CC BY
17Исследование химических коммуникаций у доминантных видов биоты солоноватого озера Шира (Хакасия) в лабораторных условиях
Губанов М.В. (guban@ibp.ru)
Институт биофизики СО РАН, Красноярск
Введение
Вертикальное распределение зоопланктона, его суточные вертикальные миграции играют большую роль в функционировании морских и континентальных водоемов. Формирование вертикальной структуры зоопланктона происходит под действием комплекса абиотических и биотических факторов среды. Вертикальная структура сообщества складывается как результирующая суточных и сезонных миграций. Вертикальное распределение с одной стороны является интегральной характеристикой, отражающей состояние водоема, а с другой является одним из регуляторов потока вещества и энергии в экосистеме.
Одним из факторов, определяющих феномен вертикальных миграций, являются колебания освещенности (Заика и др., 1976). Ламперт и Луз (Lampert, 1993; Loose, 1993) продемонстрировали, что для многих видов зоопланктона суточные вертикальные миграции вероятнее всего связаны с избеганием в светлое время хищников. В этом случае, суточные вертикальные миграции индуцируются двумя регулирующими факторами -интенсивностью света и химическими сигналами от хищников (Larsson, Dodson, 1993; Reingelberg, 1999). Имеется большое количество данных, иллюстрирующих действенность химических сигналов хищников на вертикальное распределение их жертв в лабораторных условиях (Dodson, 1988; Dawidowicz et al., 1990; Loose et al., 1993).
Работы по исследованию суточной динамики вертикальной структуры некоторых массовых видов зоопланктона в солоноватом меромектическом озере Шира (Россия, Хакасия, максимальная глубина 22 м) показали, что копеподы Arctodiaptomus salinus и коловратки Brachionus plicatilis обладают закономерно изменяющимся в течение суток стратифицированным вертикальным распределением. В дневные часы они отходят от поверхности, а в темное время суток, наоборот, стремятся к ней (Zotina et al., 1999). Лабораторное исследование питания бокоплава Gammarus lacustris показало, что ювенильные особи G.lacustris потребляют коловраток, а взрослые особи потребляют веслоногих рачков A.salinus (Yemelyanova et al., 2002). То есть, по данным этих авторов копеподы A.salinus могут быть частью пищевого рациона бокоплавов, а G.lacustris в таком случае единственный вид, который является потенциальным хищником для A.salinus, потому что в озере Шира полностью отсутствуют рыба и другие возможные хищники. Наши лабораторные исследования показали, что продукты жизнедеятельности G.lacustris достоверно влияют на вертикальное распределение A.salinus в лабораторных условиях. При этом эффективность действия воды-скоплений на вертикальное распределение A.salinus тем выше, чем выше плотность посадки G.lacustris при приготовлении воды-скоплений (Zadereev, Gubanov, 2002).
Однако у экспериментов с водой скоплений есть и свои недочеты (Задереев, 2002). Для приготовления воды скоплений затрачивается длительный промежуток времени, в течение которого в среде происходит накопление всех типов продуктов жизнедеятельности (как видоспецифичных, так и невидоспецифичных) в повышенных концентрациях. Неизвестны как скорость и интенсивность выделения продуктов жизнедеятельности, так и скорость их распада. Метаболизм животных, используемых для «производства» продуктов
жизнедеятельности, может быть нарушен вследствие слишком плотной посадки на стадии приготовления воды-скоплений, что влечет за собой изменение спектра выделяемых веществ. Кроме того, в экспериментах с водой скоплений химические вещества, вызывающие наблюдаемые эффекты, присутствуют во всем экспериментальном объеме, то есть отсутствует градиент (неоднородность) их концентрации. В результате, интерпретация данных, полученных с использованием вышеописанной методики, не всегда однозначна.
Учитывая все вышесказанное, с целью дальнейшего исследования химических взаимодействий между Л^аИпт и ОЛаетЫз и оценки роли этих взаимодействий в формировании вертикального распределения зоопланктона в озере Шира были поставлены следующие задачи:
А) в лабораторных условиях исследовать вертикальное распределение Л.5а11пт при неоднородном распределении химических веществ, ассоциирующихся с ОЛаетЫз и его жертвой Л.^тНпш.
Б) получить и сравнить вертикальные профили распределения Л.5а11пт и ОЛаетЫз в озере Шира.
Материал и методы исследования
Исследование вертикального распределения Л.5а11пт проводилось в вертикальных стеклянных квадратных сосудах (высота - 60 см, ширина боковой стенки - 5 см, объем среды 1,3 литра). Эксперименты проводились в термостате, где поддерживалась температура 17-19оС. Во всех экспериментах для оценки вертикального распределения А^аИпт стаканы были разделены на 5 одинаковых вертикальных слоев. Определение количества рачков в каждом слое производилось
визуально. Средняя глубина залегания популяции ( d ) определялась как:
— 5 I • п
d = Х
г=1 п
где: г - номер слоя, пг - количество рачков в г - слое, п - общее количество рачков.
В экспериментах для заполнения экспериментальных стаканов использовалась озерная вода с глубины 3 метра с пелагиали озера (станция над глубиной 16 м) пропущенная через мелкий газ №76. Диаптомус для экспериментов отбирался сачком (площадь сачка = 0.44 м2, размер ячейки = 160 мкм) вертикальным тралом с глубины 3 метра до поверхности. Гаммарус для экспериментов отлавливался у берега.
Во время проведения всех экспериментов в экспериментальные стаканы вносился Л.5а11пт в количестве 45 - 50 особей на один стакан. Визуальные наблюдения и регистрация вертикального распределения производились через регулярные промежутки времени. Первое наблюдение производилось через час после начала эксперимента, затем каждые полчаса - в течение 4 - 5 часов. Всего десять наблюдений в каждом эксперименте.
Для создания направленного воздействия на вертикальное распределение Л.5а11пт в опытные сосуды помещались:
1) закрытые стаканчики (диаметр - 2 см, длина - 7 см) из крупного газа (0.25 мм) с заключенным в них живым ОЛаетЫз (4 особи/стаканчик).
2) пустые закрытые стаканчики (диаметр - 2 см, длина - 7 см) из крупного газа (0.25 мм).
3) стеклянные сосуды объемом 5 миллилитров с гомогенатом Л.5а11пт закрытые сверху мелким газом №76.
4) стеклянные сосуды объемом 5 миллилитров с гомогенатом ОЛаетЫз закрытые сверху мелким газом №76.
5) электродвигатели для создания гидродинамического возмущения воды в верхнем (первом) слое опытных экспериментальных стаканов. Скорость вращения лопастей электродвигателей равнялась 9 оборотов в минуту.
Для создания гомогената A.salinus использовались рачки и озерная вода с глубины 3 метра. Всех рачков A.salinus, содержащихся в 800 мл воды, сгущали на газ (до состояния густой красной пасты), помещали в ступку, растирали и затем смешивали с озерной воды (5 мл). Для создания гомогената G.lacustris также использовалась озерная вода с глубины 3 метра. Трех рачков G.lacustris помещали в ступку, растирали и смешивали с озерной воды (5 мл).
В качестве контроля выступали сосуды, в которых A.salinus не испытывал никакого воздействия.
С использованием вышеописанной методики были проведены две серии экспериментов: а) при освещении, б) в темноте.
При освещении были выполнены следующие независимые эксперименты:
1. Контроль, опыт (в нижнем пятом слое помещен стаканчик с заключенным в нем живым G.lacustris).
2. Контроль, опыт (в верхнем первом слое помещен стаканчик с заключенным в нем живым G.lacustris).
3. Контроль (в верхнем первом слое создаются гидродинамические возмущения), опыт (в верхнем первом слое создаются гидродинамические возмущения и в нижнем пятом слое помещен стаканчик с живым G.lacustris).
4. Контроль, опыт (в нижнем пятом слое помещен сосуд объемом 5 миллилитров с гомогенатом из G.lacustris).
5. Контроль, опыт (в нижнем пятом слое помещен сосуд объемом 5 миллилитров с гомогенатом из A.salinus).
В темноте были выполнены следующие независимые эксперименты:
1. Контроль, опыт (в нижнем пятом слое помещен стаканчик с живым G.lacustris).
2. Контроль, опыт (в нижнем пятом слое помещен сосуд объемом 5 миллилитров с гомогенатом из G.lacustris).
3. Два типа воздействий: а) в нижнем пятом слое помещен сосуд объемом 5 миллилитров с гомогенатом из A.salinus, б) в верхнем первом слое создаются гидродинамические возмущения и в нижнем пятом слое помещен стаканчик с живым G.lacustris.
4. Два типа воздействий: а) в верхнем первом слое создаются гидродинамические возмущения, б) в верхнем первом слое помещен стаканчик с живым G.lacustris.
Визуальные наблюдения и регистрация вертикального распределения в экспериментах выполненных в темноте производилась при свете красной лампы.
Во всех независимых экспериментах каждое воздействие и контроль были протестированы в трех повторностях.
Достоверность различия между опытом и контролем во всех проведенных экспериментах оценивалась непараметрическим критерием Манна-Уитни в программе STATISTICA.
Для оценки вертикального распределения G.lacustris в пелагиали озера пробы отбирали планктонной сетью (диаметр захвата 0.44 м2, размер ячейки 160 мкм) вертикальным тралом послойно с глубины до поверхности с интервалом 4 метра (последовательно облавливались слои 0-4 м, 0-8 м, 0-12 м, 0-16 м). Отбор проб G.lacustris производился над глубиной 18 метров на расстоянии 500м от берега в течение трех дней в трех повторностях каждый день. Весь объем отфильтровывали через сеть с размером ячеек 75мкм и концентрировали в пробе объемом 50 мл. Пробы фиксировали 70% спиртом. Пробы просчитывали под световым бинокуляром при увеличении х32. Сырую массу тела G.lacustris подсчитывали по уравнению, связывающему линейные размеры тела и вес животных:
= 0.086*1213,
где, W - сырая масса (мг), 1 - абсолютная длинна тела (мм) (Емельянова, 2003).
Для оценки вертикального распределения Л.5а11пт пробы отбирали в слое 0-15 м с интервалом в один метр. С каждого горизонта отбирали по 3 литра батометром Молчанова. Весь объем отфильтровывали через сеть с размером ячеек 75мкм и концентрировали в пробе объемом 10 мл. Пробы фиксировали 70% спиртом с добавлением 5% глицерина. Пробы просчитывали под световым бинокуляром при увеличении х32 в камере Богорова. В популяции Л.5а11пт выделяли науплиусов, копеподитные стадии С1-С3 (0,50-0,75 мм), С4-С5 (0,80-1,00 мм), самцов и самок. Сырую биомассу Л.5а11пт подсчитывали по формулам, связывающим линейные размеры тела и вес животных (Общие основы .. .,1979).
Результаты и обсуждение
Несмотря на то, что среда (озерная вода) и животные для всех экспериментов отбирались с одной глубины и одной станции, не удалось добиться строгой повторяемости средней глубины залегания Л.5а11пт в контрольных сосудах в разных экспериментах (Рис. 1, 2). Сравнение ранговым тестом Краскела-Уоллиса данных независимых контрольных экспериментов, проведенных на свету, показало достоверное отличие (Н (3, К= 120) = 47.48268; Р = 0.0000). Это можно объяснить следующим. Лабораторные эксперименты по исследованию вертикального распределения Л.5а11пт проводились в условиях полевого стационара в течение 25 дней. Для каждого из независимых экспериментов тестируемая группа животных и среда (озерная вода) отбирались из озера непосредственно перед экспериментом. Таким образом, среда, используемая в экспериментах, концентрация корма, физиологическое состояние, возрастной и половой состав тестируемых животных могли отличаться в каждом независимом эксперименте, вследствие естественной динамики этих показателей в озере в течение периода исследований. В этом случае, статистическое сравнение различных экспериментов между собой затруднено. Основной анализ результатов будет выполнен на основе анализа результатов каждого отдельно взятого эксперимента.
В экспериментах проведенных при освещении практически все протестированные воздействия оказали значимое влияние на вертикальное распределение Л.5а11пт (Рис.1, Табл. 1). При помещении на дно опытных сосудов объемов с заключенным в них живым ОЛаетЫз копеподы отреагировали поднятием в верхние слои. Точно такая же реакция Л.5а11пт зафиксирована и в случае, когда в верхнем первом слое опытных сосудов создавались гидродинамические возмущения, а в нижнем пятом слое были помещены объемы с живым ОЛаетЫз. И в этом эксперименте Л.5а11пт располагался выше, чем в контрольном эксперименте. Противоположная картина зафиксирована в том случае, когда объемы с живым ОЛаетЫз помещались вверху опытных сосудов. В этом случае Л.5а11пт оставался на уровне группы тестируемых животных в контрольных сосудах. При помещении на дно опытных сосудов гомогенатов как ОЛаетЫз, так и Л.5а11пт диаптомус поднимался в верхние слои.
А
Б
В
Г
Д
0
0.5
1 1.5
« 2 § 2.5 У 3 3.5
4 4.5
5
о
о
о
о
о
к
к
к
к
к
Рис. 1. Вертикальное распределение Л.наНпж в экспериментах выполненных при освещении.
А - живой ОЛасжЫн внизу, Б - живой ОЛасиМпн вверху, В - живой ОЛасиМпн внизу + гидродинамические возмущения вверху, Г - гомогенат 0.1асин&1н внизу, Д - гомогенат Л.наИпж внизу. О - опыт, К - контроль.
Результаты экспериментов выполненных в темноте представлены на Рис. 2. При помещении на дно опытных сосудов объемов с заключенным в них живым ОЛаетЫз диаптомус отреагировал поднятием в верхние слои. Точно такая же реакция А^аИпт зафиксирована и в случае, когда в верхнем первом слое опытных сосудов создаются гидродинамические возмущения, а в нижнем пятом слое находятся объемы с живым ОЛаетЫз. Необходимо отметить, что параллельно с этим воздействием не проводился адекватный контрольный эксперимент. Однако, средняя глубина расположения группы рачков в этом случае (Рис. 2в/д) достоверно отличается как от двух независимых контрольных экспериментов (Рис. 2а, г), так и от независимого эксперимента, в котором в верхнем первом слое опытных сосудов создавалось гидродинамическое возмущение (Рис. 2б/в). При помещении в верхние слои опытных сосудов объемов с заключенным в них живым ОЛаетЫз диаптомус расположился в нижних слоях сосудов. Сравнение этого эксперимента (Рис. 2б/в) с независимыми контрольными экспериментами (Рис. 2а, г) показывает, что копеподы расположены в одном случае выше, а в другом ниже рачков в контроле. В случае помещения на дно опытных сосудов гомогенатов ОЛаетЫз, диаптомус в экспериментальных сосудах располагается выше, чем в контрольных. У эксперимента с расположенным на дне опытного сосуда объемом с гомогенатом А.5а11пт не было контроля. Средняя глубина расположения А.5а11пт в этом эксперименте (Рис. 2в/д) отличается только от одного из контрольных экспериментов (Рис. 2а, г).
В/Д Б/В
Рис. 2. Вертикальное распределение Л.наНпж в экспериментах выполненных в темноте.
А - живой ОЛасиМпн внизу, Г - гомогенат ОЛасиМпн внизу, В/Д - живой ОЛасиМпн внизу + гидродинамические возмущения вверху, гомогенат Л.наНпж внизу, Б/В - живой ОЛасжЫн вверху, гидродинамические возмущения вверху. О - опыт, К - контроль.
А
Г
0 0.5 1
1.5 2 2.5
3 3.5
4 4.5
5
1
о
о
к
к
Из экспериментов, выполненных как при освещении, так и в темноте видно, что Л^аИпт реагирует на присутствие объема с ОЛаетЫз внизу подъемом в верхние слои сосуда. Известно, что копеподы очень чувствительны к гидродинамическим возмущениям. Можно предположить, что заключенные в небольшой объем ОЛаетЫз сталкиваясь со стенками сосуда, являются источником гидродинамических возмущений вызывающих реакцию подъема вверх у копепод. Для проверки этого предположения нами и был проведен эксперимент с созданием гидродинамических возмущений сверху. Однако в наших экспериментах гидродинамические возмущения не повлияли на результаты эксперимента. Несмотря на наличие гидродинамических возмущений вверху, Л^аИпт демонстрировал реакцию ухода вверх от заключенного в объеме из газа ОЛаетЫз. По всей видимости, на Л^аИпш влияют химические вещества выделяемые ОЛаетЫз. Сходное изменение в вертикальном распределении Л^аИпт наблюдали и в экспериментах с использованием воды скоплений (Zadereev, Gubanov, 2002). Присутствие химических взаимодействий между ОЛаетЫз и Л^аИпт подтверждается в экспериментах, где в качестве воздействия на Л^аИпт выступают гомогенаты ОЛаетЫз и Л^аИпш. Необходимо отметить, что при сравнении результатов экспериментов, с одинаковыми воздействиями, зафиксировано достоверное различие в средней глубине залегания Л^аИпт в темноте по сравнению с освещением. Средняя глубина залегания в темноте больше, чем при освещении, то есть располагается ниже (Табл. 1). Из проведенных экспериментов видно, что реакция Л^аИпт при освещении и в темноте на присутствие гомогенатов в опытных сосудах различается. В экспериментах на свету Л^аИпт реагирует на присутствие гомогенатов более сильным поднятием в верхние слои, по сравнению с такими же экспериментами проведенными в темноте. При этом, присутствие живого ОЛаетЫз в нижнем 5-м слое опытного сосуда оказывает сходное воздействие на вертикальное распределение Л^аИпт как при освещении, так и в темноте.
Можно предположить, что характер химических взаимоотношений ОЛаетЫз и Л.тИпж складывается по схеме "хищник - жертва". Реакция ухода Л.тИпш от G.lacustris является реакцией на присутствие хищника развитой в процессе эволюции. Л^аИпт вероятно реагирует на присутствие хищника и через химические вещества присутствующие в составе гомогенатов, поскольку гомогенаты являются аналогом поврежденных рачков в процессе их потребления. Таким образом, Л.заЫпш, скорее всего, может реагировать не только на G.lacustris, но и на присутствие любого другого хищника. Отсюда можно предположить, что агенты химических коммуникаций, которые определяют характер реакции Л^аИпт на присутствие хищника являются не видоспецифичными.
Таблица 1.
Результаты исследования взаимодействий между G.lacustris (Crustacea, Amphipoda) и A.salinus (Crustacea, Copepoda)
Свет Темнота
Обозначе Эксперименты P
ние
d Ad d Ad
Опыт - живой G.lacustris в 5 Опыт 2.98 0.16 3.38 0.39 < 0.001
A слое Контроль 4.08 0.07 3.79 0.03 -
Контроль - пусто Р < 0.0001 < 0.0001
Опыт - живой G.lacustris в 1 Опыт 4.05 0.04 4.14 0.06 -
Б слое Контроль 4.35 0.03 - - -
Контроль - пусто Р > 0.1 -
Опыт - живой G.lacustris в 5 Опыт 2.42 0.06 3.22 0.07 < 0.0001
В слое + ГДВ в 1 слое Контроль 3.30 0.03 4.01 0.05 -
Контроль - ГДВ в 1 слое Р < 0.0001 < 0.0001
Опыт - гомогенат G.lacustris в Опыт 2.07 0.04 4.23 0.03 < 0.0001
Г 5 слое Контроль 3.35 0.05 4.53 0.03 -
Контроль - пусто Р < 0.0001 < 0.0001
Опыт - гомогенат A.salinus в 5 Опыт 2.41 0.06 3.88 0.10 < 0.0001
Д слое Контроль 3.48 0.06 - - -
Контроль - пусто Р < 0.0001 -
d - средняя глубина популяции Л^аИпш (слой), Дd - доверительный интервал, Р - уровень значимости, ГДВ - гидродинамические возмущения.
То, что зафиксированные в лаборатории химические взаимоотношения между G.lacustris и Л^аИпш могут оказывать влияние на вертикальное распределение G.lacustris и Л.salinus в какой-то мере подтверждается в пелагиали озера (Рис. 5). В зоне термоклина на глубине 5 - 6 метров у Л^аИпш наблюдается минимум, а у G.lacustris максимум биомассы. То есть, максимумы биомассы обоих видов частично разнесены в пространстве.
А
Б
«
о
ч О
0.0
0-4
4-8
8-12
12-16
Доля в слое, % 0.2 0.4 0.6
о с; О
0-1 2-3 4-5 6-7 8-9 10-11 12-13 14-15
Доля в слое, % 0.2
0.4
Рис. 5. Вертикальное распределение в пелагиали озера Шира. А - 0.1аеи&г18, Б - Л^аИнт; август 2002 и 2003 гг.
2 3 2 3
Средняя сырая биомасса G.lacustris - 5.9 г/м , 0.37 г/м > Л.8а1тш - 12.9 г/м , 0.86 г/м •
Таким образом, проведенные эксперименты показали, что в числе факторов, определяющих вертикальное распределение A.salinus, несомненно, являются химические коммуникационные агенты (вещества), продуцируемые G.lacustris и A.salinus. Как следствие этого, можно утверждать наличие химических взаимодействий у зоопланктона озера Шира. Характер химических взаимоотношений G.lacustris и A.salinus складывается по схеме "хищник - жертва". Есть основания полагать, что химические агенты (вещества) определяющие характер реакции A.salinus на присутствие хищника не являются видоспецифичными.
Литература
1. Емельянова А.Ю. Некоторые аспекты экологии и питания бокоплава Gammarus lacustris Sars из озера Шира (Хакасия). - Дис. канд.биол.наук. - Борок, 2003, 133 с.
2. Задереев Е.С. Химические взаимодействия среди планктонных ракообразных // Журнал общей биологии. 2002. Т. 63: № 2 .С. 159-167.
3. Заика В.Е., Моряков В.К., Островская Н.А.. и др. Распределение морского микрозоопланктона. Киев: Наук. думка. 1976. 92с.
4. Общие основы изучения водных экосистем. / Под ред. Г.Г. Винберга. Л.: Наука, 1979. 273с.
5. Dawidowicz P, Pijanowska J and Ciechomski K (1990) Vertical migration of Chaoborus larvae is induced by the presence of fish. Limnol Oceanogr 35: 1631-1637.
6. Dodson S (1988) The ecological role of chemical stimuli for the zooplankton: predator-avoidance behavior in Daphnia. Limnol Oceanogr 33: 1431-1439.
7. Lampert W (1993) Ultimate causes of diel vertical migration of zooplankton: new evidence for the predator-avoidance hypothesis. Arch Hydrobiol Beih Ergebn Limnol 39: 79-88.
8. Larsson P and Dodson S (1993) Chemical communication in planktonic animals. Arch Hydrobiol 129: 129-155.
9. Loose CJ (1993) Daphnia diel vertical migration behavior: response to vertebrate predator abundance. Arch Hydrobiol Beih Ergebn Limnol 39: 29-36.
10. Loose CJ, von Elert E and Dawidowicz P (1993) Chemically-induced diel vertical migration in Daphnia: a new bioassay for kairomones excluded by fish. Arch Hydrobiol 126: 329-337.
11. Ringelberg J (1999) The photobehavior of Daphnia spp. as a model to explain diel vertical migration in Zooplankton. Biol Rev Cambridge Phil Soc 74: 397-423.
12. Yemelianova AY, Temerova TA and Degermendzhy AG (2002) Distribution of Gammarus lacustris Sars (Amphipoda, Gammaridae) in Lake Shira (Khakasia, Siberia) and laboratory study of its growth characteristics. Aquat Ecol 36: 245-256.
13. Zadereev YS and Gubanov MV (2002) The effect of chemicals released by Gammarus lacustris on the depth distribution of Arctodiaptomus salinus in laboratory conditions. Aquat Ecol 36: 257-260.
14. Zotina TA, Tolomeev AP and Degermendzhy NN (1999) Lake Shira, a Siberian salt lake: ecosystem structure and function. 1: Major physico-chemical and biological features. Int J Salt Lake Res 8: 211-232.
