Abstract
Zanieczyszczenie metalami może powodować spadek indywidualnych rozmiarów ciała. W przypadku mrówek, ich zróżnicowanie morfologiczne w obrębie i pomiędzy koloniami może być znacznie większe niż dotychczas uważano, nawet u mrówek monomorficznych. W niniejszej pracy dokonano pomiarów wielkości ciała, wyrażonej jako szerokość głowy, robotnic Lasius niger zebranych z 44 młodych kolonii znajdujących się w stadiumergonomicznym wzdłuż znanego gradientu wykazującego przewlekłe zanieczyszczenie metalami. Obliczono statystyki opisujące krzywą rozkładu wielkości ciała, tj. średnią, medianę, zakres danych, skośność i kurtozę. Żadna z tych statystyk nie korelowała z poziomem zanieczyszczenia. W przeciwieństwie do naszych wcześniejszych badań przeprowadzonych na dojrzałych koloniach, robotnice z młodych kolonii nie wykazują zmian morfologicznych związanych z zanieczyszczeniem środowiska. Uzyskane wyniki podkreślają znaczenie stadium rozwojowego kolonii na zróżnicowanie wielkości ciała robotnic u jednokomórkowców żyjących na terenach zanieczyszczonych metalami.
1. Introduction
Some social insects have evolved morphologically distinct subcastes of workers, dedicated to different tasks in the colony. Jednak większość gatunków i rodzajów mrówek utrzymuje pojedynczą, elastyczną behawioralnie obsadę robotnic. Pomimo monomorficzności, może istnieć znaczna między- i wewnątrzkolonijna zmienność wielkości robotnic. Chociaż takie zróżnicowanie było powszechnie uważane za zbyt małe, aby mogło mieć znaczenie dla przydziału zadań, ostatnie badania skutecznie podważyły to twierdzenie. Robotnice monomorficznego gatunku Temnothorax rugatulus żerujące poza gniazdem mogą być większe niż robotnice wewnątrzkolonijne. Zatem monomorfizm nie musi oznaczać braku podziału pracy związanego z wielkością ciała. Można również zadać pytanie, w jakim stopniu wielkość ciała mrówek monomorficznych może być modyfikowana w środowisku zanieczyszczonym i stresogennym. Badania terenowe oraz eksperymenty laboratoryjne wykazały, że u wielu gatunków bezkręgowców indywidualny rozmiar ciała może się zmniejszać wzdłuż gradientu zanieczyszczeń metalami. Istotne zmniejszenie rozmiarów ciała zaobserwowano również wzdłuż gradientu urbanizacji. Jednak, jak wskazało wielu innych autorów, związek między wielkością ciała a urbanizacją lub presją zanieczyszczenia metalami może być znacznie bardziej złożony i nie zawsze może być opisany jako prosty wzrost lub spadek.
W naszych poprzednich badaniach analizowaliśmy wielkość ciała monomorficznej mrówki Lasius niger (L., 1758) wzdłuż dobrze znanego gradientu zanieczyszczenia metalami. Testowaliśmy wielkość ciała przy założeniu, że zmniejszy się ona wzdłuż rosnącego gradientu zanieczyszczenia metalami w wyniku toksyczności i / lub ograniczenia żywności. Stwierdziliśmy, że średnia wielkość ciała nie była związana z zanieczyszczeniem, ale częstotliwość występowania stosunkowo małych mrówek wzrastała wraz z poziomem zanieczyszczenia. Tak więc, kształt rozkładu wielkości ciała wydaje się odpowiadać na stres środowiskowy, mimo że badana mrówka jest uważana za monomorficzną. Podobny wzrost liczebności stosunkowo małych mrówek bez zmiany mediany lub średniej wielkości stwierdziliśmy u spokrewnionego gatunku Lasius flavus (Grześ, Okrutniak niepublikowane). Postawiliśmy hipotezę, że obserwowana zmiana może być spowodowana ograniczeniami energetycznymi w kolonii. Badania nad Lasius niger prowadzone były na koloniach dojrzałych, w fazie reprodukcyjnej, czyli w fazie intensywnej produkcji odlewów płciowych, których rozmnażanie jest energetycznie kosztowne. W związku z tym pojawia się pytanie, czy obserwowana zmiana zależy od etapu rozwoju kolonii.
W obecnej pracy badaliśmy 44 młode gniazda (nie produkujące odlewów płciowych) Lasius niger zlokalizowane wzdłuż dobrze znanego gradientu zanieczyszczeń, który był taki sam jak ten użyty w poprzednim badaniu. Zmierzono wielkość ciała (wyrażoną jako szerokość głowy). Porównaliśmy statystyki opisujące tendencję centralną i kształt dystrybucji wzdłuż gradientu zanieczyszczeń.
2. Materiały i Metody
2.1. Gatunek badany i obszar badań
Czarna mrówka ogrodowa (Lasius niger) jest jednym z najpospolitszych gatunków na obszarze Palearktyki. Nasze poprzednie badania wykazały, że L. niger jest najliczniej występującą mrówką w porównaniu z innymi gatunkami zamieszkującymi badany obszar. Gatunek ten zasiedla różne środowiska antropogeniczne, takie jak pola uprawne, pastwiska, miejsca ruderalne czy tereny zielone w miastach. L. niger jest ściśle monoginiczna i monomorficzna, buduje mineralne kopce gniazdowe, w których znajduje się od stu do kilkunastu tysięcy robotnic. Interesujący nas gatunek jest zarówno mszyco-, jak i mięsożerny .
Obszar badań znajduje się w okolicach Olkusza w południowej Polsce. Stężenia metali w warstwie humusu na najbardziej zanieczyszczonych stanowiskach w tym regionie przekraczają 9600 mg/kg dla cynku, 1500 mg/kg dla ołowiu i 80 mg/kg dla kadmu. Wcześniejsze badania przeprowadzone na tym obszarze wykazały, że stężenia metali w glebie są ze sobą silnie skorelowane. Wzdłuż gradientu zanieczyszczeń wyznaczono piętnaście punktów badawczych obejmujących opuszczone pola i świeże łąki. Transekt rozciągał się od 0,7 do 35 km od źródła zanieczyszczeń. Stężenia metali na stanowiskach malały wraz ze wzrostem odległości od huty, zbliżając się do poziomu tła na stanowiskach położonych dalej niż 25 km od huty. Badane stanowiska reprezentowane były przez nieużytki (11 stanowisk), koszone łąki (1 stanowisko) i nieużytki przemysłowe (3 stanowiska).
2.2. Poziom zanieczyszczenia
W celu zapewnienia biologicznie realistycznej miary poziomu zanieczyszczenia każdego stanowiska, przeanalizowaliśmy stężenia Zn i Cd w losowej próbie bezkręgowców zebranych na każdym stanowisku w ramach badań wstępnych latem 2011 roku. Stężenie Zn w bezkręgowcach korelowało dodatnio zarówno ze stężeniem Cd w bezkręgowcach, jak i z całkowitym stężeniem Zn w glebie. Najniższe i najwyższe stężenia Zn w bezkręgowcach wynosiły odpowiednio 134 i 1545 mg/kg suchej masy (s.m.). Z kolei najniższe i najwyższe stężenia Cd w bezkręgowcach wynosiły 3,98 i 39,70 mg/kg s.m. Szczegółowe dane dotyczące stężeń Zn i Cd w bezkręgowcach i w próbkach gleby oraz opis botaniczny badanych stanowisk zamieszczono w (patrz stanowiska S1-S3, S5, S6, S8, S10-S12 i S14-S19). Stężenie Zn w bezkręgowcach wykorzystano jako wskaźnik poziomu zanieczyszczenia.
2.3. Pomiary morfologiczne
Identyfikacja gatunków następowała po . W każdym z 15 badanych miejsc wybrano 3 młode kolonie L. niger (15 × 3 = 45). Jedna kolonia została wykluczona z ostatecznej analizy z powodu błędu podczas pobierania próbek. Wszystkie kolonie zostały sprawdzone pod kątem braku odlewów płciowych. Z każdego gniazda pobrano losową próbę około robotnic za pomocą wyciągu i przechowywano w temperaturze -5°C do czasu wykonania pomiarów. Wielkość ciała mrówek wyrażono jako maksymalną szerokość głowy nad oczami (HW). Wszystkie pomiary szerokości głowy wykonano pod powiększeniem 50x przy użyciu mikroskopu metalograficznego Met-153 (Motic, Chiny) połączonego z kamerą cyfrową (Huvitz, Korea). Szerokość główek mierzono z dokładnością do 0,00001 mm na podstawie zdjęć cyfrowych przy użyciu programu Panasis, ver. 2.4.2, Huvitz. W celu sprawdzenia dokładności pomiarów 30 mrówek zmierzono dwukrotnie. Wyniki pierwszego i drugiego zestawu pomiarów zostały skorelowane. Wysoki współczynnik korelacji (, ) wskazywał na wysoką powtarzalność pomiarów. U mrówek L. niger objętość gniazda rośnie niemal proporcjonalnie do wielkości kolonii, dlatego jako estymator wielkości kolonii przyjęto średnicę powierzchni podstawowej gniazda. We wszystkich koloniach użytych do badań średnica kopca wahała się od 10 do 47 cm (mediana wynosiła 19,0 cm).
2.4. Procedury statystyczne
Aby sprawdzić zależności między poziomem zanieczyszczenia a wielkością ciała L. niger, obliczono statystyki opisowe szerokości głowy, w tym średnią, medianę i zakres, a także kurtozę i skośność. Każda z tych statystyk została obliczona dla każdej kolonii i skorelowana osobno z poziomem zanieczyszczenia stanowisk (stężenie Zn w bezkręgowcach). Istotność każdej zależności testowano za pomocą prostej regresji (Statgraphics Centurion XV) przy 95% poziomie ufności, a następnie sprawdzano normalność reszt. U mrówek wielkość ciała może być skorelowana z wielkością kolonii. Dlatego, aby wyeliminować wpływ wielkości kolonii przed korelacją z poziomem zanieczyszczenia, każda statystyka została najpierw skorelowana z wielkością kolonii. Następnie reszty były regresowane względem poziomu zanieczyszczenia. W ten sposób, testując zależność między wielkością mrówek a zanieczyszczeniem, wykorzystano tylko tę część wariancji, która nie została wyjaśniona przez wielkość kolonii. Ponieważ na każdym stanowisku zebrano trzy gniazda mrówek, wartości reszt dla każdej ze statystyk zostały uśrednione, aby uniknąć problemu pseudoreplikacji .
3. Wyniki
Średni rozmiar główki wahał się między 700 a 965 μm. Wielkość główki różniła się istotnie pomiędzy koloniami (jednokierunkowa ANOVA, , ; Ryc. 1). Rozkład wielkości w każdej kolonii nie odbiegał znacząco od rozkładu normalnego, gdyż zarówno st. skośności, jak i st. kurtozy mieściły się w zakresie oczekiwanym dla rozkładu normalnego -2 do +2. Żadna ze statystyk (średnia, mediana, rozstęp, st. skośność i st. kurtoza) nie korelowała istotnie z zanieczyszczeniem stanowiska (w każdym przypadku, Tabela 1).
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
4. Dyskusja
Celem pracy było sprawdzenie, czy tendencja do częstszego występowania małych mrówek, stwierdzona we wcześniejszych badaniach w dojrzałych koloniach Lasius niger, występuje również w młodszych koloniach tego gatunku. Na podstawie przeprowadzonych badań nie stwierdzono istotnego wzrostu frakcji małych mrówek wzdłuż gradientu zanieczyszczeń. Z kolei w dużych i dojrzałych koloniach stwierdzono wcześniej większą frakcję małych robotnic wzdłuż wzrastającego gradientu zanieczyszczeń metalami. Tak więc zmiana kształtu rozkładu wielkości ciała u badanej mrówki wydaje się być związana z etapem rozwoju kolonii. W poprzednich i obecnych badaniach wykorzystano ten sam gatunek, teren badań, procedury pomiarowe oraz podobną liczbę kolonii (, ) i identyczną liczbę osobników na kolonię (). Dlatego uważamy, że porównanie dojrzałych i młodych kolonii w badaniu powinno być obowiązkowe.
Zanieczyszczenie metalami śladowymi jest znane z wywoływania szeregu toksycznych efektów na bezkręgowcach . Biorąc pod uwagę wpływ na morfologię, zanieczyszczenie metalami może wywoływać deformacje morfologiczne, wzrost niestabilności rozwojowej i zmniejszenie rozmiarów ciała. Ogólnie rzecz biorąc, trzy mechanizmy mogą podkreślać negatywny wpływ metali na wielkość/masę ciała: (1) toksyczność metali oparta na wypieraniu niezbędnych metali z enzymów w miejscach aktywnych, co prowadzi do utraty ich funkcji, (2) kompromisy między kosztem detoksykacji a alokacją energii na wzrost i rozwój , oraz (3) ograniczona dostępność pokarmu na skażonych obszarach . W tym badaniu stwierdzamy, że L. niger może ulegać pewnym zmianom morfologicznym wzdłuż gradientu zanieczyszczeń, ale zmiany te wydają się być związane z dojrzałymi koloniami, a nie z młodymi koloniami. Obserwacja ta może być wyjaśniona w świetle rozwoju kolonii i alokacji energii w kolonii.
W mrówkach można wyróżnić trzy główne fazy rozwoju kolonii w ciągu całego jej życia. Pierwsza faza, zwana „zakładaniem kolonii”, charakteryzuje się brakiem dorosłych robotnic; jedynym dorosłym osobnikiem jest królowa składająca jaja. Rozwój kolonii na tym etapie jest słabo uzależniony od zewnętrznych zasobów pokarmowych, ale pozostaje w dużym stopniu uzależniony od ilości tłuszczu zgromadzonego u królowej. Momentem przejścia do kolejnego etapu rozwoju kolonii, czyli etapu ergonomicznego, jest wylęg pierwszych robotnic. Na tym etapie królowa skupia się wyłącznie na składaniu jaj, podczas gdy robotnice zajmują się opieką nad czerwem. W konsekwencji, na tym etapie inwestycje energetyczne w kolonii są przeznaczone na jej wzrost, a nie na rozmnażanie czy dyspersję. Gdy liczba dorosłych robotnic osiągnie pewien poziom, rozpoczyna się produkcja dziewiczych królowych i samców; w ten sposób kolonia wchodzi w fazę reprodukcyjną. Dlatego młode kolonie przeznaczają swoje zasoby na wychów robotnic, ułatwiając w ten sposób wzrost kolonii, podczas gdy dojrzałe kolonie muszą dzielić energię pomiędzy nowe pokolenie robotnic i kasty płciowe. Wychowanie samców i samic w dojrzałych koloniach, które znajdują się w stadium reprodukcyjnym, wymaga najprawdopodobniej więcej wysiłku niż wychowanie robotnic w młodych koloniach w tym samym stadium reprodukcyjnym. Tschinkel zaobserwował, że robotnice mrówek Pogonomyrmex tracą 20% tłuszczu podczas fazy karmienia samców i samic, która ma miejsce w lipcu. Dlatego zwiększona frakcja małych robotnic obserwowana w dojrzałych koloniach, ale nie w młodych, może być efektem ograniczenia energetycznego podczas intensywnej produkcji płciowej.
5. Wnioski
Nie stwierdziliśmy związanego z zanieczyszczeniami wzrostu frakcji stosunkowo małych robotnic w młodych koloniach L. niger jest podobny do stwierdzonego we wcześniejszych analogicznych badaniach prowadzonych na dojrzałych koloniach. Wyniki tych badań sugerują, że wielkość ciała u monomorficznej mrówki Lasius niger może ulegać zmianom w rozkładzie wielkości ciała w wyniku interakcji zanieczyszczenia metalami i stadium rozwoju kolonii. Ograniczenia energetyczne podczas wychowania płciowego mogą tłumaczyć udowodnioną różnicę pomiędzy młodymi i dojrzałymi koloniami.
Konflikt interesów
Autorzy deklarują, że nie ma konfliktu interesów w związku z publikacją tej pracy.
Podziękowania
Ta praca została wsparta przez Narodowe Centrum Nauki (NCN), na podstawie decyzji DEC- 2011/01/D/NZ8/00167.