Содержание к диссертации
Введение
1. Методические подходы к исследованию 8
1.1 .Популяционный подход 8
1.2.Морфологический подход 10
1.3.Критерии экологической изменчивости популяций 13
1 А Цитогенетический подход 16
1.5 .Биохимический подход 19
2. Изменчивость сиговых рыб 22
2.1 .Популяционная структура и изменчивость пеляди 22
2.1.1 .Подбор признаков и схемы измерения 23
2Л.2Морфологическая гетерогенность выборочных показателей пеляди 24
2.1.3.Внутри- и межгрупповая изменчивость пеляди 36
2.2.Популяционная структура и изменчивость пыжьяна 54
2.3.Популяционная структура и изменчивость чира 63
2.4. Популяционная структура и изменчивость ряпушки 72
2.5.Морфологическая изменчивость тугуна бассейна р. Северной Сосьвы 79
3. Корреляционная структура морфологических признаков рыб Обь-Тазовского бассейна 85
4. Онтогенетический подход к оценке гомеостаза развития природных популяций сиговых рыб Обь-Тазовского бассейна 106
4.1 . Флуктуирующая асимметрия - отражение онтогенетического шума в оценке стабильности развития популяций сиговых рыб 107
4.2.Цитогенетический подход к оценке стабильности развития природных популяций рыб
4.2.1 .Первая оценка хромосомной мутабильиости у сиговых рыб из речных и озерных экосистем Обского бассейна 113
А.2.2Динамика показателей цитогенетического гомеостаза в популяциях сиговых рыб Обского бассейна во времени 119
4.2.3.Фенодевианты в качестве показателей нестабильности развития природных популяций 123
5. Генетическая структура популяций сиговых рыб Обь-Тазовского бассейна 127
6. Обсуждение 139
6.1 .Концепция экологической «нормы» 139
6.2.Эколого-генетический мониторинг природных популяций 141
6.3.Флуктуирующая асимметрия в экологическом мониторинге 145
6.4.Качество среды и генетическая нестабильность популяций рыб 149
6.5.Биохимический полиморфизм в экологических исследованиях рыб 156
Выводы 163
Литература 166
Приложение 200
- Цитогенетический подход
- Популяционная структура и изменчивость ряпушки
- Флуктуирующая асимметрия - отражение онтогенетического шума в оценке стабильности развития популяций сиговых рыб
Введение к работе
Необходимость научного подхода к решению природоохранных задач не вызывает сомнений у большинства современных исследователей. Известно достаточно много примеров того, как практическая деятельность человека (которая до сих пор не опирается на сколько-нибудь обоснованное научное планирование) приводит к разрушению природных сообществ, деградации среды обитания и обесцениванию территории с точки зрения ее хозяйственного использования (Алтухов, 1995).
Существует мнение, что охрана окружающей среды требует улучшения «экономического контекста» принимаемых решений. Конечные потери (исчезновение видов и целых природных экосистем) влекут за собой радикальные изменения круговорота веществ, гидрологических циклов, климатических условий и, в итоге, снижают продуктивность сельского, лесного, охотничьего и рыбного хозяйств. Это имеет ведущее значение для региона.
Однако, процессы, происходящие в блоке «социально-экономическая система», имеют большую скорость, а реакция природной системы -некоторый латентный период. Авторегуляторные процессы здесь не работают. Уровень эксплуатации, приводящий к катастрофическим изменениям в природе, отражается на качестве среды не сразу, а чаще всего лишь на время жизни следующего поколения (тогда, когда обратные процессы уже невозможны). Таким образом, текущее разрушение экосистем не будет корректировать состояние общественно-экономических отношений в процессе их развития. Хотя, в конечном итоге, именно текущее состояние биоты играет ведущую роль в обеспечении благополучия существования человека и как биологического вида и как разумного существа. В результате, как показывают исследования экономистов, рыночные отношения не могут напрямую регулировать отношения человека со средой.
Необходимо вводить корректирующие стоимость продукта поправки, которые учитывали бы будущие экономические потери, связанные с деградацией среды. Для этого необходимо иметь объективные оценки значимости различных нарушений природных сообществ. Такие оценки могут быть получены лишь при проведении специальных экологических исследований (Щипанов, 1998).
Задача регулирования состояния природной среды, оценки и прогноза тенденций его изменения в пространстве и во времени вызвали необходимость создания системы экологического мониторинга. Ее цель -наблюдение за состоянием природных экосистем, оценка и прогноз изменений их состояния в связи с антропогенным воздействием на биосферу. Разработка научных основ мониторинга, проводимая в последние годы, анализ целей системы мониторинга и ее рациональной структуры выявили целый спектр нетрадиционных научных задач, требующих для своего решения создания принципиально новых подходов.
Цели, методы и практика регулирования состояния природной среды различны на разных уровнях: локальном, региональном, глобальном. Это обуславливает специфические подходы к оптимизации систем экологического мониторинга на этих уровнях. На региональном уровне оптимизация экологического мониторинга возможна на основе разработки подходов для получения точной количественной характеристики состояния природных экосистем. При этом самостоятельный интерес приобретает оценка состояния природных популяций живых существ.
Результат антропогенного воздействия может быть оценен по наличию летального или патологичного эффекта (при гибели или снижении жизнеспособности различных живых организмов). Естественно, что обнаружение подобного эффекта не может являться основой для организации мониторинга в настоящее время. С все более широким внедрением природоохранных мероприятий в качестве главной задачи
встает обнаружение менее значительных сублетальных воздействий на природные популяции.
При этом наибольший интерес представляют подходы, позволяющие обнаружить даже незначительные отклонения параметров среды от фонового состояния, которые еще не сказываются или почти не сказываются на жизнеспособности организмов (Захаров, 1981).
В определении экологического мониторинга как системы наблюдений за изменениями состояния среды, обусловленными антропогенными факторами (Израэль и др., 1981), подчеркивается первостепенность фиксации изменений и прогноз важных с точки зрения полезности показателей биоты. Естественно, что важность отдельных показателей далеко не однозначна и выбор их во многом определяет точность регистрации изменений и характеристики чувствительности биоты к антропогенным воздействиям. Своевременный прогноз позволяет выбрать оптимальную стратегию и тактику для достижения намеченной цели и свести к минимуму нежелательные последствия. При этом прогноз служит и эталоном для коррекции практической деятельности по достижению намеченной цели. Тем самым научное прогнозирование становится своеобразным средством целенаправленного воздействия на будущее природной среды.
Однако любое прогнозирование осуществимо лишь на основе концепции нормы - нормального состояния или нормального процесса. Только такой подход дает нам необходимую точку отсчета и позволяет понять механизмы негативного влияния человеческой деятельности на популяции, виды и целые экосистемы (Алтухов, 2003). Однако, для оценки природных популяций и экосистем до последнего времени не было достаточно надежных комплексных характеристик, по количественным изменениям которых можно было бы судить о фоновых вариациях в среде обитания и выделять отклонения, отличные от фоновых.
Цель настоящей работы заключалась в разработке подходов для
получения точной количественной характеристики состояния природных
популяций рыб с использованием методов, основанных на
морфогенетических показателях стабильности развития и
цитогенетического гомеостаза.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.
Изучить морфогенетическую гетерогенность природных популяций сиговых рыб Обь-Тазовского бассейна по количественным и качественным признакам,
Выявить уровни межгрупповой и внутригрупповой фенотипической изменчивости представителей пяти видов сиговых рыб в пространственно-временном аспекте и определить исторически сложившиеся пределы гетерогенности природных популяций.
Исследовать корреляционную структуру сиговых рыб и определить степень корреляционной дивергенции видов.
Оценить степень генетического благополучия природных популяций рыб на фоне неуклонного повышения загрязнения их мест обитания.
Определить экологическую точку отсчета для оценки состояния природных популяций сиговых рыб, обитающих в экосистемах Обь-Тазовского бассейна.
Цитогенетический подход
Загрязнение среды химическими соединениями и источниками ионизирующих и других излучений, идущее в наши дни на фоне научно-технического прогресса изменяет обстановку на планете. Такого рода нарушения среды повсеместны, они касаются атмосферы, вод, почв, быта. Их источниками являются отходы промышленности, вещества, используемые в сельском хозяйстве, бытовой химии, медицине, науке, загрязнения от транспорта и т.д. Экологические последствия загрязнений широко известны, они влияют на здоровье людей, на природные сообщества, на сельское хозяйство. Надо также иметь в виду тот факт, что многим из них свойственны генетические последствия. Доказано, что в биосферу вводятся агенты, которые способны проникать в зародышевые и соматические клетки и поражать в них генетический аппарат. Такие агенты получили название мутагенов среды (Дубинин, 1982).
К началу восьмидесятых годов прошлого столетия, в целом, в окружающую человека среду, было введено от 3,5 до 4,3 млн. искусственно синтезированных химических соединений (Davis, Magee, 1979; Fishbein, 1982), из которых более 63 тыс. соединений находятся в постоянном пользовании у людей (Loprieno, 1982).
Влияние мутагенов среды на организмы имеет сложный, комплексный характер. Комплексность в действии мутагенов среды наиболее отчетливо видна при изучении мутагенной активности от суммарно загрязненной воды. Исследования по влиянию воды из р. Миссисипи и оз. Онтарио (США) показали, что она имеет мутагенный характер (Pellon et al., 1977; Dutka, Switzer-House, 1978). В Голландии следовые количества нескольких сотен органических соединений, среди которых имеются хорошо изученные канцерогены и мутагены, выявлены не только в поверхностных водах, но и питьевой воде. Мутагенные факторы обнаружены в питьевой воде в Канаде (Nestmann et al., 1979), в США (Glatz et al., 1978), а также в России (Цой, Пак, 1996).
Поскольку загрязнение среды мутагенами связано с поражением генетической программы организмов, генофонды популяций всех видов животных и растений утрачивают прежнюю стабильность. В свете сказанного, очевидно, что любое повышение мутагенеза у организмов, вызванное увеличением загрязнения среды мутагенными факторами следует признать вредным и опасным. Отсюда возникает необходимость организации мероприятий по генетическому мониторингу популяций в сочетании со скринингом химических соединений на мутагенную активность. Для оценки степени генетического благополучия природных популяций рыб в условиях неуклонного повышения загрязнения их мест обитания наиболее приемлемы методы цитогенетического мониторинга. На различных тест-объектах, как правило, применяется один из критериев, используемых в цитогенетическом мониторинге: митотическая активность, частота и спектр патологий митоза, ядрышковая активность, частота сестринских хроматидных обменов, количество хромосомных аберраций, микроядерный тест. Каждый из перечисленных критериев имеет свои преимущества и недостатки, но при проведении широкомасштабных исследований, где в качестве тест-объекта выступают промысловые виды рыб, более информативными являются хромосомная мутабильность и микроядерный тест.
Классическими тест-объектами для изучения частоты хромосомных нарушений у рыб являются развивающиеся зародыши. Мы в своих исследованиях использовали метод давленных препаратов, введенный Свердсоном (Svardson, 1945), который с различными модификациями успешно применяли многие исследователи (Прокофьева-Бельговская, 1961; Simon, 1963, 1964; Lieder, 1964; Викторовский, 1964; Панкова, 1965; Дорофеева, 1967; Цой, 1972 и др.).
Материалом наших исследований были развивающиеся эмбрионы пеляди - Coregonus peled (Gmelin), пыжьяна - C.lavaretus (Gmelin), чира -C.nasus (Pallas) и муксуна - C.muksun (Pallas). Половозрелых рыб отлавливали в районе их нереста, сбор половых продуктов осуществляли от текучих производителей. Свежеотцеженную икру от группы самок осеменяли спермой от нескольких самцов. Отмытую и набухшую оплодотворенную икру инкубировали в аппаратах Вейса.
Развивающуюся икру (начиная со стадии поздней бластулы) периодически фиксировали в смеси Карнуа, где абсолютный этиловый спирт смешивали с ледяной уксусной кислотой и хлороформом в соотношении 3:1:1. Через 30-60 минут зафиксированный материал переводили в 70 спирт и сохраняли в холодильнике в течение 1-3 месяцев. Для проведения цитогенетического анализа с икринок снимали оболочку и отпрепарировали зародыши (отделяли от желтка). Окраску зародышей проводили на часовом стекле в капле профильтрованного ацетокармина (4 г кармина на 100 мл 45%-ной уксусной кислоты) или ацетоорсеина (1 г орсеина на 100 мл 45%-ной уксусной кислоты) в течение 1-2 часов. Окрашенный материал переносили на предметное стекло и готовили давленные препараты.
Оценку цитогенетической стабильности у сиговых рыб проводили по частоте встречаемости аномальных митозов в клетках развивающихся зародышей и по частоте микроядер в клетках эмбрионов на поздних стадиях эмбриогенеза.
Популяционная структура и изменчивость ряпушки
Сибирская ряпушка - Coregonus sardinella Valenciennes заселяет почти все реки бассейнов Карского, Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского морей (Кириллов, 1972). В Обь-Тазовском бассейне ряпушка встречается повсеместно, а также в смежных с Обской губой районах - Гыданском заливе, в прибрежных водах западного Ямала, Байдарацкой губе, во всех более или менее крупных реках, впадающих в губы (Москаленко, 1955; Вышегородцев, 1975). В различных участках своего обширного ареала сибирская ряпушка представлена локальными популяциями, обладающими рядом общих морфологических признаков (Соловкина, 1974; Вышегородцев, 1975; 1977).
Для определения экологической изменчивости сибирской ряпушки Обь-Тазовского бассейна было проведено фенотипическое сравнение рыб из рек Гыда, Юрибей, Обь, Пур, а также Гыданского залива (табл. 20). Реки Гыда и Юрибей находятся на незначительном (60-80 км) расстоянии друг от друга, но от рек Обь и Пур удалены на многие сотни километров, что должно обеспечить межпопуляционную разобщенность ряпушки в Обь-Тазовском бассейне и, как следствие, экологическую разнокачественность их мест обитания.
Результаты сравнительного анализа выборок ряпушки показывают, что каждая популяция характеризуется комплексом морфологических показателей, которые достоверно отличают их друг от друга. Так, у ряпушки р. Гыда по сравнению с ряпушкой р. Юрибей (территориально близкие популяции) достоверные различия выявлены по двум меристическим признакам (число позвонков и число лучей брюшных плавников) и шести пластическим (постдорсальное расстояние, длина брюшных плавников, а также индексы высоты головы, длины рыла, ширины лба, диаметра глаза) признакам.
Самые значительные отличия в показателях морфологических признаков установлены у ряпушки из р. Пур. Данная группа рыб достоверно отличается от всех других групп значениями десяти признаков (четырех меристических и шести пластических), что составляет 41,7% от числа исследованных признаков. Как можно объяснить столь большую межпопуляционную гетерогенность ряпушки? Согласно широко распространенной точке зрения экологическая изменчивость обеспечивает возможность популяциям вида осваивать различные места обитания (Вышегородцев, 1975; Никольский и др., 1976; Никольский, 1980). При этом постулируется, что изменчивость популяций проявляется в зависимости от степени разнокачественности условий жизни. Чем сильнее отличаются друг от друга условия жизни, тем более резко будет проявляться гетерогенность популяций.
Совершенно не оспаривая данный взгляд на экологическую изменчивость, мы склонны считать, что в нашем случае на показатели фенотипической разобщенности ряпушки из разных рек Обь-Тазовского бассейна фактор «ошибки выборки». В пользу такого предположения может свидетельствовать тот факт, что размах индивидуальной и межгрупповой изменчивости не выходит за пределы видовой нормы реакции сибирской ряпушки (табл. 21 и 22). С другой стороны, по-видимому, обратимые проявления морфологической дивергенции популяций могли возникнуть у ряпушки, затронув скоррелированные признаки головного отдела (табл. 23).
Тугун - Coregonus tugun (Pallas) - сосьвинская сельдь, населяет уральские притоки Оби и Северной Сосьвы (Сыня, Войкар, Собь, Щучья, Ляпин, Манья, Щекурья). Встречается тугун и в некоторых тундровых речках, впадающих в Обскую губу, но в низовьях самой Оби он не обнаружен. Наиболее многочисленное стадо тугуна обитает в р. Северной Сосьве (Москаленко, 1955; Никонов, 1958; Малышев, 1975).
Неустойчивый режим гидрологических условий, нерациональный и браконьерский лов на нерестилищах, возрастающее загрязнение воды составляют основу неблагоприятных факторов, способных оказать влияние на состояние природных популяций рыб в бассейне р. Северной Сосьвы. Отсюда можно было ожидать проявление фенотипической разнокачественности среди рыб (в первую очередь, с укороченным жизненным циклом), представляющих разные генерации, появившиеся за последние десятилетия.
Имеющиеся материалы по морфологической изменчивости сосьвинского тугуна, полученные в разные годы прошлого столетия и в начале текущего, свидетельствуют о фенотипической однородности как выборочных совокупностей, так и сосьвинской популяции в целом (табл. 24 и 25). И хотя, в ряде случаев различия между средними значениями отдельных признаков в разных выборках оказываются статистически достоверными, они не подкрепляются показателями других признаков или показателями тех же признаков в смежных генерациях тугуна. Например, выборка, полученная В.М. Шишмаревым в 1979 году, достоверно отличается от всех остальных групп рыб наименьшим числом жаберных тычинок на первой дуге. На основании этого единичного показателя мы не можем делать вывод, что данная генерация тугуна каким-то специфическим образом отреагировала на какие-то специфические условия (факторы) среды в период раннего развития, а затем все вновь обрело привычные формы. Скорее всего и здесь мы имеем дело с проявлением «ошибки выборки».
Более правдоподобно выглядят постепенные изменения показателей группы скоррелированных пластических признаков - индексов; увеличение наименьшей высоты тела, антеанального расстояния, длины основания анального плавника, высоты головы (табл. 24). Тут мы исходим из того, что экологическое и морфологическое разделения организма не совсем соответствуют друг другу, так как экологическая особенность основана обычно на функциях различных органов и их систем, а функция одного органа может участвовать в различных экологических особенностях (Познанин, 1986).
Общий уровень индивидуальной и межгрупповой изменчивости тугуна, по сравнению с изменчивостью других сиговых рыб Обь-Тазовского бассейна, самый низкий (табл. 25 и 26). Это свидетельствует о невысокой генотипической изменчивости сосьвинской популяции тугуна, которая может служить отправной точкой при оценке состояния природных популяций данного вида рыб.
Флуктуирующая асимметрия - отражение онтогенетического шума в оценке стабильности развития популяций сиговых рыб
Ключевой характеристикой популяционного подхода является оценка состояния популяций. С онтогенетических позиций она может быть дана по состоянию особей, характеризуемому стабильностью развития. Задача при этом сводится к оценке нормальности, совершенства процессов развития, в качестве основных показателей которых, были предложены нарушения развития и онтогенетический шум. Если собственно нарушения развития, фенодевиации, представляющие собой существенные изменения морфологии, встречаются крайне редко, то онтогенетический шум оказывается операциональным критерием оценки стабильности развития (Mather, 1953; Захаров, 1987). Онтогенетический шум (Waddington, 1957) -случайная спонтанная изменчивость развития (Астауров, 1974), или реализационная изменчивость (Струнников, Вышинский, 1991), наиболее четко и просто может быть оценен по флуктуирующей асимметрии билатеральных структур. Преимущество подхода состоит в том, что при этом известна генетически заданная норма - симметрия, отклонения от которой в ходе развития и представляют собой онтогенетический шум.
Главным показателем флуктуирующей асимметрии является ее величина, определяемая как незначительные ненаправленные отклонения от строгой билатеральной симметрии. Обычно, эта форма асимметрии противопоставляется направленной асимметрии и антисимметрии, которые, как правило, представляют собой существенные различия между сторонами и являются строго наследственно детерминированными (Ludwig, 1932; Van Valen, 1962; Neville, 1976).
Оценка стабильности развития по каждому признаку состоит в учете асимметрии, различий в значениях признака слева и справа. Принципиально для этого годятся любые морфологические признаки, пригодные для точного учета. Для меристического признака величина асимметрии у каждой особи определяется по различию числа структур слева и справа, а для пластического рассчитывается как различие в промерах слева и справа, отнесенное к сумме промеров на двух сторонах. Использование такой относительной величины необходимо для того, чтобы нивелировать зависимость величины асимметрии от величины самого признака. Популяционная оценка выражается средней арифметической.
Состояние природных популяций, подвергающихся антропогенным воздействиям, чаще оценивают с помощью меристических признаков (Dexta, 1996; Sheffer et al., 1998; Indrasamy et al., 2000; Гилева, Нохрин, 2001; Романов, 2001; Чеботарев, Изюмов, 2001; Юрцева и др., 2002; Robinson, Wardrop, 2002), в то время, как в лабораторных условиях меристические и пластические признаки используются примерно в одинаковой мере (Palmer, 1994; Stamenkovic-Radak et al., 2001; Robinson, Wardrop, 2002).
Изучение уровней флуктуирующей асимметрии в природных популяциях сиговых рыб Обь-Тазовского бассейна проведено нами на выборках пеляди и ряпушки из реки Пур и выборки тугуна из реки Северная Сосьва. Анализу подвергнуты пять билатеральных меристических признаков: число жаберных тычинок на первой дужке, число чешуи в боковой линии, число ребер, число лучей в грудных плавниках, число лучей в брюшных плавниках (табл. 33).
В работе использовались два индекса флуктуирующей асимметрии -FA1 и FA2 (Palmer, 1994), вычисляемые по формулам:
FA1 = L-R и FA2 = (2 L-R / L+R ; где L и R - значения признака соответственно на левой и правой стороне тела рыбы.
Исследование флуктуирующей асимметрии показало, что для пеляди, ряпушки и тугуна, представляющих природные популяции сиговых рыб Обь-Тазовского бассейна в конце прошедшего столетия, диапазон значений интегрального показателя стабильности - частота асимметричного проявления на признак (Захаров и др.. 2000) легко укладывается в рамки условной нормы (табл. 34). Если исходить из представления о наличии некоего информационного пространства, в пределах которого обеспечивается достаточность морфологического развития билатеральных признаков в онтогенезе, то низким показателям флуктуирующей асимметрии могут быть три объяснения: 1) отсутствие существенных возмущающих воздействий; 2) высокая устойчивость развивающейся системы сиговых рыб; 3) повышенная смертность среди асимметричных особей на ранних стадиях развития (Campbell, Emlen, 1996; Cambell et al., 1998; Woods et al., 1999).
Похожие диссертации на Комплексная морфогенетическая оценка состояния природных популяций рыб (На примере сиговых Обь-Тазовского бассейна)
