Поведенческая специализация рабочих особей в семье рыжих лесных муравьев

Вопросы об этологических механизмах разделения труда у подобных видов муравьев были поставлены еще в 30-х годах прошлого столетия, и интерес к ним неуклонно возрастал. Особенное внимание исследователей привлекали рыжие лесные муравьи, с их огромными семьями и надсемейными структурами — колониями и федерациями насчитывающими миллионы особей. Были экспериментально выявлены функциональные группы в семьях рыжих лесных муравьев (Oekland, 1931; Kiil, 1934; Dobrzanska, 1959), исследованы принципы их работы на территории (Длусский, 1965, 1967; Захаров, 1972, 1991; Rosengren, 1971), получены данные о возрастном полиэтизме (Rosengren, 1977), продемонстрирована роль индивидуальных иерархических отношений в работе внутрисемейных группировок (Захаров, 1974). Однако, принципы организации семьи общественных насекомых оставались невыясненными, и это в особенности относилось к высоко социальным видам (Длусский, 1984). Такое положение сохранилось до недавнего времени. Попытки объяснить общие принципы организации сообществ путем экстраполяции представлений, полученных на видах муравьев с маленькими семьями (Robinson, et al., 2009) не могут считаться успешными. Как правило, рабочие в таких семьях эквипотенциальны, то есть, легко переключаются на любую работу. Важное свойство, отличающее функциональную организацию семей у высоко социальных видов — это стабильное разграничение функций и постоянство индивидуального состава рабочих групп муравьев, осуществляющих совместную деятельность длительное время (до нескольких дней и даже недель). На этой основе работает сложная система коммуникации, основанная на дистантном наведении и существенных когнитивных различиях между разведчиками и фуражирами (Резникова, Рябко, 1990; Reznikova, 2008). На той же основе функционирует система дробного разделения труда («профессиональной» специализации), описанная для одной из функциональных групп у Formica s.str. Группа сборщиков пади у этих видов включает «пастухов», «сторожей», «разведчиков» и «транспортировщиков». При этом, возраст является не основным фактором, влияющим на выбор муравьем «профессии» (Резникова, Новгородова, 1998 а, б).

До сих пор оставались невыясненными этологические механизмы не только «профессиональной» специализации, но и разделения муравьев на основные функциональные группы. Можно полагать, что у таких высоко социальных видов, как рыжие лесные муравьи, функциональная и более глубокая «профессиональная» специализация основаны на сочетании психофизиологических и когнитивных характеристик, таких как уровень агрессивности, способность обучаться избегать опасности или решать определенные поисковые задачи. Однако, связь этих характеристик с выполняемыми функциями до сих пор не была исследованаа вопрос о роли индивидуума в функционировании семьи высоко социальных видов муравьев практически не изучался.

Цель и задачи исследования

Цель работы — выявить на индивидуальном уровне поведенческие характеристики и сценарии их развития в имагинальном онтогенезе, лежащие в основе функциональной специализации в семье рыжих лесных муравьев.

Были поставлены следующие задачи:

1. Разработать экспериментальные методики, дающие возможность выявить характер развития основных форм поведения муравьев в имагинальном онтогенезе.

2. Выявить различия в поведении представителей разных функциональных групп в семьях рыжих лесных муравьев и оценить индивидуальную вариабельность в поведении муравьев сходного возраста.

3. Исследовать возрастные особенности проявления различных форм поведения муравьев и изучить вклад индивидуального опыта и наследственно обусловленных реакций в развитие поведения муравьев с разной функциональной принадлежностью.

4. Изучить связи между специализацией муравьев в семье и такими ключевыми поведенческими и когнитивными характеристиками особей как сценарии развития агрессивного поведения, характером исследовательской активности, способностями к избеганию опасности и к накоплению опыта.

Научная новизна и значение полученных результатов. Этологические механизмы функциональной организации семей рыжих лесных муравьев впервые исследованы на индивидуальном уровне, на основе развития ключевых форм поведения в имагинальном онтогенезе. Для этого разработана и применена методика исследования «наивных» (выращенных в лаборатории) муравьев с датированным возрастом. В сочетании с полевыми экспериментами и применением системы оригинальных поведенческих тестов, часть которых разработана автором или впервые им адаптирована для подобных исследований, такой подход позволил проследить, как поведение муравьев меняется на разных стадиях имагинального онтогенеза и оценить роль предположительно врожденных поведенческих стереотипов, индивидуального и социального опыта в «профессиональном» становлении муравьев. Впервые экспериментально показано, что к муравьям может быть применено понятие, получившее в этологии название «personality» («индивидуальность»), ранее относящееся только к позвоночным животным (Stevenson-Hinde et al., 1980; Gosling, 2008), и определены основные индивидуальные характеристики, важные для выбора и закрепления за муравьями определенных функций.

Полученные результаты приводят к новому взгляду на принципы организации семьи общественных насекомых, основанному на концепции сочетания поведенческой, когнитивной и социальной специализаций в сообществах животных, предложенной Ж. И. Резниковой (Reznikova, 2007): (1) поведенческая специализация в семье рыжих лесных муравьев основана на различиях в комплексах поведенческих черт, постоянно сочетающихся между собой. Сопряженное проявление поведенческих особенностей, получившее в поведенческой экологии название «поведенческого синдрома» (Sih et al., 2004), или «социо-экологического синдрома признаков» (Чабовский, 2006) для муравьев описано в работе впервые- (2) когнитивная специализация у рыжих лесных муравьев оказалась тесно связанной со сценарием развития агрессивного поведения в имагинальном онтогенезе- (3) социальная специализация рабочих особей в семье рыжих лесных муравьев сопряжена с реализацией специфических поведенческих и когнитивных свойств, таких, как уровень агрессии, специфика исследовательской активности, способность избегать опасности и накапливать опыт. Полученные результаты позволяют выявить ранее неизвестные аспекты роли индивидуума в сообществе и выделить перспективные направления в изучении принципов функционирования надорганизменных систем.

Новые представления о «профессиональной ориентации» муравьев на основе специфического сочетания индивидуальных поведенческих свойств и сценария их развития в онтогенезе могут найти применение в самых различных областях науки и практической деятельности, так или иначе связанными с вопросами разнокачественности и специализации элементов системы — от теоретических и практических вопросов этологии (включая этологию человека) до робототехники.

Разработанные методы изучения различных поведенческих свойств у муравьев в разном возрасте могут широко применяться в энтомологических исследованиях, в частности, для исследования этапной организации имагинального онтогенеза у насекомых с полным превращением, для изучения физиологических механизмов агрессии у насекомых, разработки подходов к управлению их поведением и численностью.

Представленные результаты используются в курсах этологии и поведенческой экологии, читаемых в Новосибирском государственном университете. Полученные в диссертации сведения о закономерностях организации семей у рыжих лесных муравьев находят применение в практической работе, связанной с организацией муравьиных заказников в Новосибирской области.

Положения, выносимые на защиту. С помощью оригинальных экспериментальных методов выявлены поведенческие характеристики, лежащие в основе разделения муравьев на основные функциональные группы: уровень и возраст проявления агрессивности, специфика исследовательской активности, отношение к опасности и способность накапливать опыт. Есть основания полагать, что, приступая к внегнездовой деятельности, муравьи с низким уровнем агрессивности, избегающие опасных столкновений и проявляющие склонность накапливать соответствующий опыт, становятся сборщиками пади. Особи" с ранней манифестацией агрессии и высоким ее уровнем, не избегающие врагов и хищников — более того, по-видимому, в принципе не способные обучаться избегать опасности — специализируются как охотники и охранники. Строгого возрастного полиэтизма у рыжих лесных муравьев не выявлено: возраст, в котором они приступают к выполнению различных работ вне гнезда, весьма широко варьирует.

Для проявления ключевых форм поведения, лежащих в основе разделения функций в семье рыжих лесных муравьев, индивидуального опыта практически не требуется. Есть основания полагать, что в процессе «профессиональной ориентации» муравьев приобретение навыков необходимо для формирования исследовательских предпочтений, обучения избеганию опасности у сборщиков пади, «шлифовки» тактик взаимодействия с «врагами», которые различны для охотников и охранников, а также уточнения «образа врага», который на ранних стадиях имагинального онтогенеза проявляется в виде обобщенного шаблона.

Публикация результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ, из них 3 в журналах, входящих в список ВАКодна статья принята к печати.

Апробация работы. Материалы и основные положения диссертации были представлены на Международных научных студенческих конференциях «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2005, 2006), на XII и XIII Всероссийских мирмекологических симпозиумах «Муравьи и защита леса» (Новосибирск, 2005; Нижний Новгород, 2009), на Симпозиумах стран СНГ по перепончатокрылым насекомым (Москва, 2006; Санкт-Петербург, 2010), на 30-й и 31-й Международных этологических конференциях (Галифакс, 2007; Ренн, 2009), на IV Европейской конференции по поведению животных (Дижон, 2008), на Центрально-европейских мирмекологических симпозиумах (Сегед, 2007; Мюнхен, 2009), на IX Европейском энтомологическом конгрессе.

Будапешт, 2010) и на VIII Межрегиональном совещании энтомологов Сибири и Дальнего Востока (Новосибирск, 2010). Работа обсуждалась на исследовательском семинаре лаборатории сравнительной физиологии в Институте биологии развития РАН (сентябрь, 2010).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Общий объем рукописи составил 117 страниц машинописного текста. Диссертация содержит 25 рисунков, 14 фотографий и 9 таблиц.

Список литературы

включает 180 источников.

выводы.

1. Впервые исследовано развитие в процессе имагинального онтогенеза поведенческих характеристик рыжих лесных муравьев, определяющих их функциональную специализацию в семье. Разработаны и применены методы экспериментального исследования поведения муравьев с датированным возрастом, изучения исследовательской активности муравьев, их реакций на естественных врагов, хищников и на их модели.

2. Представители разных функциональных групп в семье муравьев существенно различаются по соотношению в их поведенческом репертуаре реакций избегания опасности, проявлений агрессивного и исследовательского поведения, а также по способности накапливать опыт столкновения с «врагами». Муравьи с низким уровнем агрессии, способные избегать опасности, становятся сборщиками пади. Агрессивные особи, не избегающие врагов, специализируются как охотники и охранники.

3. Для проявления ключевых поведенческих реакций, лежащих в основе разделения функций в семье рыжих лесных муравьев, индивидуального опыта практически не требуется. Есть основания полагать, что приобретение навыков необходимо для формирования специфики исследовательского поведения, обучения избеганию опасности у сборщиков пади, «шлифовки» тактик взаимодействия с «врагами», которые различны для охотников и охранников, а также уточнения «образа врага», который на ранних стадиях имагинального онтогенеза проявляется в виде обобщенного шаблона.

4. У рыжих лесных муравьев мы не выявили строгого возрастного полиэтизма. Продемонстрирована тесная связь между сценариями развития агрессивного поведения и возрастом, в котором муравьи приступают к стабильному выполнению разных функций в семье. Охранники приступают к своей деятельности значительно позже, чем сборщики пади, так как формирование целостного комплекса агрессивных реакций требует длительного физиологического созревания.

5. Обнаружена существенная индивидуальная вариабельность агрессивного поведения рабочих особей сходного возраста. Муравьи с особенно ранним и ярким проявлением целостных стереотипов поведения могут служить «эталонами» для особей с промежуточными или неявно выраженными характеристиками. Окончательное формирование поведения у рыжих лесных муравьев, возможно, осуществляется на основе не только физиологического созревания и накопления индивидуального опыта, но и путем социального обучения.