Содержание к диссертации
Введение
Материал, принципы и методы исследований 7
Литературный обзор основных аспектов биологии размножения наземных моллюсков 10
Функциональная морфология полового аппарата девяти видов семейства clausiliidae 20
Репродуктивные циклы 9 видов семейства clausiliidae 35
Факторы, влияющие на размножение clausiliidae 63
Морфология полового аппарата наземных моллюсков в стадии сперматогенеза 68
Выводы 85
Список литературы 87
Приложения 94
Приложение 1. Погодные условия в районе проведения исследований в 2003-2005 гг 94
Приложение 2. Эколого-фаунистический обзор исследованных видов 103
Приложение 3. Особенности распространения наземных моллюсков семейства Clausiliidae на территории Тульской области 109
Приложение 4. Перечень мест сбора наземных моллюсков в Тульской области 115
Приложение 5. Перечень местонахождений исследованных видов 118
- Материал, принципы и методы исследований
- Литературный обзор основных аспектов биологии размножения наземных моллюсков
- Функциональная морфология полового аппарата девяти видов семейства clausiliidae
- Репродуктивные циклы 9 видов семейства clausiliidae
Введение к работе
Сокращение естественных мест обитания моллюсков ставит под угрозу выживание некоторых видов. Наличие данных по экологии и биологии размножения этих видов даёт возможность разработать адекватные меры по их охране.
Распространение и способности к расселению наземных моллюсков тесно связаны с особенностями размножения, в основе которых, в свою очередь, лежат особенности строения и функциональной морфологии полового аппарата. В этом отношении наземные моллюски являются крайне малоизученной группой, что делает исследования в этой области весьма желательными.
Моллюски семейства Clausiliidae, обладая богатой признаками раковиной, издавна привлекали внимание исследователей. Однако, особенности биологии размножения этой группы (функциональная морфология полового аппарата, сезонная динамика гаметогенеза, особенности копуляции, репродуктивные циклы и т. д.) до сих пор не получали должного внимания. Изучение строения сперматофоров, функциональной морфологии полового аппарата, репродуктивных циклов может помочь в решении вопросов систематики.
Цель и задачи исследований Цель данной работы заключается в формировании представлений о биологии размножения Clausiliidae центральной России.
Исходя из сформулированной цели, поставлены следующие задачи:
Сформировать представления о репродуктивных циклах;
Выявить особенности копуляции и строения сперматофоров;
Выявить особенности чередования мужской и женской фаз;
Сравнить особенности морфологии полового аппарата Clausiliidae с представителями Cochlicopidae и Enidae в фазе сперматогенеза.
Научная новизна Впервые изучены этологические и морфологические особенности копуляции 5 видов. Исследована форма передачи половых продуктов при копуляции у 9 видов. Вьывлены особенности чередования мужских и женских фаз у 9 видов семейства Clausiliidae. Впервые проводилось изучение репродуктивных циклов 9 видов семейства Clausiliidae в естественных условиях на протяжении ряда лет. Уточнён способ появления молоди для рассмотренных видов. Расширены представления о морфологических изменениях, происходящих в мужском отделе в фазе сперматогенеза, что позволило решить проблему систематики рода Cochlicopa (семейство Cochlicopidae). Изучение изменчивости в строении сперматофора позволило получить очередное
доказательство того, что Chondrula tridens (семейство Enidae) не является комплексом видов.
Теоретическая и практическая значимость работы Диссертационная работа представляет собой попытку формирования представлений о репродуктивных циклах наземных моллюсков семейства Clausiliidae в естественных условиях. Данные о чередовании мужской и женской фаз рассмотренных видов могут быть использованы для изучения становления гермафродитизма у наземных моллюсков. Поиск физиологических и этологических признаков, наряду с морфологическими, позволит в дальнейшем содействовать реконструкции филогенетических связей между таксонами.
Изучение размножения наземных моллюсков в естественных условиях позволит объяснить причины уязвимости видов, которая проявляется и усиливается в условиях нарастающей антропогенной нагрузки на окружающую среду.
Материал, принципы и методы исследования
Материал
Работа выполнена на основе сборов автора, проводившихся в 1999-2005 гг., а также коллекции Зоологического музея МГУ и сборов С. А. Андреева
Обработано более 7500 экземпляров 13 видов из 152 точек сбора (см. Приложения) на территории Тульской области. Подробная характеристика материала по каждому виду дана в главе 2 и в Приложении.
Методика сбора фиксации и исследования материала
Материалом для изучения репродуктивных циклов наземных моллюсков послужили сборы 2001-2005 гг. Базовыми местами сбора материала послужили участки леса близ пос. Мичурино (Алексинского района) и дер. Никольские Выселки (Одоевского района), а также дер. Демидовка (Ленинского района), где одновременно обитают 7, 8 и 6 видов семейства Clausiliidae соответственно. Собранных моллюсков фиксировали в 70% спирте методом мягкой или жёсткой фиксации по стандартной методике (Шилейко, 1978) или методом быстрой фиксации (Братчик, 1976). Метод жёсткой фиксации позволяет найти особей, вынашивающих яйца, так как при этом моллюски, как правило, оказываются не в состоянии втянуть мягкие части тела глубже половины
последнего оборота. В то же время этот метод позволяет отделить субдефинитивных особей, у которых замыкательный аппарат уже полностью сформирован, но половая система ещё недоразвита; мягкие части тела таких моллюсков при втягивании оставляют свободными не менее двух последних оборотов.
Сборы проводились в течение всего бесснежного периода - с конца марта
по середину октября - начало ноября. В весенне-осенний период (время
размножения) интервал между сборами составлял 1-4 дня, в летний период - 7-
14 дней. Минимальный размер выборки определялся возможностями сбора,
максимальный - конкретными обстоятельствами и чаще всего составлял 5-Ю
особей. Некоторые виды {Cochlodina laminata, Cochlodina orthostoma, Ruthenica
filograna, Bulgarica сапа, Laciniaria plicata) имеют просвечивающую раковину,
что позволяет обнаружить в матке яйца, не прибегая к анатомированию.
Обследованных таким образом моллюсков выпускали обратно в природу. В
целом было вскрыто или обследовано на наличие яиц более 7000 экземпляров 9
видов Clausiliidae: Cochlodina laminata, Cochlodina orthostoma, Ruthenica
filograna, Clausilia pumila, Macrogastra plicatula, Macrogastra ventricosa,
Macrogastra latestriata, Bulgarica сапа, Laciniaria plicata, а также около 500 экз.
Cochlicopa lubrica, Cochlicopa lubricella, Merdigera obscura и Chondrula tridens.
С целью выяснения строения сперматофоров и ряда аспектов биологии размножения и функциональной морфологии моллюсков из природной популяции в различные периоды помещали в лабораторные условия:
стеклянные садки, накрытые марлей, на дно которых помещалась почва с сухими листьями и кусочками гниющей коры или древесины; почва по мере высыхания увлажнялась. Копулирующих моллюсков через различные промежутки времени после начала и окончания копуляции фиксировали методом жёсткой или мгновенной фиксации в кипящей воде или кипящем спирте для выяснения перемещения половых продуктов по протокам полового аппарата и скорости лизиса сперматофоров. Для выяснения влияния плотности популяций на различные аспекты биологии размножения, моллюсков помещали в садки одинаковой площади, при этом варьировалась численность особей в каждом садке.
В течение периода сборов проводился учёт осадков и температуры (минимальные ночные и максимальные дневные).
Анатомирование материала проводилось по стандартной методике (Лихарев, 1962; Шилейко, 1984). При анатомировании фиксировались абсолютные и относительные размеры белковой железы, гермафродитного протока и простаты, состояние матки, семяприёмника и его содержимого. Именно проксимальным отделам полового аппарата уделялось особое внимание, поскольку по их состоянию можно судить о протекании мужской и/или женской фазы (Лившиц, Шилейко, 1971), о прошедшей копуляции и о готовности матки к откладыванию яиц.
Материал, принципы и методы исследований
Материалом для изучения репродуктивных циклов наземных моллюсков послужили сборы 2001-2005 гг. Базовыми местами сбора материала послужили участки леса близ пос. Мичурино (Алексинского района) и дер. Никольские Выселки (Одоевского района), а также дер. Демидовка (Ленинского района), где одновременно обитают 7, 8 и 6 видов семейства Clausiliidae соответственно. Собранных моллюсков фиксировали в 70% спирте методом мягкой или жёсткой фиксации по стандартной методике (Шилейко, 1978) или методом быстрой фиксации (Братчик, 1976). Метод жёсткой фиксации позволяет найти особей, вынашивающих яйца, так как при этом моллюски, как правило, оказываются не в состоянии втянуть мягкие части тела глубже половины последнего оборота. В то же время этот метод позволяет отделить субдефинитивных особей, у которых замыкательный аппарат уже полностью сформирован, но половая система ещё недоразвита; мягкие части тела таких моллюсков при втягивании оставляют свободными не менее двух последних оборотов.
Сборы проводились в течение всего бесснежного периода - с конца марта по середину октября - начало ноября. В весенне-осенний период (время размножения) интервал между сборами составлял 1-4 дня, в летний период - 7 14 дней. Минимальный размер выборки определялся возможностями сбора, максимальный - конкретными обстоятельствами и чаще всего составлял 5-Ю особей. Некоторые виды {Cochlodina laminata, Cochlodina orthostoma, Ruthenica filograna, Bulgarica сапа, Laciniaria plicata) имеют просвечивающую раковину, что позволяет обнаружить в матке яйца, не прибегая к анатомированию. Обследованных таким образом моллюсков выпускали обратно в природу. В целом было вскрыто или обследовано на наличие яиц более 7000 экземпляров 9 видов Clausiliidae: Cochlodina laminata, Cochlodina orthostoma, Ruthenica filograna, Clausilia pumila, Macrogastra plicatula, Macrogastra ventricosa, Macrogastra latestriata, Bulgarica сапа, Laciniaria plicata, а также около 500 экз. Cochlicopa lubrica, Cochlicopa lubricella, Merdigera obscura и Chondrula tridens.
С целью выяснения строения сперматофоров и ряда аспектов биологии размножения и функциональной морфологии моллюсков из природной популяции в различные периоды помещали в лабораторные условия: стеклянные садки, накрытые марлей, на дно которых помещалась почва с сухими листьями и кусочками гниющей коры или древесины; почва по мере высыхания увлажнялась. Копулирующих моллюсков через различные промежутки времени после начала и окончания копуляции фиксировали методом жёсткой или мгновенной фиксации в кипящей воде или кипящем спирте для выяснения перемещения половых продуктов по протокам полового аппарата и скорости лизиса сперматофоров. Для выяснения влияния плотности популяций на различные аспекты биологии размножения, моллюсков помещали в садки одинаковой площади, при этом варьировалась численность особей в каждом садке.
В течение периода сборов проводился учёт осадков и температуры (минимальные ночные и максимальные дневные).
Анатомирование материала проводилось по стандартной методике (Лихарев, 1962; Шилейко, 1984). При анатомировании фиксировались абсолютные и относительные размеры белковой железы, гермафродитного протока и простаты, состояние матки, семяприёмника и его содержимого. Именно проксимальным отделам полового аппарата уделялось особое внимание, поскольку по их состоянию можно судить о протекании мужской и/или женской фазы (Лившиц, Шилейко, 1971), о прошедшей копуляции и о готовности матки к откладыванию яиц.
Литературный обзор основных аспектов биологии размножения наземных моллюсков
Как показано на представителях различных систематических групп, наземные лёгочные моллюски, будучи формально гермафродитными животными, в отдельные сезоны года представлены фактическими самцами или фактическими самками. Об этом можно судить по состоянию гермафродитного протока и белковой железы, хотя с момента наступления половой зрелости сперматогенез и оогенез в гермафродитной железе протекают параллельно и непрерывно. Гипертрофированный гермафродитный проток свидетельствует о преимущественном протекании сперматогенеза, гипертрофированная белковая железа - о преимущественном протекании оогенеза. Большинство стебельчатоглазых весной - в начале лета являются самками, а осенью - зимой самцами благодаря протеканию в гермафродитной железе соответствующих процессов. Так, особи Brephulopsis bidens (семейство Enidae) с октября по май имеют гипертрофированный гермафродитный проток и небольшую белковую железу, тогда как с мая по сентябрь наблюдаются признаки женской фазы -рудиментарный, сильно пигментированный гермафродитный проток и гипертрофированная белковая железа (Лившиц, Шилейко, 1978; Шилейко, 1971; 1978). Те же результаты получены для слизня Arion ater, имеющего однолетний жизненный цикл. Сначала в гермафродитной железе происходит созревание сперматозоидов, а затем яйцеклеток, так что два этих процесса разобщены во времени (Lewis, 1969). В соответствии с формированием мужских или женских гамет особи оказываются способными к копуляции или к откладке яиц, т.е. эти процессы сильно разобщены во времени. У представителей семейства Pleurodontidae из Пуэрто Рико мужская и женская фазы также разобщены во времени, хотя в течение всего года присутствует какая-то часть особей, способных к копуляции или к откладке яиц (Heatwole, Heatwole, 1978).
В гермафродитной железе Deroceras reticulatum, хотя, как и у всех стебельчатоглазых, наблюдается протерандрия, одновременно протекают оба процесса, благодаря чему особи оказываются способными и к копуляции и к откладке яиц (Runham, Laryea, 1968).
Несмотря на большее или меньшее разграничение во времени мужской и женской фаз, по-видимому, у каждого вида существует период максимальной копулятивной активности и максимальной интенсивности откладки яиц. Этот период приурочен к наиболее благоприятным условиям для спаривания и выхода молоди, причём в каждой популяции временные рамки варьируют. У видов, обитающих в климате с небольшим по продолжительности благоприятным периодом, наблюдается период массового спаривания и откладки яиц, тогда как у остальных копулятивная активность и яйцекладка наблюдаются в течение довольно продолжительного времени (Шилейко, 1978; 1984; Heatwole, Heatwole, 1978).
У гермафродитных животных возможны следующие варианты реализации обоеполости при копуляции: 1) односторонняя копуляция: одна особь играет роль самца, другая самки; 2) гермафродитная копуляция: особи одновременно выступают и как самец и как самка; 3) реципрокная копуляция: вначале один из моллюсков копулирует как самец, а второй - как самка Затем, без сколько-нибудь заметной паузы, они меняются ролями.
К сожалению, данный вопрос в литературе освещен довольно слабо, так как исследователи чаще всего концентрируются скорее на самом факте спаривания, нежели на взаимоотношениях копулирующих особей (Шилейко, 1978; 1984; Heatwole, Heatwole, 1978; Piechocki, 1982; Seddon, Holyoak, 1988).
Трудности с изучением самого процесса копуляции часто связаны, прежде всего, с невозможностью наблюдать данный процесс. Исследователю приходится констатировать факт спаривания на основе анатомирования особей, семяприёмник которых оказывается наполненным. Этот процесс у многих видов может происходить довольно скрытно - ночью и/или в течение короткого периода (Лихарев, 1962), так что зафиксировать его удаётся крайне редко.
Функциональная морфология полового аппарата девяти видов семейства clausiliidae
Обладая богатой признаками раковиной и уникальным замыкательным аппаратом, клаузилииды издавна привлекали внимание исследователей. Однако такие стороны, как функциональная морфология полового аппарата, особенности процесса копуляции, строение сперматофоров и репродуктивные циклы этих моллюсков изучены недостаточно.
Копуляцию клаузилиид в природе наблюдать трудно, поскольку, как полагали, она происходит ночью или в определённый короткий период. У некоторых видов [Clausilia bidentata (Strom, 1765), С. rugosa (Draparnaud, 1801), С. parvula (Ferussac, 1807)] обнаружить копулирующих особей так и не удалось [Holyoak, Seddon, 1988]. Сперма в этой группе моллюсков передаётся посредством сперматофоров (Лихарев, 1962), которые, как предполагают, после копуляции быстро лизируются (Holyoak, Seddon, 1988). Из всех восточноевропейских Clausiliidae строение сперматофора известно лишь для Cochlodina laminata (Steenberg, 1914). Хотя у некоторых западноевропейских видов копуляцию удавалось наблюдать нередко (Piechocki, 1982; Holyoak, Seddon, 1988), строение сперматофоров этих видов до сих пор неизвестно [Charpentieria itala (Martens, 1830), Vestia elata (Rossmaessler, 1839)].
Основной задачей данного этапа исследований было изучение этологических и морфофункциональных особенностей 9 видов семейства Clausiliidae.
Дистальный отдел гениталий мужского тракта представляет собой простую трубку. У Laciniaria piicata и Bulgarica сапа ретрактор пениса редуцирован. Дистальные отделы женских протоков также устроены просто (без дополнительных органов). Семяприёмник состоит из протока, резервуара и дивертикула. В последний во время копуляции поступает сперматофор. У Laciniaria piicata и Bulgarica сапа дивертикул несколько редуцирован и, по-видимому, не может выполнять свойственную ему функцию. Кроме того, у Cochlodina шейка семяприёмника снабжена ретрактором, что позволяет предполагать особую роль этого органа в процессе копуляции (Лихарев, 1962).
Далее приводятся данные о функциональной морфологии и этологии рассматриваемых видов. Cochlodina laminata.
Материал: 11 пар копулирующих особей. Копуляция начинается без предварительных брачных игр. Функциональный самец наползает на функциональную самку справа сверху и ориентируется так, что половые атриумы обоих партнёров находятся один напротив другого. После этого, вероятно, происходит выворачивание пениальной трубки (наблюдать это не представляется возможным, так как партнёры всё время находятся плотно прижавшись половыми атриумами друг к другу. Копуляция обычно происходит на стволе дерева, валежнике или в подстилке. Мягкие части тела животных незначительно выступают наружу. Одна пара особей копулировала, плотно прижавшись устьями друг к другу, что, вероятно, было следствием довольно быстрого прояснения облачности и, как следствие этого, повышением температуры (за время копуляции потеря влаги у моллюска может быть довольно значительной). После передачи сперматофора партнёру копулирующие особи меняются ролями. На весь процесс копуляции у данного вида уходит около двух часов. При копуляции сперматофор поступает в дивертикул семяприёмника, откуда с помощью мышечных сокращений - в резервуар семяприёмника, где происходит его окончательный лизис.
Сперматофор веретеновидный, с закруглённым передним концом и постепенно суживающимся острым задним концом, имеет оранжево-жёлтую окраску. Полость сперматофора не сообщается с внешней средой. Вдоль всего сперматофора проходит плотный ряд щетинок, которые ближе к заднему концу сливаются, образуя зазубренный гребень, постепенно сходящий на нет. Вероятно, эта структура препятствует обратному движению сперматофора в половых путях (Рис. 2).
Репродуктивные циклы 9 видов семейства clausiliidae
Половая активность стебельчатоглазых регулируется не столько внутренними ритмами, сколько конкретной погодной обстановкой. Так, некоторые виды в лабораторных условиях размножается круглый год, если поддерживается достаточная влажность почвы (Шилейко, 1984). Специальные работы, посвященные этому вопросу на примере восточноевропейских Clausiliidae отсутствуют.
На рисунке 8 видно, что у большинства видов копуляция и откладка яиц в 2004 г. начались значительно раньше, чем в 2003 г. Это может быть связано с более ранним сходом снежного покрова: в 2004 г. таяние снега завершилось в лесах в среднем на 3-4 недели раньше, чем в 2003 г. Однако период собственно размножения начался не намного раньше по сравнению со сроками копуляции. В 2005 г. сроки таяния снега были примерно одинаковы с 2003 г., но у некоторых видов {Clausilia pumila, Macrogastra ventricosa, Macrogastra latestriata, Laciniaria plicata) откладка яиц началась раньше, чем в 2004 г. Для ряда видов откладка яиц, возможно, была связана со значительным подъёмом дневных и особенно ночных температур (табл. 5).
О том, как температура влияет на размножение, свидетельствует следующий эксперимент. В конце марта несколько особей Cochlodina laminata и Laciniaria plicata были помещены из природной популяции в условия лаборатории и приступили к откладке яиц. В то же время, подобные эксперименты, проведённые в сентябре и январе, результатов не дали. Следовательно, влияние может оказывать и продолжительность светового дня, или после периода размножения требуется продолжительное воздействие низких температур. Продолжительность светового дня влияет и на продолжительность сезонной активности у некоторых средиземноморских Albinaria: несмотря достаточное количество осадков, откладка яиц прекращается за некоторое время до наступления засушливого сезона. На начало и продолжительность сезона размножения этих видов, а также Helix lucorum (Helicidae) и Bradybaena fruticum (Bradybaenidae) оказывают влияние осадки, а копуляция бывает детерминирована первым после периода засухи дождём (Giokas, Mylonas, 2002; Staikou et al., 1988; Staikou, Lazaridou-Dimitriadou, 1989). Суточная активность слизня Arion ater в естественных условиях также определяется световым режимом (Lewis, 1969). В 2003-2004 гг. летние месяцы были чрезвычайно дождливыми, но, несмотря на это, в августе-сентябре откладки яиц у большинства видов не наблюдалось. По литературным данным, чрезмерное количество осадков тормозит формирование и откладку яиц у пуэрториканских Pleurodontidae (Heartwole, Heartwole, 1978). На копуляцию восточноевропейских клаузилиид также большое влияние оказывают осадки. Например, в конце августа 2004"г. в течение двух недель не было отмечено осадков. После сильного ливня можно было наблюдать массовое спаривание Cochlodina laminata, Cochlodina orthostoma, Bulgarica сапа и Macrogastra plicatula (если судить по наполненному семяприёмнику), но изменений копулятивной активности Laciniaria plicata не отмечено.
На размножение моллюсков оказывают влияние и внутрипопуляционные факторы и, прежде всего - численность популяции. Это подтверждают данные экспериментов с Laciniaria plicata, когда перенаселение садка привело к подавлению не только размножения, но и оогенеза.
Изучение репродуктивных циклов Ruthenica filograna проводилось последовательно в двух популяциях. Плотность данного вида там резко различается: от единичных до 53 особей/м (Мичурино) и до 167 особей/м (Сахаровка). В первой популяции особи вынашивали 3-5 яиц, в то время как во второй - лишь 1-2 яйца. Во второй популяции период размножения оказался несколько короче и, судя по всему, большинство особей вынашивало яйца лишь один раз за период яйцекладки, что, вероятно, объясняется разной плотностью популяций. Влияние плотности популяции на плодовитость также было показано на других представителях пульмонат: Monacha cartusiana (Muller, 1.774) (Hygromiidae) (Staikou, Lazaridou-Dimitriadou, 1990), Cepaea nemoralis (L., 1759) (Helicidae) (Carter, Ashdown, 1984), Baleaperversa (Linnaeus, 1759) (Clausiliidae) (Baur, 1990; Baur, Baur, 1992).
