CC BY
75
/?\Д научный электронный журнал xzP ПРИНЦИПЫ ЭКОЛОГИИ
ПГГРОЯанолсшй П6&Дарсгеенный
VI 1ИВСРСИТСТ
о
http://ecopri.ru
http://petrsu.ru
УДК 574.24, 57.084.1
КАРДИОАКТИВНОСТЬ РАКОВ CHERAx
quadricarinatus (VON MARTENS 1868)
В РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ
состояниях
СЛАдкпвА Учреждение Российской академии наук Санкт-Петербургский
д научно-исследовательский центр экологической безопасности;
Светлана Владимировна Санкт-Петербургский государственный университет,
ХОЛОДКЕВИЧ Сергей Викторович
Учреждение Российской академии наук Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности; Санкт-Петербургский государственный университет, [email protected]
САФРОНОВА Дарья Вячеславовна
Санкт-Петербургский государственный университет, [email protected]
БОРИСОВ Ростислав Русланович
Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии, [email protected]
Ключевые слова:
раки Cherax quadricarinatus кардиоактивность циркадный ритм линька
Аннотация: Исследовали суточный кардиоритм раков СЬвгах quadricarinatus, содержавшихся в лабораторных условиях в режиме освещенности 12С:12Т. В течение нескольких месяцев неинвазивно регистрировали ЧСС в режиме реального времени, используя оригинальный волоконно-оптический метод. Установлено, что после некоторого периода акклимации у раков устанавливается ярко выраженный суточный ритм, который изменяется на предлиночной стадии линочного цикла и пропадает совсем за 3-5 дней, непосредственно предшествующих линьке. Показано, что обнаруженные в указанных экспериментальных условиях изменения хронотропных характеристик кардиоактивности, в том числе и кардиоритма, могут служить надежными критериями для оценки функционального состояния раков, которые используются в качестве тест-организмов для оценки экологического состояния поверхностных вод.
© Петрозаводский государственный университет
Рецензент: А. Г. Дворецкий
Получена: 21 марта 2017 года
Подписана к печати: 28 октября 2017 года
Введение
Пресноводные высшие раки часто используются в качестве индикаторных организмов устойчивого функционирования водной экосистемы, в которой они обитают, и в мониторинге качества воды (Kholodkevich et al., 2008; Мельник и др. 2013; Сладкова и др., 2016; Kozak, Kuklina, 2016). Австралийские красноклешневые раки Cherax quadricarinatus (von Martens, 1868), получившие широкую известность в мире как объект тепловодной аквакультуры, могут служить в качестве индикаторных организмов качества воды теплых эвтрофных водоемов (Reynolds, Souty-Grosset, 2012). Их толерантность к колебаниям кислорода и биогенов в воде (Ghanawi and Saoud, 2012; Carreno-Leon et al., 2014), а также высокая чувствительность к загрязнению воды, например, тяжелыми металлами (Nakayama et al., 2010) делает их практически оптимальными животными для использования в качестве биоиндикаторов в биологических системах раннего предупреждения (БСРП). В настоящее время биологические методы оценки качества воды, в которых используются разные виды животных в качестве тест-организмов, а биомаркерами служат физиологические и поведенческие показатели их жизнедеятельности, получили достаточно широкое распространение. Среди них достаточно эффективными являются методы, основанные на неинвазивной регистрации и анализе в реальном времени кардиоактивности беспозвоночных животных с жестким наружным покровом (раков, крабов, раковинных моллюсков) (Depledge, 1984; Bamber, Depledge, 1997; Холодкевич, 2006, 2007; Kholodkevich et al., 2008). Очевидно, что при отборе тест-организмов, пригодных для использования в системах биоиндикации, необходимо учитывать адаптационные возможности вида, способность приспосабливаться к экспериментальной среде и условиям, зачастую весьма отличающимся от естественных. В ряде работ (Федотов и др., 2002; Сладкова и др., 2016) исследовалась кардиоактивность пресноводных раков вида Astacus leptodactylus в различных функциональных состояниях и показана возможность использования ее характеристик для оценки качества воды. В одной из таких работ (Удалова и др., 2009) по частоте сердечных сокращений (ЧСС) были определены критерии возникновения и стабилизации ночной, активной фазы поведения узкопалых раков и выявлены существенные из-
менения динамики ЧСС, предшествующие началу линьки, что позволило корректно использовать этот вид раков в системах биологического мониторинга качества воды на водозаборных станциях Санкт-Петербурга (Иванов и др., 2012). Несмотря на большое количество работ по выращиванию и культивированию австралийских красноклешне-вых раков, данные о кардиоактивности этого вида в литературе практически отсутствуют.
Цель настоящей работы состояла в изучении динамики ЧСС раков С. quadricarinatus в различных физиологических состояниях, важных с точки зрения их практического использования в качестве тест-организмов в биологических системах раннего предупреждения: в состоянии покоя, спонтанной ночной активности, состоянии стресса, а также на разных стадиях линочного цикла.
Аналитический обзор
Материалы и методы
Исследование проведено на культивируемых в лабораторных условиях австралийских красноклешневых раках СЬвгаж quadricarinatus. Раки содержались в рыбоводческих лотках с пластиковыми убежищами. Основные параметры содержания: рН -6.5-7.5, температура воды - 26-28 °С, содержание кислорода - не менее 70 % насыщения (7 мг/л), режим освещенности - 12/12.
В эксперимент отбирали 6 недавно перелинявших половозрелых раков-самцов без признаков заболеваний общей длиной 10.0 ± 0.9 см и длиной карапакса 4.5 ± 0.4 см. Об удовлетворительном функциональном состоянии животных судили по их подвижности, поеданию корма и хорошо выраженной реакции опистотонуса (оборонительное приподнимание клешней). Отобранным животным на карапакс приклеивали миниатюрный держатель для волоконно-оптического датчика, необходимого для регистрации кардиоактивности (рис. 1), и по одному помещали в 6 аквариумов с проточной водой, в которых обеспечивалась циркуляция воды на постоянном уровне с помощью помпы, находящейся в специальной резервной емкости.
Каждый аквариум был снабжен искусственным убежищем, в котором рак мог прятаться в светлое время суток. Толщина слоя воды в аквариуме поддерживалась на уровне 10 см. Использовалась отстоянная водопроводная вода. Качество воды обеспечивалось циркуляцией ее через биофильтр фирмы Eheim. Температуру воды в эксперимен-
Рис. 1. Красноклешневой рак Cherax quadricarinatus с прикрепленным датчиком для регистрации ЧСС Fig. 1. Red-claw crayfish Cherax quadricarinatus with a fixed sensor
тальной установке поддерживали на постоянном уровне 27.0 ± 0.5 °С с помощью нагревателей, находящихся в резервной емкости. Режим освещенности 12/12 обеспечивался лампами дневного света. Свет включался с 8 утра до 8 вечера. Животных кормили 1 раз в 3 дня личинками хирономид (в пересчете на суточный рацион - 2 % от веса тела). На следующий день осуществлялась частичная смена воды через резервную емкость. Ежедневно контролировались рН воды и содержание нитратов в ней. Величина рН в течение всего эксперимента оставалась в пределах 6.5-7.4. Содержание нитратов не превышало 40 мг/л. Длительность исследования составила 6 месяцев. После линьки, по мере затвердения карапакса (в среднем через 5 суток), раку снова прикрепляли оптоволоконный датчик и продолжали регистрацию кардиоактивности. Для оценки функционального состояния раков в процессе исследования применяли физический стимул, в качестве которого использовали хэндлинг при наклейке датчиков и метод функциональной (физической) нагрузки - стресс-тест на подвес: рака в течение часа фиксировали в толще воды за закрепленный на карапак-се оптоволоконный кабель. Лишенный контакта с дном аквариума рак совершает вынужденные движения ходильными ногами и клешнями, пытаясь найти опору, и периодически совершает удары хвостом, пытаясь освободиться. Этот тест проводили через 20 дней от начала исследования и повторно в конце него. В течение всего исследования, за исключением момента линьки и постли-
ночной стадии линочного цикла (5 суток), осуществлялась непрерывная регистрация кардиоактивности раков с помощью оригинальной волоконно-оптической системы неинвазивной регистрации фотоплетизмо-грамм беспозвоночных с твердым наружным скелетом (Kholodkevich et а1., 2008). На рис. 2 представлен используемый измерительный комплекс, который снабжен оригинальным программным обеспечением, позволяющим в реальном времени регистрировать ряд характеристик кардиоритма животных (Холодкевич, 2007; Kholodkevich et а1., 2008). При математической обработке фотоплетиз-мограмм в реальном времени определяли частоту сердечных сокращений (чСс) в ударах в минуту с усреднением по 100 кардио-интервалам, среднее квадратичное отклонение длительности кардиоинтервалов (СКО) в секундах. Программа обработки позволяла выводить и архивировать числовые данные, а также строить в реальном времени графики зависимости указанных характеристик кардиоактивности от времени суток. При дальнейшей обработке массива данных ЧСС выделяли два временных периода: ночной -с 20 ч до 8 ч утра и дневной - остальное время суток. Полученный числовой материал обрабатывали статистическими методами с применением парного критерия Стьюдента 1 для зависимых выборок при оценке влияния различных факторов на кардиоактивность каждого рака и двухвыборочного критерия 1 для независимых величин. Значимыми считали различия сравниваемых величин при р <0.05.
Рис. 2. Установка для многоканальной регистрации кардиоактивности одновременно до 7 животных и
интерфейс оригинальной программы «VarPulse»
Fig. 2. Installation for multi-channel registration of cardiac activity of up to 7 animals simultaneously and the
interface of the original computer program «VarPulse»
Использованный способ неинвазивной регистрации кардиоактивности не влияет на поведение раков и не вызывает у них состояния стресса (Kholodkevich et а1., 2008). Длина волоконно-оптического кабеля позволяла животному свободно передвигаться по аквариуму. Для регистрации кардиоактивности при нахождении рака в убежище на его верхней поверхности имелась продольная щель. Кардиоактивность регистрировали одновременно у шести раков.
Результаты исследования
На рис. 3 на примере рака №1 представлесоколо все возрастающего среднего уровня, а в ночное время появляются значительные участки со средним значением СКО 7-10 мс, свидетельствующие о высокой ритмичности ЧСС в это время. На рис. 3В показан типичный пример суточного кардиоритма у раков СЬвгах диа^г1саг1пМиз) адаптированных к условиям содержания (запись в течение 5 суток), который у всех особей стабилизировался на 10-11-е сутки после помещения раков в аквариумы. Четко прослеживаются регулярно повторяющиеся (с 24-часовым периодом) изменения кардиоактивности - высокие значения ЧСС в темное время и более низкие - в светлый период. Значения СКО кардиоинтервалов имеют
аналогичную периодичность с минимальными значениями в ночное время и высокими - в дневное. Активизация кардиоактивности начинается с момента выключения освещения, ЧСС резко возрастает, а СКО резко падает. ЧСС в ночной период носила индивидуальные черты: продолжительность стадии стабильно высокого значения ЧСС, наличие нескольких фаз в периоде общей ночной активности и, наконец, продолжительность всего ночного периода активности. Однако имелись общие для разных особей закономерности. Значения ЧСС в течение почти всего темного периода сохраняются выше дневных значений. Почти все раки демонстрировали стабильно высокие значения ЧСС в промежутке от 22 до 4-6 часов утра. На включение света у всех исследованных животных наблюдается кратковременное повышение ЧСС до максимальных значений, характерных для ночного времени, и быстрый (от 10 до 30 минут) спад до низких дневных значений в покое. При этом СКО длительности кардиоинтервалов резко возрастает сразу после достижения максимальных значений ЧСС и падает до значений, характерных для дневного уровня. Такой пик, как правило, свидетельствует о процессе смены доминирующего звена регуляции, в частности, об ослаблении центральной регуляции кардио-
зззззззззззззэээээаанааааэаавааа
S 3 В 3 3 3 е Ё 8 Й S 3 8 S 8 S 3 8 33 з 38 6 BE 8 8 а 8
er Я i-l r-OÖTJ о (J rf -D ~ ^ ЗС fi 'J Ü О Т 30 NiOC^Kflö О ОС1"" ™ ftiCiü-a ■•■■■rjODO - rj о □ □ ™ "" с- а о о р -■ r-i
и р^н.И-1 1' м ■
Рис. 3. Типичная динамика (рак № 1) ЧСС и СКО длительности кардиоинтервалов раков в течение 14
суток.
ЗА - запись в первые сутки эксперимента, 3Б - запись со 2-х по 9-е сутки, 2В - запись с 10-х по 14-е сутки. Верхняя кривая - ЧСС, нижняя - СКО длительности кардиоинтервалов. Стрелками показано время подачи корма. Вертикальными отрезками обозначены границы суток. Темные участки на временной шкале - продолжительность темнового периода
Fig. 3. Typical dynamics (crayfish №1) of heart rate and mean-square deviation of crayfish cardiac interval
duration for 14 days.
3A - record in the first day of the experiment, 3Б - record from 2d to 9th day, 2B - record from 10th to 14th day. The upper curve is the heart rate, the lower one is the mean-square deviation of the cardiac interval duration. Arrows indicate the feed time. Vertical segments represent the bordelines between days. Dark areas on the timeline are the duration of the dark period
активности и возрастании влияния автономного контура (Баевский, Берсенева, 1997). Повышение СКО длительности кардиоин-тервалов в дневное время сопровождается его постоянными колебаниями (разбросом) около средней линии (рис. 3В), что, возможно, свидетельствует о непостоянстве ритма ЧСС в дневное время, о возможных ультра-дианных ритмах в ЧСС в состоянии покоя. Но способ обработки сигнала с усреднением по 100 кардиоинтервалам не позволяет их выявлять. Это задача требует применения всего арсенала метода вариационной пуль-сометрии для анализа кардиосигналов. На рис. 3 также видно, что процесс кормления раков всегда вызывает повышение ЧСС до максимальных значений, характерных для
Таблица 1. Амплитудные характеристики суточ
искусственной
состояния стресса, но когда суточный ритм еще не выработался, длительность такой реакции разная и часто приводит к длительному периоду активации кардиоактивности. На стадии стабильного суточного ритма процесс кормления, как правило, приводит к повышению ЧСС на 30-60 минут, причем это не оказывает существенного влияния на динамику ЧСС животного в последующие сутки. Таким образом, реакция на включение света и подачу корма состоит в превышении ЧСС покоя на 100 % и более, которая в дневное время в среднем по выборке составляет 52.8 ± 2.160 уд./мин. В ночной период ЧСС в среднем по выборке возрастала на 130 % и составляла 124.4 ± 2.0 (табл. 1).
ного ритма кардиоактивности раков в режиме освещенности
№ рака ЧСС в дневной период (уд./ мин) ЧСС в ночной период (22.006.00) (уд./мин) Реакция ЧСС на включение света (уд./мин) Длительность реакции на включение света (мин)
1 55.9 ± 4.8 127.2 ± 10.2 135.3 ± 10.5 17 ± 3
2 54.3 ± 4.2 124.8 ± 9.3 148.3 ± 15.7 19 ± 4
3 50.8 ± 2.0 123.5 ± 10.6 132.4 ± 11.2 15 ± 4
4 50.3 ± 2.5 121.3 ± 10.3 128.2 ± 12.8 18 ± 5
5 53.5 ± 4.1 124.3 ± 10.3 130.3 ± 10.4 20 ± 3
6 52.1 ± 4.3 125.6 ± 9.8 126.2 ± 11.7 21 ± 5
Среднее 52.8 ± 2.1 124.4 ± 2.0 133.5 ± 7.4 18 ± 2
Такой характер кардиоактивности с выраженным суточным ритмом, период и фазы которого жестко определялись режимом освещенности, раки демонстрировали в течение 3-4 месяцев. За 9-10 дней до наступления линьки характер кардиоактивности раков менялся. Линька всех раков происходила не одномоментно, но в пределах 3 недель. Первый рак полинял на 115-й день от начала регистрации кардиоактивности, а два последних - на 134-й. Как видно из рис. 4, за 10 дней до момента сбрасывания старого панциря значения характеристик суточного ритма ЧСС начинают изменяться в основном за счет повышения ЧСС покоя в дневное время. Повышение ЧСС в дневное время в дальнейшем продолжает нарастать,
г- «-»
и за 5 дней до непосредственного момента линьки значения ЧСС достигают значений, характерных для ночной фазы, что приводит к полному нивелированию суточного ритма. При этом разброс значений СКО длительности кардиоинтервалов постепенно уменьшается, и на 5-е сутки средний уровень СКО соответствует 25 мс, а далее снижается до
10 мс и в последние 3 дня перед линькой до 7 мс с минимальным разбросом, что свидетельствует о нарастающей ритмичности ЧСС и напряженности регуляторных систем. Также видно, что по мере приближения к моменту линьки рак перестает адекватно реагировать на предъявляемые стимулы, а именно: подачу корма, включение и выключение света. В последние 3 дня, непосредственно перед экдизисом, сердце рака работает как часы, а рак сидит в убежище и вылезает из него только перед самой линькой. На рис. 4 видно, что в 16.00 имеется пик СКО и его последующая большая нерегулярная вариация, что обычно связано с движением животного. Замена панциря, как правило, занимает всего около 5-30 минут. К сожалению, методические возможности не позволяют регистрировать ЧСС сразу после линьки из-за мягкого панциря, и любое прикосновению к раку в это время может нанести ему непоправимый вред. Затем рак на время затвердевания панциря забивается в убежище. В это время, как показывают наши наблюдения, он не питается. Через 5 дней
панцирь становится достаточно жестким, что позволяет в очередной раз прикрепить датчик и продолжить регистрацию ЧСС. Наблюдается аналогичная первичная реакция и последующее возбуждение в день наклеи-
вания датчика, но уже на следующие сутки раки демонстрируют характерный для них светозависимый суточный ритм кардиоак-тивности (рис. 3В, табл. 1).
Рис. 4. Типичная динамика (рак № 2) ЧСС и СКО кардиоинтервалов раков в течение 10 суток до линьки. Верхняя кривая - ЧСС, нижняя - СКО. Светлыми стрелками показано время подачи корма. Темная стрелка - момент сбрасывания старого панциря. Вертикальными отрезками обозначены границы суток. Темные участки на временной шкале - продолжительность темнового периода
Fig. 4. Typical dynamics (crayfish №2) of heart rate and cardiac interval mean-square deviation of crayfish within 10 days before molting. The upper curve is the heart rate, the lower one is the mean-square deviation. The light arrows indicate the feed time. The dark arrow is the moment of dropping the old carapace. Vertical segments denote the bordelines between days. Dark areas on the timeline are the duration of the dark
period
Реакция сердечно-сосудистой системы раков в тесте на подвес представлена на рис. 5 на примере рака №3. Эта реакция заключается в быстром повышении ЧСС примерно в 3 раза по сравнению с ЧСС покоя и поддержании этого уровня в пределах 10 % разброса во время подвеса. При этом значение СКО длительности кардиоинтервалов во время подвеса в 10 раз меньше СКО в покое и в среднем составляет 8 мс против 80-100 мс, что свидетельствует о том, что вариабельность сердечного ритма во время подвеса значительно меньше, чем в покое.
Такую реакцию все раки демонстрировали как в начале эксперимента до линьки, так и после линьки в конце эксперимента (табл. 2).
Обсуждение
Многомесячная регистрация хронотроп-ных характеристик кардиоактивности австралийских красноклешневых раков позволила проследить изменения в динамике их сердечной деятельности, обусловленные долговременным пребыванием в экспериментальных условиях, отличающихся по ряду
факторов от естественных сезонных, влияющих на процессы репродукции и линьки. Наблюдаемые изменения кардиоактивности связаны с различными физиологическими состояниями животных, поскольку сердечнососудистая система с ее многоуровневой регуляцией представляет собой систему, конечным результатом деятельности которой является обеспечение заданного уровня функционирования целостного организма. В процессе акклимации организм проходит ряд стадий, на которых пытается приспособиться к новым для него условиям среды. По изменениям характеристик кардиоактивности раков СЬвгах guadricarinatus в процессе их акклимации к экспериментальным условиям, а именно к существенному ограничению жизненного пространства и одиночному содержанию, можно выявить три этапа. Первичным стрессовым воздействием на раков является хэндлинг. Реакция на хэндлинг - генерализованная реакция возбуждения, проявляющаяся в возникновении отчетливого двигательно-оборонительного поведения, сопровождающегося быстрым повышением
Рис. 5. Динамика ЧСС рака № 3 в фоне и в тесте на подвес. Стрелками указано начало подвеса. Черный цвет - среднее значение ЧСС, серый цвет - СКО кардиоинтервалов
Fig. 5. The dynamics of heart rate of crayfish №3 in the background mode and in the lifting test. The arrows indicate the beginning of lifting. The mean value of heart rate is marked black, the mean-square deviation of
cardiac intervals is marked grey.
Таблица 2. Хронотропные характеристики кардиоактивности раков в тесте на подвес
№ рака
ДЧСС = ЧСС в (ЧССгесг -
подвесе до чССпокой) линьки (уд./
мин) до линьки,
%
ЧСС в подвесе после линьки (уд./ мин)
ДЧСС
(ЧССтест-ЧССпокой)
после линьки, %
1 172.4 ± 5.6 207 170.3 ± 9.7 201
2 156.3 ± 9.7 188 155.7 ± 9.8 198
3 151.2 ± 8.1 196 155.5 ± 9.2 194
4 158.8 ± 9.3 216 169.3 ± 8.4 218
5 160.7 ± 8.1 196 165.2 ± 8.3 201
6 155.1 ± 8.8 198 157.2 ± 10.2 198
Среднее 158.8 ± 7.6 200.2 ± 9.8 162.5 ± 7.4 201.7 ± 8.4
ЧСС до максимальных значений, приблизительно в 3 раза больших по сравнению с ЧСС в покое. В ответ на новые условия среды или стрессовое воздействие наблюдались выраженные поведенческие реакции и изменения хронотропных характеристик кардиоактивности с постепенным восстановлением их до исходного состояния в процессе аккли-мации. Анализ кардиоактивности раков в течение 9 дней после помещения в аквариумы лабораторной установки показал, что после первичной реакции с максимально возможными значениями ЧСС состояние возбуждения сохраняется еще 2-3 суток, о чем свидетельствует, в частности, повышенный на 20-30 % уровень ЧСС оперативного покоя в дневное время, по сравнению с ЧСС, характерной для раков этого вида, размера и возраста. Затем ЧСС покоя снижается до 50-60
уд./мин в зависимости от индивидуальных особенностей раков, при этом характерный для данного вида суточный кардиоритм еще не выявляется. По-видимому, за этапом возбуждения следует этап оптимизации поведенческих и физиологических процессов и соответствующих им характеристик кардиоактивности раков и установления оптимального суточного ритма (рис. 2Б). Длительность этого этапа в нашем исследовании составила 6-7 дней. Стабилизация типичной для данного вида раков циркадианной ритмики с чередованием дневного периода покоя и ночной активности является показателем торможения оборонительного поведения и закрепления естественного суточного цикла, т. е. акклимации к новым для животного условиям среды. Известно, что раки, адаптированные к условиям обитания, как
в естественных условиях, так и при длительном содержании в лабораторных условиях, демонстрируют характерный для каждого вида циркадианный кардиоритм, даже если все параметры, которые могли бы повлиять на частоту сердечных сокращений, стандартизированы (Styrishave et al., 1995; Bojsen et al., 1998; Styrishave et al., 2007; Удалова и др., 2009). Нами впервые показано, что у аккли-мированных раков вида C. quadricarinatus устанавливается отчетливо выраженный суточный ритм кардиоактивности, характерный для высших раков, заключающийся в чередовании высоких значений ЧСС в ночное время и низких - в дневное. Указанные сдвиги количественных характеристик кардиоактивности отражают изменения в поведении раков, соответствующие переходу при наступлении темноты из состояния покоя в активное состояние. Такой переход отражает особенности поведения раков, связанные с их сумеречной активностью, особенностями организации их пищедобывательного поведения. Суточный ритм ЧСС, наблюдаемый нами у тропических красноклешневых раков, без сомнения, является проявлением характерного для Decapoda циркадианно-го ритма, синхронизированного с режимом искусственного освещения «день - ночь» (12С:12Т). Четко прослеживается его бимодальный характер, заключающийся в наличии двух пиков активности. Впервые модальность суточного ритма кардиоактивности раков была обнаружена и описана у красных болотных раков Procambarus clarkii (Pollard, Larimer, 1977). Кратковременный пик ЧСС, возникающий сразу после включения света, является рефлекторным ответом на свет, как и индуцированная локомоторная активность, связанная с попыткой спрятаться в убежище (Fingerman, Lago, 1957). Пик на выключение света считается циркадианным, так как он наблюдается и при свободно бегущем ритме с периодом, отличным от 24 часов (Pollard, Larimer, 1977). Такой суточный ритм раки демонстрировали на межлиноч-ной стадии линочного цикла. С наступлением предлиночной стадии амплитудные показатели суточного ритма начинали изменяться, ЧСС покоя, неуклонно возрастая, достигала значений, характерных для состояния активности или стресса, и суточный ритм нивелировался полностью. При этом вариабельность ритма ЧСС существенно уменьшалась. Применение для анализа показателя метода вариационной пульсометрии СКО длительности кардиоинтервалов повышало надеж-
ность определения изменений в сердечном ритме (рис. 3). Линька у раков, как и у всех ракообразных, - доминирующий процесс в течение всей их жизни, прямо или косвенно влияющий на обмен, поведение, размножение и сенсорное восприятие (Passano, 1960). Процессу сбрасывания старого панциря предшествует длительная физиологическая подготовка, которая осуществляется на предлиночной стадии линочного цикла. Как известно (Drach, 1939), данная стадия делится на 4 этапа, на которых последовательно происходит частичная деградация экзоске-лета и формирование новой кутикулы12. ются двумя основными экологическими факторами, лежащими в основе периодичности репродуктивных и линочных циклов у ракообразных. Влияние этих факторов на линьки, воспроизводство и связанные с ними процессы обмена веществ у речных раков хорошо изучены, а также показано, что изменение температуры и светового периода являются факторами, стимулирующими линьку (Armitage et al., 1973; Rice, Armitage, 1974; Westin, Gydemo, 1986; Aiken, Waddy, 1990; Dube, Portelance, 1992). В настоящем исследовании и температура, и фотопериод были стабилизированы. Линочный цикл, по-видимому, контролировался в основном эндогенными факторами. Поскольку линька наблюдалась у всех раков в относительно близкий временной интервал, можно предположить наличие внутренней программы роста и развития животных, выработанной в процессе эволюции. В естественных условиях эта программа синхронизируется с сезонными изменениями абиотических факторов и имеет важное адаптационное значение. В литературе имеются данные о периодических линьках красноклешневых раков как в условиях естественной освещенности, так и в условиях постоянства температуры и фотопериода (Barki et al., 1997).
Заключение
Проводимый в начале исследования (сразу после акклимации) и в конце его тест на подвес показал, что функциональное состояние раков не изменилось в процессе длительного эксперимента, а характеристики кардиоактивности в тесте на подвес свидетельствуют о нормальном энергетическом статусе животного (Bamber, Depledge, 1997). Поэтому можно считать, что все полученные закономерности в кардиоактивности красноклешневых раков имеют физиологический характер. В естественных условиях обитания
суточная ритмика с выраженным усилением автоматического самоконтроля работоспо-
кардиоактивности и локомоций в «ночное» собности БОРП, в которых они используются
время у всех изученных видов Decapoda в качестве тест-организмов. В заключение
является выработанной в ходе эволюции отметим, что автоматическая индикация
адаптацией к циклическим изменениям в этого показателя в реальном времени для
течение суток освещенности и температуры всех раков C. guadricarinatus является прин-
окружающей среды, способствующей избе- ципиально важной, так как в качестве тест-
ганию дневных хищников и снижению меж- организмов во всех системах Б€РП, в том
видовой конкуренции. На наш взгляд, как и числе системах биомониторинга качества
для раков вида Astacus leptodactylus (Удало- биологически очищенных сточных вод, це-
ва и др., 2009; Кузнецова и др., 2010; Ива- лесообразно использовать только здоровых
нов и др., 2012), наличие суточного ритма животных.
кардиоактивности C. guadricarinatus может Работа была выполнена с использовани-
служить важным индикатором нормально- ем оборудования Ресурсного центра «Об-
го физиологического состояния, здоровья серватория экологической безопасности» этих животных и использоваться в качестве Научного парка €ПбГУ.
Библиография
Баевский Р. М., Берсенева А. П. Оценка адаптационных возможностей организма и риска развития
заболеваний . М.: Медицина, 1997. 235 с. Иванов А. В., Холодкевич C. В., Куракин A. C. €амодиагностика биоэлектронных систем мониторинга окружающей среды в реальном времени // ^стемы контроля окружающей среды. 2012. № 17. C. 26-31.
Кузнецова Т. В., йладкова C. В., Холодкевич C. В. Оценка функционального состояния раков в нормальной и токсической среде по их кардиоактивности и биохимическим показателям гемолимфы // Журн. эвол. биохим. и физиол. 2010. Т. 46. № 3. C. 203-210. Мельник Е. А., Рублевская О. Н., Панкова Г. А., Холодкевич C. В., Иванов А. В., Корниенко Е. Л., йлад-кова C. В., Любимцев В. А., Куракин А. C. Биоэлектронная система контроля токсикологической безопасности биологически очищенных сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 1. C. 7-12. йладкова C. В., €афронова Д. В., Холодкевич C. В. Изучение влияния изменений режимов освещенности, температуры и процесса кормления на кардиоактивность раков-биоиндикаторов в биоэлектронных системах мониторинга качества поверхностных вод // Вестник €анкт-Петербургского университета. €ерия 3. Биология. 2016. № 1. C. 137-149. йладкова C. В., Холодкевич C. В. Общий белок в гемолимфе раков Pontastacus leptodactylus как показатель функционального состояния животных и биомаркер качества среды обитания // Журн. эвол. биохим. и физиол. 2011. Т. 47. № 2. C. 136-141. Удалова Г. П., Холодкевич C. В., йладкова C. В., Иванов А. В., Рымша В. А. Исследование циркадиан-ной активности раков Pontastacus leptodactylus при их многомесячном содержании в протоке речной воды // Журн. эволюц. биохим. и физиол. 2009. T. 45. № 3. C. 304-312. Федотов В. П., Холодкевич C. В., йтрочило А. Г. Особенности активности сердца рака Astacus astacus в различных функциональных состояниях // Журн. эволюц. биохим. и физиол. 2002. Т. 38. № 1. C. 36-44.
Холодкевич C. В. Волоконно-оптические дистанционные биосенсорные системы непрерывного биологического мониторинга качества поверхностных вод и донных отложений в реальном времени // Нефть и газ арктического шельфа - 2006: Материалы международной конференции, Мурманск, 15-17 ноября. Мурманск: ММБИ КНЦ РАН, 2006. C. 287-296. Холодкевич C. В. Биоэлектронный мониторинг уровня токсичности природных и сточных вод в реальном времени // Экологическая химия. 2007. Т. 16. № 4. C. 223-232. Цукерсис Я. М. Биология широкопалого рака . Вильнюс: Милятис, 1970. 204 с.
Черкашина Н. Я. Динамика популяций раков родов Pontastacus и Caspiastacus (Crustacea, Decapoda,
Astacidae) и пути их увеличения . М.: Нацрыбресурс, 2002. 256 с. Ahearn G. A., Mandal P. K., Mandal A. Calcium regulation in crustaceans during the molt cycle: a review
and update // Comp. Biochem. Physiol. A. Mol. Integr. Physiol. 2004. Vol. 137. P. 247-257. Aiken D. E., Waddy S. L. Winter temperature and spring photoperiod requirements for spawning in the
American lobster (Homarus americanus) // J. Shellfish Res. 1990. Vol. 9. P. 41-43. Aiken D. E., Waddy S. L. The growth-process in crayfish // Rev. Aquat. Sci. 1992. Vol. 6. P. 335-381. Armitage K. B., Buikema A. L., Willems N. J. The effect of photoperiod on organic constituents and molting
of the crayfish Orconectes nais (Faxon) // Comp. Biochem. Physiol. 1973. Vol. 44(A). P. 431-456. Bamber S. D., Depledge M. H. Responses of shore crabs to physiological challenges following exposure to
selected environmental contaminants // Aquatic Toxicology. 1997. Vol. 40. P. 79-92.
Barki A., Levi T., Hulata G., Karplus I. Annual cycle of spawning and molting in the red-claw crayfish, Cherax quadricarinatus, under laboratory conditions // Aquaculture. 1997. Vol. 157. P. 239-249.
Bojsen B. H., Witthofft H., Styrishave B. In situ studies on heart rate and locomotor activity in the noble freshwater crayfish, Astacus astacus (L.) in relation to natural fluctuation in temperature and light intensity // Freshwater Biology. 1998. Vol. 39. P. 455-465.
Carreño-León D., Racotta-Dimitrov I., Casillas-Hernández R., Monge-Quevedo A., Ocampo-Victoria L., Naranjo-Páramo J., Villarreal H. Growth, metabolic and physiological response of juvenile Cherax quadricarinatus fed different available nutritional substrates // J. Aquac. Res. Development. 2014. Vol. 5. № 2. Doi:10.4172/2155-9546.1000220.
Depledge M. H. Disruption of circulatory and respiratory action in shore crabs Carcinus maenas (L.) exposed to heavy metal pollution // Comp. Biochem. Physiol. 1984. Vol. 78. P. 445-459.
Drach P. Mue et cycle d'intermue chez les Crustacés décapodes. Ann. Inst. Océanogr. Paris (Monaco), 1939. 19. pp. 103-391.
Dubé P., Portelance B. Temperature and photoperiod effects on ovarian maturation and egg laying of the crayfish Orconectes limosus // Aquaculture. 1992. Vol. 102. P. 161-168.
Fingerman M., Lago A. D. Endogenous twenty four hour rhythms of locomotor activity and oxygen consumption in the crayfi sh Orconectes clypeatus // The America n Midland Naturalist. 1957. Vol. 58. P. 383-393.
Ghanawi J., Saoud I. P. Molting, reproductive biology, and hatchery management of red claw crayfish Cherax quadricarinatus (von Martens 1868) // Aquaculture. 2012. Vol. 358-359. P. 183-195.
Kholodkevich S. V., Ivanov A. V., Kurakin A. S., Kornienko E. L., Fedotov V. P. Real time biomonitoring of surface water toxicity level at water supply stations // J. Environmental Bioindicators. 2008. Vol. 3. № 1. P. 23-34.
Kozák P., Kuklina I. Crayfish as tools of water quality monitoring // Freshwater Crayfish: A Global Overview / CRS Press, eds. T. Kawai, Z. Faulkes, G. Scholtz. Boca Raton, 2016. P. 275-298.
Nakayama S. M., Ikenaka Y., Muzandu K,. Choongo K., Oroszlany B., Teraoka H., Mizuno N., Ishizuka M. Heavy metal accumulation in lake sediments, fish (Oreochromis niloticus and Serranochromis thumbergi), and crayfish (Cherax quadricarinatus) in Lake Itezhi-tezhi and Lake Kariba, Zambia // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 2010. Vol. 59. № 2. P. 291-300.
Passano L. M. Molting and its control // Physiology of Crustacea. 1960. Vol. 1. P. 473-536.
Pollard T. G., Larimer J. L. Circadian rhythmicity of heart rate in the crayfish, Procambarus clarcii // Comp. Biochem. Physiol. 1977. Vol. 57(A). P. 221-226.
Reynolds J., Souty-Grosset C. Management of Freshwater Biodiversity. Cambridge: University press, 2012. 374 p.
Rice P. R., Armitage K. B. The effect of photoperiods on oxygen consumption of the crayfish Orconectes nais (Faxon) // Comp. Biochem. Physiol. 1974. Vol. 47(A). P. 261-270.
Shechter A., Berman A., Singer A., Freiman A., Grinstein M., Erez J., Aflalo E. D., Sagi A. Reciprocal Changes in Calcification of the Gastrolith and Cuticle During the Molt Cycle of the Red Claw Crayfish Cherax quadricarinatus // Biol. Bull. 2008. Vol. 214. P. 122-134.
Styrishave B., Rasmussen A. D., Depledge M. H. The influence of bulk and trace metals on the circzdian rhythm of heart rates in freshwater crayfish Astacus astacus // Marine Pollution Bulleten. 1995. Vol. 31. № 1-3. P. 87-92.
Styrishave B., Bojsen B. H., Witthofft H., Andersen O. Diurnal variations in physiology and behaviour of the noble crayfish Astacus astacus and the signal crayfish Pacifastacus leniusculus // Marine and Freshwater Behaviour and Physiology. 2007. Vol. 40. № 1. P. 63-77.
Westin L., Gydemo R. Influence of light and temperature on reproduction and moulting frequency of the crayfish, Astacus astacus L. // Aquaculture. 1986. Vol. 52. P. 43-50.
CARDIAC ACTIVITY OF CRAYFISH CHERAx
quadricarinatus (VON MARTENS 1868) IN
DIFFERENT PHYSIOLOGICAL STATES
SLADKOVA Scientific Research Centre for Ecological Safety, Russian Academy of
Svetlana Vladimir0vna Sciences; Saint-Petersburg State University, [email protected]
KHOLODKEVICH Scientific Research Centre for Ecological Safety, Russian Academy of
Sergey Vict0r0vich Sciences; Saint-Petersburg State University, [email protected]
SAFRONOVA Darja Vyacheslavovna
Saint-Petersburg State University, [email protected]
BORISOV Rostislav Ruslanovich
Russian Federal Research Institute of Fisheries and Oceanography, [email protected]
Key words:
crayfish Cherax quadricarinatus cardiac activity circadian rhythm molting
Received on: 21 March 2017
Summary: Diurnal cardiac rhythm of crayfish Cherax quadricarinatus was studied. Crayfish were contained in laboratory conditions with the following illumination mode: 12 hours of light, 12 hours of darkness. Real-time heart rate was recorded non-invasively for several months using the original fiber-optic method. It was stated that after a certain period of acclimation a pronounced diurnal rhythm was established in crayfish. It changes during the pre-molting stage of the molting cycle and disappears completely within 3-5 days immediately preceding molting. It was shown that changes in the chronotropic characteristics of cardiac activity such as cardiac rhythm found in these experimental conditions could serve as reliable criteria for the assessment of the functional state of the crayfish, which is used as a test-organism for the assessment of surface waters ecological state.
Reviewer: A. G.Dvoretskiy
Published on: 28 October 2017
References
Ahearn G. A., Mandal P. K., Mandal A. Calcium regulation in crustaceans during the molt cycle: a review and update, Comp. Biochem. Physiol. A. Mol. Integr. Physiol. 2004. Vol. 137. P. 247-257.
Aiken D. E., Waddy S. L. The growth-process in crayfish, Rev. Aquat. Sci. 1992. Vol. 6. P. 335-381.
Aiken D. E., Waddy S. L. Winter temperature and spring photoperiod requirements for spawning in the American lobster (Homarus americanus), J. Shellfish Res. 1990. Vol. 9. P. 41-43.
Armitage K. B., Buikema A. L., Willems N. J. The effect of photoperiod on organic constituents and molting of the crayfish Orconectes nais (Faxon), Comp. Biochem. Physiol. 1973. Vol. 44(A). P. 431-456.
Baevskiy R. M. Berseneva A. P. Evaluation of adaptive abilities of an organism and risk of diseases development. M.: Medicina, 1997. 235 p.
Bamber S. D., Depledge M. H. Responses of shore crabs to physiological challenges following exposure to selected environmental contaminants, Aquatic Toxicology. 1997. Vol. 40. P. 79-92.
Barki A., Levi T., Hulata G., Karplus I. Annual cycle of spawning and molting in the red-claw crayfish, Cherax quadricarinatus, under laboratory conditions, Aquaculture. 1997. Vol. 157. P. 239-249.
Bojsen B. N., Witthofft H., Styrishave B. In situ studies on heart rate and locomotor activity in the noble freshwater crayfish, Astacus astacus (L.) in relation to natural fluctuation in temperature and light intensity, Freshwater Biology. 1998. Vol. 39. P. 455-465.
Carreño-León D., Racotta-Dimitrov I., Casillas-Hernández R., Monge-Quevedo A., Ocampo-Victoria L., Naranjo-Páramo J., Villarreal H. Growth, metabolic and physiological response of juvenile Cherax quadricarinatus fed different available nutritional substrates, J. Aquac. Res. Development. 2014. Vol. 5. No. 2. Doi:10.4172/2155-9546.1000220.
Cherkashina N. Ya. Dynamics of Pontastacus and Caspiastacus crayfish populations (Crustacea, Decapoda, Astacidae) and methods for increasing their abundance. M.: Nacrybresurs, 2002. 256 p.
Cukersis Ya. M. Biology of the crayfish Astacus astacus. Vil'nyus: Milyatis, 1970. 204 p.
Depledge M. H. Disruption of circulatory and respiratory action in shore crabs Carcinus maenas (L.) exposed to heavy metal pollution, Comp. Biochem. Physiol. 1984. Vol. 78. P. 445-459.
Drach P. Mue et cycle d'intermue chez les Crustacés décapodes. Ann. Inst. Océanogr. Paris (Monaco), 1939. 19. pp. 103-391.
Dubé P., Portelance B. Temperature and photoperiod effects on ovarian maturation and egg laying of the crayfish Orconectes limosus, Aquaculture. 1992. Vol. 102. P. 161-168.
Fedotov V. P. Holodkevich S. V. Strochilo A. G. Peculiarities of cardiac activity in the crayfish Astacus astacus in different functional states, Zhurn. evolyuc. biohim. i fiziol. 2002. T. 38. No. 1. P. 36-44.
Fingerman M., Lago A. D. Endogenous twenty four hour rhythms of locomotor activity and oxygen consumption in the crayfi sh Orconectes clypeatus, The America n Midland Naturalist. 1957. Vol. 58. P. 383-393.
Ghanawi J., Saoud I. P. Molting, reproductive biology, and hatchery management of red claw crayfish Cherax quadricarinatus (von Martens 1868), Aquaculture. 2012. Vol. 358-359. P. 183-195.
Holodkevich S. V. Bioelectronic monitoring of the toxicity level of natural and sewage water in the real time regime, Ekologicheskaya himiya. 2007. T. 16. No. 4. P. 223-232.
Holodkevich S. V. Fiber-optic remote biosensor systems for permanent biological monitoring of the surface water and bottom sediments quality in the real time, Neft' i gaz arkticheskogo shel'fa - 2006: Materialy mezhdunarodnoy konferencii, Murmansk, 15-17 noyabrya. Murmansk: MMBI KNC RAN, 2006. P. 287-296.
Ivanov A. V. Holodkevich S. V. Kurakin A. S. Self-diagnostics of bioelectronics systems of environment monitoring in real time, Sistemy kontrolya okruzhayuschey sredy. 2012. No. 17. P. 26-31.
Kholodkevich S. V., Ivanov A. V., Kurakin A. S., Kornienko E. L., Fedotov V. P. Real time biomonitoring of surface water toxicity level at water supply stations, J. Environmental Bioindicators. 2008. Vol. 3. No. 1. P. 23-34.
Kozak P., Kuklina I. Crayfish as tools of water quality monitoring, Freshwater Crayfish: A Global Overview, CRS Press, eds. T. Kawai, Z. Faulkes, G. Scholtz. Boca Raton, 2016. P. 275-298.
Kuznecova T. V. Sladkova S. V. Holodkevich S. V. Evaluation of functional state of crayfish in normal and toxic environment by characteristics of their cardiac activity and hemolymph biochemical parameters, Zhurn. evol. biohim. i fiziol. 2010. T. 46. No. 3. P. 203-210.
Mel'nik E. A. Rublevskaya O. N. Pankova G. A. Holodkevich S. V. Ivanov A. V. Kornienko E. L. Sladkova S. V. Lyubimcev V. A. Kurakin A. S. Bioelectronic system for toxicological safety control of biologically purified wastewater, Vodosnabzhenie i sanitarnaya tehnika. 2013. No. 1. C. 7-12.
Nakayama S. M., Ikenaka Y., Muzandu K,. Choongo K., Oroszlany B., Teraoka H., Mizuno N., Ishizuka M. Heavy metal accumulation in lake sediments, fish (Oreochromis niloticus and Serranochromis thumbergi), and crayfish (Cherax quadricarinatus) in Lake Itezhi-tezhi and Lake Kariba, Zambia, Arch. Environ. Contam. Toxicol. 2010. Vol. 59. No. 2. P. 291-300.
Passano L. M. Molting and its control, Physiology of Crustacea. 1960. Vol. 1. P. 473-536.
Pollard T. G., Larimer J. L. Circadian rhythmicity of heart rate in the crayfish, Procambarus clarcii, Comp. Biochem. Physiol. 1977. Vol. 57(A). P. 221-226.
Reynolds J., Souty-Grosset C. Management of Freshwater Biodiversity. Cambridge: University press, 2012. 374 p.
Rice P. R., Armitage K. B. The effect of photoperiods on oxygen consumption of the crayfish Orconectes nais (Faxon), Comp. Biochem. Physiol. 1974. Vol. 47(a). P. 261-270.
Shechter A., Berman A., Singer A., Freiman A., Grinstein M., Erez J., Aflalo E. D., Sagi A. Reciprocal Changes in Calcification of the Gastrolith and Cuticle During the Molt Cycle of the Red Claw Crayfish Cherax quadricarinatus, Biol. Bull. 2008. Vol. 214. P. 122-134.
Sladkova C. V. Safronova D. V. Holodkevich S. V. The study of the effect of light intensity, temperature and feeding conditions changes on the cardiac activity of crayfish-bioindicators in bioelectronics systems for surface water quality monitoring, Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Seriya 3. Biologiya. 2016. No. 1. P. 137-149.
Sladkova S. V. Holodkevich S. V. Total protein in hemolymph of crayfish Pontastacus leptodactylus as a parameter of the functional state of animals and a biomarker of habitat quality, Zhurn. evol. biohim. i fiziol. 2011. T. 47. No. 2. P. 136-141.
Styrishave B., Bojsen B. N., Witthofft H., Andersen O. Diurnal variations in physiology and behaviour of the noble crayfish Astacus astacus and the signal crayfish Pacifastacus leniusculus, Marine and Freshwater Behaviour and Physiology. 2007. Vol. 40. No. 1. P. 63-77.
Styrishave B., Rasmussen A. D., Depledge M. H. The influence of bulk and trace metals on the circzdian rhythm of heart rates in freshwater crayfish Astacus astacus, Marine Pollution Bulleten. 1995. Vol. 31. No. 1-3. P. 87-92.
Udalova G. P. Holodkevich S. V. Sladkova S. V. Ivanov A. V. Rymsha V. A. Study of circadian activity in the crayfish Pontastacus leptodactylus during their multimonth maintenance in the river water flow, Zhurn. evolyuc. biohim. i fiziol. 2009. T. 45. No. 3. P. 304-312. Westin L., Gydemo R. Influence of light and temperature on reproduction and moulting frequency of the crayfish, Astacus astacus L., Aquaculture. 1986. Vol. 52. P. 43-50.
