Как и другие виды насекомых, колорадский жук — животное пойкилотермное и температура его тела в общем следует за температурой окружающей среды.
При понижении температуры тела за пределы оптимума скорость процессов, составляющих обмен веществ, постепенно замедляется. Прежде всего, прекращается полет, спаривание, размножение, затем тормозится питание и передвижение, и наконец, наступает оцепенение от холода. Тот же процесс, но в обратной последовательности, наблюдается при согревании.
Постепенное нарастание торможения процессов жизнедеятельности начинается еще в витальной температурной зоне, по мере отклонения температуры среды от оптимума. При приближении к нижнему порогу развития угнетение основных физиологических функций постепенно усиливается, и в температурной точке, называемой «биологическим нулем», который у жука близок к 11,5°, развитие практически прекращается и наступает холодовое оцепенение.
Начальные этапы холодового оцепенения легко обратимы, и жуки, и личинки возвращаются к активной жизнедеятельности вскоре после того, как температура среды повысится за биологический нуль. Однако длительное оцепенение сопровождается обезвоживанием организма, и возвращению к активной жизнедеятельности должно предшествовать восстановление водного баланса до видовой нормы.
В процессе адаптации к переживанию зимнего периода у насекомых исторически выработалось два основных физиологических механизма, с помощью которых они переживают холодный период года,— переохлаждение и замерзание. Первое защищает организм от гибельной для него кристаллизации воды в клетках и омывающих жидкостях, тогда как второе сопряжено со способностью разное время выдерживать частичную или полную кристаллизацию воды в теле.
Гемолимфа колорадского жука и протоплазма его клеток содержит более 85% воды. С химической точки зрения это сложные растворы и смеси веществ, постоянно меняющие физическую композицию и соотношение входящих в них компонентов. Точка кристаллизации каждого химического вещества постоянна, а точка начала замерзания сложных растворов определяется суммой температур замерзания входящих в них компонентов. Поэтому при температуре ниже нуля жидкости тела колорадского жука находятся в состоянии переохлаждения, глубина и устойчивость которого на разных стадиях онтогенеза и в разных физиологических состояниях неодинаковы. При продолжающемся охлаждении, в какой-то температурной точке начинается выпадение кристаллов воды из переохлажденной жидкости, в связи с чем концентрация остающейся жидкой фазы повышается. По мере дальнейшего понижения температуры происходит, с одной стороны, рост образовавшихся кристаллов, сопровождающийся механическими повреждениями морфологических структур, что служит одной из причин гибели организма от холода, а с другой, обезвоживание тканей и органов растущими кристаллами льда, также повреждающее и не всегда обратимое.
Глубина переохлаждения жидкостей тела насекомых и температурная зона, в которой начинается замерзание, в значительной степени зависят от скорости охлаждения Бахметьев. При медленном охлаждении образуется небольшое количество крупных кристаллов льда, тогда как при быстром — большое количество, но мелких кристаллов льда. Размеры кристаллов льда и размещение их в тканях и клетках определяют характер повреждений, причиняемых ими организму при кристаллизации, и их обратимость.
В период активной жизнедеятельности, т. е. во время питания, размножения, развития насекомых, точка максимального переохлаждения жидкостей их тела обычно понижается не более чем на 4—7° ниже нуля. С другой стороны, в состоянии зимней диапаузы, или суперпаузы, наступлению которых предшествует глубокая и продолжительная физиологическая подготовка, точка переохлаждения у некоторых видов может падать до —30—40° и даже ниже.
Переохлаждение тканевых жидкостей в период активной жизнедеятельности насекомых, обусловленное химическим составом и физическими структурами, Мэривээ называл «неспецифичным». Оно неустойчиво и быстро заканчивается выпадением льда и смертью. В то же время переохлаждение диапаузирующих или зимующих в состоянии олигопаузы насекомых может продолжаться недели и месяцы, защищая организм от мороза.
Однако во времени состояние переохлаждения, с физической точки зрения, неустойчиво, и фактически, как в природе, так и в опыте происходит постепенное умирание переохлажденных особей вследствие спонтанной кристаллизации жидкостей их тела. Поэтому при температуре ниже нуля в выживании насекомых большое значение имеет фактор времени. Холодостойкость организма в общем коррелирует с глубиной максимального переохлаждения жидкостей его тела, поэтому, по глубине максимального переохлаждения, с известной точностью, можно судить о размерах холодостойкости того или иного организма.
В морозный период года колорадский жук, зимующий в почве, под снежным покровом, как и другие насекомые, проводящие зиму в хорошо защищенных от мороза средах, в период зимнего покоя не обладает высокой устойчивостью к низкой температуре. Обобщая результаты опубликованных работ, можно констатировать, что в разных географических зонах ареала и почвах разного типа и увлажнения за зиму погибает от 13 до 93% зимующих жуков.
При определении выживаемости колорадского жука на разных стадиях его индивидуального развития наиболее устойчивыми, судя по ЛД50 (смертность равна 50%), оказались яйца. После суток развития в термостате (25°) их ЛД50 при температуре —10° достигалась за 170 мин. По мере продвижения эмбриогенеза холодостойкость зародыша повышалась и достигала максимума (ЛД50 через 671 мин) через 72 часа развития. Морфологически, по Киттлаус, это соответствует формированию головных и грудных придатков эмбриона. На более поздних стадиях эмбриогенеза холодостойкость яиц быстро уменьшалась, и через 96 час. развития экспозиция, вызывающая 50%-ную смертность, понизилась до 496 мин, а к 120 час. развития, перед отрождением личинок, она упала до 155 мин.
Наиболее высокой устойчивостью на стадии личинки обладали только что отродившиеся особи, до первого питания, когда ЛД50 при —10° достигалась, в среднем через 184 мин. С началом питания личинок их устойчивость быстро падала, и в середине первого возраста 50%-ная смертность наблюдалась при тех же условиях, всего через 27 мин. Наиболее чувствительными к холоду личинки оказались во время питания между линьками. Перед каждой очередной линькой после освобождения кишечника от остатков пищи они становились менее чувствительными к холоду и еще более повышалась и холодоустойчивость сразу после каждой линьки. Перед зарыванием в почву на окукливание гибель 50% личинок IV возраста происходила при —10° в среднем через 32 мин.
Холодостойкость предкуколок первого дня развития оказалась несколько более высокой и для получения их 50%-ной смертности при той же температуре требовалась 51 мин, а к концу фазы предкуколки — 67 мин.
Куколки обнаружили значительно более высокую холодостойкость, чем личинки и предкуколки. Начиная с первого дня метаморфоза, когда для получения ЛД50 у куколок требовалось 69 мин, сублетальная экспозиция, постепенно увеличиваясь, достигала максимума 104 мин, и к моменту окончания метаморфоза (8-й день развития) средняя ЛД50 при —10° происходила через 77 мин.
Для получения 50%-ной смертности молодых жуков, до их первого питания, при этой температуре требовалось 85 мин. С началом питания жуков их холодостойкость уменьшилась до ЛД50 = 71 мин. Однако к 7-му дню преддиапаузного питания, т. е. ко времени, с которого начинают проявляться физиологические механизмы зимней диапаузы, 50%-ная смертность жуков происходила в среднем через 82 мин. С наступлением зимней диапаузы холодостойкость жуков быстро возрастала и на третий день диапаузы ЛД50 жуков повысилась до 117 мин, а через 15 дней диапаузы она происходила в среднем через 269 мин.
По данным Миндер, при температуре —9—11° подавляющее большинство зимующих жуков погибает в пределах первых 1—6 час. экспозиции, хотя единичные особи выживают при этих условиях до одних суток. При —6—8° часть жуков зимующих популяций выживает до 60 час. Температуру —3—5° около половины зимующих жуков выдерживают в течение 7 суток.
При последовательном определении в онтогенезе точки максимального переохлаждения и точки начала замерзания жидкостей тела различия в холодостойкости колорадского жука на отдельных стадиях и этапах онтогенеза проявились еще более четко. Наиболее глубокое переохлаждение выдерживают яйца, у которых в первой генерации через 36 часов эмбриогенеза при 23—24° точка максимального переохлаждения достигала —15,2°, а во второй — около —19,8°. По А. Г. Шарову, морфологически этот этап эмбриогенеза совпадает со смыканием зародышевых оболочек и началом сегментации зародыша. Максимальное переохлаждение яиц второй генерации наблюдалось на пятые сутки, когда переохлаждение достигало —27,6°. Точка переохлаждения только что отродившихся личинок до их первого питания понижалась до —10—13°. С началом питания она быстро поднималась до —5—6° и удерживалась в этих пределах на протяжении всей личиночной стадии. У предкуколок и куколок, развитие которых протекает в почве, точка максимального переохлаждения удерживалась между —5 и —7°. На том же уровне она сохранялась у молодых жуков в период их преддиапаузной подготовки, т. е. в течение первых 2—3 недель имагинальной жизни. С наступлением зимней диапаузы точка максимального переохлаждения жуков опускалась до 8—9° и удерживалась на этом уровне до конца морозного периода. Место начала и конца диапаузы и олигопаузы у жука хорошо определяется по изменению точки максимального переохлаждения.
Приведенные данные позволяют характеризовать колорадского жука как вид с невысокой общей холодостойкостью. Однако его защищенность в зимний период от замерзания снежным покровом, низкой теплопроводностью почвы, глубиной залегания зимующих жуков, вертикальными миграциями в почве и другими экологическими и отологическими адаптациями не дают оснований к тому, чтобы считать, что низкие зимние температуры почвы могут ограничить распространение его на восток или на север в ареале возделывания картофеля в СССР.
В зимующих природных популяциях жука отмечается три периода повышенной смертности, разделенные двумя периодами их более высокой сопротивляемости неблагоприятным воздействиям абиотических факторов среды. Первый период повышенной смертности наблюдается осенью, в сентябре — начале октября, когда с окончанием вегетации картофеля гибнут поздно окрылившиеся и не сумевшие закончить преддиапаузного питания жуки и многие самки, откладывавшие яйца в сезон их отрождения. Такие жуки зарываются в поверхностные слои почвы под прямым давлением холода и пребывают в оцепенении в холодные часы суток, возвращаясь к активной жизнедеятельности во время дневных нагревов. Обычно они погибают с наступлением морозов. Второй период высокой смертности среди зимующих в почве жуков отмечается во второй половине ноября — декабре, когда зимняя диапауза уже закончилась и обмен веществ в организме повысился и, следовательно, упала устойчивость организма, обусловленная подавлением интенсивности общего метаболизма, а холодозащитные реакции, которые проявляются с наступлением морозного периода, еще не достигли своего защитного значения. Третий период высокой смертности зимующих в природе жуков наблюдается в марте—апреле во время подготовки жуков к весеннему пробуждению. Гибель их в этот период вызывается тремя причинами:
а) весенней утратой холодостойкости и смертью при внезапно наступивших морозах;
б) поражением грибными, бактериальными и др. болезнями ослабленного после зимовки организма, находящегося еще в пассивном состоянии и
в) истощением, особенно при сухой затяжной весне, вследствие невозможности своевременного восстановления водного баланса до видовой нормы перед переходом к активной жизнедеятельности.
Периоды повышенной смертности чередуются с двумя периодами повышенной холодостойкости зимующих жуков. Первый из них наблюдается в октябре—ноябре и по времени совпадает с состоянием диапаузы. Он обусловлен внутренними механизмами диапаузы и, прежде всего, глубоким подавлением обмена веществ в его оксидативной фракции. Второй период высокой холодостойкости совпадает по времени с наиболее холодными месяцами зимы. В это время с наибольшей полнотой проявляются холодозащитные реакции организма, такие как: увеличение в гемолимфе жуков количества редуцирующих веществ, глицерина, белка; изменение йодного и кислотного числа, увеличение недоокисленных метаболитов (что отражено в повышенной активности каталазы) и другие процессы, имеющие биофизическую или биохимическую природу.
Среди зимующих жуков первой, наиболее сильной физиологически генерации максимальной устойчивостью к холоду отличаются особи, у которых состояние диапаузы наступило наиболее рано. По данным Родионовой, у зимующих жуков первой генерации холодозащитные реакции выражены более ярко, чем у жуков второй генерации. В этой же рано окрылившейся части первой генерации формируется суперпауза, при которой достигается наиболее глубокое подавление обмена веществ.
По наблюдениям Венгорека, зимняя смертность самок, откладывавших до зимовки яйца, выше, чем самок, не откладывавших яйца, а смертность жуков, питавшихся на картофеле более ранних сроков посадки, ниже, чем при питании ботвой картофеля более поздних сроков посадки.