Сибирские и московские исследователи определили, чем питаются основные беспозвоночные хищники лесостепной экосистемы: пауки и жуки-жужелицы, с помощью метода анализа стабильных изотопов углерода и азота. Результаты работы, которые поставили перед биологами много загадок, опубликованы в журнале Diversity.

Пауки и жужелицы относятся к герпетобионтам – беспозвоночным, обитающим на поверхности почвы. Среди них много хищников, которые соединяют подземные и наземные пищевые цепи в единую сеть и регулируют численность почвенной фауны и обитателей растений. Эти хищники многочисленны, разнообразны и очень важны для функционирования экосистем. В частности, герпетобионты контролируют обилие насекомых-вредителей.

Установить рацион пауков и жужелиц в Новосибирской области решили ученые Института систематики и экологии животных СО РАН и Института почвоведения и агрохимии СО РАН совместно с коллегами из Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН (Москва). Для этого они применили метод с использованием стабильных изотопов.

«Около 30 лет назад обнаружилось, что соотношения стабильных изотопов углерода (¹²C/¹³C) и азота (¹⁴N/¹⁵N), содержащихся в тканях организма, могут рассказать об особенностях его питания. Чем выше по уровню в пищевой цепочке расположено то или иное животное, тем больше у него изотопа тяжелого азота. По количеству тяжелого углерода можно определить источник пищи животного: потребляет ли оно преимущественно наземные, почвенные или водные организмы и так далее», – рассказывает старший научный сотрудник Института систематики и экологии животных СО РАН кандидат биологических наук Илья Игоревич Любечанский.

Множество герпетобионтных хищников можно разделить на несколько групп. Хищники первого порядка едят фитофагов – насекомых, потребляющих растения. Хищники второго порядка питаются другими хищниками, их называют участниками пастбищной пищевой цепи. Третья группа – хищники, которые предпочитают сапрофагов, потребляющих мертвое органическое вещество. Это участники детритной пищевой цепи.

«Изотопный анализ позволяет визуализировать экологическую нишу – „профессию вида”, у которой есть математическое выражение. Можно представить себе экологическое сообщество как ящик с мягкими шарами. Шары – это ниши того или иного вида, и они находятся в некотором объеме. Так как у ящика подвижные стенки, этот объем может увеличиваться (если в экосистеме много ресурсов) или сокращаться. Благодаря изотопному методу в пространстве азота и углерода можно увидеть взаимное расположение этих ниш», – объясняет Илья Любечанский.

Ученые исследовали содержание стабильных изотопов углерода и азота в почве, в растениях, растительном опаде, некоторых самых распространенных в экосистеме фитофагах и хищниках: жуках-жужелицах и пауках. Работа проводилась близ стационара ИСиЭЖ СО РАН в Карасуке. Биологи выбрали колок (небольшой лесок), где заложили три площадки: в середине колка, на его опушке – на краю между лесом и степью, и на степном участке. Ученые ИСиЭЖ СО РАН и ИПА СО РАН отбирали пробы, которые затем исследовались на масс-спектрометре Института проблем экологии и эволюции им. А. Н. Северцова РАН.

«Мы проанализировали 16 видов жуков-жужелиц и 17 видов пауков. Разные виды жужелиц отличаются по содержанию тяжелого азота, что свидетельствует о широком спектре экологических ниш, соответствующем двум или трем трофическим уровням (фитофаги-семенояды, хищники первого и второго порядка). Жужелицы родов Амара и Гарпалюс, в рацион которых входят семена растений, показали минимальное содержание тяжелого азота. Изотопный состав углерода жужелиц говорит о том, что большинство их хищных видов являются участниками пастбищной пищевой цепи, то есть питаются фитофагами, – рассказывает Илья Любечанский. – По сравнению с жужелицами, пауки показали повышенные значения содержания тяжелого азота, лежащие в очень узком диапазоне. Причем изотопная ниша, занимаемая пауками, почти не перекрывается с таковой у жужелиц. Пауки, по-видимому, более тесно связаны с детритными пищевыми цепями. Таким образом, полученные данные свидетельствуют о значительной разнице в трофических нишах основных хищников-универсалов, жужелиц и пауков, которая наблюдалась как в лесных, так и в степных местообитаниях Западно-Сибирской лесостепи».

Биологи рассчитывали увидеть разницу в трофических предпочтениях лесных и степных жителей. Ожидалось, что в лесу окажется больше участников детритной пищевой цепи, а в степи, наоборот, будет больше работать пастбищная. Но результаты показали нечто неожиданное. Оказалось, лесные сообщества менее обогащены тяжелым углеродом, чем степные.

«Похоже, это связано с тем, что в условиях тени обогащение углеродом у растений происходит немного медленнее, что согласуется с известными данными», – отмечает Илья Любечанский.

Кроме того, исследование выявило еще одну интересную загадку. Она связана с жужелицей, занесенной в Красную книгу Новосибирской области: красотелом пахучим, который питается гусеницами непарного шелкопряда. Ученые определили изотопный состав жужелицы и выяснили, что она очень сильно обогащена тяжелым азотом – так, будто каждую гусеницу шелкопряда съедает дважды.

«Обычно при переходе с уровня на уровень обогащение происходит примерно на 5 единиц, а у красотела пахучего – до 12. В то же время по источнику углерода он расположен строго над гусеницами шелкопряда, то есть это его единственное питание (в отличие от разных других жужелиц, в рацион которых входят обитатели травы, почвы и даже семена)», – говорит Илья Любечанский.

Изотопный состав (значения ¹³С и ¹⁵N) почвы (Soils), растений (Plants), подстилки (Litter) и основных трофических и таксономических групп членистоногих в лесных (вверху) и степных (внизу) экосистемах. Рисунок из статьи в Diversity.

Возможно, это связано с особенностями метаболизма красотела пахучего, но феномен требует дополнительных исследований.

Другую загадку поставил перед учеными один из самых массовых видов потенциальных жертв хищников – кузнечик скачок Резеля. Он оказался очень сильно обогащен тяжелым углеродом. Его трофическая ниша расположена не там, где находятся ниши большинства фитофагов, и ученые не смогли определить, чем этот кузнечик питается. Это также может быть связано с метаболизмом кузнечика и тоже нуждается в дальнейшем изучении.

Диана Хомякова.
Фото Галины Азаркиной, Ильи Любечанского.
Источник: газета Сибирского отделения
Российской академии наук
«Наука в Сибири»,
выпуск № 23 (3384) от 8 июня 2023 года.