайга, JIT - лесотундра, ЮТн - южная тундра.
Закономерности изменения спектров жизненных циклов жужелиц севера Русской равнины сводятся к следующему.
1. Жизненные циклы жужелиц с исходно весенним размножением и летними личинками оказываются консервативными. В данном случае наблюдается только смещение периода размножения на более поздние сроки (начало лета). Весенние виды, не способные завершить свое развитие в течение сезона, выпадают из состава фауны региона.
2. У "осенних" видов с зимующими личинками отмечается постепенный переход к двухлетнему жизненному циклу, как это показано на примере Calathus melanocephalus.
3. От средней тайги к южной тундре число вариантов жизненных циклов у жужелиц сокращается незначительно, однако меняется их долевое соотношение. В Заполярье явно преобладают только два варианта развития: облигатно-двухгодичный жизненный цикл с раннелетним размножением и одногодичный жизненный цикл с раннелетним размножением.
5.4. Внутривидовая географическая изменчивость морфологических и репродуктивных параметров жужелиц на Севере
Перечисленные выше компенсационные механизмы не ограничиваются изменением сроков размножения и перестройками возрастной структуры популяций. На Севере у видов с широкими ареалами наблюдаются закономерные изменения размеров тела, а также числа яиц у половозрелых самок.
СрТг-СевТг СевТг-ЛТ ЛТ-ЮТн В Общих видов
В Консервативный жизненный цикл 0 Измененный жизненный цикл
Для анализа полученных результатов 18 исследованных видов сгруппированы: по типу питания (неспециализированные хищники, коллемболофаги, миксофитофаги), по срокам размножения (виды с раннелетним размножением и летними личинками, виды с позднелетним размножением и зимующими личинками) и по длительности жизненного цикла (одногодичные и двухгодичные).
Среди хищных видов жужелиц с одногодичным жизненным циклом и раннелетним размножением у 2 видов (Carabus nitens, С. granulatus) самки и самцы на севере мельче (однофакторный дисперсионный анализ: С. nitens: самки F= 5,5; df=\, 131; р<0,02; самцы: Я=10,3; dß=l, 381; р<0,001; С. granulatus: самки F=28,95; df=\, 33; /><0,001; самцы: F=13,95; df=\, 38; р<0,001;). У другого вида - Agonum fuliginosum мельчают только самки (F=4,69; df= 1,256; р<0,03), а размеры самцов достоверно не изменяются.
Л ГГПИ» 1ГИ /îj/irrj'n/1 rtfm OTÏ # OITÖirr» THÖmiO f»nû ттиагл Т1Т1ЛП1 CTTJTT D
J ii^L/f 1И11» J II tv/t) «Л/»» U JL 1UV "IWliW Wtfl\|/Uli^villiv bpv^iiwj V/ IIIV^IU /1111Д и
яичниках y самок (F=3,86; df= 3, 301; /?<0,01), y Carabus granulatus число яиц достоверно возрастает (F=9,20; df= 1,39; /><0,01).
У 2/3 исследованных хищных видов жужелиц с одногодичным жизненным циклом и раннелетним размножением абсолютные размеры яиц не изменяются на фоне уменьшения размеров самок и сокращения числа яиц. Лишь у Carabus granulatus число яиц достоверно возрастает, при одновременном уменьшении размеров яйца (F=6,l; df= 1, 19; р<0,02). Возрастание числа яиц при сокращении сроков размножения способствует сохранению высокой численности популяций этого вида в северной тайге. У Carabus granulatus единично отмечена возможность зимовки постгенеративных имаго и повторного размножения.
У всех исследованных хищных видов с д вv х л с т и и м жизненным циклом и раннелетним размножением (Carabus glabratus, Cychrus caraboides, Pterostichus melanarius, Calathus melanocephalus, Calathus micropterus, Cymindis vaporariorum) отмечено достоверное снижение размеров имаго в северных популяциях (/><0,01). У половины из них (Carabus glabratus, Cychrus caraboides, Calathus micropterus) число яиц y самок к северу снижается (р<0,03). У одного вида (Pterostichus melanarius) число яиц в приморском районе северной тайги возрастает, а в более континентальной части снижается (F=31,33; df=2, 855; /КО,001). У Calathus melanocephalus максимальное число яиц отмечено в северной тайге, а в лесотундре и тундре число яиц сокращается (F= 16,87; df= 4; 1407; /><0,0001). У одного вида (Cymindis vaporariorum) число яиц в средней тайге и южной тундре не различается.
У Carabus glabratus, Cychrus caraboides, Cymindis vaporariorum абсолютные размеры яиц не изменяются; у Pterostichus melanarius, Calathus micropterus яйца становятся мельче (P. melanarius: F=22,13; df-1; 185; /><0,0001), а у Calathus melanocephalus - их размер в южной тундре увеличивается по сравнению с северной тайгой (F=83,76; df= 3; 886; р<0,0001).
Относительные размеры яиц близ северной границы распространения возрастают только у Carabus glabratus (F= 12,56; df= 1; 133; p<0,001), тогда как у остальных видов остаются стабильными.
Морфологические различия, обнаруженные у особей из северных и более южных популяций неспециализированных хищников, указывают, по крайней мере, на фенотипическую географическую изменчивость. Уменьшение линейных размеров на Севере связано со снижением трофности среды и частично компенсирует ожидаемое удлинение преимагинального развития в северных популяциях, существующих при низкой теплообеспеченности.
У жужелиц, питающихся коллемболами, выявлены морфологические различия в связи с тенденцией изменчивости видов с летними и зимними личинками. У Loricera pilicornis - вида с одногодичным жизненным циклом, раннелетним размножением и летними личинками - самки и самцы северных и южных популяций достоверно не различаются по длине тела, однако их число яиц у самок в северных популяциях больше (F=48,14; df= 2; 341; р<0,001).
У вида с одногодичным жизненным циклом, позднелетним размножением и зимними личинками (Leistus terminatus) самки и самцы на Севере становятся крупнее (самки: F=24,19; df= 1; 246; р<0,001), а число яиц, их абсолютные и относительные размеры не меняются.
Таким образом, у видов, питающихся коллемболами, имаго на Севере не уменьшаются (за исключением самцов Notiophilus biguttatus), а в отдельных случаях даже увеличиваются (Leistus terminatus). Число яиц у самок северных популяций также остается неизменным или увеличивается.
Жужелицы-миксофитофаги на Севере обладают одногодичным и двухгодичным жизненным циклом с раннелетним размножением. У видов с одногодичным циклом и раннелетним размножением к северу размеры, как самок так и самцов, достоверно увеличиваются. Число яиц у самок возрастает (Amara communis) (F=5,41; df= 2; 337; p<0,004), или не изменяется (A. nitida). При этом абсолютные размеры яиц остаются стабильными, а относительные - сокращаются (А. communis: ^=4,87; df= 1; 208; /><0,03; А. nitida-. F=7,96; df=l; 296;¿><0,005).
Увеличение числа яиц у самок Amara communis происходит на фоне сокращения периода размножения до 4 декад в северной тайге, против 6 декад в средней тайге. У А. nitida в северной и средней тайге продолжительность репродуктивного периода одинакова, а среднее число яиц у самок в различных популяциях достоверно не различается.
У видов с двухгодичным жизненным циклом и раннелетним размножением (Curtonotus aulicus и Amara brunnea) размеры самок из разных географических пунктов достоверно не различаются. У Curtonotus au licus самцы на Севере становятся мельче (F=4,37; df= 2; 242; р=0,01), а у Amara brunnea не изменяются в размерах. В абсолютных и относительных размерах яиц у самок этих видов географические изменения не выявлены.
Продолжительность периода размножения также остается стабильной в разных популяциях.
Таким образом, у видов с одногодичным жизненным циклом и раннелетним размножением отмечены разные пути адаптации на Севере, в зависимости от степени трофической специализации. У подавляющего большинства неспециализированных хищных видов сроки размножения сокращаются, число яиц снижается, а имаго становятся мельче или их размеры остаются неизменными. У миксофитофагов имаго увеличиваются в размерах, а относительные размеры яиц сокращаются. При более коротком периоде размножения продуктивность (число яиц) у отдельных видов может возрастать.
У видов с двухгодичным жизненным циклом и раннелетним размножением с разным типом питания также отмечаются различия в морфологии и параметрах воспроизводства популяции. У хищных видов на Севере линейные размеры имаго сокращаются, число яиц снижается, а их абсолютные размеры не изменяются или увеличиваются. У миксофитофагов размеры имаго, число, абсолютные и относительные размеры яиц остаются стабильными.
Таким образом, в популяциях жужелиц, проникающих в тундровую зону, период размножения, способность к повторной репродукции, продолжительность жизненного цикла, размеры тела, число и размеры яиц изменяются взаимосвязано, составляя характерные паттерны в зависимости от типа питания и жизненного цикла (табл. 6).
Адаптации к существованию в условиях Севера у хищных видов СагаЫс1ае с одногодичным жизненным циклом и раннелетним размножением сводятся к следующему комплексу взаимообусловленных изменений:
- сокращение вегетационного сезона и увеличение продолжительности развития приводит к сокращению периода репродукции;
- сокращение периода репродукции компенсируется увеличением доли повторно размножающихся особей;
- приемлемая продолжительность развития достигается за счет уменьшения размеров имаго на Севере, в результате личинкам требуется меньше пластических веществ для завершения развития;
- при этом абсолютные и относительные размеры яиц у мелких имаго не изменяются.
У хищных видов с двухгодичным жизненным циклом увеличивается продолжительность развития, период размножения смещается на начало сезона, при этом его продолжительность, в большинстве случаев, не сокращается, а в случаях сокращения периода размножения в популяциях возрастает доля особей, способных к повторной репродукции после зимовки (как у Ргеговйскт те1апаг1ш). Число яиц у самок половины видов в северных популяциях снижается, при этом их абсолютные размеры у половины не изменяются, а относительные - увеличиваются только у 1/3.
Таблица 6. Тенденции изменения морфологических и репродуктивных параметров в популяциях жужелиц на севере Русской равнины _
Длина тела самки Длина тела самца Длина яйца Длина яйца/Длина тела самки Число яиц Доля старых особей Период размножения
Неспециализированные хищники, 1 рЛ
Carabus granulatus 1 1 4 - т - 4
Carabus nilens 1 | - - 4 Т 4
Agonum fuhgmosum | - - 4 т 4
Plerostichus oblongopunctatus - - - Т4 т 4
Неспециализированные хищники, 1 пЛ
Trechus secahs i i ¡ - i - ¡ - ÍT¡ - í
Неспециализированные хищники 2 пЛ
Carabus glabratus 1 1 т 4 - 4
Cychrus caraboides 1 1 - I - -
Cymindis vaporariorum 1 4 - - -
Calathus melanocephalus 1 4 т - Т4 - Т4
Calathus micropterus 4 4 - 4 4 Í4
Pterostichus melanarius 1 1 1 - Н Т 4
Коллемболофаги 1 рЛ
Loricera pilicorms . - т - 4
Notiophilus biguttatus - 4 - - - -
Коллемболофаги, 1 iiJI
Leistus lerminatus t t - - - - -
Миксофитофаги, i рЛ
Amara communis т t i т í 4
Amara nítida t т - 4 -
Миксофитофаги, 2 пЛ
Curtonotus aulicus - 4 - - Т4 - -
Amara brunnea - - - - - -
Усл. обозначения: | - параметр возрастает в северном направлении, ! - параметр возрастает в южном направлении, Ц. - значимые географические изменения параметра при отсутствии выраженного зонального тренда "-" - отсутствие значимой географической изменчивости параметра (различия недостоверны), тип развития' пЛ -позднелетнее размножение, рЛ - ршшелетнее размножение, 1 - одногодичный жизненный цикл, 2 - двухгодичный жизненный цикл. Рамкой выделены тренды изменения параметра.
Таким образом, двухлетний жизненный цикл сам по себе оказывается существенной преадаптацией к освоению тундровой зоны и не требует столь существенных изменений в морфологии и репродуктивных показателях имаго, как у одногодичных видов с летними личинками.
У видов со смешанным типом питания и одногодичным жизненным циклом период размножения либо сокращается, либо не меняется; причем в первом случае число яиц у самок возрастает, а во втором - остается неизменным. Имаго в северных популяциях становятся в среднем крупнее
при сохранении а бсолютных и уменьшении относительных размеров яи ц. Таким образом, у неспециализированных хищников и миксофитофагов с одногодичным жизненным циклом и раннелетним размножением вырабатывается комплекс разнонаправленных адаптаций к существованию в условиях Севера.
У миксофитофагов с двухгодичным жизненным циклом и раннелетним размножением морфологические параметры особей, также, как репродуктивный потенциал популяций в различных природно-климатических зонах, остаются константными.
Различия в направлениях адаптации хищных видов с одногодичным жизненным циклом и миксофитофагов с двухгодичным жизненным циклом отражаются и в пространственном распределении видов из этих групп. В тундре и лесотундре хищные виды концентрируются в хорошо прогреваемых, защищенных от ветров ценозах, л миксофитофаги обитают и в открытых местообитаниях, в том числе и в зональных ерниковых тундрах.
Рассмотрение путей адаптации жужелиц на Севере показало, что наибольшее число взаимосвязанных изменений морфологии и параметров воспроизводства характерно для хищных видов с летними личинками. Зоофаги в условиях короткого вегетационного сезона и дефицита тепла формируют комплекс морфо-экологических популяционно-видовых адаптаций, способствующих поддержанию численности популяций. Наименьшее число изменений отмечено в морфологии и репродукции двухгодичных видов со смешанным питанием, у которых большинство популяционных характеристик остаются такими же, как и в более южных частях ареала. Доступность пищи и двухлетнее развитие способствует консерватизму как морфологических, так и репродуктивных параметров.
5.5. Модификации жизненных циклов видов и структура таксоцеиа в широтном градиенте
В фауне и населении жужелиц от средней тайги до южной тундры происходит сокращение числа видов и изменяется экологическая структура населения жужелиц сходных биоценозов.
На лугах от средней тайги до лесотундры число видов жужелиц сокращается с 43-53 до 33. При этом доля "весенних" видов снижается с 64,8 до 42,4 %. Одновременно доля "осенних" видов возрастает с 35,2 до 57,6 %. Среди видов, которые отмечены на лугах средней тайги, но отсутствуют в составе фауны лесотундровой зоны, 71,4 % относятся к видам с "весенним" типом развития, и лишь 28,6 % - к "осенним" видам. Таким образом, обеднение видового состава жужелиц лугов на Севере в основном происходит за счет видов с весенним типом развития. "Осенние" виды имеют более высокий адаптивный потенциал в высоких широтах, в основном за счет способности к переходу на двухлетний жизненный цикл. Подобная тенденция отмечена у Brosens cephalotes, Poecilus lepidus, Pterostichus niger, P. melanarius и Calathus melanocephalus. У некоторых осенних видов,
встречающихся на северной границе распространения, сохраняется одногодичный жизненный цикл. Стабильность жизненного цикла при "осеннем" типе развития отмечена у Calathus erratus, Leistus ferrugmeus, Trechus secalis. Эти виды на Севере не переходят границы таежной зоны.
У многих луговых или эврибионтных "весенних" видов жужелиц, у которых на Севере отмечена стабильность жизненного цикла, характерен выбор более теплообеспеченных биоценозов. В частности, самый массовый на лугах средней тайги вид с одногодичным жизненным циклом и раннелетним размножением Poecilus versicolor в северной тайге единично встречен на лугах, но в большом количестве отмечен в рудеральных ценозах. Еще один вид с одногодичным циклом - эвритопный Carabus grcmulatus в северной тайге обитает только на лугах. В более южных регионах этот влаголюбивый вид отмечается в сырых пойменных лесах (Федоренко, 1988), тогда как в северной тайге в пойменных лесах его находки единичны (Шарова, Филиппов, 2004).
У "осенних" видов отмечены аналогичные закономерности в биотопическом предпочтении. Calathus erratus - вид с одногодичным циклом и позднелетним размножением относительно многочислен на сухих лугах средней тайги, тогда как в северной тайге он концентрируется преимущественно на теплых ксерофитных участках залежей в пойме Северной Двины.
Еще одна закономерность в подзональной смене структуры населения жужелиц лугов на севере Русской равнины состоит в изменении доминантного комплекса видов. Как следствие, важнейшие параметры экологической структуры населения, особенно в количественных характеристиках, кардинально меняются. На лугах средней тайги среди жужелиц по численности лидирует луговой вид Poecilus versicolor с одногодичным жизненным циклом и раннелетним размножением. В северной тайге в связи с тем, что он не способен к изменению жизненного цикла, этот вид на лугах встречается единично. При этом для него характерна термофильная стратегия в пространственном распределении. Этот вид концентрируется в хорошо прогреваемых ценозах. В результате на северотаежных лугах по численности преобладает другой вид - эвритопный Р melanarius (Филиппов, Зезин, 2004, 2005, 2006), жизненный цикл которого реализуется как облигатно-двухгодичный с размножением в первой половине лета (Шарова, Филиппов, 2003). В лесотундровой зоне Р melanarius отсутствует, а лидирующие позиции на лугах занимает другой эвритопный вид с облигатно-двухгодичным жизненным циклом - Calathus melanocephalus.
Следствием таких перестроек доминантного комплекса видов являются изменения экологической структуры населения жужелиц лугов от средней тайги к лесотундре. В средней тайге по обилию на лугах преобладают луговые виды, тогда как в северной тайге и лесотундре по обилию среди жужелиц лугов доминируют эвритопы.
В зональных хвойных лесах средней и северной тайги изменения пропорций жужелиц с разным типом развития отсутствуют. В темнохвойных лесах средней тайги отмечено равное количество "весенних" и "осенних" видов (по 50 %). В темнохвойных лесах северной тайги на долю "весенних" видов приходится 56,3 % видового богатства жужелиц, а "осенние" виды составляют соответственно 43,7 %. Вместе с тем, видовые композиции жужелиц лесов разных подзон тайги не совпадают. Вместо одногодичных весенних видов, характерных для средней тайги (Agonum sexpunctatum, А. communis, A. eurynota), в лесах северной тайги появляются Notiophilus biguttatus, Pterostichus aethiops, Agonum versutum и др.), а перечисленные виды из рода Amara в северной тайге встречаются только на лугах и полях.
Аналогичные изменения происходят в наборе "осенних" видов в лесах разных подзон тайги. В лесах северной тайги по сравнению со средней вместо вида с одногодичным позднелетним циклом Leisius terminatus появляется Trechus secalis с аналогичным типом развития и жизненного цикла.
Таким образом, перестройки жизненных циклов выступают в роли одного из ключевых механизмов адаптации к дефициту тепла в условиях Севера, и определяют широтно-зональное и биотопическое распределение видов жужелиц.
Выводы
1. При освоении жужелицами севера Русской равнины в градиенте условий среды от средней тайги до южной тундры на фоне обеднения таксономического и экологического разнообразия происходят неравноценные изменения в составе зональных и интразональных сообществ жужелиц. Интразональные сообщества способствуют проникновению видов на Север, при этом на границе зональных фаун тайги и тундры их роль в формировании населения жужелиц возрастает. Механизм смены стаций лишь в единичных случаях обеспечивает расселение на Север у полизональных видов.
2. У 60 видов (28 % от фауны) жужелиц севера Русской равнины установлено наличие 6 вариантов жизненного цикла. Сокращение вегетационного сезона приводит к унификации периодов размножения: раннелетнее, летнее и позднелетнее. Доля видов с двухгодичным жизненным циклом постепенно возрастает к северу, при этом увеличивается доля видов с зимними личинками, Это обусловлено способностью видов с зимними личинками и зимующими неполовозрелыми имаго переходить в пессимальных условиях к двухгодичному жизненному циклу.
3. Продолжительность развития и репродукции жужелиц в северном направлении меняется. Период размножения у большинства видов, не имеющих фотопериодической регуляции перехода в половозрелое состояние, смещается на начало лета. У видов с летними личинками сроки размножения
на Севере сокращаются до 3-4 декад, а у видов с зимними личинками продолжительность периода размножения не изменяется.
4. У видов с летними и зимними личинками и разным типом питания в ответ на дефицит тепла формируются различные экологические адаптации. У хищных видов с летними личинками формируется комплекс адаптаций пространственного распределения, морфологии и параметров репродукции популяций, направленный на компенсацию дефицита тепла. У видов с зимними личинками изменения направлены на пролонгацию развития и выбор оптимальных условий для завершения метаморфоза.
5. В популяциях одногодичных хищных видов с летними личинками в условиях короткого сезона и низкой теплообеспеченности сокращается период размножения, возрастают относительные размеры яиц при уменьшении их числа у одной самки, это компенсируется возрастанием доли старых особей, способных к репродукции, или увеличением числа яиц при отсутствии повторно размножающихся особей в популяции. Для отдельных видов характерна концентрация в наиболее теплых участках рельефа. Большинство хищных видов с зимними личинками переходят к двухгодичному жизненному циклу. Жуки северных популяций мельче в размерах, число яиц у них изменяется в зависимости от способности старых особей в популяции к повторной репродукции и длительности периода размножения.
6. У видов со смешанным типом питания и летними личинками в северных частях ареала имаго увеличиваются в размерах, сокращается период размножения при возрастании числа яиц, или сохраняются основные параметры репродукции. Для видов со смешанным питанием и зимними личинками характерен консерватизм основных параметров воспроизводства и стабильность размеров тела у особей разных географических популяций на юге и севере.
7. Тип жизненного цикла и развития влияет на состав фауны и таксоценов жужелиц разных подзон севера Русской равнины. В основном на Севере отсутствуют виды жужелиц, не способные к серьезным изменениям жизненных циклов. Это виды с летними личинками. Преодоление северного рубежа каждой зоны или подзоны примерно у 25 % видов региональной фауны обусловлено изменением жизненного цикла. Таким образом, возможность изменения жизненных циклов обогащает фауну жужелиц высоких широт.
8. В градиенте среды в составе лугов на Севере отмечаются существенные перестройки в экологической структуре населения жужелиц, связанные со стабильностью жизненного цикла у отдельных стенобионтных видов и модификацией развития - у эвритопных. В результате стенобионтные виды на Севере отсутствуют в составе типичного сообщества, а их место занимают эвритопные виды, способные переходить к двухгодичному жизненному циклу.
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Монографии
1 Шарова И.Х., Филиппов Б.Ю. Экология жужелиц лесов в дельте Северной Двины: Монография Архангельск: Поморский университет, 2004, 116 с (5,8 п л.)
Научные статьи
Статьи в журналах из перечня ВАК РФ
2. Шарова И.Х., Филиппов Б.Ю. Особенности жизненных циклов жужелиц (Coleóptera, Carabidae) в условиях северной тайги // Зоологический журнал. 2003. Т. 82. № 2. С. 229-238. (1,0 п.л.)
3. Филиппов Б Ю. Сезонные аспекты жизненных циклов жужелиц Carabus granulatus и С.
glabratus (Coleóptera, Carabidae) в северной тайге // Зоологический журнал, 2006. Т. 85. №. 9. С. 1076-1С34. [Filippov В Yu. Seasonal Aspects of the Life cycles oí Carabus granulatus and C. glabratus (Coleóptera, Carabidae) in the Northern Taiga // Entomological Review. 2006. 'voi. Só № 7. P. 751-759]. (0,9 п.л.)
4. Филиппов Б.Ю. Сезонные аспекты жизненных циклов жужелиц Calathus melanocephalus и С. micropterus (Coleóptera, Carabidae) в северной тайге // Зоологический журнал. 2006. Т. 85. №. 10. С. 1196-1204. [Filippov B.Yu. Seasonal Aspects of Life Cycles in Calathus melanocephalus and C. micropterus (Coleóptera, Carabidae) in the Northern Taiga // Entomological Review. 2006. Vol. 86. № 8. P. 827834]. (0,9 п.л.)
5. Филиппов Б.Ю., Зезин И С. Экологическая характеристика населения жужелиц (Coleóptera, Carabidae) лугов северной тайги Архангельской области // Известия Академии наук. Серия биологическая. 2006. № 4. С. 482-490. [Filippov B.Yu, Zezm I.S. Ecological Description of Ground Beetle Communities (Coleóptera, Carabidae) in Northern Taiga Meadows of Arkhangelsk Región // Biology Bullctin. 2006. V. 33. № 4. P. 392-399]. (0,9 п.л.)
6. Филиппов Б.Ю. Сезонные особенности жизненного цикла жужелицы Carabus nitens (Coleupiera, Carabidae) в южной тундре// Известия Российской Академ;:;! Наук. Серия биологическая. 2007. № 6. С. 691-697. [Filippov B.Yu. Seasonal pattems of life eyele of ground beetle Carabus nitens (Coleóptera, Carabidae) in southern tundra // Biology Bulletin. 2007. №6 P. 572-582]. (0,9 п.л.)
7. Филиппов БIO, Зезин И.С. Жужелицы (Coleóptera, Carabidae) лугов пригорода Архангельска // Вестник Поморского университета. Сер. ест. и точи, науки, 2004. №2 (6). С. 40-52. (0,7 п.л.)
8. Филиппов Б.Ю., Зезин И.С. Жужелицы (Coleóptera, Carabidae) лугов карстового ландшафта северной тайги // Вестник Поморского университета. Сер. ест. и точн. науки, 2005. №1. (7). С. 72-83. (0,7 п.л.)
9. Филиппов Б.Ю., Шувалов Е.В. Жужелицы южных тундр полуострова Канин // Вестник
Поморского университета. Сер. ест. и точн. науки. 2006. №1. (9). С. 99-109. (0,6 п.л.)
Статьи в журналах и сборниках
10 Филиппов Б.Ю. Жизненные циклы некоторых видов жужелиц в южной тундре // Russian Entomological Journal. 2007. Т. 16. № 4. С. 425—438. (1,3 п.л.)
11. Филиппов Б.Ю. Видовой состав и структура населения жужелиц (Coleóptera, Carabidae) болотных биоценозов севера полуострова Канин // Вестник Поморского университета. Сер. ест. и точн. науки. 2008. № 1. (9). С. 45-53. (0,7 п л.)
12. Филиппов Б.Ю. Структура населения жужелиц ельников северной тайги // Экологические проблемы Севера- Межвуз. сборник научн. трудов. Архангельск: СОЛТИ, 2000. Вып. 3. С. 106-110. (0,3 п.л.)
13. Филиппов Б 10 Возрастная структура популяций лесного вида жужелиц Pterostichus oblongopunctatus F. под Архангельском // Экологические проблемы Севера. Межвуз. сборн. научи, тр. Вып. 4. Архангельск: СОЛТИ, 2001. С. 217-221. (0,3 п.л.)
14. Филиппов Б.Ю. Население жужелиц пригородных мелколиственных лесов Архангельска и Северодвинска // Экологические проблемы Севера: Межвуз сб. науч. ip. Архангельск: изд-во АГГУ, 2002. Вып. 5. С. 145-148. (0,3 п.л.)
15. Филиппов Б.Ю. Видовой состав жужелиц северотаежных лесов: история изучения и современное состояние // Вестник Поморского университета, сер. ест и точн. науки, 2002. №3. С. 34-39. (0,5 п.л.)
16. Зубрий Н.А, Филиппов Б Ю. Первые сведения о видовом составе жужелиц приводных мест обитания северной тайги Архангельской области // Экологические проблемы Севера Межвуз. сб. научи, трудов Архангельск: АГТУ, 2006. Вып. 9. С 127-130. (0,2 п.л.)
Тезисы докладов и материалы конференции
17. Филиппов Б.Ю. Биотопическое распределение доминантных видов жужелиц (Coleóptera, Carabidae) в лесных фитоцекозах северной тайгк под Архангельском " Биоразнообразие наземных и почвенных беспозвоночных на Севере. Сыктывкар, 1999. С 197-198. (0,1 п.л.)
18. Шарова И.Х., Филиппов Б 10. Сезонная динамика размножения доминантных видов жужелиц в условиях северной тайги под Архангельском // Биоразнообразие наземных и почвенных беспозвоночных на Севере. Тезисы междунар. конф. Сыктывкар, 1999. С. 209-210.(0,1 п.л.)
19. Филиппов Б10. Сезонная динамика активности и репродуктивной структуры популяций Calalhus micropterus (Coleóptera, Carabidae) в северной тайге // Проблемы почвенной зоологии. Москва, 1999. С. 167-169. (0,1 п.л.)
20 Филиппов Б.Ю. Особенности населения жужелиц (Coleóptera, Carabidae) искусственного лесопарка Северодвинска // Поморье в Баренц-регионе на рубеже веков: экология, экономика, культура. Тезисы междунар конф. Архангельск: ИЭПС УрО РАН, 2000. С 241-242 (0,1 п л.)
21 Ш арова И X., Филиппов Б.Ю Экологические адаптации жужелиц к обитанию в условиях северной тайги // Состояние и проблемы непрерывного экологического образования и охраны окружающей среды. Тезисы междунар конф. Архангельск, 2001. С 162-165 (0,1 п л)
22 Шарова И.Х., Филиппов Б.Ю Особенности жизненных циклов жужелиц (Coleóptera, Carabidae) в северной тайге // XII съезд Русского энтомологического общества. С.Петербург, 2002. С. 379. (0,1 п.л.)
23. Филиппов Б.Ю. Особенности развития двух видов жужелиц рода Pterostichus (Coleóptera, Carabidae) в северной тайге // Биогеография почв: Тез. межд. конф. Сыктывкар, 2002. С. 90-91. (0,1 п.л.)
24. Шарова И.Х., Филиппов Б.Ю. Адаптивные изменения жизненных циклов жужелиц (Coleóptera, Carabidae) в северной тайге // Разнообразие беспозвоночных животных на Севере. Тез. докл. II междунар. конф. Сыктывкар, 2003. С 81-82. (ОД п л.)
25. Филиппов Б.Ю. Распределение жужелиц (Coleóptera, Carabidae) в биоценотической мозаике ландшафта северной тайги // Экологическое образование и экологическая наука: проблемы и сотрудничество. Матер. IV междунар. конф. Архангельск: Поморский университет, 2004 С. 290-294. (0,1 п.л.)
26. Филиппов Б.Ю. Сравнительная характеристика населения жужелиц естественных и антропогенных ландшафтов севера Архангельской области // Экологическое разнообразие почвенной биоты и биопродуктивность почв. Матер. IV (XIV) всерос. совещ. по почв, зоологии. Тюмень, 2005. С. 127-128. (0,1 п.л.)
27. Филиппов Б.Ю. Структура фауны жужелиц (Coleóptera, Carabidae) северной тайги Архангельской области // Академическая наука и ее роль в развитии
производительных сил в северн. регионах России. Матер, всерос. конф. Архангельск: ИЭПС УрО РАН. CD. 2006. (0,1 п.л.) 28 Filippov B.Yu. Life cycles of carabid beetles at the north of european Russia // 13th European
Carabidologists' Meeting. Blagoevgrad. Pentsoft, 2007. P. 83-84. (0,1 п.л.) 29. Шарова И.Х., Филиппов Б.Ю. Типы жизненных циклов жужелиц (Coleóptera, Carabidae) в южной тундре европейской России и их географическая изменчивость у северных границ ареалов // Проблемы и перспективы общей энтомологии. Тез. Док. XIII съезда Русского энтомологического общества. Отв. ред А С. Замотайлов. Краснодар. Кубанск. гос. агр. ун-т, 2007. С. 375-376. (0,1 п.л.)
Подп. к печ. 12.11.2008 Объем 2.5 п.л. Заказ №. 143 Тир 100 экз.
Типография Mill У
Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Филиппов, Борис Юрьевич, Москва
71 09-3/110
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Москоае^а-недашшддс.^ университет
¡йум 8М Ммнрбрнауш Росши @ш@ни@ от №
выдать диплом ДОКТОР^
fbú1/V наук
ЗУ
На правах рукописи
Филиппов Борис Юрьевич
ПУТИ АДАПТАЦИИ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОСВОЕНИЯ ЖУЖЕЛИЦАМИ (COLEOPTERA, CARABIDAE) СЕВЕРА РУССКОЙ РАВНИНЫ
03.00.16 - экология
Диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук
Научный консультант:
Доктор биологических наук, профессор
Шарова Инесса Христиановна
Москва, 2008
СОДЕРЖАНИЕ
стр.
Введение.................................................... 3
Глава 1. Современное состояние проблемы изученности фауны и
экологии жужелиц Севера...................................... 9
Глава 2. Природно-климатические особенности севера Русской
равнины..................................................... 27
Глава 3. Методология исследования.............................. 37
Глава 4. Географо-экологические закономерности освоения жужелицами севера Русской равнины............................ 50
4.1. Эколого-фаунистические изменения в широтном градиенте...... 50
4.2. Закономерности биотопического распределения жужелиц в широтном градиенте........................................... 65
4.3. Экологические механизмы формирования карабидокомплексов
зональных и интразональных биоценозов в широтном градиенте..... 86
Глава 5. Демографические и эколого-морфологические адаптации жужелиц на севере Русской равнины............................. 91
5.1. Типы жизненных циклов жужелиц и их реализация в разных подзонах..................................................... 91
5.2. Географическая изменчивость жизненных циклов жужелиц в регионе...................................................... 116
5.3. Зональные спектры жизненных циклов жужелиц на севере Русской равнины.............................................. 128
5.4. Внутривидовая географическая изменчивость морфологических и репродуктивных параметров жужелиц на Севере................... 132
5.5. Модификации жизненных циклов видов и структура таксоцена в
широтном градиенте........................................... 139
Выводы..................................................... 144
Список литературы............................................ 147
Приложения.................................................. 194
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы. Изучение адаптаций животных к жизни в высоких широтах - актуальное направление современной экологии. Интерес к этой проблеме стал формироваться еще на рубеже XIX-XX веков. Однако значительный объем публикаций по изучению адаптаций животных к жизни на Севере пришелся на середину XX века. В этот период были установлены закономерности изменения физиологии животных на Севере, их пространственного распределения и циклов воспроизводства. Изучение механизмов адаптации проводилось на разных систематических группах животных, включая насекомых (Downes, 1965).
Уникальность природы Севера обусловлена сочетанием низкого таксономического разнообразия с высокой специфичностью фауны и флоры. Жесткокрылые - один из самых многочисленных и разнообразных отрядов животных, представлены на Севере непропорционально малым числом видов. При этом в высоких широтах жуки семейства жужелицы занимают ведущие позиции как по таксономическому разнообразию, так и по обилию среди герпетобия: доля представителей этого семейства в составе колеоптерофауны Арктики достигает 1/3 от общего числа видов отряда (Чернов, и др., 2000, 2001; Chernov, Makarova, 2008). В районах с низкими температурами жужелицы демонстрируют разнообразные варианты адаптаций. Было показано, что у них в высоких широтах и в высокогорьях наблюдается изменения суточной активности (Neudecker, 1971), суточных миграций (S0mme et al., 1996), параметров холодоустойчивости (Россолимо, Рыбалов, 1994) и комплекса физиологических параметров способствующих зимовке и развитию гонад при отрицательных температурах (Kaufmann, 1971).
Исследованиями почвенных зоологов показано, что семейство жужелицы - удобный модельный объект экологических и фаунистических исследований разного плана (Арнольди, 1965; Захаров и др., 1982; Шарова, 1992; Стриганова, Порядина, 2005).
Начиная со второй половины XIX в. до настоящего времени идет процесс накопления сведений о таксономическом составе фауны жужелиц севера таежной зоны и тундр. Полученные данные позволили провести инвентаризацию таксономического состава представителей этого семейства в приполярных и заполярных районах (Lindroth, 1992а, 1992b) и выявить зонально-подзональные закономерности распределения жужелиц на Севере и в выскогорьях (Bakken, 1985; Davis, 1987).
Изучение жизненных циклов позволило установить некоторые закономерности в развитии жужелиц на севере Европы (Refseth, 1988; Lindroth, 1992а) и в Северо-западной Сибири (Коробейников, 1981, 1991). Вместе с тем, на сегодняшний день имеются только общие представления о механизмах адаптации жужелиц к жизни в высоких широтах и поддержания численности популяций на северном пределе распространения (Kaufmann, 1971; Коробейников, 1984, 1990а). Возможные пути изменения жизненных циклов жужелиц в высоких широтах определены лишь в самом общем виде (Paarmann, 1974; Sota, 1992; Matalin, 2008).
Настоящая работа представляет синтез многолетних полевых исследований и имеющихся в литературе сведений по жужелицам Севера. Тема исследования направлена на выявление адаптаций жужелиц к жизни на севере Русской равнины.
Цель исследования. Выявление путей эколого-морфологических и демографических адаптаций жужелиц к жизни на севере Русской равнины, основанных на изменении морфологии, параметрах развития особей, воспроизводства популяций и пространственного распределения вблизи северной границы ареала.
Задачи исследования.
1. Изучить состав и структуру сообществ жужелиц в градиенте от средней тайги до южных тундр для выявления экологических закономерностей освоения ими севера Русской равнины.
2. Выявить экологические предпосылки изменения состава населения жужелиц зональных и интразональных сообществ в зональном градиенте севера Русской равнины.
3. Установить важнейшие характеристики жизненных циклов массовых видов жужелиц в условиях севера Русской равнины и установить возможности их изменения.
4. Выявить демографическую структуру, параметры воспроизводства и механизмы поддержания численности популяций полизональных видов жужелиц на северном пределе распространения.
5. Определить внутривидовую географическую изменчивость важнейших эколого-морфологических и репродуктивных параметров имаго СагаЫёае в градиенте от средней тайги до южных тундр.
6. На основании обобщения данных по биотопическому распределению, размерным характеристикам имаго и жизненным циклам в разных природных зонах выявить пути адаптации и роль модификации жизненных циклов в формировании населения и фауны жужелиц на Севере.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Комплекс взаимообусловленных адаптаций отмечен у одногодичных хищных видов с летними личинками. У них изменяется сезонный цикл, сокращается период размножения, возрастает число яиц у самок или доля повторно размножающихся особей, имаго на Севере становятся мельче, у отдельных видов отмечается смена стаций. Адаптации у них направлены на компенсацию дефицита тепла вблизи северной границы распространения вида. У одногодичных видов со смешанным питанием и зимней личинкой отмечен минимальный набор изменений морфологии особей и репродуктивных параметров популяций.
2. Изменения в сезонном развитии СагаЫёае в зональном градиенте условий среды отражаются в наборе и пропорции жизненных циклов жужелиц разных природно-климатических зон севера Русской равнины. Способность к изменению цикла обогащает фауну жужелиц севера Русской
равнины. Примерно 25% видов жужелиц осваивает северные территории за счет модификации жизненного цикла.
3. Изменения в экологической структуре населения жужелиц зональных и интразональных биоценозов обусловлены способностью отдельных массовых видов к изменению жизненных циклов. Стенобионтные виды с консервативным одногодичным жизненным циклом и летними личинками в однотипных сообществах на Севере замещаются эвритопными видами с двухлетним жизненным циклом и зимними личинками.
Научная новизна и теоретическая значимость. Осуществлен эколого-таксономический анализ населения жужелиц севера Русской равнины. Выявлены закономерности распределения жужелиц в составе разных подзон тайги и тундры, биоразнообразие таксоценов жужелиц различных типов сообществ в составе разных природных зон и подзон. Выявлены массовые и редкие виды жужелиц, а также тенденции пространственного изменения карабидокомплексов разных природных зон. Установлены причины изменения структуры населения жужелиц в зависимости от типа жизненного цикла. Охарактеризованы основные типы жизненных циклов жужелиц. Показана специфика спектров жизненных циклов жужелиц разных природных зон севера Русской равнины. Определены основные адаптации жужелиц с разным типом питания и типом развития в разных зонах и подзонах Севера. Сформулированы закономерности внутривидовой географической изменчивости параметров репродукции особей и популяций полизональных видов жужелиц на севере Русской равнины.
Теоретическое значение работы состоит в развитии современных представлений об экологических предпосылках формирования фауны насекомых высоких широт и выявлении эколого-морфологических адаптации животных к жизни на Севере.
Практическая значимость и использование результатов работы. Выявленные особенности адаптаций жужелиц на Севере могут быть
использованы для биоиндикации состояния почвенной биоты в условиях антропогенных воздействий. Эти закономерности позволяют прогнозировать изменения населения жужелиц под влиянием антропогенного преобразования естественных сообществ. Результаты исследования могут использоваться при мониторинге состояния малонарушенных и антропогенно трансформированных ценозов. Сведения, полученные при выполнении исследования, стали основой для очерков Красной Книги Архангельской области.
Итоги диссертационного исследования используются в лекционных и практических занятиях, на полевых практиках по зоологии и экологии животных для студентов Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова (ПГУ). Собранный материал положил начало карабидологической коллекции в ПГУ. Результаты исследования использованы при подготовке учебного пособия с грифом Минобразования РФ "Экология Архангельской области" для средних школ.
Связь работы с научно-исследовательскими темами и программами. Исследования по теме диссертационной работы выполнялись в рамках пяти проектов РФФИ и РФФИ-Север (№ 05-04-48596, 05-04-63058, 07-04-10002, 08-04-98802, 08-04-00090), Совета по грантам Президента Российской Федерации ведущих научных школ (НШ-2154.2003.4). В каждой из перечисленных тем автор выполнял собственный объем исследований, являясь исполнителем или руководителем проекта.
Апробация работы. Результаты диссертации были доложены и обсуждены на международных, отечественных и региональных конференциях по экологии, энтомологии и зоологии: "Биоразнообразие наземных и почвенных беспозвоночных на Севере" (Сыктывкар, 1999); "Разнообразие беспозвоночных животных на Севере" (Сыктывкар, 2003), II, III и IV Всероссийских совещаниях по почвенной зоологии (Москва, 1999; Тюмень, 2005; Москва, 2008), XII и XIII съездах Русского энтомологического общества (Санкт-Петербург, 2002; Краснодар, 2007), "Биогеография почв"
(Сыктывкар, 2002), XIII европейском съезде карабидологов (Благоевград, 2007).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 29 работах (8 статей в журналах перечня ВАК РФ, 7 статей в научных журналах и сборниках научных трудов, одна монография и 13 материалов докладов конференций и совещаний).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 193 страницах основного текста и 174 страниц приложений. Рукопись состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и 10 приложений, содержит 46 рисунков и 124 таблицы. Список цитируемой литературы включает 477 источников, в том числе 176 на иностранных языках.
Благодарности. Автор диссертации благодарен своему научному консультанту - д. биол. н., проф. И.Х. Шаровой за постоянные консультации и поддержку, оказываемые на протяжении более 10 лет. Большую помощь на всех этапах выполнения работы автор получал со стороны д. биол. н., проф. К.В. Макарова и к. биол. н. A.B. Маталина. Слова благодарности автор направляет в адрес всех сотрудников кафедры зоологии и экологии Московского педагогического государственного университета, с которыми мне посчастливилось сотрудничать при подготовке диссертации, а также своим коллегам по кафедре зоологии и методики обучения биологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова за понимание и поддержку. Автор благодарит своих коллег в различных научных учреждениях, способствовавших организации и проведению полевых исследований и обсуждению ее основных положений: JI.B. Пучнину (Государственный природный заповедник "Пинежский"), Б.М. Катаева (Зоологический институт РАН, Санкт-Петербург), Л.Ц. Хобракову (Института биологии, Улан-Уде). Особая благодарность моим коллегам и студентам, с которыми мне довелось делить радости и преодолевать трудности экспедиций в различные участки тундры и тайги.
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ИЗУЧЕННОСТИ ФАУНЫ И ЭКОЛОГИИ ЖУЖЕЛИЦ СЕВЕРА
Изучение жужелиц севера Евразии на сегодняшний день имеет более чем вековую историю. Начало исследований жужелиц на севере континента было положено в конце XIX - начале XX веков (Филиппов, 20026). Именно в это время были организованы экспедиции для сбора зоологического материала на северных территориях Российской империи. В опубликованных результатах этих экспедиций приводятся первые сведения о видовом составе жужелиц таежной и тундровой зон европейской и азиатской частей России (Кеппен, 1867,Mäklin, 1881).
Первая попытка анализа географического распределения видов жуков России была проведена в 1871 г. К.Э. Линдеманом (Линдеман, 1871). Для севера Российской империи от Риги и Петербурга до Камчатки этим автором упоминается 257 видов жужелиц, из них 80 видов не встречены в других частях России.
На рубеже XIX-XX вв. большой вклад в изучение фауны жужелиц тундровой зоны Евразии внес финский энтомолог Б. Поппиус. В серии публикаций им детально рассматривается видовой состав жуков и, в том числе жужелиц, отдельных территорий северных рубежей России и в целом фауна жужелиц Арктики (Poppius, 1900, 1905, 1906, 1908, 1909, 1910, 1911; Ramsay, Poppius, 1903). В этот же период публикуется список жужелиц, собранных на р. Печера, состоящий из 71 вида (Sahlberg, 1898). В аннотированном списке жуков Карелии упоминается 167 видов жужелиц (Poppius, 1900). Следует упомянуть сводку Г.Г.Якобсона (1905), в которой имеется информация о жужелицах Архангельской губернии, а также список видов жужелиц Новой Земли и прилежащих к этому архипелагу материковой части Европы (Якобсон, 1898). На о. Колгуев было собрано 5 видов жужелиц (Семенов, 1904). Многочисленные сборы жужелиц были сделаны A.B.
Журавским в период его экспедиций в Болыиеземельскую тундру (Shurawsky, 1905).
В первой половине XX века исследования по насекомым Севера России отечественными учеными практически не проводились. В это время изучение жужелиц Северной Европы вели финские, шведские и норвежские энтомологи (Lindberg, 1927, 1933; Hellen, 1930; Stenius, 1936; Piatonoff, 1942; Palmen, Piatonoff, 1943a, 1943b; Lindroth, 1945/1949, цит по: Lindroth, 1992a, b; Palmen, 1946). В большинстве перечисленных работ содержатся сведения по фауне жужелиц не только Скандинавии, но и прилежащих территорий Русского Севера, в частности Карелии и Мурманской области.
В 60-70-е годы XX века в СССР разворачиваются масштабные работы отечественной школы почвенной зоологии, основанной академиком М.С. Еиляровым, по изучению почвенной фауны различных широт. При этом не остались без внимания северные территории нашей страны. В это время появляются общие почвенно-зоологические и специальные карабидологические работы, в которых содержится информация по жужелицам разных подзон тайги. В частности, в работах этого периода имеется достаточно полная информация по жужелицам южной тайги (Утробина, 1964; Перель, 1965; Арнольди, Матвеев, 1973; Ерюнталь, 1981). Жужелицы средней и северной подзон тайги изучались значительно меньше. Некоторые сведения о населении жужелиц лесов средней тайги Республики Коми приводятся в работе Д.А. Криволуцкого и др. (1979). Данные о карабидо фауне лесов северной тайги имеются также в работах почвенных зоологов (Striganova, 1967; Кудряшова, 1977, 1987).
К настоящему времени составлены различные по полноте фаунистические сводки для отдельных регионов севера Европейской части России и Скандинавии. Имеются сведения по видовому составу жужелиц Карелии (Узенбаев, 1985; Узенбаев, Боровских, Шорохов, 1986; Кашеваров, 1990; Kashevarov, 1992), Кировской области (Юферев, 1980; Шиленков, Воронов, 1973; Шиленков и др., 1976; Алалыкина, Целищева, 2003,
Целищева, 1995, 2005) �
-
Филиппов, Борис Юрьевич
-
доктора биологических наук
-
Москва, 2008
-
ВАК 03.00.16
- Структура сообществ жуков-жужелиц (Coleoptera, Carabidae) криоаридной лесостепи юга Витимского плоскогорья
- Эколого-фаунистическая и зоогеографическая характеристика жужелиц заказника "Тляратинский" Республики Дагестан
- Жужелицы (Coleoptera: Carabidae) тундровых экосистем европейского Северо-Востока
- Структура сообществ жужелиц (Coleoptera, Carabidae) в биоценозах лесостепи юго-востока Западной Сибири
- Биоразнообразие жужелиц (Coleoptera. Carabidae) степей Центрального Предкавказья
