Изменения параметров ректальных желез, как проявление адаптационного механизма в жизненном цикле пчелиной семьи Apis mellifera L

Проблемы прикладной экологии

УДК 638.12

ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ РЕКТАЛЬНЫХ ЖЕЛЕЗ, КАК ПРОЯВЛЕНИЕ АДАПТАЦИОННОГО МЕХАНИЗМА В ЖИЗНЕННОМ ЦИКЛЕ ПЧЕЛИНОЙ СЕМЬИ

APIS MELLIFERA L.

© 2014 И.А. Лебединский, А.Ю. Лаврский, А.В. Петухов

Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет, г. Пермь

Поступила 04.07.2014

В данной статье рассматриваются изменения размеров и объёма секреторной ткани ректальных желёз в процессе зимовки медоносных пчёл среднерусской расы, а так же изменения этих параметров на протяжении остального года. Данные изменения связаны с физиологической нагрузкой на задний отдел кишечника (ректум), в частности с необходимостью синтеза каталазы для нейтрализации продуктов кишечной микрофлоры во время зимовки. Физиологическая нагрузка на задний отдел кишечника пчелы определяется в первую очередь интенсивностью и количеством белка в кормах, таким образом, чем активнее рабочая пчела выполняет свои функции, тем больше она питается и тем выше нагрузка на задний отдел кишечника особенно во время зимовки. В статье рассмотрены изменения размеров ректальных желёз рабочих особей медоносной пчелы в возрасте 4-8 дней на протяжении всего жизненного цикла пчелиной семьи. Доказана взаимосвязь между параметрами ректальных желёз и физиологической нагрузкой на организм пчелы, а так же подтверждена возможность значительного участия ректальных желёз в водном обмене пчелы.

Ключевые слова', адаптация, гистология, зимостойкость, зимовка, медоносная пчела, пищеварение, ректальные железы, ректум, среднерусская пчела.

ВВЕДЕНИЕ

Медоносная пчела, являясь общественным насекомым, представляет достаточно интересный объект с точки зрения популяционной экологии: единицей популяции медоносной пчелы является не отдельная особь, а пчелиная семья [11], как единица размножения. Причем, семья не является генетически однородной, так как пчеломатка получает генетический материал от нескольких самцов [2]. В течение жизненного цикла пчелиной семьи существует ряд моментов, приуроченных к особенностям климата и фенодатам местной флоры. Наиболее важными среди таких моментов являются переход пчелиной семьи в зимующее состояние и выход из зимовки. Известно, что зимующее поколение пчёл отличается от всех прочих генераций по ряду биохимических параметров [9, 10, 12] особенностям питания и режима функционирования пищеварительного тракта [3, 6, 7]. Причем, зимующее и активные поколения нельзя рассматривать как экологические группы в популяции, так как в норме рабочие пчелы не принимают непосредственного участия в размножении [11], а размножение осуществляется всего за счет одной особи в семье (пчеломатка), причем все генерации - потомство одних и тех же родителей. Таким образом, различия между особенностями зимующей и активных генераций, можно рассматривать как сумму адаптаций пчелиной семьи к циклически повторяющимся неблагоприятным условиям среды.

Лебединский Иван Александрович, ассистент кафедры ботаники; Лаврский Алексей Юрьевич, ассистент кафедры ботаники; Петухов Александр Васильевич, кандидат биологических наук, доцент кафедры зоологии

Некоторое количество адаптаций связано с особенностями функционирования пищеварительной системы, не характерными для пчел активных генераций. Так у зимующей генерации в течение зимовки экскременты накапливаются в толстой кишке (ректуме), кишечная микрофлора, развивающаяся в экскрементах, выделяет ряд токсичных веществ, в том числе пероксид водорода, важнейшую роль в его нейтрализации выполняет фермент каталаза. Секретируют этот фермент в толстой кишке (rectum) 6 ректальных желёз, так как это единственные секреторные органы толстой кишки, можно предположить существование зависимости между интенсивностью синтеза каталазы и такими характеристиками желёз, как размеры, объём секреторной ткани и.т.д. Данные железы представлены валикообразными утолщениями стенки ректума без видимых протоков, внутри каждой железы расположен слой секреторной ткани образованный клетками небольшого размера и замкнутая с обоих концов полость, тянущаяся через всю железу. Железы богато снабжены трахеями. Функция выделения ректальными железами каталазы не вызывает сомнений [3, 9], однако наличие полости значительных размеров внутри, богатое снабжение трахеями позволяет предположить их участие в испарении излишней влаги из содержимого ректума [15], что очень важно во время зимовки.

Среднерусская раса медоносной пчелы представляет интерес из-за своей высокой зимостойкости. Прикамская популяция среднерусской пчелы считается [4, 8] одной из самых северных популяций медоносной пчелы.

Исследования на гистологическом уровне адаптационных механизмов, обеспечивающих зимостойкость важны как для понимания их осо-

594

Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 5

бенностей, так и для разработки диагностических методик, позволяющих дополнить классическую морфометрию и более точно судить о зимостойкости отдельных пчелосемей.

Для данного исследования осуществлялся отбор пчел среднерусской расы (расовая принадлежность подтверждена морфометрией [1, 5, 8]) из нескольких семей, расположенных на территории экспериментальной пасеки ПГГПУ, и пасеки в пос. Бершеть Пермского района. Пробы отбирались в течение всего года. Весной и летом, отбирались молодые ульевые пчёлы (7-12 дней) физиологически молодые, но с интенсивной секреторной активностью (именно в таком возрасте пчёлы выделяют воск и маточное молочко).

Все исследуемые семьи зимовали в естественных условиях, т.е. ульи не переносились в зимовники, а находились в течение зимы под естественным снежным покровом.

У пчёл каждой пробы извлекался кишечник, фиксировался в жидкости Карнуа и обрабатывался согласно адаптированной гистологической методике с последующей инфильтрацией парафином и микротомированием.

Срезы толщиной 10 мкм окрашивались гематоксилином - эозином, после чего осуществлялся анализ гистологической структуры кишечника.

При анализе срезов ректума учитывались следующие параметры:

поперечные размеры среза каждой ректальной железы на препарате, диаметр внутренней полос-

ти железы в двух взаимоперпендикулярных направлениях

(иногда полость может быть деформирована). Длина каждой из желёз подсчитывалась по количеству срезов на препарате, при известной толщине среза 10 мкм.

Выборка, соответствующая каждой из 12 точек последовательности включает 10-12 пчел. В анализе ректума одной пчелы участвовали в среднем 300-450 срезов, в данном исследовании проанализировано около 50 000 срезов.

Для лучшего понимания изменений, происходящих в строении ректальных желёз, было введено два синтетических параметра, высчитываемых на основе прямых измерений: объём секреторной ткани железы и объём полости железы. Эти параметры позволяют наглядно оценить развитость желёз в тот или иной период.

В соответствии с рядом работ, посвященных зимовке пчёл, ожидаемым результатом работы было обнаружение различия в размерах и объёме ректальных желез зимующей и лётных генераций. Большее развитие ректальных желёз зимующих пчёл связано с интенсивным синтезом каталазы [8, 9]. У пчёл весенних и летних генераций ожидались меньшие размеры ректальных желёз, меньший объём секреторной ткани и больший объём внутренней полости. Однако, в ходе работы были обнаружены более сложные закономерности.

Полученные результаты представлены ниже в виде таблицы (табл.1) и графиков (рис.1, 2, 3 и 4).

Таблица 1. Средние значения параметров ректальных желёз

^^'Нараметр Месяц Длина

Январь 0,47±0,041 0,044±0,0032 0,0076±0,00189 0,0008±0,00016

Февраль 0,74±0,036 0,053±0,0013 0,0163±0,00203 0,0018±0,00014

Март 0,73±0,011 0,049±0,0027 0,0144±0,00110 0,0013±0,00015

Апрель ОДНО,048 0,038±0,0018 0,0091±0,00113 0,0008±0,00010

Май 1,21±0,034 0,036±0,0033 0,0177±0,00122 0,0014±0,00023

Июнь 0,67±0,033 0,058±0,0033 0,0053±0,00034 0,0019±0,00022

Июль 0,54±0,003 0,036±0,0012 0,0037±0,00068 0,0007±0,00005

Август 0,72±0,012 0,023±0,0010 0,0045±0,00027 0,0004±0,00004

Сентябрь 0,67±0,010 0,030±0,0015 0,0054±0,00049 0,0005±0,00005

Октябрь 1,05±0,033 0,031±0,0022 0,0188±0,00240 0,0008±0,00012

Ноябрь 0,57±0,028 0,029±0,0022 0,0054±0,00061 0,0004±0,00007

Декабрь 0,50±0,013 0,023±0,0008 0,0030±0,00029 0,0002±0,00002

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

Как видно из приведённых результатов в течение года происходит существенное изменение длины ректальных желёз, наибольшая длина (1,21±0,034 мм) наблюдается летом (рис. 1).

Важен тот факт что, измерения произведённые с октября по март относятся, к пчёлам одной генерации. Очевидно, что если некоторый рост же-

лез в течение жизни пчелы вполне может происходить, то существенное уменьшение такого образования, имеющего жесткий каркас маловероятно. Объяснить значительную длину желёз в октябре (1,05±0,033 мм) можно следующим образом: в октябре в пчелиной семье ещё присутствуют старые пчёлы прошлых генераций, которые впоследствии гибнут. Пробы отбирались в тече-

595

Проблемы прикладной экологии

ние нескольких лет, но изменения исследуемых параметров оказались достаточно стабильны.

Исходя только из длины желёз, можно сделать следующий вывод: железы являются достаточно динамичной структурой и вероятно способны к изменениям в течение жизни пчелы (о чём свидетельствует их небольшое уменьшение с ноября по январь). Наибольшая длина желез совпадает с важными моментами в жизненном цикле пчели-

ной семьи: подготовка и начало выведения расплода (конец февраля-март), интенсивный медосбор (май), смена генераций и окончательный переход в зимующее состояние (октябрь).

Диаметр внутренней полости желёз, по-видимому, меняется в зависимости от ряда различных факторов, эти изменения без учёта других параметров интерпретировать сложно (рис. 2).

Рис. 1. Средняя длина (мм) ректальных желез ульевых пчёл в течение года.

Рис. 2. Средний диаметр полости ректальных желёз на поперечном срезе (мм) в течение года.

Наиболее информативными являются комплексные параметры, описывающие объёмы желёз.

Как видно из приведенных данных объём секреторной ткани ректальных желёз (Рис. 3) значительно меняется в течение года. Причем, минимальные значения (0,0037±0,00068 мм, июль), без учёта декабря (0,003 0±0,00029 мм), соответствуют периоду с минимальной физиологической нагрузкой на каждую отдельную рабочую пчелу. В июне-июле количество собираемого корма уменьшается, при увеличении численности семьи (что потенциально приводит к роению).

Малый объём секреторной ткани в декабре сочетается с очень малым объёмом внутренней по-

лости железы, таким образом можно говорить о уменьшении размеров желёз в целом.

При подготовке к выведению потомства зимующими пчёлами (февраль-март) увеличивается интенсивность их питания и в пищу поступает большое количество белковых кормов [13, 14]. Таким образом, увеличение объёма секреторной ткани в феврале-марте (0,0163±0,00203 мм Февраль, 0,0144±0,00110 мм Март) объясняется увеличением нагрузки на задний отдел кишечника, большей потребности в каталазе, для нейтрализации продуктов жизнедеятельности кишечной микрофлоры.

596

Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16, № 5

Рис. 3. Средний объём секреторной ткани ректальных желёз (мм3) ульевых пчёл в течение года.

Рис. 4. Средний объём полости ректальных желёз (мм3) ульевых пчёл в течение года.

Молодые ульевые пчёлы в мае так же обладают сильно развитой секреторной тканью ректальных желёз (0,0177±0,00122 мм), что объясняется высокой физиологической нагрузкой (следовательно, и интенсивным питанием, причем с высоким содержанием белка) на каждую особь, в связи с выкармливанием потомства. Численность семьи в мае увеличивается и объём ульевых работ, приходящихся на каждую молодую рабочую особь значительно больше, чем в последующие месяцы, когда семья достигает значительной численности рабочих пчёл.

Увеличение объёма секреторной ткани в октябре (0,0188±0,00240 мм), вероятно связано с теми же причинами, что и увеличение длины желёз, происходит окончательная смена генераций и семья переходит в состояние зимовки (формируется клуб).

Изменения объёма полости ректальных желёз позволяют сделать предположения относительно роли желёз в регуляции влажности содержимого кишечника (рис. 4).

Объем полости значительно увеличивается при подготовке и выведении потомства зимующим поколением, но наибольших размеров он достигает у пчёл в июне (0,0019±0,00022 мм), при относительно малом объёме секреторной ткани.

Как было сказано выше, физиологическая нагрузка ульевых пчёл в этот период минимальна, однако температура воздуха в июне достаточно

высока, что приводит к усилению испарения влаги. Корма при этом содержат большое количество воды. Таким образом, можно предположить, что ректальные железы играют роль своеобразного испарителя (так как они связаны с трахейной системой), или иным образом участвуют в водном обмене организма пчелы.

Увеличение объёма полости в феврале (0,0018±0,00014 мм) и марте (0,0013±0,00015 мм) так же связано с тем, что зимующие пчёлы начинают интенсивнее питаться и выводить расплод. В данном случае увеличение объёма полости может быть связано как с необходимостью интенсивно снабжать кислородом секреторную ткань железы, так и потребностью в испарении избытка влаги в содержимом ректума.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- Сезонные изменения размеров ректальных желёз кореллируют с наступлением различных этапов жизненного цикла пчелиной семьи.

- Изменения объёма внутренней полости желёз в летний период говорят в пользу гипотезы об их участии в водном обмене пчелы.

- Изменения объёма секреторной ткани подтверждают наличие прямой зависимости между интенсивностью работы желёз и их размерами.

Существенной проблемой на пути к пониманию годовых физиологических изменений в организме пчелы является нестабильность климата, и

597

Проблемы прикладной экологии

особенности зимовки отдельных семей, очевидно, что для получения чёткой картины динамики рассмотренных параметров необходимы дальнейшие систематические исследования семей зимующих в различных условиях, семей различной силы и Т.д.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Авдеев Н.В., Макарова Н.Е., Петухов А.В. Выявление уровня «генетического загрязнения» по характеристикам жилкования крыла // Пчеловодство. 2009. № 7. С. 21-24.

2. Билаш Н.Г., Лебедев. В.И. Биология пчелы медоносной и пчелиной семьи. М.: Колос, 2006. 256 с.

3. Еськов Е.К., Тобоев В.А., Еськова М.Д. Механизмы адаптации пчел к зимовке // Материалы Международной конференции «Пчеловодство-XXl век» Темная пчела (Apis mellifera mellifera L.) в России. - М., 2008,-С. 78-81.

4. Ильясов Р.А., Петухов А.В., Поскряков А.В., Николенко А.Е. На Урале сохранились четыре резервата пчелы среднерусской расы Apis mellifera mellifera L.. Пчеловодство. 2006. №2. С. 19.

5. Ильясов Р.А., Поскряков А.В., Николенко А.Е. Методы идентификации подвида пчелы медоносной (А.т. mellifera L.) // Пчеловодство. № 8. 2008. С. 8-9.

6. Исаакян Л.А. Метаболическая структура температурных адаптаций. Л.: Наука, 1975. 378 с.

7. Лаврский А.Ю., Лебединский И.А., Петухов А.В. Изменения эпителия среднего отдела кишечника рабочих особей Apis mellifera mellifera L., связанные с выходом из зимней диапаузы //Естественные и технические науки. 2011. №6, с. 165-169.

8. Петухов А.В., Шураков А.И., Еськов Е.К. Морфологическая характеристика среднерусских пчел верхнекамской популяции // Пчеловодство. № 5. 1996. С. 8-10.

9. Фрунзе О.Н., Петухов А.В., Максимов А.Ю. Активность каталазы у пчел летней и осенней генераций // Пчеловодство. 2009. №2 . С. 23.

10. Фрунзе О.Н., Петухов А.В., Максимов А.Ю. Активность фосфатазы среднерусской и карпатской пород пчел//Пчеловодство. 2009. №5. С.18-19.

11. Чернышев В.Б. Экология насекомых. М.: Изд-во МГУ, 1996. 304с.

12. Crailsheim К., Panzenbock U. Glycogen in honeybee queens, workers and drones (Apis mellifera camica Pollm.) // J. Insect Physiol. Vol. 43. 1997. P. 155-165.

13. Crailsheim K., Hrassnigg N., Gmeinbauer R., Szolderits M.J., Schneider L.H. Brosch W. and U. Pollen utilization in non-breeding honeybees in winter // Journal of Insect Physiology. Vol. 39. 1993. P. 369-373.

14. Crailsheim K. Dependence of protein metabolism on age and season in the honeybee (Apis mellifica camica Pollm) // Journal of Insect Physiology. Vol. 32. 1986. P. 629-634.

15. Wigglesworth V.B. On the function of the so-called ‘rectal glands’ of insects// quart. Joum.micr.sci.75: P. 131-150.

CHANGES OF RECTAL PAD’S PARAMETERS, AS A MANIFESTATION OF ADAPTIVE MECHANISMS IN THE LIFE CYCLE OF THE BEE FAMILY APIS MELLIFERA L.

© 2014 I.A. Lebedinskiy, A.Y. Lavrskiy, A.V. Petukhov

Perm state humanitarian-pedagogical university, Perm

This article describes changes in rectal pads proportions and secretary tissue volume during winter-stay and other stages of honeybee’s life cycle. This changes related to physiological load to rectum, for example: to development of catalase during winter-stay. Catalase playing important role in neutralizing toxic metabolic products of rectal microflora, propagating in fecal matter during winter stay. Physiological load to rectum depends of worker-bees feeding intensity and amount of proteins in food. So the than more worker bees do work, the more they need food, and have the more load to rectum, especially during winter stay. The article describes changes in rectal glands of working individuals honeybee aged 4-8 days throughout the life cycle of the bee family. Proved dependence of rectal pad’s parameters from physiological load on bee organism. Proved possibility of rectal pads involvement in water metabolism of honeybee.

Key words', adaptation, dark wood honeybee, digestion, honeybee, histology, rectal pads, rectum, wintering (winter-stay), winter hardiness.

Lebedinskii Ivan Aleksandrovich, Assistant of the Department of Botany; Lavrskiy Aleksey Yurevich, Assistant of the Department of Botany; Aleksandr Vasilevich Petukhov, candidate of biological sciences, Associate Professor of the Department of Zoology

598