CC BY
45
Общая биология
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 2 (2), с. 35-39
УДК 579.26+510:514
САМОПОДОБИЕ ВИДОВОГО БОГАТСТВА СООБЩЕСТВ ЭНТЕРОБАКТЕРИЙ ОБЩЕСТВЕННЫХ НАСЕКОМЫХ
© 2011 г. А.Н. Варичев, А.И. Речкин, Н.И. Евтеева, У.Е. Чечёткина, Д.Б. Гелашвили
Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
ecology@bio.unn.ru
Поступила в редакцию 03.02.2011
Проведен монофрактальный анализ видовой структуры сообществ энтеробактерий, населяющих кишечник пчелы медоносной (Apis mellifera) и различные компоненты муравейников (Formica aqilonia и F. protensis). Показано, что зависимость накопления числа видов энтеробактерий от объема выборки описывается степенной зависимостью, что свидетельствует о самоподобии видовой структуры сообществ энтеробактерий исследованных общественных насекомых.
Ключевые слова: пчела медоносная, муравейник, энтеробактерии, монофрактал.
Введение
В настоящее время изучение микроорганизмов сем. Enterobacteriaceae является одной из актуальных тем современной микробиологии и биологии. Представители сем. Enterobacteri-aceae часто высеваются из воды и почвы, сохраняют жизнеспособность в широком диапазоне абиотических факторов среды, нередко являются патогенными для большинства видов беспозвоночных и позвоночных животных, а также для человека. Их способность утилизировать углеводы, аминокислоты, спирты, комплекс циклических органических соединений; участие в процессах денитрификации, нитрификации, азотфиксации, аммонификации позволяет энтеробактериям занимать различные местообитания [1]. Энтеробактерии часто являются возбудителями сапронозов. В то же время недостаточно изучены пути циркуляции места резервации этих бактерий в окружающей человека среде. Закономерное обитание возбудителей сапронозов в почве и воде, разнообразные симбиотические связи с почвенными и водными организмами наряду с циркуляцией среди наземных животных делают их равными сочленами естественных экосистем. Существует необходимость более подробного исследования эпидемиологических и экологических особенностей этих возбудителей, в частности, проведение поиска природных резервуаров этиологически значимых лидеров из числа таких представителей энтеробактерий как Klebsiella, En-terobacter, Citrobacter, Proteus, Hafnia и др. Природные резервуары этих бактерий представляют собой первичную ячейку эпидемиче-
ского процесса, создающую потенциальную опасность распространения возбудителей. Эти резервуары могут поставлять возбудителей инфекции во вторичные резервуары - различные объекты непосредственного окружения человека [2], поэтому экологические параметры сообществ энтеробактерий являются необходимым атрибутом их общебиологической характеристики. В рассматриваемом ключе несомненный интерес представляет анализ видовой структуры сообществ энтеробактерий с позиций фрактального формализма, показавшего свою перспективность при изучении видовой структуры сообществ свободноживущих организмов наземных и водных экосистем [3, 4].
Цель нашей работы - изучение самоподобия видового богатства сообществ энтеробактерий общественных насекомых на примере пчелы медоносной (Apis mellifera) и муравьев (Formica protensis и F. aqilonia).
Материалы и методы
Пробы пчел отбирали от пчелиной семьи на пасеке в п. Доскино (Автозаводский район, г. Нижний Новгород) в декабре 2009 г., а также и феврале, апреле, мае, июне и июле 2010 г. Всего было отобрано и проанализировано 20 проб. Непосредственно перед бактериологическим анализом насекомых усыпляли хлороформом, обрабатывали в 70%-ном этаноле для освобождения от микроорганизмов, обитающих на внешних покровах, и промывали в стерильном физиологическом растворе. Затем отделяли брюшко, извлекали кишечник. Кишечники пяти пчел (1 проба), отобранных случайным образом,
растирали в ступке с 2 мл стерильного физиологического раствора. Из исходных суспензий готовили десятикратные разведения до 10-6 включительно. Полученные разведения засевали на дифференциально-диагностические среды Эндо и Chromocult («Merck», Германия). Посевы инкубировали при 37°С в течение 24 ч. Идентификацию выделенных культур проводили с помощью пластин биохимических, дифференцирующих энтеробактерии (ПБДЭ, «Диагностические системы», г. Нижний Новгород), систем индикаторных бумажных (СИБ, «Микроген», г. Нижний Новгород).
Пробы микрофлоры энтеробактерий 52 муравейников (Formica aqilonia, F. protensis) отбирали в смешанном лесу Володарского, Городецкого, Дальнеконстантиновского и Перевоз-ского районов Нижегородской области в 20062007 гг. Выделение энтеробактерий проводили с помощью сред Эндо, Плоскирева, Олькениц-кого, висмут-сульфит агара. Идентификация микроорганизмов проводилась с использованием пластин биохимических, дифференцирующих энтеробактерии.
Видовую принадлежность энтеробактерий кишечника пчелы медоносной и микрофлоры муравейников устанавливали в соответствии со схемами и таблицами определителя бактерий Берджи [5].
Результаты и их обсуждение
Одним из эффективных подходов к изучению видовой структуры биотических сообществ являются методы фрактального анализа, основанного на концепции самоподобия [3, 4, 6]. Адекватным математическим образом накопления видового богатства (S) при увеличении объема выборки (N) являются монофракталы -множества, которые характеризуются единственной фрактальной размерностью (к). Мо-нофрактальная гипотеза была сформулирована Р. Маргалефом [7]:
S = N к.
Степенная зависимость в ортогональных координатах натуральных значений S и N легко преобразуется в линейную в билогарифмиче-ских координатах:
log S = к • log N, (1)
где к = log S/log N, 0 < к < 1 имеет смысл индекса видового разнообразия Маргалефа. Выражение (1) показывает, что видовая структура сообщества (в данном случае в виде его компонента — видовое богатство) инвариантна относительно преобразования его численности. Ве-
личину к можно трактовать как соответствующую фрактальную размерность: число элементов видовой структуры - число видов сообщества - меняется по степенному закону с показателем к при увеличении размеров системы, т.е. с ростом численности сообщества. Рассмотрим возможности применения фрактального формализма для характеристики видового богатства сообщества энтеробактерий общественных насекомых (пчелы медоносной и муравьев).
Из кишечника пчелы медоносной было выделено и проанализировано 11 видов энтеробактерий, представляющих 10 родов (табл. 1). Достаточно разнообразный спектр энтеробактерий у пчелы медоносной объясняется способностью пчел в процессе медосбора посещать большие территории, контактируя с различными медоносными растениями, микрофлора которых весьма разнообразна. Известно, что источниками формирования спектра бактерий у пчел являются субстраты, которые они посещают, в первую очередь это медоносные растения [8]. В табл. 1 представлены данные по численности идентифицированных видов энтеробактерий, выделенных из кишечника пчелы медоносной в разные сроки наблюдения.
Зависимость скорости накопления числа видов энтеробактерий (5) кишечника пчелы медоносной от числа проб (Ы) в динамике наблюдения, представленная в натуральных координатах (рисунок а), удовлетворительно аппроксимируется степенным уравнением 5 = 3.15Ы0’69. Выполнение степенного закона свидетельствует о самоподобии видовой структуры сообществ энтеробактерий пчелы медоносной. Этот вывод подтверждается линейным характером зависимости 5(Ы) в билогарифмических координатах:
1п5 = 1п3.15 + 0.691пN Я2 = 0.96 (рисунок б).
Муравейники - это специфические биотипы, формирующиеся в почвенном и надпочвенном ярусах и достигающие в лесных экосистемах высокой плотности. Компоненты муравейников представляют систему с протекающими важнейшими в биогеоценотическом плане процессами, в том числе и процессом фиксации молекулярного азота, осуществляемом энтеробактериями. Кроме того, известно, что хвоя и кора голосеменных растений, которые составляют основную массу субстратов купола исследуемых нами муравейников, содержат эндосимбионтов сем. ЕМегоЪа^ег1-асеае [8]. Поверхность листьев растений, особенно активно секретирующих сахаристые вещества, используется муравьями некоторых видов для «выпаса» тли. Вместе с тем форми-
Таблица 1
Энтеробактерии, выделенные из кишечника пчелы медоносной в 2009-2010 гг.
№ п.п. Виды энтеробактерий Месяцы
декабрь февраль апрель май июнь июль
1 K^sie^ oxytoca 5.119±0.549* 6.670±0.068 6.540±0.239 н.об. н.об. 5.252±0.738
2 Kl. pneumonia н.об.** н.об. н.об. н.об. н.об. 4.344±1.028
3 Proteus spp. 5.667±0.0001 н.об. н.об. н.об. н.об. н.об.
4 Providencia rettgeri 3.364±0.036 н.об. 7.107±0.806 н.об. н.об. н.об.
5 Hafnia alvei н.об. 4.954±0.0001 н.об. н.об. н.об. н.об.
6 Escherichia coli н.об. 3.668±0.605 н.об. н.об. н.об. н.об.
7 CitroЪacter spp. н.об. 5.772±1.626 8.573±0.029 н.об. н.об. н.об.
S EnteroЪacter spp. н.об. н.об. н.об. 7.279±0.313 5.450±0.515 4.812±0.272
9 Morganella morganii н.об. н.об. н.об. 4. 000±0.0001 н.об. н.об.
10 Pantoea agglomerans н.об. н.об. н.об. н.об. 5.885±1.040 н.об.
11 Serratia spp. н.об. н.об. н.об. н.об. 2.477±0.000 н.об.
* Численность энтеробактерий lg (N±m); “микроорганизм не обнаружен.
Рис. Зависимость накопления числа видов (S) энтеробактерий, населяющих кишечник пчелы медоносной (Apis mellifera) (а, б) и субстраты муравейников (Formica aquilonia и F. pratensis) (в, г) от числа проб (N) в натуральных (а, в) и билогарифмических (б, г) координатах
рование филлосферной микрофлоры осуществляется в результате выноса микроорганизмов из почвы, в том числе и с участием муравьев. В табл. 2 представлены данные по
видовому составу выделенных 12 видов энтеробактерий, относящихся к 7 родам.
Скорость накопления видового богатства энтеробактерий муравьев при увеличении числа
Таблица 2
Виды энтеробактерий, выделенные из муравейников (Formica aqilonia и F. protensis) в различных районах Нижегородской области в 2006-2007 гг.
№ п.п. Район Нижегородской области Пункт отбора проб Число муравейников Число видов энтеробактерий Bngti энтеро6актернн
l Дальнеконстан- тиновский пгт. Дальнее Константиново l 3 Escherichia coli, Enterobacter cloacae, Citrobacter diversus
2 Городецкий г. Г ородец 4 5 Escherichia coli, Enterobacter cloacae, E. aerogenes, E. agglomerans, Klebsiella pneumonia
3 Перевозский с. Ичалки 4 3 Escherichia coli, Enterobacter cloacae, Klebsiella pneumonia
4 Володарский с. Решетиха 18 б Klebsiella pneumonia, Enterobacter cloacae, E. agglomerans, Erwinia herbicola, Citrobacter freundii, Providencia alcalifaciens
5 Володарский п. Юганец 25 8 Enterobacter agglomerans, E. cloacea, E. intermedium, E. sakazakii, E. aerogenes, Escherichia coli, Serratia ficaria, Klebsiella pneumonia
обследованных муравейников также удовлетворительно аппроксимируется (R2 = 0.99) степенным законом S = 3.08N0’61 в натуральных и би-логарифмических координатах (рисунки в, г), что верифицирует монофрактальную гипотезу.
Заключение
Проведенный монофрактальный анализ видовой структуры сообществ энтеробактерий, содержащихся в природных резевуарах общественных насекомых: кишечнике пчелы медоносной и муравейниках (Formica aqilonia, F. protensis), позволил получить новые сведения, свидетельствующие о самоподобии ее структурной организации.
Таким образом, степенной характер накопления числа видов при росте объема выборочных усилий прослеживается для целого ряда биотических сообществ водных и наземных экосистем. Такой характер поведения видового богатства может быть интерпретирован как масштабная инвариантность сообществ в пространстве их численностей, а соответствующий показатель Маргалефа - как фрактальная размерность структуры сообщества.
Естественно возникает вопрос: какие особенности динамики биотических сообществ предопределяют их скейлинговые свойства? Хорошо известно, что фрактальное поведение активных открытых систем реализуется при резком контрасте внутренних времен релаксации системы и характерных интервалов изменения внешней накачки [8]. Именно такая ситуация и реализуется в биотических сообществах. Действительно, здесь скорость изменения внешних условий (сезонные вариации, градиенты антропогенных нагрузок) существенно уступает скорости метаболизма живых тканей. Такой резкий контраст внутренних и внешних временных масштабов и является необходимым условием возникновения самоподобия.
Мы полагаем, что методологическое значение принципа самоподобия является руководящим не только для характеристики видовой структуры биотических сообществ свободно-живущих организмов, но и симбионтов. Уникальное свойство фракталов, позволяющее на основе имеющейся информации о части объекта сделать статистически корректное заключение
об объекте в целом, в частности, о видовой структуре биотических сообществ, открывает
возможности оценки результатов процесса биоманипулирования природными и искусственными биосистемами. Таким образом, изучение возможностей и ограничений применимости принципа самоподобия для характеристики видовой структуры сообществ симбионтов требует дальнейшего изучения.
Список литературы
1. Шлегель Г. Общая микробиология. М.: Мир, 2007. 567 с.
2. Иудин Д.И., Гелашвили Д.Б., Розенберг Г.С. Мультифрактальный анализ структуры биотических сообществ // Докл. РАН. 2003. Т. 389. № 2. С. 279282.
3. Гелашвили Д.Б., Иудин Д.И., Розенберг Г.С., Якимов В.Н. Степенной характер накопления видового богатства как проявление фрактальной структу-
ры биоценоза // Журн. общ. биологии. 2007. № 3. С. 170-179.
4. Гелашвили Д.Б., Иудин Д.И., Розенберг Г.С., Якимов В.Н., Солнцев Л.А. Основы муль-тифрактального анализа видовой структуры сообщества // Успехи современной биологии. 2008. № 1. С. 21-34.
5. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т. Пер. с англ. / Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Снита, Дж. Стейли, С. Уилльямса. М.: Мир, 1997. Т. 1. 432 с.
6. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Институт компьютерных исследований, 2002. 656 с.
7. Маргалеф Р. Облик биосферы. М.: Наука, 1992. 254 с.
8. Евтеева Н.И. Биоразнообразие энтеробактерий в природных местообитаниях Нижегородской области. Автореферат дис. ... канд. биол. наук. Н. Новгород: ННГУ им. Н.И. Лобачевского, 2009. 21 с.
SELF-SIMILARITY OF SPECIES RICHNESS OF ENTEROBACTERIAL COMMUNITIES OF SOCIAL INSECTS
А.N. Varichev, A.I. Rechkin, N.I. Evteeva, U.E. Chechetkina, D.B. Gelashvili
The monofractal analysis has been carried out of the species structure of enterobacterial communities inhabiting honeybee (Apis mellifera L.) intestines and various components of anthills (Formica aquilonia and F. protensis). It is shown that the dependence of the accumulation of the number of enterobacterial species on the sample size is described by a power law, which testifies to self-similarity of the species structure of enterobacterial communities of the social insects studied
Keywords: honey bee, anthill, enterobacteria, monofractal.
