Введение к работе
Актуальность проблемы. Среди паразитических червей представители класса Trematoda (тип Plathelminthes) занимают особое положение. И это не случайно. Трематоды многочисленны, повсеместно распространены, отличаются высокой экологической пластичностью. Характерной чертой трематод являются их уникальные по сложности жизненные циклы, которые протекают по типу сложной гетерогонии и могут быть одно-, двух-, трех— и даже четыреххозяйными. При этом круг хозяев трематод охватывает представителей практически всех наиболее значимых таксонов животных (в первую очередь — это моллюски, членистоногие и позвоночные). Наконец, трематоды служат возбудителями большого числа опасных гслъминтозов человека и хозяйственно значимых животных. Поэтому не удивительно, что представители этого класса паразитических плоских червей всегда привлекали и продолжают привлекать самое пристальное внимание со стороны как медиков и ветеринаров, так и зоологов, паразитологов, экологов и специалистов других биологических дисциплин.
Несмотря на неослабевающий интерес к трематодам и большое число посвященных им работ, сведения об этой группе паразитов еще далеки от исчерпьюающей полноты. В большинстве случаев объектом исследований служат мариты, паразитирующие в окончательном хозяине. В гораздо меньшей степени изучены спороцисты и редии — паразиты первого промежуточного хозяина, а так же личиночные рассе-лительные фазы спороцист и редий — мирацидии, и марит — церкарии. Вместе с тем, свободно живущие фазы являются важнейшей частью жизненного цикла трематод, поскольку именно они осуществляют дисперсию и передачу инвазии следующему хозяину.
Пребывание во внешней среде в сочетание с решением задачи заражения хозяина способствовало появлению соответствующих морфофизиологических и биологических адаптации у мирацидиев и церкарии (Гинецинская, 1954, 1968; Cheng, 1967; Smith, Halton, 1983; Гинецинская, Добровольский, 1983; Семенов, 1991; Прокофьев, 1995; Galaktlonov, Dobrovolskij, 2003, и др.). Прежде всего, это развитие специализированных органов локомоции (ресничного аппарата у мирацидиев и хвоста у церкарии), большого числа рецепторных образований, которые служат для анализа сигналов внешней среды, и формирование сложных ориентировочных и поведенческих реакций, реализуемых на основе таксисов и кинезов. Обилие разнообразных, зачастую очень тонких и взаимозависимых приспособлений позволяет рассматривать их как единый комплекс адаптации, которые направлены на то, чтобы личинка оказалась «в нужном месте, в нужное время» и смогла успешно выполнить основную задачу свободно живущей фазы — заражение следующего хозяина (Гинецинская, Добровольский, 1983).
Особый интерес представляет изучение церкарии, поскольку, по сравнению с
мирацидиями, они устроены сложнее, характеризуются более высоким разнообрази-
ем в морфологии и биологии и более широким спектром животных, используемых в качестве хозяев. Среди различных сторон жизнедеятельности церкарий важное место занимает поведение. Обладая просто устроенной нервной системой, личинки, тем не менее, демонстрируют разнообразные сложные ориентировочные реакции: фото—, хемо—, рео—, тигмо— и другие. Каждая из этих реакций, при правильно поставленном эксперименте, проявляется очень четко, практически не маскируясь другими. Это позволяет использовать церкарий как прекрасный модельный объект при изучении различных аспектов физиологии и этологии беспозвоночных животных. Выявление у церкарий специализированных стратегий поиска и заражения хозяина, которые представляют собой единый комплекс морфофизиологических, биологических и поведенческих адаптации, может оказать существенную помощь в понимании путей трансмиссии трематодозов животных и человека в различных экосистемах.
Цель и задачи исследования. В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы стало исследование комплекса биологических и поведенческих адаптации церкарий и вычленение на этой основе базовых стратегий, обеспечивающих успех передачи инвазионного начала от первого промежуточного хозяина к последующему у представителей разных таксономических и экологических групп трематод, реализующих свои жизненные циклы в экосистемах морского прибрежья и пресных вод.
В соответствие с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:
-
исследовать ритмы суточной, долговременной и сезонной эмиссии церкарий и вычлетшть факторы их регулирующие;
-
изучить влияние различных факторов на продолжительность жизни церкарий во внешней среде;
-
исследовать характер движения церкарий и оценить адаптивность особенностей локомоции личинок для поиска и заражения хозяина;
-
определить особенности динамики дыхания церкарий путем сопоставления их респираторной и двигательной активности;
-
изучить реакции церкарий на такие факторы внешней среды, как гравитация (вертикальное распределение), свет (фотореакция) и гидродинамика (рео- и осцил-лореакции);
-
на основе анализа полученных экспериментальных данных вычленить комплекс адаптации, направленных на поиск и заражение хозяина у церкарий различных экологических и систематических групп;
-
применить полученные сведения по биологии церкарий для определения особенностей формирования гемипопуляций этой фазы жизненного цикла трематод;
-
на основе анализа всей совокупности полученных результатов и литературных данных попытаться выявить главные стратегии заражения хозяина церкариями трематод и наметить возможные пути их становления в ходе эволюции;
9) провести сравнительный анализ стратегий заражения хозяина свободно живущими личинками (мирацидиями и церкариями) разных фаз жизненного цикла трематод.
Научная новизна. Настоящая работа является первой попыткой комплексного сравнительного исследования биологии и поведения церкарий трематод, реализующих свои жизненные циклы в морских и пресноводных экосистемах. Впервые на основе единого методологического подхода на большом числе видов, принадлежащих к различным морфологическим, систематическим и биологическим группам трематод, изучены основные этапы жизнедеятельности церкарий, начиная с выхода во внешнюю среду, и до окончательного распределения в пространстве и контакта со вторым промежуточным хозяином. Для этого были предложены новые методики исследования различных сторон жизнедеятельности церкарий и сконструированы оригинальные установки для проведения экспериментов. Получены новые данные о ритмах эмиссии церкарий, сроках их жизни. Впервые подробно исследованы характер локомоции, механизм плавания и динамика дыхания личинок трематод. Детально изучено поведение церкарий различных видов трематод и влияние особенностей биологии на распределение церкарий во внешней среде и на возможность их контакта со вторым промежуточным хозяином. При этом описаны новые формы поведения, в том числе «засадный» тип поведения. Использование совокупности новых данных по биологии церкарий позволило определить характер формирования гемипопуля-ций этих личинок в условиях литорали Баренцева и Белого морей и в прибрежье Псковско—Чудского озера. Анализ полученных результатов впервые позволил выделить основные стратегии заражения хозяина личинками трематод и предпринять попытку их осмысления в контексте эволюции жизненных циклов этих паразитов.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при анализе эволюции поведения низших беспозвоночных и для выяснения путей возникновения и последующей эволюции сложных жизненных циклов трематод. Церкарий изученных видов могут быть рекомендованы как хороший модельный объект в разнообразных экспериментальных зоологических и физиологических исследованиях.
Материалы исследования следует учитывать при разработке мероприятий по профилактике и борьбе с трематодозами, путем прерывания жизненного цикла на стадии свободно живущей личинки (Гинецинская, 1968; Greve, 1985), в прибрежных марихозяйствах, а также при садковом и прудовом выращивании рыб.
Полученные сведения используются для чтения лекций, проведения семинарских и практических занятий в курсах «Зоология беспозвоночных» и «Экологическая паразитология» в Псковском государственном педагогическом университете и в курсе «Общая паразитология» в Санкт-Петербургском государственном университете.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Успех заражения хозяев церкариями трематод обеспечивается сложным ком
плексом морфофюиологических, биологических и поведенческих адаптации этих
личинок, среди которых выделяются:
динамика эмиссии из моллюска—хозяина;
ориентировочные поведенческие реакции (главные из них — это реакции на свет, гравитацию, колебания и токи воды);
характер движения и во многом зависимые от него продолжительность жизни и дыхательная активность личинок.
-
Эмиссия церкарий из моллюска-хозяина носит циклический характер и формируется в результате наложения суточного, долговременного (4-12 суток) и сезонного ритмов выделения личинок в окружающую среду. Ход этих процессов определяется факторами, зависимыми от состояния группировок спороцист/редий в первом промежуточном хозяине и сочетания абиотических параметров среды. Ведущий фактор, определяющий эмиссию церкарий — это температура воды. При этом суточный ритм выделения церкарий тесно связан с суточной активностью заражаемого ими животного.
-
По характеру поведения во внешней среде среди церкарий можно различить несколько биологических групп:
— непрерывно плавающие личинки, заражающие, как правило, неподвижных,
малоподвижных или высокоподвижных хозяев в период их минимальной активно
сти;
церкарий с дискретным типом локомоции, при котором фаза плавания чередуется с фазой покоя, обычно заражающие высокоподвижных хозяев;
«прикрепленные», не способные к активному плаванию личинки, заражающие, главным образом высокоподвижных хозяев.
В состав указанных групп могут входить представители различных по систематическому положению видов, но обладающие сходным набором ориентировочных поведенческих реакций. Как правило, непрерывно плавающие церкарий отчетливо демонстрируют фото- и геореакции, для «прикрепленных» форм характерна способность отвечать на колебания и токи воды, а личинки с дискретным типом локомоции, в той или иной мере, проявляют фото-, гео— и оспиллореакции.
4. Продолжительность жизни церкарий определяется взаимодействием различных факторов, как биотической, так и абиотической природы:
крупные личинки с хорошо развитым хвостом, как правило, живут дольше мелких;
продолжительность жизни непрерывно плавающих церкарий меньше, чем «прикрепленных» или обладающих дискретным типом плавания;
рост температуры воды приводит к сокращению сроков жизни церкарий.
При этом морские церкарии легче переносят повышение уровня минерализации воды, чем его понижение, а личинки, обитающие в контрастных экологических условиях, обладают более высокой температурной толерантностью и эвригалинно-стью, по сравнению с церкариями, живущими в более стабильных условиях.
5. Скорость потребления кислорода церкариями прямо скоррелирована с их
размерами. Динамика дыхательной активности определяется, в первую очередь, осо
бенностями локомоции личинок. Максимальная интенсивность дыхания отмечается
в первые часы жизни, когда скорость плавания наиболее высока. С возрастом, по ме
ре снижения двигательной активности, снижается и скорость потребления кислоро
да. При этом, скорость возрастного снижения интенсивности дыхания у непрерывно
плавающих церкарии выше, чем у личинок с дискретным типом локомоции.
-
Среди церкарии, выделенных из одного зараженного моллюска, всегда есть определенное число «уклонистов» (от 5 до 30%), то есть особей, которые отличаются по особенностям своей биологии и поведения от большинства личинок.
-
Во внешней среде церкарии трематод образуют группировки (локальные ге-мипопуляции), среди которых можно различить «пульсирующие» (ежесуточно замещаются новыми) и «стабильные» (существуют непрерывно на протяжении сезона). Пространственно-временная структура локальных гемипопуляций церкарии чрезвычайно динамична и формируется на основе особенностей ритмов эмиссии данного вида церкарии, присущего им характера проявления поведенческих реакций при различных параметрах внешней среды и вторичного перераспределения под воздействием гидродинамики конкретной стации. Эта картина усложняется и тем, что, помимо «доминирующего облака», образуемого церкариями с типичными для вида биологией и поведением, всегда присутствуют одно или несколько «сателлитных облаков», формируемых за счет «личинок-уклонистов». Наконец, положение «облаков» в пространстве непрерывно изменяется под действием как биотических (возрастное снижение двигательной активности церкарии и изменения в проявлении поведенческих реакций), так и абиотических (флюктуации температуры, освещенности и гидродинамики) факторов. Это приводит к тому, что церкарии распределяются не только в узкой зоне, где наиболее вероятна встреча с хозяином («пространство хозяина»), как принято в современной литературе, но и в значительной степени за ее пределами.
-
Стратегии заражения хозяина церкариями определяются не столько систематическим положением личинок, сколько особенностями биологии хозяина. Поэтому близкородственные церкарии, которые заражают животных, различных по своей биологии и поведению, могут обладать разными стратегиями и vice versa.
-
Выделяются два уровня проявления стратегий заражения хозяев церкариями — индивидуальный и групповой (уровень гемипопуляций). При всем многообразии индивидуальных стратегий они слагаются из двух основных поведенческих элементов — «поиск хозяина» и «ожидание хозяина». Первое подразумевает активное про-
никновение церкарий в «пространство хозяина», а второе — пассивное или активное удержание личинки в «пространстве хозяина». На уровне гемипопуляции церкарий важным элементом видовой стратегии следует считать формирование, помимо «доминантных», «сателлитных» грутгаровок за счет личинок, которые по особенностям своей биологии и поведения отличаются от основной массы церкарий данного вида. Наличие «сателлитных» группировок вне «пространства основного хозяина» с одной стороны повышает шансы на реализацию жизненного цикла, поскольку становится возможным заражений более широкого спектра хозяев (особи основного хозяина с «нестандартным» поведением, другие виды животных), а с другой — может играть определенную роль в видообразовании за счет освоения новых видов животных-хозяев с последующей к ним специализацией.
10. Стратегии заражения хозяина церкариями и мирацидиями, несмотря на принципиальные отличия в организации личинок, оказываются очень близкими.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на: семинаре «Экспериментальная биология плоских червей» ИБФ РАН (Пущино, 1989); III Всесоюзной конференции «Экология, воспроизводство и охрана биоресурсов морей северной Европы» (Мурманск, 1990); IV Региональной конференции «Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря» (Архангельск, 1990); Региональной конференции международного общества нейробиологии беспозвоночных (Минск, 1991); VI Съезде Всесоюзного Гидробиологического Общества (Мурманск, 1991); заседании кафедры беспозвоночных С-ПбГУ (Санкт-Петербург, 1993); научных семинарах ММБИ РАН (Дальние Зеленцы, Мурманск, 1989-1996); Региональной конференции «Современное состояние и перспективы исследований экосистем Баренцева, Карского морей и моря Лаптевых» (Мурманск, 1995); VI Всероссийском симпозиуме по по-пуляционной биологии паразитов (Борок, 1996); Международной конференции «Проблемы и перспективы сбалансироваїгаого развития в бассейне Псковско-Чудского озера» (Псков, 1998); Второй (XXV) Международной конференции «Биологические ресурсы Белого моря и внутренних водоемов Европейского Севера» (Петрозаводск, 1999); Международном симпозиуме «Экологическая паразитология на рубеже тысячелетия» (Санкт-Петербург, 2000); Региональной конференции «Проблемы изучения, рационального использования и охраны природных ресурсов Белого моря». (Беломорск, 2001); Отчетной научной сессии ЗИН РАН (Санкт-Петербург, 2003); Ш съезде Русского Паразитологического Общества (Петрозаводск, 2003); IX Европейский мультиколлоквиум по паразитологии (ЕМОР IX) (Валенсия, Испания, 2004); XI Международном конгрессе по паразитологии (ІСОРА XI) (Глазго, Великобритания, 2006); совместном семинаре лаборатории паразитических червей и ББС ЗИН РАН (Санкт-Петербург, 2006); ежегодных научных конференциях и семинарах преподавателей ПГПУ (Псков, 1996-2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация объемом 545 с состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы. Основной текст работы изложен на 360 страницах машинописного текста, иллюстрирован 16 таблицами и 147 рисунками. Список цитируемой литературы содержит 591 наименование, из которых 173 на русском языке. Структура диссертационной работы определялась намеченными задачами и спецификой исследования.
