Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микроспоридии пресноводных беспозвоночных и рыб России

ВАК РФ 03.00.19, Паразитология

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Воронин, Владимир Николаевич, Санкт-Петербург

ЗООЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

1 Ы- 99 А

_ ьт^ук

_'ос см и ШН "Владимир Николаевич

МИКРОСПОРИДИИ ПРЕСНОВОДНЫХ БЕСПОЗВОНОЧНЫХ И РЫБ РОССИИ (фауна, систематика, биология)

03.00.19-Паразитология; гельминтология

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Санкт-Петербург 1999

- г -

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

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

Глава 1. Материал и методы...................10

Глава 2. Современная характеристика типа Microsporidia с описанием новых деталей ультратонкого строения спор.....................19

2.1. Морфология спор...................20

2.2. Развитие и строение доспоровых стадий микроспоридий. . ...................31

Глава 3. Распространение микроспоридий среди

животных различных систематических групп ....... 39

3.1. Микроспоридии простейших (царство Protozoa) . . . .40

3.2. Микроспоридии кишечнополостных (тип Coelenterata). .43

3.3. Микроспоридии плоских червей (тип Plathelminthes). .44

3.4. Микроспоридии немательминтов (тип Nemathelminthes) .45

3.5. Микроспоридии кольчатых червей (тип Annelida). . . .46 3. 6. Микроспоридии щупальцевых (тип Tentaculata).....49

3.7. Микроспоридии моллюсков (тип Mollusca) .......49

3.8. Микроспоридии членистоногих (тип Arthropode) . . . .51 3. 8.1, Микроспоридии ракообразных (класс Crustacea) ... 51

3.8.2. Микроспоридии клещей (класс Acariformes) .....70

3. 8. 3. Микроспоридии насекомых (класс Insecta)......71

3.9. Микроспоридии позвоночных (тип Vertebrata) ..... 99

Глава 4. Критический анализ существующих

систем микроспоридий.................106

4.1. Таксономическое значение морфологических

особенностей микроспоридий.............117

4.2. Кариологические особенности микроспоридий

и их таксономическое значение...........122

4.3. Принципы построения системы микроспоридий и обоснование предлагаемых дополнений и

изменений ..................... 126

Глава 5. Экологические аспекты паразитирования

микроспоридий в животных разных уровней

организации ..................... 142

5.1. Цитоэкология микроспоридий ............142

5.2. Организменный уровень взаимоотношений микроспоридий и животных-хозяев..........156

5.3. Микроспоридии в биоценозе (популяционный

уровень взаимоотношений с животными-хозяевами). . .187 Глава 6. Филогенетический параллелизм

микроспоридий и животных-хозяев ........... 211

6.1. Начальный этап эволюции микроспоридий .......222

6.2. Переход от одноклеточных к многоклеточным хозяевам ..................... 225

6.3. Особенности распределения микроспоридий между хозяевами различных систематическихи групп .... 230

6.4. Анализ распределения микроспоридий как способ выяснения родственных связей животных-хозяев

и темпов их эволюции................233

Заключение .......................... 241

Литературы .......................... 248

Приложение: Систематический обзор микроспоридий

пресноводных беспозвоночных и рыб России. . . .288-520

ВВЕДЕНИЕ

Микроспоридии - внутриклеточные эукариотные спорообразующие паразиты, имеющие одноклеточную организацию. Они одни из самых мелких среди эукариот и приближаются по размерам (в среднем 2-6 мкм) к бактериям. У микроспоридий отсутствуют митохондрии, лизосо-мы, жгутики и центриоли, а РНК имеет прокариотные свойства (отсутствует 5.8S) (Curg^ et al., 1990). Их трофические стадии развиваются в тесном контакте с цитоплазмой клетки хозяина и имеют очень простое строение. В свою очередь споры микроспоридий устроены крайне сложно и содержат уникальный аппарат для заражения клетки хозяина. По сравнению с другими эукариотными паразитами микроспоридии имеют исключительно широкий круг хозяев, охватывающий животных всех уровней организации, от простейших до позвоночных, включая млекопитающих и человека. Совершенная морфофункциональная адаптация к паразитическому образу жизни и уникальное строение спор затрудняют определение их возможных свободноживущих предков. Все перечисленные особенности микроспоридий позволяют рассматривать их как одних из наиболее древних и высокоспециализированных эукариотных паразитов. На основании уникальных морфологических и биологических свойств микроспоридии выделены в самостоятельный тип Microspora Sprague, 1969 или Microsporidia Balbiani, 1882 (Weiser, 1977; Крылов, Добровольский, Исси и др., 1980). По мнению ряда отечественных ученых микроспоридии близки к грибам (Старобогатов, 1984; Карпов, 1990), в то время как в последних классификациях эукариот они отнесены к царству Archezoa Haeckel, 1894 (Corliss, 1994) или возвышены до ранга одного из царств (Кусакин, Дроздов, 1994; Hui Ismann, Hausmann, 1994).

Помимо теоретического микроспоридии имеют большое практическое значение. Широко распространенные в природе, они принимают непосредственное участие в регуляции численности многих наземных и водных беспозвоночных и рыб, вызывают заболевания лабораторных животных, кроликов, пушных зверей и собак. Случаи нахождения микроспоридий у человека, ранее единичные, в последние годы значительно увеличились, особенно среди больных СПИДом, что привлекло внимание к этим паразитам медицинских работников.

К настоящему времени описано около 1300 видов микроспоридий, относящихся к 140 родам (Исси, 1986; Larsson, 1988; Sprague, Весне 1, Hazard, 1992). Подавляющее число видов (около 800) найдено в насекомых, имеющих сельскохозяйственное или медико-ветеринарное значение. Объясняется это в первую очередь интенсивным поиском эн-томопатогенов вредных видов насекомых в целях возможного их использования для создания средств биологической борьбы. Принимая во внимание, что исследованиями охвачен очень небольшой процент видов насекомых от действительного их количества (более 1 миллиона), а также то, что микроспоридии паразитируют в таких богатых видами группах животных как рыбы, ракообразные и олигохеты, можно предположить, что реальное число видов микроспоридий может колебаться от сотен тысяч видов до нескольких миллионов. Практика показывает, что в процессе многих паразитологических исследований наличие заражения микроспоридиями хозяев часто игнорируется из-за их мелких размеров и трудностей идентификации. Таким образом, фаунистические исследования микроспоридий находятся по существу на начальном этапе. В связи с этим, подготовленные за все время изучения этих паразитов 2 определителя видов мировой фауны (Kudo, 1924; Sprague, 1977) отражают в настоящее время скорее исторические этапы в изу-

чении микроспоридий, нежели реальное число уже описанных видов и их систематическое разнообразие.

Более современные сведения содержатся в ряде монографий, которые носят либо общий характер и дают оценку микроспоридиям как типу эукариот (Исси, 1986), либо посвящены строению и систематике этих паразитов (Larsson, 1986с, 1988). В недавно вышедшей работе американских исследователей дано не только описание всех типовых видов микроспоридий, но и предпринята попытка создания системы микроспоридий на принципиально новой основе, учитывающей хромосомные циклы этих простейших (Sprague, Becnel, Hazard, 1992). Помимо обзоров, рассматривающих биологию и систематику микроспоридий в целом, имеются сводки по микроспоридиям - паразитам отдельных систематических групп хозяев: насекомых (Weiser, 1961), кровососущих двукрылых (Дубицкий, 1978), ракообразных (Воронин, 1986а), трематод (Шигина, 1986), плоских червей (Canning, 1975), слепней (Быкова, Исси, 1991), мошек (Исси и др., 1991), позвоночных (Гробов и др., 1983; Canning, Lorn, 1986). Сведения о микроспоридиях хироно-мид суммированы в работах французских и шведских исследователей (Coste — Math i ez, Tuzet, 1977; Bylen, 1994), а данные по ветвистоу-сым рачкам обобщены Грином (Green, 1974). Специального обзора по микроспоридиям рыб опубликовано не было, однако, сведения о них содержатся в определителе паразитов пресноводных рыб фауны СССР (Исси, Воронин, 1984) и в работах по микроспоридиям позвоночных (Гробов и др., 1983; Canning, Lorn, 1986).

Приведенный перечень работ создает впечатление достаточно интенсивного изучения биологии, систематики и видового состава микроспоридий. Однако, при ближайшем рассмотрении становится очевидно, что большинство работ, за немногим исключением, значительно

устарело, что связано с коренным изменением методов исследования этих паразитов. Изучение микроспоридий только на светооптическом уровне давно исчерпало свои возможности из-за их крайне мелких размеров. Электронномикроскопический метод исследования произвел настоящую революцию в плане познания морфологии микроспоридий и, соответственно, изменил таксономические критерии всех уровней, а также позволил более точно диагносцировать виды. Современную тенденцию в переходе изучения микроспоридий со светооптического на электронномикроскопический уровень знаний достаточно убедительно демонстрируют данные из обзора Ларссона (Larsson, 1986с). Так, если в период с 1960 по 1964 год только один вид из 49 новых (1/49 или 2%) был описан на ультратонком уровне, то в последующие годы наблюдалась следующая статистика: 1965-1969 гг. - 7/58 (12,1%), 1970-1974 гг. - 11/64 (17,2%), 1975-1979 гг. - 37/98 (37,8%), 1980-1983 гг. - 44/80 (55,0%) и 1984г. 19/23 (82,6%). Основоположниками пересмотра системы микроспоридий с учетом ультратонких характеристик стадий спорогонии стали американские исследователи, которые, проведя широкую ревизию Thelohania-подобных микроспоридий, создали на основе одного рода 8 новых родов и новое семейство (Hazard, Oldacre, 1975).

Новые методы в изучении микроспоридий позволили не только установить единую схему их организации, но и вскрыли огромное разнообразие в деталях строения трофических стадий и спор, в характере взаимоотношений с клеткой хозяина, подтвердили наличие мейоза и т.д. Все эти данные заложили основу для пересмотра системы микроспоридий в целом. Интерес к этой проблеме привел к появлению за короткий отрезок времени двух новых систем микроспоридий (Исси, 1986; Sprague, Becnel, Hazard, 1992), которые значительно различа-

ются между собой. Это свидетельствует о наличии многих спорных моментов в таксономических проблемах, которые требуют своего решения.

Обобщая вышесказанное, можно заключить, что в настоящее время исследования микроспоридий, получившие новый импульс в результате внедрения в биологию разнообразных современных методов, находятся на значительном подъеме. В этих условиях изучение микроспоридий гидробионтов приобретает особую актуальность. Подобное утверждение базируется на ряде положений. Во-первых, до последнего времени изучение микроспоридий гидробионтов всех уровней организации (за исключением личинок кровососущих насекомых) велось спорадически, и поэтому данные как по фауне микроспоридий, так и по особенностям их паразите-хозяинных отношений остались фрагментарными. Во-вторых, именно микроспоридии гидробионтов, из-за древности происхождения многих видов в сочетании с их биологическим разнообразием, могут послужить основой для выяснения наиболее интересных начальных этапов эволюции и филогении этих паразитов. Кроме того, разный уровень организации гидробионтов, от простейших до позвоночных включительно, дает уникальную возможность для сравнительного анализа паразите-хозяинных отношений сразу на 3-х уровнях: клеточном, организменном и популяционном. Уникальные свойства микроспоридий гидробионтов как модельных организмов теоретической паразитологии в сочетании с их практической значимостью послужили основанием для проведенных нами исследований.

Таким образом, цель данной работы состояла в восполнении существующего пробела в познании распространения микроспоридий у гидробионтов и их регулирующей роли в естественных биоценозах, в изучении видового разнообразия, а также особенностей паразите-хо-

зяинных отношений и филогении в зависимости от уровня организации хозяев.

Конкретные задачи работы включали:

1. Изучить распространение микроспоридий у беспозвоночных и рыб, составляющих основу пресноводного биоценоза.

2. Описать ультратонкую морфологию и идентифицировать обнаруженные виды микроспоридий современными методами исследований, определить их место в системе типа М1сгоБрог1сЛа.

3. Выявить основные ультраструктурные особенности микроспоридий гидробионтов, дать их таксономическую оценку и на этой основе провести критический анализ существующих систем типа М1сгоБрог1-сЦа.

4. Дать широкий экологический анализ паразито-хозяинных отношений микроспоридий и их хозяев на 3-х разных уровнях: клеточном, организменном и популяционном. Оценить особенности защитных реакций хозяев разных уровней организации на инвазию микроспоридиями.

5. Рассмотреть филогению микроспоридий с позиций их коэволюции с хозяевами.

Данная работа выполнялась в лаборатории болезней рыб Госу-дарстенного научно-исследовательского института озерного и речного рыбного хозяйства (ГосНИОРХ). Автор благодарен д.б. н. Ю. А.Стрелкову, к.б.н. 0. Н. Юнчису и всем остальным сотрудникам лаборатории за постоянную помощь и содействие в работе, а также сердечно признателен за постоянные ценные советы и консультации д.б.н. И.В.Исси, д. б. н. 0. Н. Бауеру и многим другим коллегам и друзьям.

Глава 1. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКИ

Работа выполнялась с 1971 по 1997 гг. на разнотипных пресноводных водоемах России. Основной сбор материала проводился автором в Ленинградской области (рис. 1), в первую очередь на оз. Врево Лужского р-на, которое стало модельным водоемом для изучения распространения микроспоридий в основных группах гидробионтов в разные сезоны на протяжении многолетних наблюдений. Менее регулярными, но также многолетними исследованиями были охвачены как крупные водоемы (Невская губа Финского залива, Ладожское озеро в районе Волховской губы, оз. Долгое Сланцевского р-на), так и многочисленные пруды, небольшие озера и ручьи, расположенные в С.Петербурге и его окрестностях, в первую очередь в р-нах расположения пос. Ропша Ломоносовского р-на и ж/д станций Можайское, Кавголово, Вырица и Ва-ганово. Реже сбор материала осуществлялся в разнотипных водоемах, расположенных в Псковской (оз. Ученое Пустошкинского р-на), Вологодской (оз. Кубенское), Тульской (водоем-охладитель Суворовской ГРЭС), Костромской (водоем-охладитель Костромской ГРЭС и пруды в окрестностях пос. Волгореченск), Ярославской (Рыбинское водохранилище и пруды в р-не пос. Борок), Кемеровской (водоем-охладитель Беловской ГРЭС) областях, в водоемах Карельской АР (Сямозеро и Гомсельгские малые лесные озера) и реках южной части о. Сахалин.

В перечисленных выше местах, за исключением оз. Врево, сбор материала обычно производился при исследовании зараженности определенной систематической группы хозяев. Так, в Невской губе, Ладожском озере, Сямозере и реках Сахалина объектом исследования в основном были разные виды рыб (Воронин, 1974а, б; 1983а; Исси, Воронин, 1984; Вялова, Воронин, 1987), в 15-и различных водоемах Ленинградской и Псковской областей - широкопалый речной рак (Воро-

Условные обозначения: Места сбора материала по микроспоридиям: ж - рыб;

■ - речных раков;

• - низших

ракообразных;

♦ - хирономид.

|оз. вревор Рис 1 карта Ленинградской области с указанием места сбора

материала

нин, 1971, 1972, 19896), в 6-и ручьях Ижорской возвышенности - бо-коплав СаттагиБ ри1ех (Воронин, 1986а, б), а в большинстве небольших озер, прудов и рек - низшие ракообразные (Воронин, 1977, 1986а, 19936). Специфика сбора материала по микроспоридиям личинок хирономид состояла в том, что сравнительно небольшое число проб было лично добыто автором в полевых условиях (Воронин, 1975, 1979, 19916, 1993а), в то время как большая часть изученных личинок хирономид приобреталась на рынке (продаваемых как корм для рыб), но при этом запрашивалась информация об области и районе добычи продаваемого мотыля (Воронин, 1975, 1979; Исси, 1986).

Полевые исследования. Как уже отмечалось, стационарным и постоянным в течение многих лет местом сбора материала по микроспоридиям рыб и водных беспозвоночных было оз. Врево, принадлежащее к бассейну реки Луги. Это слабопроточное озеро, общей площадью около 2000 га и длиной 14 км. Оно разделено искусственной плотиной на две почти равные части: Верхнее Врево и Нижнее Врево. Береговая линия озера изрезана незначительно. По химическим показателям воды оз. Врево относится к гидрокарбонатно-кальциевому водоему со средней величиной минерализации. Высшая водная растительность распространена главным образом в защищенных мелководных участках озера и занимает примерно 10% площади водоема. Фауна низших ракообразных исключительно разнообразна и представлена многочисленными видами кладоцера и копепода. Имеются представители реликтовой фауны. Максимальная биомасса планктона - 0. 48 г/м. Затишная литораль - наиболее богатая по бентосу зона озера. Фауна донного ила однообразна и представлена олигохетами, моллюсками и хирономидами. Наиболее высокий уровень биомассы приходится на сентябрь. При этом Верхнее Врево глубоководное (максимальная глубина 46 м, средняя - 13 м),

менее эвтрофированное, с преобладающими песчано-илистыми грунтами. Прозрачность воды зимой составляет 4-5, летом 2.5-3.5 м. Зона температурного скачка в начале лета находится на глубине 4-5 м, а в июле - августе приблизительно на 8.0-8. 5 м. Температура поверхностного слоя воды в �