Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Функциональное значение пигментов и пигментации в онтогенезе рыб

ВАК РФ 03.00.10, Ихтиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Микулин, Александр Евгеньевич, Москва



/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ И ЭВОЛЮЦИИ

им. А.Н.СЕВЕРЦОВА

президиум ВАК Рос-

(решение от" ^ " . лм ^ у На ¡правах рукописи

I! присудил уч^-||

н —Шт&ы/

¿5'

Микулин Александр Евгеньевич

Функциональное значение пигментов и пигментации в

онтогенезе рыб.

03.00.10 - ихтиология

Диссертации на соискание ученой степени

доктора биологических наук

Москва - 1998

Оглавление.

стр.

Введение........................................................................................................................4

Материал и методы исследования...............................................................................9

Глава 1. Пигменты икры и их изменения в эмбриогенезе рыб...............................31

1.1. Визуальные различия цвета и спектральные характеристики живой икры рыб различных экологических групп по размножению.................................32

1.2. Изменения спектров поглощения света икринками в процессе эмбрионального развития рыб....................................................................................47

1.3. Разнообразие групп пигментов в икре рыб разных систематических групп................................................................................................52

1.4. Классификация и физико-химические характеристики каротиноидов................................................................................................................74

Глава 2. Качественный и количественный состав каротиноидов и динамика этих показателей в раннем онтогенезе рыб...............................................................96

2.1. Содержание каротиноидов в икре рыб..............................................96

2.2. Распределение каротиноидов и их состояние в различных структурах икры.........................................................................................................111

2.3. Состав каротиноидов в икре и тканях рыб.....................................131

2.4. Изменения цветности каротиноидов в эмбриогенезе рыб...........155

2.5. Причины изменения цветности каротиноидов в процессе эмбрионального развития рыб..................................................................................182

Глава 3. Эколого-биохимические функции каротиноидов в эмбриогенезе рыб...............................................................................................................................193

3.1. Ранние исследования в области функциональной роли каротиноидов..............................................................................................................193

3.2. Каротиноиды и окислительно-восстановительные процессы......210

3.3. Каротиноиды в качестве антиоксидантов перекисного окисления липидов.......................................................................................................................226

3.4. Роль каротиноидов в кальциевом обмене.......................................231

Глава 4. Гемопротеиды в пигментации икры рыб...............................................251

4.1. Гемопротеиды в икре различных видов рыб..................................251

4.2. Локализация и концентрация цитохрома Ь5б0 в икринках и изменение его содержания в эмбриогенезе сиговых рыб......................................256

4.3. Функциональная роль цитохрома Ь5бо в икре сиговых рыб..........259

4.4. О систематическом ранге сиговых рыб..........................................263

Глава 5. Пигменты и пигментация кожи рыб......................................................265

5.1. Типы пигментных клеток, их дифференциация в онтогенезе и механизмы регуляции окраски рыб.........................................................................265

5.2. Происхождение пигментации у рыб...............................................283

5.3. Экологическое значение окраски для рыб......................................304

Приложение. Методы сохранения естественной окраски гидробионтов............313

Глава 6. Проблемы сохранения естественной окраски рыб и других гидробионтов при создании музейных препаратов................................................313

6.1. Обзор методов изготовления музейных препаратов гидробионтов..............................................................................................................314

6.2. Принципы создания фиксирующих смесей для сохранения естественной окраски рыб и других гидробионтов................................................317

Глава 7. Фиксация рыб по методу "Формик"..........................................................322

7.1. Условия подготовки рыбы к бальзамированию.............................322

7.2. Пищевая и гормональная регуляция окраски рыб.........................323

7.3. Способы, применяемые для быстрого изменения окраски

рыб...............................................................................................................................324

7.4. Составы фиксаторов для метода "Формик"....................................328

Глава 8. Изготовление препаратов по методу "Пластик"...................................340

8.1. Растворы для метода "Пластик"......................................................341

8.2. Методы фиксации икры и личинок рыб с сохранением их

естественной окраски................................................................................................354

Выводы........................................................................................................................358

Список литературы....................................................................................................361

Введение.

Актуальность проблемы. Значение окраски рыб и отдельных пигментов, как в целом, так и на разных этапах их жизненного цикла интересовало ученых не одно столетие. Однако оставалось неясным, каков физиологический смысл огромного разнообразия окраски покровов взрослых рыб? Каков смысл наличия пигменты в мышцах и других органах и тканях, если они не видны глазу? Какова физиологическая роль различных пигментов в икре разных видов рыб?

Более ста лет назад К.С.Мережковский (1863), а вслед за ним и А.Арно (Arnaud, 1889 - цит. по Гудвину, 1954) высказали предположение о дыхательной роли отдельных пигментов в организме животных. С тех пор опубликовано несколько тысяч работ по структуре и функциям различных классов пигментов, высказано множество различных точек зрения на их роль в биохимических и физиологических процессах, а также в межвидовых и внутривидовых взаимоотношениях организмов. Однако до настоящего времени нет полной ясности в вопросе о функциональной роли пигментов на разных этапах онтогенеза рыб. Недостаточно изучены причины разнообразия содержания пигментов в икре разных видов рыб, их тканевая и внутриклеточная локализация, неясно функциональное значение качественного разнообразия пигментов рыб и их икры, а также метаболизма ряда пигментов в физиологических процессах организма, фрагментарно исследовано участие различных групп пигментов в биохимических и физиологических процессах на разных этапах онтогенеза рыб.

Знания функциональной роли пигментов рыб крайне важны с практической точки зрения для повышения выживаемости икры в процессе ее инкуба-

ции в искусственных условиях, при создании полноценных кормов для рыб, получении высокого качества мяса товарных рыб. Эти знания могут иметь важный медицинский аспект, поскольку не полностью ясна роль различных пигментов, и в частности полиеновых, в нарушениях процессов зрения, при различных заболеваниях почек, кожи, а также в механизмах противорадиационной защиты. Исследования функций пигментов более удобно проводить на низших позвоночных, где функции пигментов часто представлены в эволюционно исходных формах, а сами животные являются удобным объектом экспериментальных исследований. Исследования пигментации гидробионтов в значительной степени затруднены из-за отсутствия методов сохранения их естественной окраски.

Целью настоящей работы являлись: изучение функционального значения различных пигментов в раннем онтогенезе рыб, становление и физиологическая роль пигментации кожи в филогенезе рыб.

В основные задачи диссертационного исследования входило:

1) идентифицировать спектрофотометр ическими методами типы пигментов в живой развивающейся икре рыб;

2) определить концентрации и качественный состав каротиноидов в икре рыб разных экологических групп;

3) исследовать распределение каротиноидов в различных структурах икры в процессе эмбрионального развития рыб;

4) изучить метаболизм каротиноидов в эмбриогенезе рыб в норме и при воздействии различных факторов среды;

5) исследовать роль каротиноидов в водно-солевом обмене рыб;

6) выяснить функциональную роль каротиноидов в различных структурных элементах икры в эмбриогенезе рыб и значение пигментации в кожных покровах рыб;

7) проанализировать видовую специфику, локализацию в структурах икры и функциональную роль цитохромов в икре рыб;

8) разработать принципы создания фиксирующих смесей, позволяющих сохранять естественную окраску рыб.

Научная новизна. Автором впервые показано, что каротиноиды в икре рыб существуют в трех формах: в свободной, этерифицированной и в виде белково-каротиноидных комплексов. Витальными спектрофотометрическими исследованиями установлено, что цвет икры рыб не отражает содержание в ней каротиноидных пигментов. Впервые на видовом и межвидовом уровнях выявлена положительная корреляция между концентрацией каротиноидов в икре рыб и ее размерами, а также длительностью эмбрионального развития. На основании установленных автором особенностей внутриклеточной локализации различных биохимических форм каротиноидов у разных видов рыб показано их неодинаковое функциональное значение в различных структурах развивающегося зародыша. Автором установлено, что набор пигментов в икре рыб не является для вида строго закрепленным признаком, а зависит от состава пигментов, поступающих в - организм самок с пищей, от метаболических процессов с их участием и особенностей перераспределения каротиноидных пигментов между различными органами и тканями, включая транспорт из печени в яйцеклетки. Показано, что в эмбриогенезе рыб окисление каротиноидов до кетоформ есть спонтанный процесс и не является обязательным для эмбрионов всех видов рыб.

Установленные автором межвидовые и на видовом уровне различия качественного состава каротиноидов икры рыб и выявленные им особенности структурной организации молекул каротиноидов позволили показать отсутствие каких-либо циклов их превращения с использованием в обменных процессах кислородсодержащих группировок иононовых колец каротиноидов и впервые доказать их неучастие в процессах дыхания с переносом кислорода за счет преобразования кислородсодержащих группировок этих пигментов.

Впервые показано, что основную функциональную нагрузку в структуре молекулы пигмента несет система сопряжения, имеющая не менее девяти двойных связей, благодаря которой каротиноиды участвуют в кальциевом обмене клетки, обусловливая изменение цвета икры и адгезивности клеточного материала.

С участием автора впервые в икре сиговых рыб идентифицирован ци-тохром Ь-типа, показана его роль в метаболизме икринок и установлено, что он является признаком-маркером семейства сиговых. Проведенный автором сравнительный эволюционно-морфологический и физиолого-биохимический анализ функциональных возможностей пигментов кожи рыб и их икры, позволил констатировать, что в икре пигменты осуществляют ограниченные функции, характерные для пигментной системы кожи рыб.

Практическая значимость. На основании исследования свойств и функций пигментов, определяющих окраску рыб, автором сформулированы теоретические основы методов длительного сохранения окраски рыб и других гидроби-онтов при их фиксации. Для этих целей впервые предложено использовать искусственную регуляцию контракции и экспансии пигментных клеток кожи, хела-

торы двухвалентных ионов, антиоксиданты, применять стабилизацию мембранных структур клеток. Созданы методы фиксации с сохранением естественной окраски для различных групп рыб и других гидробионтов, что нашло практическое применение при создании музейных экспозиций.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации были представлены на коллоквиумах кафедры ихтиологии биологического факультета МГУ (1973, 1977), института биофизики РАН (1974), Всесоюзного научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО) (1976), на Всесоюзных конференциях: "Биология промысловых рыб и беспозвоночных на ранних стадиях развития" (1974), "Вопросы раннего онтогенеза рыб" (1978), IV - VI Всесоюзных конференциях по "Экологической физиологии и биохимии рыб" (Астрахань, 1979; Киев, 1982; Вильнюс, 1985), на 3-ем Всесоюзном совещании "Проблемы раннего онтогенеза рыб" (Калининград, 1983), на 3-ем Всесоюзном совещании по лососевидным рыбам. (Тольятти, 1988), VI Конгрессе европейских ихтиологов (Budapest, 1988), на научной конференции Всесоюзного заочного института пищевой промышленности (ВЗИПП) (1988), Международном симпозиуме по биологии и разведению сиговых рыб (Cuebec, 1990), Международной научной конференции "Размножение рыб-92" (Vodnany, 1992), на 1 Конгрессе ихтиологов России (Астрахань, 1997), на международной научно-технической конференции Московского государственного заочного института пищевой промышленности (МГЗИПП) "Приоритетные технологии в пищевой промышленности" (1998), на Всероссийском симпозиуме "Возрастная и экологическая физиология рыб" (Борок, 1998), на совместном заседании кафедры ихтиологии и рыбоводства Московского государственного

заочного института пищевой промышленности (МГЗИПП), сотрудников кафедры ихтиологии Биологического факультета МГУ, Института проблем экологии и эволюции (ИПЭЭ РАН) и Всероссийского научно-исследовательского института морского рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО) (1998).

По теме диссертации автором опубликовано 32 работы общим объемом 23,9 п.л.

Материал и методы исследования.

Объектами исследования являлись пигменты различных органов, тканей и икры рыб.

Изучая функциональную роль пигментов в онтогенезе рыб, мы неизбежно сталкиваемся с проблемой определения понятия пигмента. Эта проблема значительно сложнее, чем может показаться при поверхностном взгляде. Действительно, на бытовом уровне, всем кажется понятным, что пигментами являются вещества разного цвета, придающие окраску разным предметам. С физической точки зрения - это вещества, поглощающие или отражающие электромагнитные волны в отдельной части спектра. Диапазон волн необходимо ограничить видимым светом, в противном случае под такое определение подходит практически вся материя. Однако в видимой части спектра поглощают или отражают свет все объекты, различимые глазом, в том числе и депигментированные рыбы в обыденном понимании. То есть, пигменты - это те вещества, которые существенно различаются по интенсивности поглощения света в различных участках видимой части спектра. Таким образом, пигменты - это окрашенные соединения, входящие в состав тканей организма. Из суммы этих веществ объектами нашего

исследования являлись только окрашенные соединения биологического происхождения, существенно влияющие на цвет икры и кожи рыб и представляющие интерес в плане изучения их функциональной роли. По определению Г.Бриттона (1986), "пигменты или биохромы, это особые химические соединения, которые специфически поглощают видимый свет в диапазоне 380-750 нм".

Мы не рассматриваем цветные соединения растительного происхождения, а также не играющие существенной роли в образовании окраски наружных покровов и икры рыб, или с известной их функциональной ролью в организме, такие как хлорофиллы, хиноны, флавоноиды, фикоцианы и фикоэритрины, большинство гемосоединений, желчные пигменты, флавины, некоторые витамины и др. Наши интересы, в основном, касались соединений, традиционно относимых к истинным пигментам, таких как птерины и каротиноиды, а также их бесцветных производных (витамины группы А), в силу их важности для понимания функциональной роли каротиноидов. В то же время, в числе окрашивающих рыб веществ нами рассматриваются меланины и гуанин, не являющиеся истинными пигментами, поскольку они поглощают или отражают свет во всем диапазоне видимой части спектра, но играющие важную роль в формировании окраски рыб.

Сбор материала проводили с 1968 по 1996 гг. в естественных водоемах - на биологических станциях, рыбоводных заводах: в Кандалакшском заливе Белого моря на базе Беломорской биологической станции МГУ в зимний, весенний и летний периоды, в реке Кола на Кольском рыбопитомнике в осеннее время, в Узбекистане на базе Аккурганского (ЭППОРП) рыбхоза "Балыкчи" и Государственного зонального рыбопитомника (ГЗРП) в весенний и летний периоды, в реке Москве на базе Звенигородской биологической станции МГУ в летний пе-

риод, в реках Подмосковья, в форелевом хозяйстве "Сходня" в осенний, зимний и весенний периоды, в Черном море на базе Научно-экспериментального комплекса марикультуры ВНИРО "Большой Утриш" и на базе Кизилташского науч-но-вырастного кефалевого хозяйства в летнее время, в Тихом океане в научно-промысловом рейсе ВНИРО в летнее время. Материал также получали от фирм-поставщиков пресноводных аквариумных и коралловых рыб с рыбоводно-заго-товительных баз Вьетнама, Таиланда и Сингапура.

Объем исследованного материала представлен в таблице 1. Таблица 1. Объем экспериментального материала.

Область исследований Количество Количество

определений исследован-

(проб,экспе- ных видов

риментов)

Оценка спектральных характеристик отдельных пигментов, 25885 44

икры и тканей рыб

Биохимический анализ пигментов икры и тканей рыб 1286 56

Исследовано влияние состава фиксирующих смесей на 1950 321

сохранение окраски рыб

Оплодот�