Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние концентрации кислорода на особенности метаболизма и локомоции планктонных ракообразных Moina micrura Hellich (Cladocera) и Calanus euxinus Hulsemann (Copepoda)

ВАК РФ 03.00.17, Цитология

Автореферат диссертации по теме "Влияние концентрации кислорода на особенности метаболизма и локомоции планктонных ракообразных Moina micrura Hellich (Cladocera) и Calanus euxinus Hulsemann (Copepoda)"

НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ ЮЖНЫХ МОРЕЙ им. А. О. КОВАЛЕВСКОГО

Р г Б ОД

ГУБАРЕВА

Елена Сергеевна 1 ^ ФЕ8 2000

УДК [595.324:595.34]:591.05:591.173:551.464.621

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ КИСЛОРОДА НА ОСОБЕННОСТИ МЕТАБОЛИЗМА И ЛОКОМОЦИИ ПЛАНКТОННЫХ РАКООБРАЗНЫХ Мота паагига НеШсЬ (С1ас!осега) и СЫапих еихтш НиЬетапп (Сорероёа)

03.00.17 - гидробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Севастополь - 2000

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Институте биологии южных морей им. А.О. Ковалевского HAH Украины, г. Севастополь.

Научный руководитель: доктор биологических наук,

член-корреспондент HAH Украины, профессор, Шульман Георгий Евгеньевич, заведующий отделом ЙнБЮМ

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

старший научный сотрудник, Павлова Елизавета Викторовна, ведущий научный сотрудник ИнБЮМ

кандидат биологических наук, Киселева Галина Александровна, доцент Таврического национального университета им. В.И. Вернадского

Ведущая организация: Харьковский государственный университет,

биологический факультет, Министерство образования Украины, г. Харьков

Защита диссертации состоится « a^scX/O Тс? 2000 г. в Д^^часов

на заседании специализированного ученого совета Д 50.214.01 при Институте биологии южных морей HAH Украины, адрес: 99011, г. Севастополь, пр. Нахимова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института биологии южных морей HAH Украины, адрес: 99011, г. Севастополь, пр. Нахимова, 2.

Автореферат разослан «У^ »<2000 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат биологических наук ^ Неврова Е.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изучение механизмов адаптации организмов к абиотическим факторам среды обитания является одной из фундаментальных задач современной гидробиологии. Концентрация растворенного кислорода, наряду с температурой и соленостью воды, оказывает существенное влияние на видовой состав, численность и распределение водных организмов. Наличие кислородных экстремумов характерно как для замкнутых, мелководных водоемов, так и глубоководных районов Мирового океана (Степанов, 1983). Многие гидробионты обладают выраженной окситолерантностью. Так, среди планк- . тонных ракообразных отмечены популяции, развивающиеся в промежуточных, обедненных кислородом слоях Тихого океана (Childress, 1975, 1977; Osgood, Checkley, 1997). В субанаэробном слое Черного моря, расположенном над сероводородной зоной, образуют агрегации планктонные Copepoda (Виноградов, 1997). Способность переносить низкие концентрации кислорода характерна и для многих видов отряда Cladocera (Ивлева, 1981).

Имеющиеся представления о механизмах адаптации гидробионтов к гипоксии (Хочачка, Сомеро, 1977; Шмидг-Ниельсен, 1982; Савина 1992) сложились в результате экспериментального исследования, главным образом, рыб, высших ракообразных н моллюсков.

Особенности адаптивной реакции на гипоксию у планктонных ракообразных исследованы недостаточно. Кроме пороговых значений концентраций кислорода, переносимых отдельными видами рачков (Никитин, Мальм, 1932; Longhurst, 1967; Flint, Drits, Pasternak, 1991; Stalder, Marcus, 1997), имеются лишь отрывочные сведения о кислородной зависимости их общего энергетического обмена (Heisey, Porter, 1977; Omori, Ikeda, 1984; Vinogradov et al., 1992). Вместе с тем для понимания процесса адаптации необходимы знания об изменениях активного и базального обмена, роли отдельных энергетических субстратов. Показано, что при краткосрочной гипоксии обычный для планктонных ракообразных смешанный, белково-липидный тип использования энергетических субстратов (Раймонг, 1988) меняется на исключительно белковый (Шульман и др., 1992,1993; Светличный и др., 1994; Shulman, Love, 1999). Важно установить, могут ли организмы длительно существовать в условиях гипоксии только за счет катаболизма белка.

Проблема выживания в условиях гипоксии не исчерпывается вопросами физиологической адаптации. Планктонные ракообразные способны концентрироваться в слоях с предпочитаемыми концентрациями кислорода (Флинт, 1989), что указывает на необходимость изучения их приспособительной реакции на уровне поведения. В целом, актуальность таких исследований, дающих представление об адаптационном потенциале планктонных рачков, обусловле-

на происходящим в последнее время уменьшением численности и видового состава организмов пелагиали Черного моря, связанным с его антропогенным загрязнением (Виноградов и др., 1992).

Диссертационная работа выполнена как часть госбюджетных тем отдела физиологии животных ИнБЮМ НАНУ № 01.9.10.056168 (1991-1995 г.г.) "Эко-лого-физиологические и физиолого-биохимические основы существования животных в сообществах и экосистемах Черного моря" и № 0196U022102 (19961998 г.г.) "Метаболические основы существования массовых видов беспозвоночных и рыб в условиях меняющегося режима Черного моря".

Цель и задачи исследования. Цель работы, состояла в выявлении особенностей метаболической и двигательной реакции на изменение концентрации кислорода у планктонных ракообразных, имеющих разную экологическую специализацию.

6 связи с этим в задачи исследования входило изучение кислородной зависимости следующих функциональных характеристик рачков:

- общего, базального и активного энергетического обмена;

- интенсивности экскреции аммонийного азота;

- соотношения основных субстратов энергетического обмена;

- параметров локомоторной активности и поведения.

В качестве объектов исследования использованы: а) неакклимированные "бледные" и акклимированные к гипоксии, содержащие повышенное количество гемоглобина "красные" самки эпилимнитических Maina micrura Hellich (отряд Cladocera), обитающих в нестабильных, осолоненных лиманах Черного моря; б) самй! и V копеподиты батипелагических Calamts euxinus Hulsemann (отряд Copepoda), принадлежащие к двум экогруппам: совершающей суточные вертикальные миграции в гипоксические слои Черного моря и находящейся там в состоянии диапаузы.

Научная новизна полученных результатов. Впервые выполнено комплексное исследование влияния концентрации растворенного в воде кислорода на интенсивность энергетического и азотистого метаболизма, а также поведение черноморских М. micrura к С euxinus.

Показано, что кратковременное переживание и длительное обитание в условиях гипоксии основаны на разных стратегиях адаптации энергетического обмена и утилизации субстратов метаболизма.

У неаюслимированных к дефициту кислорода М. micrura срочная гипоксия вызывает снижение интенсивности метаболизма, главным образом, за счет резкого уменьшения активного обмена. При этом обычный для нормоксии смешанный белково-липидный тип катаболизма меняется на исключительно белковый, осуществляемый преимущественно анаэробным путем. Долговременная акклимация к гипоксии, происходящая благодаря увеличению кислородной ем-

кости крови, позволяет моинам поддерживать активный обмен на уровне, достаточном для осуществления жизненных функций, и использовать в энергетическом обмене смешанные белково-липидные субстраты.

У С. еихитз, испытывающих периодическое понижение концентрации кислорода в ходе суточных вертикальных миграций, недостаток кислорода вызывает снижение общего, базального и активного энергетического обмена, но не влияет на интенсивность экскреции аммонийного азота. Основным субстратом энергетического обмена в условиях дефицита кислорода у них также становится белок, преимущественно утилизируемый в процессах активного обмена. Длительное переживание гипоксии в состоянии, близком к диапаузе, происходит • благодаря снижению метаболической и локомоторной активности и резкому понижению уровня аммонийной экскреции, приводящему к восстановлению примерно равного соотношения белка и липидов в катаболических процессах.

Впервые установлены количественные закономерности влияния низких концентраций кислорода на механические параметры локомощш моин и каля-нусов, проявляющиеся в увеличении длительности локомоторных актов, снижении силы тяги, создаваемой плавательными конечностями, частоты и мощности их действия. Вместе с тем показана способность рачков к компенсаторному увеличению общей продолжительности плавания.

Практическое значение полученных результатов. Данные по влиянию концентрации кислорода на метаболизм и параметры локомоторной активности моин и каля ну сов имеют практическое значение для продукционно-энергетических оценок развития популяций планктонных ракообразных в переменном кислородном режиме и в целом расширяют возможности применения математических моделей для прогностического описания морских экосистем.

Использованный в работе подход одновременного наблюдения за динамикой энергетического и азотистого обмена, а также поведенческой реакцией ракообразных на уменьшение концентрации кислорода может быть использован при разработке новых методов тестовых исследований ПДК вредных веществ (тяжелых металлов, пестицидов, нефтепродуктов и т.п.), блокирующих окйсли-тельно-восстановительные процессы в тканях животных.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались автором на се-, минарах отдела физиологии животных ИнБЮМ (1993-1998 г.г.), XXXI Европейском Симпозиуме по морской биологии (г. Санкт-Петербург, Россия, 9-13 сентября 1996 г.), II Съезде Гидроэкологического Общества Украины (г. Киев, Украина, 27-31 октября 1997 г.), XVI Балтийском Симпозиуме Морских Биологов (г. Клайпеда, Литва, 21-25 июня 1999 г.) и были представлены на II Европейской Конференции по ракообразным (г. Льеж, Бельгия, 2-6 сентября 1996 г.), II Международном Симпозиуме «Диапауза у ракообразных» (г. Гент, Бельгия, 24-29 августа 1997 г.), 1У Международном Конгрессе по ракообразным (г. Ам-

стсрдам, Нидерланды, 20-24 июля 1998 г.), XXXII Европейском Симпозиуме по морской биологии (г. Вилхелмсхафен, Германия, 7-11 сентября 1998 г.).

Публикации. Результаты диссертационной работы полностью опубликованы в 14 научных работах (1 - без соавторов), в числе которых 4 статьи в научных специализированных изданиях, рекомендованных ВАК Украины, и зарубежных изданиях, а также 10 тезисов докладов в материалах международных и региональных конференций.

Личный вклад соискателя. Опыты по дыханию и аммонийной экскреции М. mientra и C.euxinus, статистическая обработка, анализ и обобщение экспериментальных данных выполнены автором самостоятельно. Опыты по локомоторной активности ракообразных проведены совместно с к. б. н. JI. С. Свеггличным.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из вступления, 4 разделов, выводов и списка использованных источников. Текст содержит 6 таблиц и 26 рисунков.. Список использованных источников включает 294 наименования, в том числе иностранных-191.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

В обзоре представлен анализ литературы, посвященной влиянию некоторых биотических и абиотических факторов (массы тела,, температуры, концентрации кислорода, потребления пищи, голодания, функциональной подвижности) на энергетический обмен, экскрецию аммонийного азота, использование. метаболических субстратов и двигательную активность ветвистоусых и веслоногих ракообразных. Показано, что адаптации к дефициту кислорода направлены на усиление его поглощения из воды или на изменение распределения в организме, повышение эффективности использования доступного кислорода, изменение путей метаболизма.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Эксперименты выполнены в период с 1993 по 1996 г.г.: а) на самках М. mientra, неаюслимированых к гипоксии, выращенных в насыщенной кислородом воде, и акклимированных к гипоксии путем длительного содержания в культуре при концентрации кислорода ~1.4±0.5 мг л-1; б) на самках и копеподитах (активных и диапаузирующих на пятой стадии развития) Ceuxinus, собранных в открытых районах Черного моря. Учитывая особенности экологии калянусов,

самок этого вида собирали днем с глубины 80-200 м, а ночью - в поверхностных слоях моря. Мигрирующих копеподитов ловили ночью у поверхности, а диа-паузирующих копеподитов - в это же время у нижней границы аэробной зоны моря.

У моин и калянусов при постоянных значениях температуры (соответственно 18.0 и 8.0°С) исследовано-влияние концентрации растворенного в воде кислорода на интенсивность потребления кислорода мкг О2 мг1 сырой массы ч1) и экскреции аммонийного азота (Ем, мкг МШ-И мг1 сырой массы ч-'), атомное отношение 0:Н, характеризующее использование метаболических субстратов, частоту локомоторных актов (Р, Гц); силу тяги, развиваемую конечно- • стями (Я, дин); общее время, затраченное на движение (Т, % времени наблюдения). Объем полученного материала представлен в таблице 1. ■

Интенсивность дыхания и экскреции определяли по относительному изменению концентрации кислорода и аммонийного азота в опытньк (с животными) и контрольных цельностеклянных шприцах объемом 2.5 мл. В каждый опытный шприц помещали в среднем по 10 активных и до 20 наркотизированных М. ткгига, 3-5 активных и до 10 наркотизированных V копеподитов С. еихтш, а также 2-3 активных и 5-7 наркотизированных самок калянусов. Экспозиция составляла около 3 часов. Для'достижения нужной концентрации кислорода воду, фильтрованную через мембранный фильтр «БаЛопш» с диаметром пор 0.8 мкм, продували газообразным азотом.

Концентрацию кислорода определяли при помощи оксиметра с импульсным гальваническим датчиком и измерительной камерой (Светличный, Уман-ская, 1991), вводя в нее пробу воды четырьмя порциями через иглу шприца. Эту же пробу использовали затем для определения содержания аммонийного азота по методу Сэдаси-Солорзано (Отоп, 1ке<1а, 1984).

Базальный обмен определяли путем наркотизации: моин - 1% раствором уретана, а калянусов - курареподобным мышечным релаксантом дитилином; Подготавливаемых к опыту особей содержали в воде с наркотантами вплоть до полного прекращения движения конечностей, но сохранения сердечных сокращений.

Механические параметры локомоции исследовали у рачков, прикрепленных к датчику силы (Светличный, 1990). Концентрацию кислорода в опыте понижали ступенчато (5-6 раз) в течение 60-120 мин, до тех пор, пока животные не начинали впадать в оцепенение. В течение этого времени выполняли непрерывную регистрацию их активности на ленте самописца и периодическую - на компьютерном накрпителе информации. Полученные данные, подвергнутые стандартному статистическому анализу, представлены в виде средних величин и их отклонений (х±БО).

Таблица 1

Характеристика материала исследования

Вид Пол, стадия-развития Физиоло-' гическое состояние Период исследований Тсупе-ратура содержания, "С Конц. Ог в культуре*1» и в среде эбитанияй мг'л-' Конц. Ог в условиях опыта, мг'л-1 Количество опытов

Q Ем 0:N F R T'.

Moina micrura Самки Неаккли-мированные Х1/94-Х/95 18±1 8-10") 0.32-8.35 •104 100 100 20 20 20

С^мки Акклими-рованные П-Х/95 18±1 1.4±0.5"> 0.16-10,4. 103 87 67 98 98 95

Самки Наркотизированные Х/95 18±1 1.4; 8-10(0 0.30-9.89 60 63 60 -- -- -

Calanus euxinus самки Мигрирующие Х1/94-1У/96 8±0.5 0.5-10.4® 0.38-10.36 53 46 41 92 83 oo oo

V копеподиты Мигрирующие Х1/94-1У/96 8±0.5 0.5-10.4(2) 0.53-10.2 60 50 47 83 77 77

V копеподиты Диапаузи-рующие Х-Х1/96 8±0.5 0.3-0.5(2) 0.23-8.8 78 16 16 55 - 20

Самки и V копеподиты Наркотизированные Х-Х1/96 8±0.5 0.5-10.4») 0.53-4.8 36 32 32 - « --

Примечание.

(2 - интенсивность дыхания; EN - интенсивность экскреции аммонийного азота; СШ - атомное отношение потребленного кислорода к экскретированному азоту; И - частота локомоторных актов; Я - сила тяги» создаваемая плавательными конечностями; Т- продолжительность локомоции.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Особенности адаптации к гипоксии у Moina micrura (Ciadocera). В насыщенной кислородом воде интенсивность общего энергетического обмена М. micrura (рис. 1, А, Б) в среднем равна 1.39 мкг О2 мг1 ч-' у неакклимированных (Мм) и 0.92 мкг Ог мг1 ч-' - у акклимированных к гипоксии (М.) особей. Минимальная концентрация О2, при которой сохраняется двигательная активность, составляет у них 0.4 и 0.2 мг л-1 соответственно. В диапазоне от максимальной величины (~10 мг л1) до этих конценграций Ог интенсивность общего обмена (Qt) у Мм уменьшается в 18.5, а у Ма - в 6.5 раза. Хотя М* проявляют зависимый тип' обмена, диапазон переносимых ими концентраций кислорода шире, а общий энергетический обмен в условиях гипоксии (0.4-0.5 мг Ог л-1)'8 6.2 раза превышает обмен Мм. 4

В отличие от общего обмена, характер изменения и абсолютные величины базального обмена (Qb), определенные у наркотизированных особей из двух субкультур, оказались близки (рис.1, В). В исследованном диапазоне концентраций кислорода они уменьшаются в среднем от 0.33 до 0.053 мкг Ог мг1 ч1.

Активный обмен (Q»), рассчитанный по разнице между средними значениями общего и базального обмена, при понижении концентрации О2 от 7.8 до 0.47 мгл-1 уменьшается в 80 раз у Мм и лишь в 1 .о раза - у Ма (рис.1, Г)- При

<N

О

(О §

о.

о с о

S X

о '

S X

ю с; ю

<в

о

с

1.0 -J

0.1

1.0 -i

0.1

В

0.1

1.00 -4

о.ю -

■ I I I INI-1-1 I I ! I

1.00 -4

-ff' ^ 0.10 -=j

"T"

ГТТТЛ 0.01

0.2 0.5 Л n 2.0 5.0 „

ТП-1-1 I II IUI

?

1

0-1 •-2

4

-1—1 1 111 и

0.2 0.5 4 „ 2.0 5.0

1.0 э и10.0 0.1 " " • и э 1.0' Концентрация кислорода, мг л

10.0

Рис. 1. Влияние концентрации кислорода на общий (А,Б), базальный (В) и активный (Г) энергетический обмен Мота т/сгига. 1- неакклимированные к гипоксии, 2- акклимированные к гипоксии.

этом у М, в условиях гипоксии Q» оказывается в 31 раз выше, чем у Мш. В насыщенной кислородом воде Qt в 2.6-3.4 раза превышает Qb, что близко отношению общего обмена к базальному у Daphnia magna Straus и Simocephalus vetulus (O.F. Müller), достигающему 2-4 по данным Т. Г. Филипповой и A. JI. Постнова (1988) и 1.4-4.1- по данным М.Б. Ивановой и Р. 3. Клековского (1972).

Таким образом, высокий уровень общего энергообмена акклимированных моин в условиях гипоксии обусловлен относительно слабой зависимостью их активного обмена от концентрации кислорода.

Оценка структуры активного обмена, выполненная на основании измерения механических параметров локомоции особей, прикрепленных в воде к датчику силы, показала; что в оптимальных условиях траты метаболической энергии на локомоцию (Qi) составляют около 3% активного обмена. При уменьшении концентрации Ог сила тяги, создаваемая плавательными конечностями, понижается в 2 раза, а продолжительность локомоции возрастает в 2.7 раза при 1.1 мгОг л-' и резко снижается в условиях сублетальной гипоксии. При этом доля (Qi) в активном обмене у Мм возрастает до 80%, а у М, - только до 13%. По-видимому, акклимация к гипоксии позволяет моинам сохранять запас мощности, необходимый для осуществления фильтрацинного питания.

• Интенсивность экскреции аммонийного азота (En), достигающая 0.079 у М«а и 0.056 мкг NH3-N мг1 ч-' у Мш, понижается соответственно в 4.2 и 2.7 раза (рис.2). У наркотизированных моин отмечено относительно небольшое изме-

0.10 -

£

I 0.01 -d

z

■

оо I z

| 0.01

<0 CL

О

Ьй

О

0.10 -

0.01 -

I I I I IIIII " I I 1 I 11111

Б

I I I 111 in I iiiii

В

i °-10

Т-1 I 1 11ГГ|-1—I I I иг

о—1 •-2 0.01 d

Г

©

"Г

—I I I пи

0.1 0 2 0 5 1.0 2 0 5 010.0 0.1 02 0 5 1 0 2 0 5 010.0 Концентрация кислорода, мг л

Рис. 2. Интенсивность экскреции, относящаяся к общему (А,Б), базальному (В) и активному (Г) обмену Мапг тюгига. 1 - нгакклимированные, 2 - аюслимированныа.

I—I

нение Еы, тогда как экскреция, относящаяся к активному обмену, снижается в большей степени - п 8.9 раз у Мм и в 2.$ раза у М«.

Среднестатистические величины 0:Ы у М„ и Мщ, при нормоксических концентрациях О2 варьируют в пределах 14.6-24.8 (рис.3), что характерно для

50*1

О

'я>

<и 3

0

1

50

20 10 5

2 ^

1

50 □

20 -10 = 5 |

2 -1

?

—

-1-1 I II М1|

/ / I

-гАгтт

0.5 10 2.0

10.0 0.1

0.2

0.5 102.0 Концентрация кислорода, мг л

■ 1111 и| 5.0

10.0

Рис. 3. Атомное отношение 0:М, характеризующее общий (А,Б), базальный (В) и активный (Г) обмен Мота т'югига. 1 - неакклимированные, 2 - акклимированные.

смешанного, белково-липидного типа катаболизма (1ке<3а, 1974; Раймонт, 1988). При уменынешш содержания Ог ниже критического уровня, равного примерно 0.5 мг л-1 у М, и 1.5 мг л-' у Мп», величины СШ достоверно (р<0.01) снижаются у них от 20.2 до 8.5 и от 23.4 до 5.0 соответственно. Это свидетельствует о том, что в условиях острого дефицита кислорода катаболизм моин осуществляется только за счет белка, причем большая его доля (до 64%) у Мм используется анаэробно.

У наркотизированных моин показатель 0:Ы в пределах диапазона толерантных концентраций кислорода меняется в среднем от 37.5 до 8.5 независимо от степени акклимации рачков. Основные акклимационные изменения атомного отношения 0:Ы проявляются в активном обмене моин. У неакклимирован-ных особей 0:Ы резко снижается от 19.1 до 1.1, указывая на то, что при сублетальных концентрациях кислорода их активный обмен на 90% осуществляется

за счет анаэробного использования белка. Напротив, у акклимированных особей индекс 0:N возрастает до 26, что соответствует смешанному, белково-липндному типу катаболизма.

Особенности адаптации к гипоксии y Calanus euxinus (Copepoda). Интенсивность дыхания самок и мигрирующих копеподигов на пятой-стадии развития (CVA) не имеет достоверных отличий, что позволило рассматривать их как единую экологическую группу. Общий обмен калянусов из этой экогруппы при высоких и средних концентрациях кислорода меняется слабо, в пределах 0.4-0.5 мкг 0¿ мг1 ч1 (рис. 4). Однако, в диапазоне низких концентраций Ог (2.3-0.8

I"" I"I 4 I I J' I III VVI I I 1"" I I J It'll J I 1 II П"Г IJ

0.6 0.9 2.0 5.0 0.60.9 2.0 5.0

1.0 10.0 1.0 10.0.

Концентрация кислорода, мг л"

Рис. 4. Влияние концентрации кислорода на энергетический обмен . мигрирующих самок и V копеподитов (А) и диапаузирующих V копеподитов (Б) Calanus euxinus.

1 -общий обмен, 2-базальный обмен, 3-активный обмен.

мг л—') кислородная зависимость обмена резко усиливается, так же, как это было отмечено в опытах С. Маршалл и А. Opp (Marshall, Orr, 1972). При этом интенсивность дыхания у них достоверно (р<0.001) понижается до 0.19 мкг О2 мг1 я-'. В целом, в пределах толерантного диапазона концентраций кислорода обмен мигрирующих рачков снижается в 2.6 раза.

У копеподитов, диапаузиирующих (CVd) в гипоксических слоях при 0.3-0.5 мг О2 л-1 (Флинт, 1989), общий обмен меняется в среднем в 3.1 раза, что совпадает с результатами экспериментов, выполненных М. Е. Виноградовым с соавторами (1992), однако его уровень достоверно (р<0.01) в 1.7-2.2 раза ниже, чем у мигрирующих калянусов.

У наркотизированных CV* и самок при уменьшении концентрации растворенного кислорода интенсивность дыхания снижается примерно в 4 раза. В среднем она в 2-5 раз ниже, чем у интактных активных особей. Зона независи-

га Ч о

CL О '

0.50-

X '

ж 0) s X

си с; ю си

CL

е=

СМ

О

А

0.20-

0.1СН 0.06:

0.03-

0.50;

, L А -

^ "0 0.20-

0.10т

в-1 0.06:

D-2 ;

Д-з 0.03-

Б

мого типа обмена у них не зыражена.

Активный обмен, рассчитанный так же, как у М. nv.crura, по разнице между интенсивностью дыхания интактных и наркотизированных особей, при изменении концентрации кислорода от 9.3 до 0.64 мг л-1 понижается в 2 раза, от 0.3 до 0.15 мкг О2 мг1 ч1. При этом его доля в общем энергетическом обмене возрастает от 60% в условиях нормоксии до 93% при гипоксии.

Поскольку равномерное плавание-за счет гребков ротовыми придатками является основным способом поступательного движения калянусов (Павлова, 1987), особый интерес представляет адаптивная реакция на уровне этого типа локомоции.

Исследования особей, закрепленных на датчике силы, показали, что при понижении концентрации Ог частота ритма локомоции достоверно (р<0.001) уменьшается в 1.9-2.2 раза, а сила тяги, создаваемая ротовыми придатками - в среднем в 2.2 раза. Наоборот, время, затрачиваемое рачками на локомоцию, в гипоксических условиях возрастает и при 1.0 мгОг л-' движение мигрирующих особей становится почти непрерывным. По-видимому, такой поведенческий ответ является средством компенсации снижения скорости плавания при гипоксии.

Интенсивность экскреции аммонийного азота у исследованных CVa и самок незакономерно варьирует в пределах 0.022-0.04 мкг NHs-N мг1 ч*1 (рис. 5, А). У наркотизированных особей экскреция достоверно (р<0.001) понижается

0.050 -

| 0.020

? 0.010 -4 «о

I 0.005 :

к

S

| 0.002 н

| 0.001

•г? 1.0

10.0

0.8 1.0

10.0

Концентрация кислорода, мг л'

В

-1

0.8 1.0

3.0

•-5 о—6

ГГТТТТ) 10.0

Рис. 5. Интенсивность экскреции аммонийного азота (А,Б) и атомное отношение 0:N (В) у Calanus euxinus. А: экскреция в общем обмене мигрирующих (1) и диапаузирующих (2) рачков. Б: экскреция в базальнсм (3) и активном (4) обмене мигрирующих особей. В: отношение 0:М, характеризующее общий обмен мигрирующих (5) м диапаузирующих (6) рачков.

i 11 > 11

от 0.013 до 0.0045 мхг ЫНз-N мг1 ч.1, тогда как экскреция, относящаяся к активному обмену, немного возрастает от 0.018 до 0.022 мкг ЫНз-N мг1 ч ' (рис. 5, Б). Можно предположить, что в условиях гипоксии энергия белка, катаболизи-руемого мигрирующими калянусами, используется в основном для обеспечения двигательной активности. Экскреция азота у CVd при концентрациях О2, характерных для их обитания, оказалась примерно в 3.6 раза ниже, чем у CVa.

Средние значения атомного отношения 0:N у CVa и самок в условиях нор-моксии находятся в пределах (17-21), соответствующих смешанному белково-липидному типу катаболизма. При низких концентрациях Ог величины 0:N у мигрирующих калянусов резко снижаются до 8.4, тогда как у CVd достигают 16.7-26.4 (рис.5, В). Таким образом, при дефиците кислорода энергетический обмен мигрирующих калянусов может осуществляться только за счет катаболизма белка. Диапаузирующие рачки, резко понижающие уровень обмена, могут в услових гипоксии утилизировать как белок, так и липиды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненные нами исследования позволяют выделить некоторые общие принципы адаптивной реакции на изменение кислородного режима у планктонных ракообразных. Внутреннее пшоксическое состояние, вызванное дефицитом кислорода в окружающей среде, приводит к снижению общего, базаль-ного и активного обмена. При этом доступного рачкам кислорода оказывается недостаточно для катаболизма энергоемких липидов и единственным источником энергии становится белок, использование которого может происходить даже в условиях анаэробиоза (Хочачка, Сомеро, 1977; Shulman, Love, 1999).

Лимитирующее действие гипоксии на уровне нервно-мышечной деятельности проявляется подобно температурному эффекту. Чем меньше кислорода по-

• ступает к мышцам, тем меньше сила, частота и мощность локомоторных актов, обеспечивающих основные жизненные функции - поиск и потребление пищи. Однако снижение эффективности локомоции рачки могут в той или иной степени компенсировать увеличением продолжительности движения. У моин относительно невысокая в оптимальных условиях продолжительность скачкообразного плавания повышается до -16% времени наблюдения при снижении концентрации О2 до значения 1.1 мг л-1, критического для многих ракообразных (Су-щеня, 1972), а затем резко снижается. Глубокую гипоксию эти рачки могут некоторое время переносить в состоянии .оцепенения. Экология калянусов не допускает прекращения локомоторной деятельности. Концентрируясь днем в ги-поксических слоях, они вынуждены активно противодействовать пассивному опусканию (Флинт, 1989; Svetlichny et al., 1998) в аноксические слои, гранича-

• щие с сероводородной зоной. Вероятно, поэтому компенсаторная поведенче-

екая реакция на гипоксию проявляется у них сильнее. При сублгтальных концентрациях кислорода локомоторные действия ротовыми конечностями становятся непрерывными, обеспечивая калянусам медленное, но равномерное всплывание.

Адаптация к гипоксии у V копеподитов калянусов, вступивших в фазу диа-паузы, основана на тех же принципах кислородной зависимости метаболизма и двигательной активности. Однако, у диапаузирующих калянусов происходит еще большее, чем у мигрирующих, снижение параметров локомоции, энергетического обмена и резкое, многократное уменьшение экскреции азота. Основными субстратами метаболизма, наряду с белком, у них становятся липиды, для окисления которых, по-видимому, достаточно имеющегося в воде кислорода.

У моин адаптация к длительному обитанию в среде с низким содержанием кислорода направлена на сохранение высокого уровня энергетического обмена за счет повышения кислородной емкости кров^ При этом дополнительно извлекаемый из воды кислород утилизируется в процессах активного обмена, тогда как базальный обмен остается зависимым от концентрации кислорода в окружающей среде.

ВЫВОДЫ

1. У Moina micrura аюслимация к гипоксии позволяет уменьшить зависимость общего энергетического обмена и экскреции аммонийного азота от концентрации кислорода. При наименьших для неакклимированных особей толерантных концентрациях кислорода (0.4-0.5 мг л-1) акклимированные особи имеют в 6.2 раза более высокий уровень метаболизма.

2. Акклимация к гипоксии не влияет на базальный обмен моин. Относительное повышение общего метаболизма происходит за счет активного обмена, уровень которого у аюслимированных особей при 0.4-0.5 мг О2 л-1 в 31 раз выше, чем у неакклимированных.

3. Динамика атомного отношения 0:N свидетельствует о том, что в пределах оптимальных концентраций кислорода энергетический обмен моин осуществляется благодаря окислению смешанных белково-липидных субстратов и лишь в случае сублетальной гипоксии у них происходит переход на исключительно белковый катаболизм.

4. Лимитирующее действие концентрации кислорода на механические параметры локомоции моин проявляется в увеличении длительности локомоторных актов и снижении силы тяги, создаваемой плавательными конечностями. Время, затрачиваемое на движение, достигает максимальных значений при

• концентрации -1.1 мг Ог л-' и снижается при кислородных экстремумах.

5. У мигрирующих копеподитов и самок Calanus euxinus уменьшение

концентрации кислорода до значений, характерных для их дневного обитания, понижает общий энергетический обмен в среднем в 2.6 раза, но не влияет на интенсивность экскреции аммонийного азота. Происходящее при этом снижение атомного отношення-СШ в среднем от 18 до 8 указывает на то, что единственным субстратом энергетического обмена в условиях гипоксии у них является белок.

6. Базальный энергетический обмен калянусов составляет в среднем околс 25-30% общего. Относящаяся к нему интенсивность экскреции аммонийного азота снижается примерно в 2.9 раза пропорционально уменьшению концентрации кислорода. Благодаря этому в условиях гипоксии основная часть ката-болизируемого белка может участвовать в процессах активного обмена.

7. Метаболическая энергия локомоции ротовыми придатками составляет 80-90% активного обмена мигрирующих калянусов. При снижении концентрации Ог до наименьших значений толерантного диапазона (0.5-0.8 мг л-') сила v частота локомоторных действий этими конечностями уменьшаются в 1.9-2.2 раза, однако время, затрачиваемое на движение, возрастает. Такая поведенческая реакция позволяет рачкам компенсировать снижение скорости движения i условиях гипоксии.

: 8. У диапаузирующих V копеподитов уровень энергетического обмена i среднем в 1.9 раза, а экскреция аммонийного азота - в 4.1 раза ниже, чем у мигрирующих. При концентрациях О г 0.44-0.84 мг л-1 величины атомного отноше ния 0:N .y них варьируют в пределах 16.7-26.4, характерных для смешанного белково-липидного типа катаболизма.

9. Установленные особенности влияния концентрации кислорода на мета болизм и двигательную активность планктонных ракообразных могут быть ис пользованы для продукционно-энергетических расчетов пищевых потребно стей, эффективности роста и развития гидробионтов, обитающих при перемен ном кислородном режиме.

0ШСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Svetlichny L. S., Hubareva Е. S. The effect of hypoxia on metabolism and lo comotion of Calanus euxinus (Copepoda, Crustacea) // Доповда НАНУ. - 1998. -№5.-P. 199-204.

2. Губарева E. С., Светличный JI. С. Особенности изменения метаболизма ветвистоусого рачка Moina micrura при адаптации к гипоксии // Допову НАНУ. - 1998. - № 9. - С. 195-199.

3. Svetlichny L. S., Hubareva Е. S., Arashkevich Е. G. Physiological and

behavioural response to hypoxia in active and diapausing stage V copepodites of Calanus euxinus // Arch. Hydrobiol. Spec. Issues Advanc. Limnol. - 1998. - Vol. 52. -P. 507-519.

4. Arashkevich E., Svetüchny L., Gubareva E., Besiktepe S., Gücü A. C., Kideys A. E. Physiological and ecological studies of Calanus eüxinus (Hulsemann) from the Black Sea with comments on its life cycle // Ecosystem Modeling as a Management Tool for the Black Sea / Eds L. I. Ivanov, T. Oguz. -1998. - Vol. 1. - P. 351 -365.

5. Svetlichny L. S., Hubareva E. S. Metabolic adaptation to hypoxia in Moina micrura (Cladocera, Crustacea ) // Abstr. 2nd European Crustacean Conf. - Liege (Belgium). - 1996. - P. 95.

6. Svetlichny L. S., Hubareva E. S. The effect of hypoxia on metabolism and locomotion of Calanus euxinus (Copepoda, Crustacea) // Abstr. 31 European Marine Biology Symp. - St.-Petersburg (Russia). -1996. - P. 77-78.

7. Hubareva E. S., Svetlichny L. S., ArashkevichTE. G. Physiological peculiarities of diapause in Calanus euxinus at low oxygen concentration // Abstr. 2nd Int. Symp. on Diapause in the Crustácea. - Ghent (Belgium). - 1997. - P. 20.

8. Svelichriy L. S., Hubareva E. S., Arashkevich E. G. Locomotor responsé of Calanus euxinus in active diapause to different oxygen concentrations II Abstr. 2nd Int. Symp. on Diapause in the Crustacea. - Ghent (Belgium). -1997. - P. 34.

9. Губарева E. С., Светличный JI. С. Физиологические особенности реакции на гипоксию у активных и диапаузирующих копеподигов Calanus euxinus II Тез. докл. II Съезда Гидробиол. об-ва Украины. - Т. 2. - К, 1997. - С. 81.

lO.Svetlichny L. S., Hubareva Е. S. Energetic efficiency of rowing swimming of planktonic crustaceans // Proc. Abstr. 4,h Int. Crustacean Congress. - Amsterdam (The Netherlands). - 1998. - P. 86.

11.Hubareva E. S., Svetlichny L. S. The effect of hypoxia on metabolism and behaviour of planktonic crustaceans // Proc: Abstr. 4th Int. Crustacean Congress. -Amsterdam (The Netherlands). - 1998. - P. 113-114.

12.Svetlichny L. S., Hubareva E. S. Extreme principals in organization of escape swimming of copepods // Abstr. 33 European Marine Biology Symp. -Wilhelmshaven (Germany). - 1998. - P. 67.

13.Hubareva E. S. The effect of hypoxia on metabolism and locomotory activity of Moina micrura (Cladocera, Crustacea) II Abstr. 16th Baltic Marine Biologists Symp. - Klaipeda (Lithuania). - 1999. - P. 60..

14.Svetlichny L. S., Hubareva E. S. Physiological and behaviour aspects of ' Calanus euxinus migrations to the lower boundary of the Black Sea// Abstr. 16th Baltic Marine Biologists Symp. - Klaipeda (Lithuania). -1999. - P. 91.

Губарева Е.С. Рлияние концентрации кислорода на особенности метаболизма и локомоции нлапкгсниых ракообразных Moina micrura HeUich (Cladoccra) и Calanus euxinus Hulsemacm (Copepoda). - Рукопись.

Диссертация на- соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.17 - гидробиология. - Институт биологии южных морей HAH Украины, Севастополь, 2000.

Исследованы особенности функциональной реакции на изменение концентрации кислорода у неакклимированных и акклимированных к гипоксии (с повышенным содержанием гемоглобина) черноморских эпилимннтических Moina micrura, выращенных раздельно в двух лабораторных культурах, а также батипелагических Calanus euxinus из двух природных экогрупп - совершающей суточные вертикальные миграции в гипоксические слои и диапаузирующей в них.

Показано, что внутреннее гипоксическое состояние, вызванное дефицитом кислорода в окружающей среде, у моин, неакклимированных к гипоксии, и мигрирующих калянусов приводит к снижению общего, базального и активного обмена, силы тяги, создаваемой плавательными конечностями, частоты и мощности их действия. Экскреция аммонийного азота у моин понижается меньше, чем энергетический обмен, а у калянусов почти не меняется. Это является следствием того, что доступного рачкам кислорода оказывается недостаточно для обычного в нормоксических условиях катаболизма смешанных бел-ково-липидных субстратов и единственным источником энергии становится белок, в значительной степени используемый анаэробно.

Адаптация к длительному обитанию в среде с низким содержанием кислорода у моин направлена на сохранение высокого уровня энергетического обмена за счет повышения кислородной емкости крови. При этом извлекаемый из воды кислород утилизируется преимущественно в процессах активного обмена. У калянусов, диапаузирующих в условиях гипоксии, энергетический обмен и экскреция снижаются до уровней, позволяющих использовать доступный им кислород для аэробного катаболизма липидов и белка.

Ключевые слова: планктонные ракообразные, потребление кислорода, экскреция аммонийного азота, локомоция, концентрация кислорода.

Hubareva. Е. S. The effect of oxygen concentration on metabolism and locomotion characteristics of planktonic crustaceans Moina micrura HeUich (Cladocera) and Calanus euxinus Hulsemann (Copepoda). - Manuscript.

The dissertation work to obtain a degree of Candidate of Biological Sciences on speciality 03.00.17 - hydrobiology. - Insitute of Biology of the Southern Seas, National Academy of Sciencies of Ukraine, Sevastopol, 2000.

Energy metabolism, ammonia excretion, utilization of metabolic substrates and

locomotor activity were investigated ?t different oxygen concentrations in the Black Sea epilimnetic cladocerans Mo'tna micrura, cultured in saturated and oxygen-deficient water, and bathypelagic copepods Calanus euxinus from two natural ecological groups - those migrating daily to hypoxic layers or those diapausing there. General and specific peculiarities of functional reaction to short- and long-term hypoxia were shown.

Key words: planktonic crustaceans, respiration, ammonia excretion, locomotion, oxygen concentration.

Губарева O.C. Вплив концентрацп кисню на особливост! метаболЬму i лсу-комоцй планктонних ракоподЮннх Moina micrura Hellich (Cladocera) та Calanus euxinus Hulsemann (Copepoda). - Рукопис.

Дисертацм на здобутгя наукового ступеня кандидата бюлопчних наук за спещальшспо 03.00.17 - гщробюлопя.- 1нститут бюлоги швденних MopiB HAH УкраТни, Севастополь, 2000.

Виконане дослщження впливу концентрацй кисню на енергетичний обмш, екскрещю амоншного азоту, використання субстратпв метаболЬму та локо-мощю у чорноморських епшмштичних Moina micrura (Cladocera) вирощених в лабораторних культурах при нормо- i гшоксн, та батшелапчних Calanus euxinus (Copepoda) з двох природних екогруп, з яких одна здойснюе добов1 вертикалын мирацп у ппоксичш шари, а друга переживае там стан даапаузи. Показан! загальш та видоспещфчш особливосп функцюнальноТ реакци рачюв на коротко- та довгострокову rinoKciro.

Кшочов! слова: планктонш ракоподабш, споживання кисню, екскрещя амоншного азоту, локомощя, концентращя кисню.

Подписано к печати 30.11.99. Тираж 100 экз.

Напечатано НПЦ «Экоси - Гидрофизика», Севастополь, ул. Ленина, 28.