CC BY
36
УДК 581.1
Е. Р. Тараховская1, Ю. И. Маслов1, А. И. Раилкин2, А. Р. Бесядовский3
влияние гидродинамических условий на рост и морфогенез эмбрионов гисш VESICULOSUS Ь. (PHAEOPHYTA)
1 Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра физиологии и биохимии растений
2 Санкт-Петербургский государственный университет, кафедра зоологии беспозвоночных
3 Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, кафедра гидроаэромеханики и морской акустики
Введение. Рост и развитие морских макрофитов регулируются многими факторами, такими, как интенсивность и спектральный состав света, доступность минеральных веществ, температура, межвидовая и внутривидовая конкуренция за территорию и ресурсы, воздействие фитофагов и, конечно, гидродинамические характеристики [2, 16, 18]. Известно, что интенсивное перемешивание воды необходимо для нормального развития гидрофитов, а продукция макрофитов в зонах, подверженных сильному волнению, превышает продукцию водорослей, растущих в местах, защищенных от ветрового воздействия [1, 10, 24]. В то же время детальным исследованиям влияния гидродинамических условий на поглощение и усвоение водорослями питательных элементов до сих пор уделялось мало внимания [7, 8].
Известно [16, 26], что в естественных условиях в водоемах встречаются все основные варианты гидродинамического режима: ламинарный поток (слои жидкости практически параллельны друг другу), турбулентный поток (жидкость интенсивно перемешивается, образуя завихрения) и промежуточный вариант (слои жидкости не параллельны друг другу, но и не образуют завихрений) . В физике тот или иной режим течения жидкости характеризуется числом Рейнольдса (Re), которое показывает соотношение между инерционными силами и силами вязкости [9, 13]. При обтекании потоком каких-либо объектов определение гидродинамического режима осуществляется согласно следующему уравнению: Re = с\\/ ц, где с - плотность, v — скорость потока, I — характерный линейный размер обтекаемого объекта и ц — динамический коэффициент вязкости жидкости. Для водорослей с пластинчатым талломом, таких, как Lammaria, характерным линейным размером является длина пластины [16], а для эмбрионов Fucus vesiculosus (рис . 1, А), послуживших объектом для данного исследования, — максимальный диаметр (рис 1, Б)
С точки зрения экологии и физиологии водорослей наибольший интерес представляет ситуация, характеризующаяся низкими значениями числа Рейнольдса (Re << 1) . В этих условиях силы вязкости доминируют, и поток можно считать практически ламинарным В случае ламинарного течения процессы переноса массы и энергии между слоями жидкости осуществляются достаточно медленно, в основном за счет диффузии, что создает значительные трудности для обмена водных организмов с окружающей средой
Хорошими объектами для изучения влияния гидродинамических условий на рост и развитие литоральных макроводорослей являются прорастающие споры и зиготы, а также
© Е . Р. Тараховская, Ю . И . Маслов, А . И . Раилкин, А . Р. Бесядовский, 2008
растения в стадии раннего эмбриогенеза .
Именно на этих стадиях развития водоросли часто оказываются в особо невыгодных условиях, поскольку находятся в пограничном слое воды, прилегающем к обтекаемой поверхности, в котором скорость течения и интенсивность перемешивания значительно снижены, вплоть до полной ламинаризации потока [16].
Взрослые организмы, размеры которых больше толщины пограничного слоя, чаще оказываются в условиях промежуточного или турбулентного течения
В ходе эмбрионального развития водорослей происходят ключевые события морфогенеза, такие, как поляризация и формирование апикальных меристем [14, 23]. Изменение интенсивности и направленности роста и, как следствие, изменение морфологии являются одним из основных способов адаптации организмов к гидродинамическим условиям При этом даже незначительные, на первый взгляд, морфологические изменения могут иметь адаптивную ценность для растения — дать ему определенные конкурентные преимущества, которые обеспечат процветание в сообществе, и даже приведут к появлению новых функций [17, 20].
Удобными модельными объектами для изучения влияния гидродинамических условий на рост и развитие растений могут служить литоральные бурые макроводоросли (родов Fucus и Ascophyllum) на ранних стадиях эмбрионального развития . В период размножения Е vesiculosus (с середины июля до начала сентября) возможно получение больших количеств гамет этой водоросли в лабораторных условиях . При этом яйцеклетки могут быть оплодотворены одновременно с получением синхронной культуры эмбрионов, которая в дальнейшем поддерживается в течение нескольких месяцев . После оплодотворения зиготы фукуса выделяют адгезивные вещества, при помощи которых они прочно прикрепляются к различным субстратам, в том числе и к искусственным, что позволяет экспериментировать с ними, а также выращивать в контролируемых аквариальных условиях
Цель данной работы заключается в исследовании влияния гидродинамических условий (ламинарное, промежуточное и турбулентное течения) на рост и морфогенез эмбрионов Е vesiculosus .
Материалы и методы исследования. Объектами исследования послужили эмбрионы литоральной бурой водоросли фукуса пузырчатого (Еисш vesiculosus Ь . ) . Материал был собран в районе Морской биологической станции Санкт-Петербургского государственного университета (Белое море)
— 111
V = — х (Ь)1 + LDd + Ld1 + —)3-БЧ-БсР);
12 111
5 = — х [ф + &)^4Ь2 - 41.1) + 2)2 - 2Dd + d2 + 2)2] 4
Рис. 1. Определение размерных характеристик эмбрионов F. \esiculosus
А — 3-суточный эмбрион К vesiculosus; Б — схема эмбриона, принятая для расчета размерных характеристик;
Ь — длина талломической части эмбриона; ) — максимальный диаметр; d — минимальный диаметр; V — объем талломической части эмбриона; 5 — площадь поверхности талломической части эмбриона .
о
20Г
40
290
300
в августе-сентябре 2005-2007 гг. Получение гамет, оплодотворение и выращивание синхронной культуры эмбрионов осуществляли в основном по стандартной методике [3, 23]. В качестве субстратов для выращивания эмбрионов использовали прямоугольные пластины из оргстекла размером 5x10 см . На каждой пластине отмечали 3 поля площадью по 2,25 см2 и на каждое поле равномерно высаживали
по 50 зигот. Через 3 суток после оплодотворения, когда зиготы прикрепились к субстрату и проросли (см. рис. 1, А), пластины были помещены в условия искусственно созданных ламинаризированного или турбулизированного течений . Измененный гидродинамический режим обтекания пластин достигался с использованием специально сконструированных и рассчитанных гидродинамических решеток [4], которые помещали непосредственно перед горизонтально расположенными пластинами в качестве контроля использовали немодифицированный поток воды, примерно соответствующий промежуточному варианту гидродинамического режима (см . выше) .
Решетки, усиливающие гидродинамические пульсации (рис . 2), были выполнены в виде прямоугольных рам, размещенных на общем основании и снабженных рядом параллельно расположенных в одной плоскости цилиндрических стержней . Диаметр стержней и расстояния между ними определяли характеристики турбулентных пульсаций в соответствии с числом Струхаля, рассчитываемым по формуле:
Рис. 2. Конструкция турбулизирующей решетки
Sh =
V
-, где /— частота пульсаций (гц); d — диаметр стержня (м); V — скорость набегающего
1 1
І І
{і
н
1 1 - НІ
1 1 1 1
1 1 1 1
. 2'40 .
250
Рис. 3. Устройство ламинаризирующего аппарата
потока (м/с) . Для создания требуемого турбулизирующего эффекта решеток диаметр стержней был выбран равным 4 мм, а расстояние между ними — 3 см . Пластины с эмбрионами F. \esiculosus размещали горизонтально посередине между стержнями решетки .
Сглаживание турбулентных пульсаций достигалось благодаря использованию специальных спрямляющих (ламинаризирующих) решеток . Они представляли собой конструкцию, составленную из вытянутых вдоль течения параллелепипедов, сложенных вместе (рис 3) В соответствии с теоретическими расчетами соотношение между размером входящего квадратного окна решетки, точнее его стороной, и длиной канала было выбрано максимальным и составляло 1:10, что соответствовало оптимизации эффекта решетки
В условиях аэродинамической трубы, имитирующей естественные водные потоки в море, были проведены исследования взаимодействия турбулизирующей решетки с набегающим потоком и работы ламинаризи-рующей установки (рис 4) полученные результаты, подтвердили эффективность как одного, так и другого устройства. С одной стороны, была показана возможность обеспечения искусственной турбулизации потока, с другой — наличие сглаживающего эффекта . Иллюстрацией служат осциллограммы турбулентных пульсаций в зоне расположения опытных образцов, полученные с помощью термоанемометра фирмы DISA (рис . 5) .
Было проведено две серии опытов — в море, в условиях, приближенных к естественным, и в аквариумах, в лабораторных условиях . В первой серии опытов пластины с прикрепившимися эмбрионами экспонировались на глубине 1 м в бухте Круглая в районе ББС ЗИН РАН (мыс Картеш) . Снятие опыта было произведено
Рис. 4. Экспериментальная установка, смонтированная в рабочей части аэродинамической трубы
через 30 суток . Во второй серии пластины содержали в аквариумах с проточной водой в Морском аквариальном комплексе БИНИИ СПбГУ В этом случае наблюдения велись в течение 7 месяцев . Периодически пластины вынимали и производили морфометрические определения При этом измеряли следующие параметры: длину тал-ломической (фотосинтезирующей) части эмбриона (без учета ризоидов и апикальных волосков) и ее максимальный и минимальный диаметры (см. рис . 1, Б) . Измерения производили с помощью окуляр-микрометра и микроскопа МБС-9 . Исходя из полученных данных и принимая, что талломическая часть эмбриона имеет форму усеченного конуса с закругленным основанием, рассчитывали объем и площадь поверхности эмбрионов, а также отношение длины эмбриона к его диаметру Формулы для расчетов приведены на рис 1
Статистическую обработку данных проводили с использованием программы STATISTICA 5 . 5 (StatSoft Inc . , США) . Поскольку сравнение результатов разных серий опытов за первый месяц эксперимента не выявило достоверных различий между ними, соответствующие данные обеих серий были объединены На рисунках представлены средние арифметические значения величин и доверительные интервалы (а = 0,05)
Результаты исследований и их обсуждение. В предыдущих работах [6, 7] пами было показано, что рост эмбрионов F. vesiculosus в течение первого месяца развития описывается в целом экспоненциальной кривой, и основной вклад в увеличение объема эмбрионов вносит рост фотосинтезирующей талломической части. Как можпо видеть на рис 6, начиная со второго месяца развития эмбрионов, динамика роста изменяется В течение последующих 7 месяцев объем талломической части эмбриона увеличивается практически линейно (R2 = 0,96) . Эти результаты свидетельствуют о несколько замедленном развитии эмбрионов по сравнению с литературными данными из работ [21, 22] . Вероятно, это объясняется тем, что в качестве среды для выращивания водорослей мы применяли морскую воду без минеральных и витаминных добавок, используемых для интенсификации роста водорослей в условиях лабораторной культуры [11, 21].
В течение всего исследованного периода талломическая часть эмбрионов увеличивалась в основном в длину, все больше отклоняясь от шарообразной формы толщина эмбрионов в раннем эмбриогенезе увеличивается очень медленно
Искусственная турбулизация течения оказывает сильный стимулирующий эффект па рост эмбрионов (рис . 7, А-Б), который проявлялся уже через месяц после начала эксперимента Вероятно, это связано с тем, что турбулизация жидкости существенно усиливает транспортные процессы и перемешивание В таких условиях уменьшается толщина неперемешиваемого пограничного слоя воды у поверхности растений, что обеспечивает максимальный газообмен водорослей и, следовательно, стимулирует фотосинтез и дыхание По литературным данным, полученным с использованием представителей родов Laminaria,
Возраст эмбрионов, месяцы
Рис. 6. Динамика объема талломической части эмбрионов F. vesiculosus
АБ
Рис. 5. Осциллограммы турбулентных пульсаций в потоке А — за стержнем турбулизатора; Б — за ламина-ризирующей решеткой.
Fucus', Саи1егра [5, 12, 16, 18, 25], при увеличении скорости течения (до выхода на насыщающее значение) и турбулизации потока усиливается как рост водорослей, так и интенсивность фотосинтеза и поглощения минеральных элементов . Еще одним положительным следствием роста в условиях турбулентного течения как для эмбрионов, так и для взрослых макрофитов является меньшая доступность для эпифитных микроводорослей и фитофагов, которые смываются с поверхности водорослей [18] . В данной работе была также отмечена минимальная заселенность субстратов эпифитными организмами в варианте с турбулизированным течением как в море, так и в аквариумах (данные не приводятся) . В то же время использованные нами варианты гидродинамического режима не оказали значимого влияния на удерживание эмбрионов на субстратах. Как при полевых экспериментах, так и при выращивании в аквариумах за период экспозиции около 30 % эмбрионов было смыто с субстратов
Выращивание в условиях ламинаризи-рованного потока, напротив, приводит к замедлению роста (рис . 7, А—В) эмбрионов . В этом случае видимый эффект проявляется только после 3 месяцев эксперимента, и до 5 месяцев отличие от контроля остается незначительным . Однако затем происходит резкое торможение роста и через 7 месяцев экспозиции объем эмбрионов, площадь поверхности и отношение длины к диаметру оказываются соответственно на 40, 30 и 10 % ниже, чем в контрольном варианте В целом эти результаты подтверждают литературные данные, свидетельствующие о том, что неперемешиваемые слои воды в окружении гидрофитов являются одним из важнейших факторов, лимитирующих ростовые процессы, интенсивность фотосинтеза и поглощение минеральных веществ [19, 24] . Особенно сильно в условиях ламинарных потоков нарушается газообмен и поглощение неорганического углерода. Относительное содержание форм неорганического углерода в воде зависит от рН . Как правило, морская вода имеет слабощелочную реакцию (рН 8-8,5), в таких условиях большая часть неорганического углерода находится в форме НСО3-. Но при слабом течении или искусственной ламинаризации в слое воды, прилегающем к водорослям, накапливаются продукты фотосинтеза, в том числе ионы ОН-, что вызывает подщелачивание . При значениях рН 9-10 доминирующей формой неорганического углерода в воде становятся ионы СО32-, которые практически не усваиваются водорослями [16, 19, 24].
При слабом течении (<10 см/с) возможности потребления гидрофитами внешних ресурсов во многом определяет их морфология . В условиях преобладания ламинарных потоков приток к поверхности водорослей растворенных в воде веществ, таких, как кислород, углекислота, азот, фосфор и т д , и отток ассимилятов существенно замедлены, так как осуществляются только за счет диффузии [16] . Адаптивным ответом гидрофитов на подобное
8
к
8
8
(С
1С
С
302520 -151050-
А
н 7 1 600-
рЪ 500 -I
,—1
§ . 400 -^ § 300Ц 8 200 ° 100-с 0
э Контроль > Турбулизация ■ Ламинаризация
4,5-1
13 5 7
Возраст эмбрионов, месяцы
Рис. 7. Влияние гидродинамического режима на рост эмбрионов К ve.siculo.sus А — объем талломической части эмбрионов;
Б — площадь поверхности талломической части эмбрионов; В — отношение длины к толщине .
воздействие, как правило, являются морфологические изменения, направленные на увеличение площади поверхности — удлинение и истончение талломов водорослей [1, 2, 12, 16] . Следовательно, уменьшение соотношения длины к диаметру эмбриона F. vesiculosus в условиях ламинарного течения (см . рис . 7, В) является нетипичной реакцией. Однако подавляющее большинство данных по влиянию слабого перемешивания воды на морфологию гидрофитов получено на относительно крупных организмах — взрослых талломах литоральных макрофитных водорослей. Можно предположить, что реакция эмбрионов, характерный линейный размер (диаметр таллома) которых не превышает 100-120 мкм, будет отличаться от реакции более крупного организма. В условиях плохого перемешивания воды у мелких организмов изначально есть преимущество — относительно большая площадь поверхности. Известно, что некоторые микроводоросли, например Scenedesmus quadricauda, достигают максимальной скорости роста при низкой скорости течения или даже в стоячей воде, и это связано с маленькими размерами данных организмов [15] . Верхний же размерный предел для неподвижных планктонных организмов составляет 100 мкм [25] . Таким образом, можно предположить, что в течение большей части нашего эксперимента (приблизительно первые
5 месяцев развития) эмбрионы F vesiculosus еще не испытывали существенного ингибирующего влияния ламинарного течения, и поэтому у них не возникла типичная для таких условий морфологическая структура и лишь когда эмбрионы достигли критических размеров (диаметр таллома >100 мкм) началось резкое снижение интенсивности роста (рис . 7, А) .
таким образом, полученные данные позволяют сделать заключение, что гидродинамический режим оказывает существенное влияние на рост и морфогенез эмбрионов
F. vesiculosus. Наименее благоприятные условия для роста создаются при ламинарном течении, при этом критическим периодом по отношению к этому фактору является не ранний эмбриогенез, а более поздние стадии развития, начиная с 5-го месяца после оплодотворения
summary
Tarakhovskaya E. R., Maslov Yu. I., Railkin A. I., Besyadovskij A. R. Influence of hydrodynamic conditions on growth and morphogenesis of Fucus vesiculosus L . embryos (Phaeophyta) .
Hydrodynamic regime is one of the key factors controlling growth and development of marine algae . The purpose of this work was to study the influence of different types of water motion, namely laminar, transitional and turbulent on the growth and morphogenesis of Fucus vesiculosus L . embryos . Artificial turbulence stimulated growth of embryos - after 7 months of experiment their volume was 30% higher than one in a control variant . Apparently it’s connected with the increased gas exchange resulting in increased photosynthesis and respiration rates . Exposure to laminar flow led to the substantial delay of the growth (40% below control) and abnormal morphogenesis of the embryos, especially after 5 months of exposition . We assume that exposure to laminar flow in the benthic boundary layer may be one of the important factors limiting brown algae sporelings development
Key words: Fucus vesiculosus, embryos, hydrodynamic regime, growth, morphogenesis .
литература
1. Воскобойников Г. М., Макаров М. В., Облучинская Е. Д., Пантелеева Н. Н. Запасы, современное состояние и перспективы использования водорослей-макрофитов Баренцева моря . Мурманск, 2007.
2 . Макаров М. В., Рыжик И. В., Воскобойников Г. М., Матишов Г. Г. Влияние интенсивности движения воды на морфологические и физиологические показатели F. vesiculosus L . Баренцева моря // Докл . РАН . 2007. Т. 415, № 4 . С . 569-570.
3. Полевой В. В., Тараховская Е. Р., Маслов Ю. И., Полевой А. В. Роль ауксина в индукции полярности у зигот Fucus vesiculosus L . // Онтогенез . 2003 . Т. 34, № 6 . С . 432-437.
4. Раилкин А. И. Патент № 68236 на полезную модель «Устройство для биологических испытаний обрастания материалов и покрытий» // Заявка № 2007125014 . Приоритет полезной модели 02.07.2007. Зарег. 27. 11. 2007.
5. Рыжик И. В. Морфо-функциональные особенности промысловых водорослей из разных биотопов Баренцева моря: Автореф канд дис Мурманск, 2005 24 с
6. Тараховская Е. Р., Маслов Ю. И. Динамика содержания фотосинтетических пигментов в ходе онтогенеза Fucus vesiculosus L . // Вестн. С-Петерб . ун-та. Сер . 3 . 2007. Вып. 4 . С . 111-118 .
7. Тараховская Е. Р., Маслов Ю. И, Раилкин А. И. Рост эмбрионов Fucus vesiculosus L . в разных гидродинамических условиях // IV научная сессия МБС СПбГУ: Тез . докл . СПб . , 2005 . С . 72-73 .
8. Тараховская Е. Р., Маслов Ю. И, Раилкин А. И. Рост и морфогенез эмбрионов Fucus vesiculosus L . (Phaeophyta) в условиях МАК при разном гидродинамическом режиме // IX научная сессия МБС СПбГУ: Тезисы докладов . СПб . , 2008 . С . 70-71.
9. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя . М. , 1974 .
10. Blanchette C. A. Size and survival of intertidal plants in response to wave action: a case study with Fucus gardneri // Ecology. 1997. Vol. 78 . P. 1563-1578 .
11. Chen L. C.-M., Edelstein T., McLachlan J. Bonnemaisonia hamifera Hariot in nature and in culture // J. Phycol . 1969. Vol . 5 . P. 211-220.
12. Collado-VidesL., Robledo D. Morphology and photosynthesis of Caulerpa (Chlorophyta) in relation to growth form // J. Phycol. 1999 . Vol . 35 . Iss. 2 . P. 325-330 .
13. Drazin P. G. Introduction to hydrodynamic stability. Cambridge, 2002.
14. HombM F., Lrnnetti M. Emergence of symmetry breaking in fucoid zygotes // Trends in Plant Science . 2007. Vol. 12, № 6 . P. 253-259.
15. HondzoM., Lyn D. Quantified small-scale turbulence inhibits the growth of a green alga // Freshwater Biol . 1999 . Vol. 41. P. 51-61.
16. Hurd C. L. Water motion, marine macroalgal physiology and production // J . Phycol . 2000 . Vol . 36 . P. 453-472 .
17. Koehl M. A. R. When does morphology matter? // Annu. Rev. Ecol . Syst. 1996. Vol . 27 . P. 501-542.
18. Leigh E. G., Paine R. T., Quinn J. F., Suchanek T. H. Wave energy and intertidal productivity // Proc . Natl . Acad. Sci. USA . 1987. Vol. 84 . P. 1314-1318 .
19. MacFarlane J. J., Raven J. A. Quantitative determination of the unstirred layer permeability and kinetic parameters of RUBISCO in Lemanea mamillosa // J. Exp . Bot. 1989 . Vol. 40 . P. 321-327.
20. MathiesonA. C., Norton T. A., NeushulM. The taxonomic implications of genetic and environmentally induced variations in seaweed morphology // Botanical Rev. 1981. Vol . 47 . P. 313-347.
21. McLachlan J . Growth media — marine // Handbook of phycological methods . Culture methods and growth measurements / Ed. J. R. Stein. Cambridge, 1973 . P. 25-52 .
22. McLachan J., Chen L. C.-M., Edelstein T. The culture of four species of Fucus under laboratory conditions // Can. J . Bot . 1971. Vol . 49 . P. 1463-1469 .
23. Quatrano R. S. Developmental biology: development in marine organisms // Experimental marine biology / Ed . by R . N . Mariscal . New York; London, 1974 . P. 303-346.
24. Smith F. A., Walker N. A. Photosynthesis by aquatic plants: effects of unstirred layers in relation to assimilation of CO2 and HCO3- and to carbon isotopic discrimination // New Phytol . 1980 . Vol . 86 . P. 245-259 .
25. Warnaars T. A., Hondzo M. Small-scale fluid motion mediates growth and nutrient uptake of Sele-nastrum capricornutum // Freshwater Biol. 2006 . Vol . 51. P. 999-1015 .
26. Wheeler W. N. Algal productivity and hydrodynamics — a synthesis // Progr. Phycol . Res . 1988. Vol 6 P 23-58
