Апосематизм — это реклама животного, будь то наземного или морского, потенциальным хищникам , что его не стоит атаковать или есть. [1] Эта неприбыльность может состоять из любых защит, которые затрудняют убийство и поедание добычи, таких как токсичность, яд , неприятный вкус или запах, острые шипы или агрессивный характер. Эти рекламные сигналы могут принимать форму заметной окраски , звуков , запахов [2] или других воспринимаемых характеристик. Апосематические сигналы выгодны как для хищника, так и для добычи, поскольку оба избегают потенциального вреда.
Термин был придуман в 1877 году Эдвардом Бэгноллом Поултоном [3] [4] для концепции предупреждающей окраски Альфреда Рассела Уоллеса . [5] Апосематизм используется в мюллеровской мимикрии , где виды с сильной защитой эволюционируют, чтобы походить друг на друга. Подражая видам с похожей окраской, предупреждающий сигнал для хищников передается другим, заставляя их учиться быстрее и с меньшими затратами.
Подлинный апосематический сигнал о том, что вид на самом деле обладает химической или физической защитой, — не единственный способ отпугнуть хищников. В мимикрии Бейтса имитирующий вид достаточно похож на апосематический образец, чтобы разделить защиту, в то время как у многих видов есть блефующие дейматические проявления , которые могут напугать хищника достаточно долго, чтобы позволить в противном случае незащищенной добыче сбежать.
Термин апосематизм был придуман английским зоологом Эдвардом Бэгноллом Поултоном в его книге 1890 года «Цвета животных» . Он основал термин на древнегреческих словах ἀπό apo «прочь» и σῆμα sēma «знак», имея в виду знаки, которые предупреждают других животных держаться подальше. [3] [4]
Функция апосематизма заключается в предотвращении нападения путем предупреждения потенциальных хищников о том, что у жертвы есть средства защиты, например, она невкусная или ядовитая. Легко обнаруживаемое предупреждение является первичным защитным механизмом, а невидимые средства защиты являются вторичными. [6] Апосематические сигналы в первую очередь визуальные, с использованием ярких цветов и высококонтрастных узоров, таких как полосы. Предупреждающие сигналы являются честными указаниями на вредную добычу, поскольку заметность развивается вместе с вредностью. [7] Таким образом, чем ярче и заметнее организм, тем он обычно более ядовит. [7] [8] Это контрастирует с дейматической демонстрацией , которая пытается напугать хищника угрожающим внешним видом, но которая является блефом, не подкрепленным какой-либо сильной защитой. [9]
Наиболее распространенными и эффективными цветами являются красный, желтый, черный и белый. [10] Эти цвета обеспечивают сильный контраст с зеленой листвой, противостоят изменениям в тени и освещении, являются высокохроматическими и обеспечивают камуфляж , зависящий от расстояния . [10] Некоторые формы предупреждающей окраски обеспечивают этот камуфляж, зависящий от расстояния, имея эффективный рисунок и цветовую комбинацию, которые не позволяют хищнику легко обнаружить их на расстоянии, но предупреждают с близкого расстояния, обеспечивая выгодный баланс между маскировкой и апосематизмом. [11] Предупреждающая окраска развивается в ответ на фон, условия освещения и зрение хищника. [12] Видимые сигналы могут сопровождаться запахами, звуками или поведением, чтобы обеспечить многомодальный сигнал, который более эффективно обнаруживается хищниками. [13]
Неприятность, в широком смысле, может быть создана различными способами. Некоторые насекомые, такие как божья коровка или тигровая моль, содержат горькие на вкус химикаты, [14] в то время как скунс производит отвратительный запах, а ядовитые железы ядовитой лягушки-дротика , жало бархатного муравья или нейротоксин паука черной вдовы делают их опасными или болезненными для нападения. Тигровые моли рекламируют свою неприятность либо путем создания ультразвуковых шумов, которые предупреждают летучих мышей избегать их, [14] либо предупреждающими позами, которые обнажают ярко окрашенные части тела (см. Unkenreflex ), или обнажают глазные пятна . Бархатные муравьи (на самом деле паразитические осы), такие как Dasymutilla occidentalis, имеют яркую окраску и производят слышимые звуки при схватывании (через стридуляцию ), которые служат для усиления предупреждения. [15] Среди млекопитающих хищники могут быть отпугнуты, когда более мелкое животное проявляет агрессию и способно защитить себя, как, например, медоеды . [16]
Апосематизм широко распространен среди насекомых, но в меньшей степени среди позвоночных , в основном ограничиваясь небольшим числом видов рептилий , амфибий и рыб , а также некоторыми дурно пахнущими или агрессивными млекопитающими . Питохуи , красные и черные птицы, чьи токсичные перья и кожа, по-видимому, происходят от ядовитых жуков, которых они проглатывают, могут быть включены в эту категорию. [17] Было высказано предположение, что апосематизм сыграл определенную роль в эволюции человека, запах тела служил предупреждением хищникам о крупных гомининах, способных защищаться с помощью оружия. [18]
Возможно, наиболее многочисленными апосематическими позвоночными являются лягушки-дротики (семейство: Dendrobatidae ). [19] Эти неотропические бесхвостые амфибии демонстрируют широкий спектр окраски и токсичности. [20] Некоторые виды в этом семействе ядовитых лягушек (особенно Dendrobates , Epipedobates и Phyllobates ) имеют заметную окраску и выделяют один из самых токсичных алкалоидов среди всех живых видов. [21] [22] В пределах того же семейства есть также скрытные лягушки (такие как Colostethus и Mannophryne ), у которых отсутствуют эти токсичные алкалоиды. [23] [24] Хотя эти лягушки демонстрируют широкий спектр окраски и токсичности, между видами очень мало генетических различий. [20] Эволюция их заметной окраски коррелирует с такими чертами, как химическая защита, пищевая специализация, акустическая диверсификация и увеличенная масса тела. [25] [22]
Некоторые растения , как полагают, используют апосематизм, чтобы предупредить травоядных о неприятных химических веществах или физических средствах защиты, таких как колючие листья или шипы. [26] Многие насекомые, такие как гусеницы киноварной моли , получают токсичные химические вещества из своих растений-хозяев. [27] Среди млекопитающих скунсы и зориллы рекламируют свои дурно пахнущие химические средства защиты резко контрастирующими черно-белыми узорами на своем мехе, в то время как барсуки и медоеды с похожим рисунком рекламируют свои острые когти, мощные челюсти и агрессивную натуру. [28] Некоторые ярко окрашенные птицы, такие как воробьиные с контрастными узорами, также могут быть апосематическими, по крайней мере, у самок; но поскольку самцы птиц часто ярко окрашены в результате полового отбора , и их окраска не коррелирует со съедобностью, неясно, имеет ли апосематизм значение. [29]
Звукопроизводящий треск гремучих змей является акустической формой апосематизма. [30] Звукопроизводство гусеницы моли-полифема, Antheraea polyphemus , может быть аналогичным акустическим апосематизмом, связанным с химической защитой и предшествовавшим ей. [31] Аналогичные акустические защиты существуют у ряда гусениц Bombycoidea . [32]
Существование апосематизма в морских экосистемах является предметом споров. [35] Многие морские организмы, особенно те, что на коралловых рифах, ярко окрашены или имеют узоры, включая губки, кораллы, моллюски и рыбу, с небольшой или нулевой связью с химической или физической защитой. Карибские рифовые губки ярко окрашены, и многие виды полны токсичных химикатов, но нет статистической связи между этими двумя факторами. [36]
Голожаберные моллюски являются наиболее часто упоминаемыми примерами апосематизма в морских экосистемах, но доказательства этого были оспорены, [37] в основном потому, что (1) существует мало примеров мимикрии среди видов, (2) многие виды ведут ночной или скрытный образ жизни, и (3) яркие цвета в красном конце цветового спектра быстро ослабевают в зависимости от глубины воды. Например, испанский танцор голожаберный моллюск (род Hexabranchus ), один из крупнейших тропических морских слизней, мощно химически защищенный и ярко-красный с белым, ведет ночной образ жизни и не имеет известных подражателей. [38]
Мимикрия ожидаема, поскольку бейтсовские имитаторы со слабой защитой могут получить некоторую защиту от своего сходства с апосематически настроенными видами. [39] Другие исследования пришли к выводу, что голожаберные, такие как слизни семейства Phyllidiidae с индо-тихоокеанских коралловых рифов, окрашены апосематически. [40] Мюллеровская мимикрия была замешана в окраске некоторых средиземноморских голожаберных, все из которых получают защитные химические вещества из своего губкового рациона. [41]
Морская звезда терновый венец , как и другие морские звезды, такие как Metrodira subulata , имеет яркую окраску и заметные длинные острые шипы, а также цитолитические сапонины , химические вещества, которые могут действовать как эффективная защита; утверждается, что этих доказательств достаточно, чтобы считать такие виды апосематическими. [33] [34]
Было высказано предположение, что апосематизм и мимикрия менее очевидны у морских беспозвоночных, чем у наземных насекомых, поскольку хищничество является более интенсивной селективной силой для многих насекомых, которые рассеиваются как взрослые особи, а не как личинки, и имеют гораздо более короткое время генерации. [35] Кроме того, есть доказательства того, что хищники рыб, такие как синие головы, могут адаптироваться к визуальным сигналам быстрее, чем птицы, что делает апосематизм менее эффективным. [43] Однако есть экспериментальные доказательства того, что розовые бородавчатые морские огурцы являются апосематическими, и что хроматические и ахроматические сигналы, которые они подают хищникам, независимо друг от друга снижают скорость атаки. [42]
Синекольчатые осьминоги ядовиты. Они проводят большую часть времени, прячась в расщелинах, демонстрируя эффективные камуфляжные узоры с помощью своих дермальных хроматофорных клеток. Однако, если их спровоцировать, они быстро меняют цвет, становясь ярко-желтыми, а каждое из 50-60 колец вспыхивает ярким переливающимся синим в течение трети секунды. [44] Часто утверждается, что это апосематическая предупреждающая демонстрация, [45] [46] [47] [48] но эта гипотеза редко, если вообще когда-либо, проверялась. [49]
Механизм защиты опирается на память о потенциальном хищнике; птица, которая однажды испытала на себе отвратительный на вкус кузнечик, будет стремиться избежать повторения этого опыта. Как следствие, апосематические виды часто являются стадными. Прежде чем память о плохом опыте ослабеет, хищник может усилить этот опыт повторением. Апосематические организмы часто медлительны, так как им не нужна скорость и ловкость. Вместо этого их морфология часто жесткая и устойчивая к травмам, что позволяет им убежать, как только хищник предупрежден. [50]
Апосематические виды не нуждаются в том, чтобы прятаться или оставаться неподвижными, как это делают криптические организмы, поэтому апосематические особи получают большую свободу на открытых участках и могут проводить больше времени в поисках пищи, что позволяет им находить больше и более качественную пищу. [51] Они могут использовать заметные брачные демонстрации, включая голосовые сигналы, которые затем могут развиваться посредством полового отбора . [52] [22]
В письме Альфреду Расселу Уоллесу от 23 февраля 1867 года Чарльз Дарвин писал: «В понедельник вечером я посетил Бейтса и изложил ему затруднение, на которое он не смог ответить, и, как и в некоторых других подобных случаях, его первым предложением было: «Вам лучше спросить Уоллеса». Мое затруднение в том, почему гусеницы иногда так красиво и художественно окрашены?» [53] Дарвин был озадачен, потому что его теория полового отбора (согласно которой самки выбирают себе партнеров на основе их привлекательности) не могла быть применима к гусеницам, поскольку они незрелые и, следовательно, не половозрелые.
Уоллес ответил на следующий день, предположив, что поскольку некоторые гусеницы «... защищены неприятным вкусом или запахом, для них было бы положительным преимуществом никогда не путать их с любыми вкусными гусеницами [ sic ], потому что небольшая рана, такая как от удара клювом птицы, почти всегда, как я полагаю, убивает растущую гусеницу. Поэтому любой яркий и заметный цвет, который бы ясно отличал их от коричневых и зеленых съедобных гусениц, позволил бы птицам легко распознать их как вид, не пригодный в пищу, и таким образом они избежали бы захвата, который так же плох, как быть съеденными ». [54]
Поскольку Дарвин был в восторге от этой идеи, Уоллес попросил Лондонское энтомологическое общество проверить гипотезу. [55] В ответ энтомолог Джон Дженнер Вейр провел эксперименты с гусеницами и птицами в своем вольере, и в 1869 году он предоставил первые экспериментальные доказательства наличия предупреждающей окраски у животных. [56] Эволюция апосематизма удивила натуралистов 19 века, поскольку вероятность его установления в популяции считалась низкой, поскольку заметный сигнал предполагал более высокую вероятность нападения хищников. [57]
Уоллес ввел термин «предупреждающие цвета» в статье об окраске животных в 1877 году. [5] В 1890 году Эдвард Бэгнолл Поултон переименовал концепцию в апосематизм в своей книге «Цвета животных» . [4] Он описал происхождение термина следующим образом:
Вторая глава (Семантические цвета) включает в себя предупреждающие цвета и опознавательные знаки: первые предупреждают врага и поэтому называются апосематическими [греч. apo , от, и sema , знак] [58]
Апосематизм парадоксален с точки зрения эволюции , так как он делает особей заметными для хищников, поэтому они могут быть убиты, а признак исчезнуть до того, как хищники научатся его избегать. [59] Если предупреждающая окраска ставит первых нескольких особей в столь невыгодное положение, она никогда не продержится у вида достаточно долго, чтобы стать полезной. [60]
Существуют доказательства объяснений, связанных с диетическим консерватизмом , при котором хищники избегают новой добычи, поскольку ее количество неизвестно; [61] это долгосрочный эффект. [61] [62] [63] Диетический консерватизм был продемонстрирован экспериментально у некоторых видов птиц и рыб. [64] [61] [63] [65]
Кроме того, птицы запоминают и избегают объектов, которые одновременно бросаются в глаза и имеют неприятный вкус, дольше, чем объекты, которые столь же неприятны на вкус, но имеют скрытую окраску. [66] Это говорит о том, что изначальная точка зрения Уоллеса о том, что предупреждающая окраска помогла научить хищников избегать добычи, окрашенной таким образом, была верной. [67] Однако некоторые птицы (неопытные скворцы и домашние птенцы) также врожденно избегают заметно окрашенных объектов, как было продемонстрировано с использованием мучных червей, окрашенных в желтый и черный цвета, чтобы напоминать ос, с тускло-зелеными контрольными особями. Это говорит о том, что предупреждающая окраска работает, по крайней мере, частично, стимулируя эволюцию хищников кодировать значение предупреждающего сигнала, а не требуя от каждого нового поколения изучать значение сигнала. [67] Все эти результаты противоречат идее о том, что новые, ярко окрашенные особи с большей вероятностью будут съедены или атакованы хищниками. [61] [68]
Возможны и другие объяснения. Хищники могут испытывать врожденный страх перед незнакомыми формами ( неофобия ) [69] достаточно долго, чтобы они успели укорениться, но это, скорее всего, будет лишь временным. [60] [69] [70]
В качестве альтернативы, животные-жертвы могут быть достаточно стадными , чтобы образовывать достаточно плотные скопления, чтобы усилить предупреждающий сигнал. Если вид уже был несъедобен, хищники могли бы научиться избегать скопления, защищая стадных особей с помощью нового апосематического признака. [71] [72] Стадность могла бы помочь хищникам научиться избегать несъедобной, стадной добычи. [73] Апосематизм также мог бы быть предпочтительным в плотных популяциях, даже если они не являются стадными. [61] [69]
Другая возможность заключается в том, что ген апосематизма может быть рецессивным и находиться на Х-хромосоме . [74] Если это так, хищники научились бы ассоциировать цвет с невкусностью у самцов с этим признаком, в то время как гетерозиготные самки несут этот признак до тех пор, пока он не станет обычным явлением, и хищники не поймут сигнал. [74] Сытые хищники также могут игнорировать апосематические морфы, предпочитая другие виды добычи. [60] [75]
Еще одно объяснение заключается в том, что самки могут предпочитать более ярких самцов, поэтому половой отбор может привести к тому, что апосематические самцы будут иметь более высокий репродуктивный успех, чем неапосематические самцы, если они смогут прожить достаточно долго, чтобы спариться. Половой отбор достаточно силен, чтобы позволить, казалось бы, неадаптивным чертам сохраняться, несмотря на другие факторы, работающие против этой черты. [19]
Как только апосематические особи по какой-либо причине достигают определенного порогового значения популяции, процесс обучения хищников будет распространен на большее количество особей и, следовательно, с меньшей вероятностью полностью уничтожит признак предупреждающей окраски. [76] Если бы популяция апосематических особей произошла от одних и тех же нескольких особей, процесс обучения хищников привел бы к более сильному предупреждающему сигналу для выживших родственников, что привело бы к более высокой инклюзивной приспособленности для погибших или раненых особей посредством отбора родственников . [77]
Теория эволюции апосематизма утверждает, что он возникает в результате взаимного отбора между хищниками и добычей, где отличительные черты добычи, которые могут быть визуальными или химическими, выбираются недискриминирующими хищниками, и где, одновременно, избегание отличительной добычи выбирается хищниками. Совместный взаимный отбор (CRS) может повлечь за собой обучение хищников или может привести к невыученным избеганиям с их стороны. Апосематизм, возникающий в результате CRS, действует без особых условий стадности или родства добычи, и он не зависит от отбора добычи хищником, чтобы узнать, что апосематические сигналы связаны с невкусностью или другими невыгодными особенностями. [78]
Апосематизм — достаточно успешная стратегия, которая оказала существенное влияние на эволюцию как апосематических, так и неапосематических видов.
Неапосематические виды часто эволюционировали , чтобы имитировать заметные отметины своих апосематических собратьев. Например, мотылек-шершень является обманчивым имитатором осы-желтожакета; он похож на осу, но не имеет жала. Хищник, который избегает осы, в некоторой степени также избегает моли. Это известно как бейтсовская мимикрия , в честь Генри Уолтера Бейтса , британского натуралиста, изучавшего амазонских бабочек во второй половине 19-го века. [79] Бейтсовская мимикрия зависит от частоты: она наиболее эффективна, когда отношение имитатора к модели низкое; в противном случае хищники будут слишком часто сталкиваться с имитатором. [80] [81]
Вторая форма мимикрии происходит, когда два апосематических организма разделяют одну и ту же адаптацию против хищников и не обманчиво имитируют друг друга, что выгодно обоим видам, поскольку для того, чтобы хищники научились избегать их обоих, нужно атаковать меньше особей любого вида. Эта форма мимикрии известна как мюллеровская мимикрия , в честь Фрица Мюллера , немецкого натуралиста, изучавшего это явление в Амазонии в конце 19 века. [82] [83]
Многие виды пчел и ос, которые встречаются вместе, являются мюллеровскими имитаторами. Их схожая окраска учит хищников, что полосатый рисунок связан с укусом. Поэтому хищник, у которого был негативный опыт общения с любым таким видом, скорее всего, будет избегать любого, похожего на него, в будущем. Мюллеровская мимикрия встречается у позвоночных, таких как ядовитая лягушка-имитатор ( Ranitomeya imitator ), которая имеет несколько морфов по всему своему естественному географическому ареалу, каждый из которых очень похож на другой вид ядовитой лягушки, обитающий в этой области. [84]
защитные шипы животных часто заметны (форма и цвет) и должны считаться апосематическими... Классическими примерами являются морские звезды
Acanthaster planci
и
Metrodira subulata
, у которых красные шипы...