Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Межвидовые различия в реакции на действие пищевой обеспеченности и продуктов жизнедеятельности как основа для совместного обитания двух видов ветвистоусых ракообразных Moina macrocopa и Moina brachiata

ВАК РФ 03.02.10, Гидробиология

Автореферат диссертации по теме "Межвидовые различия в реакции на действие пищевой обеспеченности и продуктов жизнедеятельности как основа для совместного обитания двух видов ветвистоусых ракообразных Moina macrocopa и Moina brachiata"

На правах рукописи

Лопатина Татьяна Станиславовна

Межвидовые различия в реакции на действие пищевой обеспеченности и продуктов жизнедеятельности как основа для совместного обитания двух видов ветвистоусых ракообразных Maina тасгосора и Mnina brachiaía (CRUSTACEA: CLADOCERA)

03.02.10 - Гидробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

16 МАЙ 2013

Красноярск - 2013

005057976

005057976

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирском федеральном университете» и Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте биофизики Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

кандидат биологических наук, Задереев Егор Сергеевич

Официальные оппоненты:

Дубовская Ольга Петровна, доктор биологических наук, ФГБУН Институт биофизики Сибирского отделения РАН, лаборатория экспериментальной гидроэкологии, ведущий научный сотрудник

Алексеев Виктор Ростиславович, доктор биологических наук, ФГБУН Зоологический институт РАН, лаборатория пресноводной и экспериментальной гидробиологии, главный научный сотрудник, зав. отделением систематики

Ведущая организация:

ФГБУН Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, п. Борок Ярославской области

Защита состоится « 17 » мая 2013 года в 10:00 час. на заседании диссертационного совета ДМ 212.099.15 при Сибирском Федеральном Университете по адресу: 660041, г. Красноярск, пр. Свободный 79, ауд. Р8-06

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Сибирского федерального университета»

Автореферат разослан « /А- 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Гаевский Николай Александрович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:

Актуальность: Необходимым вкладом в решение проблемы сохранения биологического разнообразия, глобальность которой признана еще в 1992 году Конвенцией ООН о биологическом разнообразии (КООНОБР, 1992), является изучение механизмов, обеспечивающих сосуществование и длительное совместное обитание видов. Исследователями рассматриваются различные механизмы, снижающие конкуренцию видов за ресурсы, в том числе, образование организмами покоящихся стадий. Так, латентные периоды в жизненном цикле организмов, возникающие в ответ на изменение окружающей среды, по мнению ряда авторов, помимо переживания неблагоприятных воздействий, также способствуют совместному обитанию видов в условиях конкуренции, имеющих эту возможность благодаря накоплению достаточного количества перекрывающихся поколений (Например, Caceres, 1997b; 1998b; Sanier et al., 2000; Brendonck, De Meester, 2003). Существуют теоретические и экспериментальные исследования, анализирующие роль банков покоящихся организмов в водоемах. Среди представителей, обладающих латентной стадией, немаловажное значение в функционировании водных экосистем занимают ветвистоусые ракообразные (Chen et al. 2010). Будучи одними из наиболее распространенных пресноводных потребителей фитопланктона и детрита, ветвистоусые играют ведущую роль в процессах самоочищения водоемов, а также являются связующим звеном между первичными продуцентами и высшими звеньями трофической цепи (Smyntek et al., 2008).

Обладая циклическим партеногенезом, самки ветвистоусых ракообразных при благоприятных условиях отрождают живых рачков, но при наступлении неблагоприятных условий самкам свойственна смена способа размножения на гаметогенетический с последующим образованием эфиппиальных яиц (Carvalho, Hughes, 1983; Koch et al., 2009). Латентные яйца, образуемые ветвистоусыми рачками, способны переносить суровые условия окружающей среды, оставаясь жизнеспособными долгий период времени, и такое состояние покоя представляет собой диапаузу на стадии эмбриона (Alekseev et al., 2007а; Brendonk, De Meester, 2003). Среди основных факторов, вызывающих диапаузу, в литературе обсуждаются абиотические - температура, фотопериод, уровень растворенного кислорода и т.д. (Alekseev et al., 2007а; Palazzo et al., 2008) и биотические факторы: трофические условия (Alekseev, 1990; Zadereev, 1998; Madhupratap, 1996) и химические коммуникации (Задереев, 2002). Среди перечисленных факторов большой интерес вызывают химические коммуникации, которые, по мнению многих авторов, опосредованы веществами, содержащимися в продуктах жизнедеятельности животных. Однако по-прежнему отсутствуют понимание характера действия этих веществ (Задереев, 2002) и данные об их химической природе (Pohnert, 2007).

Нет» данной работы: Для формирования представлений о механизме, обеспечивающем совместное обитание в одних биотопах двух видов ветвистоусых ракообразных М. macrocopa (Straus, 1820) и М brachiata (Jurine, 1820), изучить действие пищевой обеспеченности и продуктов жизнедеятельности на параметры жизненного цикла самок и популяционную динамику этих видов.

Для достижения поставленной цели в экспериментах с одиночными особями были поставлены следующие задачи:

1. Провести сравнительный анализ влияния пищевой обеспеченности на рост и размножение самок М. macrocopa и М. brachiata; определить критические значения пищевой обеспеченности, при которых самки этих видов начинают формирование

покоящихся яиц; оценить влияние материнского эффекта на способность самок к образованию покоящихся яиц под действием трофического фактора (на примере М. ЪгасЫага).

2. Исследовать влияние продуктов жизнедеятельности на параметры жизненного цикла модельных видов и оценить видоспецифичность их действия.

3. Проверить термическую стабильность и летучесть химических веществ, вызывающих образование покоящихся яиц у самок ветвистоусых ракообразных (на примере М. тасгосора).

При проведении популяционных экспериментов для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

1. Исследовать различия во времени перехода к половому размножению и появления покоящихся яиц в популяциях М. тасгосора и М. ЬгасИю1а в условиях отдельного и совместного культивирования и оценить соответствие трофических условий, при которых самки образуют покоящиеся яйца в индивидуальных и популяционных экспериментах.

2. Пронести сравнительный анализ динамики накопления и общей численности образованных покоящихся яиц популяциями М. тасгосора и М ЬгасМайг в условиях отдельного и совместного культивирования.

3.Исследовать влияние воды, содержащей продукты жизнедеятельности каждого из выбранных видов, на динамику численности, время перехода к половому размножению и численность покоящихся яиц сообщества М. тасгосора и М ЬгасИШа.

Научная новизна работы: Полученные в ходе экспериментальной исследовательской работы знания расширяют фундаментальные представления о таком хорошо известном, но не до конца изученном феномене, как диапауза ракообразных, и подтверждают результаты теоретических исследований (Задереев, Прокопкин, 2007) о возможности совместного обитания видов, благодаря наличию в жизненном цикле животных покоящихся стадий.

Новыми результатами, полученными при проведении экспериментов с различными концентрациями пищи и различными типами среды культивирования (тестирование на уровне индивида), является выявление отличий в чувствительности к трофическому фактору у родственных сосуществующих в природе видов ветвистоусых ракообразных М. тасгосора и М. ЬгасИгаШ, и определение видоспецифичного характера действия продуктов жизнедеятельности на индукцию диапаузы у данных видов. Было показано, что образование самками покоящихся яиц происходит только в присутствии воды скопления, полученной от собственного вида. Впервые для ветвистоусого ракообразного М. ЬгасЫаШ определены трофические условия, вызывающие гаметогенез.

Сформулирована и подтверждена гипотеза о механизме, обеспечивающем возможность длительного совместного обитания видов М. тасгосора и М ЬгасЫаШ\ совместное существование модельных видов в условиях циклического размножения может обеспечиваться за счет различной пороговой пищевой обеспеченности, при которой самки этих видов образуют покоящиеся яйца, и видоспецифичных продуктов жизнедеятельности, стимулирующих самок к образованию покоящихся яиц при благоприятных для партеногенетического размножения значениях других факторов.

Практическая значимость: Поскольку ветвистоусые ракообразные, обладая партеногенетическим способом размножения и коротким периодом индивидуального развития, имеют огромное значение в качестве корма для рыб, как в естественных

условиях, так и при искусственном рыборазведении (Мануйлова, 1964), новые сведения об особенностях действия факторов, регулирующих гаметогенез (в том числе продемонстрированное влияние материнского эффекта на смену способа размножения), могут быть полезны в осуществлении биологического манипулирования и организации эффективного разведения живых кормов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Образование покоящихся яиц у модельных видов ветвистоусых ракообразных происходит под действием нелетучих, сохраняющих активность при нагревании до 100°С и видоспецифичных химических веществ, входящих в состав продуктов жизнедеятельности этих видов.

2. Совместное обитание двух конкурирующих за один ресурс видов М. тасгосора и М. brachiata, при условии их циклического размножения, может обеспечиваться за счет различной пороговой пищевой обеспеченности, при которой самки этих видов образуют покоящиеся яйца, и видоспецифичных продуктов жизнедеятельности, стимулирующих самок к образованию покоящихся яиц при благоприятных для партеногенетического размножения значениях других факторов.

Апробация работы и публикации: Работа была выполнена при поддержке гранта Российского Фонда фундаментальных исследований (проект 04-04-48321 «Роль внутри- и межпопуляционных химических взаимодействий в регуляции популяционной динамики планктонных ракообразных») и проекта ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» для молодых ученых «Исследование природы химического сигнала, вовлеченного в регуляцию полового размножения у ветвистоусых ракообразных».

Материалы работы были представлены в виде докладов на IV Международной научной конференции «Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды» (Беларусь, Минск, 2011 г.), на 10-ом съезде Гидробиологического общества при РАН (г. Владивосток, 2009 г.), на конференции научно-образовательных центров, посвященной 10-летию программы BRHE (Нижний Новгород, 2008 г.), а также на четырех конференциях студентов и молодых ученых (Абакан, 2004,2005 гг., Красноярск, 2005 г., Новосибирск, 2006 г.).

Результаты работы представлены в 11-ти печатных работах, из которых 3 статьи опубликованы в рецензируемых журналах, 8 материалов конференций и тезисов.

Личный вклад автора Основной объем лабораторной экспериментальной работы, выполненной в период с 2004 по 2012 гг., а именно: проведение опытов по исследованию действия трофических условий и воды скопления на индивидуальные и популяционные характеристики роста и размножения исследуемых видов, эксперименты по изучению материнского эффекта, эксперименты по исследованию природы химических веществ, вовлеченных в индукцию гаметогенеза самок ветвистоусых ракообразных; анализ, обобщение полученных результатов, а также культивирование водоросли Chlorella vulgaris, используемой в качестве корма опытных объектов, и поддержание постоянной культуры объектов исследования, выполнены автором лично.

Благодарности Искреннюю благодарность за научное руководство и неоценимую помощь в течение всего периода работы, автор приносит своему руководителю, кандидату биологических наук Е.С. Задерееву. Автор также признателен д.б.н. A.B. Макрушину и В .К. Чугунову за любезное предоставление сосуществующих популяций ветвистоусых ракообразных М. тасгосора и М

5

brachiata в покоящемся состоянии из временного пересыхающего пруда в окрестностях Института биологии внутренних вод РАН (п. Борок), используемых в качестве тестируемых культур, и д.х.н. В.Н. Сидельникову (Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН) за оказанную помощь при планировании экспериментов, направленных на первичную идентификацию химической природы веществ, ответственных за смену способа размножения у ветвистоусых ракообразных.

Структура работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 164 страницах, содержит 19 рисунков и 9 таблиц. Библиография насчитывает 150 источников, из них 30 отечественных и 120 иностранных.

Основное содержание работы

Введение

Введение заключает в себе краткую характеристику нерешенных вопросов в области изучения диапаузы ракообразных, обоснование актуальности исследования и изложение цели экспериментальной работы.

Глава 1. Диапауза ракообразных: факторы, вызывающие смену способа размножения, химические коммуникации и экологическое значение банка покоящихся яиц

Первая глава посвящена обзору литературы о причинах смены способа размножения у планктонных ракообразных, а также роли этой адаптации в жизненном цикле видов, обладающих такой способностью, и значению диапаузы в целом для экосистемы водоема. В первой части главы приводится краткое описание истории вопроса исследования диапаузы, начиная с теории врожденных ритмов, предложенной Вейсманом (Alekseev et al., 2007а) и заканчивая современными представлениями о гаметогенезе, возникающем вследствие воздействия неблагоприятных условий внешней среды (Жукова, 1953, Carvalho, Hughes, 1983, Koch et al., 2009, Alekseev et al., 2007a). Далее в главе детально рассматриваются основные абиотические и биотические факторы, вызывающие диапаузу у ракообразных, такие как фотопериод (Алексеев, 1990; Задереев, 1998; Alekseev et al., 2007а), температура (Fries, 1964), трофический фактор - количество и качество пищи (Задереев, Губанов, 1995; Enserink et al, 1995; Задереев и др., 1998; Alekseev et al., 2007а; Smith et al., 2009), материнский эффект (Alekseev, Lampert, 2001; Kazantseva, Alekseev et al., 2007), а также отмечается действие продуктов жизнедеятельности на смену способа размножения (Ордов, Черепанов, 1986; Задереев, Губанов, 1995; 1996; Задереев, 1997; Stelzer, Snell, 2003; Zadereev, Lopatina, 2007; Pijanowska, Stolpe, 1996; Slysarczyk, 1995; 1999; Slysarczyk, Rygielska, 2004). Следующий раздел главы полностью посвящен обзору литературы об исследованиях химических коммуникаций, осуществляемых гидробионтами, и обзору работ по изучению роли плотности популяции в индукции гаметогенеза у ракообразных, где рассматривается действие различного типа химических веществ на смену способа размножения у коловраток, веслоногих и ветвистоусых ракообразных (Zadereev, 2007). Далее рассматривается влияние химических веществ и на другие физиологические и поведенческие процессы, а также на возникновение морфологических изменений у ракообразных, после чего следует обзор опубликованной информации о природе таких химических веществ. В последнем разделе главы рассматривается функциональное значение способности организмов к образованию покоящейся стадии. Первоначально в разделе обсуждается роль покоящейся стадии в жизненном цикле животных, обитающих в условиях непостоянства окружающей среды. Затем

следует обсуждение процесса накопления диапаузирующих организмов и формирования банка покоящихся яиц на дне водоемов (Brendonk, De Meester, 2003; De Stasio, 2007; Madhupratap et al., 1996; Hairston, Kearns, 2002; Hairston et al., 1995), рассмотрение роли банка яиц в процессе совместного обитания видов (Snyder, Adler 2011; Caceres, 1998а; Hairston, Van Brunt, 1994; Задереев, Прокопкин, 2007), а также его влияния на экологическую динамику сообществ и биотическое разнообразие в целом (Brendonck, De Meester, 2003; Caceres, 1998b; Hairston, 1995; Ellner, Hairston, 1994). Здесь особое внимание уделяется работам, где авторы рассматривают наличие в жизненном цикле животных латентных стадий и способность таких организмов накапливаться в виде банка покоящихся образований на дне водоемов, что приводит к появлению перекрывающихся поколений, и, в свою очередь, обеспечивает возможность устойчивого совместного обитания видов, конкурирующих за одни ресурсы. При этом образование покоящихся форм, выступающее в качестве механизма, поддерживающего совместное обитание видов, участвует в процессе сохранения видового разнообразия в экосистемах. Обобщение литературы по вопросу исследования завершается в подразделе главы, где приводятся работы, посвященные изучению адаптивной природы диапаузы и ее эволюции. В последнем подразделе главы обоснованы цель и задачи настоящей работы, представлены положения, выносимые на защиту.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Объектами экспериментальной работы являлись ветвистоусые рачки Moina тасгосора и Moina brachiata - два близких по экологии и физиологии мелких вида ветвистоусых, обитающие во временных водоемах; тестируемые популяции сосуществуют в природе. Биология и морфология ветвистоусых ракообразных представлены в главе по определителю Е.Ф. Мануйловой (Мануйлова, 1964); биология и морфология семейства Moinidae, а также детальное описание внешнего строения тестируемых видов даны по H.H. Смирнову (Смирнов, 1976); также в главе приводится характеристика приуроченности исследуемых видов к обитанию в астатичных водоемах (Petrusek, 2000; 2002).

В качестве корма животных во всех экспериментах использовалась одноклеточная зеленая водоросль Chlorella vulgaris. Вес, соответствующий 109 клеток водорослей, используемых в экспериментах, равен 1.2Х10 2 мкг сухого веса хлореллы. Водоросль выращивалась в накопительном режиме культивирования, перед использованием в качестве кормового субстрата водоросли центрифугировались. Для экспрессного определения концентрации клеток хлореллы в среде, использовался счетчик частиц CASY TTC (Германия).

Вся экспериментальная работа проходила в два этапа — эксперименты с одиночными самками и исследования на уровне популяций и сообществ. Внешние абиотические факторы, такие как фотопериод (16 часов день и 8 часов темнота) и температура (26°С), на обоих этапах тестирования были одинаковыми. Также идентичным был способ получения подопытных объектов: одноразмерные партеногенетические самки культивировались в нелимитирующих развитие пищевых условиях: концентрация пищи в среде для М. тасгосора > 200 тыс. кл/мл (Zadereev, Gubanov, 1995), для M brachiata > 800 тыс. кл/мл (Задереев, Лопатина, 2006).

Вода скопления, используемая в экспериментах по определению влияния продуктов жизнедеятельности животных на исследуемые характеристики ракообразных, представляла собой среду культивирования, приготовленную следующим образом: в отстоянную водопроводную воду помещалась группа животных; по истечении суток (24 часа) животные изымались, а среда, в которой они

находились, после фильтрации использовалась для тестирования подопытного объекта. Фильтрация воды скопления происходила в два этапа: вначале для фильтрации использовались стекповолоконные фильтры Ватман GF/F, а затем, эта же среда вторично фильтровалась через мембранные фильтры с диаметром пор 0.45 мкм.

В экспериментах на индивидуальном уровне, самки тестировались в стаканчиках с объемом среды 20 мл, среда обновлялась каждые сутки. Все эксперименты продолжались до появления первого потомства у самок.

В первую очередь были проведены эксперименты по определению влияния различных концентраций пищи на удельную ювенильную соматическую скорость роста, плодовитость и способ размножения самок обоих видов (гаметогенез/партеногенез). Для М. тасгосора были протестированы следующие концентрации корма: 25, 50, 100,200 тыс. кл/мл., для М. brachiata-. 100,200,400, 800 тыс. кл/мл. Для каждой концентрации было протестировано по 10 самок М. тасгосора и 15 самок М. brachiata. В следующей серии экспериментов оценивалось воздействие воды скопления на те же параметры роста и размножения животных. Для культивирования самок М. тасгосора использовалась концентрация пищи 100 тыс. кл/мл, для М. brachiata - 400 тыс. кл/мл. Тестирование самок проводилось тремя различными типами воды скопления: вода скоплений собственного вида, вода скоплений конкурирующего в природе вида (М тасгосора или М. brachiata) и вода скоплений крупного вида D. magna. Для всех исследуемых типов воды скопления, для М тасгосора в одном эксперименте было протестировано по 10 самок, в двух других экспериментах по 15 самок. Для М. brachiata протестировано по 15 самок во всех трех экспериментах. Для каждого эксперимента ставилась контрольная среда, не содержащая продукты жизнедеятельности.

Изучение материнского эффекта на индукцию диапаузы ветвистоусых рачков проводилось в экспериментах с использованием вида М. brachiata под воздействием четырех различных концентраций пищи: 100, 200, 300 и 400 тыс. кл./мл. Каждая из экспериментальных сред тестировалась и трех повторностях. R общей сложности было протестировано 16 типов сред (т.е., 4 типа среды с различной пищевой обеспеченностью для материнского поколения х 4 типа среды с различной пищевой обеспеченностью для дочернего поколения). Дня различных экспериментальных условий количество протестированных самок М. brachiata составило 50-60 штук. Тестируемым параметром являлся способ размножения дочернего поколения животных.

Объектом исследования при проведении серии экспериментов, направленных на первичную идентификацию химической природы веществ, ответственных за индукцию диапаузы, был вид М. тасгосора. В экспериментах использовалась концентрация корма 200 тыс. кл/мл. Количество животных в каждой повторности во всех экспериментах было одинаково и составляло 15 самок. Для каждого эксперимента в качестве контроля использовалась среда, не содержащая продукты жизнедеятельности. Опыты проводились для того, чтобы определить летучесть и термическую стабильность веществ, ответственных за смену способа размножения. Выделение летучих веществ выполнялось путем пропускания через воду скоплений инертного газа аргона с последующим концентрированием выделенных веществ в среде, изначально не содержащей продуктов жизнедеятельности (2 опыта); эксперименты с нагреванием опытной среды были направлены на определение термической стабильности изучаемых веществ (3 опыта).

Для экспериментов с популяциями и сообществами использовались стаканы объемом среды 4000 мл, все эксперименты проводились в трех понторггостях,

обновление среды и корма (концентрация в среде 800 тыс. кл/мл) осуществлялось каждые трое суток. В день смены среды определяли общую численность популяции, размерную, возрастную и половую структуры популяции, ежедневно в опытных средах измерялась концентрация клеток хлореллы. После появления в экспериментальных сосудах сброшенных покоящихся яиц каждый день до окончания эксперимента подсчитывалось их количество. Для всех экспериментов были рассчитаны удельные скорости роста численности рачков за периоды с 1-ых по 4-ые, с 4-ых по 7-ые и с 7-ых по 10-ые сутки, определена ежедневная пищевая обеспеченность особей в популяциях и сообществах. Эксперименты проводились в течете 16 суток. Было проведено по одному эксперименту с популяциями М. тасгосора и М. ЬгасМак! и три эксперимента с сообществами, которые отличались между собой типом среды культивирования: отстоянная водопроводная веща и продукты метаболизма одного из тестируемых видов. В качестве исходной группы животных во всех экспериментах с моинами использовали 20 одноразмерных ювенильных самок (в экспериментах с отдельными популяциями по 20 самок соответствующего вида, и в экспериментах с сообществами - по 10 самок каждого вида, соответственно).

Для проведения статистического анализа результатов экспериментов на индивидуальном и популяционном уровнях использовалась программа ЯТАТВТЮА 6.0, а также тест хи-квадрат и точный тест Фишера.

Глава 3. Действие трофических условий и плотпости популяции из изменение параметров жизненного цикла самок ветвисто}гсых ракообразных: лабораторное тестирование на индивидуальном уровне

Целью проведения экспериментов с различными концентрациями пищи было определить благоприятные пищевые условия для роста и партеногенетического размножения самок ветвистоусых ракообразных М. тасгосора и М. ЬгасЫаШ. В результате экспериментов с обоими видами моин показано, что пищевая обеспеченность достоверно шшяет на юпенилытую скорость роста самок (Р<0.0001 — для М. тасгосора, Р<0.0001 - для М. ЪгасЫа1а) и размеры тела рачков в день, предшествующий смене способа размножения (Р<0.0001 — для М. тасгосора, Р<0.000 — для М. hrach.ia.ta~). В экспериментах были определены пороговые значения пищевых обеспеченностей для данных условий проведения экспериментов (фиксированные объем среды культивирования, фотопериод и температура), при которых прекращается лимитирование удельной ювенильной соматической скорости роста (Рис. 1), плодовитости рачков (Рис. 2) и прекращается образование эфиппиальных яиц (Табл. 1): 100 тыс. кл/мл для М тасгосора и 400 тыс. кл/млМ. ЬгасЫаШ.

Таблица 1. Влияние концентрации пищи на смену способа размножения у одиночных самок М тасгосора и Ы. ЬгасЫсйа._

Вид Концентрация Самки, образовавшие Достоверность различия меящу

птци, тыс. кл/мл. латентные яйца, пгг концентрациями пищи

25 5 (N=10)

М. тасгосора 50 4 (N=10) Р25-,оодоо=0-001б Р5о-юода=0.043

100 0 (N=10)

200 0 (N=10)

100 8 (N=15)

М. ЬгасЫаШ 200 2 (N=15) Ркхпоо=0.025

400 0 (N=15) Ркхмоолоо=0.001

800 0 (N=15)

Условные обозначения: "К — количество протестированных самок

1«) 200 400 800 ' 95 50 100 50G

Концентрация пчци, тыс. кл/мп Концентрация пкщи, тыс. кпг'мл

Рис. 1 Длина тела (вертикальные столбцы) и удельная ювенильная соматическая скорость роста (черные прямоугольники) самок М. тасгосора и М. ЬгасЫ^а при различных концентрациях пищи. Нумерация вертикальных столбцов соответствует суткам проведения эксперимента. Достоверность отличий между ювенильными соматическими скоростями роста рачков в различных концентрациях пищи определена тестом Фишера: М. тасгосора -Р25-5о>0.05; Рмлоо<0.002; Р25 2оо<0.05; Р5о-юо>0.05; РЗДМ)г,<0.05; Ршо-20оХ).05; М. ЪгасЫсйа -Р,юмо<0.05; Р10(ыоо<а0001; Рпоо-800<0.00001; Р2оо 4оо<0.05; Рмояоо<О.ОТ; Р400-800>0.5.

М. тасгосора

Т

Ï

Концентрация пищя, п

I

¡I1

í¡! р о

i = '

M. brachiata

200 400

Концентрация пища, тыс. кл/ил

Рис. 2 Действие различной пищевой обеспеченности на количество потомков в первой кладке партеногенетических самок М. тасгосора и Ы. ЬгасЫаТа. Достоверность отличий количества потомков первых кладок партеногенетических самок в различных концентрациях пищи определена тестом Фишера: М. тасгосора - Р25-5о>0.05; Р25-юо>0.5; Р25-200>0.5; Р». юо>0.05; Р5о-2«1>0.5; Р,оо гоо^О.0497); М ЬтасЫа1а - Рюо-2оо<0.05; Р10о4«><0.001; Рюо япо<0.001; Р200 4ОО<0.05; Р200 800^.05; Радо-зо^О.З.

При сравнении параметров роста и размножения двух видов ветвистоусых ракообразных в условиях благоприятной пищевой обеспеченности, соответствующей каждому виду, были выявлены следующие различия: самки М. тасгосора обладают большей ювенильной соматической скоростью роста (Р<0.0001), тогда как самки М. ЬгасИ1а1а имеют большую плодовитость (Р<0.001). Такие параметры жизненного цикла как скорость роста тела и плодовитость обеспечивают преимущество популяции в ходе прямой конкуренции за ресурсы, в то время как смена способа размножения от партеногенетического к гаметогенетическому с последующим образованием покоящихся яиц обеспечивает сохранение популяции и выживаемость вида.

В результате экспериментов с различными концентрациями пищи с двумя видами было продемонстрировано, что концентрация пищи, не лимитрирующая партеногенетическое размножение самок М. тасгосора, в четыре раза меньше, чем

для самок М. ЬгасЫаШ (100 и 400 тыс. кл/мл, соответственно). Это означает, что самки М Ьгаскга1а начинают образовывать покоящиеся яйца при концентрации пищи большей, чем самки М. тасгосора. Учитывая вышесказанное, можно предположить, что М. тасгосора имеет конкурентное преимущество перед М. ЪгасЫаШ, т.к. первый вид может размножаться партеногенезом при более низкой концентрации пищи, чем другой. Вероятно, сосуществование двух видов ветвистоусых ракообразных, М. тасгосора и М. ЬгасЫаШ,в природных условиях может обеспечиваться за счет такого различного порога чувствительности к трофическому фактору, являющемуся причиной индукции диапаузы и формирования стадии покоя животными. Популяция М. ЬгасЫа(а может реагировать быстрее, чем популяция М. тасгосора на уменьшение концентрации пищи в среде сменой способа размножения и образованием латентных яиц, формирующих запас покоящихся жизнеспособных организмов. Однако для того чтобы выяснить функциональное значение вышеупомянутых отличительных особенностей, необходимо оценить наличие или отсутствие их вклада на популяционном уровне в условиях прямой конкуренции при совместном существовании рачков.

В экспериментах на индивидуальном уровне, помимо исследования непосредственного влияния трофического фактора на рост и размножение самок, также изучали проявление материнского эффекта. Мы продемонстрировали, что количество самок, образующих латентные яйца, увеличивается при снижении как концентрации пищи при культивировании тестируемого поколения, так и концентрации пищи при культивировании материнского поколения. Следует отметить неодинаковую эффективность данных воздействий: при максимальной концентрации хлореллы в среде культивирования материнских особей и минимальной для культивирования их потомков, количество самок, образовавших гаметогенетические яйца, было больше, чем в эксперименте, где материнские особи испытывали голодание, а их потомки содержались при благоприятной пищевой обеспеченности. Материнский аффект для таких видов, как М. тасгосора и М. ЪгасИШа, обладающих небольшими размерами, коротким жизненным циклом и свойством населять непостоянные водоемы с нестабильными условиями среды обитания, может иметь огромное значение, выступая в качестве средства коммуникации между материнским поколением и его потомками, «транслируя» им информацию об ухудшении условий существования и необходимости защиты популяции путем образования покоящихся стадий.

В экспериментах по исследованию видоспецифичности веществ, ответственных за индукцию диапаузы у самок М. тасгосора и М. ЪгасЫаШ, проведенных с водой скопления трех видов ветвистоусых ракообразных при оптимальных температуре, фотопериоде и благоприятных для партеногенеза концентрациях пищи продемонстрировано, что только собственные продукты жизнедеятельности вызывают образование покоящихся яиц. Вода скопления от крупного вида (который предположительно является более эффективным конкурентом за пищевые условия, чем виды меньшие по размеру) и вода скопления от другого мелкого вида моин, сосуществующего в естественных условиях, не вызвали образование эфиппиумон самками обоих видов. Таким образом, показано, что смена способа размножения была вызвана действием веществ, видоспецифичных для обоих видов ветвистоусых ракообразных, использованных в наших экспериментах (Табл. 2).

Таблица 2. Влияние воды скопления трех представителей ветвистоусых ракообразных на смену способа размножения у самок ЬЛ. ЬгасМла иА/. тасгосора._

Тестируемый объект

Вид, используемый для приготовления воды скопления

Самки, образовавшие латентные яйца, шт

Достоверность отличий от контроля

Moma brachiata -

Moina тасгосора

Moina brachiata 11 (N=45) PO.OOOl

Moina тасгосора 0 (N=45)

Daphma magna 0 (N=45)

контроль 0 (N=45)

Moina тасгосора 35 (N=40) PO.OOOl

Moina brachiata 0 (N=40)

Daphma magna 1 (N=40)

контроль

1 (N=40)

Условные обозначения: N - количество протестированных самок

На основании результатов экспериментов с концентрациями пищи и опытов с водой скопления, сформулирована следующая гипотеза: совместное существование модельных видов в условиях циклического размножения может обеспечиваться за счет различной пороговой пищевой обеспеченности, при которой самки этих видов образуют покоящиеся яйца, и видоспецифичных продуктов жизнедеятельности, стимулирующих самок к образованию покоящихся яиц при благоприятных для партеногенетического размножения значениях других факторов.

Завершающим этапом работы с животными на индивидуальном уровне было проведение экспериментов по первичной идентификации химических веществ, содержащихся в собственных продуктах жизнедеятельности (на примере М. тасгосора), вовлеченных в процесс регуляции способа размножения у ветвистоусых ракообразных (Табл. 3).

Таблица 3. Эксперименты по выделению летучих веществ из воды скопления, используемой для тестирования животныхМ тасгосора._

Тип среды, используемый для тестирования

С.дм к и, сменившие способ размножения, игг.

Контроль 0 (N=30) 1 (N=15) 3 (N=15) 0 (N=15)

Вода скопления 17 (N=30) Р<0.000 15 (N=15) Р<0.000 13 (N=15) Р=0.001 15 (N=15) Р<0 001

Вода скопления после пропускания через нее чистого аргона после пропускания через нее чистого аргона и нагрева до Х0°С после кипячения после кипячения в отсутствии кислорода

17 (N=30) р<а.оао 9 (N=15) р-аоаз 5 (N=15) 4 (N=15) Р=й020

Среда, предположительно содержащая только

летучие вещества_

Обозначения: N - общее количество протестированных животных в соответствующей среде культивирования. Р - значимость отличия от контроля.

В результате проведенных экспериментов показано, что вещества, вызывающие смену способа размножения у самок М. тасгосора, являются нелетучими соединениями; эффективность действия воды скоплений не снижалась при

многочасовой продувке инертным газом аргоном. Длительный нагрев до 80°С не значительно снижал ее активность. Эффективность воды скоплений достоверно снижалась при ее кипячении. Однако в том случае, если удается исключить возможное окисление целевых веществ и их связывание с солями металлов, то вода скоплений сохраняет способность вызывать смену способа размножения и после кипячения. Таким образом, наиболее вероятным классом веществ, вызывающим смену способа размножения, являются нелетучие вещества, сохраняющие свои активные свойства при нагревании воды до 100°С (Табл. 3).

Глава 4. Исследование динамики развития отдельных популяций и сообществ модельных видов; конкуренция и механизм сосуществования

Динамика численности, возрастного и полового составов в популяциях М.тасгосора, М.ЬгасЫаШ, а также в сообществах этих видов в различных режимах культивирования приведена на Рис. 3. Численность популяции М. ЬгасЫаШ в каждый соответствующий период измерений до достижения популяцией максимальной численности (10-ые сутки) была меньше численности популяции М. тасгосора. Сравнение скоростей прироста популяций показывает, что популяция М. тасгосора быстрее растет в период с первых по четвертые сутки эксперимента (Р<0.01) (Рис. 4). Следует отметить, что в первые сутки развития популяций (с 1-ых по 4-ые сутки), трофические условия благоприятны для партеногенетического размножения обоих видов, однако скорость прироста популяции М. ЬгасЫШа медленнее, чем популяции М. тасгосора. Популяция М. ЬгасЫа1а также проигрывала в скорости роста сообществу двух видов (Р<0.01). При использовании для культивирования сообщества среды, содержащей продукты жизнедеятельности любого из видов, скорость роста численности на начальном этапе развития снижалась. Однако достоверными были отличия только между скоростью роста сообщества, развивавшегося в чистой среде, и сообщества в среде, содержащей продукты жизнедеятельности М. ЬгасЫаЬа (Р=0.02).

Н Ю еенильны е самки ЕЗСолщы

ЩПартеногенетические самки □ Эфиппиальные самки ЛЛ ЬгасЫМа

5000

Период измерения, сутки

Рис. 3. Динамика полового и возрасного состава популяций М. тасгосора и М. ЪгасЫсйа, а также их сообществ в различных условиях культивирования. Обозначения для типов культивирования: Мт популяция М. тасгосора; МЪ - популяция М. ЬгасЫаТа; Мт+МЬ - сообщество М. тасгосора и М. ЬгасЫла, в среде, не содержащей продукты жизнедеятельности; Мт+МЬ(Мт) - сообщество М. тасгосора и М. ЬгасЫаЮ, в среде, содержащей продукты жизнедеятельности М. тасгосора; Мт+МЬ(МЬ) - сообщество М. тасгосора яМ Ьтаг.Ыа1а, в среде, содержащей продукты жизнедеятельности М. ЬгасЬШа. *в

16-ые сутки проведения эксперимента Мпт+МЬ(МЬ) определялись только общая численность сообщества

13

■М1К ем»

вм>л»Ш) вмт»МсчМт) вмтыедмм

Длительность опытного периода, сутки

Рис. 4. Удельная скорость роста численности популяций М. тасгосора и М.ЬгасИШа, развивающихся в условиях отдельной популяции, а также их сообществ в различных средах культивирования (обозначения типов культивирования см. Рис. 3).

С ростом численности популяции/сообщества происходило уменьшение пищевой обеспеченности особей (Рис. 5). Анализируя изменение пищевой обеспеченности животных видно, что в отдельно развивающихся популяциях М тасгосора и М. ЬгасЫаШ пищевая обеспеченность не отличается лишь в первые трое суток, когда численность популяций сравниваемых видов идентична (равна количеству особей в исходный день эксперимента). Однако в период с 4-ых по 10-ые сутки в популяции М.тасгосора пищевая обеспеченность становится заметно меньше. Достоверность снижения пищевой обеспеченности (эффект времени: Р<0.001), а также достоверность отличия пищевых обеспеченностей в отдельно культивируемых популяциях М тасгосора и М ЬгасЫаШ (эффект вида: Р<0.001) подтверждается многофакторным дисперсионным анализом. Этот результат подтверждает данные о более высокой скорости роста популяции М. тасгосора.

В сообществах исследуемых видов пищевая обеспеченность также достоверно снижалась со временем проведения опытов (эффект времени: Р<0.001); при сравнении пищевой обеспеченности сообщества, развивающегося в чистой среде культивирования, выявлены достоверные отличия от пищевых обеспеченностей особей в сообществах, культивируемых в средах, содержащих химический фон отдельных популяций М. тасгосора (Р<0.001) иМ ЬгасЫаШ (Р=0.003).

л кшюоо ; К л «одаооо ;

I . ©

5 5 Я

6 7 3 Э 10 И 12 13 1* 15 19 Период измерения, сутки

1Е+0Э ■ юсооосо -

и 1000000} ->

3 1000ХЮ ■ )

= 100000 ■ I 1ИО0 I 1000 -* 100 .

■Мт)ЛОРОГ МЬЙТСЯОГг -Мтк1Ь[Ш1

1

5 6 7 й 3 1С 11 12 13 14 15 16

Период измерения, сутки

Рис. 5 Пищевая обеспеченность животных в популяциях и сообществах. Обозначения: Мт - популяция М. тасгосора; МЬ - популяция М. ЬгасМа1а; Мт+МЬ сообщество М. тасгосора и М. ЬгасЫа1а, в среде, не содержащей продукты жизнедеятельности,-Мт+МЬ(Мт) - сообщество М. тасгосора и М. ЬгасЫа1а, в среде, содержащей продукты жизнедеятельностиМ. тасгосора; Мт+МЬ(МЬ)~ сообществом тасгосора иМ. ЬгасЫсЛа, в среде, содержащей продукты жизнедеятельности М ЬгасИШсс, Мт (ПОРОГ) пищевая обеспеченность при которой культивируемые индивидуально самки М. тасгосора образуют эфиппиумы; МЬ (ПОРОГ) пищевая обеспеченность при которой культивируемые индивидуально самки М ЬгасЫа1а образуют эфиппиумы.

14

При сопоставлении количества корма, доступного одной особи в ходе развития популяции/сообщества и количества корма, благоприятного для партеногенеза одной особи (данные индивидуальных экспериментов) видно, что во всех экспериментах пищевая обеспеченность за трое, двое или одни сутки до образования покоящихся яиц животными становится неблагоприятной для партеногенеза (Табл. 4).

Таблица 4. Уровень пшцевой обеспеченности в популяциях и сообществах М. тасгосора и М. ЬгасЫа1а за четверо суток до смены способа размножения._

Популяция/ Сообщество День появления первых сброшенных покоящихся яиц Период до смены способа размножения Количество корма доступное 1 особи, кл/особь Количество корма, благоприятное для партеногенеза кл/особь

За 4-ро суток 160x10®

М. тасгосора 7 За 3-ое суток 9.11x10® 2x10®

За 2-ое суток 2.94x10®

За сугеи 1.18х106

За 4-ро суток 5.67x10®

М. ЬгаскшШ 10 За 3-ое суток 2.76x10® 8x10®

За 2-ое суток 2,32x10®

За сутки 0.86x10®

За 4-ро суток 6.35x10® 2x10®

М. тасгосора+ М. За 3-ое суток 3.47x10® (М. тасгосора)

ЬгасЫсйа За 2-ое суток 0.71x10® 8x10®

За сутки 0.28x10® (М. ЪгасЫа1а )

М. тасгосора+ М. ЬгасЫсЛа (М. тасгосора) За 4-ро суток 16x10® 2x10®

7 За 3-ое суток 13x10® (М. тасгосора)

За 2-ое суток 4.87x10® 8x10®

За сутки 2.60x10® (М. ЬгасЫсйа)

М. тасгосора+ М. ЬгасШсЛа (М. ЬгасЫШа) За 4-ро суток 2.59x10® 2x10®

10 За 3-ое суток 1.65x10® (М. тасгосора)

За 2-ое суток 3.20x10® 8x10®

За сутки 1.56x10® (М. Ъгаспшш)

На основании результатов экспериментов с одиночными особями, где было показано, что порог пищевой обеспеченности у М. ЬгасЫаШ выше, чем у М. тасгосора, можно предположить, что смена способа размножения, в условиях снижения уровня пищи в среде, в популяции М. Ьгаг.Ыа!а должна произойти раньше. Однако образование первых латентных яиц самками в популяции М. ЬгасЫШа (10-ые сутки) начинается на трое суток позже, чем самками в популяции М. тасгосора (7-ые сутки) (Рис. 6). Это объясняется тем, что популяция М тасгосора растет быстрее (Рис. 4), раньше истощает пищевые ресурсы среды (Рис. 5), что и приводит к более раннему образованию покоящихся яиц. Необходимо отметить, что, не смотря на различия в датах появления первых покоящихся яиц в популяциях исследованных видов, общее количество образованных ими покоящихся яиц совпадает (Рис. 7).

В отличии от экспериментов с отдельными популяциями, в эксперименте с сообществом, в ходе прямой конкуренции двух видов за один ресурс, самки М. ЬгасШаШ образуют покоящиеся яйца на два дня раньше, чем в случае развития отдельной популяции и более активно, чем самки М. тасгосора (Рис. 6), что подтверждает данные о различающемся пороге пшцевой обеспеченности, при котором происходит смена способа размножения у данных видов. Отметим, что этот эффект проявляется в условиях прямой конкуренции - при отдельном развитии популяция М. ЬгасЫаШ развивается медленнее и не испытывая давление конкурента образует покоящиеся яйца позже. В то же время общее количество покоящихся яиц,

образованных самками М. ЬгасЫаих в сообществе, примерно в пять раз меньше, чем образованных самками М. тасгосора (Рис. 7). К концу эксперимента в сообществе практически не встречаются эфиппиальные самки М ЬгасЫаШ и не появляются покоящиеся яйца. Таким образом, более высокий порог чувствительности обеспечивает самкам М. ЬгасЫа1а более раннее отрождение покоящихся яиц, однако образование большего количества покоящихся яиц самками М. тасгосора в долгосрочном расчете может привести к окончательному вытеснению менее конкурентноспособного вида.

При проведении экспериментов в накопительном режиме культивирования на популяцию животных воздействуют два фактора одновременно с истощением концентрации пищи в среде происходит накопление продуктов жизнедеятельности. Периодическая смена среды культивирования в эксперименте направлена на уменьшение концентрации метаболитов в среде. В то же время можно предположить, что в природе продукты жизнедеятельности являются естественным фоном для популяции и участвуют в регуляции ее развития. Для того, чтобы приблизиться к пониманию механизма сосуществования этих видов, необходимо учесть оба фактора, воздействующих на животных, для этого помимо эксперимента с сообществом двух видов в чистой среде, было проведено два эксперимента с сообществами, развивающимися в условиях воздействия продуктов метаболизма каждого из исследуемых видов. В случае использования в качестве среды культивирования воды, в которой развивалась популяция одного из тестируемых видов (М. тасгосора или М. ЪгасШа1а), более интенсивно образовывал покоящиеся яйца именно этот вид (М тасгосора в случае использования воды популяции этого вида и аналогично для М. ЬгасЫа1а) (Рис. б). Однако в дальнейшем количество покоящихся яиц, образованных видом, популяция которого служила источником среды культивирования, снижалась. Показательно, что наибольшее количество покоящихся яиц самки М. ЬгасЫа1а образовали в сообществе, которое развивалось в воде скоплений М. тасгосора (Рис. 7). Таким образом^ можно сказать, что действие продуктов жизнедеятельности направлено на стимулирование более раннего и интенсивного отрождения покоящихся яиц в ущерб прямому конкурентному преимуществу популяции.

^ Я

! 7 8 Я Ю 11 12 13 14. 1 Экспериментальный период, сутки

зоо 200

...л л: ■ «..

7 а а 10 11 12 13 14 15 16 Экспериментальный период, сутки

Экспериментальный период, сутки

Экспериментальный период

Рис. 6. Динамика покоящихся яиц М тасгосора (черные столбики) и М. ЬгасЫа1а (белые столбики) в различных условиях культивирования (обозначения типов культивирования см. Рис. 3).

- 1 ШЗфцптуиы U. гяасжорз

1 о Эфиг,яи*шМ to'Xfiiate Т

* 1600 i m

£ 1400 -i

113.....I ........................JL....................L..........................fc.......................il.......

f.,im мг, мтмь МжМЫй») MmMbiMmi

Среда культивирования__________

Рис?~7. Общие численности зфиппиальных яиц (черные квадраты), образованные самками М. тасгосора и M.brachiata, и численности яиц каждого данного вида (черные и белые столбики) в различных условиях культивирования (обозначения типов культивирования см. Рис. 3).

Ранее в модельном исследовании о возможности сосуществования видов, образующих и не образующих покоящиеся яйца (Задереев, Прокопкин, 2007), было показано, что начальная численность популяции (которая должна коррелировать с численностью покоящихся яиц) слабо влияет на исход конкуренции в условиях благоприятной пищевой обеспеченности. Вероятно, во многих случаях для популяции принципиально важной является возможность ее возобновления за счет банка яиц. В этом случае, стимулирование самок к смене способа размножения, и более раннему отрождению покоящихся яиц, является примером стратегии, обеспечивающей такую возможность.

Обращаясь к литературе по вопросу исследования адаптивных приспособлений близких видов, направленных на снижение конкуренции и способности сосуществовать в одних биотопах (см. обзор литературы), вспомним про интерес исследователей к так называемым «загадочным видам», у которых наблюдаются полностью перекрывающиеся ниши. Так, например, в работе по моделированию динамики двух экологически эквивалентных видов (Montero-Pau, Serra, 2011) авторы были заинтересованы в поиске механизма, ответственного за способность к сосуществованию таких видов в условиях конкуренции. Было показано, что близкие виды, не имеющие дифференциации ниш, обеспечивают стабильное сосуществование за счет плотносшо-зависимого механизма размножения и способности к диалаузе. Т.е для видов, обладающих возможностью смены способа размножения от партеногенеза к половому размножению, совместное сосуществование может обеспечиваться за счет механизма, основанного на инвестициях в половое размножение и/или состояние покоя.

В нашем случае, для объяснения совместного обитания видов теоретически достаточно способности самок образовывать покоящиеся яйца при разных пороговых концентрациях пищи. Наличие более высокого пищевого порога как минимум позволяет виду M. brachiata образовать покоящиеся яйца раньше и сформировать банк яиц до вымирания в результате конкурентного вытеснения. В то же время, если рассматривать количество образованных покоящихся яиц как один из факторов конкурентного преимущества, то различия в количестве образованных яиц двумя видами в сообществе могут в долговременной перспективе привести к вытеснению вида, образовавшего меньше яиц. Однако в экспериментах, в которых сообщество развивалось в воде, содержащей продукты жизнедеятельности М. тасгосора или М. brachiata, количество покоящихся яиц, образованных самками разных видов,

существенно не отличалось. Ранее было показано, что доля самок, сменивших способ размножения в воде скоплений, пропорциональна плотности популяции, которая была использована для получения воды скоплений (Задереев, Губанов, 1996). Значит, образование покоящихся яиц под действием воды скоплений является шгатностно-зависимой реакцией. Таким образом, наши результаты можно рассматривать в качестве экспериментального подтверждения модельных исследований (Montero-Pau, Serra, 2011).

Выводы

1. Для двух родственных видов ветвистоусых ракообразных Moina тасгосора и Moina brachiata установлены уровни благоприятной для партеногенетического размножения пищевой обеспеченности. Выявлено, что самки M. brachiata прекращают паргеногенетическое размножение и начинают образование покоящихся яиц при большей пищевой обеспеченности, чем самки М. тасгосора.

2. Продемонстрировано комбинированное действие пищевой обеспеченности материнского и дочернего поколений на способность самок M. brachiata образовывать покоящиеся яйца. Наибольшее влияние трофического фактора на переход самок к гаметогенезу проявляется при варьировании трофических условий культивирования дочернего поколения, однако полное прекращение образования эфиппиумов самками достигается только при благоприятных пищевых условиях для обоих тестируемых поколений.

3. Выявлено, что смена способа размножения у самок модельных видов ветвистоусых ракообразных происходит под действием нелетучих, сохраняющих активность при нагревании до 100°С и видоспецифичных химических веществ, содержащихся в продуктах метаболизма этих видов.

4. Показано, что в условиях благоприятной пищевой обеспеченности ювенильная соматическая скорость роста отдельно культивируемых самок М. hrachiata и скорость роста численности популяции M. brachiata ниже, чем индивидуальная и популяционная скорости ростаМ тасгосора.

5. Показано, что в сообществе видов М. тасгосора и M. brachiata действие видоспецифичных продуктов жизнедеятельности вызывает более массовый переход к половому размножению у вида, испытывающего это воздействие, что приводит к выравниванию количества покоящихся яиц, образованных самками обоих видов.

6. В результате индивидуальных и популяционных экспериментов сформулировано представление о механизме сосуществования видов М. тасгосора и M. brachiata — совместное обитание двух конкурирующих за один ресурс видов М. тасгосора и M. brachiata при условии их циклического размножения может обеспечиваться за счет различной пороговой пищевой обеспеченности, при которой самки этих видов образуют покоящиеся яйца, и видоспецифичных продуктов жизнедеятельности, стимулирующих самок к образованию покоящихся яиц.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в печатных изданиях из перечня ВАК РФ:

1. Задереев Е.С., Лопатина Т.С. Индукция смены способа размножения у Moina brachiata (Crustacea: Cladocera): действие продуктов жизнедеятельности своего и конкурирующих видов // Сибирский экологический журнал. 2006. Т. 13. № 1. С. 8388.

2. Zadereev Е., Lopatina Т. The induction of diapause in Moina by species-specific chemical cues // Aquatic ecology. 2007. V. 41. № 2. P. 255-261.

3. Lopatina T.S., Zadereev E.S. The effect of food concentration on the juvenile somatic growth rate, fecundity and the production of resting eggs by Moina brachiata (Crustacea: Cladocera) single females // Journal of Siberian Federal University. Biology. 2012. V. 5. № 4. P. 428-439.

Материалы и тезисы конференций:

1. Лопатина Т.С., Задереев Е.С. Оценка видоспецифичности продуктов жизнедеятельности, вызывающих смену способа размножения у ветвистоусых ракообразных: лабораторный тест на индивидуальном уровне // Материалы IX Международной научной школы- конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий». 2004. Абакан. С. 89-90.

2. Лопатина Т.С., Задереев Е.С. Сравнительный анализ действия концентрации пищи и продуктов жизнедеятельности на параметры роста и размножения двух сосуществующих видов ветвистоусых ракообразных // Материалы IX Международной научной школы- конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий». 2005. Абакан.

3. Лопатина Т.С., Задереев Е.С. Сравнительный анализ действия концентрации пищи и продуктов жизнедеятельности на параметры роста и размножения двух сосуществующих видов ветвистоусых ракообразных // Материалы Межрегиональной научно- практической конференции «Объединение субъектов Российской Федерации и проблемы природопользования в Приенисейской Сибири». 2005. Красноярск.

4. Лопатина Т.С., Задереев Е.С. Сравнительный анализ действия концентрации пищи и продуктов жизнедеятельности на параметры роста и размножения двух сосуществующих видов ветвистоусых ракообразных // Материалы XT .IV Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс». 2006. Новосибирск. С. 40.

5. Лопатина Т.С., Задереев Е.С.. Роль межпопуляционных химических коммуникаций в индукции смены способа размножения у Cladocera // Сборник материалов Всероссийской школы-конференции «Ветвистоусые ракообразные: систематика и биология». 2007. Борок. С. 287-292.

6. Лопатина Т.С., Задереев Е.С. Роль химических коммуникаций в индукции смены способа размножения и межвидовой конкуренции у Cladocera // Материалы X съезда Гидробиологического общества при РАН. 2009. Владивосток. С. 240-241.

7. Лопатина Т.С., Задереев Е.С. Диапауза, химические коммуникации и сосуществование двух видов ветвистоусых ракообразных // IV Международная научная конференция «Озерные экосистемы: биологические процессы, антропогенная трансформация, качество воды». 2011. Беларусь, Минск. С. 116.

8. Lopatina T.S., Zadereev E.S. The diapause in Cladocera: the effect of inter- and intra-specific chemical interactions // Конференция научно-образовательных центров, посвященная 10-летию программы BRHE. 2008. Нижний Новгород.

Подписано в печать 08.04.2013 г. Формат 60*84/16. Уся. печ. л. 1,4. Тираж 100. Заказ № 394 Отпечатано в типографии И.П. Дворядкин Б.В. 660036, Красноярск, Академгородок 50, стр. 28, оф. 156

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Лопатина, Татьяна Станиславовна, Красноярск

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет», Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт биофизики Сибирского отделения Российской академии наук

Межвидовые различия в реакции на действие пищевой обеспеченности и продуктов жизнедеятельности как основа для совместного обитания двух видов ветвистоусых ракообразных Moina тасгосора и Moina brachiata

04201358877

Лопатина Татьяна Станиславовна

(CRUSTACEA: CLADOCERA)

03.02.10 - гидробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель кандидат биологических наук, Задереев Е.С.

Красноярск -2013

Оглавление

Введение.......................................................................................................................5

Глава 1. Диапауза ракообразных: факторы, вызывающие смену способа размножения, химические коммуникации и экологическое значение банка покоящихся яиц...........................................................................................................9

1.1 Факторы, определяющие гаметогенез у планктонных ракообразных.............9

1.2 Химические взаимодействия среди планктонных ракообразных. Роль плотности популяции в индукции гаметогенеза у ракообразных........................20

1.3 Роль банка покоящихся яиц в динамике и совместном обитании видов......29

1.3.1 Особенности формирования банка латентных яиц организмов, образующих покоящуюся стадию, и его участие в их жизненном цикле...........29

1.3.2 Эволюционно-экологическая функция перекрывающихся поколений и значение банка покоящихся яиц для сосуществования видов, формирующих стадию покоя..............................................................................................................32

1.3.3 Адаптивная природа и эволюция диапаузы...................................................39

1.4 Цели работы. Постановка задач исследования.................................................44

Глава 2. Объекты и методы исследования..............................................................48

2.1 Объекты исследования........................................................................................48

2.1.1 Описание модельных видов ракообразных...................................................48

2.1.2 Мота тасгосора и Мота brachiata - обитатели гипертрофных прудов...57

2.2 Методика подсчета корма...................................................................................59

2.3 Методы тестирования самок на индивидуальном уровне...............................61

2.3.1 Эксперименты по определению благоприятного уровня пищевой обеспеченности для роста и размножения самок М. тасгосора и М. ЬгасШа1а. 63

2.3.2 Эксперименты по выявлению материнского эффекта..................................64

2.3.3 Эксперименты по изучению действия воды скопления на ростовые и репродуктивные характеристики М. тасгосора и М. brachiata...........................65

2.4 Методы проведения экспериментов, направленных на первичную идентификацию химической природы веществ, ответственных за смену способа размножения...............................................................................................................67

2.5 Методы проведения популяционных экспериментов.....................................70

2.5.1 Эксперименты с отдельными популяциями М. тасгосора и М. brachiata.il

2.5.2 Эксперименты с сообществами М. тасгосора и М. brachiata.....................73

2.5.3 Определение скорости роста численности популяций.................................74

2.5.4 Определение пищевой обеспеченности особей в популяциях....................74

2.6 Статистические методы анализа полученных результатов.............................75

2.6.1 Эксперименты с одиночными животными....................................................75

2.6.2 Эксперименты на популяционном уровне.....................................................76

Глава 3. Действие трофических условий и плотности популяции на изменение параметров жизненного цикла самок ветвистоусых ракообразных: лабораторное тестирование на индивидуальном уровне......................................78

3.1 Определение благоприятного уровня пищевой обеспеченности для роста и размножения самок М. тасгосора и М. brachiata..................................................78

3.1.1 Влияние концентрации пищи на удельную ювенильную соматическую скорость роста самок М. тасгосора и М. ЬгасШа1а...............................................79

3.1.2 Влияние концентрации пищи на плодовитость самок М. тасгосора и М. brachiata......................................................................................................................82

3.1.3 Влияние концентрации пищи на индукцию диапаузы у самок М. тасгосора и М. ЬгасЫа1а..........................................................................................83

3.1.4 Сравнение параметров роста и размножения М. тасгосора и М. ЬгасЫаХа в условиях благоприятной пищевой обеспеченности..............................................86

3.1.5 Исследование роли материнского эффекта в определении способа размножения у самок М. brachiata...........................................................................87

3.1.6 Обсуждение результатов экспериментов на индивидуальном уровне.......89

3.2 Оценка видоспецифичности продуктов жизнедеятельности ветвистоусых ракообразных.............................................................................................................94

3.2.1 Влияние воды скопления на удельную соматическую скорость роста самок М. тасгосора и М. ЬгасЫа1а.....................................................................................95

3.2.2 Влияние воды скопления на плодовитость самок М. тасгосора и М. brachiata......................................................................................................................99

3.2.3 Влияние воды скопления на способность самок М. тасгосора и М. brachiata к формированию покоящихся яиц........................................................100

3.2.4 Обсуждение результатов экспериментов, направленных на исследование влияния воды скопления на параметры жизненного цикла самок М. тасгосора и М. brachiata...............................................................................................................102

3.3 Первичная идентификация химической природы веществ, ответственных за индукцию диапаузы у ветвистоусых ракообразных на примере М. тасгосораЮб

3.4 Заключение по результатам экспериментов на индивидуальном уровне ...112 Глава 4. Исследование динамики развития отдельных популяций и сообществ модельных видов; конкуренция и механизм сосуществования..........................115

4.1 Сравнение интегральных характеристик популяций и сообщества М. тасгосора и М. brachiata, развивающегося в чистой среде................................115

4.2 Сравнение интегральных характеристик сообществ М. тасгосора и М. brachiata, развивающихся в чистой среде и в средах, содержащих продукты жизнедеятельности одного из видов.....................................................................117

4.3 Динамика и количество эфиппиальных самок и покоящихся яиц...............121

4.4 Удельная скорость роста численности............................................................125

4.5 Динамика пищевой обеспеченности особей в популяциях М. тасгосора и М. brachiata, а также в их сообществах, развивающихся в различных условиях культивирования......................................................................................................127

4.6 Обсуждение результатов экспериментов с популяциями М. тасгосора и М brachiata, а также их сообществами в различных условиях культивирования 132

4.7 Заключение по результатам экспериментов на популяционном уровне.....143

Заключение...............................................................................................................146

Выводы.....................................................................................................................148

Список литературы..................................................................................................150

Введение

Гидросфера вместе с ее населением играет в жизни человека огромную роль, которая с прогрессом цивилизации непрерывно возрастает. По мере освоения гидросферы все большее значение приобретает ее биологическое изучение в интересах оптимизации природопользования и охраны окружающей среды (Константинов, 1986). В последнее время проблема сохранения биологического разнообразия оказалась в центре внимания мирового сообщества. Глобальность проблемы признана еще в 1992 году Конвенцией ООН о биологическом разнообразии (КООНОБР, 1992). Вопрос о том, что поддерживает биологическое разнообразие в природных экосистемах, является одним из фундаментальных вопросов экологии. Необходимым вкладом в решение проблемы сохранения биологического разнообразия является изучение механизмов, обеспечивающих сосуществование и длительное совместное обитание видов.

Живые организмы и их окружение неразделимо связаны друг с другом и находятся в постоянном взаимодействии (Одум, 1975). Представители конкретных видов вступают в сложные биотические и абиотические отношения и тем самым определяют функционирование водных экосистем (Алимов, 2006).

Поскольку условия окружающей среды вариабельны, гидробионты периодически испытывают лимитирование их физиологических функций (рост, размножение и т.д.) (Сасегев, 1997а), что сказывается на колебании численностей их популяций. Качество условий среды обитания организмов определяется многими факторами (пищевая обеспеченность, температура, конкуренция, наличие хищников и прочие), которые, в определенной степени, зависят от сезонных изменений окружающей среды. Такая нестабильность условий существования гидробионтов, пребывающих в активной фазе жизненного цикла, может снижать возможность их выживания в целом.

Для того чтобы успешно переживать неблагоприятные условия,

некоторые организмы способны образовывать покоящуюся стадию, что дает им

возможность переносить тяжелые условия, и затем снова образовывать

5

многочисленную популяцию (Gyllstrom, 2004). Физиологическое состояние покоя организма, представляющее собой задержку в развитии, называется диапаузой (Brendonck, 1996). Жизненный цикл организмов, обладающих способностью к диапаузе, предстает в виде чередования активного размножения с торможением или прекращением формообразовательных и репродуктивных процессов (Алексеев, 1990). При этом организм, находясь в состоянии диапаузы, не способен приступить к возобновлению процесса развития даже при наступлении благоприятных условий до тех пор, пока диапауза не будет прекращена (Brendonck, De Meester, 2003).

Среди представителей планктонных ракообразных, обладающих способностью к диапаузе, немаловажное значение в функционировании экосистем озер имеют ветвистоусые ракообразные (Chen et al., 2010). Будучи одними из наиболее распространенных и плодовитых пресноводных потребителей фитопланктона и детрита, ветвистоусые ракообразные играют важную роль в процессах самоочищения водоемов, а также являются связующим звеном между первичными продуцентами и высшими звеньями трофической цепи (Smyntek et al., 2008), поэтому актуально изучение процессов, определяющих динамику их численности и способность к совместному обитанию. Одним из таких процессов является способность ветвистоусых ракообразных к смене способа размножения.

Представители ветвистоусых ракообразных обладают диапаузой на эмбриональном уровне. При благоприятных условиях самки кладоцер размножаются партеногенетически, отрождая живых рачков. При наступлении неблагоприятных условий самкам свойственна смена способа размножения на гаметогенетический с последующим образованием эфиппиальных яиц (Carvalho, Hughes, 1983; Koch et al., 2009). Покоящиеся образования сохраняют жизнестойкость даже при воздействии достаточно суровых условий внешней среды, таких, например, как полное промерзание или высыхание водоема (Alekseev, 2007) и могут обладать такой устойчивостью в течение длительного периода времени (Brendonk, De Meester, 2003).

В качестве факторов, индуцирующих смену способа размножения у ракообразных, в литературе часто обсуждаются абиотические факторы (температура, фотопериод, уровень растворенного кислорода и т.д.) (Alekseev, 2007; Palazzo et al., 2008), а также трофические условия (Алексеев, 1990; Задереев, 1998; Madhupratap et al., 1996) и химические коммуникации (Задереев, 2002). Среди перечисленных факторов, индуцирующих диапаузу у ветвистоусых ракообразных, большой интерес вызывают химические коммуникации, которые представляют собой способ взаимодействия между гидробионтами, опосредованный химическими веществами, содержащимися в продуктах жизнедеятельности животных (Задереев, 2002). Химическая природа таких веществ до сих пор остается невыясненной. Среди веществ, вызывающих смену способа размножения у ракообразных, рассматриваются растворенные газы, углеводороды, пептиды и белки (Pohnert et al., 2007). Также отсутствуют сведения о характере действия данных веществ, нет единого представления об их видовой специфичности и эффективности влияния на смену способа размножения и изменение отдельных физиологических функций организмов.

Трофические условия, вызывающие переход от активного состояния к состоянию физиологического покоя у ракообразных, также предмет постоянных исследований. Существуют многочисленные данные о влиянии, как качества, так и количества пищи, на индукцию диапаузы у ракообразных (например, Задереев, Губанов, 1995; Koch et al., 2009; Smith et al., 2009). И здесь одним из существенных вопросов является изучение различий в требовательности к пищевому фактору у отдельных видов. Известно, что изменение доступности пищевых ресурсов может влиять на сезонную смену доминирующих видов в сообществе зоопланктона. Например, показано, что науплии циклопов Cyclops abyssorum и Cyclops vicinus более требовательны к пищевым условиям, чем науплии циклопов Acanthocyclops robustus, Mesocyclops leuckarti и Thermocyclops crass us, сосуществующих в одном водоеме. Различная чувствительность к пищевым условиям в этом случае является механизмом, поддерживающим совместное обитание

(сосуществование) видов. Так, виды Cyclops abyssorum и Cyclops vicinus растут и развиваются в весенний период и образуют покоящиеся стадии летом, тогда как виды Acanthocyclops robustus, Mesocyclops leuckarti и Thermocyclops crassus, развиваются летом, в условиях низкой обеспеченности пищей и конкуренции с ветвистоусыми ракообразными (Hopp, Maier, 2005).

Существуют и другие примеры, демонстрирующие значимость диапаузы и образования покоящихся форм организмов в обеспечении сосуществования видов (Hairston, Van Brunt, 1994; Caceres, 1997b; Caceres, 1998b; Santer et al., 2000; Brendonck, De Meester, 2003; Snyder, Adler, 2011). Способность организмов к образованию покоящихся форм приводит к постепенному накоплению банка таких образований на дне водоемов и появлению перекрывающихся поколений, что, в свою очередь, обеспечивает возможность совместного обитания видов, конкурирующих за одни ресурсы. В теоретических исследованиях также было показано, что наличие в жизненном цикле животных покоящихся стадий создает возможность для совместного обитания видов (Задереев, Прокопкин, 2007). Другими словами, благодаря наличию такой особенности в жизненном цикле, как диапауза, виды, несмотря на наличие прямой конкуренции за ресурсы, демонстрируют устойчивое совместное существование. При этом, образование покоящихся форм, выступающее в качестве механизма, поддерживающего совместное обитание видов, участвует в процессе сохранения видового разнообразия в экосистемах. Таким образом, помимо исследований причин диапаузы, большой интерес в настоящее время вызывает изучение экологической роли этого сложного явления.

Цель данной работы: Для формирования представлений о механизме, обеспечивающем совместное обитание в одних биотопах двух видов ветвистоусых ракообразных М. тасгосора и М. brachiata, изучить действие пищевой обеспеченности и продуктов жизнедеятельности на параметры жизненного цикла самок и популяционную динамику этих видов.

Глава 1. Диапауза ракообразных: факторы, вызывающие смену способа размножения, химические коммуникации и экологическое значение банка покоящихся яиц

1.1 Факторы, определяющие гаметогенез у планктонных ракообразных

До недавнего времени основное внимание гидробиологов почти исключительно было направлено на период активного развития популяций ракообразных, пассивную же часть жизненного цикла обычно рассматривали как нечто малозначительное и в большинстве гидробиологических исследований описывали у пелагических организмов как «выпадение из планктона». А вместе с тем диапауза - наиболее совершенная форма адаптации к неоднородности условий существования организмов (Алексеев, 1990). Жизненный цикл организмов, обладающих диапаузой, представляет собой процесс чередования активного образа жизни в период благоприятных существованию условий и торможения физиологических процессов с наступлением условий, неблагоприятных для продолжения нормального функционирования. Такое торможение сопровождается формированием покоящейся стадии, что позволяет переждать неблагоприятные условия и вновь восстановить активное существование в благоприятный период. Важным является понимание всех процессов, связанных с пребыванием планктонных животных в состоянии покоя. В частности, у ветвистоусых ракообразных важным является вопрос о причинах, вызывающих смену способа размножения, и связанное с этим образование покоящихся яиц (Задереев, 1998).

Одной из первых теорий, объясняющих феномен смены способа размножения у ракообразных и образования покоящихся яиц, являлась теория врожденных ритмов, предложенная Вейсманом в конце XIX столетия. Долгое время теория ритмов господствовала среди ученых, убежденных, что количество партеногенетических генераций, время наступления гаметогенеза и завершение жизненного цикла ракообразных регулируется внутренними причинами в орган�