Содержание к диссертации
Введение
1. Материал и методика 12
1.1. Район сбора и срокиработ 12
1.2. Условия экспериментов: приближение к природным» 12
1.2.1. Аквариальныйпроток
1:2:2: Акклимация
1.3. Регистрация двигательной активности мидий* 18
1:3.1. Аппарат и условия
1.3.2. Актограммы и параметры
1.4: Измерение параметров среды 22
1.4:1. Методология
1.4.2. Параметры среды
1.5. Статистическая обработка и анализ результатов 27
2. Поведенческие реакции двустворчатых моллюсков 31
2.1. Основные компоненты и поведенческие акты 31
2.1.1. Методология и техника исследований^
2.1.2. Движение створок раковин - неспецифический рефлекс
2.2. Ритмы движения створок и факторысреды 37
2.2:1: Периоды активности и покоя,
2.2.2; Циркаприливный; и циркадианный ритмы
2.3. Количественные параметры; 42
3. Элементарные поведенческие реакции мидий ;
3.1: Поведенческие акты и количественные параметры. 46
3:1.1: Поведенческие акты моллюсков-сестонофагов
3.1.2. Элементарные поведенческие акты мидий
3.1.3. Количественные параметры и ихизмерение
3.1.4: Анализ элементарных реакций и количественных параметров
3.2. Согласованность и индивидуальность 71
3.2.1. Акклимация
3.2.2..Влияние факторов среды
3.2:3. Анализ согласованности и индивидуальности
4. Медленные ритмы 84
4.1. Периодичность раскрытия створок и ее обнаружение 84
4.2. Спектральный анализ 90
4.2.1. Процессы обработки данных и их результаты
4.2.2. Периоды медленных ритмов
4.3. Анализ ритмов раскрытия створок 102
5. Поведение мидий в условиях колебаний факторов среды 115
5.1. Колебания факторов 115
5.1.1. Проточные аквариумы
5.1.2. Аквариальный проток и море
5.1.3. Анализ колебаний и переменный градиент
5.2. Зависимость поведения от колебаний факторов среды 127
5:2.1. Методология
5.2.2. Комплекс факторов литорали
5.2.3. Колебания температуры и солености в разные сезоны
5.2.4. Приливные и суточные колебания факторов
5.3. Анализ связи поведения мидий с факторами среды 149
6. Биотестирование 171
6.1. Процедура биотестирования и результаты 172
6.1.1. Тестируемые вещества
6.1.2. Результаты
6.2. Анализ влияния бурового раствора и экстракта бурового шлама на поведение мидий 180
Выводы: 188
- Ритмы движения створок и факторысреды
- Согласованность и индивидуальность
- Спектральный анализ
- Зависимость поведения от колебаний факторов среды
Введение к работе
Прибрежные воды морей являются наиболее продуктивной частью акватории' Мирового океана; и, вместе с тем, зоной максимальной антропогенной* нагрузки* на морские экосистемы, обусловленной хозяйственной деятельностью человека и загрязнением природной среды. Прибрежье, область наибольшего взаимодействия человека т океана, имеет особое значение; как для развития? общества, так и/ для функционирования морских экосистем. В то же время; океанологические в частности, биологические, процессы, происходящие^ в прибрежье, нередко изучены меньше, чем в районах открытого моря. Очевидно, одной? из основных причин сложившейся ситуации являются^ трудности исследования природных процессов прибрежной зоны, имеющих; сложную динамику.
Устойчивое функционирование прибрежных экосистем і базируется на; адаптации видов і к комплексу/ колебаний;факторов среды(солености; температуры, концентрации; пищи И: загрязняющих* веществ, и др.) их: местообитаний. Необходимым' условием* адаптации видов к флуктуирующей среде является относительная повторяемость, -квазистационарная периодичность природных процессов. Периодичность наступления событий позволяет организмам осуществить необходимую подстройку поведения; а также физиологических и* биохимических циклов, к ритмам изменения среды. Донные организмы прибрежных вод существуют в условиях постоянной; нередко высокоамплитудной; изменчивости' нескольких факторов среды, обусловленной? их многолетними; годичными, сезонными, лунно-месячными; суточными, приливно-отливными? и другими; природными; циклами; Предполагается, что приспособление донных животных к условиям непрерывных колебаний» факторов среды, например, суточных и: приливных; должно
проявляться преимущественно в виде адаптации поведенческого характера: (Хлебович, 1981).
Уже ни у кого не вызывает сомнений правота утверждений О. Кинне, Д.Н. Кашкарова, и других ученых, подчеркнутая И;В. Ивлевой (1981), что в природе живые: существа; реагируют как на результат общего воздействия; факторов среды, так и на влияние отдельных; факторов; которые могут иметь преимущественное- значение в определенный период времени. Тем не менее, подавляющее большинство исследований: физиологических и поведенческих реакций водных животных выполнено в относительно постоянных или однофакторно-градиентных условиях, задаваемых экспериментатором; Необходимость создания градиентов отдельных; факторов в лабораторных экспериментах во многом обусловлена тем; что сопряженное изменение факторов среды, наблюдаемое в природе, крайне затрудняет анализ влияния: каждого из них на? параметры жизнедеятельности- животных. Кроме того, выполнение физиологических или биохимических: измерений in situ методически проблематично. С другой стороны, наблюдения за поведением:водных животных могут достаточно успешно проводиться в природе: или в условиях, приближенных к природным; Непрерывная регистрация; поведенческих реакций и применение: количественных параметров: поведения; способны* дать надежную оценку изменения уровня активности: животного, в естественных условиях его обитания. Примеры таких исследований: пока- немногочисленны, но их теоретическое и «прикладное значение несомненно. Ведь только на их основе: могут быть установлены, синергетические, результирующие эффекты взаимодействия! факторов: и выявлена: реальная: иерархия биоритмов: и? экологических факторов; \лх< определяющих. Только в условиях максимально^ приближенных: к природными можно оценить
реальную степень влияния каждого: из факторов среды на; организм, определить их действительную экологическую значимость.
Особый интерес представляют исследования, проведенные на границе ареала: распространения вида, в экстремальных для него условиях существования, где действие факторов имеет наибольший биологический і эффект (Нееф, 1974). Изучение особенностей адаптации* прибрежных и литоральных видов двустворчатых моллюсков к условиям морей Крайнего Севера ограничено редкими; работами, лишь косвенно затрагивающими? влияние циклических изменений; условий! среды на периодичность их жизнедеятельности (например, Пропп, Рябушко, 1972). Существование прибрежных видов двустворчатых моллюсков в условиях Восточного Мурмана, расположенного за: Полярным кругом; напрямую зависит от местных особенностей; и амплитуды изменения факторов среды. В приливно-отливной зоне сила воздействия природных факторов наг донных беспозвоночных достигает максимальных значений; как по абсолютной величине, так и по продолжительности, частоте и амплитуде. Поэтому к обитанию в условиях литорали и верхней сублиторали приспособились, немногие виды беспозвоночных, обладающие поистине уникальными адаптационными способностями. Одним из таких видов является двустворчатый моллюск Mytilus edulis L.
Выбор, объекта исследования был определен его адаптационными способностями, а также экологической; и прикладной? значимостью. Двустворчатые моллюски мидии»рода;Mytilus; - типичные представители: доннойфауны литоральных и верхне-сублиторальных сообществ многих морей; - являются: традиционным объектом; физиологических и факторных экспериментов.
Кроме того, мидии? широко используются в практике биотестирования; в качестве модельного тест-объекта. Благодаря биоаккумуляционным особенностям, моллюски рода Mytilus являются
общепризнанными; организмами-мониторами уровня загрязнения природных вод тяжелыми, металлами, нефтеуглеводородами, пестицидами? и другими токсическими? веществами. На этой основе разработана и реализована во многих развитых странах мира программа? биомониторингат "Mussel Watsh" ("Наблюдение за мидиями") (Goldberg, 1975).
Интерес исследователей к этому объекту объясняется не только легкостью акклимации мидий к лабораторным условиям и простотой их содержания, но w их широким, практически всесветным-распространением, их массовостью. Эти моллюски, постоянные обитатели прибрежных мелководий; всегда доступны для сбора и исследования.
В биоценозах прибрежья Восточного Мурмана мидии могут образовывать большие скопления - иногда до 21 кг/м2 (Романова, 1969). Они занимают доминирующее или лидирующее (по биомассе) положение среди зообентоса многих литоральных биоценозов.
Значение мидийв функционировании, прибрежных экосистем морей России; в том; числе северных морей; многообразно. Наиболее значительна средообразующая роль мидий в сообществах мелководья и -приливной зоны. Эти моллюски-сестонофаги; обладающие мощным; фильтрующим аппаратом, создают своими поселениями» эффективный' естественный биофильтр, опоясывающий побережье многих морей. От его существования is значительной степени зависит самоочистительная мощность прибрежных экосистем, во многомюпределяющая чистоту вод (Воскресенский, 1948).
Продукты, жизнедеятельности мидий являются не только источником биогенов и; биологически активных веществ (БАВ) (Гаркавая и др., 1976; Галкина, 1985), но и хорошим естественным субстратом для поселения и питания полихет, ракообразных и моллюсков- собирателей.
Мидии - постоянный: кормовой объект морских звезд, ряда; донных рыб, птиц (особенного гаги), тюленей и других животных. С древних времен мясо: мидий* используется в пищу человеком. Сегодня эти моллюски, наряду, с другими; двустворками; стали классическим* примером успешной* марикультуры во многих регионах мира, в томчисле и на Севере России (Кулаковский; Кунин, 1983; Федоров, 1987).
Экологические исследованиямидий в разных'регионах мира имеют давнюю историю; Закономерно, что по экологической физиологии^ МИДИЙ; накоплен значительный- объем? данных, хорошо изучены основные зависимости! метаболизма; т ростам моллюсков от ряда- факторов, природной среды. Однако, несмотря на то, что мидии'Обитают, главным; образом, в условиях постоянно флуктуирующей1 среды, исследования временной: организации; их жизнедеятельности еще не получили-достаточного развития.
Многочисленные работьь по экологической; физиологии* моллюсков выполнены, как правило, в; лабораторных условиях, когда; отдельные факторы среды (температура; соленость, концентрация пищи, освещение и др.) поддерживались постоянными или менялись в соответствии с планом эксперимента; обычно скачкообразно.
Все еще отсутствуют исследования влияния колебаний нескольких факторов на? физиологические характеристики и і поведенческие реакции^ мидийів диапазоне естественных флуктуации;условий?водной среды. Не определены ритмы активности; моллюсков в условиях; литорали* и сублиторали. Практически нет работ, посвященных исследованию зависимости периодичности- поведенческих реакций1 мидий; от ритмов колебаний! основных факторов^ природной; среды (температуры, солености, концентрации? пищи). Однако, есть все основания полагать, что физиологическая активность и поведение моллюсков-фильтраторов
должны быть тесным образом связаны с регулярными колебаниями ряда природных факторов*
Поведение моллюсков, ведущих прикрепленный образ жизни проявляется, главным образом, в движениях их створок. Однако, несмотря на относительную простоту регистрации изменений раскрытия створок раковин, как отдельные поведенческие реакции; так и общие закономерности поведения морских двустворчатых моллюсков во многих аспектах совершенно не изучены. Не определены; основные: элементарные акты и количественные параметры движения створок раковин, как и сама методология их измерения. Не установлены количественные зависимости поведения моллюсков от основных экологических факторов, w их природных колебаний. Поведение мидий субарктического региона, в частности; баренцевоморских иtбеломорских, ранее практически не исследовалось, их поведенческие реакции \ на загрязнение неизвестны..
Таким образом, поведение мидиш и- поведенческие механизмы их адаптации к условиям прибрежной зоны Баренцева моря еще не изучены ни в качественном; ни в количественном отношении.
Основной целью даннойфаботы было изучение поведения мидий, регистрируемое по движениям их створок, в соответствии с методологией пассивного эксперимента; т.е. в условиях естественных колебаний факторові водной средьп (температуры, солености, концентрации? фитопланктона! и/или взвеси) прибрежья Восточного Мурмана: Для достижения этой цели предполагалось выполнить следующие задачи:
- определить основные элементарные поведенческие реакции;
мидий;
- установить количественные параметры-двигательной активности?
мидий и принципы их измерения;
исследовать наличие периодических составляющих двигательной, активности мидий, находящихся в условиях естественных флуктуации факторов среды;
провести» анализ возможностей; математических: методов обработки? временных рядов в обнаружении; и* объективном' анализе периодических составляющих поведения мидий;
изучитьзависимость некоторых поведенческих реакций мидий; от относительно слабых' непрерывных колебаний* (приливных w суточных) основных экологических факторов; таких как температура, соленость, концентрация; фитопланктона/сестона, приих совместном действии;:
оценить возможности1 использования поведенческих реакций мидий в биотестировании; в том числе в полевых условиях.
Основное внимание в данной работе уделялось количественным исследованиям периодической} активности» мидий иг ее взаимосвязи с факторами среды.
Определение количественных зависимостей.основных параметров поведения мидий от факторов среды позволит регистрировать изменения^ активности-животного в масштабе реального времени, ведя мониторинг его поведения непосредственно in situ; Такой подход открывает новые возможности; для океанологических исследований? и- познания* механизмов адаптации «животных к условиям; естественной і изменчивости условий среды. Непрерывный мониторинг активности моллюсков может быть полезен также как в практике марикультуры, так и в оценке состояния среды и; биотестирования загрязнения. Особенностью предлагаемого метода і является-то, что; он может быть использован для тестирования< качества вод и* контроля загрязнения в полевых; условиях (или в условиях приближенных к природным) при, одновременном/ комплексном действии всех факторов природной среды.
Материалы диссертации докладывались и- обсуждались на лабораторных семинарах и отчетных сессиях Мурманского морского биологического института^ (1986-2003), на= научных семинарах лаборатории* пресноводной' и* экспериментальной* гидробиологии і Зоологического: института; РАН (1990-1993), на ll-ой областной? конференции і молодьіХі ученых^ "Охрана окружающей* среды и рациональное использование природных ресурсов" (Апатиты, 1988), на II-ошВсесоюзношконференции("Экология^ биологическая?продуктивность и проблемы марикультуры Баренцева моря" (Мурманск, 1988), Ш-ей Всесоюзной? конференции^ "Экология, воспроизводство w охрана биоресурсов морей:Северной?Европы" (Мурманск, 1990), Международной; конференции; морских наук Скандинавии "1st Nordic marine science meeting" (Ґетеборг, Швеция- 1995), ll-ой? Международной г конференции "Освоение шельфа.арктических морей России" (Санкт-Петербург, 1995), Международном! совещании. "First international; workshop on adaptation capacity in marine invertebrates" (Гданьск - Собисчево, Польша, 1998), Международной? конференции< "Проблемы гидроэкологии; на^ рубеже веков" (Санкт-Петербург, 2000), Первой школе морских биологов (Ростов, 2001), Международной конференции "Новые технологии в защите биоразнообразия в водных экосистемах" (Москва, 2002), Второй школе морских биологов (Мурманск, 2003).
Результаты исследования представлены в данной* диссертации, состоящей; из, введения, шести, глав, выводов и списка, литературы. В главе 1 изложены основные методические подходы, общие методы сбора, измерений и- обработки материала. В главе 2 представлен литературный» обзор. Основные результаты, исследования поведения мидий? Восточного Мурмана* представлены в главах 3-6, где также освещены соответствующие методологические и методические особенности; получения данных и; анализа результатов; В частности, в
главе 3. устанавливаются количественные параметры поведения мидий, принципы^ и особенности их измерения. В главе 4 даны методические подробности?математического анализа^временных рядов для выявления периодических составляющих в движениях створок моллюсков: В 5 главе анализируется;соответствие условий*аквариального протока природным условиям верхнейг сублиторали. Глава 6 содержит краткое описание процедуры^ биотестирования. В\ каждой главе обсуждение результатов дано в соответствующих разделах: «Анализ......
Рукопись содержит 16 таблиц и- 52 рисунка. Список литературьь включает 218 работ, в числе которых 106 иностранных..
Автор благодарен администрации ММБІ/Р КНЦ РАН за предоставление возможности» завершения работы над рукописью и подготовки диссертации к защите.
Автор выражает глубокую- благодарность А.Ф. Алимову, руководителю диссертационной работы, за долготерпение, а также за: важные замечания, высказанные в ходе подготовке диссертации:
За бескорыстную помощь и постоянную поддержку автор искренне благодарен сотрудникам Зоологического института РАН, В.В. Хлебовичу, В:Я. Бергеру, В.Е. Панову; П.И. Крылову, М;И: Орловой, СМ- Голубкову, В.Н. Галкиной, И.С. Смирнову, А.А. Голикову и всем тем, кто прямо или? косвенно помогал идти* вперед, не опускать рук. В.В: Хлебович и> В.Я; Бергер взяли на себя также труд критического прочтения рукописи диссертации;
Большое спасибо Н:Д; Гайденок и В.К. Ожигину за sконсультативную помощь, ВіГ. Аверинцеву, \лі Е.Е. Пономаревой - га сотрудничество в экспериментальной работе.
Особую признательность хочется выразить КМ: Хайлову, первому наставнику научных исследований автора.
Ритмы движения створок и факторысреды
Первые исследования; влияниям факторов среды на движения; створок моллюсков и их регуляцию были начаты И:Ш Павловым (1885), отметившим; влияние температуры на ритм аддукции; беззубок Anodonta cygnea при ее изменении? в эксперименте на 3-4С. Дальнейшие исследования (Galtsoff, 1928; Hopkins, 1931) были» посвящены изучению влияния температуры на суточную продолжительность активности двустворчатых моллюсков. Положение моллюска с открытыми створками- раковины рассматривалось как внешний индикатор его физиологической активности (Woortmann, 1926; Dodgson, 1928). Было установлено? (Galtsoff, 1928), что при умеренных изменениях температуры (от 13 до 22С) не наблюдается корреляции? между продолжительностью открытия створок устриц Ostrea virginica и температурой воды. В. Пузанов (Loosanoff; 1939), наблюдавший І за поведением Venus mercenaria: в течение годового цикла, обнаружил, что при сезонном увеличении2 температуры, водьь среднее; за сутки время пребывания моллюсков.с открытыми раковинамиїувеличилось с 0 (зимой) до 90 % (летом).
Кратковременное увеличение или уменьшение температуры воды на- 10 С вызывало увеличение частоты чередования периодов, активности (створки открыты) итокоя;(створки закрыты), и увеличение аддукции («частоты ритмической активности») у беззубок Anodonta-cygnea; (Salanki et a/., 1974). Последующие; исследования влияния факторов среды на; двигательную активность, двустворчатых моллюсков носили; в основном; качественный характер. Они показали, что любые существенные изменения в среде: уменьшение концентрации растворенного кислорода (Salanki, 1965; Карпенко и др., 1983), понижение, солености (Хлебович, 1974;Карпенко и, др., 1983; 1987; Davenport, 1977; 1979; 1981), добавка растворов солей (Коштоянц, Шаланки, 1958; Manley, Davenport, 1979), в том числе некоторых тяжелых металлов (Salanki, Varanka, 1976; Davenport, 1977; Akberali and Black, 1980; Akberali, Trueman, 1985; Kramer et a/., 1989), синтетических детергентов? (Арефьева, 1983; Сабуров, 1976; Карпенко и др., 1983; 1987; Карпенко, Тюрин, 1987; Swedmark et aL, 1971) и других химреагентов (Коштоянц и Шаланки, 1958; Шаланки, 1959; Слатина, 1989), а также общий1 стресс; организма; (Theede, 1963; Winter, 1969; Davenport and Woolmington, 1982), - вызывают укорочение периодов актизности, изменение частоты смены периодов активности и покоя, и суммарное увеличение продолжительности изоляции раковин.
Эти; исследования помогают прийти к логическому заключению о том, что в природных, непостоянных условиях- обитания уровень двигательной активности двустворчатых моллюсков также должен быть непостоянен, соответствуя изменениям окружающей среды. Естественно ожидать, что временные изменения в поведении морских/прибрежных донных беспозвоночных должны быть адаптивно связаны с приливной, суточной, сезонной и другой ритмикой природных процессов (Хлебович, 1981; Naylor, 1976). Несмотря на то, что поселения-прибрежных моллюсков, находящиеся в нижней литорали и сублиторали редко испытывают действие факторов; осушения или никогда не обнажаются в отлив, условия; их существования; даже на глубинах до 50 М; могут во многом определяться ритмикой приливов (Mathers, 1976; Halpern and Pillsbury, 1976). Циркаприливный и циркадианный ритмы То, что ритмы активности! моллюсков-сестонофагов неизбежно находятся в зависимости от периодичности изменений внешних условий, подтверждается данными о наличии у них циркаприливной и/илищиркадианнойритмики фильтрации (Rao, 1953; 1954; Winter, 1970; Griffiths, 1980; Newell et al., 1998), питания; и пищеварения (Nelson, 1925, 1933; Morton, 1956; 1970; 1971; Mathers, 1976), потребления кислорода (Слатина, 1989; Gompel, 1937; Newell et al., 1998) и сердцебиений (Helm; Trueman, 1967; Trueman, 1967). В ряде экспериментов (Hopkins; 1933; Jorgensen, 1949; Salanki, Lukacsovics, 1967; Morton, 1969; Foster-Smith, 1976; Higgins, 1980; Riisgerd, Randlov, 1981; Davenport and Woolmington,1982) была: обоснована; принципиальная; возможность взаимосвязи фильтрационной и? поведенческой активности двустворок. Однако, до последнего времени достоверной; коррелятивной зависимости между двигательной? активностью створок w физиологическими функциями (дыхание, фильтрация, экскреция и др.) пока установлено не было. Последние исследования поведения мидий? (Jorgensen et al., 1988; Jorgensen, 1990), в том; числе с применением новейшей техники полевых подводных наблюдений (Newell et al., 1998) подтверждают, что корреляция между уровнем; раскрытия створок и скоростью фильтрации моллюсков существует, но, возможно, является достаточно грубой (Newell et al., 1998).
Ритмы раскрытия створок Получение доказательств устойчивой периодичности в движении створок, осуществлялось, главным образом; в постоянных условиях лабораторных экспериментов; Помимо измерения частоты уже упомянутой- «ритмической активности» (Павлов; 1885; Marceau, 1906; Barnes, 1955; Salanki et al., 1974), т.е. частоты охлопывания; створок или; «быстрого ритма», при искусственном изменении отдельных факторов среды, ряд работ был посвящен анализу колебаний средней величины открытия раковин моллюсков. При? постоянных условиях освещения и частой смены воды видимый ритм движения (плавного «открытия-закрытия») створок Venus mercenaria соответствовал суточной; приливно-отливной, 48 часовой, недельиой, 15 дневной и 29-дневной моделям (Bennett, 1954). Однако, критическая оценка этих данных (Enright, 1965) как и аналогичных результатов, полученных на устрицах Crassostrea virginica (Brown, 1954), заставила некоторых ученых (Ameyaw-Akumfi, Naylor, 1987) усомниться в достоверности5 выводов авторов. Дж. Гордон (Gordon, 1978) также не обнаружил циркадианной периодичности в движении створок М: mercenaria при низком рационе их порционного кормления с заданными нерегулярными интервалами.
В то же время; моллюски М- mercenaria, голодавшие в течение 16 недель, обнаруживали; околосуточный ритм; двигательной активности створок (Thompson, 1975). Варне (Barnes, 1955) также наблюдал в течение недели наличие стабильного околосуточного ритма появления фазы активности у беззубок А. судпеа. Хотя В. Пузанов (Loosanoff, 1939) также как и;П. Гальцов (Galtsoff, 1928) не нашел временной! закономерности в; движении; створок моллюсков, он отмечает, что в дневное время (бассейн был затенен зонтом) раковины.былwв среднемзакрыты дольше, чем.ночью. Связи-движения створок с фазами прилива он не обнаружил. Такую же околосуточную ритмику движения створок Mytilus edulis и Crassostrea gigas подтверждают результаты исследований японских ученых, выполненные, в-условиях приближенных к природным? (Fujii, Ishikawa, 1982; Fujii et a/., 1982). Авторы предполагают влияние световых условий, ai также, косвенное влияние других факторов (колебания температуры, солености) на ритм движения створок. Некоторые признаки: слабой циркадианной: периодичности движения створок у голодных мидий Ml edulis, при большей продолжительности суммарного времени закрытия раковин в дневные часы, бьілиі отмечены британскими исследователями (Ameyaw-Akumfi, Naylor, 1987), критически проанализировавшими» все предыдущие доказательства эндогенности поведенческих ритмов у прибрежных двустворчатых моллюсков. Результаты их экспериментов, также; как и проведенный ими анализ, периодичности физиологических и поведенческих реакций;свидетельствуют в пользу экзогенной природы ритмов двигательной активности моллюсков-сестонофагов.
Согласованность и индивидуальность
В первые 2-3 сут после сбора; мидии? сохраняли: ритм: движения створок, свойственные их природным местообитаниями В процессе акклимации? к условиям аквариального содержания постепенно возникала согласованность и? синхронизация; в; движениях створок акклимируемых и: аквариальных (т.е. давно акклимированных) мидий (рис. 3.2, 3.4). Поведение акклимируемых мидий, содержащихся в одинаковых условиях также становилось согласованным;(рис. 3.5, 3.6, 317). Совпадение кривых!двигательной: активности! иногда; могло быть почти» абсолютным; (рис. 3.8), как по колебаниями УРС, так; и? по аддукции; w, амплитуде. Даже, если1 согласование, не было столь очевидным! (рис: 312, 3.4), в; любом случае наблюдалось сохранение общих направлений изменений УРС (трендов) и; их- синхронизация, причем! иногда уже. с первого дня акклимации. Количественный показатель согласованности: - корреляция по УРС между свежесобраннымшиаквариальными» мидиями; как:правило, возрастала в процессе акклимации, но до определенных пределов. Спустя 5-7 сут акклимации: свежих моллюсков; на протоке, степень согласованности/скоррелированности;практически;не увеличивалась, w даже могла; уменьшаться. Оказалось, что степень согласованности определяется не только временем акклимации; но изменяется в зависимости от локальных условий: (ваквариуме) и: от индивидуальных особенностей моллюсков. Поэтому даже между; давно акклимированными? мидиями, находящимися в одинаковых, на первый взгляд, условиях (например, рис: 3.6-3.8) коэффициент линейной: корреляции І по УРС: варьировал от 0.61 до 0.96; (Р 0.01 -ь0.05; п = 20-30).
Индивидуальные, особенности; поведениям мидий; которые, конечно, могли быть достоверно оценены І только после окончания периода акклимации, сохранялись довольно длительное время (весь период регистрации, иногда до нескольких месяцев). Эти особенности были связаны, главным образом, с различиями в среднесуточном УРС, АДД и АМП или характере их изменения (рис. 3.5, 3.6, 3.7). Несмотря на несомненную общность трендов колебаний УРС, практически; каждый моллюск имел индивидуальные особенности і поведения, которые были в разной степени выражены у. разных особей.1 При рассмотрении серии актограмм5 каждой мидии; в целом; складывалось общее впечатление, что в ряде случаев характер реагирования был устойчивым; присущим? только конкретной мидии. На. качественном уровне он проявлялся, например, в скорости реакции! на раздражители; (свет, вибрация), в размахе движения створок и частоте аддукции, величине и устойчивости флуктуации УРС. Степень индивидуальной выраженности поведенческих реакций свидетельствовала;о том, что моллюски имеют своего рода «темперамент», проявляющийся в силе, скорости; и монотонности изменений: поведения. Индивидуальная специфичность: поведенческих реакций; как совокупность характерных изменений УРС, АДД и АМП, определяла своего рода поведенческий «портрет» моллюска, делала его узнаваемым на; актограммах по такому параметрическому «паспорту». Влияние факторов среды Было отмечено, что синхронизация двигательной? активности» была заметнее, когда влияние одного из факторов среды было больше, чем других.
Например, в условиях дополнительного кормления одноклеточнымиt водорослями акклимация» проходила быстрее и согласование движения? створок было наилучшим: (рис. 3.8). В то же время, весной и летом; в период цветения фитопланктона, несмотря на. общую: согласованность основных трендов УРС акклимируемых и аквариальных мидий; индивидуальная вариабельность моллюсков В условиях недостаточного поступления пищи, свойственной, например, ранне-весеннему периоду (Ларионов, 1997), синхронизация двигательной активности была наименьшей как во время акклимации, так и после нее (рис. 3.1). В то же время, с ноября по февраль (рис. 3.7), в период наименьшей за год концентрации фитопланктона (и температуры воды: от 6 до -1 С), согласованность в движениях створок была хорошо заметна, хотя на ее фоне сохранялись некоторые индивидуальные особенности поведения моллюсков. Подобная хорошая согласованность наблюдалась также в начальный период искусственного голодания (рис. 3.6). В условиях растущего кислородного дефицита наблюдалось постепенное исчезновение индивидуальных особенностей движения створок аквариальных мидий (например, рис. 1.5: актограммы 1 и 2 получены при концентрации кислорода 4.5 мл/л; для сравнения, - в протоке 6.4 мл/л). Хотя и при меньших концентрациях кислорода в воде (около 0.6 мл/л) некоторые мидии «упорно» сохраняли индивидуальный характер аддукции. Наибольшие отличия в двигательной активности были обнаружены у мидий, живущих на разных горизонтах литорали. Относительно небольшой среднесуточный УРС и малая АМП, характерные для моллюсков верхнего горизонта литорали, сохранялись, по крайней мере, в течение месяца после их отлова. Их медленный ритм- ясно отличался от такового у мидий нижнего горизонта; литорали, что было особенно заметно в первую неделю акклимации (рис. 3.1). Спустя одну-две недели; с появлением общего тренда; изменений УРС, согласованность, движения створок мидий разных горизонтов литорали становилась более заметной.
Влияние факторов среды сказывалось; на поведении мидий? и через различия в микроусловиях их; содержания В: аквариальной: На: фоне общей синхронизации трендов УРС у аквариальных мидий, находящихся в; практически- одинаковых условиях, были некоторые отличия по динамике УРС, АДД и АМП (рис. 3.5-3.7; 1.5, 3 и 4), которые не были; обусловлены индивидуальными» особенностями поведения, и постепенно исчезали приходержании моллюсков в одном-сосуде. Оказалось, что согласование и синхронизация по УРС у мидий, находящихся в одном сосуде/аквариуме, может быть выше, чем между моллюсками, живущими в соседних аквариумах. Особенно хорошо это было заметно при; некоторых искусственных изменениях условий среды, например, в условиях фильтрованной; аэрируемой1 воды (рис. 3.6). Функция взаимокорреляции или кросскорреляции; рассчитанная для кривых медленных ритмов мидий; подтверждала что между моллюсками одного аквариума сходство в поведении выше; чем между находящимися в разных аквариумах (рис. 3.9). Причем? для мидий; одного аквариумаь кросскорреляция- могла быть максимальной; например, не в начальный момент (рис; 3:10), а.пригсдвиге {lag) кривых относительно друг другаінаї2 ч и:8 ч. Такая;корреляция?со сдвигом; говорит, в данном случае, о том; что, во-первых; одна= мидия запаздывает с реакций относительно другой на два часа; а, во-вторых, интервал в 6 ч (от максимума до минимума функции) и интервал в 12-15 ч (между пиками функции) свидетельствуют об усилении корреляции между актограммами в соответствии с периодичностью явлений приливного цикла. В данном примере, функция взаимокорреляции (перекрестной корреляции) между мидиями имела еще более высокие значения в другие дни августа (рис. 3.10). Высокий начальный коэффициент взаимокорреляции указывает здесь на наибольшее сходство исходных кривых (без сдвига), а интервал между пиками функции взаимокорреляции в 24-25 ч свидетельствует об усилении влияния на мидий циклов 24 ч периодичности.
Спектральный анализ
Процессы обработки данных и их результаты Анализировались низкочастотные составляющие ритмической активности мидий; так называемые «медленные ритмы», представляющие собой изменение среднего уровня раскрытия створок раковины (PC, т.е. УРС или УЗС). Для математического анализа ритмов определение УРС (в %) не является- обязательным; поэтому использовались исходные данные, т.е. УЗС (в усл. ед: или; мм шкалы актограмм). Временные ряды равноотстоящих измерений! УЗС, полученных с интервалом.в 2 ч (рис. 4:4), 1ч или 30 мин (рис. 4:1, 4.5) использовались для исследования периодических составляющих методом спектрального/гармонического анализа; Современные методы спектрального (частотного) анализа; основаны на преобразовании г Фурье, общая ; методология и особенности которого хорошо изучены (Коняев, 1973; Отнес, Эноксон, 1982; Бендат, Пирсол, 1983; Wiener, 1930). Рассмотрим основные принципы данного метода и; его модификацию использованную в данной работе.
В простейшем случае периодичность функции очевидна, если она представляет собой- отдельное синусоидальное колебание. Известно, что многие истинно периодические функции не являются синусоидальными, но, при этом, они могут быть представлены, в виде суммы синусоид на: основании теоремы .Фурье (Wiener, 1930), которую можно определить; (сформулировать) следующим образом: «любую периодическую функцию с периодом! Т (т.е. частотой 1/Т) можно представить в виде суммы синусоидальных составляющих с частотами; 1/Т, 2/Т, 3/Т...» (Мерсер, 1964; с.127); например, в общем виде для ряда Фурье первого порядка (Churchill and Brown; 1987): /лт(0 = ц + Ь\ cos 2 ті /+ b2 sin 2 я /, где ju т (t) - периодический процесс с периодом І Т; t- время, частота f = kfr = k/T=1/T(k=1;t = 1), U-=1/Г- - базовая; частота, Ь- амплитуда,// -начальное значение функции. Для; к =1,2,3... получаем?(по: Бендат; Пирсол, 1983): x(t) = - + 2( cos27ifkt + bk s\n27tfkt). (1) Таким образом, преобразование Фурье позволяет представить процесс х (t) в виде временного ряда образованного суммой синусоидальных и5 косинусоидальных колебаний! (гармоник), частоты! которых меняются дискретно с шагом f/= lf в диапазоне частот f от 0 до л/2, где п - длина» временного ряда (Кулаичев, 1999).
Доказано, что классический? анализ Фурье: (1) и? стандартные статистические методы оказываются удовлетворительными только для чисто периодических функций) (Мерсер, 1964; Карп, Катинас 1989). Если же периодический? сигнал замаскирован случайными компонентами, как это часто бывает в биологических процессах, то эффективность этих методов недостаточна. Как видно из приведенных примеров многодневной; регистрации (рис. 4.1, 4.4, 4.5) колебания величины PC не представляют собой: чисто периодическую функцию, а; очевидно, содержат случайную и/или релаксационную компоненту.
Если изучаемая функция не является чисто периодической? или? случайной; а; содержит как случайную, так и периодическую компоненты і (такую функцию называют «смешанной»), то; удобным для их разделения является автокорреляционный (ковариационный) метод (Бендат, Пирсол, 1983; Кулаичев, 1999; Blackman, Tukey, 1958). Суть его состоит в том, чтобы, взяв функцию: f(t), сдвинуть ее; на время- т сравнить с исходной, т.е. определить ковариацию;(корреляцию) между ними : іт j3(T) = lim-\f(t)f(t + T)dt, где г- сдвиг, а Г- полное время наблюдений. Наибольших значений автокорреляционная функция. (J3) достигает, когда: кривые; совпадают, т.е. при5 г = 0. Для больших значений? т величина автокорреляционной; функции стремится к О (признаки;ее затухания заметны при-наибольших сдвигах, - лагах (lag,-на рис: 4.5, внизу). Если в исследуемой функции/процессе доминирует случайная компонента, произойдет быстрое затухание автокорреляционной функции. Если же процесс является периодическим, то Д очевидно, тоже будет периодической, т.к. при смещении? на один период мы получимі функцию, ничем? не. отличающуюся от исходной: Поэтому J3 имеет тот же; период (но не обязательно ту же форму), что и исходная функция (рис: 415). Таким;» образом; для оценки периодичности функции может быть использована автокорреляционная функция; у которой периодическая компонента видна непосредственно.
Для получения спектральной плотности? автокорреляционную функцию подвергают преобразованию Фурье (Мерсер, 1964; Churchill and Brown, 1987), т.е. умножают ее на последовательность косинусов переменной частоты, сглаживают, вводят поправки; Представленная последовательность операций является, по сути, процессом фильтрации» данных, позволяющем: выделить гармонические составляющие сложных функций и отделить от них негармонические частоты (не являющиеся целыми кратными низших). Поскольку спектральная плотность (или спектр) является функцией частоты, то она? интерпретируется как распределение мощности (среднего квадрата.процесса) или амплитуды; процесса по частотам (Бендат, Пирсол, 1983). По оси; ординат спектра удобно откладывать амплитуду (рис. 4.6) или мощность, по оси ординат -частоты или» периоды. Низкочастотная граница; спектра называется постоянной? составляющей; обычно ее; принимают равнойО. Спектр наглядно показывает на; каких частотах (периодах) сосредоточена основная энергия процесса- (Кулаичев, 1999). Если; одной из точек спектра соответствует значительно большее значение мощности или; амплитуды чем соседним, это служит доказательством периодичности (Мерсер, 1964; Коняев; 1973; Ameyaw-Akumfi; Naylor 1987). Нередко использование методов гармонического анализа в классическом виде (уравнение 1) в процессе исследования экспериментальных данных наталкивается на ряд ограничений: недостаточный объем выборки (вещественное число периодов), наличие тренда, дикримента (или инкримента) амплитуды или, зачастую, немонотонный характер ее изменения. Для устранения отмеченных ограничений; были- применены . математические преобразования? начальной: функции (Гудимов, Гайденок,: 1988), позволившие корректнее выделять периодические составляющие двигательной активности мидий.
Зависимость поведения от колебаний факторов среды
Поведение животного в природных условиях определяется совокупным влиянием? множества внешних и внутренних раздражителей/факторов, воспринимаемых анализаторами организма. Поэтому особое значение имеют исследования поведенческих реакцийs «не в строго ограниченных условиях эксперимента, а в сложных условиях, когда; целый ряд факторов t среды: воздействует на; организм одновременно» (Слоним, 1971; с.78). Основной проблемой доминирующего в факторных исследованиях активного эксперимента является то, что «часто нет ясности, насколько; и как можно, перенести (результаты, полученные в лабораторных контролируемых экспериментах, на природные условия» (Хайлов, Парчевский, 1983, с. 40). Поэтомув данной: работе, как и во многих других случаях исследования сложных природных процессов, была применена методология пассивного эксперимента!(наблюдения), основанная на; том, что исследователь не вмешивается в ход естественных изменений доминирующих факторов и- не привносит никаких воздействий, за г исключением установки: регистрирующей аппаратуры. Такой подход к анализу природных процессов и явлений позволяет выявить влияние отдельных факторов в их естественном природном сочетании. Пассивное наблюдение позволяет производить измерение множества- переменных непосредственно в: природных условиях и является, по сути; основным? методом» получения данных в океанологии, гидрологии; гидрофизике и геологии? (а также в астрономии; социологии; отчасти; вфизике иіхимии) (Налимов, 1971). т.е. тогда, когда активный эксперимент невозможен или нежелателен.
Основной? целью данного исследования? являлось установление зависимости текущих колебаний УРС от изменения основных факторов переменного градиента, т.е. выявление чувствительности и факторной обусловленности поведения мидий в масштабе реального времени. Проводилась оценка, главным образом; линейных зависимостей между параметрамитоведения иосновными факторамиюреды (температура, соленость, взвесь) в диапазоне их колебаний от 12 ч (приливный цикл) до 3-14 сут (циклические изменения высоты прилива) в разные сезоны года. 5.2.7. Методология Изменения факторов комплексного переменного градиента-являются, обычно, сопряженными; поэтому установить влияние каждого из; них в отдельности; на; поведение т физиологическую активность морских животных очень сложно. Наличие коллинеарности (однонаправленности) основных гидролого-гидрохимическеских характеристик этой\ зоны часто делает невозможным? статистический анализ их отдельного воздействия на функциональные параметры, популяций (Погребов, Максимович, 1990). Опыт использования методов вариационной статистики для многофакторного анализа и? многомерных статистических методов показал, что несмотря на их разнообразие, они все же лучше соответствуют условиям активного эксперимента (Налимов, 1971). Что же касается пассивного эксперимента, тот же «опыт показал, что многомерный регрессионный анализ, примененный при обработке результатов пассивного наблюдения, редко дает интересные результаты» (Налимов, 1971, с. 161). К тому же, в отношении полевых экспериментов, w явлений природы интерпретация результатов: многомерного анализа; сама по себе становится отдельной проблемой (Хайлов, Парчевский; 1983). Важно ито, что в отличие от многомерной статистики; использование простых статистических методов таких, например, как корреляционный анализ и выявление линейных зависимостей (регрессий), может дать результаты, имеющие непосредственное практическое значение: применение традиционных методов обработки данных позволяет установить главное - прямую (однозначную) зависимость данной функции от конкретного экологического фактора.
Несмотря на общую значительную амплитуду изменения условий-литорали и верхней сублиторали (Newell, 1976), текущие (почасовые, приливные, суточные) колебания факторов водной среды этой зоны относятся к слабым воздействиям. При слабых и плавных колебаниях обнаружить влияние градиентов отдельных факторов еще сложнее, т.к. их корреляции с измеряемыми функциональными параметрами организма; как правило, невысоки, хотя \л\ могут быть статистически достоверны (Самохвалов; 1989; Жвирблис, 1989; Newell era/., 1998).
Важным методическим аспектом исследования слабых и/или природных многофакторных воздействий является индивидуализация функциональных характеристик, применяемая и в данной работе. Этот подход, реализуемый, например, путем исследования отдельных проб (Погребов, Максимович, 1991), или индивидуальных актограмм (Salanki, 1965) позволяет оптимизировать статистическую обработку данных и увеличить точность анализа. Одновременное же использование в каждом опыте множества особей и осреднение их параметров «может приводить к значительной- (если не полной) компенсации индивидуальных эффектов и давать воспроизводимые, но нулевые результаты» (Жвирблис, 1989).
Обычные для; многих океанологических \л экологических исследований; непродолжительные или одномоментные, «точечные» измерения (съемки) малопригодны для исследований; биологических процессов в переменном! градиенте. Они не позволяют обнаружить связи параметрові жизнедеятельности с каждым- из: факторов в масштабе реального времени, где требуется большая дискретность данных, но пригодны для установления принципиальных факторных макрозависимостей.1 Использование методологии пассивного эксперимента в данном исследовании помогло обнаружить, например, что в разные сезоны сочетание факторов переменного градиента? и экологическая роль каждого из них в: регуляции? поведения мидий различны. Это явление позволило использовать «фактор времени» для количественной оценки влияния каждого из экологических факторов и-легло в:основу посезонного анализа связей поведенческих реакций с условиями среды. Регистрация параметров поведения ИЇ факторов среды в различные сезоны стала? основой? «метода- ситуаций». Было обнаружено, что: в; ряде природных ситуаций изменения/колебания факторов не были? скоррелированы, т.е. их? влияние на- организм; разделялось во времени. Такимі образом, самостоятельный; эффект одного или каждого из факторов; мог быть установлен и/или проанализирован отдельно от влияния: других или, в некоторых случаях, на фоне их относительной стабильности. Метод, природных ситуаций не нов фактически, он традиционно используется биологами-океанологами для интерпретации результатов полевых исследований при оценке влияния тех или иных факторов среды на распределение, размножение, разнообразие и обилие видов, структуру и функционирование сообществ. Проявление в конкретной природной ситуации;доминирующего влияния того или иного фактора помогает оценить его значение и влияние на: объект исследования. Помимо океанологииг этот метод исследования природы, издавна, используется и в других науках, например, в астрономии; для количественной оценки;каждой из нескольких взаимодействующих сил. Развиваясь на; новойї технической и г аналитической) основе пассивное наблюдение является перспективнымf направлением? современных экспериментальных исследований5 (см:, например, Bayne, Warwick, 1998), хотя в: большинстве случаев проведение многофакторных функциональных исследований как непосредственно in situ, так ив условиях лаборатории все еще трудно выполнимо. Несомненно, что этот подход является трудоемким, требует длительного времени? наблюдений однако основная цель данного исследования - получение прямых доказательств влияния каждого фактора в условиях естественного переменного градиента; - была; достигнута благодаря, в основном, методу ситуаций и методологии пассивного эксперимента:
