CC BY
137
УДК 597-113.2:597-13:597.553.2
И. В. Волкова Астраханский государственный технический университет
МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПИЩЕВАРИТЕЛЬНОЙ ФУНКЦИИ У НЕКОТОРЫХ ВИДОВ РЫБ СЕМЕЙСТВ ЛОСОСЕВЫХ И КАРПОВЫХ
Введение
В последнее время отмечается усиление интереса к эволюционным и экологическим аспектам пищеварительной функции у рыб разных таксономических групп. Данная работа является попыткой анализа физиологии мембранного (пристеночного) пищеварения у некоторых видов карповых и лососевых рыб с учетом влияния факторов среды и состава пищи на пищеварительную активность, а также с учетом современных представлений о различных характеристиках мембранного пищеварения.
Благодаря применению сравнительно-физиологического подхода удалось более полно охарактеризовать закономерности гидролиза компонентов пищи и приблизиться к пониманию механизма эволюционных и адаптивных перестроек пищеварительной системы при изменениях абиотических факторов среды обитания рыб. Большое внимание в наших исследованиях уделено активности пищеварительных ферментов на всех этапах личиночного и малькового периодов некоторых видов лососевых и карповых рыб. Исследуя хро-нобиологические аспекты онтогенеза рыб, возможно прогнозировать био-ритмический статус организма на разных этапах онтогенеза.
Работы А. М. Уголева [1] и В. В Кузьминой [2] в области исследования мембранного пищеварения способствовали ревизии существовавших представлений о развитии пищеварительной функции, в том числе и у рыб. Однако многие вопросы, касающиеся роли пищеварительных гидролаз как главных агентов химической переработки пищи на ранних этапах постна-тального развития у рыб, остаются невыясненными. В связи с этим мы исследовали влияние характера питания и композиции пищи на уровень активности одноименных гидролаз у рыб разных видов.
Целью данной работы являлось исследование изменения уровня активности пищеварительных ферментов, осуществляющих гидролиз углеводных и белковых компонентов пищи у карповых и лососевых рыб на ранних этапах развития.
Материал и методы исследований
В качестве объектов исследования использовали личинок и молодь черноморской кумжи (Salmo trutta labrax Pallas), стальноголового лосося (Salmo gairdneri Rich.), белого толстолобика (Hypophthalmichthys molitrix) и пестрого толстолобика (Aristichthys nobilis).
Общую амилолитическую активность оценивали по приросту гексоз при помощи метода Нельсона в модификации А. М Уголева и Н. Н. Ие-зуитовой [3]. Активность а-амилазы определяли методом Смита и Роя в модификации А. М. Уголева [4]. Активность нейтральной протеазы определяли модифицированным методом Лоури [5].
Полученные данные подвергали статистическому анализу [6].
Результаты и обсуждение
Как известно, рыбы в своем развитии проходят ряд этапов, которые были выявлены при изучении внешнего строения рыб [7]. Как показывают результаты, полученные в ходе наших экспериментов и экспериментов ряда других исследователей [8], развитие органов, связанных с питанием, также характеризуется этапностью и тесно связано с периодами развития морфологических и экстерьерных показателей рыбы. У большинства видов рыб в эмбриональный период не происходит окончательного формирования пищеварительного аппарата, развитие и совершенствование которого продолжается на последующих этапах постэмбриогенеза [9]. Темп и сроки формирования как структуры пищеварительной системы, так и ее функций имеют видовые особенности [10]. На протяжении жизни рыб, особенно на первом году, происходит поэтапное изменение объектов питания, связанное с физиологическим состоянием рыб, а также сезонными изменениями видового состава кормовых организмов. При этом осуществляется адаптивная перестройка ферментных систем пищеварительного тракта рыб.
Так, на ранних этапах онтогенеза у растительноядных рыб наблюдаются значительные изменения спектра питания, что связано с переходом личинок от потребления зоопланктона к пище, свойственной тому или иному виду во взрослом состоянии. У лососевых видов рыб на ранних стадиях развития молодь потребляет представителей бентофауны, зоопланктон, тогда как взрослые особи - хищники, и в их рационе встречаются не только рыбы, но и земноводные, а в определенных условиях наблюдается каннибализм [11]. Одновременно происходит становление пищеварительной функции, которое можно проследить на примере перестройки активности пищеварительных ферментов, осуществляющих гидролиз компонентов пищи.
Содержание белка в пище является характерной чертой питания молоди подавляющего большинства рыб как в естественных, так и в искусственно созданных условиях. Наличие определенного количества белковых структур в корме определяет развитие соответствующих ферментных систем. Поскольку нерастворимые белки являются балластным компонентом корма на ранних личиночных этапах, синтез необходимых пищеварительных ферментов на этих этапах регулируется в первую очередь низкомолекулярными и высокомолекулярными белковыми субстратами, входящими в определенных пропорциях в растворимую фракцию корма. Мелкие формы зоопланктона, служащие кормом личинкам рыб на начальных этапах, имеют близкое соотношение белковых структур, что обусловливает равный ход раз-
вития их пищеварительных ферментных систем. Это подтверждает гипотезу А. М. Уголева о детерминированном развитии пищеварительных желез, что является следствием эволюционно и генетически обусловленной приспособленности к питанию определенно структурированными организмами.
Молодь большинства видов рыб обладает чрезвычайно коротким пищеварительным трактом, сравнимым с длиной тела. Это свидетельствует об адаптации в раннем постэмбриогенезе к питанию легкоусвояемой животной пищей и неспособности эффективно перерабатывать труднопе-ревариваемую растительную. У молоди исследуемых нами видов карповых рыб после выклева кишечник короткий, что также соответствует потребляемой в этот период животной пище - мелкому зоопланктону. Пищеварительный канал лососевых рыб в начале личиночного периода уже относительно дифференцирован на отделы, но совершенно не подготовлен к восприятию экзогенной пищи [12]. Анализ состояния пищеварительной системы лососевых на ранних стадиях развития показал, что и к моменту ее перехода всецело на этап экзогенного питания строение пищеварительного тракта значительно отличается от дефинитивного, и прежде чем достигнуть организации, свойственной взрослым особям, пищеварительный канал еще должен пройти в онтогенезе долгий путь усложнения своей структуры. По мере роста рыб происходят количественные изменения в строении отделов пищеварительного тракта. Предполагается, что уровень развития пищеварительной системы связан прежде всего с длиной тела, а не с возрастом молоди.
В дальнейшем рост кишечника растительноядных рыб опережает линейный рост, что соответствует переходу на трудноперевариваемую пищу, тогда как у лососевых отношение длины пищеварительной трубки к длине рыб составляет 0,7-0,8. При этом размеры кишечника изменяются в зависимости от условий питания, что отражает адаптацию пищеварительных органов к характеру питания. Особенности пищевых потребностей личинок рыб определяются не только их потенцией к чрезвычайно высокой скорости роста, но и степенью развития пищеварительной функции в момент перехода к дефинитивному питанию. Характер изменения исследуемых активностей при этом зависит как от типа питания рыб, так и от функции того или иного фермента.
Активность пищеварительных ферментов у исследованных рыб после вылупления низка и зачастую не обнаруживается на начальных этапах личиночного периода развития. Это связано с тем, что в момент вылупле-ния пищеварительный тракт слабо дифференцирован на отделы, а железы сформированы не полностью. Кроме того, и рацион рыб оказывает влияние на формирование структуры пищеварительного тракта. Например, у форели при кормлении всеми искусственными кормами, независимо от их состава, происходит замедленная дифференциация желудка и оформление структуры слизистой оболочки [13]. Те же тенденции к замедлению развития слизистой оболочки кишечника отмечены и при кормлении искусственными кормами личинок сазана и карпа [13]. Наиболее обеспечена пищеваритель-
ными ферментами форель, у которой достаточно длительный период желточного питания (до 40 дней), причем активность пищеварительных гидролаз после резорбции желточного мешка значительно увеличивается [13].
При переходе личинок лососевых и карповых рыб на смешанное питание происходит заметное увеличение скорости гидролиза некоторых пищеварительных ферментов. Так, у сазана, карпа, форели, черноморской кумжи, стальноголового лосося подобная тенденция выявлена на 12-18 сутки, а у белого и пестрого толстолобика наиболее значительное увеличение общей амилолитической активности отмечено на 21 сутки после вылупле-ния, когда личинки начинают активно потреблять крупные формы фито-и зоопланктона. Аналогичная динамика гидролиза белковых и углеводных компонентов пищи была выявлена ранее при исследовании некоторых видов хищных рыб [14]. По всей вероятности, у хищных рыб, достигших этого возраста, происходит окончательное формирование желудка, желез гепатопан-креаса и дифференцировка пилорических придатков. Область пилорических придатков у рыб семейства лососевых может быть приравнена к верхнему отделу кишечника высших позвоночных и является органом, активно осуществляющим гидролитические и транспортные функции, где резорбируется до 90 % белков, липидов и углеводов, получаемых рыбой из кормов [13].
В условиях естественного питания пищеварение личинок осуществляется в основном за счет гидролаз потребленного зоопланктона путем автолиза последнего [14]. На этапе смешанного питания на фоне обеспечения организма запасным белком происходит «тренировка» и подготовка пищеварительной системы к активному функционированию пищеварительной системы к активному функционированию.
Строение пищеварительного аппарата определяет размеры и в конечном счете тип пищевых объектов, которыми может питаться молодь рыб. Так, например, величина пищевых объектов у лососевых рыб определяется в первую очередь размерами их ротового аппарата. Соответствие между размерами молоди и величиной органов приводит к возрастной изменчивости состава пищи. Переход к питанию характерным для вида кормом происходит строго в зависимости от этапа развития как всего организма, так и пищеварительной системы рыб. Переход к мальковому периоду развития в кишечниках лососевых рыб сопровождается значительным повышением протеолитической активности (в 43 раза - у черноморской кумжи, в 86 раз - у стальноголового лосося) [15]. У зоопланктофага пестрого толстолобика на протяжении малькового периода наблюдаемое возрастание общей протеолитической активности происходит на фоне снижения скорости гидролиза углеводных компонентов пищи, что демонстрирует наличие интегративных адаптационных перестроек ферментов в зависимости от композиции пищи.
Особенности развития пищеварительной системы рыб заключаются в том, что условия, в которых происходит формирование системы, неодинаковы для разных видов рыб. У одних видов становление функции пищеварительных органов практически завершается в период эндогенного и смешанного питания, у других - продолжается после резорбции желтка на фоне внешнего питания, что мы и наблюдаем в случае со стальноголовым лососем.
При сравнительном анализе данных по протеолитической и общей амилолитической активности в слизистой оболочке кишечника четырех исследованных видов рыб обращает на себя внимание тот факт, что максимальные значения скорости гидролиза углеводных компонентов пищи отмечены у карповых рыб, тогда как белковых составляющих рациона -у лососевых. Этот факт свидетельствует о наличии тонких механизмов адаптации ферментной системы рыб к характеру пищи.
Заключение
Информация об особенностях ферментативной активности пищеварительной системы рыб необходима для создания оптимальных условий при выращивании молоди. Понимание общих закономерностей начальных этапов ассимиляции пищи и разработка мероприятий, направленных на увеличение эффективности этих процессов, возможны лишь в результате комплексного исследования гидролаз пищеварительного тракта рыб.
Таким образом, выявлено, что на ранних этапах онтогенетического развития у исследованных видов карповых и лососевых рыб присутствуют все исследованные пищеварительные ферменты. Активность этих ферментов в ходе развития претерпевает значительные изменения. При этом их характер зависит от вида рыб и функции фермента. Изменения активности ферментов к концу личиночного периода обусловлены переходом личинок на тип питания, характерный для взрослых рыб.
Выявленные нами видовые различия в расщеплении белковых и углеводных составляющих рациона характеризуют реализацию пищеварительной функции организмов, принадлежащих к различным экологическим группировкам, и являются характерными показателями для данных видов.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Уголев A. M. О существовании пристеночного (контактного) пищеварения // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. - 1960. - Т. 49, № 1. -С. 12-17.
2. Кузьмина В. В. Физиологические адаптации (на примере экзотрофии у рыб) // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. - 2001. - Т. 37, № 3. - С. 215-224.
3. Уголев A. M., Иезуитова Н. Н. Определение активности инвертазы и других дисахаридаз // Исследование пищеварительного аппарата у человека. - Л.: Наука, 1969. - С. 192-196.
4. Уголев А. М. Определение амилолитической активности // Исследование пищеварительного аппарата у человека: обзор современных методов. - Л.: Наука, 1969. - С. 187-192.
5. Алейникова Т. Л., Рубцова Г. В. Биохимия. Руководство к практическим занятиям по биологической химии. - М.: Высш. шк., 1988. - 239 с.
6. Бейли Н. Статистические методы в биологии. - М.: Изд-во иностр. лит., 1962. -260 с.
7. Васнецов В. В. Этапы развития костистых рыб // Очерки по общим вопросам ихтиологии. - М., 1953. - С. 182-218.
8. Васнецов В. В. Этапы развития системы органов, связанных с питанием, у леща, воблы и сазана // Морфологические особенности, определяющие питание леща, воблы и сазана на всех стадиях развития. - М., 1948. - С. 233-253.
9. Остроумова И. Н., Дементьева М. А. О начале функционирования поджелудочной железы в пищеварительном процессе личинок карпа Cyprinus carpio // Журнал эволюционной биохимии и физиологии. - 1981. - Т. 17, № 3. - С. 302-304.
10. Ильина И. Д. Возрастные изменения активности пищеварительных протеоли-тических ферментов в раннем онтогенезе карповых рыб // Вопросы физиологии и кормления рыб: Сб. науч. тр. ГосНИОРХ. - 1983. - Вып. 194. - С. 81-88.
11. Канидьев А. Н. Биологические основы искусственного разведения лососевых рыб. - М., 1984. - 345 с.
12. Ершова Т. С. Становление структуры и гидролитических функций пищеварительной системы черноморской кумжи и стальноголового лосося на ранних этапах онтогенеза: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Краснодар, 2003. - 23 с.
13. Дементьева М. А. Анатомо-гистологические особенности пищеварительного тракта радужной форели (Salmo irideus Gibbons) на ранних этапах онтогенеза // Изв. ГосНИОРХ. - 1976. - Т. 22. - С. 876-884.
14. Уголев А. М., Кузьмина В. В. Пищеварительные процессы и адаптации у рыб. -СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. - 238 с.
15. Особенности мембранного пищеварения карповых видов рыб / Г. М. Абдурахманов, И. В. Волкова, С. Н. Егоров и др. - М.: Наука, 2003. - 301 с.
Статья поступила в редакцию 24.03.06, в окончательном варианте - 18.04.06
MORPHOPHYSIOLOGICAL FEATURES OF THE FORMATION OF THE DIGESTIVE FUNCTION AT SOME KINDS OF SALMON (SALMONIDAE) AND CARP (CYPRINIDAE)
I. V. Volkova
The objects of the research were larvae and young fish of Black Sea salmon (Salmo trutta labrax Pallas), Salmo gairdneri Rich., silver carp (Hypophthalmichthys molitrix) and spotted silver carp (Aristichthys nobilis). The maximum speed of hydrolysis of carbohydrate components of food is marked at phytophagous fishes. The author of the paper has also established that salmon fishes (Salmonidae) have some protein components of their diet, and it is the evidence of the presence of some mechanisms of adaptation of fermental system of fishes to the character of their food. During the process of the development, the activity of the enzymes splitting carbohydrate and protein components of fish forage undergoes significant changes, and their character depends on a kind of fishes and the function of an enzyme. By the end of the larval period, the changes of the activity of enzymes are caused by the transition to the type of a diet typical for adult fishes. The revealed species differences in splitting protein and carbohydrate components of a diet characterize the realization of digestive function of organisms that belong to various ecological groupings, and are the characteristic indices for the given kinds.
