Abstract
Metallipilaantuminen voi aiheuttaa yksilön ruumiinkoon pienenemistä. Muurahaisilla, jopa monomorfisilla muurahaisilla, kolonioiden sisäinen ja niiden välinen morfologinen monimuotoisuus voi olla paljon suurempaa kuin aiemmin on ajateltu. Tässä tutkimuksessa mitattiin Lasius niger -lajin työläisten ruumiinkokoa, joka ilmaistiin pään leveytenä, 44:stä nuoresta pesäkkeestä kerätyistä työläisistä, jotka olivat ergonomisessa vaiheessa tunnetun gradientin varrella, jossa esiintyy kroonista metallipilaantumista. Laskimme ruumiinkoon jakaumakäyrää kuvaavat tilastot eli keskiarvon, mediaanin, vaihteluvälin, vinouden ja kurtoosin. Mikään näistä tilastoista ei korreloinut pilaantumistason kanssa. Toisin kuin aiemmassa tutkimuksessamme, joka tehtiin täysikasvuisilla pesäkkeillä, nuorten pesäkkeiden työntekijöillä ei ollut saastumiseen liittyviä morfologisia muutoksia. Tulokset korostavat pesäkkeen kehitysvaiheen merkitystä työntekijöiden ruumiinkoon monipuolistumisessa metallipilaantuneilla alueilla elävillä monomorfisilla yksilöillä.
1. Johdanto
Jotkut sosiaaliset hyönteiset ovat kehittäneet morfologisesti erillisiä työläisten alaryhmiä, jotka ovat omistautuneet eri tehtäviin pesäkkeessä. Useimmat muurahaislajit ja -suvut ylläpitävät kuitenkin yhtä käyttäytymiseltään joustavaa työläiskastia . Vaikka työläiset ovat monomorfisia, niiden koko voi vaihdella huomattavasti yhdyskunnan sisällä ja yhdyskuntien välillä . Vaikka tällaista vaihtelua pidettiin yleensä liian pienenä, jotta sillä olisi merkitystä tehtävien jakamisen kannalta, äskettäinen tutkimus on tehokkaasti kyseenalaistanut tämän väitteen. Monomorfisen Temnothorax rugatulus -lajin työntekijät, jotka etsivät ravintoa pesän ulkopuolelta, saattavat olla suurempia kuin pesän sisäiset työntekijät . Monomorfismi ei siis välttämättä tarkoita ruumiin kokoon liittyvän työnjaon puuttumista. Voidaan myös kysyä, missä määrin monomorfisten muurahaisten ruumiinkoko voi muuttua saastuneissa ja stressaantuneissa ympäristöissä. Kenttätutkimukset ja laboratoriokokeet osoittivat, että monilla selkärangattomilla lajeilla yksilön ruumiinkoko voi pienentyä metallien aiheuttaman pilaantumisgradientin myötä. Merkittävää ruumiinkoon pienenemistä on havaittu myös kaupungistumisgradienttia pitkin . Kuten monet muutkin kirjoittajat ovat osoittaneet, ruumiinkoon ja kaupungistumisen tai metallipilaantumispaineen välinen suhde voi kuitenkin olla paljon monimutkaisempi, eikä sitä voida aina kuvata yksinkertaisena kasvuna tai vähenemisenä .
Aiemmissa tutkimuksissamme analysoimme monomorfisen muurahaisen Lasius niger (L., 1758) ruumiinkokoa pitkin tunnettua metallipilaantumisgradienttia . Testasimme ruumiinkokoa olettaen, että se pienenee kasvavaa metallikuormitusgradienttia pitkin myrkyllisyyden ja/tai ravintorajoituksen seurauksena. Havaitsimme, että keskimääräinen ruumiinkoko ei ollut yhteydessä saastumiseen, mutta suhteellisen pienten muurahaisten esiintymistiheys kasvoi saastumistason kasvaessa. Näin ollen ruumiinkoon jakauman muoto näyttää reagoivan ympäristöstressiin, vaikka tutkittua muurahaista pidetäänkin monomorfisena . Löysimme samankaltaisen suhteellisen pienten muurahaisten määrän lisääntymisen ilman mediaani- tai keskikoon muutosta sukulaislajilla Lasius flavus (Grześ, Okrutniak, julkaisematon). Esitimme hypoteesin, jonka mukaan havaittu muutos saattaa johtua pesäkkeen energeettisistä rajoitteista. Lasius niger -lajia koskeva tutkimus tehtiin sukukypsillä pesäkkeillä, jotka olivat lisääntymisvaiheessa, eli intensiivisen seksuaalisen valutuotannon vaiheessa, joka on energeettisesti kallista kasvattaa . Näin ollen kysymys näyttää olevan siitä, riippuuko havaittu muutos pesäkkeen kehitysvaiheesta.
Tässä tutkimuksessa tutkittiin 44 Lasius niger -lajin nuorta pesää (jotka eivät tuottaneet sukupuolivaluja), jotka sijaitsivat tunnetun saastumisgradientin varrella, joka oli sama kuin edellisessä tutkimuksessa käytetty. Kehon koko (pään leveytenä ilmaistuna) mitattiin. Vertailimme tilastoja, jotka kuvaavat keskitendenssiä ja jakauman muotoa pitkin saastumisgradienttia.
2. Aineisto ja menetelmät
2.1. Aineisto ja menetelmät. Tutkimuslajit ja tutkimusalue
Musta puutarhamuurahainen (Lasius niger) on yksi yleisimmistä lajeista palearktisella alueella . Aiemmassa tutkimuksessamme kävi ilmi, että L. niger on runsain muurahainen verrattuna muihin tutkittua aluetta asuttaviin lajeihin . Laji asuu erilaisissa ihmisen elinympäristöissä, kuten viljelysmailla, laitumilla, ruderaateissa tai kaupunkialueiden viheralueilla. L. niger on tiukasti monogyninen ja monomorfinen laji, joka rakentaa mineraalisia pesäkumpuja, joissa on sadasta yli kymmeneen tuhanteen työntekijää. Kiinnostava laji on sekä kirvoja että lihansyöjiä .
Tutkimusalue sijaitsee Olkuszin lähellä Etelä-Puolassa. Alueen saastuneimpien kohteiden humuskerroksen metallipitoisuudet ylittävät sinkin osalta 9600 mg/kg, lyijyn osalta 1500 mg/kg ja kadmiumin osalta 80 mg/kg . Alueella aiemmin tehdyt tutkimukset osoittivat, että maaperän metallipitoisuudet korreloivat voimakkaasti keskenään. Pilaantumisgradientin varrelle perustettiin viisitoista tutkimuspistettä, jotka kattoivat hylättyjä peltoja ja tuoreita niittyjä. Tutkimusalue ulottui 0,7-35 kilometrin päähän pilaantumislähteestä. Metallipitoisuudet kohteissa pienenivät etäisyyden kasvaessa sulattamosta ja lähestyivät taustatasoa kohteissa, jotka sijaitsivat yli 25 kilometrin päässä sulattamosta. Tutkimuspaikat edustivat hylättyjä peltoja (11 paikkaa), niitettyjä niittyjä (1 paikka) ja teollisuusjätealueita (3 paikkaa).
2.2. Tutkimusalueet. Saastuneisuustaso
Toteuttaaksemme biologisesti realistisen mittarin kunkin paikan saastuneisuustasosta, analysoimme Zn- ja Cd-pitoisuudet satunnaisnäytteestä selkärangattomia, jotka kerättiin jokaisesta paikasta alustavassa tutkimuksessa kesällä 2011. Selkärangattomien Zn-pitoisuus korreloi positiivisesti sekä selkärangattomien Cd-pitoisuuden että maaperän Zn-kokonaispitoisuuksien kanssa. Alhaisimmat ja korkeimmat selkärangattomien Zn-pitoisuudet olivat 134 ja 1 545 mg/kg kuivapainoa (d.w.). Selkärangattomien alhaisimmat ja korkeimmat Cd-pitoisuudet olivat puolestaan 3,98 ja 39,70 mg/kg painokiloa kohti. Selkärangattomien ja maaperänäytteiden yksityiskohtaiset Zn- ja Cd-pitoisuudet sekä tutkimusalueiden kasvitieteellinen kuvaus on raportoitu osoitteessa (ks. paikat S1-S3, S5, S6, S8, S10-S12 ja S14-S19). Selkärangattomien Zn-pitoisuutta käytettiin pilaantumistason indikaattorina.
2.3. Morfologiset mittaukset
Lajien tunnistaminen seurasi . Jokaiselta 15 tutkimuspaikalta valittiin 3 L. nigerin nuorta pesäkettä (15 × 3 = 45). Yksi pesäke jätettiin lopullisen analyysin ulkopuolelle näytteenoton yhteydessä tapahtuneen virheen vuoksi. Kaikista pesäkkeistä tarkistettiin, että niissä ei ollut sukusoluja. Kustakin pesästä kerättiin noin työntekijän satunnaisnäyte imurilla ja säilytettiin -5 °C:ssa mittaukseen asti. Muurahaisten ruumiin koko ilmaistiin silmien yläpuolella olevan pään enimmäisleveytenä (HW) . Kaikki pään leveyden mittaukset tehtiin 50-kertaisella suurennoksella metallografisella mikroskoopilla Met-153 (Motic, Kiina), joka oli yhdistetty digitaaliseen kameraan (Huvitz, Korea). Pään leveys mitattiin 0,00001 mm:n tarkkuudella digitaalisten valokuvien perusteella käyttäen Panasis, ver. 2.4.2, Huvitz. Mittausten tarkkuuden tarkistamiseksi 30 muurahaista mitattiin kahdesti. Ensimmäisen ja toisen mittaussarjan tulokset korreloitiin keskenään. Korkea korrelaatiokerroin (, ) osoitti mittausten suurta toistettavuutta. L. niger -muurahaisilla pesän tilavuus kasvaa lähes samassa suhteessa pesäkoon kanssa, joten pesän pohjapinta-alan halkaisijaa käytettiin pesäkoon arvioijana. Kaikissa tässä tutkimuksessa käytetyissä yhdyskunnissa pesäkummun halkaisija vaihteli 10 ja 47 cm:n välillä (mediaanikoko oli 19,0 cm).
2.4. Tilastolliset menettelyt
L. nigerin saastumistason ja ruumiinkoon välisten suhteiden testaamiseksi laskettiin pään leveyden kuvailevat tilastot, mukaan lukien keskiarvo, mediaani ja vaihteluväli sekä kurtosis ja skewness. Kukin näistä tilastoista laskettiin jokaisesta pesäkkeestä, ja ne korreloitiin erikseen paikkojen saastumistasojen kanssa (selkärangattomien Zn-pitoisuus). Kunkin suhteen merkitsevyys testattiin yksinkertaisella regressiolla (Statgraphics Centurion XV) 95 prosentin luottamustasolla, minkä jälkeen tarkistettiin jäännösten normaalisuus. Muurahaisilla ruumiin koko voi korreloida pesäkkeen koon kanssa. Sen vuoksi pesäkkeen koon vaikutuksen eliminoimiseksi ennen korrelointia saastumistason kanssa kukin tilasto korreloitiin ensin pesäkkeen koon kanssa. Tämän jälkeen jäännökset regressoitiin saastumistasoa vastaan. Näin ollen testattaessa pään koon ja saastumisen välistä suhdetta käytettiin vain sitä varianssin osuutta, jota pesäkekoko ei selittänyt. Koska kustakin paikasta kerättiin kolme muurahaispesää, kunkin tilaston jäännösarvot keskiarvoistettiin pseudoreplikaatio-ongelman välttämiseksi .
3. Tulokset
Keskimääräinen pään koko vaihteli 700 ja 965 μm välillä. Pääkoko erosi merkittävästi pesäkkeiden välillä (yksisuuntainen ANOVA, , ; kuva 1). Kunkin pesäkkeen kokojakauma ei poikennut merkittävästi normaalijakaumasta, sillä sekä st. vinous (skewness) että st. kurtosis (kurtosis) olivat normaalijakaumalle odotetulla alueella -2-2. Mikään tilasto (keskiarvo, mediaani, vaihteluväli, st. skewness ja st. kurtosis) ei korreloinut merkitsevästi alueen saastumisen kanssa ( kussakin tapauksessa, taulukko 1).
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Pohdinta
Tämän tutkimuksen tavoitteena oli testata, esiintyykö aiemmissa tutkimuksissa Lasius niger -lajin täysikasvuisissa pesäkkeissä havaittua harhaa kohti pienten muurahaisten suurempaa esiintymistiheyttä myös lajin nuoremmissa pesäkkeissä. Tutkimuksemme perusteella pienten muurahaisten osuuden ei havaittu lisääntyneen merkittävästi saastumisgradienttia pitkin. Sitä vastoin suurissa ja kypsissä pesäkkeissä havaittiin aiemmin olevan enemmän pieniä työläisiä kasvavan metallipilaantumisgradientin varrella. Näin ollen tutkittavan muurahaisen ruumiinkoon jakauman muodon muutos näyttää liittyvän pesäkkeen kehitysvaiheeseen. Sekä aiemmassa että tässä tutkimuksessa käytimme samaa lajia, tutkimusaluetta, mittausmenetelmiä, samanlaista määrää pesäkkeitä (, ) ja samanlaista yksilömäärää pesäkettä kohti (). Siksi katsomme, että vertailun kypsien ja nuorten pesäkkeiden välillä tutkimuksessa tulisi olla pakollista.
Hivenmetallien aiheuttaman saastumisen tiedetään aiheuttavan selkärangattomille monenlaisia myrkyllisiä vaikutuksia . Kun otetaan huomioon vaikutukset morfologiaan, metallipilaantuminen voi aiheuttaa morfologisia epämuodostumia , kehityksen epävakauden lisääntymistä ja kehon koon pienenemistä . Yleisesti ottaen kolme mekanismia voi korostaa metallien kielteistä vaikutusta kehon kokoon/massaan: (1) metallien myrkyllisyys, joka perustuu välttämättömien metallien siirtymiseen entsyymien aktiivisista kohdista, mikä johtaa niiden toiminnan menetykseen, (2) kompromissit detoksifikaatiokustannusten ja kasvuun ja kehitykseen osoitetun energian välillä ja (3) rajoitettu ravinnon saatavuus saastuneilla alueilla . Tässä tutkimuksessa päätellään, että L. niger voi kokea tiettyjä morfologisia muutoksia pilaantumisgradienttia pitkin, mutta muutos näyttää liittyvän kypsiin pesäkkeisiin mutta ei nuoriin pesäkkeisiin. Tämä havainto voidaan selittää pesäkkeen kehityksen ja pesäkkeen sisäisen energianjaon valossa.
Muurahaisissa voidaan erottaa kolme päävaihetta pesäkkeen kehityksessä sen elinkaaren aikana . Ensimmäiselle vaiheelle, jota kutsutaan ”pesäkkeen perustamiseksi”, on ominaista aikuisten työläisten puuttuminen; ainoa läsnä oleva aikuinen on munia makaava kuningatar. Pesäkkeen kehitys on tässä vaiheessa heikosti riippuvainen ulkoisista ravintoresursseista, mutta se on edelleen vahvasti riippuvainen kuningattarelle kertyneen rasvan määrästä. Siirtymishetki pesäkkeen seuraavaan kehitysvaiheeseen, ergonomiseen vaiheeseen, on ensimmäisten työläisten kuoriutuminen. Tässä vaiheessa kuningatar keskittyy yksinomaan munien munaamiseen, kun taas työläiset huolehtivat pesänhoidosta. Tämän seurauksena tässä vaiheessa pesäkkeen energiainvestoinnit kohdistuvat pesäkkeen kasvuun eikä niinkään lisääntymiseen tai leviämiseen. Kun aikuisten työläisten määrä lähestyy tiettyä tasoa, alkaa neitseellisten kuningattarien ja urosten tuotanto, jolloin yhdyskunta siirtyy lisääntymisvaiheeseen. Sen vuoksi nuoret pesäkkeet käyttävät resurssejaan työläisten kasvattamiseen, mikä helpottaa pesäkkeen kasvua, kun taas täysikasvuiset pesäkkeet joutuvat jakamaan energiansa uuden työläissukupolven ja sukupuolikastien kesken. Urosten ja naaraiden kasvattaminen lisääntymisvaiheessa olevissa täysikasvuisissa yhdyskunnissa vaatii todennäköisesti enemmän työtä kuin työntekijöiden kasvattaminen samassa lisääntymisvaiheessa olevissa nuorissa yhdyskunnissa. Tschinkel havaitsi, että Pogonomyrmex-muurahaisten työläiset menettävät 20 prosenttia rasvaa heinäkuussa tapahtuvan urosten ja naaraiden ruokintavaiheen aikana. Näin ollen kypsissä pesäkkeissä, mutta ei nuorissa pesäkkeissä, havaittu pienten työläisten osuuden lisääntyminen saattaa olla seurausta energiarajoituksesta intensiivisen sukupuolituotannon aikana.
5. Johtopäätökset
Emme havainneet saasteista johtuvaa suhteellisen pienten työläisten osuuden kasvua nuorissa pesäkkeissä L. niger on samanlainen kuin aiemmassa analogisessa tutkimuksessa, joka tehtiin kypsillä pesäkkeillä. Tämän tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että monomorfisen muurahaisen Lasius nigerin ruumiinkoon jakaumassa voi tapahtua muutoksia metallipilaantumisen ja pesäkkeen kehitysvaiheen vuorovaikutuksen seurauksena. Energiset rajoitteet sukupuolisen heittojen kasvatuksen aikana saattavat selittää todetun eron nuorten ja varttuneiden yhdyskuntien välillä.
Esintressiristiriita
Tekijät ilmoittavat, ettei tämän artikkelin julkaisemiseen liittyen ole eturistiriitoja.
Kiitokset
Tämän tutkimuksen toteutusta on tukenut Kansallinen tiedekeskus (The National Science Centre, NCN), joka perustui päätökseen DEC- 2011/01/D/NZ8/00167.