Конкурс «Био/Мол/Текст»-2024/2025

Эта работа опубликована в номинации «Своя работа» конкурса «Био/Мол/Текст»-2024/2025.

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Немного об опылении

Теория и история

Каждый из нас видел, и не раз, а много-много раз, как пчелы опыляют цветы. Как прилетают, заползают внутрь венчика, ковыряются там, а потом вылетают с желтыми корзинками на задних лапках. Это кажется таким же обычным явлением, как восход солнца, появление радуги после дождя или осенний листопад. Однако у развития взаимоотношений пчелки и цветка весьма интересная история, о которой не так часто рассказывают.

Описанное выше в биологии называют биотическим опылением. Это такой тип биологической связи, при котором опылители, в нашем случае пчелка, получают питательные вещества в виде пыльцы и нектара, а у цветковых растений появляется возможность образовать семена. Опыление с помощью насекомых называется энтомофилией. Отношениям между нашими шестилапыми братьями меньшими и цветами уже миллионы лет, а начались они еще в меловом периоде мезозойской эры, когда, собственно, и возник отдел Покрытосеменных (Цветковых) растений. Однако и до этого — еще в Пермском периоде палеозоя — насекомые контактировали с пыльцой растений, правда, еще голосеменных. Такой процесс назывался палинофагией (питание пыльцой) [1].

Долгая коэволюция покрытосеменных и насекомых-опылителей (их еще называют антофильными насекомыми) привела к тому, что генеративные органы растений трансформировались для удобства насекомых, а именно — их ротовые аппараты. Появился нектар, менялась форма и окраска венчика, был создан новый характер пыльцы: крупная, липкая либо с крючочками, в отличие от мелкой сухой пыльцы ветроопыляемых растений. Да и естественный отбор насекомых шел в сторону образования специфических ротовых аппаратов у определенных видов, родов, семейств и даже отрядов. Потому мы и имеем сейчас множество прекрасных цветов и множество интересных насекомых. А ведь растений, которые опыляются животными, в том числе и насекомыми, большинство — от 67 до 96% всех видов [1–3]. Причем среди энтомофильных (опыляемыми нашими шестилапыми друзьями) есть приверженцы разных экологических стратегий: генералисты и специалисты. Генералисты ждут в гости на нектар каждого: и пчелу, и осу, и жука, и даже муху. Их цветки обычно устроены несложно: лепестки одинаковые, до нектара легко добраться, венчик не мешает, тычинки мигом не цепляются за волоски на теле. Чем больше гостей, тем больше вероятность, что пыльца разнесется по всей округе и произойдет увеличение генетического разнообразия у популяции. К таким гостеприимным растениям относятся, например, семейства Зонтичные и Сложноцветные. Однако есть у такой стратегии свои минусы: приходится образовывать очень много нектара и пыльцы, ведь никто не даст гарантии, что гость, основательно подкрепившийся, понесет пыльцу непременно на цветок растения того же вида [4]. Да и некоторые гости, чего уж говорить, халтурщики: нектару поели, а пыльцу на себя не нацепили. Таких и опылителями назвать стыдно, потому ученые и нарекли их просто посетителями [3].

Иной путь выбрали специалисты, решив: не нужно нам сто гостей, где будут невыгодные нам халтурщики, а подавайте нам хоть одного такого гостя, чтобы нашу пыльцу точно до места донес. Такие растения придумали себе хитроумный венчик, сделали лепестки разной формы, да еще и покрасили их интересно, как самку насекомого. Наверняка многие видели забавные цветки орхидей, напоминающие то птичку, то обезьянью морду, то бабочку (см. рис. 1).

А ведь ботаники неспроста называют их высокоспециализированными энтомофилами: всякие халтурщики, кто просто похищает нектар и пыльцу, у орхидеи не загостят. Но не орхидеями едиными: у нас есть замечательное семейство Бобовых с красивыми названиями лепестков: парус, весла и лодочка (рис. 2).

Основными опылителями таких «корабликов» являются шмели с их пухленьким телом, которое может своей массой открыть цветок при посадке, и длинным языком. Хоть и трудно было выдержать в ходе естественного отбора такое хитроумное приспособление, как особый венчик, но все-таки стратегия специалистов имеет свой большой плюс: им не нужно производить так много пыльцы и нектара, как генералистам, чтобы точно обеспечить себе опыление и генетическое разнообразие, чтобы и следующее поколение смогло выжить в этом суровом мире. Еще и побочный эффект забавный: репродуктивная изоляция формируется легче.

А репродуктивная изоляция — это новый вид и новые краски в букете. Впрочем, свой большой минус тоже есть: стратегия «абы кто мой нектар не получит» ставит растения в опасную зависимость от колебаний численности антофильных насекомых [4].

Насекомые тоже не промах: смекнули, что если вкусно кормят, то этим надо пользоваться. Вот и появились в классе самых многочисленных по количеству видов созданий сладкоежки, кто жить не может без пыльцы и нектара, как пчелиные или бабочки, и вполне себе ценители здорового разнообразного питания, которые любят прилететь на цветы, но и без этого сахар найдут, как другие перепончатокрылые, а также мухи, жуки, иногда даже клопы [3]. Как самих насекомых много, так и насекомых-опылителей очень много: еще в 1898 году П. Кнут определил 166 видов из 31 семейства и 5 отрядов. А ведь с тех пор прошло больше сотни лет [1].

Вообще, экология опыления и в принципе изучение генеративных органов цветков пошли еще от Карла Линнея. Занимался этим и Дарвин, и вообще — среди исследователей XIX века, а их было немало, — именно он внес крупнейший вклад, когда заговорил о взаимной адаптации.

После Дарвина в начале XX века «настоящие» ученые изучение опыления забросили. Но экологии опыления как науке было суждено возродиться после того, как Фриш, Кнолль, Кюнглер и другие занялись изучением поведения различных групп опыляющих насекомых. И теперь уже в наше время интерес к процессу опыления не утихает [1–2]. Собственно, теперь и я принадлежу к тем, кто с увлечением занимается опылителями, и об этом следующие интересные несколько тысяч знаков текста!

Разнообразие наших

Чтобы было проще определять предпочтения и специализацию, исследователи, занимающиеся изучением опыления (а таких людей немало) придумали разделять маленьких шестилапых на функциональные группы опылителей. Возможно, их и больше, но я и мой научный руководитель используем восемь: бабочки, жуки, медоносные пчелы, иные пчелы, шмели, мухи-журчалки, мускоидные мухи и иные [3].

Опылителями номер один считаются именно пчелы (а если очень именно, то медоносные пчелы, которых у нас и диких несколько подвидов, не говоря о породах домашних). По наблюдениям, именно они становятся доминирующей группой в спектрах опыления различных растений, особенно сельскохозяйственных. Последнее имеет большое значение для аграриев, поскольку без опыления не будет урожая.

Но другие насекомые тоже молодцы: по видовому богатству цветочных гостей отличились семейства Усачи и Пластинчатоусые (кто не знал, это жуки). Хотя лидеров — отряды Двукрылые и Перепончатокрылые — они не пережужжали [1].

Хотя, говоря о пчелах... Наверняка кто-то из вас слышал об одной из бед 2021–2022 годов, когда начали массово гибнуть пчелы из-за отравления пестицидами. Это произошло до того, как я начала заниматься опылителями, так что моих собственных исследований о том, как это повлияло на растения, у меня нет.

Увы и ах, это не единственная наша беда с биоразнообразием. Говоря об экологии опыления, мы плавно перешли к экологии естественных биоценозов (в переводе на человеческий: к тому, что происходит в лесах, на лугах, в степях и прочих местах, где люди передумали селиться и оставили природу в покое).

Инвазии

Наверняка, когда вы ехали на машине по, скажем, М-2, или М-4, или еще по какой-нибудь дороге, наверняка видели, что на обочине растет что-то очень многочисленное, высокое и разлапистое. И если вы знали, что это, то вам очень бы хотелось, чтобы это там не росло. Потому что о борщевике Сосновского не слышал только тот, кто никогда не включает новости и не заходит в интернет. По крайней мере, в нашей Тульской области его не любят вообще все (рис. 3).

Борщевик Сосновского относится к семейству Зонтичные. То есть он дальний родственник любимых нами моркови, укропчика, кориандра и сныти — и не очень дальний родственник борщевика сибирского, с которым его иногда путают. Однако главное отличие этих двух высоковольток среди среднерусских трав в том, что из одного можно сделать дудочку — и губы останутся целы, а от другого после дудения придется ложиться в больницу с фотохимическим ожогом. Причем ожоги борщевика Сосновского коварные: заметны не сразу, зато лечатся до месяца и более. К счастью, опасно это растение только под действием ультрафиолета, а зимой его куда меньше, чем летом, и потому борщевика можно не бояться! Шутка, конечно, но про ультрафиолет правда.

А если вспомнить, сколько у зонтичных в сложных соцветиях цветочков, а следовательно, и семян, который прорастут... И это не говоря о том, что борщевик может восстановить свой побег от корневища...

Словом, избавляться от борщевика Сосновского сложно, но придется. Иначе его будет становиться больше, и он вытеснит наши добрые коренные растения, которые в большинстве своем безобидны или хотя бы не пытаются нас покалечить. Исключение составляют, пожалуй, ребята вроде вёха ядовитого (кстати, тоже зонтичный), чей яд приведет к встрече с великими натуралистами прошлого спустя всего полчаса.

Иронично, что борщевик Сосновского пришел к нам с Северного Кавказа. Ну как пришел — в советские времена, в 1960-е—70-е годы ему немного помогли, когда пытались разводить на силос, то есть на корм для скота, причем не только на юге, но и в северных широтах, в Санкт-Петербурге, в Хибинах. Однако уже тогда борщевик с Кавказа обрел способность к самораспространению, начав дичать. Когда все мероприятия свернулись, зонтичный великан обрел свободу, сбежал и пробежал аж до Медвежьегорска в республике Карелия (я там была, и мне это не понравилось. В смысле, наличие борщевика не понравилось, а так всё понравилось). В моей родной Тульской области этот понаехавший занял собой 3,5 тысяч гектаров. У нас под особо охраняемые природные территории занято всего 12 тыс. га. Вот такие пироги... [5], [6].

Разумеется, такой антигерой не мог не привлечь мое внимание. Так он стал одним из объектов моих изучений.

Растения (ну и не только растения) вроде борщевика Сосновского, то есть агрессивные понаехавшие либо поназавезенные, которые сбегают из-под присмотра человека и начинают вытеснять наших родных младших братьев и сестер, называются инвазивными видами. И среди растений даже у меня на родине (в Тульской области, да) их много: золотарник канадский, клен ясенелистный, эхиноцистис лопастной, недотрога желёзконосная... Их более ста видов, и просто так, одним махом, их не сметешь. Тем более, распространению некоторых способствовали сами люди. Один из таких потерявших присмотр — люпин многолистный, второй объект моего изучения. Это растение уже we’re all living in Amerika, как пел Тилль Линдерман, то есть его завезли к нам с той стороны Атлантического океана как садовое, потому что красивый. А еще ядовитый. Но только если жевать [5]. А вообще люпин принадлежит к семейству Бобовые, про которое я уже говорила выше, и там было что-то про шмелей (рис. 4).

Собственное исследование

Как все начиналось

Если говорить без романтики, которой овеяна работа зоологов-полевиков, что они якобы такие же увлеченные милые растяпы, как кузен Бенедикт из «Пятнадцатилетнего капитана», или отважные и немного вздорные фанаты своего дела, как профессор Челленджер из «Затерянного мира» Конана Дойля, то я взялась за опылителей, потому что... боялась своей завкафедрой. Боялась и уважала, конечно же. И еще потому, что нам, зеленым первокурсникам, уже надо было придумывать какие-нибудь темы для курсовых. Притом что мы толком не знали, чего хотим, а биология, со слов завкафедрой, подобна горе надкусанных яблок — копать можно бесконечно в любую из сторон. Мне хотелось что-то интересное, а поскольку я как-то изначально ориентировалась больше на насекомых, то для меня и подобрали подобную тему. И на самом деле, как бы я потом ни ворчала, что у меня не было возможности попробовать что-то другое, это очень хорошая тема. Хотя бы потому, что сейчас ее реально стоит копать, при том что она не особенно популярна, особенно в нашей Тульской области.

Поэтому в течение двух лет (не в смысле двух раз по 365 дней, а в смысле два раза по двум летним месяцам, если считать среднее) я так отвечала на вопрос Чернышевского «что делать?»:

• зафиксировать посещения и определить виды насекомых, посещающих инвазивные и взятые к ним в группу аборигенные виды растений;
• сравнить списки насекомых, посещающих разные растения;
• определить наличие или отсутствие разницы в спектрах опылителей аборигенных и инвазивных видов растений.

Вы спросите меня, зачем. А я отвечу: инвазивные виды нам не друзья, но нельзя их все просто так взять и выжечь под корень. Так что мы можем их изучать. А изучение экологических особенностей довольно важно, поскольку позволяет определить степень внедрения наших недрузей в наши экосистемы и их влияние на наших друзей. И спектр опылителей является одним из экологических параметров насекомоопыляемых, или, по-умному, энтомофильных растений [7], [8].

Собственно, это были основные теоретические моменты, предшествующие моей работе, которые я могу объяснить понятно и интересно.

Дальше, собственно, начинается сама работа: долгие наблюдения, определение видовой либо родовой принадлежности насекомых, очень часто только по фото или быстро составленному описанию, ибо маленькие шестилапые чуваки довольно осторожны и быстро летают. Потом, уже дома, работа со статистикой, анализ и какие-то выводы.

Лето с зонтичными

Итак, с июня по август 2022 года проверке на опылителей подверглись: купырь лесной, укроп (два аборигенных вида) и борщевик Сосновского. Наблюдались они в индивидуальном порядке примерно по часу в каждый день наблюдения. (Спокойно, я не стояла там каждый день, тем более что большую часть июля пришлось быть на практике первокурсников. Потому что нельзя огорчать завкафедрой.) Результаты наблюдений были собраны в страшную таблицу, а из таблицы получилась куда более симпатичная диаграмма. Точнее, две диаграммы: общее распределение по функциональным группам опылителей (рис. 5А) и индивидуальное распределение посещений опылителей по видам растений (рис. 6А).

На самом деле я вас обманула, есть и третья диаграмма: распределение опылителей по функциональным группам индивидуально у борщевика Сосновского (рис. 6).

Возможно, вы и сами сможете догадаться, что здесь произошло, но я честно признаюсь: результаты для меня были немножко неожиданными. Потому что пчел было не очень много. Еще один аргумент в пользу того, что мы должны беречь пчел.

Но есть и хорошие новости: по общему числу посещений борщевик попал на третье место. Это означает, что даже садовый укроп приятнее нашим насекомым, чем какой-то наглый понаехавший!

Однако не все так просто. Ведь я не зря упомянула такую страшную вещь, как статистику.

Был такой интересный человек, звали его Карл Пирсон, и придумал он свой собственный квадрат. Точнее, хи-квадрат. Его можно считать. Считается он просто: берем ожидаемое, берем то, что получилось, а дальше их друг из друга вычитаем и смотрим на проценты. И там еще есть какой-то критерий.

Короче, согласно подсчету этого самого квадрата за тот день, когда к нам больше всего насекомых поналетело, удалось определить такую довольно субъективную штуку, как привлекательность. И выяснилось, что вообще-то борщевик Сосновского был самым привлекательным. С другой стороны, это ведь только математически, а математика вещь очень интересная, особенно когда дело касается счетов и бюджета. Так что одно дело привлекательность, а другое дело общее количество посещений (табл. 1, 2).

Практика на лугу

Теперь следующая история! В июля 2023 года под наблюдение попали опять трое: тысячелистник обыкновенный, люпин многолистный, колокольчик раскидистый.

И опять страшная таблица, и опять диаграммы, и опять статистика... Статистику я вам не покажу, по ней еще отдельная статья не вышла, а вот диаграммы с удовольствием (рис. 7)!

В общем, и тут все то же самое: понаехавший оказался на третьем месте, и поделом ему.

Однако распределение опылителей по функциональным группам на этот раз интереснее: помните, я где-то в начале говорила про шмелей? Собственно, вот демонстрация того, что люпин является специалистом, в отличие от борщевика, который является генералистом и на который слетались все понемногу (рис. 8).

Выводы мы можем сделать очень интересные: мы еще слишком мало знаем.

Ладно, мы что-то знаем, но этого всегда будет недостаточно.

Или... «Несмотря на то, что зонтичные считаются неспециализированными растениями, спектры опылителей у укропа, борщевика Сосновского и купыря лесного отличались. Хи-квадратом Пирсона была подтверждена связь между численностями функциональных групп опылителей и видом растения: состав посетителей в итоге значимо различается между исследованными видами растений, то есть „в моменте“ разные группы насекомых предпочли разные растения. Например, иных оба раза было больше на укропе, а медоносные пчелы 2 и 3 июля были только на борщевике...». Но это туманно.

Однако теперь мы точно знаем, что инвазивные виды растений опыляются насекомыми, но по-разному и не очень. У разных групп насекомых разные предпочтения, и их требования к инвазивным видам схожи с требованиями к аборигенным, однако пока аборигенные виды куда предпочтительнее, а это значит, что не все так плохо, пусть и борщевик с люпином продолжают захватывать территории.

В любом случае мы (и я в том числе) копаем интересную тему, которая связана как с экологией, так и с эволюцией, а все знают, что эволюция — это прикольно, а экология — это грустно.

Однако спешу вас обрадовать: по этой теме мне еще диплом писать. Да, представьте, он меня у до сих пор не написан, хотя общие выводы по двухлетним наблюдениям я где только не говорила: и на научном слэме, и на стендапе, и вот здесь перед вами... Что еще раз доказывает: наука — это круто!

(А кому-то пора бы уже написать научнику).

В любом случае, я, скорее всего, продолжу и дальше копать эту тему, а пока можете не волноваться: борщевик Сосновского и люпин многолистный под моим наблюдением!

Ну и берегите пчел. Хотя мои же наблюдения показали, что не пчелами едиными живы наши луга, однако мед все же очень вкусная штука...

Литература

1. Гринфельд Э. К. Происхождение и развитие антофилии у насекомых. Ленинград: изд-во Ленингр. ун-та, 1978. — 208 с.;
2. Фегри К., Л. ван дер Пэйл. Основы экологии опыления. М.: «Мир», 1982. – 381 с.;
3. Дорохин Д. М., Лысенков С.Н., Елумеева Т.Г. (2019). Сравнение спектров антофильных насекомых, посещающих некоторые виды Зонтичных (Apiaceae) в Московской области. Бюл. Моск. о-ва испытателей природы. Отд. биол.. 124, 25–34;
4. Сафонов А.И. Эволюционное учение. Классики и современники. Учебник (для бакалавров направления подготовки 06.03.01 – Биология). Донецк: ДонНУ, 2018. — 523 с.;
5. Кондратьев М.Н., Евдокимова Д.П., Ларикова Ю.С. (2017). Роль инвазий чужеродных видов растений в лесные экосистемы. Актуальные проблемы лесного комплекса.;
6. A. Yu. Simonova, M. V. Belova, K. K. Ilyashenko, N. E. Pidchenko, M. M. Potskhveriya, et. al.. (2021). Photochemical Dermatitis Due to Contact With Sosnovsky Hogweed. Neotložnaâ med. pomoŝʹ. 9, 653-658;
7. Стеклова А. А. (2023). Антофильные насекомые, посещающие некоторые виды зонтичных в Тульской области // Экология родного края: проблемы и пути их решения: материалы XVIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. — Киров: Вятский государственный университет. С. 398–401;
8. Стеклова А.А. (2023). Изучение спектров насекомых-опылителей инвазивных видов растений Тульской области на примере люпина многолистного (Lupinus polyphyllus) // Материалы Всероссийской конференции с международным участием и элементами научной школы для молодежи. Тула. С. 288–290..