Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Материал и методы 14
Глава 2. Особенности раннего онтогенеза рыб: подходы к сравнительному анализу 27
2.1 О теоретических основах исследования размножения и развития рыб 27
2.1.1 Основные принципы классификации способов размножения и раннего онтогенеза рыб 27
2.1.2 Периодизация онтогенеза рыб 30
2.2 Принципы сравнительного анализа раннего онтогенеза рыб 3 5
2.2.1 Краткий обзор представлений по сравнительному анализу раннего онтогенеза рыб 35
2.2.2 Гетерохронии в раннем онтогенезе 37
2.2.3 Относительная продолжительность основных интервалов раннего онтогенеза рыб разных экологических групп 40
Глава 3. Модификационная изменчивость раннего онтогенеза рыб 50
3.1 Диапазон модификационной изменчивости 50
3.2 Продолжительность развития 56
3.3 Модификационная изменчивость морфогенеза 63
3.3.1 Начальное эмбриональное развитие 63
3.3.2 Провизорная кровеносная система 65
3.3.3 Морсрологическое состояние эмбриона при вылуплении 68
3.3.4 Число миомеров и позвонков 69
3.3.5 Число лучей в плавниках 81
3.3.6 Осевой скелет 83
3.3.7 Скелет головы и поясов парных конечностей 101
3.4 Изменчивость роста зародыша и потребления желтка 105
3.5 Общие закономерности морфологической изменчивости 116
3.5.1 Предполагаемые механизмы изменчивости 116
3.5.2 Фенокритические интервалы раннего онтогенеза 1 24
3.5.3 Эпигенетическая изменчивость как возможный источник эволюционного преобразования фенотипа 127
Глава 4. Изменчивость раннего онтогенеза у лососеобразных рыб (Salmoniformes) и других представителей Protacanthopterygii в связи с филогенией 132
4.1 Современные представления о филогении и систематическом положении лососеобразных, щукообразных и корюшкообразных рыб 134
4.2 Изменчивость параметров яйца и её роль в раннем онтогенезе 140
4.3 Возможные направления эволюции раннего онтогенеза лососеобразных, щукообразных и корюшкообразных рыб 150
4.3.1 Размер яйца и тип раннего онтогенеза 150
4.3.2. Провизорная кровеносная система 1 58
4.3.3 Морфологическое состояние эмбриона при вылуплении 162
4.3.4 Продолжительность развития 1 63
4.3.5 Отношение к солёности 1 67
4.4 О соответствии данных сравнительной эмбриологии основным представлениям о
филогении и систематическом положении лососеобразных и других представителей Protacanthopterygii
4.4.1 Представители подсемейства Salmoninae 168
4.4.2 Корюшкообразные, щукообразные и лососеобразные 172
Глава 5. Основные направления эволюции раннего онтогенеза костистых рыб 176
5.1 О значении характеристик яйца в определении основных особенностей раннего онтогенеза 176
5.2 Вариант I. Изменение размера и морфологического состояния организма в начале экзогенного питания при изменении исходного размера желтка 180
5.3 Вариант II. Изменение размера организма с сохранением прежнего морфологического состояния в начале экзогенного питания при изменении исходного размера желтка 184
5.4 Вариант III. Изменение морфологического состояния организма с сохранением, прежнего размера в начале экзогенного питания без изменения исходного размера желтка 185
5.5 Вариант IV. Эмбрионизация развития 186
5.6 Некоторые особенности преобразования фенотипа организма при переходе на экзогенное питание 190
5.7 Изменчивость в раннем онтогенезе и проблема соотношения онто- и филогенеза 194
Глава 6. Особенности онтогенеза рыб и стратегия выбора объектов холодноводной морской аквакультуры 202
6.1 Принципы выбора объектов культивирования с учётом особенностей их онтогенеза 202
6.2. Виды зубаток (Anarhichas spp.) как объекты холодноводной морской аквакультуры 208
Глава 7. Проблемы холодноводной морской аквакультуры: методы управления онтогенезом на примере полосатой зубатки 215
7.1 Особенности биологии размножения полосатой зубатки 215
7.2 Содержание производителей, получение и качество половых продуктов 222
7.2.1 Методы содержания производителей до полового созревания 222
7.2.2 Оценка качества яиц 225
7.2.3 Влияние фотопериода на сроки овуляции 226
7.2.4 Влияние температуры на качество яиц и сроки овуляции 228
7.2.5 Продукция и качество спермы 231
7.3 Искусственное осеменение и обесклеивание икры 232
7.3.1 Строение половых клеток 232
7.3.2 Осеменение in vivo 238
7.3.3 Осеменение in vitro 239 7.3.4. Обесклеивание икры 240
7.4 Инкубация икры 242
7.4.1 Методы инкубации икры 242
7.4.2 Бактериальное поражение оболочек яиц 244
7.4.3 Температурный режим инкубации икры 246
7.5 Развитие и рост молоди 247
7.5.1 Влияние температуры на выживаемость, темп роста и эффективность усвоения пищи 248
7.5.2 Понятие температурного оптимума и выбор режимов выращивания молоди 253
Выводы 256
Литература 258
Благодарности 309
- Краткий обзор представлений по сравнительному анализу раннего онтогенеза рыб
- Эпигенетическая изменчивость как возможный источник эволюционного преобразования фенотипа
- О значении характеристик яйца в определении основных особенностей раннего онтогенеза
- Принципы выбора объектов культивирования с учётом особенностей их онтогенеза
Введение к работе
В соответствии со сравнительно недавней оценкой (Nelson, 1994), в Мире насчитывается более 24 000 ныне живущих видов костистых рыб, что составляет более половины всех видов позвоночных. Рыбы населяют практически все типы водоёмов и характеризуются чрезвычайным разнообразием способов размножения и особенностей онтогенеза, представляя собой наиболее разнородную группу среди позвоночных.
Расцвет как описательных работ в области раннего онтогенеза рыб, так и сравнительноэмбриологических исследований •: приходится на XIX век, когда рыбы являлись основным объектом эмбриологии животных (Wourms, 1997). В; биологии длительное время господствовало представление о: консервативности ранних стадий развития, основанное на принципе зародышевого сходства К. Бэра и положении биогенетического закона Геккеля (Haeckel, 1866), согласно которому эволюционные изменения затрагивают лишь взрослый организм. Эмбриональные приспособления, или ценогенезы, рассматривались как не имеющие филогенетического значения в отличие от древних признаков — палингенезов, воспроизводящих черты предков данного вида. Впоследствии исследователи пришли к заключению о том, что морфологические изменения, осуществляющиеся, в раннем онтогенезе, могут иметь филогенетическое значение.. В частности, согласно теории филэмбриогенеза А.Н. Северцова (1939, 1949), некоторые крупные изменения.хода индивидуального развития, в отличие от ценогенезов, могут определять эволюцию взрослых форм.
Эколого-морфологический метод исследования раннего онтогенеза рыб ведёт своё начало с работ последователей А. Н. Северцова — В. В. Васнецова (1948, 1953) и С. Г. Крыжановского; (1948, 1949, 1950). Этими исследователями было показано, что в процессе исторического; развития изменяется весь онтогенез от яйца до взрослого состояния. Таким; образом, как; палингенезы, так и ценогенезы имеют филогенетическое значение. Само же разграничение палингенезов и ценогенезов носит относительный характер и весьма проблематично (Веригин, 1970;.Gould, 1977). Представление Крыжановского о том, что всякий вид отличается от любого другого не только во взрослом состоянии, а на всех стадиях, развития, позволяет использовать данные сравнительной эмбриологии для целей таксономии и установления филогенетических взаимоотношений рыб. Сравнительноэмбриологические исследования/по мнению
Световидова и др. (1975), в ряде случаев могут стать исходными для построения системы. Такие исследования позволяют приступить.к решению одной из основных фундаментальных проблем эволюционной биологии — соотношению онтогенеза и филогенеза. Актуальность проблемы. В раннем онтогенезе морфологические признаки развивающегося организма особенно изменчивы. Роль, этой изменчивости в формообразовании широко обсуждается, начиная с: работ А. Н. Северцова (1939). Согласно современным" представлениям, изменения темпов и времени.закладки органов могут оказывать.значительное: влияние на формирование дефинитивных признаков, и,,очевидно, имеют основное значение-в; эволюции позвоночных (Gould, 1977; Рэфхр, Косрмен, 1986; Воробьёва, 1991). В раннем онтогенезе: рыб морфологическая; изменчивость возникает в первую очередь под действием факторов среды. Из таких; факторов температура,.а в; ряде случаев? солёность, являются наиболее: существенными, в значительной степени определяющими І морфо-физиологическую разнокачественность, которая, как полагают (Balon, 1980, 1985, 1989, 2002; Новиков, 2000), может являться основой для дифференциации группировок на внутривидовом уровне.-Вместе с. тем, роль изменчивости эпигенетического характера в микроэволюции остаётся во многом неясной. Причём одной из главных нерешённых проблем остаётся отсутствие выраженных корреляций между морфологической и. генетической з эволюцией (Рэфф, Кофмен,. 1986; Мина, 1986; Воробьёва, 1991).
В предлагаемой: работе на трёх видах костистых рыб, относящихся, к разным систематическим и? экологическим группам (беломорской сельди Clupea pallasi marisaibi (Clupeiformes), атлантическом лососе Salmo salar (Salmoniformes) и полосатой зубатке Anarhichas lupus (Perciformes)) прослежено; формирование изменчивости морфологических: показателей в раннем онтогенезе и; обсуждаются возможные механизмы, реализации- этой изменчивости в формообразовании. Определение механизмов морфологической изменчивости под действием температуры: и прогнозирование влияния этого фактора среды на морфо-физиологические параметры развивающегося организма приобретают особую актуальность в связи с проблемой глобального потепления, которое представляет собой одну І из возможных причин изменений биологии рыб и их фенотипа (Rombough, 1997; Van Der Kraak, Pankhurst, 1997). Как известно, рыбы, особенно обитающие в крупных озёрах и морях, являются относительно стенотермными и, следовательно, гораздо- более чувствительны к необычным; изменениям температуры, чем наземные животные (Blaxter, 1992).
В начале становления? экологической; эмбриологиид рыб обычно- описывалось развитие определённой? формы в« естественных г исторически сложившихся условиях среды, причём і особенности раннего онтогенеза часто-распространялись на?весь вид. В основополагающих, работах С.Г. Крыжановского с соавторами по развитию- карповых, вьюновых, сомовых,, сельдевых и окуневидных рыб,(Крыжановский, Пчелина, Л 941; Крыжановский,,1949,,1956; Крыжановский и др.,. 1951, 1953) чрезвычайно- большое? значение придаётсяь описанию приспособлений5организма к окружающей; среде, в ряде случаев; проведено; сравнение, этих; приспособлений у близких.видов,. но,\ в;то же время, , основные тенденции; эволюции раннего онтогенеза остались вне внимания.- Из крупных исследований, затрагивающих вопросы, соотношения онто- и;филогенеза у рыб, можно отметить работы Е. Балона; (Balon, 1980, 1985, 1990, 1999, 2002), основой которых являются идеи С.Г. Крыжановского. Вместе с; тем, многие вопросы сравнительной эмбриологии и эволюции раннего онтогенеза;костистых. рыб остались неизученными. Вследствие.чрезвычайного разнообразия;особенностей развития рыб/, сравнение раннего онтогенеза разных форм представляет собой-довольно сложную проблему. В, частности,. до сих пор Ї остаётся открытым з вопрос о том, при • каком; уровне морфологической дифференцировки организм следует считать ювенильным (Kovac, Сорр, 1999); Недостаточно исследованы структурные: перестройки в развитии, ведущие; к существенным, изменениям онтогенеза.
В данной работе роль морфологической изменчивости, проявляющейся в раннем онтогенезе, в эволюции прослежена; на; примере корюшкообразных, щукообразных и «лососеобразных рыб,, которых; объединяют. (Nelson, 1994) в надотряд; Protacanthopterygii. (К отряду лососеобразных Salmoniformes мы относим тетраплоидные: виды семейства Salmonidae с подсемействами Thymallinae; Coregoninae и; Salmoninae.) Определены» возможные пути эволюции раннего; онтогенеза в пределах надотряда. В \ связи\ с тем,;, что; филогенетические, отношения лососеобразных рыб остаются; во- многом І неясными- (Osinov, Lebedev, 2000, Ishiguro et al., 2003), сопоставление- данных сравнительной; эмбриологии? с: данными сравнительной морфологии и генетики представляется весьма актуальным.
Предпринимая попытку сравнения особенностей раннего онтогенеза близких форм, мы, как правило, сталкиваемся с. трудностями, в значительной степени связанными с тем, что сопоставление данных разных авторов, обращающих внимание на различные признаки, зачастую невозможно. Например,, при исследовании раннего онтогенеза: лососевых рыб некоторые исследователи приходят к выводу о; том, что специфические особенности каждого вида в наибольшей степени проявляются лишь на поздних этапах онтогенеза (Мешков, Лебедева, 1977) или по достижении личиночного состояния (Городилов, 1988). Развитие атлантического лосося Salmo salar, описанное Ивановым (1937), или микижи американского происхождения (радужной форели) Parasalmo mykiss, исследованное Вернье (Vernier, 1969) и Игнатьевой; (1975), часто принимается за типичное для всех благородных лососей. Вместе с тем, показано (Balon, 1980; Horns, 1985), что при; тщательно выполненных эмбриологических, исследованиях уже с начальных стадий развития выявляются не только межвидовые различия, но и различия между отдельными популяциями. На определение различий такого типа у рыб подсемейства Salmoninae были направлены наши исследования.
Развитие теоретических представлений в; ихтиологии и решение: прикладных; задач, например связанных с рыборазведением, осуществляются в значительной степени независимо. В предлагаемой работе мы попытались показать, что теоретические вопросы эколого-морфологической изменчивости, раннего онтогенеза рыб имеют непосредственную связь с практикой аквакультуры.
Исследование изменчивости онтогенеза:рыб под действием факторов = среды, в: первую; очередь,. температуры представляет собой основу для разработки биотехники их разведения, поскольку культивирование гидробионтов преследует цель-получения максимальной продукции в кратчайшие сроки. По определению Карпевич (1985), предметом изучения аквакультуры как науки являются потенциальные свойства гидробионтов, которые могут в определённых условиях реализоваться и- способствовать повышению - и ускорению выхода биопродукции. Хотя в аквакультуре; увеличивается •. использование прибрежных морских ресурсов, культивирование в пресных водах по-прежнему доминирует. В 1996 г. доля производства чисто морских рыб за счёт аквакультуры составила 7% по цене и менее 1% по объёму от всей продукции, аквакультуры в Мире. Для сравнения, продукция пресноводных и проходных-рыб составила соответственно 42 и 25% по объёму (FAO,1999). В последнее время из аквакультуры рыб г выделяют (Журавлёва, 1996; SvSsand et al., 2004) особое направление — холодноводную морскую аквакультуру, куда входит культивирование исключительно морских видов, являющихся представителями бореальной фауны. Продукция морских видов рыб в. полноцикловой; холодноводной аквакультуре пока невелика. Это в значительной степени связано с тем, что: в • целом как икра, так и молодь морских рыб мельче, чем у пресноводных. и і проходных»(Elgar, 1990), что обусловливает разработку более; сложной - технологии для получения посадочного материала. Следует отметить, что выбор объектов аквакультуры часто ведётся без серьёзных биологических- обоснований. Властности, наблюдается тенденция к культивированию» видов,, которые ИМЄЮТЇ высокую цену; на. рынке,. но. мало доступны для. промысла s или • подорваны им. (Сорокин и др.,.1996)..Получение посадочного материала предполагает разработку сложной и, дорогой технологии и для многих видов является проблемой.-.В і связи с этим, необходим поиск таких объектов, которые, обладая высокой рыночной ценой, имели бы особенности развития, позволяющие получить конечную продукцию с наименьшими затратами. Первые данные: по особенностям• раннего онтогенеза полосатой зубатки показали, что представители рода. Anarhichas могут быть весьма перспективными; для культивирования в регионах Северной Атлантики (Павлов,- Новиков, 1983а, 19836, 1986). В предлагаемой работе прослежена изменчивость онтогенеза полосатой зубатки и приведён краткий обзор технологии і искусственного воспроизводства этого вида.
Исследование биологии зубаток; имеет и теоретическое значение для создания, представления о разнообразии і и эволюции жизненных циклов у представителей подотряда Zoarcoidei. Несмотря на большой объём подотряда (более 300 видов), способы размножения и ранний онтогенез, описаны лишь у, нескольких видов в семействах; Pholididae: (Расе, 1983; Kimura et al., 1988, 1989), Stichaeidae (Kyushin, 1990) и Zoarcidae (Соин, 1968a, 19686; Keats et al., 1985; Methven, Brown, 1991; Koya etal., 1993; Yao, Crim, 1995). До начала наших работ о размножении и развитии рыб семейства Anarhichadidae имелись весьма неполные сведения, обзор которых приведён в сводке Барсукова = (1959), а беломорская полосатая зубатка являлась одним из наименее изученных видов ихтиофауны Белого моря (Соин, 1977).
Цель и; задачи исследования. Цель исследования состоит в; оценке роли морфологической изменчивости, проявляющейся в раннем онтогенезе костистых рыб, в становлении адаптации к условиям внешней среды и формообразовании и разработке принципов использования этой изменчивости при искусственном разведении рыб в контролируемых условиях. Реализация данной цели потребовала решения следующих основных задач.
(1) Разработать принципы сравнения- относительной продолжительности интервалов раннего онтогенеза рыб, относящихся к разным экологическим группам.
(2) Исследовать закономерности морфологической изменчивости раннего онтогенеза костистых рыб под действием факторов среды и оценить её роль в формообразовании.
(3) Выявить основные тенденции, в эволюции раннего; онтогенеза некоторых групп костистых рыб.
(4) Оценить возможности использования онтогенетической изменчивости для выбора перспективных объектов холодноводной морской аквакультуры и разработки технологии их культивирования..
Научная новизна. Результаты исследованияї вносят вклад в разработку проблемы-формирования І модификационной изменчивости, возникающей І в раннем- онтогенезе: костистых рыб, и её роли в формообразовании: В работе впервые проведён анализ морфологической изменчивости на разных уровнях: от выявления изменчивости в потомстве отдельной самки под-действием факторов среды до вариабельности онтогенеза в крупных таксономических группах. Выявлены некоторые общие закономерности эволюции раннего онтогенеза костистых рыб.
Разработаны основные принципы сравнения относительной продолжительности интервалов • раннего онтогенеза, рыб, относящихся к разным экологическим группам. В результате исследования; изменчивости раннего онтогенеза нескольких видов; рыб под: действием, температуры, впервые определены фенокритические промежутки развития ответственные за; сформирование морфологической разнокачественности. Впервые описано эмбрионально-личиночное развитие: у ряда; видов и. внутривидовых форм- рыб« подсемейства Salmoninae. На основе сравнения эмбрионально-личиночного развития представителей надотряда Protacanthopterygii выявлены эволюционные тенденции в раннем онтогенезе. Впервые прослежена корреляция между, размером яиц, определяющим основные особенности раннего онтогенеза лососеобразных рыб, и некоторыми генетическими: показателями. Впервые исследованы некоторые интервалы жизненного цикла полосатой зубатки в природе и в условиях культивирования. Показано, что в отличие от подавляющего большинства икромечущих рыб, зубатка обладает внутренним осеменением, а яйца выводятся во внешнюю среду до начала дробления. Данный способ размножения рассматривается как этап переходный к живорождению в подотряде Zoarcoidei.
Практическое значение. Исследованные формы относятся к ценным промысловым объектам или входят в число исчезающих популяций. Сведения об особенностях их онтогенеза могут быть использованы для прогнозирования динамики численности стад, прогноза уловов и разработки мероприятий по охране и восстановлению естественных популяций.
Показано, что элементы скелета черепа подвержены меньшей изменчивости под действием факторов среды, чем элементы осевого -. скелета, в связи с чем первые имеют большую таксономическую ценность.
Обоснованы принципы выявления специфики раннего онтогенеза у разных видов рыб и оценки выбора объекта для искусственного разведения, ориентируясь на особенности развития.
Разработана. технология культивирования полосатой; зубатки, включающая: получение зрелых половых продуктов от "диких" производителей и производителей из маточного стада, искусственное осеменение икры, её инкубацию и выращивание молоди до полового созревания. Выявлены потенциальные возможности развития и роста этого вида, позволяющие в условиях полноцикловой аквакультуры получить жизнестойкую молодь и товарную продукцию в наиболее короткие сроки.
Результаты работы используются в технологическом процессе культивирования лососевых рыб, а также полосатой и пятнистой (A. minor) зубаток.
Разработаны способы и устройства, предназначенные для; искусственного воспроизводства рыб, которые защищены авторскими свидетельствами и патентами:
Основные положения, выносимые на защиту.
V. Морфогенез относительно независим от событий, характеризующих изменение отношения "организм - среда", что является основой для выделения сходных морфологических состояний в раннем онтогенезе костистых рыб, относящихся І к разным систематическим или экологическим группам.
2. Пределы морфологической изменчивости, проявляющейся в раннем онтогенезе на индивидуальном, внутривидовом или видовом уровнях, определяются количеством желтка В зрелом ооците, расхождением в скоростях роста и морфологического развития зародыша, а также в скоростях сопряжённых процессов морсрогенеза.
3. Одно из основных» направлений эволюции раннего онтогенеза; состоит в изменении размера и степени морфологической. сформированное™ организма при переходе на экзогенное: питание.
Апробация; Основные результаты; исследования были доложены наt VI Всесоюзном совещании эмбриологов (Москва, 1981), Всесоюзных совещаниях, по раннему онтогенезу рыб (Калининград, 1983; Мурманск, 1988, Черноголовка, 2001), Всесоюзных совещаниях; по лососевидным рыбам (Ленинград, 1983; Тольятти, 1988); I Всесоюзном симпозиуме Теоретические основы,аквакультуры , (Москва, 1983), совещаниях по проблемам?изучения, рационального использования и охране природных ресурсов Белого моря (Архангельск, 1983; Архангельск, 1985; Петрозаводск, 1992; Санкт-Петербург, 1998); III-конференции МГУ "Исследование Мирового океана" (Москва, 1986), научно-практическом семинаре: "Способы. акселерации роста и развития атлантического - лосося и методы; их исследования" (Мурманск, 1986), VI научной конференции по физиологии, биологии и паразитологии рыб (Гюстров, 1 986), 11« Всесоюзной! конференции "Экология, биологическая- продуктивность и? проблемы марикультуры, Баренцева моря" (Мурманск, 1988),, III Всесоюзной конференции»по морской биологии (Севастополь, 1988), международном симпозиуме "World Aquaculture 1995" (Сан-Диего,1995), совещании "Состояние и перспективы научно-практических разработок в области марикультуры России" (Москва, 1995), междисциплинарной , конференции по стратегии жизненных циклов» водных животных (Плимут, 1997), совещании Европейского общества по онтогенезу рыб»"When do fish become juvenile?" (Братислава, 1997), международном конгрессе побиологии рыб (Балтимор, 1998), международном симпозиуме по і экологической і физиологии рыб.(Берген, 1999), международном симпозиуме "Aqua 2000" (Ницца, 2000); научно-практической конференции "Марикультура северо-запада России" (Мурманск, 2000), 2-м международном симпозиуме по живородящим рыбам; (Queretaro, 2002), as также на коллоквиумах кафедры ихтиологии биологического факультета МГУ.
Публикации. По теме диссертации . опубликованы = 120 работ, в том числе монография, коллективная монография "Culture of cold-water marine:fish", 22: статьи в международных журналах и 8 авторских свидетельств и патентов на изобретения.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов и списка литературы, включающего 331 ссылку на русском и 318 — на иностранных языках. В работе содержится 21 таблица и 60 иллюстраций. Общий обьём рукописи — 309 стр.
Краткий обзор представлений по сравнительному анализу раннего онтогенеза рыб
Из большого числа исследований, посвященных сравнительному анализу раннего онтогенеза рыб, в данном разделе целесообразно упомянуть лишь некоторые ключевые работы. Развитие карповых, вьюновых, сомовых и окунёвых пресноводных рыб в сравнительном плане описано Крыжановским (1949) и Крыжановским с соавторами (1951, 1953). Несмотря на несомненную ценность этих работ, следует отметить, что авторы чрезвычайно большое внимание уделяют частным адаптациям эмбрионов и молоди к условиям внешней среды (в частности, к условиям дыхания); при этом структурные особенности яиц, ведущие к крупным эволюционным изменениям онтогенеза, в основном остались не выявленными. Сравнительный анализ приспособительных особенностей! развития рыб, в частности, приспособлений к дыханию, приведён в монографиях Крыжановского (1933) и Соина (1968а). В последней работе на основе типов строения зародышевого кровообращения впервые прослежены возможные филогенетические связи основных групп рыб.
Как известно, яйца костистых рыб, относятся к обособленножелтковому типу (Макеева, 1992). После осеменения и концентрации плазмы на анимальном полюсе яйцо состоит из желтка и бластодиска, окружённых яйцевой оболочкой. По мнению Балона (Balon, 1985, 1990), размер и плотность желтка имеют основное влияние на тип раннего онтогенеза, определяя относительную продолжительность личиночного периода. Другие авторы (Соин, 1980, 19816; Мешков, Лебедева, 1983) считают, что не собственно размер желтка, а соотношение между размерами желтка и бластодиска имеет основное значение для определения характера раннего онтогенеза. В частности, Мешков и Лебедева (1983) проанализировали особенности развития преимущественно пресноводных рыб из 11 семейств. Авторы указывают, что соотношение объёмов бластодиска и желтка является показателем степени качественного различия яйцеклеток и определяет особенности; бластуляции,. гаструляции, эпиболии желтка бластодермой, органогенеза и вылупления. Важность соотношения между желтком - и бластодиском для определения типа развития признал и Балон (Balon, 1999). Вместе с тем, причинно-следственная связь между параметрами яйца в начале эмбриогенеза и основными особенностями f раннего онтогенеза, включая \ параметры молоди, остаётся не совсем ясной. Эта проблема I проанализирована в разделах 4.2 и 5.1.
Предпринята попытка составления универсальной шкалы этапов развития корюшковых и лососеобразных рыб (Penaz, 1983). На основе этой шкалы автору удалось сравнить морфологическое состояние особей: в начале личиночного периода в группах Osmeridae, Coregonidae, Thymallidae и Salmonidae, рассматриваемых в ранге семейств, а также установить гетерохронию в наступлении отдельных событий у разных видов лососевых. Аналогичная шкала позже составлена для рыб семейств Cyprinidae и Percidae (Pena z, 2001). Однако следует отметить, что этапы выделены; искусственно и мало соответствуют представлению о развитии как о прерывистом скачкообразном процессе. При описании этапов принимается во внимание только морфологическое состояние собственно зародыша без желточного мешка и допускается, что начало (личиночного периода не обязательно совпадает с началом этапа. Такая точка зрения: отлична от представления большинства исследователей о периоде как об интервале,.создаваемом совокупностью; этапов, объединённых, одинаковой качественной спецификой. Кроме этого, использование, унифицированной шкалы, этапов затруднено, так как, давая общую характеристику этапам, автор не описывает морфологическое состояние: зародыша при переходе с этапа на этап. Вследствие асинхронности в развитии и гетерохронии в закладке одинаковых органов у разных видов и форм, унифицирование этапов, особенно у таксономически далеко отстоящих друг от друга видов, представляет собой почти не разрешимую задачу. Вместе с тем, выделение одинаковых стадий развития на основе некоторых наименее изменчивых признаков представляется вполне возможным.
Одна из основных задач сравнительной эмбриологии рыб состоит в поиске гетерохронии в развитии родственных форм. Термин "гетерохрония" был введён Геккелем (Haeckel, 1866) для обозначения смещения во времени появления органа по отношению к развитию других органов у одного и того» же организма, имеющего приспособительное значение, т. е. являющегося ценогенезом. Впоследствии концепция гетерохронии была модифицирована и использована для сравнения появления какого-либо органа. в линии предок-потомок (De Beer, 1930). Именно такое понимание гетерохронии стало доминирующим. При этом- выявление гетерохронии предполагает наличие данных о степени родства между сравниваемыми организмами, поскольку признаки у групп, не связанных общностью происхождения, могут иметь конвергентный характер. С развитием учения о закономерностях соотношения онтогенеза и филогенеза сцЬормировалось представление о том, что гетерохронии могут приводить к изменению филогенеза животных.
Под гетерохрониями иногда понимается не только смещение во времени закладки органов, но и изменение темпов развития всего организма (Емельянов,. 1968). Вместе с тем, подобное расширенное толкованием гетерохронии, не принято- большинством исследователей. По мнению Северцова (1985), различия в темпах развития особей; внутри вида и между видами представляют собой в первом случае экологическую) изменчивость, во втором — эколого-эволюционную характеристику видов, т. е. явление иного порядка, чем трансстадийный перенос признаков в ходе филогенеза. Согласно определению Воробьёвой и Смирнова (1985), под гетерохронией понимается сдвиг во времени закладки - органа или изменение темпа его морфогенеза. Однако такое: определение гетерохронии, очевидно, подходит и для случаев, когда сдвиг во времени закладки органа может быть обусловлен разной скоростью развития целостного организма, т. е. для изменения, очевидно, не являющегося гетерохронным. Гетерохрониями, по-видимому, следует именовать изменения времени закладки и темпа морфогенеза одних структурных элементов организма по отношению к другим структурным элементам того же или родственного организма, т. е. все случаи изменений коррелятивных связей между органами. Частный случай представляют собой гетерохронии элементов внутри одного органа у разных организмов (Емельянов, 1977). Разный уровень содержания желтка в яйцах также может быть отнесён к гетерохронному эффекту, проявляющемуся в оогенезе и связанному с диссоциацией скорости преобразования ядра и цитоплазмы ооцита и скорости аккумуляции желтка в период вителлогенеза. Понятие гетерохронии обсуждается в одной из последних работ Ковача (Коvac, 2002).
Эпигенетическая изменчивость как возможный источник эволюционного преобразования фенотипа
Атлантический; лосось вылупляется на морфологически более продвинутой стадии, чем беломорская. сельдь. К концу эмбрионального развития число миомеров уменьшается на 2-4 элемента по сравнению с максимальным числом миомеров (60-62 в начале васкуляризации желточного мешка) вследствие того, что последние хвостовые миомеры используются для формирования мускулатуры хвостовой лопасти (Павлов, 1979, 1989а). Последующее число миомеров не меняется и, очевидно, соответствует числу позвонков.
Среднее число миомеров у личинок беломорской весенненерестующей сельди из потомства, самки 1, полученных из икры, развивавшейся от осеменения при постоянной температуре 3.0 и П.0С, составило соответственно 56.2 (о 0.8) и 55.6 (о 1.1). Среднее число миомеров у личинок из потомства самки 2 при такой же температуре составило соответственно 55.9 (о 0.9) и 55.0 (о 1.1). В обоих случаях различия по числу миомеров между личинками, развивавшимися при 3.0 и 11.0С, достоверны (р 0.01).
Эксперименты по переводу икры из 3.0 в 11.0С показали, что закладка большего числа миомеров характерного для развития при постоянной температуре 3.0 С определялась между стадиями I и II (между началом бластуляции и появлением первых сомитов) в возрасте 2-6 сут. В большинстве групп, переведённых на более поздних стадиях, произошло увеличение числа миомеров относительно этого числа у личинок, развивающихся от осеменения икры при постоянной температуре 3.0 С (рис. 3.10). Эксперименты по переводу икры из 11.0 в З.ОХ показали, что меньшее число миомеров характерное для развития при 11.0С определялось между стадиями I и III (от начала бластуляции до начала обособления; хвостовой почки и срормирования около 29 сегментов в теле эмбриона) в возрасте 1-3 сут. В большинстве групп, переведённых на более поздних стадиях, число миомеров было достоверно меньшим-относительно этого числа у личинок, развивающихся от осеменения икры при г постоянной температуре 11.0С.
Промежуток развития между стадиями I и III можно рассматривать как основной фенокритический (чувствительный) интервал, на протяжении которого температура. инкубации определяет будущее число миомеров. [Понятие чувствительных стадий или фенокритического интервала развития, на протяжении которого детерминируются морфологические отклонения, отличается от понятий "критические стадии" или "критические периоды", используемых рядом авторов (Вернидуб, 1949; Привольнее, 1953; Светлов, 1960; Владимиров, 1975; Жукинский, 1986). Под критическими стадиями понимаются определённые моменты дифференцировки организма, по достижении которых молодь с морфофизиологическими дефектами погибает.] Но, в то же время, первоначально детерминированное на протяжении этого интервала число миомеров может быть изменено в процессе последующего развития! при изменении температуры инкубации. При этом максимальное число миомеров (в среднем, 56.8) формируется в процессе развития яиц при низкой температуре между стадиями? I и III с последующим повышением температуры на стадиях III, IV, V или VI, а минимальное (в среднем, 53.9) — при развитии яиц в условиях высокой температуре между стадиями I и III с последующим понижением температуры на стадиях III, IV, V или VI. В связи с этим, промежуток эмбриогенеза между стадиями III и VI можно рассматривать, как второй фенокритический интервал, где температура снова влияет на окончательное число миомеров, но в обратном направлении: это число увеличивается при высокой температуре и уменьшатся при низкой. Таким образом, наибольшие различия по числу номеров; реализуются_не-при_постоянных;.a jypu; переменных температурных режимах, которые обычно и наблюдаются в природе.
Наши результаты не согласуются с данными для атлантической многопозвонковой сельди Clupea harengus (Hempel, Blaxter, 1961), согласно которым чувствительные стадии, определяющие формирование большего числа миомеров при низкой температуре инкубации,
Число миомеров у личинок беломорской сельди от двух самок (а и б) на стадии выравнивания челюстей. Даны средние значения и ошибки средних (n = 50 для каждой группы). Пунктирными линиями обозначено среднее число миомеров при постоянной температуре инкубации 3 и 11 С. р — достоверность различий между двумя соседними средними значениями числа миомеров, прочерк — отсутствие достоверных различий (Павлов, Шадрин, 1998).
По нашей оценке, этот возраст примерно соответствует формированию около 50 сегментов в теле эмбриона. Различия могут быть связаны как с разной методикой (в экспериментах Хемпела и Блакстера яйца выдерживали при 4СС в течение 24 ч и затем возвращали в воду температурой 10С), так и с видовыми особенностями сельдей. Вместе с тем, полевые исследования, проведённые на атлантической сельди, показали, что среднее число позвонков достоверно зависело от температуры непосредственно после нереста (Hulme, 1995). Эти данные согласуются с результатами, полученными нами.
В экспериментах по влиянию солёности на число миомеров у сельдей показано, что солёность влияет на этот показатель в меньшей степени, чем температура (Hempel, Blaxter, 1961; Хрусталёва, 2003). В частности, число миомеров у личинок летненерестующей (ивановской) беломорской сельди, полученных из икры, инкубируемой при 10%с, было в среднем на 0.4 элемента большим, чем при нормальной солёности (24%?), в то время как различие по числу миомеров у личинок, развивавшихся при 3 и 17С, составило в среднем 3.2 элемента (Хрусталёва, 2003).
У полосатой зубатки число миомеров при вылуплении было достоверно более высоким у зародышей, развивавшихся при 7.0 и 11.0С, по сравнению с этим числом у зародышей, развивавшихся при 5.0С (табл. 3.4). Число же позвонков у молоди из разных температурных режимов достоверно не различалось (р 0.05), но вариабельность была наибольшей при 13.0С. Таким образом, данный вид отличается как от беломорской сельди, так и от атлантического лосося, у которых прослеживается чёткое увеличение числа миомеров и позвонков при развитии яиц в условиях более низкой температуры.
О значении характеристик яйца в определении основных особенностей раннего онтогенеза
Выявленные аномалии могут быть объяснены и с позиций этапности развития (Васнецов, 1953; Balon, 1985, 1986). После перехода организма на новый этап, отделенный от предыдущего скачкообразным событием, устанавливается новое отношение между организмом и средой. Если клетки мезенхимы не успевают дифференцироваться в дистальные радиалий до начала нового; этапа, они теряют эту способность. Поэтому некоторые дистальные радиалий хвостового отдела не развиваются, а клетки мезенхимы остаются недифференцированными. При отсутствии дистальных радиалий не развиваются, соответствующие лучи. В результате отсутствия лучей,. мускульная і почка, связанная с проксимальной радиалиеи, очевидно, не дифференцируется на мускулы депрессор и эректор и развивается лишь последний мускул (рис. 3.18 д). Другое возможное обьяснение отсутствия депрессора — его деградация в процессе развития. Следует отметить, что у других видов рыб развитие кожных лучей — лепидотрихий, очевидно, не обязательно индуцируется появлением дистальных радиалий. В ; частности, по данным Емельянова (1977), у окуня Perca fluviatilis лепидотрихий появляются до начала формирования дистальных радиалий.
Отсутствие нескольких лучей и их радиалий в анальном плавнике описано у мальков кумжи в результате инкубации икры при экстремально высокой температуре (Taning, 1952).. Автор считает, что анальный плавник особенно чувствителен к действию.высокой температуры, что подтверждают и наши данные. У зародышей полосатой зубатки число лучей в: хвостовом плавнике при высокой температуре инкубации икры (11.0 и 13.0С) осталось неизменным, несмотря на существенные нарушения в строении остальных элементов хвостового скелета, а число лучей в грудных плавниках изменилось незначительно. Хвостовой и грудные плавники — основные органы, участвующие в перемещении тела зубатки в раннем онтогенезе. Таким образом, при высокой температуре инкубации икры лучи сохраняются в плавниках, несущих наибольшую функциональную нагрузку. Именно в них развитие лучей, очевидно, генетически детерминировано в наибольшей степени.
Тенденция к развитию терминальных лучей в спинном плавнике и недоразвитых лучей в задней части анального плавника свидетельствует, что зона хвостового стебля, прилегающая к хвостовой лопасти, представляет собой большое значение для плавания. Терминальные лучи в возрасте несколько месяцев после вылупления достигают мощного развития и приобретают необычную форму сходную с формой небольших плавничков, локализующихся позади второго спинного и анального плавников у рыб — быстрых пловцов (Scombridae, Carangidae и др.). В соответствии с представлениями Алеева (1963), функция таких плавничков — управление потоком воды, притекающим в. область хвостового плавника, в результате чего вихревое сопротивление уменьшается и работа хвостового плавника становится более продуктивной. Можно предположить, что сходную функцию имеют и терминальные лучи ювенильных особей полосатой зубатки, локализующиеся в мягкой ткани спинного плавника, лишённого значительной части лучей вследствие повреждающего воздействия высокой температуры.
Таким образом, причина появления меньшего числа лучей в непарных плавниках у личинок полосатой зубатки состоит в том, что при высокой температуре часть элементов не успевает развиться вследствие нарушения нормального соотношения между темпом развития этих элементов и темпом развития остальных компонентов скелета. Можно предположить,, что нарушения в развитии элементов осевого скелета осуществляются лишь в течение некоторого ограниченного фенокритического интервала раннего онтогенеза.
Стадии, определяющие формирование окончательного числа лучей в плавниках и скелетных аномалий
Вследствие резко выраженных отклонений от нормального развития осевого скелета у личинок полосатой зубатки, полученных из икры, инкубируемой при относительно высокой, температуре, существует возможность для точного определения промежутка развития, на протяжении которого происходит фиксация окончательного числа лучей в плавниках и формируется большинство скелетных аномалий. Схемы соответствующих экспериментов приведены на рис. 1.3.
В большинстве случаев различия по числу лучей в плавниках между сходными группами личинок от самок Т и 2 были недостоверными. В связи с этим, данные для этих самок обьединили. Средние значения числа лучей в группах, инкубируемых при постоянной температуре 7.0 и 11.0С, составили в спинном плавнике соответственно 74.5 (о 0.8) и 53.8 (о 9.6) и в анальном плавнике — 46.4 (о 0.8) и 25.7 (о 10.8) (рис. 3.21 а, 3.21 б). Фиксация окончательного числа лучей в спинном плавнике в группах яиц, переведенных из 7.0 в 11.0 С, осуществляется между стадиями 1 и 4, однако наиболее чувствительный интервал — между стадиями 2 и 3 (рис. 3.21 а). При переводе яиц из 11.0 в 7.0С, окончательное число лучей в спинном плавнике определяется между стадиями 2 и 5, но наиболее чувствительный интервал — между стадиями 3 и 4. Число лучей в спинном плавнике в группе 11(2)-7(5)-11 было достоверно большим, чем в группе 11(2)-7 (р = 0.0003). Различие по числу лучей между группами 11 (3)7(5)-11 и 11 (3)-7 было недостоверным (р = 0.412).
Окончательное число лучей в анальном плавнике в группах яиц, переведенных из 7.0 в 11.0С, определяется между стадиями 1 и 5, но наиболее чувствительный интервал г между стадиями 2 и 3 (рис. 3.21 б). В группах, переведенных из 11.0 в 7.0С, окончательное число лучей в анальном плавнике определяется между стадиями 2 и 5, а наиболее чувствительный интервал — между стадиями 3 и 4. Число лучей в анальном плавнике в группах 11 (2)-7(5)-11 и 11(2)-7 достоверно не различается (р = 0.102). Также недостоверны различия по числу лучей в анальном плавнике между группами 11 (3)-7(5)-11 и 11 (3)-7 (р = 0.905).
Результаты эксперимента по инкубации яиц от самки 3 при 11.0С и их переводу на протяжении некоторых интервалов эмбриогенеза в воду температурой 7.0С (рис. 1.3) свидетельствуют, что как в спинном, так и в анальном плавниках, определение окончательного числа лучей наблюдается между стадиями 2 и 4, преимущественно между стадиями За и 3 (рис. 3.22 а, 3.22 б).
Нарушения в строении элементов осевого скелета встречались редко или отсутствовали в группах, инкубируемых при постоянной температуре, 5.0 и 7.ОТ. Лишь один тип аномалии — слияние двух последних эпуралий, наблюдался при 7.0С у более 50% особей. Частоты большинства типов аномалий были достоверно большими в группах, инкубируемых при 11.0С, чем в группах, развивавшихся при 7.0С (табл. 3.7, 3.8, 3.9). Анализ частот встречаемости личинок с отсутствием ряда лучей в спинном и анальном плавниках подтверждает выводы.
Принципы выбора объектов культивирования с учётом особенностей их онтогенеза
Со стадии 3 обьём эмбриона увеличивается, а начиная со стадии (10) васкуляризации желточного мешка на 50%, между сериями I и II наблюдаются достоверные отличия. Начиная стадии (5) начала пульсации сердца, обьём желточного мешка в серии I резко уменьшается, в то время как обьём желточного мешка эмбрионов серии II практически не меняется до стадии (10) васкуляризации желточного мешка на 50% его поверхности (рис. 3.28 6). Различия между обьёмом желточного мешка в сериях I и 1.1 недостоверны (р 0.05). В сериях II и 1.1, зародыши которых вышли из оболочек на стадиях соответственно 1 б и 18, уровень потребления» желтка значительно увеличивается после вылупления. В серии I, где вылупление произошло на самой поздней стадии (19), резкое увеличение скорости резорбции желтка перед вылуплением, по-видимому, связано с тем, что начавшиеся на стадии 17 движения жаберно-челюстного аппарата требуют дополнительных затрат энергии. На стадии (20) начала формирования лучей в брюшных плавниках обьём желточного мешка в сериях I,. II, 1-ій 1.2 составил в і среднем соответственно 75.03, 91.47, 61.01 и 55.05.ммЗ. Таким образом, и после вылупления обьём желточного мешка в "тёплой" серии на сопоставимых стадиях достигает наибольшей величины.
Для того, чтобы определить, пропорционально ли изменяются длина и обьём:желточного: мешка на протяжении фенокритического интервала эмбриогенеза с изменением температуры, на стадии перед началом пульсации сердечной трубки (4) группы икры, инкубируемой при высокой температуре (9.0 С), были переведены в воду с более низкой температурой (рис. 1.2; серии IV.1-IV.4). Наибольший прирост длины (AL) и наибольшая убыль желтка (AV) между стадиями 4 и 10 приходятся на температуру 0.7-1.5С (рис. 3.29 а, 3.29 б). В интервале температуры от 1.5 до 5.6С AL и AV уменьшаются, а при более высокой температуре остаются примерно на постоянном уровне:
Таким образом, во время фенокритического. интервала эмбриогенеза, определяющего последующее соотношение между длиной предличинки и объёмом желточного мешка, максимальный прирост длины эмбрионов, наблюдается, при: температуре ниже 1.5 С,. а минимальный — при температуре выше: 5.6вС. В данных температурных диапазонах длина-эмбриона, (на; одинаковых стадиях развития) при изменении,температуры практически не меняется. Наличие диапазона, в котором изменение температуры не доказывает влияния на линейные размеры одностадийных зародышей свойственно также зубатому паралихту Paralichthys dentatus (Johns, Howell, 1980; Johns et al., 1981) и, по-видимому, другим видам рыб. Существование подобных диапазонов, вероятно, обусловливает противоречия мнений Наиболее энергетически выгодный режим развития; должен характеризоваться максимальным соотношением между приростом обьёма зародыша и убылью, обьёма желтка. Расчёты показывают, что на протяжении большей части эмбриогенеза развитие в "тёплой" серии более энергетически выгодно, чем в."холодной", что согласуется с мнением (Marry 1966) о том, что наибольшая эффективность роста эмбриона атлантического лосося наблюдается при Ю С. Вместе с тем, принимая во внимание конечный результат, в целом следует считать, что температурный режим, обеспечивающий получение более крупной молоди при переходе на полное экзогенное питание (при одних и тех же исходных параметрах яйца) является наиболее энергетически выгодным. Как показали результаты описанных выше экспериментов, для получения наиболее крупной молоди достаточно поддерживать температуру ниже 1.5С лишь на протяжении фенокритического интервала эмбриогенеза (от начала пульсации сердечной трубки до окончания сегментации тела зародыша).
Принимая во внимание практическую сторону данной работы, следует отметить, чтоу молоди лососевых, в частности, у микижи (радужной форели), более крупная молодь, очевидно, не имеет существенных преимуществ: после начала экзогенного питания различие. в размере быстро нивелируется (Bromage, Cumaranatunga, 1994). Поэтому инкубация икры возможна в широких температурных пределах в зависимости, в первую очередь, от запланированных сроков получения молоди.
У полосатой зубатки различия в длине (TL) зародышей на одинаковых стадиях развития невелики (рис. 3.30). При вылуплении средние значения варьировали от 22.45 до 23.04 мм. На этой стадии обьём желточного мешка был достоверно меньшим (р 0.001) при 9.0С, чем при-11.ОТ. Наибольшие различия по длине эмбриона наблюдались на стадии (3) начала циркуляции форменных элементов крови: длина тела была достоверно ниже (р 0.001) при 11.ОХ, чем при более низкой температуре. Однако данные различия, очевидно, связаны с тем, что указанная стадия наступает при 11.0С на морфологически менее продвинутой стадии развития. На стадии (2) начала пульсации сердца обьём наиболее крупной жировой капли был меньшим, чем на стадиях 3-5, причём этот показатель достигал наименьших значений при11.0С, чем.при других температурах (р 0.01) (табл. ЗЛО). На стадии 2 жировые капли;не полностью спились в одну крупную, и это слияние, очевидно, достигло наименьшей степени при 11.0 С. На стадиях 3-5, обьём жировой капли в разных температурных сериях существенно не различался (р 0.05). Интенсивная І резорбция жировой капли наблюдалась со стадии (5) начала подвижности жаберно-челюстного аппарата. При вылуплении обьём жировой капли был меньшим при 5.0 и 7.0 С, чем при других температурах инкубации, но различия недостоверны (р = 0.493).
Суммарные данные, полученные посредством измерения параметров; зародышей от четырёх самок при массовом; вылуплении приведены в табл. 3.11. Предличинки имели наименьшую длину при 11.0С и наибольшую при 5.0Х. Различия в длине между зародышами, развивающимися при 5.0 и 7.0 С, а также при 9.0 и 11.0С достоверны (р 0.001). Объёмы желточного мешка и жировой капли были наибольшими при 11.0 С (р 3 0.001).
