Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ АБИОТИЧЕСКИХ ФАТОРОВ НА РАЗВИТИЕ И РОСТ ПОЙКИЛОТЕРМНЫХ ОРГАНИЗМОВ (обзор литературы). 10
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ, МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИСЛЕДОВАНИИ 31
2.1 Методика проведения эксперимента 33
2.2 Методы исследования влияния астатичности абиотических факторов на рост и развитие земноводных 35
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА РОСТ И РАЗВИТИЕ ЗЕМНОВОДНЫХ 3 7
3.1. Влияние колебаний температуры на рост и развитие хвостатых земноводных (Caudata) 38
3.1.1 Влияние колебаний температуры на развитие и рост обыкновенного тритона {Lissotriton vulgaris L.) 34
3.2 Влияние колебаний температуры на развитие и рост бесхвостых земноводных (Anura) 44
3.2.1 Влияние колебаний температуры на развитие и рост африканской шпорцевой лягушки {Xenopus laevis Daudin) 45
3.2.2 Влияние колебаний температуры на развитие и рост обыкновенной жабы {Bufo bufo L.) 49
3.2.3 Влияние колебаний температуры на развитие и рост зелёной жабы {Bufo viridis Laurenti) 54
ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ИОНОВ ВОДОРОДА НА РОСТ И РАЗВИТИЕ ЗЕМНОВОДНЫХ 60
4.1 Влияние колебаний концентрации ионов водорода на развитие и рост хвостатых земноводных (Caudata) 60
4.1.1 Влияние колебаний концентрации ионов водорода на развитие и рост обыкновенного тритона {Lissotriton vulgaris L.) 61
4.2. Влияние колебаний концентрации ионов водорода на развитие и рост бесхвостых земноводных (Anura) 65
4.2.1 Влияние колебаний температуры на развитие и рост африканской шпорцевой лягушки {Xenopus laevis Daudin) 66
4.2.2 Влияние колебаний концентрации ионов водорода на развитие эмбрионов обыкновенной жабы {Bufo bufo L.) 71
4.2.3 Влияние колебаний концентрации ионов водорода на развитие эмбрионов зелёной жабы {Bufo viridis Laurenti) 75
4.2.4 Влияние колебаний концентрации ионов водорода на рост и развитие личинок зелёной жабы {Bufo viridis Laurenti) 79
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ КОЛЕБАНИЙ СОЛЁНОСТИ НА РАЗВИТИЕ И РОСТ ЗЕМНОВОДНЫХ 88
5.1. Влияние колебаний солёности на развитие и рост хвостатых земноводных (Caudata) 88
5.1.1 Влияние колебаний солёности на развитие и рост обыкновенного тритона {Lissotriton vulgaris L.) 88
5.2. Влияние колебаний солёности на развитие и рост бесхвостых земноводных (Anura) 93
5.2.1. Влияние колебаний солёности на развитие и рост шпорцевой лягушки {Xenopus laevis Daudin) 94
5.2.2. Влияние колебаний солёности на рост и развитие личинок обыкновенной жабы {Bufo bufo L.) 100
5.2.4. Влияние колебаний солёности на рост и развитие личинок зелёной жабы {Bufo viridis Laurenti) 108
Заключение 118
ВЫВОДЫ 120
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 122
- Влияние колебаний температуры на рост и развитие хвостатых земноводных (Caudata)
- Влияние колебаний концентрации ионов водорода на развитие и рост обыкновенного тритона {Lissotriton vulgaris L.)
- Влияние колебаний солёности на развитие и рост обыкновенного тритона {Lissotriton vulgaris L.)
Введение к работе
Актуальность проблемы. Понятие экологического оптимума является одним из важнейших, имеющих общебиологическое значение. В настоящее время в мировой науке существует определённый исторически сложившийся подход к пониманию этой проблемы. Под определением «экологический оптимум» понимается определённая мера какого-либо фактора среды, которая обеспечивает наиболее благоприятные условия для жизнедеятельности организма. В математическом выражении это определённый отрезок значений фактора, называемый зоной оптимума. Вне границ такого отрезка находятся величины, вызывающие у организма адаптационные реакции для нейтрализации негативного действия внешней среды на внутреннюю. Для работы таких адаптационных механизмов требуется определённое количество энергии, возрастающее по мере увеличения разницы между данной величиной фактора и его оптимальным значением. В случае отсутствия такого отличия адаптационные механизмы деактивированы и не расходуют энергию. Этот подход к понятию оптимума подтверждён практическими исследованиями и на сегодняшний день считается общепринятым. На его принципах основаны все биологические технологии, использующие практически любые организмы, от примитивных прокариот до позвоночных животных. Главное правило таких технологий -обеспечение условий с максимально приближенными к определённым оптимальным величинам значениями отдельных факторов среды.
В данной работе подход к понятию экологического оптимума рассматривается с иной позиции. Многочисленные данные свидетельствуют, что естественная среда далеко не статична во времени по своим отдельным факторам, которые с той или иной амплитудой или цикличностью
)
изменяются в количественном выражении. В качестве примера такого
( непостоянства среды может служить суточные колебания температуры и
і освещённости. В естественной среде организмы, так или иначе, постоянно
испытывают колебания факторов. Естественно предположение, что живые существа эволюционно адаптированы к условиям среды обитания, в том числе и к их непостоянству во времени. Абсолютное большинство факторов постоянно действуют на организм в изменчивом выражении. По этой причине нельзя считать справедливым предположение о том, что естественные условия негативно влияют на организмы, эволюционно адаптированные к этим условиям.
Такое теоретическое обоснование было подтверждено на практике экспериментальными данными, которые свидетельствуют, что определённые колебания абиотических факторов положительно влияют на процессы жизнедеятельности живых организмов. В исследованиях влияния колебаний температуры, водородного показателя, солёности, концентрации кислорода и освещенности на физиологические и энергетические показатели как беспозвоночных гидробионтов, так и рыб, исследователи отмечают ускорение роста и оптимизацию параметров внутренней среды организма (Hagstrum, Hagstram, 1970; Галковская, Сущеня, 1978; Константинов, Зданович, 1985,1986, 1996; Константинов, 1988, 1993, 1997; Заар и др., 1989; Константинов, Мартынова, 1990, 1992; Вечканов и др., 1997, 2000; Ручин, 2000; Константинов и др., 2004 и др). Обнаружение подобного эффекта при разных факторах и на столь различных объектах даёт основание предполагать, что любые изменения условий среды, не выходящие за пределы адаптационных возможностей конкретного организма способны оказывать благоприятное действие на него, а такое непостоянство условий -является важным условием экологического оптимума: Однако, недостаточное количество и разрозненность подобных исследований не позволяют сделать окончательный и обобщённый вывод о закономерностях наблюдаемого эффекта. По этим причинам научные исследования' в этом направлении являются необходимыми и актуальными. Целесообразность таких исследований заключается ещё и в практической ценности обнаруженного явления. Оптимизация условий содержания и разведения
различных объектов биологических культур позволяет заметно повысить их экономическую эффективность.
Практический интерес к земноводным как к перспективному объекту зоокультуры возник относительно недавно. Разработка методик культивирования амфибий требует выявления условий, позволяющих максимально эффективно использовать данный объект. Для этого необходимы масштабные исследования по изучению экологических особенностей данной группы животных. К тому же этот класс позвоночных является наименее изученным, что отчасти и объясняется отсутствием на протяжении многих лет практического значения земноводных. С другой стороны, теоретические знания, которые могут быть получены в подобных исследованиях, крайне важны, как упоминалось выше, для полного и целостного представления о закономерностях оптимизирующего влияния астатичности среды. По этим причинам была выявлена необходимость изучения влияния колебаний факторов среды на земноводных.
Эмбрионально-личиночное развитие любого многоклеточного животного - один из самых критических периодов онтогенеза в отношении влияния среды на организм. Развивающийся и растущий организм наиболее всего , подвержен влиянию внешних условий. Именно на этом этапе отмечается наибольшая смертность отдельного поколения организмов любого вида. Это утверждение справедливо и в отношении земноводных. Влияние среды, положительное или негативное проявляется в этот период в наибольшей степени, что позволяет с максимальной достоверностью регистрировать эффект от такого влияния. Это является важной теоретической предпосылкой для выбора эмбрионально-личиночного этапа онтогенеза в качестве предмета исследования. С практической же стороны, в условиях зоокультуры, необходимо именно на данном этапе - получении икры и разведении личинок - добиться максимальной эффективности развития и роста и минимальной смертности, так как организм в этот период наиболее подвержен внешнему воздействию. Таких результатов можно
добиться лишь в случае оптимизации условий культивирования, в первую очередь - абиотических факторов, таких как температура, свет, химический состав. По совокупности изложенных причин было целесообразно провести исследования влияния колебаний факторов на эмбрионально-личиночное развитие земноводных.
Цель и задачи исследования. Целью нашей работы является изучение основных закономерностей влияния колебаний абиотических факторов на эмбрионально-личиночное развитие земноводных. Для достижения поставленной цели были определены следующие необходимые задачи:
Изучить влияние колебаний температуры на эмбриональное развитие, развитие и рост личинок земноводных различных систематических групп
Изучить влияние колебаний концентрации ионов водорода на эмбриональное развитие, развитие и рост личинок земноводных различных видов
Изучить влияние колебаний солёности на эмбриональное развитие, развитие и рост личинок земноводных различных систематических групп
Научная новизна. В нашей работе показано, что экологическим оптимумом для земноводных являются не статичные значения абиотических факторов, а периодические колебания в определённых пределах, специфичных для данного вида. При таких астатичных условиях у подопытных особей наблюдается ускорение развития и роста. Подобный эффект носит общий характер для различных представителей класса земноводных и проявляется на разных этапах онтогенеза.
Впервые исследовано влияние колебаний температуры, водородного иона и солёности на эмбриональное развитие представителей двух отрядов земноводных. Выявлено, что при астатичности этих абиотических факторов наблюдается ускорение развития и роста, увеличение его синхронности,
снижение вариабельности размеров, уменьшение смертности особей. Полученные результаты могут быть полезны при разработках методик организации зоокультур амфибий.
Получены результаты, согласно которым при колебаниях абиотических факторов наблюдается увеличение темпов развития и роста головастиков трёх видов земноводных. На этих же видах показано, что при астатичности факторов среды снижается смертность особей при метаморфозе, а выращенные в таких условиях сеголетки оказываются крупнее и имеют меньшую вариабельность линейно-весовых показателей.
Научно-практическая значимость.
Изложенный в диссертации материал подтверждает предположение об общебиологических закономерностях эффекта астатичного оптимума. Выявлено, что для земноводных наиболее благоприятными условиями являются небольшие периодические колебания абиотических факторов в пределах определённого диапазона величин. Оптимизирующее действие астатичного оптимума заключается в ускорении и увеличения синхронности развития, укрупнения подопытных особей и снижение вариабельности их линейно-весовых характеристик. Благоприятный эффект наблюдается вне зависимости от природы экологического фактора и видовой принадлежности земноводного, что и указывает на общебиологический характер явления.
Полученные результаты должны быть приняты во внимание при организации зоокультуры земноводных, так как применение содержания особей в астатичных условиях способно заметно снизить смертность в эмбрионально-личиночный период, и позволяет получить более крупную молодь.
Результаты исследований используются в курсах лекций «Экологическая физиология животных», «Общая экология», «Организм и среда», в практических спецкурсах на кафедре зоологии биологического факультета в Мордовском государственном университете.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Экологическим оптимумом для земноводных являются не
определенные константные условия, а периодические отклонения
параметров среды в пределах толерантного диапазона данного вида.
2. В условиях колебаний экологических факторов наблюдается ускорение
эмбрионально-личиночного развития земноводных, темпов роста,
увеличение выживаемости и снижение вариабельности линейно-весовых
размеров личинок
3. Оптимизация жизнедеятельности земноводных в астатичных условиях
является неспецифической реакцией организма, не зависящей от природы
фактора, и проявляется на разных этапах онтогенеза у различных видов
земноводных.
Апробация работы.
Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 14 научных работ.
Декларация личного участия автора. Автор лично принимал участие в постановке и проведении экспериментов, представленных в диссертации. Камеральная обработка полученных данных, их интерпретация и оформление, остальные работы по написанию диссертации осуществлены автором по плану, согласованному с научным руководителем. Доля личного участия автора в написании и подготовке публикаций составляет 20-100%.
Структура и объём. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов и библиографического списка. Текст диссертации изложен на 146 страницах, включает 30 таблиц, 16 рисунков. Список цитированной литературы содержит 243 источника, в том числе - 37 на иностранных языках.
Влияние колебаний температуры на рост и развитие хвостатых земноводных (Caudata)
В литературе, посвященной лабораторному культивированию тритонов, даются общие рекомендации относительно температурных условий выращивания. В качестве наиболее благоприятного температурного режима для большинства видов тритонов Средней полосы России указываются температуры в пределах 10-15С (Лиознер, 1975), причём без каких-либо уточнений относительно периодов развития. Не вызывает сомнения тот факт, что требования вида к температуре не могут быть одинаковыми на протяжении всех периодов - эмбрионального, личиночного и постличиночного развития. По этим причинам нами были поставлены предварительные серии экспериментов по изучению влияния статичных температурных величин на рост и развитие обыкновенного тритона. Как видно из результатов наших исследований, представленных в таблице 3.1.1, скорость эмбрионального развития увеличивалась пропорционально повышению температуры. Ыаименьший период эмбрионального развития наблюдался при температуре 21 С, и составил 203.6+2.4 ч. Самое значительное увеличение продолжительности эмбрионального развития отмечалась при температуре 16С, где этот период длился 261.6+3.5 ч.
Не только скорость, но и синхронность развития также может служить качественной характеристикой влияния условий среды. В наиболее благоприятных условиях для эмбрионов характерно более или менее синхронное развитие. С ухудшением условий развитие особей одного поколения происходит неравномерно. Синхронность развития эмбрионов в различных температурных условиях была неодинакова и увеличивалась с повышением температуры, при этом коэффициент вариации времени развития достигал максимальной величины при 20С - 1.84, и был минимален при 18С - 1.19.
Выживаемость эмбрионов - важнейший показатель, характеризующий степень благоприятного или негативного воздействия внешних условий. В наших исследованиях наименьшая смертность у эмбрионов обыкновенного тритона наблюдалась при 18С. С увеличением температуры этот показатель значительно снижался, то есть возрастал процент естественного отхода исследуемых особей. Снижение температуры ниже 18С также вызывало увеличение смертности. Элиминация личинок при повышенной температуре происходила преимущественно на начальных стадиях развития, при снижении температуры смертность личинок была равномерна на протяжении всего времени развития.
В развивающемся эмбрионе наблюдается не только качественное развитие организма, но и определённый, ограниченный запасными веществами икры, качественный рост. Массойакопление организма - важный показатель качества условий обитания. Это одна из наиболее варьирующих характеристик, однако запас питательных веществ в икринке, фактически накопленных ещё родительской особью, значительно ограничивает пределы изменения массы эмбрионов.В период эмбриогенеза наблюдается эндогенное питание, и зародыши лишены возможности существенно изменять поток обмена веществом с окружающей средой с помощью корма. Тем не менее, внешние условия способны изменять соотношение процессов метаболизма и анаболизма, что может сказаться и на массе тела личинок после выклева.
Для оценки параметров роста после окончания эмбрионального развития вышедших из икры личинок взвешивали и измеряли. При этом было отмечено, что наиболее крупные личинки выросли при низких температурах, а из икры, инкубированной при повышенной температуре, вышли наиболее мелкие личинки. Так, максимальная длина личинок отмечается при температуре 16С и составляет 10.2 мм (табл. 3.1.1). При дальнейшем повышении температуры от режима к режиму длина тела личинок уменьшается и становится минимальной - до 9.0 мм при 21 С. Аналогично зависела от температуры и масса личинок.
Влияние колебаний концентрации ионов водорода на развитие и рост обыкновенного тритона {Lissotriton vulgaris L.)
Во многих работах отмечается только тот факт, что тритон на всех стадиях жизненного цикла очень чувствителен к изменениям естественной среды водоёмов, где он обитает (Кузьмин, Семёнов, 2006), главным образом это касается загрязнения водоёмов, в том числе антропогенной ацидификации. Это послужило одной из причин исследования влияния различных гидрион-режимов на развитие и рост этого вида. Диапазон величин рН, выбранных для проведения экспериментов не случаен. Именно в диапазоне от 6,5 до 9,5 ед. колеблется рН в водоёмах, находящихся на территории ареала обыкновенного тритона (Шестерин, 1987). Для определения оптимального значения этого показателя для развития- и роста эмбрионов были проведены предварительные эксперименты со стационарными величинами.
Как показали наши исследования, концентрация ионов водорода существенно влияет на скорость развития зародышей тритона. Из таблицы 4.1.1 видно, что быстрее остальных эмбриональный период прошли особи, инкубируемые при рН 8.0. Отклонение водородного показателя от этого значения в большую или меньшую сторону приводило к замедлению эмбрионального развития. Так, максимальная разница по времени развития эмбрионов превышала сутки при сравнении гидрион-режимов 8.0 и 9.5 ед. Кроме того, коэффициент вариации времени эмбриогенеза показал, что при рН 8.0 выход личинок из оболочек проходил более синхронно, чем в остальных режимах. В случае отклонения концентрации ионов водорода от этой величины наблюдалось снижение дружности выхода особей.
Полученные нами данные (табл. 4.1.1) показывают, что водородный показатель значительно влияет на количество выживших в процессе эмбрионального развития особей. Минимальная смертность отмечалась при рН 8.0. Как при увеличении, так и при- снижении этого показателя наблюдалось увеличение отхода эмбрионов, который достигал 100% при крайних значениях концентрации ионов водорода в 6.5 и 10.0 единиц.
Длина тела вышедших из оболочек личинок оказалась неодинаковой при различных значениях водородного показателя и достигала максимальной величины при рН 8.0. При увеличении или уменьшении концентрации водородного показателя от этого уровня размер личинок снижался. Следует также отметить, что при рН 8.0 варьирование личинок по длине тела было наименьшим и при отклонении концентрации ионов водорода от указанного значения, как в большую, так и в меньшую сторону, коэффициент вариации заметно увеличивался (табл. 4.1.1).
Масса тела личинок после эмбриогенеза была неодинакова в разных вариантах концентрации водородного иона. Наиболее крупными оказались личинки, выращенные при рН 8.0, которые достигали массы тела 4.12±0.01 мг. Чем больше была разница в значении водородного показателя с этой величиной, тем мельче оказывались особи после эмбриогенеза, и были самыми мелкими при рН 9.5. Варьирование массы тела личинок было минимальным также при рН 8.0, и возрастание коэффициента вариации наблюдалось при увеличении или уменьшении концентрации ионов водорода в среде культивирования особей.
Влияние колебаний солёности на развитие и рост обыкновенного тритона {Lissotriton vulgaris L.)
Обыкновенный тритон является удобным и хорошо изученным модельным объектом биологических исследований. В естественных условиях этот вид не сталкивается с повышенным содержанием солей в воде. Эта причина объясняет научный интерес к нему в отношении к фактору солёности. Так как в методических указаниях по содержанию и выращиванию обыкновенного тритона отсутствуют данные о каких-либо толерантных величинах солёности для этого вида, была поставлена задача изучить действие различных концентраций соли" на развитие и рост эмбрионов обыкновенного тритона.
Как показали результаты исследований (табл. 5.1.1), зародыши обыкновенного тритона имеют толерантный диапазон от 0%о до 4%о. Увеличение концентрации выше 4%о приводило к 100%-ной элиминации эмбрионов уже на вторые сутки инкубирования. Как видно из данных таблицы 5.1.1, осолонение воды до 1%о вызывает незначительное сокращение периода эмбрионального развития по сравнению с контролем, которым служила пресная вода (общее содержание солей не более 0,3%о). Увеличение концентрации соли больше 1 г/л приводило к достоверному замедлению скорости эмбриогенеза, тем сильнее, чем выше была солёность. Синхронность развития зародышей обыкновенного тритона возрастала при увеличении осолонёности до 3%о по сравнению с контролем. В случае дальнейшего увеличения концентрации соли этот показатель снижался, и коэффициент вариации длительности эмбриогенеза при 4%о был выше, чем в контроле. Максимальное снижение варьирования этой характеристики отмечалось при 1%о.
Наибольшая выживаемость отмечалась при 1%о, где она на 10% превышала контрольный показатель. Чуть меньше особей выжило при 2%о, где этот показатель превосходил контрольный режим на 7%. Дальнейшее увеличение содержания соли в воде приводило к увеличению гибели. Как уже отмечалось, при 5%о все зародыши погибли в первые дни инкубирования. Этот факт находит подтверждение в соответствующей литературе, где объясняется, что величина солёности 5-8%о является рубежом, разделяющим пресноводную и морскую фауну (Хлебович, 1974).
Размер личинок, вышедших из оболочек при различных уровнях солёности оказался неодинаковым. Прежде всего, следует отметить, что длина тела личинок, инкубированных при 1%о, оказалась достоверно выше контрольных показателей. Увеличение концентрации соли до 2%о уже не оказало влияния на размер личинок с достаточной достоверностью. При дальнейшем же увеличении солёности длина тела укорачивалась по сравнению с контролем (табл. 5.1.1). Вариация размеров тела существенно снижалась в режимах 1%о до 4.30, в 2%о - до 4.59 и в 3%о - до 4.60 против контрольной величины - 4.78. Увеличение концентрации соли более 3%о повышало коэффициент вариации по сравнению с контролем.
