Известия РАН. Серия биологическая, 2019, № 5, стр. 457-465

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Пункты сбора червей для экспериментов. E. n. nordenskioldi 1-й и 3-й линий собраны у с. Подгорное Томской обл. (57° с.ш., 82° в.д.) и в новосибирском Академгородке (55° с.ш., 82° в.д.), 7-й линии – в окрестностях д. Файзуллино Республики Башкортостан (52° с.ш., 58° в.д.), 9-й – в Магаданской обл. (стационар “Абориген”, 62° с.ш., 159° в.д.). E. n. pallida 1-й линии собран в пригороде Магадана (59° с.ш., 150° в.д.), 3-й – в 5 км от с. Казакевичево, в 30 км к югу от Хабаровска (48° с.ш., 1342° в.д.).

Черви 1-й и 3-й линий E. n. nordenskioldi в названных выше пунктах обитают совместно и нечетко различаются по окраске; генетическая принадлежность выживших при пороговых температурах особей была подтверждена после эксперимента.

Местообитания червей. Сбор животных проведен незадолго до начала зимовки (в конце августа–сентябре). В окрестностях с. Подгорное черви 1-й и 3-й линий номинативного подвида обычны (до 10 особей/м²) в лесах различных типов на коренном берегу и в поймах (кроме длительно заливаемых участков). Численность червей 1-й линии выше в лесах, численность червей 3-й линии – на опушках и участках с луговой растительностью. Весной и летом черви либо обитают под подстилкой на поверхности почвы, либо опускаются в горизонт 15–20 см, но после выпадения первого снега на указанных глубинах не найдены, т.е. места их зимовки, вероятно, находятся глубже 20 см.

В окрестностях новосибирского Академгородка черви обеих линий номинативного подвида встречаются в лесной подстилке и верхних слоях почвы в сосново-березово-осиновом лесу. Перед зимовкой (сентябрь–октябрь) черви 1-й линии в поверхностных горизонтах почвы отсутствуют – вероятное свидетельство того, что и на юге региона они уходят вглубь. Особи 3-й линии, напротив, встречаются вместе с Dendrobaena octaedra (Savigny, 1826) и Lumbricus rubellus Hoffmeister, 1843 в подстилке и верхних сантиметрах минерального горизонта.

На Южном Урале черви 7-й линии собраны в сухом березовом колке на границе со степью. В последних числах сентября они были сконцентрированы на глубине 10–15 см.

Черви 9-й линии занимают широкий набор местообитаний: окраины степных участков, всевозможные растительные группировки на водоупорной мерзлоте и без нее, от долин до высокогорий в лесной и тундровой зонах. Они не заселяют и стабильно сухие, и почвы с pH <5 (Берман, Мещерякова, 2013).

1-я линия E. n. pallida была собрана в окрестностях Магадана, где она встречалась исключительно на огородах и никогда не была обнаружена на невозделываемых землях (Берман, Мещерякова, 2013).

Под Хабаровском черви 3-й линии E. n. pallida были найдены на высокой пойме Амурской протоки р. Уссури, занятой вторичным широколиственным лесом. Они здесь обычны, иногда чрезвычайно многочисленны (>100 особей/м²). В конце сентября черви находятся в почве не глубже 10 см.

Акклимация, определение стратегии холодоустойчивости и порогов переносимых температур (ППТ) проведены в лаборатории биоценологии ИБПС ДВО РАН (Магадан) стандартными методами, разработанными для других видов дождевых червей (Берман, Лейрих, 1985; Лейрих, Мещерякова, 2015).

При подготовке к экспериментам (использовали только половозрелых особей) проводили акклимацию животных в вентилируемых пластиковых емкостях (200 мл) с почвой влажностью ~35% при следующих температурах: по 14 сут при 5 и 3°C, затем по 7 сут при 1, 0 и –1°С. Уже при температуре почвы ниже 5°C черви прекращают питаться; будучи потревожены, они вяло двигаются. Их покровы остаются влажными до 0°C и становятся сухими и жесткими при отрицательных температурах, а тело – почти плоским.

Для выяснения стратегии холодоустойчивости (перенесение отрицательных температур в переохлажденном или замороженном состоянии) измеряли температуру максимального переохлаждения (Т_п) и соотносили ее с ППТ. Если ППТ оказывался ниже Т_п, то делался вывод о способности червя выдерживать замерзание (Block, 1995).

Предельно переносимую температуру определяли путем оценки выживания особей при минимальной из тестируемых температур (табл. 1). Количество и значения температурных ступеней для разных линий различаются, так как перед началом экспериментов холодоустойчивость червей даже приблизительно не была известна. Ее приходилось “нащупывать”, начиная с небольших значений. Размер выборок при исследовании Т_п составлял 10–12 особей, ППТ – от 6 особей на промежуточных ступенях до 67 особей на близких к предельно переносимым температурам (табл. 1). Выжившие в экспериментах черви после нагревания их до 10°C становились активными примерно через 2 сут.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Температуры максимального переохлаждения червей всех изученных линий близки, их средние значения –4.6…–3.1°C (табл. 2). ППТ, вопреки близости значений Т_п, находятся в диапазоне ‒34…–10°C, т.е. весьма существенно различаются у разных линий (рис. 2). Судя по соотношению Т_п и ППТ, черви всех рассмотренных нами линий обоих подвидов E. nordenskioldi могут длительно находиться при температурах, которые намного ниже точки переохлаждения, что свидетельствует о способности выдерживать замораживание. Напомним, что помимо E. nordenskioldi в фауне России (возможно, и в мировой) известны лишь четыре морозоустойчивых вида дождевых червей: Dendrobaena octaedra, Drawida ghilarovi Gates, 1969, Aporrectodea caliginosa (Savigny, 1826) и Eisenia sibirica Perel et Graphodatsky, 1984 (Берман и др., 2016).

Рис. 2.

Выживание червей четырех генетических линий Eisenia nordenskioldi nordenskioldi после трехсуточной экспозиции при разных температурах: 1–4 – 1-я, 3-я, 7-я, 9-я (Берман, Лейрих, 1985) линии соответственно.

ППТ и распространение 9-й линии E. n. nordenskioldi. Эти черви среди исследованных наиболее устойчивы к отрицательным температурам (рис. 2): переносят до –34°C (Берман, Лейрих, 1985) имеют один из самых обширных и наиболее северных ареалов (Шеховцов и др., 2017) (рис. 1). Значительная его часть охватывает регионы с крайне жесткими зимними условиями: Чукотку, бассейны рек Колымы, Индигирки, Лены, Оленека, Анабара, п-ов Ямал и др. Судя по выявленной холодоустойчивости, даже в чрезвычайно холодном регионе, в верховьях р. Колымы, единственный тип непригодных местообитаний для зимовки этих червей – полностью бесснежные участки, на которых температура в слое 0–5 см может опускаться ниже –40°C при температуре воздуха –58°C (Алфимов, 1985). За пределами континентальных регионов Северо-Востока и Якутии E. n. nordenskioldi могут зимовать и на бесснежных местах (Тихомиров, 1937).

Обладая среди люмбрицид не только выдающейся криорезистентностью, но и устойчивостью к сухости и высокой кислотности почвы (Берман и др., 2002), черви 9-й линии между тем не обнаружены в наших обширных сборах (рис. 1) ни в бассейне Амура, ни в Средней Сибири, ни на большей части Западной Сибири. Однако очевидно, что отсутствие этих животных в относительно хорошо обследованных регионах юга Сибири и Дальнего Востока никак не может быть результатом недостаточной холодоустойчивости червей и их зимующих коконов.

ППТ и распространение 7-й линии E. n. nordenskioldi. Эта линия номинативного подвида – вторая по устойчивости к отрицательным температурам среди протестированных. Большая часть исследованной выборки выдержала охлаждение до –23°C (рис. 2). Черви 7-й линии найдены на юго-востоке европейской части России и на Южном Урале (рис. 1) – в республиках Татарстан и Башкортостан, Нижегородской, Оренбургской, Саратовской и Челябинской областях (Shekhovtsov et al., 2016) – и пока не известны в азиатской части России. В пределах их ареала черви других линий не встречены.

Названная территория находится в области изотерм средних температур воздуха в январе ‒12…–16°C (Алисов, 1956). Температура почвы на глубине 3 см под снежным покровом средней мощности не опускается в названных регионах ниже –17°C (Алфимов, 2005), а средние месячные температуры даже в самый холодный месяц составляют на глубине 20 см –6.4°C, на глубине 40 см –3.5°C (Справочник…, 1955, 1965).

Таким образом, холодоустойчивость червей 7‑й линии намного превышает зимний температурный фон почв региона. Имеющаяся криорезистентность могла бы позволить им распространиться как на запад и север, так и далеко на восток. Здесь непригодными для нее были бы лишь континентальные районы Якутии и северо-востока Азии. Однако этого не происходит, так как холодоустойчивость не единственный фактор, определяющий распространение генетических линий E. nordenskioldi. Отметим, что по мтДНК 7‑я линия родственна 9-й и объединяется с ней в один кластер (Shekhovtsov et al., 2016), что может обусловливать сродство высокой холодоустойчивости.

ППТ и распространение 1-й и 3-й линий E. n. nordenskioldi. Черви этих линий почти в 2 и 3 раза менее устойчивы к отрицательным температурам, чем черви 7-й и 9-й линий соответственно, но близки по этому признаку между собой. От четверти до пятой части животных из окрестностей с. Подгорное и г. Новосибирска перенесли охлаждение до –12°C, но –13°C не выдержали. Таким образом, –12°C следует считать ППТ (табл. 1, рис. 2).

Черви 1-й линии на исследованной нами территории (рис. 1) обнаружены в 25 точках, преимущественно в естественных местообитаниях. По молекулярно-генетическим данным можно выделить три заметно различающиеся группы: западную, куда входят черви со Среднего Урала, из Заполярья (о. Вайгач, пос. Лабытнанги, п-ов Таймыр), Новосибирской и Томской областей, и две восточные, найденные в Хакасии и Якутии (Shekhovtsov et al., 2018a). Западная группа, несмотря на значительный ареал, характеризуется небольшой генетической изменчивостью (~2% вариабельных позиций), что указывает, вероятно, на ее недавнее расселение; изменчивость восточных групп не ясна, так как исследованных точек пока мало.

Эта картина сильно отличается от таковой для 7-й и 9-й линий, имеющих значительное “внутрилинейное” разнообразие (Shekhovtsov et al., 2018b; Шеховцов и др., 2017). 1-я линия, по-видимому, расширила свой ареал до громадных размеров сравнительно недавно, в голоцене.

Черви 3-й линии распространены менее широко. Они найдены на юге Западной Сибири (Томская и Новосибирская области, Республика Алтай – пос. Артыбаш), на р. Марха (приток Вилюя) близ устья, в Еврейской автономной области, в нижнем течении Амура (Шеховцов и др., 2017).

ППТ червей –12°C достаточна для благополучной зимовки почти повсеместно на юго-востоке Западной Сибири и в лесных среднегорьях Алтая с учетом относительно высокого фона минимальных температур поверхностного горизонта почв (Алфимов и др., 2012; Берман и др., 2016). Вблизи с. Подгорное и г. Томска в подавляющей части 12 обследованных местообитаний, где были найдены черви, минимумы температуры в почве на глубине 10 см не опускались ниже –6°C, лишь в двух местообитаниях они составляли –12…–13°C (Алфимов и др., 2012). В окрестностях Хабаровска зимняя температура в первых 10 см почвы также была значительно выше –12°C (рис. 3).

Рис. 3.

Ход средних месячных температур воздуха (сплошная кривая) и минимальных за декаду температур почвы на глубине 2 см (штриховые кривые) и 10 см (точечные кривые) с осени 2013 г. по весну 2014 г. в двух местообитаниях червей 3-й генетической линии Eisenia nordenskioldi pallida в Большехехцирском заповеднике. Температура воздуха приведена по данным метеостанции Хабаровск (удаление 27 км).

Черви 1-й и 3-й линий номинативного подвида достигают крупных размеров, что обычно служит признаком люмбрицид-норников. Вероятно, представителей какой-то из этих линий (или обеих) имела в виду Перель (Перель, 1982) и вслед за ней ряд других авторов, упоминая особенно крупных октаплоидных особей E. n. nordenskioldi, встречающихся в тундрах Таймыра, на Салаирском кряже, в Московской и Курской областях (Стриганова, Тиунов, 1994; Всеволодова-Перель, Булатова, 2008). “Гигантскую для червей морфу, превышающую обычную втрое…” отмечает Ганин (Ганин, 1997, с. 25) для Дальнего Востока.

Весьма вероятно, что именно характерной для норных червей зимовкой в глубине почвы можно объяснить обитание червей 1-й линии в таких суровых местностях, как бассейн верхнего течения р. Бурея (окрестности пос. Ургал), где в январе средняя температура воздуха –31.1°C при максимальной высоте снежного покрова лишь 29 см. Но вечной мерзлоты в этом регионе нет, что, вероятно, позволяет червям уходить на зиму в глубокие горизонты.

Обнаружение 1-й и 3-й линий номинативного подвида на территориях с холодной зимой и вечной мерзлотой, таких как Юго-Западная Якутия или Центральная Якутия, на первый взгляд, кажется странным. Действительно, в окрестностях г. Олекминск, например, средняя температура воздуха самого холодного месяца –33.5°C. Но минимальные температуры почвы на этой территории, как и в междуречье Лены и Вилюя, могут быть существенно повышены в так называемых таликовых зонах (Геокриология…, 1989) – участках с незамерзающими и находящимися близко к поверхности подземными водами (прирусловый сток рек, берега непромерзающих озер, выходы глубинных вод и т.д.). В пределах таликовых зон отмечены наиболее высокие зимние температуры почвы на глубине 20 см (–11…–5.5°C). Даже на глубине 2–3 см они были не ниже –12°C (Berman et al., 2016), а средние многолетние на этой глубине не опускаются в регионе ниже –10.4°C (Справочник…, 1966). Таким образом, черви на исследованных территориях Юго-Западной Якутии могут зимовать в комфортных для них условиях.

Однако черви 1-й линии обнаружены в низовьях Оби, в районе пос. Жиганск (на Лене), устья р. Марха (притока Вилюя), оз. Собачьего у Норильска, на п-ове Таймыр (рис. 1). Климат этих регионов крайне жесткий, мощность сезонно-талого слоя порой едва превышает первые десятки сантиметров. К примеру, на метеостанции Диксон в 2002–2010 гг. минимальная температура на глубине 20 см опускалась до –21.8°C (вытяжные термометры) при высоте снега в феврале–марте 20–25 см (сайт ВНИИГМИ-МЦД http://meteo.ru/data).

Если исходить из того, что холодоустойчивость одних и тех же видов дождевых червей по ареалу одинакова (Мещерякова, Берман, 2014), то объяснить присутствие 1-й линии, обладающей невысокой холодоустойчивостью, в названных в предыдущем абзаце суровых местностях трудно. Однако отсутствие географической изменчивости холодоустойчивости показано на небольшом материале и нуждается в более тщательных доказательствах.

В настоящее время биология и экология червей 1-й линии совершенно не изучены. Представления о ней без каких-либо оснований перенесены с 9-й линии или даже с E. n. nordenskioldi неопределенных линий. Для объективных суждений необходимо выяснить как минимум стандартные экологические характеристики червей 1-й линии, включающие в себя биотопическую приуроченность, температурные условия зимовки, холодоустойчивость коконов и червей северных популяций и пр. Напомним, что у некоторых видов дождевых червей разница холодоустойчивости червей и коконов достигает 30–40°C (Мещерякова, Берман, 2014). Важны и другие биологические показатели этих червей (например, возможность партеногенеза, скорости развития), способствующие формированию малочисленных локальных популяций. Такие микропопуляции могут быть приурочены к особо теплым зимой местам (микрорельеф, положение относительно направления преобладающих ветров и др.) и сохраняться в них длительное время без обмена генами с другими популяциями.

ППТ и распространение 1-й и 3-й линий E. n. pallida. Черви 1-й линии из пригородов Магадана обладают поразительно высокой криорезистентностью –28°C (Берман, Мещерякова, 2013) (рис. 4). Они обнаружены здесь только на огородах и не расселяются в природные местообитания, тогда как черви 9-й линии номинативного подвида в антропогенных биотопах никогда не были встречены. На зимовку животные уходят в глубь обрабатываемой почвы до 60 см (Берман, Мещерякова, 2013), где температуры выше переносимых ими. Так, минимальные температуры почвы на глубинах 2, 20 и 40 см в трех точках огорода в окрестностях г. Магадана осенью 2011–зимой 2012 гг. составляли –10…–13.5°С, –8…–11.5°С и –6.5…–8.5°С соответственно. Черви 1-й линии E. n. pallida заселяют также огороды в пос. Сеймчан, находящемся в континентальной части региона, где температуры января примерно на 10°C ниже, чем в Магадане. Только в антропогенно измененных биотопах черви 1-й линии обнаружены на Камчатке, в Амурской обл. и Республике Хакасия. Удаленность мест находок (рис. 1) этих червей при незначительной генетической изменчивости и приуроченность к антропогенным местообитаниям (в отличие от 1-й линии E. n. nordenskioldi) свидетельствуют о недавнем расселении при участии человека.

Рис. 4.

Выживание червей 1-й (1) (Берман, Мещерякова, 2013) и 3-й (2) генетических линий Eisenia nordenskioldi pallida после трехсуточной экспозиции при разных температурах.

Черви 3-й линии E. n. pallida, найденные пока только в Хабаровском крае (Шеховцов и др., 2017) (рис. 1), переносят температуру не ниже –10°C. При названной температуре в выборке из 12 особей выжило три (25%), в выборке из 18 особей только одна (<6%) (рис. 4). Таким образом, эти черви по значениям ППТ близки к животным 1-й и 3-й линий E. n. nordenskioldi.

Под Хабаровском непосредственно в местах сбора животных температура за зиму в горизонте 0–2 см не опускалась ниже –5.5°C, на глубине 10 см – ниже –2°C, т.е. не достигала пределов их криорезистентности. Соотношение почвенных температур и холодоустойчивости червей свидетельствует о том, что на исследованной пойменной террасе Уссури популяция благополучна. Но температурные условия и вне пойменных пространств не хуже. Так, на междуречье Амура и его притока Тунгуски у пос. Николаевка минимумы за зиму 2007/2008 г. на глубине 2 см не были ниже –11.8°C, а на глубине 25 см – ниже –8.2°C (наши неопубликованные данные).

ППТ и ареалы генетических линий червей – синтез. Исходя из изложенного выше, казалось бы, прослеживается зависимость положения и величины ареалов от холодоустойчивости червей. Действительно, самая устойчивая 9-я линия (–34°С) чрезвычайно широко распространена в самых холодных регионах Севера и Якутии. Очень низкие значения ППТ имеют также 1-я линия E. n. pallida (–28°С) и 7-я линия номинативного подвида (–23°C). Первая из названных обитает на окультуренных землях под Магаданом, но могла бы с такой холодоустойчивостью быть повсеместной не только на побережье, но и в континентальных районах, чего не происходит. Удивительно, что 7-я линия, обладая явно избыточной и не адаптивной по отношению к температурному режиму местообитаний на юго-востоке Восточной Европы холодоустойчивостью, в Азии не обнаружена. Криорезистентность этих червей настолько велика, что свидетельствует о полной независимости их географического распространения от температурных условий зимовки в пределах всей территории, заселенной E. nordenskioldi.

Напротив, у червей 3-й линии E. n. pallida холодоустойчивость минимальная из исследованных (–10°С). Она лишь незначительно выше (–12°С) у 1-й и 3-й линий номинативного подвида. Казалось бы, распространение этих трех линий должно быть ограничено зимними почвенными температурами, однако полученная картина связи положения ареалов и холодоустойчивости червей значительно сложнее.

Отсутствие 9-й линии на юге, как и 7-й линии на севере Европы и где бы то ни было в Азии и, напротив, крайне широкое распространение 1-й линии номинативного подвида с ее незначительной холодоустойчивостью в Сибири, в том числе в Субарктике, – все это примеры несоответствия экофизиологических возможностей червей и занимаемых ими ареалов. Таким образом, характер ареала только части линий может быть объяснен их резистентностью к отрицательным температурам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Способность E. n. nordenskioldi переносить температуры –34°C, ранее определенная у червей из бассейна верховий Колымы, как выяснилось, относится не к виду в целом, а исключительно к его 9-й генетической линии. Среди четырех исследованных линий подвида E. n. nordenskioldi и двух линий E. n. pallida есть как умеренно устойчивые (переносящие температуры –10…–12°C), так и выживающие при значительно более низких температурах (–28…–34°C). У трех линий (1-й и 3-й номинативного подвида и 3-й подвида pallida) из шести значения холодоустойчивости близки, у трех других резко различаются. Полученный результат свидетельствует о внутривидовой экофизиологической дифференциации при сохранении общей для E. nordenskioldi черты – способности переносить длительное замораживание.

Характер ареала 7-й и 9-й линий номинативного подвида определяется, вероятно, палеогеографическими причинами или иными, не связанными с температурой факторами, поскольку их холодоустойчивость не может лимитировать современное распространение. Черви трех линий обоих подвидов умеренно устойчивы к отрицательным температурам, что находится в соответствии с положением ареала на юге Сибири.

Наиболее сложно интерпретировать несоответствие между небольшой криорезистентностью червей 1-й линии номинативного подвида (–12°С), измеренной у животных на юге Западной Сибири, и распространением их на севере в регионах с вечной мерзлотой. Уточнить это можно путем проведения анализа, прежде всего биотопической приуроченности, температурных условий зимовки и холодоустойчивости червей и коконов из северных популяций.

Авторы признательны ${\text{Т }}{\text{.С }}{\text{.}}\,{\text{В с е в о л о д о й - П е р е л ь }}$ за уточнение видовой принадлежности червей, А.Б. Бабенко, И.Н. Корниенко, А.А. Котову, О.Л. Макаровой, Н.А. Петруниной, Н.Н. Тридриху, С.П. Харитонову, З.А. Янченко и С.А. Ярошевой за сбор и доставку червей из труднодоступных районов; заместителю директора Большехехцирского заповедника Р.С. Андроновой за организационную помощь.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 16–04–00082).