… и раскрывает сложные жизни плавающих закорючек
Чудо превращения головастиков в лягушек или жаб всегда привлекало дошкольников заманчивым входом в мир науки. Но маленькие твари не только для детей. Постоянно расширяющийся круг взрослых ученых обращается к головастикам.
Биологи, заинтересованные в развитии, сосредоточились на переходе от головастика к лягушке. Тем не менее, будучи прибыльным направлением исследований, физиологии, поведению, экологии и естественной истории головастиков до последних нескольких десятилетий уделялось мало внимания.
Головастики просто не делали достаточно, как считали многие ученые, чтобы быть интересными, вспоминает эколог Рик Рельеа. Теперь, однако, он с энтузиазмом относится к появившемуся мнению, что головастики, будучи чрезвычайно чувствительными организмами, способны на многое.
В Университете Питтсбурга Релиа наблюдает, как головастики вырастают в разные формы тела в зависимости от того, какой хищник скрывается поблизости. Он видит, как они реагируют по-разному, если хищник ел насекомых или, о ужас, других головастиков. Он видит, что они различают хищников и конкурентов. «Это удивительно сложные животные», - настаивает он.
Головастики также удобны, многочисленны и просты в уходе. Более благоприятное представление о них сложилось в начале 1970-х годов, когда исследователи начали конструировать миниатюрные водные экосистемы в кадках. Эти биологи использовали головастиков в качестве подходящего крохотного обитателя для исследований, которые разбирали работу многогранных экологических сообществ. Эти наблюдения привели к лучшему пониманию тонкостей биологии головастиков. Некоторые биологи с невозмутимым видом утверждают, что если их область деятельности сохранит нынешние темпы роста еще 15 лет, то каждая новая научная статья в мире будет посвящена некогда скучным головастикам.
Рыбная форма
Примерно у трех четвертей из 4 400 видов лягушек и жаб в мире детеныши проводят недели в форме рыбы, которая мало похожа на их взрослую форму. Это несоответствие поднимает практический вопрос для полевых биологов.«Я иду к ручью и ловлю пять головастиков и пять лягушек - как мне определить, что с кем идет?» - говорит Джо Мендельсон из Университета штата Юта в Логане.
Исследователи сопоставили всех личинок лягушек в Северной Америке с взрослыми, говорит он, но изобилие амфибий в остальном мире создает множество проблем. Там, где он работает, в тропиках Нового Света, ни одного головастика не описано для сотен видов. Еще больше вопросов вызывают африканские амфибии. Во всем мире ученые могут идентифицировать головастиков только у трети видов, у которых они почти наверняка есть, согласно фолианту «Головастики» (1999, Roy McDiarmid and Ronald Altig, University of Chicago Press).
Головастики поразительно разнообразны, утверждает соредактор Головастиков Алтиг из Университета штата Миссисипи в городе штата Миссисипи. Он видел множество примеров: коротенькие, гладкие, порхающие в воде, скользящие по земле или извивающиеся на ветвях деревьев.
Однако Альтиг больше всего страстно говорит о разнообразии ротового аппарата головастиков. Таксономисты уже давно используют приспособления для еды головастиков для классификации существ, но Алтиг утверждает, что ученые до сих пор мало знают о том, как головастики его используют.
У головастика зубы вырастают вне рта, где они могут соскребать питательные частицы с поверхностей или разламывать кусочки вкусного детрита. Головастики потребляют широкий спектр закусок, включая бактерии, грибы, водоросли и фрагменты листьев. Зубы вырастают выше и ниже рта изогнутыми рядами, иногда всего несколько рядов, иногда больше 20. «Это как если бы у вас были сотни зубов на верхней губе и подбородке», - говорит Алтиг.
Челюсти тоже работают в необычном стиле. Нижний имеет дополнительный шарнир, так что головастик может открывать рот на сверхширокий зев.
При обычном глотании того, что находится в пруду головастика, дно ротовой полости двигается вверх и вниз, перекачивая аппетитную жижу по амфибийной версии средства для удаления ворса. Ловушка - часто пара непрерывно выделяющихся липких нитей - улавливает частицы до того, как вода со свистом пройдет через жабры и выйдет через отверстие сбоку. Головастик проглатывает шнуры вместе с любым питательным мусором, который они подобрали. По словам Альтига, улавливатели частиц Champion могут удалить за один проход более трех четвертей бактерий, с которыми они сталкиваются.
Умение молодых животных использовать множество форм ротового аппарата для сбора частиц из воды представляет собой серьезную проблему для ученых, наблюдающих за ними. Альтиг надеется, что следующее поколение исследователей головастиков свяжет огромное разнообразие структур рта с определенными стилями кормления и экологическими нишами.
Простые существа
Хотя головастики долгое время считались простыми существами, у них могут быть сложные отношения друг с другом. - говорит Алтиг. «Это намного тоньше, чем птица, сидящая на дереве и кричащая во всю глотку».
Головастики собираются в скопления, некоторые настолько плотные, что издают потрескивающий звук, когда отдельные особи всплывают на поверхность воды. Один вид объединяется в плотную массу, похожую на катящийся по воде футбольный мяч. Головастики ищут компанию друг друга, или они просто появляются в одном и том же месте в одно и то же время?
Ряд экспериментаторов в 1970-х и 1980-х годах подошли к этому вопросу, поместив головастиков в отсеки, где они могли видеть или химически ощущать себе подобных по другую сторону перегородки. Реакция варьировалась в зависимости от вида, но некоторые особи, такие как западная жаба и африканская когтистая лягушка, проводили больше времени возле перегородки и отсека своего соседа, чем в других секторах своего домена.
Некоторые виды головастиков могут различать родственников и неродственников. Возможно, самый драматический пример связан с исследованием головастиков-каннибалов Дэвидом Пфеннигом из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл. Он и его коллеги изучали виды лопатоногих жаб Spea в Соединенных Штатах.
Некоторые яйца этого вида вырастают в личинок среднего размера с круглыми головами, которые просто высасывают частицы пищи из воды, как это делают многие другие головастики. Однако другие личинки быстро растут и у них развиваются большие головы с зияющими челюстями. Крупные головастики нападают и поедают кротких. Однако исследовательская группа Пфеннига обнаружила, что каннибалы обычно не едят братьев и сестер, если доступны альтернативные жертвы из разных родословных.
Головастики некоторых ядовитых лягушек поедают в основном яйца, которые в противном случае могли бы быть братьями и сестрами. Предоставление этих яиц в пределах легкой досягаемости, по сути, является способом заботы их матери. Самки одной центральноамериканской ядовитой лягушки Dendrobates pumilio откладывают яйца на сухие плоские листья. Когда они вылупляются, лягушка-мать несет головастиков одного за другим на своей спине, чтобы бросить каждого в заполненную водой щель у основания листа растения. Она возвращается в расщелину с интервалом от 1 до 9 дней, и ее приближение приводит местного головастика в бешенство. Вместо того, чтобы плескаться вокруг своего крошечного пруда, как обычно, головастик напрягается и трясет хвостом, который взбалтывает воду. Мама отступает в бассейн, и головастик натыкается на нее, когда она выпускает яйцо. Головастик проглатывает его.
У этих лягушек кормовая икра не оплодотворяется, но головастики другой центральноамериканской лягушки-древолаза, Osteocephaus oophagus, поедают оплодотворенную икру. Эти головастики растут в воде, которая скапливается в похожих на ремешки листьях цепляющихся за деревья бромелиевых. Примерно каждые 5 дней самка, несущая на спине самца, возвращается к определенной бромелиевой. Она откладывает яйцо, которое самец оплодотворяет. Если один из ее головастиков все еще живет на заводе, счастливчик получает на обед яйцо. Если предыдущий жилец погиб, яйцо может превратиться в головастика, который будет питаться яйцами, которые мать доставляет позже.
Для головастиков-каннибалов старшие не всегда поедают младших братьев и сестер. Головастики теряют часть своей скорости, когда приближаются к превращению во взрослых особей. По крайней мере, в лабораторных аквариумах голодная молодь тропического Osteopilus septentrionalis иногда прибивает старших головастиков, находящихся в муках метаморфоза.
Новые исследования головастиков раскрывают истории семейной жизни, которые выходят за рамки поедания братьев и сестер. Головастики взаимодействуют со своими папами, а также со своими мамами. Например, некоторые самцы ядовитых лягушек переносят своих головастиков в водоемы с бромелиевыми листьями.
У гигантских лягушек-быков самцы спасают своих головастиков из высыхающих луж. В «Журнале герпетологии» за март 2001 года Виллем Фергюсон из Университета Претории в Южной Африке описывает самцов лягушек-быков, прокладывающих каналы в грязи. Каналы соединяют солидные лужи с несостоятельными лужами, в которых живут головастики. Когда вода стекает в неглубокие лужи, температура может падать, что делает ее более полезной для головастиков. Иногда лягушка выплескивается из пересыхающей лужи обратно в более глубокую воду, и головастики следуют за ней по следу.
Реакция на опасность
Одно из самых захватывающих открытий последних лет в науке о головастиках связано с открытием того, как головастики реагируют на опасность. Головастики в значительной степени являются универсальной закуской для водных обитателей, и они настраиваются на угрозы в окрестностях.
Чтобы проверить диапазон реакций животных, Relyea вырастил шесть видов головастиков в ваннах, оборудованных сетчатой клеткой, в которой содержался хищник, такой как личинка стрекозы или гигантский водяной жук. Головастики знали, когда нужно волноваться. Другие эксперименты показали, что присутствие хищника, особенно если он поедал других головастиков, может практически обездвижить их или изменить форму тела.
Relyea и его коллеги сообщили в журнале Ecology за февраль 2001 года, что головастики адаптировали свое поведение и формы тела в соответствии со смертоносностью хищника. Например, у головастиков лесной лягушки Rana sylvatica вырастали очень глубокие хвостовые плавники, когда они делили ванну с опасным грязевым гольяном или личинкой стрекозы, несколько глубокий хвостовой плавник, когда они поднимались с менее опасным тритоном, но ничего особенного, когда они находились в воде. более безобидный водяной жук.
Чтобы провести эти исследования, команда Релии должна была определить, какую угрозу каждый вид хищника представляет для головастиков. Поступая таким образом, группа нарушила старую истину экологии. Общепринятое мнение предсказывает, что любой защитный механизм становится сильнее по мере того, как хищники становятся более опасными. «Это имеет смысл, пока вы хорошенько об этом не подумаете», - говорит Рельеа.
Реальный мир оказывается более сложным. Он отмечает, что в дикой природе каждое животное уравновешивает несколько защит. Например, в опасной среде у головастика есть несколько вариантов: он может избегать внимания, оставаясь неподвижным большую часть времени, или он может отрастить более глубокий хвост, чтобы быстро убежать. Таким образом, одна защита может не показывать прямой рост с повышенным риском. В своих экспериментах Рельеа обнаружил, что разные виды идут на разные компромиссы.
Хищники - не единственная проблема, с которой сталкивается головастик; толпа других головастиков часто соревнуется за ту же пищу. Relyea находит доказательства того, что головастики ведут себя по-разному, когда их главной проблемой являются хищники или конкуренты.
Вообще, затаившийся хищник заставляет головастика отращивать быстрые хвосты и оставаться относительно неактивным. Когда головастики растут вдали от хищников, но в толпе, детеныши оживляются и отращивают большие головы с пропорционально большими ртами - приспособления, которые позволяют им добираться и поглощать больше пищи.
Изменения в жизни головастиков могут сохраняться и во взрослом возрасте, обнаружила Релиа. Он выращивал головастиков лесных лягушек в воде с личинками стрекоз в клетках, которые являются хищниками головастиков. Как и ожидалось, головастики приобрели форму, которую они обычно имеют в среде, зараженной хищниками, и им потребовалось больше времени, чтобы созреть, чем головастикам в безопасной воде. Когда головастики действительно метаморфизировались, у тех, кто находился в воде с личинками стрекоз, вырастали задние конечности, которые были немного, но значительно длиннее и шире, чем у лягушек из незараженной воды.
В работе по изучению химии сигналов хищничества Релиа столкнулся с драматическим побочным эффектом риска хищника. Он и его коллеги выращивали головастиков серой древесной лягушки Hyla versicolor в воде с низкой концентрацией пестицида карбарила, который продается под торговой маркой Sevin. Добавление в воду хищника, личинки саламандры, в клетке сделало пестицид в два-четыре раза более смертоносным, чем в одиночку, Релайя и Натан Миллс из Университета
Миссури в Колумбии сообщается в Proceedings of the National Academy of Sciences от 27 февраля 2001 г.
С тех пор компания Relyea подвергла личинок лягушек и жаб двойной угрозе пестицидов и хищников. Его предварительные результаты, по его словам, показывают, что некоторые головастики реагируют на эту комбинацию даже сильнее, чем головастики серых древесных лягушек.
В эпоху сокращения популяций земноводных Релиа и Миллс были первыми биологами, которые проверили взаимодействие между загрязнением пестицидами и другими экологическими стрессами. В мире за пределами лабораторий хищников предостаточно, и
Relyea утверждает, что их смертельное увеличение летальности пестицидов может быть широко распространено.
Ученые не знают, по какому сигналу головастик улавливает приближение хищника. Исследователи также не разработали химию того, как этот стресс может увеличить уязвимость головастика к токсичному химическому веществу.
Relyea сейчас начинает работать с химиками для поиска активных соединений. Он не в первый раз говорит: «Это захватывающее время для изучения головастиков».
Когда головастики отклоняются влево
Несколько лет назад Ричард Вассерсуг из Университета Далхаузи в Галифаксе, Новая Шотландия, заметил, что головастики, всплывающие на поверхность, чтобы глотнуть воздуха, склонны поворачивать налево, а не направо, когда они ныряют обратно под воду. Сплит был 60:40.
Возможно, предположили исследователи, асимметричный поворот этого североамериканского головастика из рода Rana связан с выходом воды или дыхальцем на левой стороне его тела. Идея получила распространение, когда исследователи протестировали головастиков Xenopus. Они выбрасывают воду через пару дыхалец, по одному с каждой стороны тела, и в эксперименте они не проявляли склонности к левосторонним движениям.
В 2000 году Вассерсуг и его коллеги сообщили о смещении вращения у другого физически симметричного вида. У Microhyla ornata всего одно дыхальце, но оно расположено по средней линии головастика. Сразу после вылупления эти головастики не проявляют предпочтения в поворотах. Однако в течение средних 2-3 недель их личиночного периода они поворачивают налево примерно в 75% случаев, когда им что-то мешает. По мере взросления эта предвзятость исчезает.
Теперь исследователи предполагают, что они подошли к чему-то более сложному, чем простая причуда положения дыхальца. Возможно, мозг животных диктует праворукость (SN:15.12.01, стр. 375: Вороны, похоже, делают инструменты правой рукой) и делает это с возрастом по-разному. - С. М.