CC BY
65
ВЕСТНИК ТОМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
№ 349 Август 2011
БИОЛОГИЯ
УДК 576.895
В.П. Перевозкин, С.Ю. Семёнов, В.С. Галкин, А.К. Сибатаев
ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ РАСТВОРЕННОГО В ВОДЕ КИСЛОРОДА НА ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ РАЗЛИЧНЫХ СТАДИЙ РАЗВИТИЯ МАЛЯРИЙНОГО КОМАРА ANOPHELES ATROPARVUS (DIPTERA, CULICIDAE)
Приведены результаты экспериментального исследования устойчивости к асфиксии преимагинальных стадий развития малярийных комаров Anopheles atroparvus Van Thiel, 1927 в зависимости от концентрации растворенного кислорода в воде в разных температурных режимах. Установлено, что в условиях отсутствия доступа к атмосферному воздуху продолжительность жизни личинок и куколок увеличивается при увеличении концентрации растворенного кислорода в воде. В то же время в обескислороженной воде особи младших возрастов гибнут быстрее, чем особи старших возрастов, и, наоборот, в насыщенной кислородом воде личинки младших возрастов отличаются относительно высокой жизнеспособностью в сравнении с особями старших возрастов. Показано для всех преимагинальных стадий развития, что скорость гибели особей закономерно увеличивается при повышении температуры воды от 15 до 30°С.
Ключевые слова: Anopheles atroparvus; стадии развития; регуляция численности; асфиксия.
Ущерб, наносимый кровососущими насекомыми здоровью и трудоспособности людей, огромен. Комары рода Anopheles (Diptera, Culicidae) способны переносить ряд возбудителей трансмиссивных болезней, наиболее опасной и распространенной из которых является малярия. В настоящее время на Земле около 2 млрд человек живут в эпидемиологически опасных зонах, а смертность их исчисляется миллионами в год [1, 2].
В связи с этим малярийные комары являются объектами постоянного повышенного внимания со стороны биологов, медиков и служб эпидемнадзора. Следует подчеркнуть, что высокая генетическая вариабельность и мутационный процесс обеспечивают быстрое возникновение форм комаров, устойчивых к применяемым инсектицидам, что обостряет проблему полной ликвидации очагов малярии и ставит задачу разработки принципиально новых методов борьбы с Anopheles.
Среди известных в настоящее время способов уничтожения комаров на преимагинальных стадиях развития следует особо отметить подходы, основанные на создании условий кислородного голодания личинок и куколок с последующей их гибелью от асфиксии [3], устойчивость к которой теоретически выработаться не может. В то же время без выяснения особенностей физиологии насекомых, способствующих поддержанию их жизнеспособности в условиях недостатка кислорода, невозможно адекватно применять соответствующие методы истребления данных кровососов.
Целью настоящей работы являлось изучение устойчивости к асфиксии у преимагинальных стадий развития малярийных комаров Anopheles atroparvus в зависимости от концентрации растворенного кислорода в воде в разных температурных режимах.
Материалы и методики исследования
Объектом для исследования послужили личинки I-
IV возрастов и куколки Anopheles atroparvus из лабораторной линии. Опыты проводились в камеральных условиях.
В эксперименте использовались пластиковые прозрачные флаконы объемом 27 мл. В каждом опыте во
флакон при помощи медицинской груши помещались
10 личинок определенного возраста или куколок комаров. Сосуды наполнялись до краев отстоянной водопроводной водой и закрывались крышками таким образом, чтобы не оставалось видимых пузырьков воздуха и не было доступа атмосферного воздуха внутрь.
В опытах, помимо температурного режима (15, 23, 30°С), задавалась определенная концентрация кислорода в воде: 1) отсутствие кислорода (достигалось добавлением в воду расчетного количества Na2SO3); 2) насыщенная кислородом до 7-8 мг/л вода (насыщение происходило путем контакта воды в сосуде с атмосферным воздухом). Таким образом, всего было поставлено 30 вариантов опытов. В ходе эксперимента регистрировалось время от начала опыта до гибели последней особи в емкости. Повторность вариантов опыта - от двух до четырех. Количество повторностей увеличивали до трех-четырех в случае получения разницы в результатах первой и второй повторностей более чем на 10% или высокой степени неточности в определении времени гибели. В таблице приведены максимальные продолжительности жизни личинок по всем повторностям опыта. Температура воды 15 и 23оС устанавливалась путем содержания ее в сосудах в двух лабораториях, имеющих соответствующие постоянные режимы; для поддержания 30оС воды флаконы помещали в термостат ТС 1-20. Концентрацию растворенного в воде кислорода определяли с помощью электрода Кларка (оксиметр HI 9143, Германия).
Статистический анализ проводился с использованием программы Microsoft Excel. Определялись коэффициенты корреляции и пропорциональности (параметр линейного приближения по методу наименьших квадратов) времени жизни объектов исследования и температуры среды.
Результаты исследования и обсуждение
Дыхание личинок Anopheles осуществляется с помощью трахейной системы открытого типа. От задней пары дыхалец по спинной стороне тела проходят два главных трахейных ствола, достигающих переднего отдела
груди. Главные стволы разветвляются в каждом сегменте. Самые мелкие разветвления - трахеолы - имеют диаметр 1-2 мкм и заканчиваются на поверхности клеточных мембран. Густое сплетение трахеол располагается позади последней камеры спинного сосуда и снабжает кислородом клетки гемолимфы - гемоциты. Как известно, гемолимфа принимает лишь косвенное участие в процессе дыхания, поскольку дыхательные пигменты, подобные гемоглобину, у насекомых отсутствуют [4, 5].
Каких-либо специальных дыхательных движений в трахеях не наблюдается. Дыхание совершается путем диффузии кислорода из атмосферы или воды в трахеи благодаря разнице в его парциальном давлении. Атмосферный воздух поступает в трахеи через пару дыхалец, расположенных на последнем сегменте брюшка. Дыхальца окружены замыкательным аппаратом, образующим стигмальную пластинку. Личинки комаров, не обеспокоенные никакими внешними воздействиями, находятся на поверхности воды в горизонтальном положении. Они прикрепляются к поверхностной пленке с помощью раскрытой стигмальной пластинки, а также при помощи плечевых клапанов и звездчатых волосков [4].
У куколок комаров органами захвата воздуха являются дыхательные рожки. Они имеют форму воронок и расположены на дорсальной стороне головогруди. Полость рожков перегорожена разветвленными фильтрующими волосками и открывается одним концом наружу, а другим - в полость трахейного ствола. У куколок Anopheles фильтрующие волоски развиты относительно слабо, но наружное отверстие органа затянуто тонкой кутикулярной мембраной, через которую происходит диффузия воздуха [6, 7].
Типичной реакцией особей преимагинальных стадий развития на вспугивание является резкий нырок вглубь воды, иногда на десятки сантиметров [5].
У личинок при нырке дыхальца закрываются лопастями стигмальной пластинки. Однако замыкание никогда не бывает полным. Между передней и боковыми лопастями образуется воздушная полость. Вода не может попасть в дыхальца и вытеснить оттуда воздух из-за несмачиваемости стигмальной пластинки, которая периодически смазывается секретом слюнных желез. Можно часто наблюдать, как изогнувшаяся личинка обрабатывает стигмальную пластинку лопастями верхней губы [4]. Подобное устройство замыкательного аппарата, а также способность использовать для дыхания растворенный в воде кислород через покровы и жабры позволяют личинкам ограниченное время находиться в воде. Куколки также способны активно нырять и перемещаться в толще воды. В то же время продолжительное удерживание личинок и куколок под водой приводит к гибели их от асфиксии.
Результаты опытов показали различную скорость гибели преимагинальных стадий развития комаров в условиях недостатка кислорода в воде (таблица). Данные, представленные в таблице, свидетельствуют, что повышение температуры воды снижает время выживания личинок и куколок, причем эта закономерность проявилась в обеих сериях опытов независимо от насыщенности воды кислородом. При отсутствии кислорода в воде коэффициент корреляции для всех стадий оказался не ниже 0,979 (см. таблицу); при насыщенной кислородом воде - не ниже 0,902, что, согласно шкале Чеддока, соответствует качественной характеристике силы связи «весьма высокая». Это свидетельствует о том, что, как и у всех типичных пойкилотермных организмов, процессы метаболизма у личинок и куколок комаров прямо зависят от температуры среды, в данном случае воды.
Летальное время преимагинальных стадий развития Anopheles atroparvus в зависимости от температуры и концентрации кислорода в воде
Преимагинальные стадии Концентрация растворенного кислорода в воде, мг/л Температура воды, °С Коэффициент корреляции
15 23 30
Личинки I возраста 0 21 мин 14 мин 10 мин 0,99308
7-8 4200 мин 3420 мин 2700 мин 0,99988
Личинки II возраста 0 55 мин 30 мин 14 мин 0,99617
7-8 4560 мин 2640 мин 1980 мин 0,9722
Личинки III возраста 0 71 мин 31 мин 15 мин 0,97925
7-8 5820 мин 2760 мин 565 мин 0,99842
Личинки IV возраста 0 93 мин 50 мин 19 мин 0,99849
7-8 1620 мин 120 мин 48 мин 0,9028
Куколки 0 131 мин 71 мин 21 мин 0,9999
7-8 199 мин 80 мин 38 мин 0,97345
В то же время в опытах показано, что в насыщенной кислородом воде (7-8 мг/л) все преимагинальные стадии более длительное время сохраняли жизнеспособность при соответствующих температурных режимах, чем в условиях отсутствия О2. Особенно выраженно это проявилось у личинок младших возрастов. Для особей I возраста ЬТ100 в насыщенной кислородом воде более чем в 200 раз превышало этот показатель в воде с отсутствием кислорода; для особей II возраста - не менее чем в 80 раз. Наименьшие различия зарегистрированы для куколок (см. таблицу). Таким образом, личинки за счет жаберного и покровного дыхания, а куколки только за счет покровного дыхания в толще воды
способны длительное время сохранять жизнеспособность в условиях изоляции от атмосферного кислорода.
В отношении скорости гибели преимагинальных стадий развития в двух сериях эксперимента при альтернативных концентрациях кислорода зафиксированы две противоположные тенденции. При полном отсутствии кислорода в воде во всех трех заданных режимах температур наблюдалось близкое к линейному возрастание устойчивости особей к асфиксии от I возраста к куколкам (рис. 1).
В насыщенной кислородом воде при начальной концентрации кислорода 7-8 мг/л, наоборот, личинки младших возрастов отличались повышенной жизне-
способностью в сравнении с особями старших возрастов. Такая четкая зависимость установлена для двух температурных режимов: 23 и 30°С. Отклонение от прямо пропорционального изменения показателей
жизнеспособности по возрастам отмечено только в серии опытов при температуре 15°С, когда наибольшую жизнеспособность проявили личинки III и
II возрастов (рис. 2).
0 мг/л
И 2
I II III IV К
Стадии развития
Рис. 1. Коэффициент пропорциональности (Кп) времени жизни и температуры среды для разных стадий развития Anopheles atroparvus при отсутствии кислорода в воде. I, II, III, IV - возрасты личинок, К - куколки. Пунктиром обозначена линия тренда
7-8 мг/л
400
350
300
250
200
150
100
50
0
I
11 N 11 _
IV
Стадии развития
Рис. 2. Коэффициент пропорциональности (Кп) времени жизни и температуры среды для разных стадий развития Anopheles atroparvus при концентрации кислорода в воде 7-8 мг/л.
I, II, III, IV - возрасты личинок, К - куколки
Однако при таких параметрах среды отдельные личинки II и III стадий развития оставались живыми в сосудах более 3-4 сут (см. таблицу), при этом соответствующие коэффициенты пропорциональности на два порядка выше, чем в первой серии экспериментов при полном отсутствии кислорода в воде. В таком случае жизнеспособность особей могла определяться другими индивидуальными особенностями их физиологии, которые проявились при длительном прохождении эксперимента. Очевидно, этот вопрос требует дополнительного изучения. В то же время закономерной остается тенденция повышенной жизнеспособности особей младших возрастов по отношению к последним преимагинальным стадиям развития комаров в насыщенной кислородом
воде. Можно предположить, что хотя покровное дыхание у личинок старших возрастов обеспечивает меньшую часть потребности в кислороде, в их трахеях и стигмальном аппарате запасается больше воздуха.
Таким образом, при проведении мероприятий по уничтожению преимагинальных стадий развития комаров с помощью методов, вызывающих у них асфиксию, необходимо учитывать температуру и насыщенность кислородом воды, а также возрастную структуру популяций насекомых. Уничтожение личинок комаров по способу, описанному в [3], при низкой температуре воды и высокой доле личинок младших возрастов потребует, по-видимому, нескольких последовательных обработок водоема.
ЛИТЕРАТУРА
1. Онищенко Г.Г. Об эпидемической ситуации и заболеваемости природноочаговыми инфекциями в Российской Федерации и мерах по их про-
филактике // ЖМЭИ. 2001. № 3. С. 22-28.
2. Литвин В.Ю., Коренберг Э.И. Природная очаговость болезней: развитие концепции к исходу века // Природная очаговость болезней: иссле-
дования института Гамалеи РАМН / Под ред. Э.И. Коренберга. М., 2003. 254 с.
3. Пат. 2370952 С1 РФ, А01М 1\20 (2006.01). Способ уничтожения личинок комаров / С.Ю. Семенов, А.К. Сибатаев, В.П. Перевозкин; Заяви-
тель и патентообладатель ГОУВПО Томский государственный университет. 2008133300/12, заявл. 13.08.2008, опубл. 27.10.2009.
4. Мончадский А.С. Личинки кровососущих комаров СССР и сопредельных стран (подсем. Culicinae). М.: Изд-во АН СССР, 1951. 290 с.
5. Ясюкевич В.В., Расницын С.П. Роль обскребывания субстрата в питании личинок малярийных комаров // Медицинская паразитология и
паразитарные болезни. 1989. № 1. С. 19-22.
6. Шванвич Б.Н. Курс общей энтомологии. М.: Советская наука, 1949. 900 с.
7. Захваткин Ю.А. Курс общей энтомологии. М.: Колос, 2001. 376 с.
Статья представлена научной редакцией «Биология» 14 марта 2011 г.
