CC BY
82
БИОЛОГИЯ И БИОЭКОЛОГИЯ
УДК 594.381:591.53:591.185.3:577.112.3
Е.С. Боричева
СТИМУЛЯЦИЯ ПИЩЕВОГО ПОВЕДЕНИЯ БРЮХОНОГИХ МОЛЛЮСКОВ LYMNAEA STAGNALIS L. И PLANORBARIUS CORNEUS L. РАСТВОРАМИ АМИНОКИСЛОТ
Изучено влияние растворов девятнадцати аминокислот на поисковую и завершающую фазы пищевого поведения пресноводных легочных моллюсков прудовика обыкновенного и катушки роговой. Установлено, что поисковую фазу пищевого поведения в испытанных нами концентрациях вызывает большее количество веществ, чем завершающую. Показана видовая специфика стимуляции аминокислотами пищевого поведения прудовика и катушки, которая, вероятно, формируется под влиянием пищевого опыта.
Stimulation of searching and consummatory phases of feeding behaviour by solutions of nineteen amino acids has been studied in freshwater snails Lymnaea stagnalis L. and Planorbarius corneus L. Number of effective stimuli for searching phase of feeding behaviour exceeds the number of amino acids that stimulates consummatory phase. It is possible that specific character of stimulation of different phases of gastropod feeding behaviour by amino acids forms by means of animal's feeding experience.
Введение
Легочные моллюски — одно из постоянных звеньев трофической структуры экосистемы пресноводного водоема. В качестве консументов первого порядка они употребляют в пишу высшие цветковые растения и водоросли, а в качестве редуцентов — детрит, остатки отмерших растений и животных [4; 9]. Для поиска и выбора пиши эти медленно пе-редвигаюшиеся, со слабо развитым зрением животные используют хеморецепцию, позволяюшую им воспринимать растворенные в воде вещества, выделяемые объектами питания [14].
Рядом исследователей показано, что для брюхоногих моллюсков, как и для многих других водных животных (ракообразных, рыб, земноводных, пресмыкающихся), сигналами пиши могут служить не только сложные по составу экстракты растительной и животной пищи [12], но и отдельные химические вещества, в частности свободные аминокислоты [17; 20; 22]. Однако нет ответа на вопрос:, одинаковыми или разными аминокислотами стимулируются разные фазы пищевого поведения этих животных, то есть не установлена в полной мере экологическая значимость этих веществ в питании моллюсков. Недостаточно изучены сравнительные особенности экологии пищевого поведения у брюхоногих моллюсков из семейств
ВестникРГУ им. И. Канта. 2007. Вып. 1. Естественные науки. С. 81—88.
82
Lymnaeidae (прудовики) и Bulinidae (витушковые), «тяготеющих» к разным типам трофических цепей в пресноводных биоценозах [4]. С учетом вышеизложенного целью нашего исследования стало изучение влияния аминокислот на поисковую и завершающую фазы пищевого поведения прудовика обыкновенного и катушки роговой.
Материал и методика
Моллюски прудовик обыкновенный и катушка роговая в количестве по 40 особей были собраны в водоемах Калининграда*. Животных содержали в аквариумах, заполненных отстоянной водопроводной водой, при комнатной температуре (+20...25 °С). Каждые сутки воду заменяли на свежую. Моллюски питались листьями одуванчика — кормом, который традиционно применяется отечественными исследователями при содержании этих животных в лаборатории.
В эксперименте изучали способность 19 аминокислот (АК) стимулировать две разные фазы пищевого поведения (ПП) — поисковую и завершающую — у моллюсков прудовика обыкновенного и катушки роговой (список веществ приведен в разделе «Результаты и обсуждение»). Оптически активные аминокислоты были в виде Ь-изомеров или смесей О- и Ь-форм изомеров.
Стимуляция пищевых поисковых реакций. Для определения эффективности растворов АК в стимуляции поисковой фазы пищевого поведения моллюсков использовали специальную камеру. Она представляет собой пластмассовую коробку размером 17x5x5 см. Пунктирная линия на дне коробки разделяет ее пополам. Каждая половина разделена еще на две равные части. Их обозначили цифрами «1» и «2» со знаком «минус» в контрольной половине камеры и знаком «плюс» — в экспериментальной. Среднюю линию приняли за «0» (рис.).
Рис. Камера для оценки стимуляции пищевых поисковых реакций моллюсков растворами аминокислот
Камеру заполняли отстоянной водопроводной водой. К ее дну на расстоянии 6 см от центра с обеих сторон с помощью игл прикрепляли по кусочку поролона размером 1 см3 (рис.). Кусочек поролона, смоченный в растворе АК, помещали на участке камеры, обозначенном «+2». В качестве
* В получении первичных данных принимали участие студенты РГУ им. И. Канта Е.Е. Тишина и Е.И. Дударева.
контроля использовали кусочек поролона, смоченный в воде, который прикрепляли в противоположном участке камеры, обозначенном «-2». Измерения начинали через 20 минут после начала диффузии раствора АК концентрацией 10-3 моль/л. В это время концентрация АК в центре камеры («0»), куда помещали моллюска, была около 5 • 10-5 моль/л (определили с помощью нингидринового метода Роузена на спектрофотометре СФ-46) [18]. Эта величина превышает значения фоновой концентрации свободных АК в пресных водоемах, которая чаще всего варьирует в пределах 10-8.10-5 моль/ л [7]. В течение 10 минут с интервалом в 1 минуту регистрировали нахождение моллюска в том или ином из участков камеры по положению его головы.
Одновременно тестировали 10 животных в десяти камерах. Затем камеры тщательно промывали в проточной воде и повторяли эксперимент на другой выборке из 10 особей того же вида моллюсков. Вторая серия опытов отличалась от первой серии тем, что кусочки поролона, смоченные в растворе АК, помещали на место контрольных и наоборот. Этим исключалось влияние возможного предпочтения животными одного из участков камеры, вызванного какими-либо неконтролируемыми причинами.
После выполнения опытов определяли среднее арифметическое положений моллюсков и его стандартное отклонение за 20 минут обеих серий наблюдений, используя формулы:
Э ,= (X; + <)/2; ЭсР.=[| Э , )/10,
где Э; — эффективность раствора АК за каждую из 10 минут опыта (Ь), усредненная между двумя сериями (Ь принимает значения от 1 до 10); х' — среднее значение положений десяти моллюсков в камерах в каждую из 10 минут опыта первой серии; х;' — среднее значение положений десяти моллюсков в камерах в каждую из 10 минут опыта второй серии.
Величину Эср считали эффективностью данного вещества как стимулятора пищевых поисковых реакций (ППР) моллюсков. Уровень значимости средней эффективности определяли с помощью непараметрического рангового Т-критерия Вилкоксона [6]. Все АК, использованные в опытах, ранжировали по их способности стимулировать поисковую фазу ПП моллюсков от более к менее эффективным.
Стимуляция завершающей фазы пищевого поведения. Стимуляцию завершающей фазы, то есть изменение частоты скребковых движений радулы в растворе АК концентрацией 10—3 моль/л (ЧСДР вызванная) по сравнению с частотой в аквариумной воде (ЧСДР фоновая), регистрировали у 8 особей прудовика обыкновенного и 10 особей катушки роговой по методике, описанной ранее [2]. Выбор концентрации растворов АК в данном случае обусловлен содержанием этих веществ в растительных и животных тканях [7; 19]. Среднюю эффективность рассчитывали по формуле
Е(ЧСДРвызв. — ЧСДРфонов.) / П,
где п = 8 при стимуляции завершающей фазы ПП раствором АК у прудовика обыкновенного; п = 10 при стимуляции завершающей фазы ПП раствором АК у катушки роговой.
84
АК ранжировали по эффективности стимуляции ЧСДР и определяли уровни значимости их влияния на ЧСДР. Для этого использовали непараметрический ранговыш Т-критерий Вилкоксона [6]. Затем сравнивали ранжированные ряды эффективных АК, возникающие для разных фаз ПП особей каждого вида моллюсков, а также ряды эффективных АК, полученные при стимуляции одинаковых фаз ПП у прудовика обыкновенного и катушки роговой.
Результаты и обсуждение
Проведенные нами эксперименты показали, что завершающая фаза пищевого поведения у прудовика обыкновенного и катушки роговой стимулируется меньшим количеством веществ, чем поисковая. У прудовика положительные ППР, то есть передвижение животных в направлении увеличения концентрации химического стимула в воде статистически достоверно вызывают 7 АК, причем среди испытанных АК не было веществ, вызывающих у моллюсков реакцию избегания (табл.).
Значения средних эффективностей, стандартных отклонений и рангов отдельных аминокислот в стимуляции поисковой фазы пищевого поведения у прудовика обыкновенного и катушки роговой
Стимул Поисковая фаза ПП (локомоции)
Прудовик обыкновенный Катушка роговая
Средняя эффективность / 10 мин Ранг Средняя эффективность / 10 мин Ранг
Ь-глутамин 0,72** ± 0,39 + 1** 0,12 ± 0,29 9
0,Ь-лейцин 0,43* ± 0,38 +2* 0,20 ± 0,31 5,5
ДЬ-аспарагиновая кислота 0,41** ± 0,35 +3** -0,60** ± 0,11 19**
0,Ь-лизин 0,33* ± 0,41 +4* 0,20 ± 0,32 5,5
0,Ь-тирозин 0,28 ± 0,68 5 -0,20** ± 0,11 17**
Ь-пролин 0,26** ± 0,27 +6** -0,01 ± 0,41 12
Ь-аргинин 0,25* ± 0,29 +7* 0,42** ± 0,22 +1**
Ь-цистеин 0,15 ± 0,33 8 0,23** ± 0,21 +4**
0,Ь-треонин 0,12* ± 0,16 +9,5* 0 ± 0,35 11
Глицин 0,12 ± 0,39 9,5 -0,17 ± 0,37 16
0,Ь-валин 0,09 ± 0,24 11 0,13 ± 0,23 8
0,Ь-аланин 0 ± 0,38 12 0,14 ± 0,31 7
Ь-изолейцин -0,01 ± 0,49 13 -0,10 ± 0,19 14
0,Ь-метионин -0,03 ± 0,32 14,5 0,05 ± 0,27 10
0,Ь-триптофан -0,03 ± 0,25 14,5 0,35** ± 0,15 +2**
0,Ь-фенилаланин -0,03 ± 0,21 16 -0,12* ± 0,12 -15*
Ь-глутаминовая кислота -0,04 ± 0,27 17 -0,43** ± 0,33 18**
Ь-гистидин -0,10 ± 0,24 18 -0,03 ± 0,31 13
0,Ь-серин -0,34+ 0,50 19 0,32** ± 0,07 +3**
Примечание: * — уровень значимости величин эффективности Р < 0,05; **- Р < 0,01; + — положительная реакция на стимул; — — отрицательная реакция на стимул.
У катушки роговой на поисковую фазу ПП влияют 8 АК. Половина из них — аттрактанты, половина — репелленты. Ряд эффективности этих АК имеет следующий вид: аргинин > триптофан > серин > цисте-ин > «0» > фенилаланин > тирозин > глутаминовая кислота > аспарагиновая кислота (табл.).
ЧСДР прудовика обыкновенного достоверно увеличивает только триптофан, а уменьшают пролин и, в еще большей степени, аспарагиновая кислота. Завершающую фазу ПП катушки роговой стимулируют
2, а тормозят 5 АК. Ряд эффективности АК, влияющих на ЧСДР катушки роговой, имеет следующий вид: лейцин > лизин > «0» > метионин > пролин > фенилаланин > серин > изолейцин.
В отличие от списков сахаров (моно- и дисахаридов) спектры аминокислот, стимулирующих поисковую и завершающую фазы ПП у изученных видов моллюсков, не перекрываются [3]. Другая особенность влияния аминокислот на ПП прудовика и катушки заключается в том, что они могут вызывать у животных и положительные, и отрицательные реакции, в то время как сахара в сходных концентрациях либо стимулировали, либо не оказывали влияния на ПП. Интересно, что на различных этапах ПП «знак» реакции моллюсков на одни и те же аминокислоты может быхть разным. Так, аспарагиновая кислота и пролин, стимулирующие поисковую фазу ПП у прудовика, тормозят ЧСДР моллюска. А у катушки роговой такое же влияние на ПП оказывает серин.
Точные сведения о потребностях брюхоногих моллюсков в аминокислотах отсутствуют [17], хотя имеются некоторые данные о влиянии дефицита различных АК в пище на рост и откладку яиц этими животными [13]. Считают, что незаменимыми для брюхоногих моллюсков являются те же АК, что и для других животных. Нами не обнаружено связи между незаменимостью АК и их эффективностью в стимуляции ПП пресноводных легочных моллюсков. Например, у прудовика обыкновенного, катушки роговой и Biomphalaria glabrata (Р1апогЫдае — катушки) предположительно незаменимые АК триптофан и лизин стимулируют ПП, а фенилаланин и метионин их тормозят [2; 20].
Положительные поисковые реакции прудовика и катушки в отношении ряда испытанных АК могут быгть связаны с их выщелением в воду из объектов питания [8; 19; 20] и в какой-то степени с присущей водным легочным моллюскам способностью потреблять АК из водоема, заглатывая их с водой [15].
В экспериментах с заднежаберным моллюском — морским зайцем Aplysia kurodai — при использовании искусственных кормов с недостатком той или иной из 20 протеиногенных АК выяснилось, что нехватка некоторых из них в пище приводит у этих животных к значительным потерям в весе и прекращению откладки яиц [13]. В подобных условиях потребление растворенных АК непосредственно из водоема кажется необходимым для выживания моллюсков. В этой связи важно еще раз подчеркнуть, что отрицательные реакции при изучении поисковой фазы ПП у прудовика не вызывает ни одна из АК, испытанных в концентрациях, близких к природным.
Среди возможных причин экологического характера, связанных со средой обитания животных и объясняющих отрицательные реакции моллюсков в отношении аминокислот, можно назвать периодичность присутствия (например, фенилаланина, метионина, изолейцина) и незначительное количество некоторых АК (метионина, тирозина и др.) в прудовой воде по сравнению с испытанными в эксперименте концентрациями [24].
Интересно, что биомфалярия не проявляет локомоторной активности в отношении аргинина — АК, относящейся к группе основных, тогда как прудовик и катушка достоверно реагируют на раствор аргинина в виде положительных ППР. Сигнальное значение аргинина для прудовика и катушки можно попытаться объяснить следующим образом. Townsend и Bousfield с сотрудниками наблюдали, что биомфалярия следует по слизевым дорожкам хорошо кормящихся особей своего вида, особенно если животное перед этим голодало [11; 21]. Не исключено, что это форма пищевого поискового поведения. Поскольку эта реакция не зависит от вида корма питающихся особей, то Bousfield с коллегами предположил, что в ее запуске важную роль играют химические компоненты слизи, в частности свободные АК как одни из наиболее поведенчески активных веществ для биомфалярии [11; 20; 22]. В слизи моллюска малого прудовика (L. truncatula) обнаружена высокая концентрация свободных АК (и 7 • 10-3 моль/л), ее величина находится в оптимальном диапазоне восприятия химических веществ водными брюхоногими моллюсками [16; 20; 23]. Самое большое количество — четверть общей концентрации свободных АК слизи — приходится на долю свободного аргинина (и 1,88 • 10-3 моль/л). Возможно, это объясняет сигнальную значимость аргинина для родственных малому прудовику видов — обыкновенного прудовика и катушки роговой, который помогает животным эффективнее находить объекты питания. Другим возможным объяснением привлекательности аргинина для прудовика и катушки может быть употребление в пищу (перед выловом из пруда для экспериментов) синезеленых водорослей, поскольку для их клеток характерно высокое содержание основных АК и выделение их в воду, особенно летом в период «цветения» [8].
Подобно реакциям изученных нами видов моллюсков на растворы сахаров видовая специфика стимуляции ПП прудовика и катушки аминокислотами наиболее ярко проявляется в завершающей фазе ПП. У прудовика обыкновенного скребковые движения радулой стимулирует только триптофан — одна из самых «обильных» АК, содержащихся в свободном виде в тканях живых водных растений, которыми преимущественно питается указанный моллюск [10]. У катушки роговой завершающую фазу стимулируют лизин и лейцин. На наш взгляд, это связано с обитанием животных на дне водоемов и употреблением в пищу иловых отложений и детрита [4; 5; 19], на долю которых, по некоторым данным, может приходиться до 25 % массы всех свободных АК ила [5].
Отсутствие сходства между ранжированными рядами АК по их способности стимулировать ППР и скребковые движения радулой, вероятно, объясняется количественными (пороговые значения) и качест-
венными (перечень эффективных АК) различиями этих химических стимулов в стимуляции двух разных фаз пищевого поведения моллюсков — поисковой и завершающей. Можно предположить, что стимулами для поисковой фазы ПП служат вещества, выделяемые в водную среду объектами питания, а для завершающей — в первую очередь те, которые поступают в воду в наибольшем количестве уже в процессе потребления корма. В какой-то мере это подтверждает экспериментально установленный нами ранее факт, что эффективность отдельных сахаров, стимулирующих завершающую фазу ПП прудовика обыкновенного и катушки роговой, может изменяться с переходом животных на другие объекты питания [1].
Список литературы
1. Бондаренко В.Ф., Боричева Е.С. Изменение эффективности отдельных сахаров в стимуляции пищевого поведения у пресноводных легочных моллюсков прудовика обыкновенного (Lymnaea stagnalis L.) и катушки роговой (Planorbarius corneus L.) в зависимости от пищевого опыта // Сенсорные системы. 2004. Т. 18. № 1. С. 87—90.
2. Бондаренко В.Ф., Боричева Е.С., Богданова А.В. Стимуляция поворотов головы и скребковых движений радулы растворами аминокислот у прудовика обыкновенного Lymnaea stagnalis // Там же. 2002. Т. 16. № 4. С. 330—335.
3. Бондаренко В.Ф., Боричева Е.С., Леденцова О. В. Стимуляция пищевого поведения пресноводных легочных моллюсков прудовика обыкновенного (Lymnaea stagnalis L.) и катушки роговой (Planorbarius corneus L.) растворами сахаров и сахарных спиртов // Там же. 2005. Т. 19. № 1. С. 49—58.
4. Властов Б.В., Матекин П.В. Подкласс сидячеглазые (Basommatophora) // Жизнь животных: В 7 т. / Под ред. Р.К. Пастернак. М.: Просвещение, 1988. Т. 2. С. 61—65.
5. Кузьменко М.И. Влияние аминокислот на продуктивность некоторых видов синезеленых водорослей // «Цветение» воды (вопросы физиологии, биохимии, токсикологии и использования синезеленых водорослей): Сб. науч. тр. / АН УССР. Киев: Наук. думка, 1969. Вып. 2. С. 69 — 89.
6. Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: Высш. шк., 1990. С. 133 — 134.
7. Мантейфель Ю.Б., Кружалов Н.Б., Киселева Е.И., Марголис С.Э. Чувствительность хеморецепторных систем амфибий и рептилий к аминокислотам // Журн. эволюц. биохим. и физиол. 1989. Т. 25. № 2. С. 246—252.
8. Сакевич А.И. Экзометаболиты пресноводных водорослей. Киев: Наук. думка, 1985. С. 117—130.
9. Цихон-Луканина Е.А. Трофология водных моллюсков. М.: Наука, 1987.
10. Якубовский К.Б., Мережко А.И. Углеводы и азотистые соединения у ряда высших водных растений и динамика их содержания в течение вегетации // Гидробиол. журн. 1975. Т. 11. № 6. С. 81—84.
11. Bousfield J.D., Tait A.I., Thomas J.D., Towner-Jones D. Behavioral studies on the nature of stimuli responsible for triggering mucus trail tracking by Biomphalaria glabrata / / Malacol. Rev. 1981. Vol. 14. P. 49 — 64.
12. Bovbjerg R.V. Responses to food in Lymnaeid snails // Physiol. Zool. 1968. Vol. 41. P. 412 —424.
13. Carefoot T.H. Studies on the nutrition and feeding preferences of Aplysia: weight changes on artificial diets deficient in specific amino acids // Can. J. Zool. 1981. Vol. 59. P. 445 — 454.
88
14. Croll R.P. Gastropod chemoreception // Biol. Rev. 1983. Vol. 58. P. 293 — 319.
15. Eaton P., Thomas J.D. The accumulation and metabolism of amino acids by Biomphalaria glabrata, a freshwater pulmonate snail // Comp. Biochem. Physiol. 1999. Pt. A. Vol. 122. № 4. P. 421—428.
16. Jager J.C. A quantitative study of a chemoresponse to sugars in Lymnaea stag-nalis (L.) // Netherl. J. Zool. 1971. Vol. 21(1). P. 1 — 59.
17. Lombardo F., Maramaldo R., Fratello B., Sonetti D. Amino acids and derivatives as food-finding signals in the freshwater snail Planorbarius corneus (L.) // Comp. Biochem. Physiol. 1992. Pt. C. Vol. 101. № 2. P. 389—398.
18. Rosen H. A modified ninhydrin colorimetric analysis for amino acids / / Arch. Biochem. Biophys. 1957. Vol. 67. P. 10 — 15.
19. Sterry P.R., Thomas J.D., Patience R.L. Behavioural responses of Biomphalaria glabrata (Say) to chemical factors from aquatic macrophytes including decaying Lemna paucicostata (Hegelm ex Engelm) // Freshw. Biol. 1983. Vol. 13. P. 465 — 476.
20. Thomas J.D., Assefa B., Cowley C., Ofosu-Barko J. Behavioural responses to amino acids and related compounds, including propionic acid, by adult Biomphalaria glabrata (Say), a snail host of Schistosoma mansoni // Comp. Biochem. Physiol. 1980. Pt. C. Vol. 66. P. 17—27.
21. Townsend C.R. Mucus trail following by the snail Biomphalaria glabrata (Say) / C.R. Townsend // Anim. Behav. 1974. Vol. 22. P. 170—177.
22. Uhazy L.R. Schistosoma mansoni: Identification of chemicals that attract or trap its snail vector, Biomphalaria glabrata // Science. 1978. Vol. 201. P. 924 — 926.
23. Wilson R.A. An investigation into the mucus produced by Lymnaea truncatula, the snail host of fasciola hepatica / / Comp. Biochem. Physiol. 1968. Vol. 24. P. 629 —633.
24. Zygmuntova J. Occurrence of free amino acids in pond water // Acta Hydro-biol. 1972. Vol. 14. № 3. P. 313—325.
Об авторе
Е.С. Боричева — соиск., РГУ им. И. Канта, [email protected]
УДК 581.1
И.С. Майдебура, Т.Н. Чупахина
ОЦЕНКА ЖИЗНЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДРЕВОСТОЯ В УСЛОВИЯХ ГОРОДА
Исследовалось состояние древесных растений (Sorbus aucuparia L., Tilia cordata Mill., Acer platanoides L., Picea pungens), произрастающих в семи районах Калининграда и области, отличающихся по степени загрязнения воздушного бассейна. Проведенная работа позволила ранжировать районы по степени увеличения негативного влияния на исследованные растения. Устойчивость изученных видов к загрязнению воздушной среды снижалась в следующем порядке: Picea pungens - Acer platanoides L. -Tilia cordata Mill. - Sorbus aucuparia L.
It was investigated the condition of the wood plants growing in the seven districts of Kaliningrad and over the region, differing on a degree of pollution of air basin. The carried out work has allowed to
Вестник РГУ им. И. Канта. 2007. Вып. 1. Естественные науки. С. 88—97.
