Главная » Хабрахабр » Маленькие создания, большие деяния: роль листорезов в парниковом эффекте неотропики

Маленькие создания, большие деяния: роль листорезов в парниковом эффекте неотропики

Если вы подумали про пчел, то вы правы, но сегодня не о них. Какое существо частенько ассоциируется в культуре человека с трудолюбием, выносливостью, коллективностью и даже ответственностью? С чего это мы вдруг решили поговорить о каких-то насекомых? Сегодня мы поговорим о муравьях, и не о «простых», а о листорезах. Не спешите с выводами, ибо эти маленькие трудоголики, усердно работающие на благо колонии (без внутривенного впрыскивания кофе) практически без отдыха, играют далеко не последнюю роль в формировании целой экосистемы. Разве нет чего-то важнее. Вот что значит — маленький, да удаленький.

Таким образом листорезы играют одну из центральных ролей в механизме парникового эффекта неотропики. Конкретнее говоря, листорезы, как выяснили ученые, вырабатывают N2O (оксид азота), объем которого на три порядка превышает вырабатываемый резервуаром для очистки сточных вод. Ответы мы найдем в докладе исследовательской группы. Как ученые проводили замеры, что конкретно им удалось выяснить, и что они предлагают делать с муравьями-листорезами? Поехали.

Немного мирмекологии

Их колонии это один большой живой механизм, работающий практически без сбоев. Муравьи считаются одними из самых развитых семейств среди насекомых. На данный момент насчитывается, на секундочку, порядка 14000 видов муравьев, большая часть которых обитает в тропических регионах.

Вы наверняка видели их как минимум в какой-нибудь документалке про Южную Америку. Героями же сегодняшнего исследования является не все семейство, а определенные виды муравьев: Atta и Acromyrmex, которые более известны под общим именем листорезы. Листорезы буквально отрезают кусочки листьев с помощью своих мощных верхних челюстей (мандибулы/жвалы) и переносят их к себе в колонию. Название сего вида достаточно прямо говорит об их основных особенностях, по крайней мере тех, что сразу видны наблюдателю. Да, эти маленькие трудяги — отличные фермеры. Но они не питаются непосредственно листвой, она нужна им для сельского хозяйства.

Более крупные рабочие муравьи занимаются сбором листвы, а более мелкие — ее пережевыванием и созданием компоста. В глубинах своей колонии листорезы разбивают грибковые сады, которые подпитывают, то бишь удобряют пережеванной листвой.

Небольшой ролик о листорезах.

Эти муравьи «оснащены» железой, вырабатывающей секрет необходимый для существования бактерии Streptomyces. Также стоит отметить необычную особенность одного из исследуемых видов, Acromyrmex. Данная бактерия нужна муравьям как «вакцина» от пагубного воздействия грибов Escovopsis, которые являются некой формой сорняков-паразитов на ферме грибов в муравейнике.


Невероятно красочная Streptomyces coelicolor.

Если точнее, то исследователи проанализировали отходы листорезов для выявления ранее неизвестных путей переработки N, которая приводит к выделению большого объема N2O в атмосферу, что является частью парниковых газов. Особенности фермерства листорезов и рассматриваются в данном исследовании. Отходы были проанализированы с точки зрения химического и микробного состава.

Подготовка к наблюдениям

Главной особенностью данного региона является смешанность леса: одна часть (первичная) это нетронутые человеком леса, а вторая (вторичная) — вновь выросшие заросли на месте пастбищ 50-летней давности. Образцы для исследования были собраны в тропических лесах Коста Рики (точная локация именуется Piro Biological Station). Среднегодовая температура составляет примерно 26 °C, а средний показатель осадков достигает 3400 мм. Высота над уровнем моря варьируется от 0 до 100 метров. Погодные условия в течение года меняются от сухого сезона (январь — март) до дождливого с пиком в сентябре и октябре.


Изображение №1

Ученые записали координаты всех точек сбора образцов для дальнейшего анализа распространения газов по территории вокруг колоний. Образцы были взяты из 22 колоний муравьев вида Atta colombica, которые были расположены на территории в 4 км2, затрагивающей как первичную зону, так и вторичную зону леса. Это было сделано за 10 минут до взятия образов. Также были проведены замеры области колоний и «свалок» отходов, в которые на глубину 3 см было помещено несколько труб (22 см в диаметре), закрытых сверху вентилируемыми ПВХ крышками. Таким образом можно было понять скорость выработки отходов. В дальнейшем измерялась глубина, на которой спустя определенный тестовый период оказывались трубы.

Каждые 10 минут в течение получаса собирались образцы и помещались в предварительно вакуумированные колбы объемом 10 мл.

Для этого использовался газовый хроматограф с метанатором, электронно-захватным детектором и пламенно-ионизационным детектором. Образцы подвергались газовому анализу на наличие N2O, CO2 и CH4.

Образцы (отходы и почва) находились при температуре 48 °C в течение 3 дней и анализировались для определения потенциальной активности фермента денитрификации.

Денитрификация* — восстановление нитратов до нитритов, а потом и до газообразных оксидов и молекулярного азота.

Образцы из 10 зон забора были объединены в один, который был разделен на аликвоты. Далее, влечение 90 минут их инкубировали с или без добавления образца с поверхности мусорных куч.

Аликвота* — точно измеренная кратная доля образца.

Для определения микробной биомассы образцы по 8 грамм изымались за 1 час до и 3 дня спустя процесса фумигации хлороформом. Во время анализа особое внимание уделялось наличию в образцах органического углерода и азота, в чем помог анализатор Shimadzu TOC-V CPN / TNM-1.

Результаты наблюдений


Изображение №2

Эти измерения отлично соотносятся с наблюдениями в реальной экосистеме, то есть в природе. Выбросы N2O из мусорных куч муравьев Atta colombica очень сильно варьировались: от 180 мг N2O-N m-2h-1 до 89000 мг N2O-N m-2h-1 (). Таким образом среднее значение вырабатываемого газа составляет 11200 мг N2O-N m-2h-1.

m-2h-1* — на квадратный метр в час.

На графике 2b показано сравнение выработки N2O мусорных куч листорезов и антропогенных структур (спроектированных или поддерживаемых человеком): анаэробные лагуны, постройки очистки сточных вод и т.д. И как показывает это сравнение, листорезы с задачей по выработке N2O справляются значительно лучше.

Когда выбросы мусорных куч достигли своего пика в июне 2017 года в начале сезона дождей, объем N2O из соседней колонии заметно не отличался от окружающих лесов (первичного и вторичного) и составлял порядка 67 мг (изображения 1b и ). Объем вырабатываемого мусорными кучами газа сильно отличается от того, что ученые наблюдали в первичном и вторичном лесу. Объем N2O, вырабатываемого самим лесом, окружающим колонии муравьев, составил 11 мг N2O-N m-2h-1, среднегодичный показатель так и вообще был всего лишь 2 мг.

Следовательно, структура мусорных куч муравьев должна обладать некими особенностями, увеличивающими выработку N2O. Исследователи отмечают, что важнейшими микробными процессами в производстве закиси азота являются нитрификация и денитрификация, которые очень чувствительны к парциальному давлению кислорода и подаче субстрата.


Изображение №3

5+1 (3f, 3e). И такая особенность была обнаружена, а именно повышенная концентрация N и сниженное соотношение C:N (углерода и азота) в мусоре, попадающем на свалку, — 13. Стоит сравнить это с соотношением C:N в тканях зеленой листвы (21+5) и опавшей листвы (32–42).

Анализ данных показал, что концентрация азота в мусорных кучах в 5 раз выше, чем в подстилке окружающего леса. И тут обычная логика помогает немного приблизиться к разгадке: листва покрывает поверхность земли в лесу достаточно равномерно, в то время как муравьи стаскивают ее в одну небольшую зону, тем самым повышая концентрацию органических отходов. При этом невероятно высокая концентрация NH4 (в 500 раз выше) и очень низкая концентрация NO3- (3g, 3h) в совокупности с признаками аноксии являются факторами денитрификации, а не нитрификации, как основного механизма выработки N2O.

01 до 250 мг CH4-C m-1 h-1. Аноксия, то есть отсутствие кислорода, подтверждается еще и высокой концентрацией метана (CH4) — от 0. Это говорит о том, что окислительно-восстановительные потенциалы мусорных куч могут сильно снизиться. Учитывая, что метаногенез при показателе рН 5,5, в точь как в мусорных кучах, значительно менее эффективен, чем денитрификация. Сравнив потенциальную активность фермента денитрификации в мусорных кучах и в окружающей лесной подстилке, ученые обнаружили, что в кучах этот показатель в 25 раз выше (3d).

Единственно, что остается не до конца ясным это разница в объеме вырабатываемого N2O между разными мусорными кучами. Таким образом можно сделать вывод, что мусорные кучи листорезов являются очень слаженным «механизмом» выработки CO2, CH4 и закиси азота, ввиду наличия определенных факторов: большого объема микробной биомассы, доступности субстрата, идеальных абиотических условий и т.д. Ученые считают, что разница в показателе N2O может зависеть от более внутренних факторов, так сказать от индивидуальности структуры мусорных куч: микроклимат, влияние других живых организмов, качество корма, изменения микробной биомассы, состояние колонии (особей) и т.д. Другими словами, вышеперечисленные факторы для разных мусорных свалок практически идентичны.


Изображение №4

Совокупность этих данных дает возможность понять насколько в глобальном масштабе выработка листорезами N2O влияет на атмосферу и экосистему неотропики. Далее исследователи собрали воедино следующие показатели: объем вырабатываемого листорезами N2O, площадь мусорных куч, плотность мусорных куч как в первичном, вторичном лесах, так и в пограничных зонах.

На квадратный гектар в год мусорные кучи листорезов при среднем показателе плотности в 1. А теперь самое интересное. 01–0. 2 на гектар вырабатывают порядка 0. А это 200% выработки N2O подстилкой самого леса (первичного). 35 кг N2O-N.

Однако в мусорных кучах листорезов температура остается достаточно стабильной на протяжении всего года. Исследователи отмечают, что в природе периодически возникают скачки выработки N2O, связанные с резкими изменениями экосистемы (погодные условия, например). А очень частые дожди дополнительно поставляют в мусорные кучи обогащенную азотом влажную органическую массу, что способствует выработке большого объема N2O.

Перебираясь на новое место, муравьи оставляют как колонию, так и мусорную свалку, которая разлагается в течение 1 года. Также большую роль играет и «миграция» колоний листорезов по территории леса. А это наталкивает на мысли, что даже заброшенные мусорные кучи продолжают генерировать N2O, уже без участия своих бывших хозяев-муравьев. Однако даже после этого в почве сохраняется повышенная концентрация азота.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования настоятельно рекомендую заглянуть в доклад исследовательской группы и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Мусорные свалки листорезов являются уникальными структурами, обладающими необычными химическими характеристиками, которые в совокупности способствуют массивной выработке N2O. Основным умозаключением сего исследования является факт того, что жизнедеятельность листорезов играет значительную роль в формировании экосистемы целого региона.

Все в природе взаимосвязано. Своим трудом ученые лишний раз доказывают насколько бывает сильно влияние маленьких организмов на окружающую среду. Что ж, благодаря этому исследованию мы знаем о нашем большом и загадочном мире чуть больше. Но порой мы не до конца понимаем как и где эта связь проявляется и на что она влияет.

И, конечно же, пятничный оффтоп:

Документальный фильм «Аттенборо и Империя Муравьев» (BBC, 2018 год). Ведущий программы — Дэвид Аттенборо, чей голос наверняка многим из вас знаком по множеству других документальных фильмах о флоре и фауне.

Оффтоп Оффтопович или «оффтоп 2.0»:

«Путешествие муравья» (Союзмультфильм, 1983 год). Один из самых любимых отечественных мультфильмов детства, который очень быстро разобрали на цитаты (вроде «Нахал!», «-Так ты же козявка. -От козявки слышу!» или «Эх, молодежь»). Приятного просмотра. 🙂

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

Steal: кто крадёт у виртуалок процессорное время

Хочу рассказать простым языком о механике возникновения steal внутри виртуальных машин и о некоторых неочевидных артефактах, которые нам удалось выяснить при его исследовании, в которое мне пришлось погрузиться как техдиру облачной платформы Mail.ru Cloud Solutions. Привет! Платформа работает на KVM. ...

Почему бессмысленно писать прогнозы

Сейчас в различных СМИ да и на Хабре публикуется большое количество прогнозов о бурном развитии робототехники, беспилотных автомобилей и альтернативной энергетики. Люди зачастую настроены излишне оптимистично, и ожидают какого-то рывка. Я предлагаю посмотреть, что прогнозировали на Хабре, и каким видели ...