Кубанский государственный технологический университет

Хищные насекомые помогают растениям добывать азот

20-02-2012
Схема строения бромелии. Горизонтальными черточками показан уровень воды, скопившейся в пазухах листьев. В этих скоплениях и развивается целое сообщество мелких беспозвоночных, живущих за счет попадающих извне растительных остатков — детрита. Детрит — не только корм для беспозвоночных, но и важный источник азота для самих растений. Изображение с сайта www.zoology.

ubc.ca

В основании листьев бромелий — эпифитных растений влажного тропического леса — образуются скопления дождевой воды, в которых развиваются целые сообщества мелких беспозвоночных. Живут они за счет детрита — отмирающих растительных остатков, падающих сверху. После переработки животными детрит достается бактериям, которые завершают разложение органического вещества. За счет этого в воду поступают столь необходимые эпифитам азот и фосфор, причем в минеральной, доступной для использования растениями, форме. Изучая азотное питание бромелий, исследователи недавно с удивлением обнаружили, что оно значительно улучшается, если в удерживаемых листьями скоплениях воды обитают хищные личинки стрекоз. Дело в том, что, поедая «мирных» (питающихся детритом) личинок насекомых, хищники не дают им завершить личиночное развитие и вылететь наружу, унося с собой дефицитные химические элементы. Соответственно, бактериям, разлагающим органику, достается больше пищи, а в воду попадает больше азота и фосфора, столь нужного растениям.

Эпифитные бромелии рода Guzmania, растущие на деревьях в тропическом лесу. Фото с сайта www.digitaltree.com

Бромелиевые — удивительные травянистые растения класса однодольных. Произрастают они в Южной и Центральной Америке, где встречаются в самых разных биотопах — от пустынь до влажных тропических лесов. Многие бромелиевые используются как декоративные растения, а один представитель этого семейства имеет вкусные плоды. Это всем известный ананас. Среди бромелиевых влажных тропических лесов много эпифитов, поселяющихся на стволах деревьев. Подобно многим другим растениям, ведущим такой образ жизни, эпифитные бромелии сталкиваются с непростой проблемой обеспечения себя элементами минерального питания. Ведь они лишены настоящей почвы, а из воздуха можно получить необходимую влагу и углерод (в виде СО2), но не азот и фосфор.

И тем не менее в процессе эволюции этой группы выход из положения был найден. У бромелиевых в основании листьев, образующих мощную розетку, имеются полости (их порой называют «цистернами»), в которых скапливается дождевая вода и в которые попадает всякий падающий сверху мусор — прежде всего растительные остатки. В «цистернах» обитают бактерии, простейшие, коловратки, личинки разных насекомых и даже лягушки. Фактически, это целые экосистемы, существующие за счет детрита (отмирающих растительных остатков). Детрит потребляется животными-детритофагами, например личинками некусающихся комаров-хирономид (к хирономидам относится известный многим мотыль), а детритофаги служат пищей хищникам — личинкам небольших стрекоз.

Личинки насекомых, развивающиеся в скоплениях воды в листьях бромелий. Слева направо: хищная личинка стрекозы Mecistogaster modesta, личинки мух семейства типулид, личинки мух (некусающихся комаров) хирономид, личинки жуков трясинников. Кроме личинок стрекоз, все остальные животные — детритофаги, потребляющие гниющие остатки растений. Фото с сайта www.zoology.

ubc.ca

И детриофаги, и хищники способствуют разложению органического вещества детрита и облегчают деятельность бактерий, завершающих этот процесс. При этом в воду попадают минеральные вещества (азот и фосфор), столь необходимые растению, являющуюся обладателем «цистерны» (по сути «водоема»), где вся эта экосистема существует. Чтобы потреблять элементы минерального питания из «цистерн», у бромелиевых имеются придаточные корни или специальные чешуи.

Интересные подробности о том, как на минеральное питание бромелий влияют беспозвоночные, обитающие в их «цистернах», выяснили недавно исследователи c Кафедры зоологии Университета Британской Колумбии (Канада). Работу проводили на растениях из родов Vriesea и Guzmania в заказнике Гуанакасте (Guanacaste) в Коста-Рике. (Фотографии растений, животных и самих исследователей можно найти на их сайте.)

Рабочий момент. Исследователь берет пробу из скопления воды в пазухах бромелии. Фото с сайта www.zoology.

ubc.ca

Предварительные исследования с добавлением разных удобрений показали, что именно азот, а не фосфор, является основным элементом, лимитирующим рост бромелий. Чтобы проследить путь азота по экосистеме «цистерны», а оттуда — в растение, был приготовлен детрит (из совсем других растений), специально помеченный стабильным изотопом 15N. Выяснилось, что бромелии действительно потребляют азот из «цистерн», но только там, где есть насекомые-детритофаги. Удивительно то, что существенно больше азота бромелии получали из детрита в тех случаях, когда в составе сообществ беспозвоночных, населяющих их «цистерны», присутствовали хищники — личинки стрекоз Mecistogaster modesta.

Механизм казалось бы неожиданного воздействия хищников следующий. Там, где хищников нет, личинки насекомых, питающиеся детритом, успешно заканчивают свое развитие, окукливаются, а из куколок вылупляются и вылетают взрослые особи. В результате этого из экосистемы «экспортируется» и тот дефицитный азот, который вошел в состав тела насекомых. При наличии хищников, съедающих личинок «мирных» насекомых до того, как они закончат свое развитие, это вещество остается в экосистеме, переходит в фекалии самих хищников, а затем разлагается бактериями, которые и осуществляют возврат минерального азота в воду.

Конечно, успешно завершившая свой метаморфоз личинка стрекозы также покинет «водоем» и, соответственно, унесет некоторое количество дефицитного элемента, но это произойдет существенно позже, а до того значительная часть азота будет успешно возвращаться в воду и становиться доступной для использования растением.

Источник: Jacqueline T. Ngai, Diane S. Srivastava. Predators accelerate nutrient cycling in a bromeliad ecosystem // Science. 2006. V.  314. № 5801. P. 963.

Алексей Гиляров

‹‹