WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

ТИШЕЧКИН Дмитрий Юрьевич

Вибрационная коммуникация цикадовых (Homoptera, Cicadinea) и возможности использования акустических признаков в систематике группы

(на примере фауны России)

03.02.05 энтомология

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

МОСКВА-2010

Работа выполнена на кафедре энтомологии

биологического факультета

Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор

  Жантиев Рустем Девлетович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор

Голуб Виктор Борисович

(Воронежский государственный университет)

доктор биологических наук, профессор

Макаров Кирилл Владимирович

(Московский педагогический государственный университет)

доктор биологических наук

Иваницкий Владимир Викторович

(Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова)

Ведущая организация: Зоологический институт РАН

Защита состоится 26 апреля 2010 г. в 15.30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.20 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, биологический факультет,

e-mail: barsova@mail.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан 25 марта 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат биологических наук

Л.И. Барсова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Цикадовые (Homoptera, Cicadinea) – одна из наиболее крупных групп хоботных насекомых (Rhynchota), уступающая по численности только полужесткокрылым. Несмотря на то, что максимального разнообразия Cicadinea достигают в тропических областях, даже в биотопах умеренной зоны они являются одной из доминирующих групп фитофагов как по численности, так и по видовому разнообразию.

О том, что не только крупные певчие цикады (Cicadidae), но и остальные Cicadinea (так называемые мелкие цикадовые), составляющие большинство представителей этой группы, способны издавать акустические сигналы, стало известно в середине ХХ столетия. Звуковой аппарат этих насекомых гомологичен таковому певчих цикад, однако система акустической коммуникации отличается большой сложностью и своеобразием. Способностью издавать сигналы у них, в отличие от Cicadidae, обладают и самцы, и самки, а уровень ритмической организации сигналов у ряда видов намного выше, чем в других изученных к настоящему времени группах насекомых. Кроме того, в отличие от певчих цикад и большинства прямокрылых, мелкие Cicadinea используют не звуковую, а вибрационную коммуникацию, т.е. воспринимают колебания, распространяющиеся через твердый субстрат – стебли и листья растений, на которых находятся насекомые.

Все существующие в зарубежных биоакустических лабораториях виброрегистрирующие установки представляют собой громоздкие стационарные системы, что заставляет ограничиваться изучением немногих видов, которые удается содержать в культуре. В России до начала нашей работы исследований вибрационной коммуникации насекомых не проводили. В связи с этим имевшиеся в литературе сведения о сигналах мелких цикадовых были крайне фрагментарны и касались отдельных, случайно выбранных видов. Было известно, что структура и набор функциональных типов сигналов в разных таксонах этой группы необычайно разнообразны, но недостаток данных не давал возможностей для сравнительного анализа и каких-либо обобщений.

Возможности биоакустического метода в систематике цикадовых также были раскрыты далеко не полностью. Было показано, что использование анализа призывных сигналов самцов для различения близких видов и выяснения таксономического статуса сомнительных форм видового ранга весьма перспективно, однако из-за сложности и трудоемкости процедуры регистрации сигналов к нему прибегали лишь в крайне редких случаях.

Система высших таксонов Cicadinea в настоящее время находится в стадии разработки. Мнения разных авторов по этому вопросу нередко весьма противоречивы и не отличаются устойчивостью. В результате, в последние десятилетия возобладала тенденция использовать в таксономических построениях наряду с морфологическими также кариологические, биохимические и другие признаки. Привлечение к анализу еще одной группы признаков, а именно, акустических, позволяет в спорных случаях получить дополнительные независимые аргументы в пользу одной из альтернативных точек зрения, что в конечном итоге способствует стабилизации системы.

Для решения всех перечисленных вопросов, прежде всего, было необходимо накопление первичного фактического материала, т.е. записей сигналов представителей различных семейств, подсемейств и триб цикадовых, а также данных о структуре системы их коммуникации, в том числе, при встрече полов.

Целью работы было проведение сравнительного исследования структуры сигналов и системы вибрационной коммуникации представителей разных семейств, подсемейств и триб цикадовых, выявление признаков, которые могут быть использованы на видовом уровне и на уровне высших таксонов в систематике Cicadinea, а также оценка таксономического статуса и родственных связей изученных высших таксонов этой группы на основании биоакустического анализа.

В связи с этим были поставлены следующие задачи.

1. С помощью разработанной нами портативной установки для регистрации слабых вибрационных сигналов в стеблях растений сделать записи сигналов представителей разных таксонов цикадовых фауны России и сопредельных стран.

2. Проанализировать амплитудно-временную структуру сигналов, а также исследовать систему коммуникации при репродуктивном поведении в разных таксонах Cicadinea.

3. Исследовать частотно-амплитудные характеристики сигналов (частотные спектры).

4. Изучить различные типы изменчивости амплитудно-временного рисунка сигналов и системы коммуникации, в том числе, индивидуальную, внутрипопуляционную и географическую изменчивость призывных сигналов.

5. В ходе подготовки таксономических обзоров и ревизий групп близких видов, трудноразличимых по морфологическим признакам, оценить возможности применения анализа призывных сигналов в систематике цикадовых на видовом уровне.

6. Провести сравнительное исследование частотных, амплитудно-временных характеристик и репертуара (набора функциональных типов) вибрационных сигналов, а также репродуктивного поведения в разных трибах, подсемействах и семействах цикадовых.

Новизна работы. Работа представляет собой первое сравнительное исследование вибрационных сигналов мелких Cicadinea. Впервые проанализированы сигналы более 300 видов, принадлежащих к 13 семействам, 22 подсемействам и 32 трибам. Полученные данные значительно расширяют наши представления о вибрационной коммуникации мелких насекомых. Опубликованные описания и осциллограммы сигналов более 330 видов цикадовых создают основу для дальнейших сравнительных исследований по биоакустике этой обширной группы.

Впервые у мелких цикадовых описаны сигналы с линейчатым частотным спектром. В естественных условиях выполнено исследование вызываемых ветром вибрационных шумов в стеблях и листьях растений, проведен сравнительный анализ спектров шумов и коммуникационных сигналов, описаны этологические механизмы, с помощью которых поющие насекомые избегают акустических помех.

Подробно изучены набор функциональных типов сигналов и особенности репродуктивного поведения в разных таксонах цикадовых. Впервые описаны специализированные сигналы, издаваемые самцами некоторых видов в ходе конкурентных взаимодействий и служащие для заглушения призывных сигналов соперника, т.е. для постановки помех.

Выполнено первое широкомасштабное всестороннее исследование изменчивости сигналов; показано, что у цикадовых изменчивости могут быть подвержены не только длительность и период повторения элементов сигнала, но и общая схема его амплитудно-временного рисунка. Проведенное у 105 видов сравнение сигналов особей из нескольких удаленных друг от друга географических точек позволяет заключить, что структура сигналов цикадовых практически не подвержена географической изменчивости.

С использованием анализа сигналов выполнены ревизии ряда малоизученных и сложных в таксономическом отношении групп цикадовых, охватывающие в общей сложности порядка 100 форм видового ранга, описано 20 новых для науки видов, выявлен ряд новых синонимов. Показано, что для различения криптических видов могут успешно использоваться признаки структуры не только призывных сигналов, но также сигналов ухаживания самца. Рассмотрены ограничения биоакустического метода в систематике цикадовых, связанные со случаями сходства сигналов у разных видов. Исследованы закономерности разделения каналов вибрационной коммуникации, позволяющие видам, издающим сходные по структуре сигналы, избегать конкуренции за акустические ресурсы.

Впервые продемонстрирована возможность использования акустического анализа в систематике триб, подсемейств и семейств цикадовых, выявлены основные группы признаков, пригодные для разграничения таксонов группы семейства. На основании биоакустических данных охарактеризованы таксономический статус и положение в системе изученных групп, подтвержден ряд основанных на морфологических и биохимических данных предположений относительно их родственных связей. Сформулирована гипотеза о возможных путях эволюции системы акустической коммуникации цикадовых.

Практическое значение. Полученные данные могут быть использованы для разработки основанных на создании помех в каналах вибрационной коммуникации экологически чистых методов борьбы с цикадовыми, имеющими хозяйственное значение.

Разработанная методика регистрации низкоамплитудных вибрационных сигналов в настоящее время находит применение в исследованиях акустической коммуникации представителей других групп членистоногих (прямокрылых, листоблошек, полужесткокрылых, пауков). Кроме того, она может быть использована в этологических исследованиях для изучения различных типов активности насекомых при невозможности визуального наблюдения, так как обладает достаточной чувствительностью для регистрации колебаний, возникающих при движении насекомых во время питания, перемещения, чистки покровов и т.п. Это также позволяет применять данную методику для выявления скрытой зараженности насекомыми-вредителями различных материалов, в частности древесины и изделий из нее, без нарушения их целостности.

Анализ временной структуры призывных сигналов открывает новые возможности в систематике для различения криптических видов и выяснения статуса сомнительных форм видового ранга. Это особенно актуально в связи с тем, что многие цикадовые-переносчики фитопатогенных микроорганизмов принадлежат к сложным в таксономическом отношении комплексам близких видов.

Использование биоакустических признаков в систематике высших таксонов Cicadinea в спорных случаях позволяет получить независимые дополнительные доказательства в пользу одной из альтернативных точек зрения, что способствует стабилизации системы семейств, подсемейств и триб этой группы.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены на конференциях молодых ученых (биологический факультет МГУ, 1987, 1988), на 8-й Международной конференции "Insect Sound and Vibration" (1992, Поммерсфельден, Германия) и на заседаниях кафедры энтомологии биологического факультета МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликована 51 работа, из них 32 – в журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы. Основная часть диссертации изложена на 399 страницах, включает 115 рисунков и состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов, 4 глав, включающих от 3 до 7 разделов каждая, выводов и списка литературы, содержащего 282 источника. Приложение оформлено в виде отдельного тома и насчитывает 386 страниц, в том числе, 160 рисунков.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Обзор состоит из двух частей. В первой из них изложены основные сведения по биоакустике певчих цикад (Cicadidae), использующих для коммуникации звуковые сигналы. Во второй части подробно рассмотрены работы по акустической коммуникации мелких Cicadinea, начиная от словесных описаний сигналов и сопровождающего их поведения в работах первой половины ХХ в., и кончая последними статьями таксономического, этологического и биофизического плана.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Материалом для диссертации послужили записи сигналов 327 видов цикадовых из 154 родов, сделанные в период с 1984 по 2007 год в различных районах России и ближнего зарубежья. Данные по 319 из них опубликованы в наших работах. В целом, были проанализированы сигналы более 1500 особей, для 105 видов получены записи сигналов из двух и более удаленных друг от друга географических точек, у 65 видов изучена коммуникация при репродуктивном поведении. Исследования проводили в центральных районах европейской России, в Нижнем Поволжье и Заволжье, на Северном Кавказе от Черноморского побережья до Чечни, на южном Урале, на юге Сибири от Алтая до Забайкалья и на Дальнем Востоке (Амурская область, Хабаровский край, Южное Приморье), а также в Молдове, на Украине, в Закавказье (Талыш), южном Туркменистане и на юге Казахстана. Всего были использованы записи из 53 географических точек. 

Поскольку целью работы было проведение широкомасштабного сравнительного исследования сигналов представителей разных таксонов Cicadinea, возможность доставки насекомых из удаленных от Москвы регионов в лабораторию исключалась. В связи с этим для регистрации низкоамплитудных вибраций в стеблях растений была  разработана уникальная портативная установка, позволяющая производить запись сигналов в экспедиционных условиях: на кордоне заповедника, в палатке, а при необходимости – и непосредственно в природе. Для регистрации колебаний использовали монофонический пьезокристаллический адаптер (головку звукоснимателя) ГЗК-661 или ГЗП-311 от проигрывателя для виниловых дисков. Небольшой (как правило, длиной до 10-15 см) фрагмент растения закрепляли на корпусе головки резиновым кольцом так, чтобы стебель касался иглы адаптера, слегка пружиня. На растение надевали капроновый садок с насекомыми; через некоторое время они обычно усаживались на стебель, начиная питаться, и садок осторожно снимали. При необходимости для изоляции от вибрационных помех адаптер помещали на металлический брусок весом около полукилограмма, лежащий на куске поролона. В полевых условиях вместо бруска использовали любой груз подходящей формы.

Сигнал с адаптера подавали на микрофонный вход записывающего устройства через согласующий усилитель, сходный по схеме с предварительными усилителями, предназначенными для использования в электрофонах с пьезоэлектрическими звукоснимателями. Запись производили на кассетный магнитофон ("Электроника-302-1", "Весна-202") или магнитооптический рекордер (Sony Walkman MZ-NH900 или MZ-RH910), во всех случаях во избежание амплитудных искажений использовали исключительно ручной режим регулировки уровня записи.

Используемая аппаратура отличается портативностью (вес установки, укомплектованной минидисковым рекордером, составляет около 300 г.), высокой энергетической экономичностью и устойчивостью к неблагоприятным внешним факторам (повышенной влажности, запыленности и т.п.). Сравнение полученных с ее помощью и на зарубежном оборудовании записей сигналов одних и тех же видов не выявило каких-либо различий, более того, уровень шумов на осциллограммах в работах других авторов нередко бывает намного выше, чем у нас.

Анализ записей производили на персональном компьютере, оснащенном аналого-цифровым преобразователем L-305 (LCard Ltd, Москва). Для перевода сигнала в цифровой вид и записи его на диск использовали поставляемую с платой АЦП программу "Осциллограф", последующий анализ сигнала осуществляли с помощью программы "TurboLab 4.2". В диссертации также использованы динамические спектрограммы сигналов (сонограммы), полученные на сонографе Digital Sona Graph 7800. При статистической обработке данных, а именно, для сравнения однотипных временных параметров в разных сигналах, использовали ранговый критерий Вилкоксона (Манна-Уитни). Расчеты производили с помощью программы "MatLab", версия 5.3.

Глава 1. Функциональные типы сигналов цикадовых и структура системы коммуникации

1. Терминология элементов амплитудно-временной структуры сигналов

Структура сигналов мелких Cicadinea чрезвычайно сложна и разнообразна, что вызывает значительные трудности при ее описании. Формальное использование традиционного иерархического подхода, при котором группировка элементов одного порядка обозначается как элемент следующего порядка, в подобном случае неоправданно, так как делает терминологию чрезвычайно громоздкой и трудно воспринимаемой. Гораздо более продуктивным представляется употребление традиционных терминов с некоторыми пояснениями и оговорками; в данной работе за основу взята терминология, предложенная Жантиевым (1981). 

Базовым элементом временной структуры сигналов цикадовых считают пульс; мы определяем его как короткий дискретный фрагмент, характеризующийся быстрым нарастанием и последующим спадом амплитуды, то есть отделенный от сходных элементов амплитудными минимумами. Продолжительные последовательности однотипных пульсов, следующих с постоянной частотой, представляют собой трели. Повторяющиеся с равными интервалами однотипные группы сходных или различных по структуре пульсов называются сериями. Последовательность сходных или различных серий или просто любой более или менее продолжительный сигнал со сложной структурой и четко выраженным началом и концом мы называем фразой.

Формальные границы между структурными элементами разных типов (например, сложными продолжительными сериями и короткими простыми фразами) в сигналах цикадовых в ряде случаев провести практически невозможно. В частности, в некоторых сигналах наблюдается постепенное возникновение амплитудных модуляций, глубина которых плавно возрастает до 100%, в результате чего изначально однородный по структуре сигнал к концу распадается на отдельные дискретные пульсы. Однако, поскольку при сравнительном анализе сигналов мы оперируем исключительно их осциллограммами и спектрограммами, а не описаниями и соответствующими терминами, некоторые несоответствия в терминологии ни в коей мере не влияют на достоверность наших таксономических построений и выводов.

2. Функциональные типы сигналов цикадовых

Система коммуникации у палеарктических видов мелких цикадовых насчитывает не менее семи функциональных типов сигналов; репертуар одного вида включает от двух до пяти-шести типов. Все они могут быть объединены в три группы: сигналы, связанные с размножением, с конкурентными взаимодействиями и издаваемые при опасности.

В первой из них основную роль играют призывные сигналы,  спонтанно издаваемые готовым к спариванию самцом как в одиночестве, так и в присутствии других особей. Сигналы  этого типа служат для привлечения рецептивной самки, которая, в зависимости от структуры системы коммуникации у данного вида, реагирует на них, либо издавая ответные сигналы, либо приближаясь к самцу. Призывные сигналы обычно обладают сложным и видоспецифическим амплитудно-временным рисунком; результаты этологических экспериментов свидетельствуют о том, что распознавание конспецифического полового партнера у цикадовых происходит именно по признакам их структуры.

Ответные сигналы издаются рецептивной самкой в ответ на призывный сигнал конспецифического самца. В отличие от призывных, они имеют достаточно простую структуру и представляют собой нерегулярно издаваемые пульсы, короткие серии или трели. По этой причине они нередко бывают сходными у разных видов, как филогенетически близких, так и неродственных, причем такое явление может наблюдаться и у строго симпатрических форм. Это позволяет заключить, что ответные сигналы не играют существенной роли в распознавании конспецифических особей, и основная их функция состоит в том, чтобы помочь самцу сориентироваться при поисках самки.

Оказавшись рядом с самкой или вступив с ней в акустический контакт, самцы ряда видов начинают издавать сигналы ухаживания. Кроме того, у некоторых видов непосредственно перед копуляцией или в момент соединения гениталий самец исполняет также копуляционные сигналы, отличающиеся как от сигналов ухаживания, так и от призыва. В то же время, у других форм самец издает один и тот же сигнал и в одиночестве, и находясь рядом с самкой; такой сигнал традиционно называют призывным, но подчеркивают, что в действительности он является полифункциональным.

Следующую группу образуют сигналы, связанные с конкурентными взаимодействиями; как правило, они присутствуют только в репертуаре самцов и лишь в исключительных случаях – у самок. Территориальные сигналы насекомые могут издавать как в одиночестве, не демонстрируя при этом определенного типа поведенческой активности, так и в ответ на территориальные или призывные сигналы другого самца. После нескольких минут переклички один из самцов обычно покидает свое место, удаляясь от конкурента. Это позволяет предположить, что территориальные сигналы служат для регуляции расстояния между особями на растении.

Многие виды при конкурентном поведении издают сигналы агрессии, формально отличающиеся от территориальных тем, что их никогда не приходится регистрировать у одиночной особи; после издавания сигналов этого типа насекомые нередко предпринимают атаки друг на друга, пытаясь столкнуть противника со стебля. Агрессивное поведение может быть направлено против особей как своего, так и чужого вида.

У некоторых Macropsinae и Adelungiinae (Cicadellidae) самцы в ответ на призывные сигналы конспецифических особей издают высокоамплитудные продолжительные трели пульсов, почти полностью заглушающие призывный сигнал. В то же время, насекомые не демонстрируют агрессивного поведения и не делают попыток приблизиться друг к другу. Это позволяет заключить, что в данном случае назначение сигнала агрессии несколько изменено, и основной его функцией является заглушение сигналов соперника, то есть постановка помех, как это делается, например, в радиосвязи.

Поскольку конкурентное поведение нередко наблюдается в филогенетически далеких друг от друга таксонах, можно предположить, что оно неоднократно возникало в разных эволюционных ветвях цикадовых. Как правило, оно бывает хорошо выражено у видов, ведущих оседлый образ жизни: у брахиптерных или суббрахиптерных форм и у ряда видов, связанных с древесно-кустарниковой растительностью.

Издаваемые при опасности сигналы протеста характерны преимущественно для крупных певчих цикад (Cicadidae); у мелких цикадовых они были зарегистрированы лишь в немногих таксонах.

Еще несколько функциональных типов сигналов описано у певчих цикад (Cicadidae), не являющихся объектом наших исследований, а также у полусоциальных тропических Membracidae.

3. Стратегии акустической коммуникации цикадовых

При поиске полового партнера у цикадовых ведущая роль в коммуникации в подавляющем большинстве случаев принадлежит самцу. Он спонтанно издает призывные сигналы, обычно периодически перемещаясь при этом со стебля на стебель. Оказавшись на растении, где присутствует рецептивная конспецифическая самка, и услышав ее ответный сигнал, самец начинает петь намного активнее и приступает к ее поискам. Самка, напротив, отвечает на сигналы самца, не меняя своего местоположения. Подобная схема поведения характерна практически для всех мелких цикадовых; в ходе исследований нам пришлось столкнуться только с двумя исключениями, которые, по всей вероятности, представляют собой вторичное явление. 

У Doratura stylata (Boh.) (Cicadellidae, Aphrodinae, Doraturini) самец, как и у других Cicadinea, издает призывные сигналы спонтанно, однако после установления акустического контакта друг с другом особи разных полов меняются ролями: самец издает призыв лишь изредка, в то время как самка начинает петь практически непрерывною. Кроме того, после встречи партнеров именно самка, а не самец издает сигналы ухаживания.

У некоторых дендрофильных Macropsinae (Cicadellidae) поющий самец не меняет своего местоположения, а самка приближается к нему, не издавая ответных сигналов. Как уже говорилось, ряд дендрофильных видов цикадовых ведет оседлый, малоподвижный образ жизни: питающийся самец может сидеть на одном и том же побеге, не перемещаясь в течение многих часов. В подобных условиях самка может разыскать его по сигналам, не вступая с ним в акустический контакт; вероятно, именно это и послужило причиной редукции ответных сигналов. Нужно отметить, что самки у таких видов Macropsinae могут издавать сигналы протеста; последнее свидетельствует о том, что их звуковой аппарат сохраняет способность нормально функционировать.

Система коммуникации после встречи партнеров в разных группах цикадовых несколько различается. В простейшем случае репертуар сигналов, связанных с репродуктивным поведением, сокращается до двух типов и включает лишь называемый призывным, а фактически, полифункциональный сигнал самца и ответ самки. У других видов в репертуаре самцов, помимо призыва, имеются также сигналы ухаживания, а иногда и копуляционные сигналы, издаваемые в последние моменты перед спариванием. В некоторых таксонах ухаживание сопровождается характерными движениями, которые самец совершает, приближаясь к самке или находясь у нее на спине непосредственно перед копуляцией.

В норме структура системы коммуникации у каждого вида цикадовых представляет собой достаточно жесткую схему, однако, в искусственных условиях в ней иногда наблюдаются определенные изменения. В частности, выращенные в изоляции от самцов самки цикадовых, будучи лишены возможности спариваться, через некоторое время начинают петь спонтанно. Самец, помещенный вместе с рецептивной самкой в небольшое замкнутое пространство, может приступить к копуляции, не издавая призывных сигналов или сигналов ухаживания. Таким образом, необходимо учитывать, что постановка экспериментов в обстановке, сильно отличающейся от естественной, может вызывать значительные отклонения в поведении насекомых.

Глава 2. Амплитудно-временные и частотные характеристики призывных сигналов и их изменчивость

1. Временные и частотные характеристики сигналов

Призывные сигналы цикадовых отличаются необычайным разнообразием. Они могут быть одиночными, то есть следовать через продолжительные нерегулярные промежутки времени, или периодически повторяющимися. У одних видов призывные сигналы состоят из простых однотипных пульсов или коротких серий, у других превосходят по сложности все известные сигналы прочих насекомых. Как правило, сигналы представителей одного рода бывают сопоставимы по уровню сложности, но встречаются и исключения из этого правила. Например, призыв большинства видов Macropsis Lew. (Cicadellidae) представляет собой многокомпонентные фразы, вместе с тем, у некоторых форм он состоит из коротких серий со сравнительно простой структурой.

Естественно, возникает вопрос о причинах подобного разнообразия. Очевидно, что коммуникационные сигналы видов, вступающих в акустический контакт друг с другом, должны различаться, как минимум, по одному физическому параметру, иначе распознавание конспецифических сигналов станет невозможным. Известно, что в сообществах животных, использующих акустическую коммуникацию, сигнал каждого вида характеризуется уникальным комплексом параметров, за счет чего может быть выделен на фоне песен симпатрических форм.

Исследованные до сих пор сообщества прямокрылых и певчих цикад насчитывали не более 10-15 видов. Мелкие цикадовые – группа гораздо более многочисленная: по нашим подсчетам, в европейской России в пределах одного биотопа нередко можно обнаружить до 20-30 видов цикадовых. При этом каждый из них в разных частях своего ареала контактирует с различными наборами симпатрических форм, в результате чего общее число сигналов, от которых должен отличаться призыв данного вида, возрастает до сотни и более. Кроме того, вибрационная коммуникация распространена среди насекомых гораздо шире, чем звуковая: вибрационные сигналы издают многие полужесткокрылые, листоблошки, сетчатокрылые, двукрылые и представители ряда других групп, которые конкурируют за каналы связи наряду с цикадовыми. Нужно учитывать и тот факт, что при прохождении через твердый субстрат сигналы претерпевают значительные частотные искажения, в связи с чем возможности расхождения по частотным параметрам в данном случае крайне ограничены, и носителем всех (или основной части) видовых признаков становится именно амплитудно-временной рисунок сигнала. Вероятно, в этом и заключается основная причина столь высокой сложности и разнообразия сигналов Cicadinea.

Частотный диапазон, занимаемый вибрационными сигналами цикадовых, простирается в среднем от 100-200 Гц до 3-5 кГц. Его нижняя граница, вероятно, определяется двумя факторами. Во-первых, чем ниже частота сигнала, тем более крупная колеблющаяся структура нужна для его генерации; таким образом, определенные ограничения тут накладывают мелкие размеры насекомых. Во-вторых, как показали наши исследования, именно в области низких частот (до 100-200 Гц) достигают максимума вызываемые ветром вибрационные помехи в стеблях растений. Верхний частотный порог ограничивается физическими свойствами стеблей, так как высокие частоты в твердом субстрате распространяются на меньшие расстояния и быстрее затухают, нежели низкие.

В большинстве случаев сигналы имеют широкополосные шумовые спектры; каких-либо закономерностей, связанных с положением и шириной пиков в них, выявить не удается. Более того, спектр сигнала, помимо всего прочего, зависит от физических свойств конкретного побега, точнее, его части, расположенной между поющей особью и точкой регистрации сигнала. По этой причине даже у конспецифических самцов, находящихся в разных точках на одном растении, спектры сигналов могут заметно различаться.

Также у цикадовых нами впервые описаны вибрационные сигналы с линейчатым спектром. До этого предполагалось, что использование тональных сигналов для вибрационной коммуникации неадаптивно. Поскольку частотные характеристики стеблей крайне неравномерны, в случае совпадения минимума в частотной характеристике с основной частотой тонального сигнала последний будет резко ослаблен по амплитуде, в то время как сигнал с шумовым спектром не пострадает столь сильно. Тем не менее, сигналы некоторых видов отчасти или полностью состоят из фрагментов с почти правильным синусоидальным заполнением. Вероятно, их преимущество связано с тем, что тональный сигнал, равный по энергии шумовому, гораздо лучше выделяется из фона помех за счет концентрации энергии в узкой полосе частот. Как показали наши исследования в природе, тональные сигналы, звучащие на фоне вызываемых ветром вибрационных шумов, на осциллограммах могут быть практически неразличимы, однако на графиках частотных спектров пик, соответствующий основной частоте сигнала, выражен совершенно отчетливо.

У некоторых видов в сигнале наблюдается сочетание фрагментов с разной формой колебаний. В одних случаях это явление, по всей вероятности, связано с изменением режима работы тимбалов. При этом иногда он меняется настолько сильно, что сигнал из шумового трансформируется в тональный или наоборот. У некоторых Typhlocybinae (Cicadellidae) такие различия можно наблюдать даже в пределах одного пульса: одна его часть имеет синусоидальное заполнение, в то время как вторая образована колебаниями неправильной формы. У других видов частотные различия между компонентами обусловлены тем, что сигнал генерируется при помощи тимбалов и ударов крыльев. Работа этих двух механизмов нередко бывает настолько хорошо согласована, что суммарный сигнал имеет весьма четкую и стабильную временную структуру.

2. Изменчивость периода повторения ритмических элементов сигналов

Изменчивость структуры акустических сигналов в той или иной форме характерна для всех насекомых, и цикадовые в этом плане не составляют исключения.

Совершенно очевидно, что даже в пределах одного сигнала частота повторения ритмических элементов непременно колеблется в определенных пределах. Иногда выявить какие-либо закономерности ее изменения не удается,  вероятно, в таких случаях колебания этого параметра вокруг среднего значения носят случайный характер. Чаще изменение частоты следования структурных элементов подчиняется определенной, характерной для данного вида закономерности. Например, в сигналах Fulgoroidea, состоящих из однотипных пульсов или коротких серий, обычно наблюдается возрастание периода их повторения к концу сигнала.

Как правило, поющий самец издает несколько сигналов через небольшие промежутки времени – от нескольких секунд до нескольких минут, после чего надолго замолкает. Общая схема структуры сигналов при этом остается неизменной, но определенные различия в периоде повторения серий или пульсов между разными фразами в одной песне все же существуют. Различия того же порядка, как правило, выявляются и между сигналами разных самцов из одной популяции. В обоих случаях статистически достоверного сходства между сигналами может не наблюдаться; более того, иногда различия между ними оказываются статистически достоверными.

Частота сокращений мышц насекомых, в том числе, и мускулатуры звукового аппарата, зависит от температуры окружающей среды. По этой причине период повторения ритмических элементов в сигналах насекомых при изменении температуры меняется. Наши данные по сигналам цикадовых подтверждают выявленные ранее закономерности, при этом нужно подчеркнуть, что различия между сигналами становятся заметными уже при разнице температур в 2-3 градуса.

Диапазоны изменчивости периода повторения ритмических элементов в сигналах особей из разных географических точек, как правило, практически полностью перекрываются. Даже популяции, расположенные на расстоянии нескольких тысяч километров друг от друга, часто не имеют статистически достоверных различий по этим параметрам. Таким образом, выраженной географической изменчивости количественных параметров сигналов у цикадовых обнаружить не удается.

В заключение нужно добавить, что аналогичные закономерности были выявлены нами и при изучении изменчивости количественных параметров сигналов саранчовых (Orthoptera, Acrididae, Gomphocerinae).

3. Изменчивость частотных параметров сигналов в связи с искажением

формы колебаний при прохождении через субстрат

Частотные характеристики субстрата, по которому распространяются вибрационные сигналы, то есть, стеблей и листьев растений, на которых поют насекомые, крайне нелинейны и определяются физическими свойствами того конкретного участка побега, по которому проходит сигнал. В большинстве случаев возникающие искажения бывают заметны лишь на спектрограммах, однако иногда изменение формы колебаний настолько велико, что становится отчетливо видным на осциллограммах при больших скоростях развертки.

Обычно искажения связаны с более сильным затуханием в субстрате высоких частот. В той или иной мере это явление наблюдается всегда – именно поэтому вибрационные сигналы насекомых занимают низкочастотный по сравнению со звуками диапазон. Тем не менее, в отдельных случаях частотная фильтрация приводит к изменению формы пульсов и частичному исчезновению границ между ними; в результате, внутренняя структура сигнала становится настолько нечеткой и плохо различимой, что уловить какое-либо сходство с менее искаженным сигналом при сравнении осциллограмм на больших скоростях развертки практически невозможно. Другой тип искажений проявляется только в сигналах, состоящих из фрагментов с разными частотными параметрами. В этом случае нелинейность частотной характеристики стебля может приводить к избирательному затуханию определенного компонента; общий временной рисунок сигнала при этом остается неизменным, однако соотношение амплитуд разных элементов в нем существенно меняется.

4. Изменчивость общей схемы амплитудно-временного рисунка призывных

сигналов в стабильной этологической ситуации

У прямокрылых, певчих цикад, листоблошек и большинства других насекомых общий план амплитудно-временного рисунка сигналов за редким исключением достаточно стабилен, а изменчивости подвержены преимущественно количественные параметры: длительность песни или ее частей и период повторения ритмических элементов. У мелких цикадовых ситуация совершенно иная: нередко сигналы одного вида могут резко различаться за счет наличия/отсутствия весьма сложных и продолжительных дополнительных фрагментов, причем подобные различия наблюдаются не только между разными особями, но даже в следующих друг за другом сигналах одного самца.

В простейшем случае существенные различия между сигналами являются результатом изменчивости длительности фразы или составляющих ее элементов, то есть вариабельности количественных по сути своей характеристик. Тем не менее, если длительность сигналов различается почти на порядок, их осциллограммы по общему облику могут быть совершенно несхожими друг с другом, и только наличие в разных сигналах идентичных элементов позволяет убедиться, что эта изменчивость носит внутривидовой характер.

Большинство сигналов цикадовых состоит из периодически повторяющихся однотипных фрагментов – пульсов или серий. Изменение их формы или амплитуды на протяжении сигнала обычно носит закономерный характер и является одним из его видоспецифических признаков. В то же время, у некоторых видов временной рисунок серий может меняться произвольным образом. Иногда сигнал состоит из следующих в случайном порядке серий разных типов, при этом структура их в пределах каждого типа остается стабильной.

Если временной рисунок серий в пределах одного сигнала остается неизменным, но меняется от песни к песне, осциллограммы разных сигналов могут различаться настолько сильно, что некоторые варианты, как кажется на первый взгляд, вообще не имеют между собой ничего общего. В подобных случаях лишь детальное исследование структуры песен на значительном сравнительном материале позволяет выявить сходство временного рисунка и убедиться в конспецифичности сигналов разных типов.

Изменчивость структуры фраз носит в целом тот же характер, что и изменчивость серий: в сигнале может меняться их длительность, общий план временного рисунка, соотношение амплитуд разных частей.

Достаточно часто у цикадовых наблюдается появление или редукция в сигнале дополнительных фрагментов. Иногда сигнал за счет этого просто становится несколько сложнее (например, серия превращается во фразу). В других же случаях отдельные дискретные компоненты соединяются друг с другом за счет появления между ними дополнительных фрагментов, при этом частота повторения компонентов делается более стабильной, и в результате короткие сигналы объединяются в непрерывную сложную и продолжительную песню, которая затем может претерпеть обратную трансформацию.

Изредка "распад" продолжительного сигнала на отдельные компоненты может происходить и без редукции его частей. Если ритмические элементы сигнала следуют один за другим через короткие равные промежутки времени, они сливаются в единое целое. При увеличении пауз между ними такой сигнал распадается на не связанные между собой фрагменты.

В ряде случаев дополнительный компонент сигнала по сложности и длительности существенно превосходит основную часть: полный вариант сигнала представляет собой сложную продолжительную фразу, в то время как редуцированный состоит из отдельных серий. При этом по общему виду сигналы разных типов мало схожи друг с другом, и лишь сравнение осциллограмм на больших скоростях развертки позволяет выявить в них идентичные элементы.

В исключительных случаях в песне одного вида наблюдается сочетание различных типов изменчивости: сильно варьируют как количественные показатели (длительность сигнала в целом и период повторения ритмических элементов в нем), так и временной рисунок составляющих его частей. В этой ситуации лишь исследование большого числа сигналов позволяет выявить в них гомологичные компоненты и уловить сходство в их временном рисунке. Иногда доказательством конспецифичности подобных сигналов может служить только регистрация разных вариантов песни у одной особи.

5. Зависимость амплитудно-временного рисунка призывных сигналов

цикадовых от этологической ситуации

Как и у многих других животных, структура призывных сигналов цикадовых может зависеть от этологической ситуации, в которой находится насекомое, а именно, от присутствия на том же растении конспецифического самца или рецептивной самки.

У большинства насекомых пение одной особи стимулирует акустическую активность других. Как правило, издаваемые в такой ситуации сигналы практически не отличаются от обычного призыва, однако у некоторых видов их структура при этом несколько меняется. Вероятно, в подобных случаях мы наблюдаем начальный этап формирования конкурентных сигналов. Об этом свидетельствует сравнительный анализ сигналов трех близких видов Gargara Am. et Serv. (Membracidae). Самцы всех видов активно реагируют на песни конспецифических особей, но у двух из них издаваемые в этот момент сигналы отличаются от призывных лишь меньшей длительностью, в то время как у третьего в них происходят еще и качественные трансформации. Несмотря на то, что такие сигналы еще сохраняют  сходство с призывом, их уже с уверенностью можно отнести к отдельному функциональному типу – сигналам агрессии.

У некоторых Cicadellidae существуют две формы призывного сигнала – полная и редуцированная. При этом полный сигнал самец чаще издает, находясь рядом с самкой, хотя может исполнять его и в одиночестве, а редуцированные сигналы, наоборот, обычно приходится слышать от одиночного самца, хотя иногда он исполняет их и в присутствии самки. Тем не менее, при ухаживании за самкой самец всегда издает полные сигналы, таким образом, облик их явно зависит от поведенческой ситуации. С другой стороны, четкого разделения функций между двумя вариантами сигнала не наблюдается, поэтому отнесение их к разным типам (призывным сигналам и сигналам ухаживания) вряд ли правомерно.

Поскольку в некоторых трибах цикаделлид сигнал ухаживания отличается от призывного наличием дополнительных компонентов, это позволяет предположить, что у видов, издающих один тип призывных сигналов преимущественно в одиночестве, а второй – как правило, в присутствии самки, формирование сигналов ухаживания как отдельного функционального типа находится в стадии становления.

6. Возрастная изменчивость временного рисунка призывных сигналов

Как было показано зарубежными авторами на примере пещерных Cixiidae, у молодых самцов нередко наблюдается резкое падение амплитуды сигнала в середине серий или фраз; с возрастом это явление исчезает (Hoch, Howarth, 1993). Вероятно, оно связано с неполной склеротизацией аподем первых брюшных сегментов, к которым прикрепляются тимбальные мышцы. Действительно, аподемы достигают окончательных размеров и толщины лишь через несколько дней после линьки на имаго, что хорошо заметно при исследовании препаратов брюшка особей разного возраста.

Нам также изредка приходилось регистрировать подобные деформированные сигналы у представителей самых разных групп цикадовых. За исключением характерного амплитудного провала в серединной части они ничем не отличаются от обычных. С другой стороны, лишь после сравнения их с сигналами конспецифических особей удается уяснить, что такой своеобразный временной рисунок у данного вида представляет собой исключение. Специальное исследование причин этого явления не входило в наши задачи: в таксономических исследованиях достаточно просто иметь в виду тот факт, что оно существует и может быть потенциальным источником ошибок. Относя такую изменчивость к разряду возрастной, мы основываемся лишь на цитированной выше работе.

7. Географическая изменчивость временного рисунка призывных сигналов

Проведенное нами у 105 видов цикадовых сравнение сигналов особей из разных местонахождений показало, что географические различия в их амплитудно-временном рисунке представляют собой чрезвычайно редкое явление. Подобного рода изменчивость была выявлена нами только у двух видов Aphrodinae (Cicadellidae).

У Laburrus similis Vilb., распространенного от восточных районов европейской России до Дальнего Востока, наблюдается последовательное усложнение структуры сигнала в восточных популяциях по сравнению с западными за счет прибавления к сигналу дополнительных компонентов. У самцов Cicadula flori (J. Sahlb.) из европейских популяций сигналы в среднем имеют в 4-8 раз большую продолжительность, чем у особей из Южной Сибири, хотя общий амплитудно-временной рисунок песни при этом не претерпевает изменений.

Сигналы остальных исследованных нами видов, напротив, демонстрируют необычайную стабильность структуры на протяжении многих сотен и даже тысяч километров ареала. Таким образом, амплитудно-временной рисунок сигналов цикадовых практически не подвержен географической изменчивости. В этом плане у них прослеживается аналогия с саранчовыми подсемейства Gomphocerinae (Orthoptera, Acrididae), звуки которых в пределах подвида или монотипического вида также сохраняют в неизменности свои амплитудно-временные параметры на протяжении всего ареала.

*  *  *

Таким образом, амплитудно-временной рисунок сигналов цикадовых нередко достигает максимальной среди насекомых сложности и разнообразия, а степень его изменчивости необычайно велика. Различия, подобные описанным выше, в других таксонах, безусловно, были бы расценены как межвидовые, в то время как у цикадовых они нередко наблюдаются в сигналах одной особи. В связи с этим, существующая в биоакустике некоторых групп насекомых практика публикации одной осциллограммы в качестве "эталона" песни определенного вида для цикадовых недопустима. Изучение одной-двух случайно выбранных осциллограмм не может дать сколько-нибудь полного представления о структуре сигналов вида в целом, а таксономические заключения, построенные на таком скудном материале, являются совершенно несостоятельными. Также, нужно иметь в виду, что наличие в сигналах разных форм идентичных по структуре элементов свидетельствует об их принадлежности к одному виду даже в случае, если между ними имеются значительные различия в длительности сигналов и их общем временном рисунке.

Основной вывод, сделанный на материале данной главы, можно сформулировать в виде следующего, выносимого на защиту положения.

Степень изменчивости амплитудно-временного рисунка призывных сигналов мелких Cicadinea значительно выше, чем в других изученных к настоящему времени группах насекомых, использующих акустическую коммуникацию при встрече полов. Изменчивости подвержены не только количественные параметры сигналов, такие, как длительность и частота повторения ритмических элементов, но и общая схема временного рисунка. Это необходимо учитывать при использовании акустического анализа в систематике для различения криптических видов и выяснения таксономического статуса сомнительных форм видового ранга.

Глава 3. Использование акустических признаков в систематике цикадовых на видовом уровне.

1. Возможности анализа призывных сигналов в систематике цикадовых

на видовом уровне

Видовая диагностика цикадовых долгое время основывалась исключительно на морфологических признаках, преимущественно, на особенностях строения гениталий самцов. Вместе с тем, детальное комплексное изучение биологии, внутривидовой изменчивости, морфологии личинок и целого ряда других признаков в ряде случаев показывает, что формы, сходные друг с другом по морфологии гениталий, в действительности представляют собой биологические виды. Однако, такого рода исследования представляют собой чрезвычайно сложную и трудоемкую задачу, в связи с чем проводятся крайне редко. В результате, к настоящему времени значительная часть групп криптических видов цикадовых остается на том же уровне изученности, что и более полувека назад. Попытки разграничить виды или выяснить таксономический статус сомнительных форм, ограничиваясь лишь коллекционным материалом, не дают однозначных результатов, трактовка одних и тех же форм разными авторами нередко бывает диаметрально противоположной, а ключи по таким таксонам обычно содержат многочисленные неточности и практически непригодны для работы.

В подобной ситуации не удивительно, что в числе первых специалистов, занявшихся исследованием сигналов мелких цикадовых, были систематики, работавшие с комплексами морфологических сходных форм. Вскоре в поведенческих экспериментах было показано, что различия в структуре сигналов являются у мелких цикадовых основным прекопуляционным репродуктивным барьером и, таким образом, могут быть использованы для разграничения биологических видов. Однако все имевшиеся в распоряжении зарубежных коллег виброрегистрирующие установки требовали доставки живого материала в лабораторию, что делало невозможным проведение широкомасштабных сравнительных исследований с приемлемыми затратами времени и финансов.

Разработанная нами портативная виброрегистрирующая аппаратура существенно расширила возможности применения биоакустических признаков в систематике Cicadinea. С использованием анализа сигналов нами в объеме фауны России ревизованы рода Macropsis Lew., Hephathus Rib. (Cicadellidae, Macropsinae), Scleroracus Van Duzee (Cicadellidae, Aphrodinae), комплексы близких видов Gargara группы genistae (F.) (Membracidae) и Neoaliturus группы  fenestratus (H.-S.) (Cicadellidae, Aphrodinae). Изучен ряд форм из родов Psammotettix Haupt (Cicadellidae, Aphrodinae), Kybos Fieb. (Cicadellidae, Typhlocybinae), Cicadella Latr. (Cicadellidae, Cicadellinae), Lepyronia Am. et Serv. (Aphrophoridae), в объеме фауны европейской России ревизованы рода Laburrus Rib. (Cicadellidae, Aphrodinae), Macropsidius Rib. (Cicadellidae, Macropsinae) и группа Aphrodes bicinctus (Schrk.) (Cicadellidae, Aphrodinae). Определенных успехов удалось достичь в исследовании криптических видов из группы Oncopsis flavicollis (L.) (Cicadellidae, Macropsinae): к настоящему времени нами на основании исследования призывных сигналов описаны два новых вида с территории России и найдены морфологические признаки для их идентификации по коллекционному материалу. Начата таксономическая обработка Macropsis и Macropsidius зарубежных районов Дальнего Востока и Средней и Центральной Азии.

В целом, результатом данных исследований стало выяснение статуса более 30 непонятных таксонов видового ранга, выявление морфологических признаков для их идентификации, пересмотр данных по их распространению и биологии, а также описание 20 новых для науки видов и выявление около 20 новых синонимов. Это позволило положить конец продолжавшимся в течение многих десятилетий разногласиям в трактовке этих форм и создать надежные основы для их диагностики.

Все работы проводились по единому плану с использованием для решения таксономических проблем биоакустических методов. На первом этапе в ходе полевых исследований производили запись сигналов разных форм. Анализ полученных записей позволял разложить собранный материал по видам, основываясь на биоакустических признаках, то есть исходя из критерия репродуктивной изоляции. Затем проводили сравнительное изучение этого материала и выявляли морфологические признаки, пригодные для видовой диагностики в данной группе. Это, в свою очередь, открывало возможности для работы с коллекционными материалами, в том числе, с типовыми, и позволяло привязать исследованные формы к существующим видовым названиям или выявить виды еще не описанные, а также уточнить их распространение.

В простейшем случае в систематике сложных видовых комплексов приходится иметь дело с формами, достаточно четко различающимися по морфологии или окраске; по некоторым признакам между ними даже нередко существует вполне выраженный хиатус. Тем не менее, эти различия не столь значительны, как между заведомо "хорошими" видами в данной группе, и представляются недостаточными для обоснования их видового статуса. Тут задачи акустического анализа сводятся лишь к проверке видовой самостоятельности таксонов, описанных на основании морфологических различий.

Если различия между формами выражены менее отчетливо, ситуация усложняется, в особенности, когда эти формы обладают сильно развитым полиморфизмом; для цикадовых особенно характерен полиморфизм окраски. В этом случае возникает смесь цветовых или морфологических вариаций, уловить границы между которыми, не зная заранее, какой экземпляр к какому виду принадлежит, практически невозможно. Единственным выходом становится исследование сигналов самцов из разных географических точек или особей, различающихся по окраске и морфологии. Только таким образом удается выявить работающие на видовом уровне морфологические признаки, которые в дальнейшем позволяют приступить к обработке музейного материала.

Приведенные в диссертации примеры из нашей таксономической практики наглядно демонстрируют возможности биоакустического метода в систематике цикадовых при работе с комплексами морфологически сходных  форм, которые, как кажется на первый взгляд, образуют между собой плавные переходы. Выделение видов только на основании морфологических признаков в таких группах практически невозможно, а исследование кормовой специализации дает результаты далеко не всегда. В то же время, анализ сигналов позволяет без труда разложить по видам собранный материал и в дальнейшем найти морфологические признаки, пригодные для видовой диагностики.

Изредка приходится сталкиваться с ситуацией, когда морфологические различия между биологическими видами отсутствуют или настолько незначительны, что разграничение их без исследования сигналов невозможно. На настоящий момент нам известно лишь три подобных примера. Во всех случаях криптические виды удавалось обнаружить исключительно за счет применения биоакустических методов; последующее изучение трофической специализации и распространения подтвердило их видовой статус, однако и теперь, после детального исследования, надежная идентификация таких видов только по морфологическим признакам, при отсутствии данных о сигналах или распространении и кормовых растениях вряд ли возможна.

Совершенно очевидно, что в современной систематике насекомых основной формой накопления и хранения научного материала являются энтомологические коллекции, содержащие высушенные экземпляры или препараты. Таксономический материал в других видах, таких, как расшифрованные нуклеотидные последовательности, препараты кариотипов, или записи акустических сигналов, пока что составляет ничтожный процент в сравнении с коллекциями; по всей вероятности, в обозримом будущем такое соотношение сохранится. Очевидно, что каждый раз с появлением в систематике очередного нового метода переисследовать все таксоны в какой-либо группе организмов с целью проверки их статуса вряд ли целесообразно.

Как показывают наши данные, это справедливо и в отношении цикадовых. Примерно для трети включенных в диссертацию видов у нас имеются записи сигналов из более чем одной географической точки. При этом в нашей практике не было ни одного примера, когда бы морфологически и экологически однородный вид по структуре сигналов неожиданно "распался" на несколько самостоятельных форм видового ранга. Все выявленные криптические виды принадлежат к сложным в таксономическом отношении группам; о том, что в их систематике существует множество нерешенных проблем, было известно задолго до начала наших исследований. Таким образом, наиболее рациональным представляется сосредоточение основных усилий по изучению вибрационных сигналов цикадовых на неоднородных в морфологическом или экологическом отношении таксонах. 

Применение в таксономическом анализе акустических признаков открывает новые возможности в изучении криптических видов, но, вопреки опасениям ряда специалистов-систематиков, отнюдь не ведет к тотальному пересмотру всех накопленных предшествующими исследователями данных. Более того, в некоторых случаях проведенное нами исследование сигналов морфологически неоднородного комплекса форм, напротив, показывало, что они представляют собой единый биологический вид. Поэтому мы не видим оснований не только для конфликта между морфологической и "новой" или "биологической", как ее называют некоторые западные авторы-биоакустики, систематикой, но даже и для разделения или противопоставления этих двух направлений.

Нужно заметить, что в наших таксономических исследованиях акустические признаки носят исключительно вспомогательный характер. Осциллограммы сигналов приводятся лишь как доказательство того или иного статуса таксонов, а не в качестве диагностического признака для их определения. Установление новых таксонов только по сигналам, без включения в первоописание морфологических или экологических признаков, а также составление определительных ключей по сигналам на данном этапе развития регистрирующей и анализирующей техники представляется явно преждевременным.

2. Анализ случаев сходства временного рисунка призывных сигналов

у разных видов цикадовых

Известно, что ни один из таксономических признаков не является универсальным, то есть "работающим" во всех группах и во всех случаях. Акустические сигналы в этом отношении также не составляют исключения. Примеры сходства сигналов у разных видов были неоднократно описаны, в том числе и нами, у саранчовых, листоблошек и других насекомых. Как уже говорилось, временной рисунок сигналов мелких цикадовых отличается необычайной сложностью и разнообразием. Тем не менее, и в этой группе приходится сталкиваться со случаями сходства сигналов у разных, иной раз даже неродственных видов.

Например, у большинства изученных представителей Fulgoroidea, за исключением Delphacidae и Caliscelidae, призывные сигналы достаточно однообразны и представляют собой последовательности простых однотипных пульсов, следующих с более или менее одинаковым периодом повторения. Поэтому, располагая достаточно большой подборкой осциллограмм сигналов фульгороидов, как правило, можно выявить неродственные (даже относящиеся к разным семействам) виды, сигналы которых будут почти неразличимы. По всей вероятности, в данном случае сходство является результатом случайного совпадения временных параметров в однотипных сигналах.

У представителей семейства Delphacidae структура призывных сигналов, напротив, крайне разнообразна. У одних видов призыв состоит из отдельных, следующих с нерегулярными интервалами серий, у других он представляет собой сложные многокомпонентные фразы. Тем не менее, сигналы разных видов нередко бывают сходными по общему плану временного рисунка, а в некоторых случаях – практически неразличимыми.

В частности, в подсемействе Delphacinae сравнительное исследование сигналов позволило выделить четыре их основных типа. В целом, сигналы по крайней мере 19 из 32 изученных нами представителей подсемейства могут быть отнесены к тому или иному типу; сигналы остальных 13 видов (то есть около 40%) не имеют аналогов в нашем материале.

При этом у видов из разных родов рисунок сигналов нередко бывает весьма сходным, в то время как у представителей одного рода он может резко различаться. Группировки родов по признакам структуры сигналов также не согласуются с существующей системой. Таким образом, филогенетические связи разных таксонов Delphacinae по биоакустическим признакам прослеживаются далеко не всегда. Это заставляет предположить, что набор основных моторных программ нейронов, управляющих работой звукового аппарата, сформировался на достаточно ранних этапах эволюции подсемейства. У симпатрических форм, издававших сходные сигналы, эти программы быстро дивергировали и значительно видоизменились под действием конкуренции за каналы акустической связи. Если же какой-либо канал все время была занят только одним видом, временной рисунок его сигнала оставался неизменным, несмотря на эволюцию других признаков. В результате структура сигналов в некоторых случаях осталась сходной у морфологически различающихся форм.

Иногда призывные сигналы могут быть практически идентичными и у видов из одного рода; тут сходство сигналов, по всей видимости, является следствием близкого филогенетического родства. Обычно виды, издающие сходные сигналы, хорошо различаются по морфологии гениталий, но иногда различия между ними могут быть недостаточно отчетливыми. В последнем случае использование только акустических признаков без учета данных по распространению и биологии может привести к неверным таксономическим выводам.

Как показали наши исследования, виды, издающие сходные по структуре сигналы, никогда не вступают в акустический контакт друг с другом за счет аллопатрии, различий в трофической специализации или в биотопической приуроченности. Последнее обычно наблюдается у хортофильных форм, так как у них самцы в период размножения постоянно перелетают с одного растения на другое, исполняя призывный сигнал на каждом из них. При этом они нередко поют и на тех видах растений, которые не пригодны для их питания, поэтому различия в кормовой специализации симпатрических видов в данном случае не обеспечивают их акустической изоляции.

Таким образом, сходство структуры сигналов может быть вызвано, как минимум, тремя разными причинами. Во-первых, иногда оно возникает в результате совпадения параметров сигналов у видов из неродственных групп. Во-вторых, сходство может быть следствием сохранения одной и той же программы работы тимбалов в филогенетических линиях, дивергировавших по другим признакам, в том числе, морфологическим. Наконец, в третьих, практически идентичные по структуре сигналы иногда издают виды из одного рода; причиной сходства в этом случае, по-видимому, можно считать близкое родство между ними.

3. Возможности использования анализа сигналов других функциональных

типов для различения криптических видов цикадовых

Наиболее перспективен в таксономических исследованиях анализ призывных сигналов самцов. Как было неоднократно показано в поведенческих экспериментах, именно различия в их временном рисунке являются прекопуляционным репродуктивным барьером, препятствующим скрещиванию близких видов. Кроме того, сигналы этого типа присутствуют в репертуаре всех видов и издаются спонтанно половозрелым самцом, в связи с чем их регистрация не требует специальной подготовки экспериментов с участием конспецифических рецептивных самок.

Функцию распознавания конспецифической особи у цикадовых выполняет самка, а издаваемые ею ответные сигналы лишь помогают самцу сориентироваться в ее поисках. В связи с этим ответ самки, как правило, представляет собой короткие, часто весьма изменчивые сигналы, плохо различимые у разных видов; столь же невидоспецифичны и сигналы, связанные с конкурентным поведением.

Что же касается сигналов ухаживания, то у морфологически сходных форм они нередко обладают видоспецифической временной структурой. В тех редких случаях, когда призывные сигналы оказываются сходными, для выяснения таксономического статуса близких форм может быть использован сравнительный анализ сигналов ухаживания. Нам приходилось сталкиваться с подобной ситуацией дважды: при исследовании рода Cicadella (Cicadellidae, Cicadellinae) и у двух связанных с родом Populus (Salicaceae) видов Macropsis (Cicadellidae, Macropsinae). В обоих случаях разные виды были акустически изолированы, в связи с чем их призывные сигналы имели сходный временной рисунок, в то время как сигналы ухаживания отчетливо различались.

* * *

Суммируя все изложенное в данной главе, можно сделать следующее заключение. Использование анализа вибрационных сигналов в систематике цикадовых для различения криптических видов и выяснения статуса сомнительных форм видового ранга позволяет решать сложные таксономические проблемы в тех случаях, когда морфологические и экологические исследования не дают однозначного результата. Наиболее перспективно использование в таксономическом анализе призывных сигналов, так как они присутствуют в репертуаре всех видов, а различия в их структуре представляют собой основной прекопуляционный репродуктивный барьер. Сигналы ухаживания, издаваемые самцом, находящимся рядом с самкой, в последние моменты перед копуляцией, также обладают видоспецифической структурой. В то же время, сигналы других типов (ответ самки, сигналы, связанные с конкурентными взаимодействиями, сигналы протеста) с одной стороны, довольно однообразны у разных видов, а с другой – весьма изменчивы, что не позволяет использовать их в систематике на видовом уровне. 

Изучение случаев сходства временного рисунка призывных сигналов у разных видов позволяет также сформулировать второе выносимое на защиту положение.

У видов, не вступающих в естественных условиях в акустический контакт друг с другом вследствие аллопатрии, различий в трофической специализации, биотопических предпочтениях или по каким-либо иным причинам, временной рисунок призывных сигналов может быть практически идентичным. В связи с этим сходство временного рисунка сигналов у форм, не вступающих в акустический контакт, не является доказательством их конспецифичности.

Глава 4. Использование акустических признаков в систематике высших таксонов цикадовых.

В настоящее время система высших таксонов цикадовых находится в стадии разработки. Общепринятого мнения относительно статуса и родственных связей целого ряда триб, подсемейств и даже семейств до сих пор не существует. Долгое время все филогенетические реконструкции в этой области основывались исключительно на морфологических признаках, в последние два десятилетия к анализу начали также привлекать кариологические и молекулярные данные, что позволило получить дополнительные аргументы в пользу одной из альтернативных точек зрения и сделать таксономические построения более обоснованными.

Попытки использования с этой целью акустических признаков до начала наших исследований не предпринимались. Напротив, считалось, что их применение в систематике на надвидовом уровне не имеет перспектив из-за широкого распространения случаев параллелизма, особенно в структуре призывных сигналов. Однако в действительности, некоторые акустические признаки оказываются достаточно устойчивыми в пределах таксонов группы семейства и, таким образом, могут успешно использоваться при выяснении их статуса и родственных связей.

Основная часть главы представляет собой описание структуры сигналов и системы коммуникации в изученных нами группах; раздел по каждому таксону включает также обзор взглядов других авторов относительно его статуса и родственных связей и наше мнение по этому вопросу, основанное на данных биоакустики.

Характеристика системы коммуникации изученных высших таксонов цикадовых с обсуждением их статуса и родственных связей

1. НАДСЕМЕЙСТВО MEMBRACOIDEA

Семейство Cicadellidae

Cicadellidae – самое большое семейство цикадовых, в настоящее время в нем описано более 50 подсемейств, многие из которых подразделяются на значительное число триб. Некоторые авторы объединяют подсемейства цикаделлид в несколько групп, не имеющих определенного таксономического ранга, мы в своей работе следуем их примеру.

Группа подсемейств CICADELLIDES

Подсемейство Cicadellinae

Изучены сигналы представителей триб Cicadellini, Errhomenini, Evacanthini и Mileewini.

При издавании сигналов Cicadellini отчетливо вибрируют брюшком в вертикальной плоскости; вероятно, именно тремуляционные движения играют основную роль в генерации сигнала. Тремуляционный механизм представляет собой у насекомых один из наиболее примитивных способов издавания сигналов, т.к. не требует наличия специализированного звукового аппарата. Этим Cicadellini отличаются от прочих Cicadellinae, что указывает на архаичность этой трибы и подтверждает предположение ряда авторов о ее обособленности. С другой стороны, преобладание в сигналах представителей всех изученных триб компонентов с линейчатым спектром (явление среди цикадовых довольно редкое) несомненно свидетельствует в пользу их родства друг с другом.

Если вслед за Янгом (Young, 1968)  рассматривать Cicadellinae в узком объеме, все исключенные из его состава трибы могут быть объединены в близкое к ним отдельное подсемейство; его валидным названием станет Errhomeninae, а в целом рассматриваемые таксоны будут сгруппированы следующим образом:

П/сем. Cicadellinae (трибы Cicadellini и Proconiini) 

П/сем. Errhomeninae (трибы Evacanthini, Errhomenini, Mileewini, Pagaroniini  и др.).

Подсемейство Typhlocybinae

Изучены сигналы представителей пяти триб, которые по особенностям системы коммуникации можно объединить в три группы.

Первую образуют Alebrini и Empoascini: они отличаются от прочих представителей подсемейства своеобразным ритуалом ухаживания (так называемыми "танцевальными движениями", которые совершает самец, приближаясь к самке), кроме того, сигнал ухаживания у них плохо выражен и не образует единого целого с призывным.

Вторая группа включает Erythroneurini и Dikraneurini; у представителей этих групп самец, ухаживая за самкой, не "танцует", а сигнал ухаживания состоит из призыва и дополнительного фрагмента, образующих единое целое.

Третья группа включает единственную трибу Typhlocybini. У них самец не совершает "танцевальных движений", а сигнал ухаживания по структуре не имеет с призывным ничего общего.

Typhlocybinae представляют собой высокоспециализированную группу, отличающуюся от остальных Cicadellidae рядом морфологических и анатомических черт. Единого мнения относительно их положения в системе в настоящее время не существует: разные авторы помещают Typhlocybinae в разные группы подсемейств, создают для них отдельную группу или признают, что происхождение и родственные связи этого таксона неясны. Общей чертой всех  Typhlocybinae является преобладание в сигналах компонентов с линейчатым частотным спектром; эта особенность сближает их с Cicadellinae s. l. и дает основание объединить все рассмотренные выше таксоны в группу семейств Cicadellides.

Группа подсемейств IASSIDES

Подсемейство Aphrodinae

Одно из крупнейших подсемейств Cicadellidae, подразделяется на значительное число триб, объем и родственные связи которых окончательно не установлены; некоторые из них иногда рассматриваются в ранге самостоятельных подсемейств. Большинство изученных нами триб может быть объединено в несколько групп.

Первую из них образуют Aphrodini, Deltocephalini, Paralimnini и Macrostelini. В каждой из этих триб присутствуют виды, издающие сложные призывные сигналы, состоящие из невидоспецифической изменчивой трели и следующего за ней стабильного по структуре фрагмента. Поскольку вряд ли можно представить конвергентное возникновение столь сложных сигналов, остается заключить, что эти трибы представляют собой родственные группы. Aphrodini долгое время рассматривались в ранге самостоятельного подсемейства, все прочие трибы объединялись в обширное подсемейство Deltocephalinae. Гамильтон (Hamilton, 1975) включил Aphrodinae в состав Deltocephalinae; формальным результатом такой перестановки стало изменение валидного названия этого огромного подсемейства: Aphrodinae вместо Deltocephalinae. По акустическим признакам Aphrodini, как уже говорилось, не отличаются от Deltocephalinae s. str.; таким образом, мнение Гамильтона о единстве этих двух групп подкрепляется данными биоакустики.

Одни авторы включает в Deltocephalini только формы, имеющие коннектив, сросшийся с основанием пениса, другие объединяют их с Paralimnini. Мы не беремся судить, насколько правомерно формальное объединение этих триб, однако акустические признаки свидетельствуют об их близком родстве.

Следующую группу образуют Opsiini и Goniagnathini. Большинство авторов признают их самостоятельность, однако в работе Гамильтона (Hamilton, 1975) первая из них была расформирована, а вторая слита с Selenocephalini (здесь рассматриваются как Selenocephalinae). Сходство структуры и репертуара сигналов Opsiini и Goniagnathini позволяет предположить, что они представляют собой близкородственные группы; к такому же выводу приходят Емельянов и Кириллова (1989) на основании анализа кариологических данных. Таксономические перестановки, произведенные в вышеупомянутой работе Гамильтона, акустическими признаками не подтверждаются.

Третья группа включает Hecalini, Eupelicini, Dorycephalini, Doraturini (=Chiasmini) и монотипную трибу Anoterostemmatini.  Одни авторы считают их трибами в подсемействе Deltocephalinae (здесь – Aphrodinae), другие возводят часть из них в ранг подсемейств, Гамильтон (Hamilton, 1983) помещает Dorycephalini в Cicadellinae. Мнения относительно положения Anoterostemmatini особенно противоречивы, их обзор приведен в одной из наших статей (Тишечкин, 2005).

Призывные сигналы Eupelicini, Dorycephalini, Hecalini, Anoterostemmatini и Doraturini, включая аномальный род Chiasmus M.R., весьма схожи. Как правило, они состоят из повторяющихся серий с простым временным рисунком, который остается постоянным или слегка меняется от начала к концу сигнала. Кроме того, у некоторых видов ярко выражено конкурентное поведение, причем у самок оно может быть не менее развитым, чем у самцов.  Все это свидетельствует в пользу близкого родства между рассматриваемыми группами.

Положение Koebeliini по акустическим признакам определить не удается. Нами изучен только род Grypotes Fieb., выделявшийся большинством авторов в монотипную трибу Grypotini с неясными филогенетическими связями. Гипотеза Гамильтона (Hamilton, 1975) о родстве Anoterostemma Lw и Grypotes не подтверждается акустическими данными, более обоснованным представляется объединение последнего с рядом близких форм в трибу с валидным названием Koebeliini (Dietrich, Dmitriev, 2003).

Завершают список Athysanini и нередко объединяемые с ними Cicadulini и Platymetopiini; судя по акустическим признакам, последние заслуживают статуса самостоятельных триб, не исключено даже, что филогенетически они достаточно далеки друг от друга. Fieberiellini мы вслед за Гамильтоном (Hamilton, 1975) включаем в Platymetopiini, так как по структуре системы коммуникации эти таксоны неразличимы.

Подсемейство Selenocephalinae

Одни исследователи считают Selenocephalinae отдельным подсемейством, другие включают их в Aphrodinae (Deltocephalinae auct.) или Scarinae. Наши данные по сигналам представителей этой группы весьма фрагментарны, но свидетельствует о ее разнородности, что согласуется с позицией авторов, рассматривающих Selenocephalinae в ранге подсемейства и подразделяющих их на значительное число триб.

Подсемейства Iassinae и Penthimiinae

Одни авторы помещают оба подсемейства в группу Ulopides, другие, оставляя Iassinae среди Ulopides, сближают Penthimiinae с Aphrodinae (Deltocephalinae auct.). Гамильтон (Hamilton, 1983) сохраняет за Iassinae статус подсемейства, а Penthimiinae включает в Scarinae. Ракитов (Rakitov, 1998) объединяет Iassinae, Penthimiinae, Aphrodinae, Deltocephalinae и некоторые другие подсемейства в группу Iassides.

Для Ulopides характерны сложные призывные сигналы и хорошо развитое конкурентное поведение, кроме того, обычно в их репертуаре присутствуют сигналы ухаживания или копуляционные сигналы. Система коммуникации Iassinae построена совершенно иначе и весьма сходна с таковой Aphrodinae. Простой временной рисунок сигналов Penthimiinae свидетельствует в пользу того, что эта группа также близка к Aphrodinae. На основании этого мы включаем Penthimiinae и Iassinae вместе с Aphrodinae и Selenocephalinae в группу подсемейств Iassides.

Группа подсемейств ULOPIDES

Подсемейство Idiocerinae

В сигналах Idiocerinae присутствуют компоненты, издаваемые с помощью тремуляционного механизма, что свидетельствует об архаичности данного подсемейства и подтверждает точку зрения авторов, помещающих Idiocerinae в начало системы Ulopides.

Подсемейства Macropsinae и Agalliinae

Большинство специалистов считают эти таксоны сестринскими группами. Об этом же свидетельствует преобладание в обоих подсемействах призывных сигналов со сложным временным рисунком и шумовым спектром, а также наличие в репертуаре сигналов ухаживания и/или копуляционных сигналов. Основное различие между этими группами состоит в гораздо менее развитом у Agalliinae конкурентном поведении.

Подсемейство Adelungiinae

Близки к Agalliinae и считаются или входящей в их состав трибой, или отдельным подсемейством. По акустическим признакам Agalliinae и Adelungiinae различаются на том же уровне, что и другие подсемейства Ulopides. Таким образом, по нашему мнению, эти две группы должны рассматриваться скорее в ранге подсемейств, нежели триб.

Подсемейства Megophthalminae и Ulopinae

Как правило, Ulopinae считаются или одним из наиболее примитивных подсемейств, стоящих в основании общего филогенетического ствола Cicadellidae, или отдельным семейством, являющимся сестринской группой цикаделлид. Megophthalminae нередко располагаются рядом с Ulopinae; одновременно с этим, почти все авторы указывают на их сходство с Agalliinae. Согласно альтернативной гипотезе, Ulopinae и Megophthalminae ведут свое начало из группы Ulopides; таким образом, они перемещаются из основания общего ствола цикаделлид в одну из его ветвей; в пользу этого предположения свидетельствуют и акустические данные.

Семейство Membracidae

Большая, преимущественно тропическая группа, нами изучены сигналы представителей подсемейств Centrotinae и Smiliinae.

Традиционно Membracidae считались сестринской группой Cicadellidae, однако недавно было высказано предположение, что они представляют собой специализированную эволюционную линию, ведущую свое начало не от их общего основания, а  от группы Ulopides.

Как временной рисунок, так и набор функциональных типов сигналов Membracidae не уникальны для Membracoidea и не позволяют провести каких-либо границ между ними и Cicadellidae. У изученных представителей Membracidae так же, как у Ulopinae и Megophthalminae, ухаживание сопровождается своеобразными движениями, что, вероятно, свидетельствует о родстве между этими тремя группами и подтверждает гипотезу о происхождении Membracidae от Ulopides.

2. НАДСЕМЕЙСТВО CERCOPOIDEA

Изучены сигналы представителей семейств Cercopidae, Aphrophoridae (трибы Aphrophorini, Lepyroniini и Philaenini) и Machaerotidae.

Наиболее архаичным среди церкопоидов представляется семейство Cercopidae, так как все изученные его представители издают сигналы, по крайней мере, отчасти, при помощи тремуляционного механизма.

Три изученные трибы Aphrophoridae отчетливо различаются по структуре и репертуару сигналов. Это дает возможность использовать акустические признаки для выяснения трибальной принадлежности тех групп Aphrophoridae, таксономическое положение которых в настоящее время остается неясным.

Трибы Aphrophoridae по акустическим признакам отличаются друг от друга на том же уровне, что и от Machaerotidae. Возможно, этот факт можно рассматривать как подтверждение мысли Гамильтона (Hamilton, 2001) о том, что Aphrophoridae представляют собой сборный таксон, то есть не являются естественной группой.

3. НАДСЕМЕЙСТВО CICADOIDEA

Семейство Cicadidae

Крайне специализированная, сильно уклоняющаяся ветвь цикадовых, перешедшая от вибрационной коммуникации к звуковой и поэтому не являющаяся объектом наших исследований. Связи Cicadidae с прочими цикадовыми прослеживаются через реликтовое семейство Tettigarctidae (Cicadoidea), представители которого, будучи морфологически сходны с певчими цикадами, используют вибрационную коммуникацию и лишены слуховых органов.

4. НАДСЕМЕЙСТВО FULGOROIDEA

Семейство Delphacidae

Исследованы сигналы представителей подсемейств Kelisiinae, Stenocraninae и Delphacinae. Амплитудно-временной рисунок призывных сигналов в этой группе весьма разнообразен и нередко достигает большой сложности, а у самцов большинства видов сильно развито конкурентное поведение и сигналы соответствующих типов; это резко отличает Delphacidae от прочих Fulgoroidea.

Семейство Cixiidae

Изучены представители триб Oecleini,  Cixiini и Pentastirini. Их призывные сигналы представляют собой последовательности серий или фразы. За редким исключением, они состоят из коротких однотипных пульсов, сходных по структуре у разных видов. Сигналы других типов у Cixiidae зарегистрированы не были.

Семейство Derbidae

Преимущественно тропическая группа, нами исследованы три вида рода Cedusa Fouwler, их призывные сигналы состоят из однотипных серий, различающихся только по длительности. Сигналов других типов у представителей семейства не регистрировали.

Семейство Dictyopharidae

Изучены сигналы представителей подсемейств Dictyopharinae и Orgeriinae, их призывные сигналы представляют собой непродолжительные трели коротких пульсов, часто сходные у разных видов. Самцы Orgeriinae также могут издавать сигналы агрессии, у Dictyopharinae сигналов других типов не регистрировали.

Семейство Tropiduchidae

Изучен один из двух представленных в нашей фауне видов – Trypetimorpha occidentalis Huang, Bourgoin. Призывные сигналы сходны с таковыми прочих фульгороидов, за исключением Delphacidae и Caliscelidae. Самцы, находящиеся на одном стебле, могут петь поочередно, но сигналов других типов не издают.

Семейство Issidae

По структуре призывных сигналов не отличаются от большинства других фульгороидов (Cixiidae, Dictyopharidae и пр.). Конкурентные взаимодействия между самцами, как правило, ограничиваются попеременным издаванием призыва.

Семейство Caliscelidae

Изучены представители подсемейств Caliscelinae и Ommatidiotinae. Призывные сигналы Caliscelidae представляют собой сложные многокомпонентные фразы, кроме того, у самцов наблюдается ярко выраженное конкурентное поведение, сопровождающееся издаванием сигналов соответствующих типов.

Долгое время Caliscelidae включались в Issidae на правах подсемейства, и лишь сравнительно недавно некоторые авторы на основании изучения морфологических и молекулярных признаков выдвинули предположение об их самостоятельности. Резкие различия между Caliscelidae и Issidae s. str. по акустическим признакам подтверждают эту точку зрения.

Ommatidiotinae отличаются от Caliscelinae наличием территориальных сигналов у самок и крайне своеобразным механизмом их издавания (потирание о субстрат створками яйцеклада). Это согласуется с мнением Емельянова (Emelyanov, 1999), считающего одним из диагностических признаков Ommatidiotinae своеобразное строение яйцеклада.

В отличие от Membracoidea и Cercopoidea, большинство высших таксонов фульгороидов практически неразличимо по акустическим признакам. Сигналы всех изученных видов имеют шумовой частотный спектр. Для представителей пяти из семи изученных семейств (Cixiidae, Derbidae, Dictyopharidae, Tropiduchidae, Issidae) характерны призывные сигналы с простым и однотипным временным рисунком, как правило, представляющие собой последовательности коротких пульсов.

Значительно отличаются от других Fulgoroidea только Delphacidae и Caliscelidae. И в той и в другой группе преобладают сложные многокомпонентные призывные сигналы; кроме того, представители обоих семейств в большинстве своем обладают хорошо развитым конкурентным поведением. К сожалению, недостаток материала, в первую очередь, данных о сигналах представителей архаичных таксонов Delphacidae, стоящих в основании их филогенетического ствола, не позволяет как-либо интерпретировать сходство этих двух групп.

* * *

В целом, полученные данные позволяют сформулировать третье выносимое на защиту положение.

У цикадовых различия по акустическим признакам могут проявляться не только между видами, но также между семействами, подсемействами и трибами, что позволяет использовать данные биоакустики в систематике высших таксонов Cicadinea.

Если на видовом уровне основным таксономическим признаком у цикадовых являются особенности временного рисунка призывных сигналов, то набор акустических признаков, которые могут быть использованы в систематике высших таксонов, намного шире. При оценке статуса и родственных связей триб, подсемейств и семейств необходимо учитывать различия в репертуаре сигналов, соотношение структуры сигналов разных типов (наличие/отсутствие в них идентичных компонентов), особенности ритуала ухаживания, механизм генерации сигналов (тимбальный или тремуляционный), тип частотного спектра (шумовой или линейчатый) и, наконец, признаки структуры призывных сигналов (несмотря на их разнообразие, в ряде групп общий план временного рисунка сигналов прослеживается совершенно четко).

Следует подчеркнуть, что изредка встречающиеся у Cicadellidae резко уклоняющиеся варианты структуры системы коммуникации, а именно, повышенная акустическая активность самок, за счет которой партнеры отчасти меняются ролями, или явно вторичная редукция ответных сигналов, не могут быть использованы в систематике, так как возникают в пределах небольших групп родов или видов.

Возможности использования акустических признаков в разных надсемействах весьма различны. У Membracoidea и Cercopoidea акустические различия наблюдаются практически между всеми группами до уровня триб, у Fulgoroidea, за редким исключением, как репертуар, так и структура сигналов, напротив, отличаются простотой и однообразием.

В целом, использование результатов биоакустического анализа в систематике высших таксонов цикадовых весьма перспективно. При существующих разногласиях по поводу статуса и родственных связей большинства групп он может предоставить дополнительные, основанные на изучении еще одной, принципиально иной группы признаков аргументы в пользу одной из альтернативных точек зрения. Нужно отметить, что все произведенные нами таксономические перестановки уже были предложены кем-либо из предшествующих авторов, поэтому полученные результаты в каждом случае лишь подтверждают одну из конкурирующих гипотез, тем самым, способствуя стабилизации системы. Это, безусловно, свидетельствует о том, что акустические признаки действительно "работают" в систематике высших таксонов цикадовых. Напротив, если бы построенная нами система, отличалась от всех предыдущих, это, скорее всего, указывало бы на то, что применение акустических признаков в данном случае бесперспективно.

Полученные данные также позволяют сформулировать гипотезу о путях формирования и развития акустической коммуникации у Cicadinea. Вероятно, изначально у них существовал тремуляционный механизм генерации сигналов, а акустической средой для них являлся твердый субстрат, то есть коммуникация была вибрационной. Ныне эта ситуация сохранилась лишь в наиболее архаичных группах. На втором этапе колебания брюшка в результате тремуляционных движений, по-видимому, привели к специализации ряда склеритов и преобразованию их в тимбалы, однако коммуникация осталась вибрационной; это состояние характерно для большинства современных таксонов. Наконец, на третьем этапе тимбальный аппарат в ходе дальнейшей специализации претерпел ряд изменений, и коммуникация стала звуковой; одновременно возникли специализированные тимпанальные органы для восприятия звуковых колебаний. Такой вариант наблюдается лишь в одной сильно уклонившейся и крайне специализированной ветви – у певчих цикад (семейство Cicadidae).

ВЫВОДЫ

1. Сравнительное исследование вибрационных сигналов 327 видов цикадовых фауны России и ближнего зарубежья, принадлежащих к 13 семействам, позволило охарактеризовать особенности структуры сигналов и системы вибрационной коммуникации в этой группе.

2. Впервые показано, что мелкие цикадовые способны издавать сигналы не только с шумовым, но и с линейчатым частотным спектром, в связи с чем имеющиеся в литературе предположения о неадаптивности использования насекомыми тональных сигналов для вибрационной коммуникации теряют убедительность.

3. Большинство мелких Cicadinea при встрече особей противоположного пола использует двустороннюю акустическую сигнализацию, ведущая роль в которой принадлежит самцу;  распознавание конспецифического партнера по структуре сигналов осуществляет самка. Другие стратегии коммуникации представляют собой в данной группе крайне редкое и, по-видимому, вторичное явление.

4. Система коммуникации у изученных видов мелких цикадовых насчитывает не менее семи функциональных типов сигналов; акустический репертуар одного вида обычно включает от двух до пяти типов. Впервые показано, что при конкурентных взаимодействиях самцы некоторых цикадовых могут издавать специализированные сигналы, служащие для заглушения призывных сигналов других особей, то есть для постановки помех.

5. Степень изменчивости структуры призывных сигналов у цикадовых значительно выше, чем у представителей других групп насекомых. Нередко у них наблюдается наличие в песне факультативных компонентов, присутствующих не во всех сигналах данного вида или особи, а также резкое увеличение интервалов между фрагментами фразы, приводящее к ее распаду на отдельные серии. Это явление необходимо учитывать при использовании анализа сигналов в систематике на видовом уровне.

6. Проведенное у 105 видов исследование сигналов особей из двух и более удаленных друг от друга географических точек показало, что географическая изменчивость призывных сигналов у цикадовых представляет собой крайне редкое явление. Как правило, структура сигналов остается неизменной на протяжении многих сотен и даже тысяч километров ареала.

7. Использование акустического анализа в систематике близких видов цикадовых при выяснении таксономического статуса сомнительных форм видового ранга и различении криптических видов весьма перспективно, так как позволяет разграничивать биологические виды, исходя из критерия их репродуктивной изоляции.

8. Наиболее надежным акустическим признаком для различения криптических видов цикадовых является амплитудно-временная структура призывных сигналов. При этом, присутствие в различающихся по временному рисунку сигналах идентичных фрагментов, как правило, свидетельствует об их конспецифичности. В то же время, наличие или отсутствие в сигнале дополнительного компонента не является видовым признаком.

9. У видов, не вступающих в естественных условиях в акустический контакт друг с другом вследствие аллопатрии, различий в трофической специализации, биотопических предпочтениях или по каким-либо иным причинам, структура призывных сигналов может быть практически идентичной. В связи с этим сходство временного рисунка сигналов у таких форм не является доказательством их конспецифичности.

10. Сравнительный анализ структуры сигналов различных типов показал, что видоспецифическими признаками, помимо призывных сигналов самцов, обладают также сигналы ухаживания. Сигналы, связанные с конкурентными взаимодействиями, а также ответные сигналы самок, как правило, сходны у близких видов и могут не иметь видоспецифических различий.

11. Можно предположить, что изначально цикадовые издавали вибрационные сигналы при помощи тремуляционных движений, которые способствовали специализации ряда склеритов и преобразованию их в тимбалы. Издавание вибрационных сигналов при помощи тимбалов наблюдается в настоящее время у подавляющего большинства цикадовых. Лишь одна крайне специализированная ветвь, а именно, певчие цикады (Cicadidae) перешла от вибрационной коммуникации к звуковой, что повлекло за собой изменения в строении звукового аппарата и возникновение специализированных слуховых органов.

12. В надсемействах Membracoidea и Cercopoidea акустические различия наблюдаются между большинством таксонов группы семейства, что дает возможность использовать биоакустические признаки в систематике на уровне триб, подсемейств и семейств. При существующей нестабильности системы высших таксонов цикадовых это позволяет получить дополнительные независимые аргументы в пользу одной из альтернативных точек зрения, что способствует стабилизации системы.

13. В надсемействе Fulgoroidea структура системы коммуникации и временной рисунок призывных сигналов представителей большинства семейств весьма однотипны. Исключения составляют Delphacidae и Caliscelidae, резко отличающиеся по этим признакам от остальных Fulgoroidea.

14. Сравнительный анализ структуры сигналов и системы коммуникации Cicadinea позволил уточнить таксономический статус и положение в системе ряда таксонов группы семейства, и подтвердить гипотезы, выдвинутые предшествующими исследователями на основании изучения других признаков. Это свидетельствует о перспективности использования биоакустических признаков в систематике высших таксонов цикадовых.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение содержит иллюстрированные описания сигналов 327 видов цикадовых, а также данные о местах их сбора, условиях записи и ссылки на литературные источники, где были опубликованы осциллограммы их сигналов. Там же приводится сопровождающийся географической картой  полный перечень точек, в которых производился сбор материала.

Список опубликованных работ по теме диссертации

  1. Жантиев Р.Д., Тишечкин Д.Ю. 1989. Акустическая сигнализация цикадок рода Macropsis Lew. (Homoptera, Cicadellidae) // Энтомол. обозр. Т.68. Вып.3. С.469-476. 
  2. Тишечкин Д.Ю. 1989. Акустическая сигнализация листоблошек  (Homoptera, Psyllinea) Московской области // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 16, биология. № 4. C.20-24. 
  3. Тишечкин Д.Ю. 1989. Акустическая сигнализация цикадок подсемейства Typhlocybinae (Homoptera, Cicadinea, Cicadellidae) // Биологические науки. № 12. C.24-29. 
  4. Тишечкин Д.Ю. 1991. Акустическая сигнализация  цикадок  подсемейства Aphrodinae (Homoptera, Cicadellidae) // Вестн. Моск. ун-та. Сер.16, биология. № 4. C.46-52. 
  5. Тишечкин Д.Ю. 1992. Акустическая сигнализация  цикадок  трибы Doraturini (Homoptera, Cicadellidae, Deltocephalinae) // Вестн. Моск. ун-та. Сер.16, биология. № 1. C.46-51. 
  6. Тишечкин Д.Ю. 1992. Новый вид цикадок рода Oncopsis (Homoptera, Cicadinea, Cicadellidae) с Северного Кавказа // Зоол. журн. Т.71. Вып.4. С.141-144. 
  7. Тишечкин Д.Ю. 1992. Акустическая сигнализация цикадок трибы Paralimnini (Homoptera, Cicadellidae, Deltocephalinae)// Зоол. журн. Т.71. Вып.5. С.58-65. 
  8. Tishechkin D.Yu., Zhantiev R.D. 1992. Acoustic communication in Cicadellidae // 8th International Meeting on Insect Sound and Vibration. Pommersfelden. P.73.
  9. Тишечкин Д.Ю. 1993. Обзор живущих на облепихе видов рода Macropsis (Homoptera, Cicadellidae, Macropsinae) с описанием нового вида // Зоол. журн. Т.72. Вып.2. С.54-60. 
  10. Тишечкин Д.Ю. 1994. Адаптивные особенности и пути эволюции системы акустической коммуникации цикадок подсемейства Macropsinae (Homoptera, Cicadellidae) // Энтомол. обозр. Т.73. Вып.1. С.3-15. 
  11. Тишечкин Д.Ю. 1994. Новый вид цикадок рода Mocuellus (Homoptera, Cicadinea, Cicadellidae) из Северной Осетии // Зоол. журн. Т.73. Вып.5. С.115-117. 
  12. Тишечкин Д.Ю. 1994. К систематике палеарктических видов рода Macropsis (Homoptera, Cicadellidae, Macropsinae) // Зоол. журн. Т.73. Вып.7-8. С.42-51. 
  13. Тишечкин Д.Ю. 1994. Три новых вида цикадок рода Macropsis (Homoptera, Cicadellidae, Macropsinae) из России и с сопредельных территорий // Зоол. журн. Т.73. Вып.9. С.33-42.
  14. Тишечкин Д.Ю. 1996. Новые дальневосточные виды цикадок рода Macropsis (Homoptera, Cicadellidae, Macropsinae), трофически связанные с ивами // Зоол. журн. Т.75. Вып.3. С.358-368.
  15. Тишечкин Д.Ю. 1996. Акустическая коммуникация и система высших таксонов цикадок подсемейства Typhlocybinae (Homoptera, Cicadellidae) и родственных групп // Зоол. журн. Т.75. Вып.7. С.1007-1020.
  16. Тишечкин Д.Ю. 1997. К систематике цикадок рода Macropsis (Homoptera, Cicadellidae, Macropsinae) Забайкалья и Дальнего Востока России // Зоол. журн. Т.76. № 2. C.157-167.
  17. Тишечкин Д.Ю. 1997. Призывные сигналы самцов цикадовых семейства Cixiidae (Homoptera, Cicadinea) в сравнении с сигналами некоторых других фульгороидов (Homoptera, Cicadinea, Fulgoroidea)// Зоол. журн. Т.76. № 9. C.1016-1024.
  18. Тишечкин Д.Ю. 1998. Новые данные по систематике цикадок рода Macropsis (Homoptera, Cicadellidae, Macropsinae) из восточных районов России и с сопредельных территорий // Зоол. журн. Т.77. № 4. C.417-430.
  19. Тишечкин Д.Ю. 1998. Акустические сигналы и морфологические особенности цикадок группы Aphrodes bicinctus (Homoptera, Cicadellidae) из европейской части России // Зоол. журн. Т.77. № 6. C.669-676.
  20. Тишечкин Д.Ю. 1998. Акустические сигналы цикадовых семейства Issidae (Homoptera, Cicadinea) в сравнении с сигналами других Fulgoroidea и замечания о таксономическом статусе подсемейства Caliscelinae // Зоол. журн. Т.77. № 11. C.1257-1265.
  21. Tishechkin D.Yu. 1998. A new species of the genus Pediopsis (Homoptera: Cicadinea: Cicadellidae: Macropsinae) from Malaysia // Russian Entomol. J. Vol.7. 1997 (for 1998). No.3-4. P.29-30.
  22. Tishechkin D.Yu. 1999. Review of the species of the genus Macropsis Lewis, 1834 (Homoptera: Cicadellidae: Macropsinae) from the Russian Far East and adjacent territories of Transbaikalia // Russian Entomological J. Vol.8. No.2. P.73-113.
  23. Тишечкин Д.Ю. 1999. Об изменчивости акустических сигналов и некоторых морфологических признаков Psammotettix striatus (Homoptera, Cicadellidae) с территории России и сопредельных стран // Зоол. журн. Т.78. № 11. С.1298-1305.
  24. Tishechkin D.Yu. 1999. Review of the species of the genus Hephathus Ribaut, 1952 (Homoptera: Cicadellidae: Macropsinae) from the territory of Russia with notes on other Palaearctic species of the genus // Russian Entomological J. Vol.8. No.4. P.239-252.
  25. Tishechkin D.Yu. 2000. Vibrational communication in Aphrodinae leafhoppers (Deltocephalinae auct., Homoptera: Cicadellidae) and related groups with notes on>
  26. Тишечкин Д.Ю. 2000. О таксономическом статусе Cicadella lasiocarpae (Homoptera, Cicadellidae) // Зоол. журн. Т.79. № 7. С.863-867.
  27. Tishechkin D.Yu. 2001. Vibrational communication in Cicadellinae sensu lato and Typhlocybinae leafhoppers (Homoptera: Cicadellidae) with notes on>
  28. Tishechkin D.Yu. 2002. Review of the species of the genus Macropsis Lewis, 1834 (Homoptera, Cicadellidae, Macropsinae) from European Russia and adjacent territories // Russian Entomological J. Vol.11. No.2. P.123-184.
  29. Тишечкин Д.Ю. 2002. Обзор видов рода Laburrus (Homoptera, Cicadellidae) европейской России // Зоол. журн. Т.81. № 7. С.797-810.
  30. Тишечкин Д.Ю. 2002. К систематике цикадок подсемейства Macropsinae (Homoptera, Cicadellidae) восточных районов Палеарктики // Зоол. журн. Т.81. № 11. С.1329-1337.
  31. Тишечкин Д.Ю. 2002. Новые данные по систематике цикадок рода Kybos (Homoptera, Cicadellidae, Typhlocybinae) из центральных районов европейской части России // Зоол. журн. Т.81. № 11. С.1398-1401.
  32. Tishechkin D.Yu. 2003. Vibrational communication in leafhoppers from Ulopides subfamilies group (Homoptera: Cicadellidae) and Membracidae with notes on>
  33. Tishechkin D.Yu. 2003. Vibrational communication in Cercopoidea and Fulgoroidea (Homoptera: Cicadina) with notes on>
  34. Тишечкин Д.Ю. 2003. Обзор видов рода Scleroracus (Homoptera: Cicadellidae) с территории России // Зоол. журн. Т.82. № 12. С.1434-1444.
  35. Тишечкин Д.Ю. 2004. Новые данные по систематике и распространению дальневосточных видов рода Macropsis (Homoptera: Cicadellidae) // Зоол. журн. Т.83. № 1. С.49-53.
  36. Тишечкин Д.Ю. 2004. О таксономическом статусе дальневосточных популяций Lepyronia coleoptrata (L.) (Homoptera: Aphrophoridae) // Зоол. журн. Т.83. № 3. С.363-366.
  37. Тишечкин Д.Ю. 2005. К систематике Gargara genistae (Homoptera, Membracidae) и близких видов фауны России и сопредельных стран // Зоол. журн. Т.84. № 2. С.172-180.
  38. Тишечкин Д.Ю. 2005. Описание вибрационных акустических сигналов Anoterostemma ivanoffi (Homoptera, Cicadellidae) с замечаниями о таксономическом положении трибы Anoterostemmatini // Зоол. журн. Т.84. № 11. С.1319-1324.
  39. Tishechkin D.Yu. 2006. Acoustic characters in the>
  40. Tishechkin D.Yu. 2006. Vibratory communication in Psylloidea (Homoptera) // Insect sounds and communication. Physiology, behaviour, ecology and evolution. Eds.: S. Drosopoulos, M.F. Claridge. CRC Press, Taylor and Francis Group, Boca Raton, London, New York. P.357-363.
  41. Тишечкин Д.Ю. 2006. Цикадки рода Macropsidius (Homoptera, Cicadellidae) европейской части России // Зоол. журн. Т.85. № 4. С.470-478.
  42. Tishechkin D.Yu. 2006. On the structure of stridulatory organs in jumping plant lice (Homoptera: Psyllinea) // Russian Entomol. J. Vol.15. No.3. P.335-340.
  43. Тишечкин Д.Ю. 2007. Новые данные по систематике цикадок рода Macropsidius (Homoptera, Cicadellidae, Macropsinae) // Зоол. журн. Т.86. № 2. С.204-210.
  44. Tishechkin D.Yu. 2007. Background noises in vibratory communication channels of Homoptera (Cicadinea and Psyllinea) // Russian Entomol. J. Vol.16. No.1. P.39-46.
  45. Тишечкин Д.Ю. 2007. Новые данные о вибрационной коммуникации листоблошек семейств Aphalaridae и Triozidae (Homoptera, Psyllinea) // Зоол. журн. Т.86. № 5. С.547-553.
  46. Тишечкин Д.Ю. 2007. Возможности использования биоакустических признаков в систематике листоблошек: исследование на примере рода Craspedolepta sensu lato (Homoptera, Psyllinea, Aphalaridae) с описанием нового вида из Забайкалья // Зоол. журн. Т.86. № 6. С.691-700.
  47. Tishechkin D.Yu. 2007. Similar calling signals in different species of leafhoppers (Homoptera: Cicadellidae): an example of Paralimnini // Russian Entomol. J. Vol.16. No.3. P.265-272.
  48. Tishechkin D.Yu. 2007. Review of Neoaliturus gr. fenestratus (Herrich-Schffer, 1834) (Homoptera: Cicadellidae) of the fauna of Russia // Russian Entomological Journal. Vol.16. No.4. P.415-424.
  49. Tishechkin D.Yu. 2008. A new species of Oncopsis from the O. flavicollis (Linnaeus, 1761) species group (Homoptera: Cicadellidae: Macropsinae) from Eastern Siberia // Russian Entomological Journal. Vol.17. No.2. P.139-143.
  50. Tishechkin D.Yu. 2009. On the similarity of temporal pattern of vibrational calling signals in different species of Fulgoroidea (Homoptera: Auchenorrhyncha) // Russian Entomological Journal. Vol.17 (for 2008). No.4. P.349-357.
  51. Tishechkin D.Yu. 2009. On the taxonomic status of Laburrus confusus Vilbaste, 1980 (Homoptera: Cicadellidae: Deltocephalinae) // Russian Entomological Journal. Vol.18. No.2. P.81-86.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.