Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Материалы и методы исследований 8
1.1. Траловые съемки, ихтиологические исследования 8
1.2. Гидроакустические работы 19
1.3. Электронномикроскопические исследования 23
1.4. Генетические исследования 23
Глава 2. Краткая океанографическая характеристика северо-западной, северной и северо-восточной частей Берингова моря 27
Глава 3. Пространственное распределение минтая 37
Глава 4, Воспроизводство 75
4.1. Размножение, пространственная дифференциация основных нерсстил ищ 75
4.2. Морфология и ультраструктура икринок минтая 86
4.3. Успешность нереста, численность молоди 87
4.4. Скорость полового созревания 93
Глава 5. Раз мерно-возрастная структура 103
Глава 6. Питание 135
6.1. Состав пищи 135
6.2. Каннибализм 148
Глава 7. Морфофизиологические адаптации 155
7.1. Коэффициент упитанности 156
7.2. Гонадосоматический индекс 185
7.3. Печеносоматический индекс 194
7.4. Селезеночносоматический индекс 199
7.5. Сердечносоматический индекс 203
Глава 8. Популяционный статус минтая северной части Берингова моря, состояние запаса 208
8.1. Фенетические маркеры 208
8.2. Генетические маркеры 212
8.3. Популяционный статус минтая северной части Берингова моря 239
8.4. Оценка состояния запаса 243
8.4.1. Методы прямого учета 243
8.4.2. Методы математического моделирования 244
8.5. Меры регулирования промысла 248
Глава 9. Минтай в ихтиоценах Берингова моря 253
9.1. Видовой состав и структура донных ихтиоценов шельфа и верхней части материкового склона 254
9.2. Видовой состав и структура ихтиоценов эпипелагиали Берингова моря 274
Выводы 278
Список использованной литературы 281
- Электронномикроскопические исследования
- Краткая океанографическая характеристика северо-западной, северной и северо-восточной частей Берингова моря
- Популяционный статус минтая северной части Берингова моря
- Видовой состав и структура ихтиоценов эпипелагиали Берингова моря
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Минтай Theragra chalcogramma (Pallas, 1814) является одним из основных объектов рыболовства в мире. Со времен неолита народы, населяющие побережье бассейна северной части Тихого океана, традиционно использовали его в пищу. Промысел минтая в Японии возник уже в XVIII веке (Tomabechi, 1972). Первые упоминания о российском кустарном лове минтая в Беринговом море относятся к началу XX века (Суворов, 1912). Японский промысел минтая возник в Беринговом море в начале 30-х годов XX века (Судзуки, 1967). Это было вызвано увеличением мощности японских двигателей на рыболовных судах, появлением плавучих фабрик и наращиванием экспорта сухой рыбы (в переводе на японский сухая рыба
- "mentai"), что позволяло обеспечивать ее длительное хранение и транспортировку
(Tomabechi, 1972). Разработка в 60-е годы Хоккайдской рыбохозяйственной
экспериментальной станцией нового вида продукции из минтая - рыбного фарша
«сурими» привело к резкому росту добычи минтая (Maeda et al., 1993).
В Беринговом море, площадь которого составляет всего 0,6% Мирового океана, во второй половине 80-х гг. вылавливалось до 4,5 млн.т. морепродуктов. Если исключить из площади моря 30% малопродуктивных районов, то рыбопродуктивность оставшихся будет сопоставима с продуктивностью апвеллингов Перу и Западной Африки. Взаимодействие шельфовых и глубинных вод создает повышенную продуктивность 3-х основных районов Берингова моря: в юго-восточной части - Бристольский залив и богословский район, в западной части
- карагинско-олюторский район, в северной части - наваринский район. Именно
там обитает большая часть минтая Берингова моря.
Первоначальные исследования его биологии с целью получения наиболее достоверной информации для разработки принципов рационального использования jaiiacoB на долгосрочной основе показали существование в продуктивных районах самостоятельных популяций минтая (Серобаба, 1977; Флусова, 1986; Iwata, 1975). В период резкого увеличения численности, отмеченного в 80-е гг., произошло перекрывание ареалов популяций и усиление миграционной активности. В результате возникших сложностей идентификации популяционной принадлежности минтая из различных скоплений, в тот период возобладала точка зрения об отсутствии самовоспроизводящейся популяции на севере моря (Stcpanenko, 1989; Фадеев, 1991; Шунтов и др., 1993). Падение численности минтая в 90-е гг. и проведение в 1990 г. линии разграничения морских пространств между СССР и США в северной части Берингова моря вновь со всей остротой поставило вопрос о популяционной принадлежности североберинговоморских скоплений и принципах прогнозирования состояния их запасов (Николаева, Глубоков, 2002). Прогнозирование, осуществляемое исходя из представлений о единой популяции минтая от наваринского района до Бристольского залива, плохо оправдывалось. Съемки, проводимые российскими, американскими и японскими учеными с периодичностью 1 раз в 1-3 года, не давали информации о сезонных миграциях, а указывали на то или иное распределение скоплений в определенный момент конкретного года.
В отой связи назрела необходимость выработки нового методического подхода в исследованиях, позволяющего собрать достоверную информацию о
биологии и популяционной структуре минтая северной части Берингова моря, и его реализации в рамках комплексной многолетней программы.
Актуальность проблемы диктуется: во-первых, необходимостью сохранения и рациональной эксплуатации запасов минтая северной части Берингова моря; во-вторых, международно-правовыми вопросами использования беринговоморских запасов минтая, включая северную и нейтральную части Берингова моря.
Цель и задачи исследований. Цель исследований -с применением нового методологического подхода получить данные о пространственно-временной дифференциации скоплений минтая северной части Берингова моря в сезонном и онтогенетическом аспектах. На основе новых данных о биологии, морфофпзиологических адаптациях и генетической структуре определить помуляпионный статус минтая северной части Берингова моря.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи.
Создать новую методологическую основу изучения запасов минтая. С применением нового подхода оценить состояние и величину биомассы минтая северной части Берингова моря.
Провести анализ сезонных, межгодовых и онтогенетических особенностей распределения минтая, протяженности и направленности его миграционных путей.
Определить пространственную дифференциацию нерестилищ и интенсивность воспроизводства минтая в северной части Берингова моря.
Изучить сезонную и межгодовую динамику размерно-возрастной структуры скоплений минтая северной части Берингова моря,
Охарактеризовать состав пищи минтая по сезонам и в межгодовом аспекте, оценить роль каннибализма в питании минтая из различных районов Берингова моря.
Исследовать морфофизиологические адаптации минтая различных скоплений к определенным биотопам.
Изучить фенетические маркеры минтая северной части Берингова моря.
Исследовать нуклеотидные последовательности геномной ДНК минтая Берингова моря, включая микросателлиты.
На основе комплексных данных о распределении, миграциях, размножении. размерно-возрастной структуре, питании, морфофпзиологических и генетических особенностях минтая северной части Берингова моря определить его внутривидовой статус.
Изучить роль минтая в ихтиоценах северной части Берингова моря.
Основные положения, которые выносятся на защиту:
новый методологический подход к изучению морских промысловых рыб путем оценки особенностей сезонной и межгодовой динамики функционирования их популяций позволяет получать достоверную комплексную информацию о биологии, популяционной структуре и биомассе запасов;
с применением нового методологического подхода установлено, что в северной части Берингова моря обитает независимая популяция минтая,
особи которой 8 условиях низкой численности не совершают протяженных миграций как в онтогенезе, так и в течение годового цикла.
Научная новизна.
Впервые на новой методологической основе, суть которой заключается в комплексности и многократности съемок с использованием основных подходов (Яблоков, 1987) к оценке дифференциации запасов, получены новые представления о популяцпонной структуре минтая в северной части Берингова моря. Комплексные данные о биологии, установленные в ходе исследования морфофизиологические адаптации, выявленные фенетические и генетические маркеры позволили выделить наваринские скопления минтая в самостоятельную популяцию.
Впервые на основе многократных комплексных съемок показано пространственное распределение молоди и половозрелого минтая в северной части Берингова моря в сезонной и межгодовой динамике. Прослежена динамика распределения особей одной генерации от сеголетка до возраста вступления в промысловый запас. Установлена направленность и протяженность миграционных путей в сезонном, онтогенетическом и межгодовом аспектах. Отмечено отсутствие на современном этапе смешения в наваринском районе минтая трех беринговоморских популяций и относительно небольшая протяженность миграционных путей минтая в северной части Берингова моря. Установлена зависимость протяженности миграционных путей от численности основных популяций минтая северной и прилегающих частей Берингова моря.
Подтвержден устойчивый в межгодовом плане (1996-2004 гг.) характер нереста минтая в наваринском районе.
Получены данные по урожайности поколений наваринского минтая 1997-2002 гг. Интенсивность воспроизводства наваринского минтая отличается от интенсивности воспроизводства смежных популяций. Впервые исследована ультраструктура оболочек икринок минтая. Установлена широтная изменчивость темпов полового созревания минтая восточно- и североберинговоморского шельфа и склона.
На основе посезонного анализа размер но-возрасти ого состава минтая установлено присутствие на протяжении годичного цикла в скоплениях из наваринского, матвеевского, прибыловского, унимакского и олюторско-карагипского районов особей всех возрастов. Соотношение минтая разного возраста специфично для каждого из районов.
Впервые получены многолетние данные по относительным величинам гонад, печени, селезенки и сердца минтая из различных районов северной части Берингова моря в нерестовый, нагульный и зимовальный периоды, начиная от сеголеток и заканчивая особями предельного возраста. В петропавловско-комапдорском, алюторском, наваринском, матвеевском, прибыловском районах выявлены морфофизиологические адаптации к условиям обитания и различия в сезонной циклике метаболических процессов.
Впервые получены данные о нуклеотидных последовательностях геномной ДНК. включая 9 микросателлитных локусов, минтая из Олютррского залива, подводного хребта Ширшова, наваринского района, восточного шельфа Берингова моря и вод Северных Курильских островов. Выявлены генетические маркеры специфические для некоторых скоплений минтая, установлены генетические
дистанции Ней между наваринским, восточноберинговоморским и северокурильским минтаем, соответствующие популяционному уровню для морских рыб.
Впервые состояние наваринского запаса минтая оценено с использованием когортной сепарабельной модели группы ISVPA. Математическое моделирование показало незначительное влияние миграций минтая из других районов Берингова моря на формирование численности наваринской популяции.
Получены новые данные о роли минтая в ихтиоценах северной части Берингова моря в сезонном и межгодовом аспектах, характере перестроек ихтиоценов в зависимости от биомассы минтая. Выявлены виды-субдоминанты, специфичные для карагинско-олюторского, корякского и наваринского районов.
Практическая значимость работы.
Разработан и реализован на многолетней основе новый методологический подход к изучению биологии и популяиионной структуры минтая.
В 1996-2005 гг. результаты исследования ежегодно использовали при разработке ОДУ минтая в Западноберинговоморской зоне. Использование новой информации о популяционном статусе наваринского минтая повысило оправдываемость прогнозов состояния запаса (в 1996-2001 гг. оправдываем ость прогноза составляла 61,6-127,6%, в 2002-2004 гг. - 96,8-101,3%). На основе результатов исследования 2003 года подготовлено обоснование наугочнение ОДУ минтая в Западноберинговоморской зоне на 2004 г., что позволило дополнительно выловить 65000 т минтая.
Полученные в ходе исследования новые представления о популяционной структуре минтая северной части Берингова моря позволили разработать и внедрить биологически адекватные состоянию наваринского запаса минтая меры регулирования специализированного промысла. В результате последовавшего за этим роста биомассы минтая в северной части Берингова моря, ОДУ в Западноберинговоморской зоне был увеличен с 365 тыс. т в 2002 г. до 452,5 тыс. т в 2005 г.. то есть почти на 100 тыс. т.
Проведенные работы явились выполнением международных государственных обязательств Российской Федерации по научным исследованиям в рамках шести сторон ней Конвенции о сохранении ресурсов минтая и управлении ими в центральной части Берингова моря 1994 г. и Межправительственного российско-американского Соглашения о взаимных отношениях в области рыбного хозяйства 1988 г. Материалы настоящего исследования служили одним из основных источников подготовки национальных докладов российских делегаций па 5-ю (Шанхай, 2000), 6-ю (Гдыня, 2001), 7-ю (Москва, 2002), 8-ю (Портленд, 2003), 9-ю (Кусиро, 2004), 10-ю (Пусан, 2005) ежегодные Конференции, проводимые в рамках Конвенции о сохранении ресурсов минтая и управлении ими в центральной части Берингова моря, и 11-ю (Москва, 2000), 12-ю (Сиэтл, 2001), 13-ю (Москва, 2002), 14-ю (Портленд, 2003), внеочередную (Вашингтон, 2004), 15-ю (Санкт-Петербург, 2004), 16-ю (Сиэтл, 2005) сессии Межправительственного консультативного Комитета, проводимые в рамках российско-американского Соглашения о взаимных отношениях в области рыбного хозяйства. Аргументированная позиция российских делегаций позволила сохранить мораторий на промысел минтая в нейтральных водах и продолжить диалог с американской стороной о рациональном управлении запасами минтая северной
части Берингова моря. Материалы настоящей работы послужили базисом для подготовки проекта российско-американского "Соглашения о рыболовстве и сохранении биологических ресурсов в северной части Берингова моря", в случае подписания которого российские рыбаки получат возможность вылова до 150 тыс. т минтая в Исключительной Экономической Зоне (ИЭЗ) США.
Полученные величины численности молоди использованы для оценки урожайности поколений, убыль по годам позволяет судить о величине естественной и промысловой смертности. Информация о мощности первых трех возрастных классов использована для прогнозирования динамики численности запасов минтая.
Полученные данные по сезонной динамике морфофизиологических показателей использованы для оценки интенсивности нагула минтая и степени его готовности к нересту. Это, в свою очередь, дало дополнительную информацию для оценки успешности нереста предшествующего и текущего годов.
Апробация.
Материалы диссертации представлены на отчетных сессиях ВНИРО (1998-2003), на встрече ученых России и США (Москва, 1998), на встрече ученых Университета Хакодате (Япония) и ВНИРО (1999), международных семинарах «Структура и идентификация запасов минтая» (Иокогама, 1999), «Состояние запасов минтая алеутского бассейна, факторы, влияющие на его восстановление, включая взаимоотношения хищник-жертва, влияние моратория и его продления» (Сиэтл, 2000), по запасам минтая центральной части Берингова моря (Пусан, 2003), «Допустимый уровень добычи и идентификация запасов минтая центральной части Берингова моря» (Сиэтл, 2005), Всероссийской конференции «Биологические ресурсы окраинных и внутренних морей России и их рациональное.использование» (Ростов-на-Дону, 2000), международной конференции «Рациональное использование биологических ресурсов Мирового океана» (Москва, 2001), на 11-ой (Циндао, 2002), 12-ой (Сеул, 2003) и 13-ой (Гонолулу, 2004) конференциях Конвенции об организации по морским наукам в северной части Тихого океана (ПИКЕС), на 20-ом международном симпозиуме Лоуэлла Уэйкфилда «Генетика субполярных рыб и беспозвоночных» (Джуно, 2002), конференции по глубоководным рыбам (Квинсленд, 2003), ежегодных конференциях по запасам минтая в центральной части Берингова моря, ежегодных и внеочередных сессиях Межправительственного российско-американского консультативного Комитета.
Публикации.
Автором опубликовано 97 работ, из них по теме диссертации -31.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 9 глав, выводов и списка литературы. Иллюстрирована 96 рисунками и включает 33 таблиц. Список литературы насчитывает 508 наименований, включающий 268 работ на иностранных языках. Общий объем работы 312 страниц.
Электронномикроскопические исследования
Генетическую дивергенцию скоплений минтая изучали на основе анализа нуклеотидных последовательностей геномной ДНК, включая микросателлитные участки. Для генетического анализа отбирали пробы семенников и крови живых особей минтая. Пробы фиксировали 96 % этиловым спиртом. Выделение и анализ геномной ДНК, включая микросателлитные последовательности, был выполнен в институте им. Белозерского биологического факультета МГУ Е.А.Шубиной, М.Н.Мельниковой, Б.М.Медниковым и Е.В. Пономаревой при участии автора.
ДНК из заспиртованных образцов выделяли двумя способами: во-первых, по модифицированному методу F.E.Arrighi с соавторами (1968) с лизисом проназой Е или протеиназой К с последующей депротеинизацией хлороформом и смесью фенол-хлороформ, и, во-вторых, с использованием набора реактивов DIAtomDNAPrep. В качестве лизируюшего агента применяли гуанидинтиоционат. В его присутствии ДНК избирательно сорбируется ионообменной субстанцией NucleoS. ДНК отмывали от солей и белков спиртовым раствором, после чего смывали буфером или водой. Процесс выделения вели в соответствии с рекомендациямим фирмы-производителя (ИОГЕН РАН, Г.Шайхаев). Выход ДНК составлял в среднем 100-200 мкг/мкл раствора. Проверку пол и мерности выделенной ДНК проводили выборочно с помощью электрофореза в 0.6% агарозном геле (тип II, Sigma). Было проверено около30% препаратов. Чистота препаратов и размер (40-50 тыс.н.п.) удовлетворяли требованиям реакций полимеразной цепной реакции (PCR).
PCR-RAPD анализ. Была использована модификация метода I.Welsh, М.McClelland (1991) с использованием комбинаций двух случайных, чаще всего 20-нуклеотидных праймеров, что позволило повысить выявляемый полиморфизм и воспроизводимость электрофоретических профилей ДНК. Реакции ставили в объеме 25 мкл 0,01 М буфера трис-HCl (РН 8,3), содержащего 0,05М KCI, смесь четырех dNTP (0,1-0,2 мМ), MgCb (5 мМ), смесь 2-х праймеррв в различных сочетаниях, ДНК-полимеразу из Thermus aquaticus (2,0 ед./пробу, "Бион", Россия) и приблизительно 100 нг исследуемой ДНК. Амплификацию проводили по двум сопряженным циклам обработки.
Первый заключался в денатурации (94С, 0,7 мин.), отжиге (50С, 0,5 мин.) и полимеризации (72С, 0,5 мин.)- Первый цикл повторяли 3 раза. Отличие второго цикла заключалось в увеличении температуры отжига до 60С. Остальные реакции проводили также как в первом цикле. Второй цикл повторяли 32 раза.
Состав и схема приготовления реакционной смеси соответствовали опубликованным рекомендациям (Erlich, 1989). Электрофоретическое разделение продуктов реакций проводили в горизонтальном 2% агарозном геле (1,5% легкоплавкой и 0,5% типа II агарозы, фирмы «Sigma») в буфере ТВЕ при 100 в в течение 1,5-2 часов. В качестве контроля использовали перевар плазмиды pBR322 эндонуклеазой рестрикции Mspl. В PCR-RAPD анализе использовали 34 пары прайм еро в.
Микросателлитный анализ. Библиотека из 20 клонов, содержащих участки микросателлитной ДНК минтая, была создана P.O Reilly с соавторами (2000) и зарегистрирована в GENEBANK (1999). По предварительным данным авторов библиотеки у минтая из северной части Берингова моря наибольшим полиморфизмом обладали 5 клонов. В ходе исследования нами были проанализированы 9 мнкросателлитных локусов, включая 5, отмеченных P/O Reilly.
Полимеразную реакцию проводили при следующих температурных условиях: 1 цикл при 94С продолжительностью 3 мин; 5 циклов при 94С в течение 1мин и затем при 54С в течение 30 сек; 40 циклов при 90С в течение 3 мин, затем при 54"С в течение 30 сек и - 72"С в течение 30 сек. Для амплификации использовали многоканальный амплификатор ДНК «Терцик», вмещающий одновременно до 40 проб.
Электрофоретическое разделение амплификатов микросателлитов проводили в неденатурирующем вертикальном 8% полиакриламидном геле в ТВЕ буфере при 400 в и 10 мА в течение 3,5 - 4 часов. Размер пластины составлял 20x20 см. толщина геля - 0,4 мм. Одно из стекол обрабатывали молекулярным клеем ("Bind-silan", Sigma), другое силиконировали. Образцы в количестве до 10 мкл наносили в растворе красителя бромфенола, содержащего 50% глицерина. Один гель позволял наносить до 33 препаратов исследуемой ДНК. Таким образом, каждая реакция разделялась в трех гелях. Для их компиляции в каждый опыт по электрофорезу вводили перекрестные образцы. Процесс вели до полного выхода красителя из геля. В качестве маркера использовали 20 bp Molecular Ruler (фирма BioRad, США), который наносили в три лунки каждого геля. Также использовали аллельмый маркер. После окончания электрофореза силиконированное стекло снимали, гель, приклеенный ко второму стеклу, окрашивали бромистым этидием и фотографировали в проходящем ультрафиолетовом свете на цифровой установке для фотодокументирования Kodak Edas 290. Для обработки файлов использовали графический редактор PhotoShop. Аналогичная технология фиксации злектрофоретических профилей ДНК применялась и в RAPD-анализе.
При типированнн моноаллельных продуктов нулевым аллелям с высокой интенсивностью присваивали статус гомозигот, с более низкой - гетерозигот {точная идентификация таких генотипов возможна лишь по данным об их потомках). По результатам типирования составляли матрицы в формате используемых для популяционно-генетического анализа компьютерных программ.
Компьютерный анализ. Кластерный анализ данных PCR-RAPD с построением неукорененных деревьев осуществляли с помощью пакета программ TREECON дистанционным методом путем Neighbor-joining и UPGMA (Van de Peer, De Wachter, 1994). Для оценки генетической дивергенции популяций на основании полиморфизма микросателлитных и RAPD последовательностей были использованы пакеты программ TFPGA 1.3 и GENEPOP 3.1 (Raymond, Rousset,1995). Проверку выполнения равновесия Харди-Вайнберга проводили как традиционно в рамках у? и G-тестов и точного теста Холдейна (Haldane, 1954) (программа TFPGA), так и методом Гуо и Томпсона (Guo, Thompson, 1992) для полиномиального распределения, использующего алгоритмы, основанные на марковских цепях (Raimond, Rousset, 1995).
Для оценки состояния и ретроспективы системы запас-промысел на основании анализа данных по возрастному составу уловов применяли версию с управляющими усилиями модели "мгновенного" сепарабельного анализа виртуальных популяций (Instantaneous Separable VPA или ISVPA), относящуюся к классу стохастических когортных моделей, включающую некоторые принципы робастной статистики (Васильев, 2001; Vasilyev, 2001). Благодарности.
Настоящая работа была бы невозможна без деятельной энергии директора ВНИРО к.г.н. Б.Н.Котенева, задумавшего и реализовавшего совместную программу ВНИРО, КамчатНИРО и ТИНРО-центра по изучению популяционно-генетической структуры минтая северо-западной и северной частей Берингова моря и его роли в экосистемах. Только благодаря постоянной поддержке и совместному обсуждению получаемых в рамках программы результатов была написана данная работа. Считаю своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность всем научным сотрудникам, участвовавшим в рейсах по программе. Тщательно собранные ими в нелегких морских условиях данные позволили автору получить достаточно цельное представление о минтае северной части Берингова моря.
Специальная благодарность сотрудникам КамчатНИРО д.б.н. Н.И.Науменко, к.б.н. О.Г.Золотову, к.б.н. А.В.Буслову и А.О.Золотову за любезное разрешение воспользоваться результатами съемок, выполненных ими в Беринговом море в рамках совместной программы.
Особую благодарность хочется выразить сотрудникам ВНИРО к.б.н. В.А.Бизикову, к.б.н. Д.О.Алексееву, С.Б.Попову, А.В,Ходакову, к.б.н. Г.Г.Норвилло, совместная работа с которыми не только была очень плодотворной, но и обогатила автора новыми знаниями и идеями, возникшими в процессе обсуждения получаемых результатов.
Краткая океанографическая характеристика северо-западной, северной и северо-восточной частей Берингова моря
Берингово море одно из крупнейших северных окраинных морей России площадью 2,3 млн. км2 (Гершанович, 1963) обладает повышенной рыбопродуктивностью, сопоставимой с продуктивностью апвеллингов Перу и Западной Африки (Котенев, 1995).
Берингово море представляет собой большую морскую экосистему, включающую одни из наиболее крупных в мире популяций рыб, беспозвоночных и морских млекопитающих (Bakkala, 1993). Берингово море подразделяется на несколько субрегионов с различной продуктивностью и экологическими условиями, границы которых определяются топографическими и физико-океанографическими факторами (Alexander, 1989). Биотопы Берингова и других морей можно рассматривать как среду существования комплекса животных, входящих в биоценоз. Стация - среда обитания популяции. Биотопы и стации характеризуются устойчивыми специфическими физическими, химическими и биологическими свойствами; формируются в определенном районе Мирового океана под влиянием климата, атмосферной и океанической циркуляции (Беклемишев, 1969; Биологический энциклопедический словарь, 1986).
Виды с широким географическим распространением почти всегда образуют адаптированные к местным условиям популяции (Солбриг, Солбриг, 1982), в соответствии с терминологией Ю.Одума - экотипы (Одум, 1986), обитающие в пределах специфической экологической ниши (Allee et а]., 1949; Clarke, 1954), в понятие которой автор термина Гриннел (Grinnel, 1917, 1928) включал как местообитание, так и поведенческие реакции. К настоящему времени накоплено множество свидетельств о совпадении биотических границ с границами самой разной природы. При этом наблюдаются резкие изменения различных небиологических и биологических параметров в пределах одной узкой зоны (Миронов, 1990, 1999, 2002). Хорошо известно, что границы внутривидовых таксонов и популяций должны в определенной мере совпадать с какими-либо изоляционными барьерами (иногда весьма слабыми) (Тимофеев-Ресовский и др., 1973).
В данной главе приводится океанографическая характеристика прежде всего районов наиболее массового обитания минтая в северной части и прилегающих водах Берингова моря как возможных стаций его популяций.
Основные морфологические зоны Берингова моря - шельфовая, материкового склона и глубоководная.
В пределах Берингова моря в соответствии с геологическим строением выделено два типа шельфа: платформенный, или эпиконтинентальный, и геосинклинальные зоны. Первые располагаются от Анадырского залива до полуострова Аляска, вторые простираются узкой полосой вдоль Корякского и Камчатского побережий Берингова моря. По особенностям рельефа дна на шельфе выделяются следующие области: Анадырский залив, североберинговоморское мелководье, лаврентьевско-матвеевская, матвеевско-нунивакская, прибылово-бристольская, Корякского побережья, побережья Северной Камчатки, островных шельфов Командоро-Алеутской гряды.
Анадырский залив глубоко вдается в северо-западное побережье Берингова моря. Аббразивно-аккумулятивное воздействие моря в значительной мере сгладило неровности дна и создало современную Анадырскую подводную равнину. Североберинговоморское мелководье, расположенное между полуостровами Чукотским и Сьюард, от остальных шельфовых областей отделено островом Св.Лаврентия и повышениями дна, идущими от острова на юго-восток. Североберинговоморское мелководье имеет очень пологую и сглаженную подводную равнину. Лаврентьевеко-матвеевская шельфовая область граничит на юго-востоке с матвеевско-нунивакской и характеризуется наличием крупной и сложной ложбины между м. Наварин и островом Св. Матвея. Ложбина значительно осложняет динамику вод области и приводит к созданию здесь обширного кругововорота. Важной особенностью внешнего края рассматриваемой области является его изрезанность верхними частями подводных долин и каньонов, которые играют важную роль в стоке наносов и формировании вод, обогащенных биогенами (Сафьянов и др., 2001). Матвеевско-нунивакская шельфовая область расположена между островами Св. Матвея, Нунивак и Прибылова. Внешний край шельфа таюке как и у предыдущей области прорезан верхними участками крупных долин. На севере шельф простирается в широтном направлении, затем изгибаясь в юго-восточном. Ширина шельфовой зоны около 300 миль. В отличие от лаврентьевско-матвеевской области различные повышения дна здесь более часты. Они встречаются вплоть до внешнего края шельфа, изрезанного вершинами многих крупных и мелких подводных долин.
Геосинклинальные зоны развиты на западе и юге Берингова моря. Они значительно уже платформенных. Корякская область, резко отличаясь от северных и северо-восточных областей, примыкает к консолидированному кайнозойскому горному образованию - Корякскому нагорью. На севере области шельф имеет более простое строение, на юге его очертания и рельеф усложняются. Область побережья северо-восточной Камчатки четко делится на две части - северную и южную шириной 60-65 миль и 10-15 миль, соответственно. Северная часть имеет ложбинообразные понижения, рельеф связан с эветатическим повышением уровня моря. На юге влияние повышения моря меньше (Гершанович, 1963).
В западных областях Берингова моря наблюдается пересечение разломов северо-восточного и северо-западного направлений. Причем первые как бы фиксируют положение континента и материкового склона. Зеркальное расположение разломов характерно для восточной части Берингова моря.
Восточноберинговоморский склон пересекает целый ряд структур, расположенных к нему почти под прямым углом. В частности, между 56 и 60 с.ш. субширотные и почти меридиональные отрезки склона окаймляют два крупных выступа шельфа юго-западнее о. Св. Матвея и западнее островов Прибылова. На севере склон восточных районов смыкается почти под прямым углом с Корякским материковым склоном. Важно отметить, что характер рельефа материкового склона во внутренних углах резко отличен от строения внешних. Склон изрезан подводными долинами, некоторые из которых являются крупнейшими в Мировом океане. К наиболее значимым для формирования специфических условий обитания минтая следует отнести долины Наваринскую, Первенца, Жемчуга, Прибыловскую и другие. Эти долины характеризуются сложным строением, отражая положение определенных тектонических линий (Котенев, 1970).
По особенностям рельефа дна на материковом и островном склонах выделяются следующие области: центральная, состоящая из северного (Наваринского), западнопрпбыловского и южноприбыловского участков, кам чате ко-корякская, область в районе островов Прибылова, область к северу от Лисьих островов и островные склоны Командорско-Алеутской гряды (Гершанович, 1963).
Популяционный статус минтая северной части Берингова моря
Исследования полиморфизма ДНК, включая микросателлитные последовательности. Настоящий прорыв в оценке индивидуальной и популяционной генетической вариабельности вызван успехами в создании методов визуализации полиморфизма ДНК, в связи с чем произошло быстрое нарастание количества используемых генетических маркеров. В целом молекулярные маркеры должны удовлетворять следующим требованиям: быть высоко полиморфными, иметь кодоминантное наследование, частую встречаемость в геноме, быть равномерно распределенными по геному, обладать селективной нейтральностью, быть легко доступными, анализ должен быть потенциально автоматизируемым и т.д. (Shubina et al., 2004 а). В настоящее время маркеров," одновременно отвечающих всем этим критериям нет, тем не менее характер поставленной задачи позволяет выбрать наиболее адекватную систему. Для обозначения метода одновременного определения многих сильно вариабельных локусов гибридизацией специфических мультилокусных проб с электр офоретически разделенными рестрикционными фрагментами был введен термин «фингерпринтинг ДНК». В литературе появились термины, обозначающие многочисленные вариации данного метода: «профилирование ДНК», «типирование», «фрагментный анализ» и др. Самым значимым развитием этого метода стало определение полиморфизма с помощью полнмеразной цепной реакции (ПЦР или PCR в английской транскрипции). Фингерпринтинг на основе ПЦР заключается в амплификации (наработке) in vitro определенных последовательностей ДНК с помощью специфически (микро- или минисателлитный анализ) или случайно подобранных инициирующих реакцию олигонуклеотидов (праймеров) (стратегия RAPD) и термостабильной ДНК-полимеразы, электрофоретическом. разделении амплифітированных фрагментов и анализе полиморфных электрофоретических участков с помощью различных способов окрашивания. Визуализация осуществляется с помощью радиоизотопов. Разумеется, при всем многообразии подходов, конечной целью является получение большого числа участков ДНК-маркеров, обладающих максимальным для данной группы организмов полиморфизмом (Shubina et al., 1999).
Попытки исследования геномной ДНК минтая методом случайной амплификации полиморфных фрагментов в полнмеразной цепной реакции (PCR-RAPD) не принесли успеха в популяционно-генетических исследованиях в связи с возникшими трудностями повторного воспроизведения результатов и точным соблюдением условий полимеразной цепной реакции. Японские ученые не смогли выявить этим методом эффективных для популяционного анализа праймеров (Yanagimoto, 2002).
Микросателлитные последовательности ДНК в качестве маркеров пространственно-временного распределения запасов минтая могут дать наиболее объективную картину в связи с обнаруженным у них высоким уровнем полиморфизма, отражающим повышенную частоту мутаций. В случае хотя бы частичной изоляции популяций, генетические маркеры с быстро эволюирующими генами могут аккумулировать различия в более короткие сроки. Если анализ медленно эволюирующих генов, например кодирующих белки, может показать популяционные различия, сформировавшиеся за период от десятков тысяч до миллионов лет, то анализ микросателлитных локусов может выявить различия, возникшие за период менее 10000 лет (Grant, 2002).
Микросателлитные участки генома состоят из тандемно - (голова-хвост) повторенных последовательностей, основной мотив которых составляет от 2 до 6 нуклеотидных пар. Протяженность микросателлитных локусов достигает 2-3 сотен нуклеотидных пар. Они характеризуются сравнительно невысокой степенью повторяемости и дисперсным распределением по многим геномным локусам. Именно эти последовательности связаны с «горячими точками мутаций» в геноме. Эволюция м икр о сателлитов происходит за счет сдвига при комплиментарном спаривании вновь синтезированной и матричной цепей ДНК в начальный момент репликации. Скорость мутаций микросателлитных ДНК составляет I0 2 - 10 событий на локус за поколение. Микросателлитные маркеры по своей природе являются кодоминантными, то есть каждая особь располагает характерным набором из двух аллелей (по одному на каждой хромосоме). Основанием для анализа внутривидовой структуры минтая является сравнительная оценка распределения частот аллелей микросателлитных локусов в различных выборках. Использование их в качестве генетических маркеров возможно как в монолокусном (то есть с помощью специфических праймеров), так и в мультилокусном вариантах, когда праймерами являются олигонуклеотидные пробы,, комплиментарные «простым последовательностям».
Ранние исследования микросателлитных локусов минтая, выловленного в нагульный период, не позволили выявить различия популяционного ранга (Villa, 1999; Grant, 2002; Olsen et al., 2002; Seeb et al., 2002). Выполненное J.B.OIsen и P.O Reilly с соавторами сравнение информативности 3-х методов оценки популяцнонно-генетической структуры минтая из Кроноцкого залива, юго-восточной части Берингова моря и залива Аляска за период с 1977 по 1999 гг.: по полиморфизму аллозимов, структуре митохондриальной ДНК и микросателлитных последовательностей, - показало следующее. Данные по двум аллозимам (суперокспд дисмутазе-2 и маннозе-6-фосфат изомеразе) совпадали с данными по митохондрнальной ДНК, в соответствии с которыми обнаружены существенные генетические различия между беринговоморскими популяциями минтая и популяциями из залива Аляска. 14 микросателлитных локусов, несмотря на высокий уровень полиморфизма, имели незначительные различия у минтая из удаленных географических районов (Olsen et al., 2002; O Reilly et al., 2004),
Более поздние исследования микросателлитных последовательностей были выполнены с применением усовершенствованной технологии на образцах из нерестовых скоплений минтая (O Reilly et al., 2000, 2002; Shubina et al., 2002; 2004 a, b; 2005; Шубина, Глубоков, 2003). A.L.Brooker с соавторами (1994) одними из первых получили существенные различия по двум микросателлитным локусам (Gmo-145 и Gmo-2), первоначально идентифицированным у трески, между беринговоморскими популяциями минтая и минтаем из залива Аляска. Анализ структуры мнкросателлитных фрагментов ДНК, выполненный P.O Reilly с соавторами (2002), показал наличие значительной генетической структурированности скоплений минтая. Однако сбор проб был осуществлен из географически отдаленных друг от друга районов (Корякский шельф, воды, прилегающие к острову Унимак, залив Функа, залив Аляска, порт Таупсеид /Калифорния/), в которых заведомо обитает минтай разных популяций.
В работе M.Canino с соавторами (2002) были подытожены результаты предыдущих исследований 14 мнкросателлитных последовательностей .минтая. Для нескольких популяций различной локализации установлено соответствие степени дифференциации модели «изоляция расстоянием» с коэффициентом инбридинга Fs, от 0,013 до 0,018 по различным локусам (Canino et al., 2002). Такая величина коэффициента характерна для популяционного уровня дифференциации морских рыб (Grant, Utter, 1980; Bailey et al., 1999; Canino et al., 2002).
Исследования микросателлитных последовательностей ДНК проводились преимущественно на минтае из восточной части Берингова моря. Микросателлитные фрагменты ДНК минтая корякского подводного нагорья не исследованы. Генетические пробы из наваринского района и Карагинской подзоны Заиадноберинговоморской зоны фрагментарны. В этой связи нами в 1997-2004 гг. были собраны пробы ДНК для анализа нуклеотидных последовательностей, включая микросателлитные, минтая из большинства районов российской части ИЭЗ Берингова моря, а также района северных Курильских островов. Пробы из восточной части Берингова моря собраны в феврале-марте 2004 г. с НИС Аляскинского Центра рыбохозяйственных исследований «Миллер Фрймен» и любезно переданы нам для анализа научным сотрудником центра N.Williamson (Рис. 8.1).
Видовой состав и структура ихтиоценов эпипелагиали Берингова моря
Несмотря на снижение абсолютной величины биомассы, минтай сохранял доминирующую роль в ихтиоценах Олюторского и Карагинского заливов, составляя там 95,2% и 90,0% соответственно. Мойва и сельдь в придонных слоях составляли 5,3% и 2,4% (Гаврилов, Глебов, 2002 б). Обобщение многолетних данных по донным шельфовым ихтиоценам позволило Л.А.Борцу (1997) установить, что видовое богатство Карагинско-Олюторского района представлено .130 видами рыб, Корякского - 134, Анадырского залива 91. Анализируя распределение рыб на западноберинговоморском шельфе за период 1958-1993 гг. Н.И.Науменко (Naumenko, 1996 а) пришел к выводу о значительной сезонной трансформации ихтиоценов. Так, уловы трески в конце лета - начале осени возрастали в 1,2 раза по сравнению с другими сезонами, камбал в 1,6-1.7 раза, палтусов почти в 2 раза. По данным ученых ТИНРО-центра в 1995 г. в Анадырском заливе биомасса трески и двухлинейной камбалы с начала августа по конец сентября увеличилась в 2,8 раза, биомасса четырехбугорчатой камбалы - в 2.4 раза (Савин, Хен, 1999). По видовому разнообразию донные ихтиоцены западного и северного шельфа Берингова моря в 80-е гг. относились к монодоминантным (по биомассе), поскольку в них, как правило, преобладала одна группа рыб - тресковые. Во многом за счет этого сравнение шельфовых ихтиоценов Карагинско-Олюторского, Корякского и Анадырского районов по соотношению разных видов рыб по биомассе в конце 80-х - начале 90-х гг. показало их сходство между собой на 67 -73% (Борец, 1997). К концу 90-х гг. в видовой структуре донных шельфовых ихтиоценов произошли принципиальные изменения, первопричиной которых стало сокращение биомассы минтая и двух стад трески: карагинско-олюторской и анадырско-наваринской. В результате в Олюторском и Анадырском заливах донные ихтиоцены трансформировались в полидоминантный тип: их видовое разнообразие увеличилось в 5-Ю раз, а в корякском районе ихтиоцен приобрел видовую структуру промежуточного типа. При этом в 1985-2004 гг. ихтиоцены карагинско-олюторского района, корякского района и Анадырского залива существенно различались по видовому составу (Датский, 2005). В анадырском районе наиболее значимо возросла доля камбаловых, которая в конце 90-х гг. превышала таковую в карагинско-олюторском и корякском районах в 2 и 6 раз соответственно (Лапко и др., 1999).
На верхней и средней частях материкового склона (200-500 м) от мыса Олюторского до наваринского района в 60-е гг. доминировала угольная рыба Anoplopoma fimbria, стрелозубые палтусы, макрурусы и морские окуни. В 1970-1974 гг. произошла смена доминирующих видов на скатов, треску и тихоокеанского черного палтуса. Стрелозубые палтусы сохранили в этот период свою доминирующую роль. В 1980-1984 гг. основу уловов составляли тихоокеанский черный палтус, макрурусы и треска (суммарно 84,3%), в 1985-1986 IT", значение тихоокеанского черного палтуса снизилось: только макрурусы и треска составляли 85,6% биомассы (Ильинский, 1990). В 90-е годы на материковом склоне Олюторского залива и корякского района видовой состав уловов формировался главным образом за счет макрурусов, полярной акулы, морских окуней, черного и азиатского стрелозубого палтусов Ath. evermanni. В конце 90-х гг. в водах Корякского материкового склона 29,7% общей ихтиомассы составляла тихоокеанская полярная акула Somniosits pacificus (Борец и др., 2001).
Несмотря на многочисленность работ о составе и структуре ихтиоценов шельфа и верхней части материкового, склона Берингова моря, практически отсутствуют исследования, в которых анализируются результаты многократных в течение года съемок на протяжении ряда смежных лет. Исключение составляет последнее обобщение А.В.Датского (2005) результатов прибрежных (верхний шельф) исследований российской части Берингова моря на протяжении 10 лет (1995-2004). Однако в этой работе содержится мало данных по составу ихтиоценов на глубинах более 120-150 м.
В нашем распоряжении имеются результаты донных траловых съемок 1996-2003 гг. в наваринском, корякском и карагинско-олюторском районах, выполненных по совместным программам ВНИРО, КамчатНИРО и ТИНРО-центра. Сьемки выполняли на шельфе и верхней части материкового склона на глубинах от S0 до 300 м па акваториях, где формируются массовые скопления минтая. Съемки выполняли по стандартной сетке станций в наваринском районе на протяжении всего периода исследований, в корякском районе в 1996-1999 гг., в Олюторском заливе в 1998 и 2003 гг.
Основной целью проведения съемок являлась оценка состояния запасов минтая. В этой связи полигоны съемок в каждом из трех исследованных районов лишь частично охватывали ареалы популяций других видов рыб.
В ходе съемок минтая по совместным программам ВНИРО, КамчатНИРО и ТИНРО-центра в наваринском районе в уловах отмечено наибольшее количество видов - 62, на втором месте по количеству видов в уловах был карагинско-олюторскнй район - 58. Меньше всего видов встречалось в уловах в корякском районе - 40 (Табл. 9.1, 9.2, 9.3; Ровнина и др., 1997; Глубоков, Орлов, 2000 а; Глубоков, Орлов, 2000 б; Глубоков, 2004 в). Поскольку рассматриваемые нами съемки охватывали лишь часть шельфа и материкового склона, выявленное видовое разнообразие было меньше, чем по данным последних исследований. Так, по итогам экспедиции на НИС «ТИНРО» в 1999 г. в донных ихтиоценах шельфа и материкового склона северо-западной части Берингова моря было зарегистрировано 112 видов рыб (Борец и др., 2001); в 2000 г. на этом же судне в западной части моря зарегистрировано 75 видов донных рыб (Гаврилов, Глебов, 2002). На верхнем западно- и североберинговоморском шельфе за период с июля 1995 г. по ноябрь 2004 г. отмечено 165 видов рыб, в том числе в корякском районе - 69 (Датский, 2005). Л.А.Борец с соавторами (2001) наибольшее количество видов зарегистрировал в корякском районе (87), наименьшее - в мелководном Анадырском заливе (54), в Олюторском заливе было отмечено 65 видов рыб.
В ихтиоценах, где доминирует минтай, обилие других видов на 1-2 порядка ниже, что затушевывает изменения, происходящие в структуре таких ихтиоценов. В этой связи при анализе их структуры принято (Борец, 1989, 1997) рассчитывать обилие без учета минтая, обилие минтая в единицах биомассы было рассмотрено в предыдущей главе. В нашем распоряжении имеются данные по плотности распределения донных рыб одновременно в наваринском районе и еще хотя бы в одном {корякском и/или Карагинской подзоне) за 1996-1999, 2003 гг. По данным всех этих съемок плотность донных рыб без минтая была ниже в наваринском районе, за исключением 2003 г., когда плотности были одинаковы в наваринском районе и Карагинской подзоне (Рис. 9.1). В ноябре-декабре 1998 г. суммарная плотность всех рыб. за исключением минтая, по нашим данным была максимальной в Олюторском заливе - 31671,1 кг/милю2. Плотность распределения рыб в корякском районе (19610,2 кг/милю2) была в 1,62 раза меньше, чем в Олюторском заливе и в 1,48 раза больше, чем в наваринском (13258,7 кг/милю2) (Рис. 9,1). Сходное соотношение плотности рыб наблюдалось осенью 1998 г. во время съемки НИС «Профессор Леванидов»; в кар аги нско-ол югорском районе рассматриваемый показатель был в 1,29 раза больше чем в корякском районе и в 1,48 раза больше, чем в наваринском районе (Лапко и др., 1999). Более низкая плотность рыб в наваринском районе связана с их конкуренцией с минтаем, биомасса которого здесь максимальна из трех рассматриваемых районов. В результате этого в наваринском районе доля минтая в уловах превышает таковую в соседних (исключение составляет летняя съемка 1996 г.) (Рис. 9.2).
