Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучение механизмов адаптации организмов к гбиотнческим факторам среды обитания является одной из фундаментальных задач современной гидробиологии. Концентрация растворенного кислорода, наряду с температурой и соленостью воды, оказывает существенное влияние на видовой состав, численность и распределение водных организмов. Наличие кислородных экстремумов характерно как для замкнутых, мелководных водоемов, так и глубоководных районов Мирового океана (Степанов, 1983). Многие гидробионты обладают выраженной окситолерантностью. Так, среди планктонных ракообразных отмечены популяции, развивающиеся в промежуточных, обедненных кислородом слоях Тихого океана (Childress, 1975, 1977; Osgood, Checkley, 1997). В субанаэробном слое Черного моря, расположенном над сероводородной зоной, образуют агрегации планктонные Copepoda (Виноградов, 1997). Способность переносить низкие концентрации кислорода характерна и для многих видов отряда Cladocera (Ивлева, 1981).
Имеющиеся представления о механизмах адаптации гидробионтов к гипоксии (Хочачка, Сомеро, 1977; Шмидт-Ниельсен, 1982; Савина 1992) сложились в результате экспериментального исследования, главным образом, рыб, высших ракообразных н моллюсков.
Особенности адаптивной реакции на гипоксию у планктонных ракообразных исследованы недостаточно. Кроме пороговых значений концентраций кислорода, переносимых отдельными видами рачков (Никитин, Мальм, 1932; Longhurst, 1967; Flint, Drits, Pasternak, 1991; Stalder, Marcus, 1997), имеются лишь отрывочные сведения о кислородной зависимости их общего энергетического обмена (Heisey, Porter, 1977; Omori, Ikeda, 1984; Vinogradov et al., 1992). Вместе с тем для понимания процесса адаптации необходимы знания об изменениях активного и базального обмена, роли отдельных энергетических субстратов. Показано, что при краткосрочной гипоксии обычный для планктонных ракообразных смешанный, белково-липидный тип использования энергетических субстратов (Раймонт, 1988) меняется на исключительно белковый (Шульман и др., 1992,1993; Светличный и др., 1994; Shulman, Love, 1999). Важно установить, могут ли организмы длительно существовать в условиях гипоксии только за счет катаболизма белка.
Проблема выживания в условиях гипоксии не исчерпывается вопросами физиологической адаптации. Планктонные ракообразные способны концентрироваться в слоях с предпочитаемыми концентрациями кислорода (Флинт, 1989), что указывает на необходимость изучения их приспособительной реакции на уровне поведения. В целом, актуальность таких исследований, дающих представление об адаптационном потенциале планктонных рачков, обусловле-
на происходящим в последнее время уменьшением численности и видового состава организмов пелагиали Черного моря, связанным с его антропогенным загрязнением (Виноградов и др., 1992).
Диссертационная работа выполнена как часть госбюджетных тем отдела физиологии животных ИнБЮМ НАНУ № 01.9.10.056168 (1991-1995 г.г.) "Эко-лого-физиологические и физиолого-биохимические основы существования животных в сообществах и экосистемах Черного моря" и № 0196U022102 (1996-1998 г.г.) "Метаболические основы существования массовых видов беспозвоночных и рыб в условиях меняющегося режима Черного моря".
Цель и задачи исследования. Цель работы, состояла в выявлении особенностей метаболической и двигательной реакции на изменение концентрации кислорода у планктонных ракообразных, имеющих разную экологическую специализацию.
6 связи с этим в задачи исследования входило изучение кислородной зависимости следующих функциональных характеристик рачков:
общего, базального и активного энергетического обмена;
интенсивности экскреции аммонийного азота;
соотношения основных субстратов энергетического обмена;
параметров локомоторной активности и поведения.
В качестве объектов исследования использованы: а) неакклимированные "бледные" и акклимированные к гипоксии, содержащие повышенное количество гемоглобина "красные" самки эпилимнитических Moina micrura Hellich (отряд Cladocera), обитающих в нестабильных, осолоненных лиманах Черного моря; б) самки н V копеподиты батипелагических Calamis euxinus Hulsemann (отряд Copepoda), принадлежащие к двум экогруппам: совершающей суточные вертикальные миграции в гипоксические слои Черного моря и находящейся там в состоянии диапаузы.
Научная новизна полученных результатов. Впервые выполнено комплексное исследование влияния концентрации растворенного в воде кислорода на интенсивность энергетического и азотистого метаболизма, а также поведение черноморских М. micrura к С. euxinus.
Показано, что кратковременное переживание и длительное обитание в условиях гипоксии основаны на разных стратегиях адаптации энергетического обмена и утилизации субстратов метаболизма.
У неакклимированных к дефициту кислорода М. micrura срочная гипоксия вызывает снижение интенсивности метаболизма, главным образом, за счет резкого уменьшения активного обмена. При этом обычный для нормоксии смешанный белково-липидный тип катаболизма меняется на исключительно белковый, осуществляемый преимущественно анаэробным путем. Долговременная акклимация к гипоксии, происходящая благодаря увеличению кислородной ем-
кости, крови, позволяет моинам поддерживать активный обмен на уровне, достаточном для осуществления жизненных функций, и использовать в энергетиче-_ ском обмене смешанные белково-лишшные субстраты.
У С. euxinus, испытывающих периодическое понижение концентрации кислорода в ходе суточных вертикальных миграций, недостаток кислорода вызывает снижение общего, базального и активного энергетического обмена, но не влияет на интенсивность экскреции аммонийного азота. Основным субстратом энергетического обмена в условиях дефицита кислорода у них также становится белок, преимущественно утилизируемый в процессах активного обмена. Длительное переживание гипоксии в состоянии, близком к диапаузе, происходит благодаря снижению метаболической и локомоторной активности и резкому понижению уровня аммонийной экскреции, приводящему к" восстановлению примерно равного соотношения белка и липидов в катаболических процессах.
Впервые установлены количественные закономерности влияния низких концентраций кислорода на механические параметры локомоции моин и каля-нусов, проявляющиеся в увеличении длительности локомоторных актов, снижении силы тяги, создаваемой плавательными конечностями, частоты и мощности их действия. Вместе с тем показана способность рачков к компенсаторному увеличению общей продолжительности плавания.
Практическое значение полученных результатов. Данные по влиянию концентрации кислорода на метаболизм и параметры локомоторной активности моин и калянусов имеют практическое значение для продукционно-энергетических оценок развития популяций планктонных ракообразных в переменном кислородном режиме и в целом расширяют возможности применения математических моделей для прогностического описания морских экосистем.
Использованный в работе подход одновременного наблюдения за динамикой энергетического и азотистого обмена, а также поведенческой реакцией ракообразных на уменьшение концентрации кислорода может быть использован при разработке новых методов тестовых исследований ПДК вредных веществ (тяжелых металлов, пестицидов, нефтепродуктов и т.п.), блокирующих окислительно-восстановительные процессы в тканях животных.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались автором на се-, минарах отдела физиологии животных ИнБЮМ (1993-1998 г.г.), XXXI Европейском Симпозиуме по морской биологии (г. Санкт-Петербург, Россия, 9-13 сентября 1996 г.), II Съезде Гидроэкологического Общества Украины (г. Киев, Украина, 27-31 октября 1997 г.), XVI Балтийском Симпозиуме Морских Биологов (г. Клайпеда, Литва, 21-25 июня 1999 г.) и были представлены на II Европейской Конференции по ракообразным (г. Льеж, Бельгия, 2-6 сентября 1996 г.), II Международном Симпозиуме «Диапауза у ракообразных» (г. Гент, Бельгия, 24-29 августа 1997 г.), ІУ Международном Конгрессе по ракообразным (г. Ам-
стердам, Нидерланды, 20-24 июля 1998 г.), XXXII Европейском Симпозиуме по морской биологии (г. Вилхелмсхафен, Германия, 7-11 сентября 1998 г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы полностью опубликованы в 14 научных работах (1 - без соавторов), в числе которых 4 статьи в научных специализированных изданиях, рекомендованных ВАК Украины, и зарубежных изданиях, а также 10 тезисов докладов в материалах международных и региональных конференций.
Личный вклад соискателя. Опыты по дыханию и аммонийной экскреции М. micrura и Ceuxinus, статистическая обработка, анализ и обобщение экспериментальных данных выполнены автором самостоятельно. Опыты по локомоторной активности ракообразных проведены совместно с к. б. н. Л. С. Светличным.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из вступления, 4 разделов, выводов и списка использованных источников. Текст содержит 6 таблиц и 26 рисунков.. Список использованных источников включает 294 наименования, в том числе иностранных-191.