Наземные беспозвоночные Арктики: адаптация в неподходящих условиях

В мире животных Природа Арктики
Иван Мизин
27 Апреля, 2021, 14:12
Наземные беспозвоночные Арктики: адаптация в неподходящих условиях

Комары-звонцы на лепестках полярного мака. Земля Франца-Иосифа. Фото М. Иванова.


Недавно, в начале апреля, средства массовой информации распространили интересный факт обнаружения бабочки далеко за полярным кругом. На мысе Желания архипелага Новая Земля в августе 2020 года совершенно неожиданно для 77 северной параллели сфотографировали угольницу чёрно-рыжую Nymphalis xanthomelas.


  Бабочка на мысе Желания. Фото В. Захарьина.


До этой встречи, подобных бабочек в так называемой «высокоширотной Арктике» видели всего один раз, на Шпицбергене. Для Новой Земли такие находки до нынешнего момента были неизвестны. Учёные из ФИЦКИА им. акад. Н.С. Лаверова РАН под руководством члена-корреспондента РАН Ивана Болотова проанализировали этот случай. Оказалось, что сотрудники национального парка «Русская Арктика» зафиксировали самую северную находку мигрирующих экземпляров такой бабочки в мире, о чём была написана подробная научная статья.

Вообще, для широкой публики, жизнь небольших по размерам организмов далеко за Северным полярным кругом – загадка. Когда идёт обсуждение природы Арктики, процессов, происходящих в этом регионе, речь идет о крупных позвоночных животных – белых медведях, китах и тому подобное. Но такое однобокое представление об этих суровых местах неверно. Полярная пустыня даёт жизнь и маленьким, часто совсем незаметным существам – представителям огромной группы беспозвоночных животных. В моховых подушках и под камнями, в прогреваемых мелких водоёмах и в ложе ледяного ручья, между цветочных лепестков – всюду можно найти личинки или взрослых особей видов, относящихся к типу Членистоногих.

  Представители двукрылых насекомых на камнеломке супротивнолистной. Новая Земля. Фото И. Мизина.


Эта гигантская группа живых существ (около 80% всех видов на Земле) обитает и в Арктике. Если присмотреться к растительности в тундре или арктической пустыне, то в подходящую погоду можно увидеть представителей класса Насекомых. А иногда даже заметить их роение в воздухе.

Арктическая окружающая среда, влияющая на жизнь насекомых, очень неблагоприятна. Наиболее важными (и часто лимитирующими жизнь этих созданий) характеристиками являются низкая температура, очень маленький годовой бюджет тепла, суровая и постоянно изменчивая погода, а также непрерывный световой день в течение вегетационного периода. 

Всё это делает состав арктической фауны беспозвоночных неоднородным, поскольку большинство видов и групп таких живых организмов предпочитают более предсказуемые мягкие погодные условия. Поэтому в Арктике систематические группы беспозвоночных сильно обеднены в количестве своих представителей в сравнении с таковыми в более умеренных широтах. Причём, если рассматривать класс Насекомых, то отряд Diptera, или Двукрылые, и особенно семейство Chironomidae, или комары-звонцы, безусловно, занимают среди всех ведущие позиции. Это одна из наиболее экологически разнообразных и таксономически богатых групп наземных и пресноводных беспозвоночных в высокоширотной Арктике. 
Относительно хорошо заметны в арктических тундрах и шмели. Так, архангельский исследователь Виталий Спицын обнаружил в 2017 году новый вид шмелей на Южном острове Новой Земли. Генетическое изучение описанного как широко известного шмеля ледникового (Bombus glacialis) показало, что это может быть отдельный реликтовый вид насекомого, сохранившийся в географической изоляции только в этом месте. В тоже время, муравьи и жужелицы здесь отсутствуют, а представители класса Паукообразные и, конкретно, пауки занимают необычное положение в качестве главных хищников пищевых цепей наземных беспозвоночных в высокой Арктике. Фауна пауков архипелага Новая Земля, насчитывает сегодня более двадцати видов. Но они практически не видны человеку, поскольку в большинстве случаев обитают в россыпях камней.


 Сотрудники «Русской Арктики» за сбором пауков. Новая Земля, 2013 год. Фото И. Покровской.

Вся биота Арктики насчитывает около 25000 видов, что составляет около 1% видового разнообразия органического мира. Представленность наиболее крупных классов животных и растений, преобладающих в современной флоре и фауне Земли, составляет 0,3–3,0% от числа видов в мировом таксоне. Значительно выше представленность таких таксонов, как олигохеты и коллемболы -- до 10%. Доля насекомых (15%) в арктической биоте ниже, чем на планете в целом. Главная особенность структуры арктической биоты -- уменьшение доли наиболее продвинутых, то есть высокоспециализированных таксонов. Группы, относительно примитивные по своим адаптивным возможностям и разнообразию, занимают передовые позиции. Этот процесс ярко выражен в ландшафтах высоких широт. Наряду с этим, в Арктике хорошо выражена тенденция концентрации биоразнообразия в пресноводных и влажных наземных биотопах при продвижении на север – от лесотундры в зону тундры и далее в зону полярных пустынь.

Но самое удивительное, пожалуй, то, что арктические архипелаги и материковое побережье Ледовитого океана очень неоднородны по числу обитающих здесь насекомых и паукообразных. Так, расположенный среди холодных вод и льдов Чукотского моря остров Врангеля, как «осколок» плейстоценовой фауны, сохранивший множество эндемичных видов, по видовому составу насекомых превосходит все остальные арктические архипелаги, которые многократно больше его по площади! Арктика – очень многообразная страна…

Первое, с чем сталкивается исследователь в Арктике, – это количество и специфичность приспособлений разных видов к её суровым условиям. Понять Север можно тогда, когда человек ясно будет представлять картину того, какими средствами защиты от холода и полярной ночи располагают живущие здесь организмы. Сезонная адаптация насекомых к арктическим условиям особенно поучительна, потому что в Арктике обитает больше видов насекомых, чем других видов животных (а амфибии и рептилии вовсе не встречаются). Арктическая среда сдерживает распространение беспозвоночных животных несколько иначе, чем больших по размерам позвоночных. В частности, насекомые хладнокровны и поэтому не могут противостоять холоду в течение всего годового цикла, выделяя тепло, как это делают млекопитающие.  Поэтому арктическим насекомым требуются особые способы борьбы, особенно с продолжительной холодной зимой и коротким, прохладным и непредсказуемым летом. А если учесть, что средние температуры даже летом могут быть близки к предельным для жизни насекомых, эти виды должны быть в состоянии выжить, даже когда условия сильно отличаются от средних. Все современные факты говорят специалистам, что существование живых организмов в Арктике возможно только посредством множественных адаптаций в течение жизненного цикла, включая согласованные физиологические, структурные, экологические и временные особенности. Например, эффективная холодоустойчивость возникает не только из-за физиологических реакций, таких как накопление так называемых криопротекторов, но также из-за выбора местообитания, времени жизненного цикла и состояния покоя, а также расчёта энергетического бюджета. Потребность в раннем весеннем развитии и размножении перевешивает потребность в дополнительной защите от холода для многих видов. Такие «привычки» позволяют начинать развитие как можно раньше весной, а воспроизводство завершать до наступления зимы. Очевидно, что для многих видов необходимость завершить жизненный цикл более критична, чем избегание самых холодных мест зимой.

Короткое северное лето сокращает многие потенциальные ресурсы. Кроме того, что типичные арктические виды не только более морозостойки летом, чем их родственники из умеренной зоны, они и развиваются по-другому! У типичных кусающих мух самка питается кровью позвоночных, которая используется в качестве источника питательных веществ для развития яиц. В Арктике короткое тёплое время года сочетается с тем фактом, что количество теплокровных доноров может быть ограничено, и большая часть популяции является аутогенной: такие виды развивают свои яйца из запасов пищи личинок, не питаясь кровью. Например, только около 2,5% мошек в целом являются облигатно автогенными (даже не имеют частей рта, пригодных для кормления кровью), но в Арктике таких видов подавляющее большинство. У двух видов арктических комаров есть несколько вариантов развития яиц, включая облигатную и факультативную аутогению: у некоторых особей яйца развиваются сразу же без кровопускания; некоторые питаются кровью, если её источник доступен в течение нескольких дней, но без этого они возвращаются к аутогенному производству яиц. 

У некоторых видов коконы, выращенные на зиму, способствуют морозоустойчивости и предотвращают замораживание личинки, удерживая кристаллы льда подальше от поверхности их тела. Хирономидные мошки арктического и умеренного климата образуют особые зимние коконы, отличные от летних. 

Повседневная картина тёплых дней и более прохладных ночей, привычная для умеренных зон, заменяется в Арктике непрерывным летним днем ​​с постоянными условиями в течение суток. Насекомые эффективно используют это в своей жизни. В отличие от строго запрограммированной активности многих насекомых в умеренном климате, большинство арктических насекомых активны всякий раз, когда достаточно тепло, независимо от времени суток. Например, ежедневный вылет мошек из мелких водоёмов определяется температурой воды. Выбор места и особенности поведения в сочетании со структурными характеристиками способствуют притоку тепла. Комары и многие другие насекомые нежатся в цветах, ориентируясь своим телом на поглощение солнечной радиации, арктические шмели летают близко к земле, потенциально извлекая выгоду из тепла, излучаемого почвой. Многие адаптации отражают потребности жизненного цикла насекомого в целом. Крупные виды не могут завершить развитие за один сезон, поэтому должны питаться и расти летом и выживать на личиночной стадии в течение нескольких зим подряд. Подробные исследования установили, что жизненный цикл некоторых арктических бабочек и мошек длится 7 лет и более. Жизненный цикл различных пауков, коллембол и других видов беспозвоночных составляет от 3 до 5 лет. Наконец, партеногенез (то есть форма полового размножения, когда женские половые клетки развиваются без оплодотворения) чаще встречается у насекомых из Арктики, чем у представителей фаун более южных мест. Партеногенез не только устраняет необходимость спаривания в прохладных и непредсказуемых летних условиях, но и защищает популяцию от риска.

Физиологические адаптации беспозвоночных к холодостойкости тоже хорошо изучены. Большинство арктических видов устойчивы к замерзанию: они переживают зиму в замороженном состоянии, при этом большая часть воды превращается во внеклеточный лед. Некоторые арктические виды способны выжить в мёрзлой почве несколько лет (например, коллемболы). Холодный воздух содержит мало влаги и может высушить подвергшиеся воздействию организмы, особенно мелкие. Следовательно, морозостойкость сопровождается и устойчивостью к высыханию.   

Российские учёные вносят большой вклад в изучение полярных широт, например, Андрей Пржиборо, старший научный сотрудник Зоологического института Российской Академии наук, много лет исследует насекомых Новой Земли.

  За сбором насекомых в заливе Русская Гавань, Новая Земля, 2018 год. Фото Н. Авдонина.

Он достаточно полно исследовал энтомофауну Арктики, чтобы сделать ряд выводов о том, кто же из насекомых её населяет. По его словам, «в озёрах севера Новой Земли разнообразно представлены личинки двукрылых только из семейства Chironomidae; в водотоках, кроме них, также многочисленны личинки из подрода Arctotipula (семейство Tipulidae), а в полуводных биотопах севера Новой Земли установлено обитание личинок двукрылых из четырёх семейств. Таким образом, таксономическое богатство двукрылых в изучаемом регионе закономерно и достаточно резко снижается от полуводных биотопов к водным и при движении с юга на север. По-видимому, личинки Arctotipula – это самые крупные неморские свободноживущие беспозвоночные, обитающие в зоне полярных пустынь, и один из важнейших компонентов пресноводной биоты высокоширотной Арктики».

Собрать материалы по фауне насекомых или других беспозвоночных коротким заполярным летом – дело непростое. Надо успеть «попасть» в те несколько тёплых дней, когда эти организмы активны. Но каждый такой сбор приносит новые открытия.

  Автор этой статьи за сбором насекомых на о. Хейса, Земля Франца-Иосифа, 2012 год. фото Д. Менникова.

Возвращаясь к «нашей» бабочке-угольнице, можно сказать, что её появление так далеко на севере, а также возможное смещение её ареала, скорее всего, было вызвано глобальным потеплением климата в период 2012–2020 годов. Короткий жизненный цикл и возможность расселения многих насекомых позволяют быстро реагировать на изменения окружающей среды. О различных видах насекомых, распространяющихся по воздуху в арктические районы из мест, находящихся за много сотен километров, хорошо известно. Однако, остаётся открытым вопрос, как много разных видов бабочек может достичь островов Северного Ледовитого океана в результате естественных миграционных процессов, как далеко на север они могут мигрировать в глобальном масштабе и к чему это может привести. Например, в том же 2020 году, на далёком острове Визе, случайно обнаружили мотыльков вида Zeiraphera griseana, что тоже случилось впервые для этой части Карского моря и нуждается в объяснении.

Академик Ю.И. Чернов в своё время прекрасно написал, что «видовое и вообще таксономическое богатство органического мира в холодных заполярных областях ниже, чем в любых других зональных ландшафтах. Именно к арктическим биомам в наибольшей мере применимо положение об уникальности каждого вида и губительных последствиях для экосистем изъятия любого из них. Вследствие низкого таксономического разнообразия в животном и растительном мире тундровой зоны меньше возможности экологического викариата, взаимозамены видов, выполняющих ту или иную экологическую функцию в сообществе. В тундровой зоне, особенно в её северных районах, мы часто сталкиваемся с единичной видовой представительностью экологических «профессий».


Автор: Иван Андреевич Мизин, зоолог, к.б.н., заместитель директора по научной работе национального парка "Русская Арктика".

Литература:

1.    J. A. Downes  Arctic Insects and Their Environment// The Canadian Entomologist , Volume 96 , Issue 1-2 , February 1964, pp. 279 – 307

2.    Hugh V. Danks Seasonal Adaptations in Arctic Insects Integrative and Comparative Biology, Volume 44, Issue 2, April 2004, Pages 85–94

3.    Пржиборо А.А. Двукрылые насекомые (Insecta: Diptera) в пресноводных и береговых полуводных биотопах окрестностей станции Белый Нос, острова Вайгач и севера Новой Земли Комплексная научно-образовательная экспедиция «Арктический плавучий университет – 2016»: [материалы экспедиции]: [сост. и отв. ред.: канд. ист. наук К. С. Зайков, канд. геогр. наук Д. Ю. Поликин]. – Архангельск: КИРА, 2016. – с. 38-51.

4.    Coulson S.J. et al. The terrestrial and freshwater invertebrate biodiversity of the archipelagoes of the Barents Sea; Svalbard, Franz Josef Land and Novaya Zemlya // Soil Biology & Biochemistry. 2014. No. 68. PP. 440–470. 

5.    Ivan N. Bolotov, Ivan A. Mizin, Alisa A. Zheludkova, Olga V. Aksenova, Yulia S. Kolosova, Grigory S. Potapov, Vitaly M. Spitsyn, Mikhail Y. Gofarov. Long-distance dispersal of migrant butterflies to the Arctic Ocean islands, with a record of Nymphalis xanthomelas at the northern edge of Novaya Zemlya (76.95°N). Nota Lepidopterologica. 44 2021: 73–90 | DOI 10.3897/nl.44.62249

6.    Стишов М.С. Остров Врангеля – эталон природы и природная аномалия. Йошкар-Ола: изд-во Марийского полиграфкомбината, 2004. – 596 с.

7.    Yu.I. Chernov Arctic biota: Taxonomic diversity// Зоологический журнал, 2002. 81(12):1411-1431

8.    Г.С. Потапов, Ю.С. Колосова. Bombus glacialis Sparre-Schneider, 1902 (Hymenoptera: Apidae): результаты молекулярно-генетических исследований с архипелага Новая Земля // Материалы XV Съезда Русского энтомологического общества. Новосибирск: издательство «Гарамонд», 2017. – С. 409.

9.    Maria V. GavriloIgor I. ChupinMikhail V. Kozlov Carried with the wind: mass occurrence of Zeiraphera griseana (Hübner, 1799) (Lepidoptera, Tortricidae) on Vize Island (Russian High Arctic). Nota Lepidopterologica. 44 2021: 91–97 | DOI 10.3897/nl.44.63662



далее в рубрике