Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,006

ACOUSTIC CHARACTERISTICS OF MALARIAL MOSQUITOES COMPLEX ANOPHELES MACULIPENNIS

Perevozkin V.P. 1 Bondarchuk S.S. 1 Ivanitskiy A.E. 1 Petrova N.V. 1
1 Tomsk State Pedagogical University
Researching studied the acoustic characteristics of four representatives of malarial mosquitoes Palaearctic complex «Anopheles maculipennis»: An. messeae, An. beklemishevi, An. maculipenniss.s. and An. atroparvus. It was found that the spectra of fundamental frequencies for males of all species is significantly higher than for females.Species An. atroparvus and An. maculipennis have close acoustics. It can be explained cases interspecific hybridization of these two species in nature previously registered by cytogenetic analysis. Sound spectrum An. messeae and An. beklemishevi significantly different among themselves, and from the first two types. Male An. messeae characterized by the wide range of the main frequency, which is obviously related to the type of inversion polymorphism. The obtained results give us to consider a sound communication in Anopheles mosquitoes as the main beforecopulative mechanism, cause identification sexual partner during mating.
chromosomal inversions
karyo-types
sibling species
sexual behavior
harmonics
sound frequency
acoustics
bloodsucking mosquitoes

Акустические особенности насекомых имеют важнейшее значение при размножении, благодаря чему обеспечивается встреча особей противоположного пола и репродуктивная изоляция близких симпатрических видов [1]. Неослабевающий интерес к звуковой коммуникации комаров объясняется как желанием понять наиболее сложные формы их жизнедеятельности, так и необходимостью управлять поведением и контролировать численность переносчиков опасных трансмиссивных заболеваний.

Малярийные комары рода Anopheles (Diptera, Culicidae) являются объектами постоянного повышенного внимания со стороны биологов и медицинских служб ввиду эпидемиологического значения этих насекомых. В то же время представители данной группы являются прекрасными модельными объектами для генетического и экологического анализа [2, 6].

Цитогенетические исследования малярийных комаров Палеарктики позволили выявить ряд видов-двойников, объединенных в комплекс «Anophelesmaculipennis», для некоторых из которых характерен внутривидовой инверсионно-хромосомный полиморфизм, имеющий адаптивное значение [9]. Несмотря на пристальное внимание к малярийным комарам со стороны специалистов, механизмы звуковой коммуникации этой группы двукрылых изучены недостаточно.

Целью настоящей работы являлось изучение акустических механизмов идентификации и выбора полового партнера у видов-двойников малярийных комаров комплекса «Anophelesmaculipennis».

Материал и методы

Материалом для данной работы послужили комары четырех видов-двойников: An. messeaeFalleroni, An. beklemisheviStegniyandKabanova, An. maculipennisMeigen и An. atroparvusvanThiel. Имаго An. atroparvus использованы из лабораторной линии; имаго остальных видов выведены из потомств от гоноактивных самок, выборки которых были взяты в природных популяциях – An. messeae иAn. beklemishevi в Томской области, An. maculipennis в Белоруссии. Среди использованных потомств An. beklemishevi, An. atroparvus и An. maculipennis оказались цитогенетически мономорфными, а An. messeae – инверсионно полиморфным. Поэтому в последнем случае цитогенетически определяли кариотипы особей из каждого потомства. У выращенных имаго всех четырех видов снимались акустические характеристики. Для этого комаров приклеивали дорсальной стороной груди к препаровальной игле (рис. 1) и помещали в звуковую камеру с микрофоном (рис. 2). Для регистрации акустических сигналов использовался компьютер и соответствующее программное обеспечение.

Безимени-2

Рисунок 1.Фиксация комара перед микрофоном

Рисунок 2.Звуковая камера с микрофоном

Содержание личинок всех видов осуществлялось в одних и тех же условиях и на одной и той же диете. Статистическая обработка результатов исследований проводилась средствами MicrosoftOfficeExcel с анализом «выбросов», проверки дисперсионной однородности и соответствия выборок нормальному распределению.

Результаты и обсуждение

В различных регионах Палеарктики установлена симпатрия представителей малярийных комаров в разнообразных сочетаниях [3, 6]. В связи с этим в процессе эволюции у комаров должны были сформироваться четкие биологические докопуляционные механизмы, обеспечивающие встречу и распознавание особей противоположного пола своего вида для скрещивания. Учитывая то, что скрещивание комаров происходит в полете и не редко в темное время суток [2], первостепенное значение в видовой идентификации, очевидно, имеют акустические сигналы, издаваемые машущими крыльями.

Для комаров Aedesaegypti [8] и Culexquinquefasciatus [10] было показано, что в их звуковом спектре при идентификации и выборе полового партнера определяющее значение имеет не только величина основного тона, но и кратные ей по частоте гармоники. Амплитуды информативных сигналов и низкочастотные помехи в спектре зачастую сопоставимы, в частности, из-за нелинейности усилительной аппаратуры, поэтому в исследованиях была произведена идентификация и верификация значений основной частоты путем раскадровки видеозаписи махов крыльями самцов и самок An. atroparvus, отснятой с помощью скоростной камеры «C100 Centurio» с частотой 1700–2000 кадров в секунду. В результате удалось достоверно сопоставить периодичность биения крыльев значениям их основной звуковой частоты. Основная частота и гармоники определяют индивидуальный тембр жужжания каждого насекомого. При этом установлено, что количество махов крыльями в единицу времени у самцов An. atroparvus значимо больше, чем у самок. Данная закономерность оказалась общей для разных полов всех четырех видов: самки жужжат достоверно «ниже», чем самцы этого же вида (p< 0,05). Очевидно, что различия частоты взмахов крыльями обусловлены, главным образом, разницей размеров и веса тела, геометрией и площадью крыльев.

Межвидовой сравнительный анализ акустики трех представителей Anopheles с учетом полов показал неоднозначные различия в значениях их частот.

У самок An. atroparvus в звуковом спектре выявлены три пика (рис. 3, Female): первый, самой высокой амплитуды – основная частота (среднее значение для выборки f = 293 Гц, число особей n = 72); второй и третий пики – гармоники, или обертоны, кратные значению главного пика (584 и 880 Гц, соответственно).

У самцов An. atroparvus два хорошо выраженных пика (третий слабо отличается от фоновых колебаний) (рис. 3, Male): первый (основная частота), среднее значение для выборки f = 444 Гц (n = 29); второй пик – гармоника – средняя частота 887 Гц. Необходимо подчеркнуть, что анализируемые частоты особей одного пола An. atroparvus статистически совпадают на уровне значимости α = 0,05. Таким образом, средняя основная частота самца выше, чем у самки, на 151 Гц, соответственно различаются и гармоники.

Fig1

Рисунок 3. Типовые спектры звуковых частот самок (Female) и самцов (Male) An. atroparvusи An. maculipennis

Красными пунктирными линиями на диаграммах отмечены пики основных частот

У самок An. maculipennis в звуковом спектре выявлены также три пика (рис. 3, Female): первый (основная частота) – среднее значение для выборки f = 272 Гц; второй и третий (гармоники) – 548 и 820 Гц, соответственно (n = 11). У самцов An. maculipennis так же, как и у An. atroparvus, в звуковом спектре хорошо выражены два пика (рис. 3, Male): первый (основная частота) – среднее значение для выборки f = 448 Гц (n = 15); второй пик (гармоника) – средняя частота 890 Гц. Средняя основная частота самца выше, чем у самки, на 176 Гц, соответственно различаются и гармоники.

Таким образом, An. atroparvus и An. maculipennis имеют близкие акустические характеристики (у самцов они практически совпадают), чем в частности можно объяснять феномен межвидовой гибридизации этих двух видов. Единичные межвидовые гибриды на стадии личинок, отловленные ранее в природных биотопах Молдавии (г. Бельцы) и Калмыкии (г. Элиста), были выявлены посредством цитогенетического анализа [3, 7].

Обнаружение природных гибридов An. atroparvus × An. maculipennis является уникальным к настоящему времени событием среди всех видов комплекса «Anophelesmaculipennis». Данный феномен также подтверждается результатами скрещивания видов в лабораторных условиях, как путем свободной копуляции в садках, так и методом принудительной копуляции [6].

Лабораторная гибридизация An. atroparvus × An. maculipennis показала полную стерильность самцов F1 и некоторую фертильность самок F1. Последние, будучи способными к скрещиванию с самцами An. atroparvus, совершенно не развивали яиц. Очевидно, репродуктивная изоляция между An. atroparvus и An. maculipennis, четко проявляющаяся на уровне стерильности гибридов, не подкрепляется поведенческой изоляцией. Можно сделать вывод, что абсолютных этологических барьеров при скрещивании между этими видами не существует, что хорошо соотносится с полученными характеристиками их звуковых частот.

Акустические параметры третьего изученного вида – An. messeae – значимо отличаются от таковых первой описанной пары. Во-первых, учитываемые частоты An. messeae достоверно ниже, чем у An. atroparvus и An. maculipennis. Во-вторых, для самцов An. messeae установлены два типовых варианта пиков в спектре частот. В первом варианте, в отличие от An. atroparvus и An. maculipennis, наблюдаются три выраженных одинарных пика, так же как и у самок (рис. 4а и 4б). Во втором варианте для самцов с определенными кариотипами характерны парные («пакетные») пики обертонов (рис. 4в). Следует подчеркнуть, что гибриды от скрещивания An. messeae с An. atroparvus или с An. maculipennis в природе не обнаружены.

В-третьих, диапазон главных частот, прежде всего у самцов An. messeae, оказался гораздо разнообразнее, чем у других исследованных видов, что, очевидно, связанно с внутривидовым инверсионным полиморфизмом этого представителя. Перестройки затрагивают как половую хромосому (XL), так и плечи двух аутосом (2R, 3R, 3L) [9].

В юго-западных регионах Палеарктики преимущественно встречаются эволюционно исходные варианты – XL0 (XL1), 2R0, 3R0, 3L0; в северо-восточных – XL1, XL2, 2R1, 3R1, 3L1. В центре ареала An. messeae популяции характеризуются смешенным составом инверсий, хотя их определенные сочетания в кариотипах регистрируются значимо чаще, чем это ожидалось исходя из частот отдельных перестроек [4, 6]. В соответствие с этим было сделано предположение, что в полиморфных гемипопуляциях имаго An. messeae имеет место ассортативное скрещивание (предпочтительное спаривание генетически сходных особей).

Статистический анализ по критерию Стьюдента не выявил значимых различий по всем частотным пикам у самок с различными кариотипами (основная частота от 211 до 225 Гц).

Fig2

Рисунок 4. Типовые акустические спектры самки и самцов An. messeae

В то же время у самцов достоверные различия наблюдаются практически между всеми выделенными вариантами, особенно между имаго с кариотипами, распространенными или доминирующими в разных частях ареала (для «юго-западных» форм основная частота 261‑301 Гц, для «северо-восточных» – 326-363 Гц). Следует подчеркнуть, что эффекты ассоциативного взаимодействия инверсий в кариотипах наиболее выражено проявляются именно у самцов [6].

Известно, что самцы Anopheles в вечернее время собираются в рои, чтобы усилить звучание для привлечения самок [2]. Остается открытым вопрос, каким образом происходит окончательная идентификация самкой полового партнера, так как кариотипическая структура роев до сих пор не изучалась.

Возможны два варианта: либо рой преимущественно состоит из самцов с определенными кариотипами, и самка удаленно его идентифицирует; либо рой представляет собой полиморфную гемипопуляцию самцов, и тогда выбор самкой полового партнера осуществляется уже внутри роя.

Акустические характеристики имаго An. messeae указывают на то, что комары с более высокой частотой жужжания обитают в северных частях ареала, и, наоборот, «южные» формы характеризуются относительно низкими показателями. Можно предположить, что имаго, распространенные на севере ареала с коротким летом, имеют большие размеры, что позволяет откладывать самкам больше яиц и быстро наращивать численность популяций. «Южные» комары имеют меньшие размеры и плодовитость. В таком случае более крупные «северные» особи в полете должны более интенсивно махать крыльями (при равенстве других параметров), и, как следствие, иметь более высокие значения звуковых частот.

Особняком в комплексе «Anophelesmaculipennis» позиционируется вид An. beklemishevi: он имеет наиболее отдаленное родство с остальными видами и, очевидно, другой путь проникновения в Палеарктику из Северной Америки [6]. Данный представитель распространен по северной таежной части Евразии и является викарирующим с An. maculipennis в Европе и симпатриантом с An. mеsseae преимущественно в северной части ареала последнего [5]. Для An. beklemishevi установлены следующие акустические характеристики: средняя основная частота у самок – 253 Гц (и кратные ей 2 гармоники), у самцов – 269 Гц (и кратные ей 2 гармоники, как у An. messeae). Таким образом, вид отличается по своим частотам от всех остальных Anopheles. Обращает на себя внимание самое минимальное различие частот между полами (отношение средних частот самец/самка всего 1,06, тогда как у других: An. maculipennis – 1,51; An. mеsseae – 1,55; An. atroparvus – 1,52). Интересно также отметить, что наибольшие отличия по звуковым частотам An. beklemishevi проявляет по отношению к «северным» кариотипическим формам An. mеsseae, с которыми в большей степени совместно обитают. И наоборот, имаго An. messeae с наборами инверсий, распространенных на юго-западе ареала, наибольшим образом отличаются по акустике от других европейских изученных видов – An. atroparvus и An. maculipennis, что логичнее всего объяснить симпатрией An. messeae с этими видами именно на юго-западе Палеарктики.

Таким образом, полученные результаты акустических характеристик близкородственных видов малярийных комаров позволяют рассматривать их звуковую коммуникацию как основной механизм для видовой и внутривидовой идентификации полового партнера при спаривании.

Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках базовой части государственного задания № 2014/387/1029.

Рецензенты:

Степанов В.А., д.б.н., профессор, заместитель директора института по научно-исследовательской работе, руководитель лаборатории эволюционной генетики ФГБНУ «Научно-исследовательский институт медицинской генетики», г. Томск;

Сибатаев А.К., д.б.н., старший научный сотрудник лаборатории эволюционной цитогенетики НИИ биологии и биофизики при ТГУ (НИИББ), г. Томск.