Взаимодействие гидробионтов в поликультуре при воспроизводстве в контролируемых условиях Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

2002

Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра

Том 131

В.В.Евдокимов, А.В.Евдокимов (ТИНРО-центр, Дальрыбвтуз)

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГИДРОБИОНТОВ В ПОЛИКУЛЬТУРЕ ПРИ ВОСПРОИЗВОДСТВЕ В КОНТРОЛИРУЕМЫХ УСЛОВИЯХ

Развитие прибрежного рыболовства, связанное с рациональным ведением промысла и воспроизводством хозяйственноценных организмов в прибрежье, требует знания основных закономерностей их размножения. Настоящая статья посвящена исследованию метаболических коммуникаций у промысловых гидробионтов при содержании их в поликультуре. Это позволяет ответить на следующие вопросы: 1) какие изменения происходят в репродуктивной системе гидробионтов данного сообщества, 2) за счет чего у них осуществляется предполагаемая регуляция репродуктивного процесса, 3) как это сказывается на потенциях их формирующихся гамет и жизнестойкости спата?

В настоящей работе мы пытаемся проанализировать метаболические взаимодействия у гидробионтов в сообществе, состоящем из морских ежей, моллюсков и водорослей.

В работе использованы обобщенные материалы научных исследований, проводимых в ТИНРО-центре при работе с гидробионтами в контролируемых условиях. Тематика исследований - изучение размножения гидробионтов в связи с развитием прибрежного рыболовства.

В данной статье проведены визуальные и гистофизиологическое исследования 600 черных ежей (Strongylocentrotus nudus) и 600 приморских гребешков (Mizuhopecten yessoensis), содержавшихся в контролируемых аквариумных условиях совместно с макрофитами: грациля-рией бородавчатой Gracilaria verrucosa, тихокарпусом косматым Ticho-carpus crinitus и ламинарией цикориеподобной Laminaria cichorioides.

Гидробионтов собирали с помощью легководолазной техники, доставляли в лабораторный корпус и помещали в емкости с аэрируемой проточной морской водой, используя метод температурной стимуляции гаметогенеза (Мотавкин, Евдокимов, 1975).

В качестве корма для морских ежей использовали водоросли, указанные выше. Пищевой рацион приморского гребешка в контролируемых условиях состоял из микроводорослей Pavlova lutheri, Phaeodactylum tricornutum и дрожжей. Причем концентрации вносимого корма определялись согласно расчетным данным Л.Г.Макаровой (1986).

Изучали визуально и микроскопически гонады половозрелых животных на следующих стадиях: активного гаметогенеза, преднерестовой и нерестовой. Животных содержали совместно с грацилярией бородавчатой Gracilaria verrucosa, тихокарпусом косматым Tichocarpus crinitus

и ламинарией цикориеподобной Laminaria cichorioides. С целью оценки взаимного влияния исследуемых организмов друг на друга их помещали в различные емкости в разных комбинациях.

Анализировали метаболизм гидробионтов. Для установления биологически активных веществ, выделяемых водорослями в среду обитания, проводили анализ воды на аминокислотном анализаторе "Hitachi-835" после содержания в ней водоросли. Зависимость рациона и его неусвоенной части (кал/экз. сут) от концентрации пищевых частиц (кал/л) у приморского гребешка анализировали по методике, описанной Л.Г.Макаровой (1986). Параметры уравнений экскреции основных форм азота и фосфора устанавливали по данным М.В.Проппа (1977). Определяли массу и состояние гонад у изучаемых животных. Проводили гистологические исследования, определяли количество половых клеток в ацинусах, устанавливали стадию развития половых желез. Объемы клетки, ядра, ядрышка, цитоплазмы и ацинусов высчитывали по формуле эллипсоида (Лакин, 1980). Исследовали ранний онтогенез у морских ежей, для этого половые продукты получали методом, описанным у Г.А.Бузникова, В.К.Подмарева (1975). После оплодотворения гамет ранний онтогенез прослеживали до сформировавшегося морского ежа (Евдокимов, 1979). У приморского гребешка вымет половых продуктов проводили методом стимуляции, описанным Ямамото (Yamamoto, 1964). Развитие эмбрионов прослеживали до осевшего гребешка (Викторовская, Евдокимов, 1987; Евдокимов, 1989). У грацилярии бородавчатой карпоспоры и тетраспо-ры получали следующим образом. Слоевища со зрелыми цистокарпами и сорусами подсушивали в течение 4 ч, затем помещали в морскую воду с температурой + 20 оС. Карпоспоры и тетраспоры выходили из цисто-карпов и тетраспорангиев и оседали на предметные стекла, помещенные на дно емкости. В дальнейшем развитие карпоспор и тетраспор исследовали на этих покровных стеклах. Для приготовления гистологических препаратов кусочки гонад исследуемых животных размером 0,5 х 0,5 см фиксировали в 10 %-ном нейтральном формалине. В дальнейшем обработку материала проводили по общепринятой гистологической методике (Меркулов, 1969). Полученные результаты обрабатывали статистически (Лакин, 1980). Различия считали достоверными при P < 0,05.

В результате проведенных исследований установлено следующее. В поликультурном сообществе, представленном черным ежом, приморским гребешком и грацилярией бородавчатой, средняя масса гонад на преднерестовой и нерестовой стадиях у ежа с диаметром панциря 5565 мм - 20-25 г. У приморского гребешка в возрасте 3 лет масса гонад - 20-23 г. Следует отметить, что цветность гонад самок и самцов морских ежей при питании одними и теми же водорослями различается незначительно. У самки приморского гребешка, питающейся микроводорослями и дитритом, цвет гонады на преднерестовой и нерестовой стадиях красный, а у самца - белый независимо от сообщества, в котором они обитают.

Объемы ацинусов гонад морских ежей и приморского гребешка при микроскопическом исследовании варьируют в зависимости от того, где содержатся животные - в моно- или поликультуре. Наибольшие размеры ацинусов у животных, обитающих в поликультуре, наименьшие - в монокультуре. В соответствии с размерами ацинусов изменяются коэффициент зрелости гонад, соотношение клеточных элементов, количество гамет и их объем. Исследованный ранний онтогенез гидро-

бионтов свидетельствует о том, что сформировавшиеся гаметы у организмов в процессе экспериментальной регуляции гаметогенеза полноценны. Повышенная жизнестойкость эмбрионов отмечается у гидробионтов в поликультуре (табл. 1-3).

Таблица 1

Онтогенез черного морского ежа

Table 1

Ontogenesis of Strongylocentrotus nudus

Время наступления Выживаемость организмов стадий развития, ч на различных стадиях

Стадия развития развития, %

Моно- Поли- Моно- Поли-

культура, культура, культура, культура

М М М+m М+m

2 бластомера 1,25 1,25 98+0,4 99+0,4

4 бластомера 2,15 2,00 94+0,4 96+0,4

16 бластомеров 4,10 4,20 92+0,2 94+0,3

Толстостенная бластула 6,45 6,40 92+0,2 92+0,2

Средняя бластула 7,25 7,16 92+0,2 96+0,4

Поздняя бластула 9,15 8,40 91+0,2 96+0,4

Ранняя гаструла 14,16 14,06 94+0,3 94+0,3

Поздняя гаструла 20,15 20,08 92+0,4 92+04

Призма 24,80 24,20 92+0,4 92+0,4

Малый плутеус 31,15 30,70 92+0,4 92+0,4

Плутеус I стадии 44,00 43,90 92+0,4 92+0,4

Плутеус II стадии 262,00 264,00 73+0,4 88+0,3

Плутеус III стадии 384,00 386,00 44+0,2 60+0,3

Еж 912,00 914,00 40+0,2 55+0,2

Примечания. Число измерений п = 25000, достоверность выборки по коэффициенту Стьюдента t = 1,96, достоверность Р = 0,05; М - среднее, т -ошибка.

Таблица 2

Онтогенез приморского гребешка

Table 2

Ontogenesis of Mizuhopecten yessoensis

Время наступления Выживаемость организмов

Стадия развития стадий развития,ч различных стадиях развития

Моно- Поли- Моно- Поли-

культура, культура, культура, культура,

М М М+m М+m

1-е полярное тельце 3,0 2,6 93+0,3 95+0,4

2-е полярное тельце 4,0 4,15 90+0,2 92+0,4

2 бластомера 6,5 6,5 86+0,2 90+0,2

4 бластомера 8,5 8,7 83+0,4 88+0,3

8 бластомеров 12,4 12,3 83+0,4 85+0,3

16 бластомеров 16,0 15,0 81+02 84+03

Бластула 27,0 26,8 80+0,2 81+0,2

Подвижный эмбрион 37,5 37,2 79+0,2 79+0,2

Трохофора 44,5 44,2 72+0,2 75+0,2

Ранний велигер 73,00 72,00 69+0,3 70+0,3

Велигер 239,0 240,0 54+0,3 60+0,2

Великонха 436,0 434,0 5+0,2 6+0,2

Спат 960,0 975,0 1+0,25 2+0,25

Примечания как в табл. 1. 375

метить, что репродуктивный процесс у гидробион-тов при микроскопическом исследовании в моно- и поликультуре протекает аналогичным образом. В железах самок морских ежей на стадии активного гамето-генеза протекают процессы,связан-

Следует от-

Development of sprouts of Gracilaria verrucosa from carpospore

Время наступления Выживаемость Стадия стадий развития,ч проростков, % развития Моно- Поли- Моно- Поликультура, культура, культура, культура, М М М+т М+т

2 бластомера Диск Купол Проросток

5 5 92+0,3 93+0,3

70 70 84+0,4 86+0,4

360 360 51+0,2 54+0,2

720 720 40±0,2 55±0,2

Примечания. n = 500, t = 1,96, Р = 0,05.

ные с дифференцировкой половых клеток. Отмечается рост ооцитов, увеличивается число свободнолежащих и уменьшается количество пристеночных ооцитов. В железах присутствуют все клетки гаметогенетичес-кого ряда. В семенниках идет активный сперматогенез, формируются сперматоциты первого и второго порядка, сперматиды и спермии. На стадии активного оогенеза у приморского гребешка железа самки представлена всеми клетками гаметогенетического ряда от оогониев до ооци-тов, закончивших рост. У самцов в ацинусах и выводных протоках дифференцируются и формируются сперматоциты и сперматиды.

На преднерестовой стадии у морских ежей гонада занимает большую часть целома. У самок ацинусы заполнены крупными свободноле-жащими клетками на стадии трофоплазматического и цитоплазматичес-кого роста. У самцов большую часть ацинуса занимает зона формирования. Происходит энергичный и быстрый редукционный процесс, образуется масса сперматид, формируются спермии, постепенно заполняющие в ацинусе зону формирования, увеличивается коэффициент зрелости гонады. У самки приморского гребешка на преднерестовой стадии ацинусы достигают максимальной величины. В них преобладают клетки на стадии завершения вителлогенеза и ооциты, закончившие рост. У самца на данной стадии развития более половины ацинуса занимают зоны размножения и роста, появляется зона формирования.

На нерестовой стадии у самок и самцов морских ежей ацинусы заполнены зрелыми гаметами, готовыми к вымету. У приморского гребешка на этой же стадии ацинусы также заполнены гаметами, готовыми к вымету. Исследования, проведенные по раннему онтогенезу ежа, гребешка и проростков грацилярии, позволили сделать вывод о том, что у гидробионтов выживаемость эмбрионов и проростков в поликультуре выше по сравнению с монокультурой (табл. 1-3).

Нами установлено, что в процессе жизнедеятельности морской еж выделяет с детритом азот преимущественно в виде аммиака и мочевины. Фосфор экскретируется главным образом в виде орто-фосфата (табл. 4).

В процессе жизнедеятельности водоросли выделяют в среду обитания метаболиты. Мы анализировали лишь те аминокислоты, которые являются для животных нейротрансмиттерами. В табл. 5 представлены эти вещества, выделяемые водорослями, поскольку данные макрофиты были использованы в качестве корма для морских ежей.

Метаболизм черного морского ежа Metabolitzm of Strongylocentrotus nudus

Таблица 4 Table 4

Биомасса черного Температура,оС

морского ежа, г 5,5 21

PO4 NH4 PO4 NH4

M 89 11,066 10 -6 223,774-10-6 14,13110 -6 148,379-10-6

о 9,78 1,122-10- 6 30,232-10-6 0,883-10- 6 13,5-10-6

Примечание. М - среднее, о - среднеквадратичное отклонение.

Выход аминокислот из водорослей, мг/г Output of acid from alga, mg/g

Таблица 5 Table 5

Свободная аминокислота

Грацилярия бородавчатая Целый Измель-

таллом

ченныи

Ламинария цикорие-подобная

Тихокарпус косматый

Таурин

Аспара-гиновая Глутами-новая

Гамма-ами-

М

m М m М m М

номасляная m

0,0013 0,00004 0,00015 0,000005 0,0096 0,00022 0,000014 0,0000003

0,76 0,018 0,19 0,0004 0,16 0,003 0,0009 0,00002

0,0029 0,00006 0,00025 0,000008 0,0014 0,00003

0,002 0,00004

В процессе жизнедеятельности двустворчатые моллюски, как и морские ежи, обогащают воду растворенными минеральными и органическими соединениями азота и фосфора, которые выделяются ими с фекалиями и псевдофекалиями (табл. 6).

Таблица 6

Зависимость рациона и его неусвоенной части (кал/экз. сут) от концентрации пищевых частиц (кал/л) у приморского гребешка (по Макаровой, 1986)

Table 6

Dependence of ration and inassimilable part from concentration of alimentary particles of Mizuhopecten yessoensis (by: Макарова, 1986)

Концент- Неусвоенная Наличие

рация, Рацион, часть, псевдофекалий

M+m М+m M+m

1,04+0,30 121,08+31,34 23,14+49,0

2,44+0,12 288,98+21,08 49,00±91,0 -

3,13+0,26 288,98+20,82 77,14+19,2 +

4,88+0,68 289,88+31,11 82,96+7,43 +

слоевищ в сообществе, где присутствуют ежи и моллюски (табл. 8).

Таким образом, наши исследования показали, что репродуктивный процесс вышеуказанных организмов протекает в моно- и поликультуре согласно закономерностям, характерным для данных животных и описанным ранее рядом авторов (Касьянов и др., 1980; Мотавкин и др., 1990; Хотимченко и др., 1993; Евдокимов и др., 1997).

377

Анализ агара и его гелевой прочности показал, что эти критерии оценки качества у гра-цилярии выше при содержании ее в поликультуре (табл. 7).

Следует отметить, что при развитии проростков грацилярии их продукционные качества выше при содержании маточных

Таблица 7

Выход агара из грацилярии и его гелевая прочность

Table 7

Output of agar from Gracilaria verrucosa and his gel-durability

Грацилярия Сырая масса, г Навеска (сухая), г Выход агара, % Прочность студня, содержащего 0,85 % сухого агара, г (по Валента без параллельных, ГОСТ 17206-71)

В монокультуре В поликультуре 30 30 1,450 1,530 28,1 29,8 350 600

Рост грацилярии бородавчатой Growth of Gracilaria verrucosa

Таблица 8 Table 8

Стадия Средний прирост биомассы, % в сутки

развития В монокультуре В поликультуре

Ювенильная 6,7 8 ,9

Гаметофит 6,3 8 ,5

Спорофит 6,4 8 ,7

Цветность гонад животных, по нашему мнению, зависит от их корма, а также белков, жиров, углеводов и других компонентов, включая пигменты, формирующихся в процессе гонадогенеза,

что согласуется с представлениями других исследователей (Щепин, Гнез-дилова, 1984).

В половом цикле исследуемых животных в моно- и поликультуре, как следует из экспериментальных данных, отмечаются различия во времени наступления половой зрелости гонад гидробионтов, а также в жизнестойкости их эмбрионов (см. табл. 1-3). В наибольшей степени эти показатели отмечаются у организмов в искусственном сообществе, состоящем из макрофитов, ежей и моллюсков, в наименьшей - в монокультуре. Мы полагаем, что гидробионты, обитающие в поликультуре, находятся под воздействием метаболитов, среди которых важное значение имеют амины (Сиренко, Козицкая, 1988).

Экзометаболиты животных в сообществе оказывают положительное воздействие в целом на физиологическое состояние грацилярии, что выражается в нарастании биомассы и увеличении прочности ее геля (см. табл. 7, 8). Это согласуется с литературными данными (Сапсто е! а1., 1987).

Грацилярия бородавчатая в поликультурном сообществе выделяет свободные аминокислоты (см. табл. 5), оказывая стимулирующее воздействие на репродуктивный процесс гидробионтов. Экспериментально установлено, что стимулирующий эффект в сообществе достигается лишь за счет выделения гамма-аминомасляной кислоты. Ламинария цикориеподоб-ная и тихокарпус косматый не выделяют эту кислоту. Стимулирующий эффект репродуктивной системы не достигался, если в сообществе отсутствовала грацилярия. Моллюски, фильтруя воду, активно перемешивают ее, и 10 г грацилярии вполне достаточно, чтобы в данном искусственном сообществе у беспозвоночных осуществлялась стимуляция гонад.

Если учесть, что скорость фильтрации у приморского гребешка, по данным Д.И.Вышкварцева (1979), при температуре воды 18-20 оС в размерном диапазоне моллюсков от 22 до 130 мм изменяется от 0,05 до 18,6 л/ экз. час, можно предположить, что моллюски способны удовлетворить свои пищевые потребности за счет суммарного количества бакте-риопланктона, фитопланктона и органического детрита, если их содержать с такими животными как ежи, способствующими формированию детрита.

Мы полагаем, что выделяемая красными водорослями гамма-амино-масляная кислота оказывает положительное влияние на потенциальные возможности формирующихся гамет в искусственном сообществе.

По-видимому, сигналы, поступающие из среды обитания в клетки организмов, посредством нейротрансмиттеров воздействуют на формирование в их репродуктивных органах внутриклеточных систем в ооге-незе (Хотимченко, 1989). Сформировавшиеся при этом гаметы в полной мере обладают основными регуляторными системами (Бузников, 1987; Deridovich et al., 1998). В поликультуре под воздействием нейротранс-миттеров в гонадах животных в процессе развития ооцитов формируются системы внутриклеточной моноамин-, холин-, пептидергической и стероидной регуляции, принимающие участие в созревании ооцитов, оплодотворении гамет и регуляции раннего онтогенеза (Хотимченко и др., 1993). Этим, вероятно, объясняется повышенная жизнестойкость эмбрионов в поликультуре.

Таким образом, из всего вышеизложенного можно определить биологические основы поликультуры в контролируемых условиях, которые будут заключаться в следующем. В поликультуре организмы должны быть различных трофических уровней и не конкурировать за пищу. Они должны составлять единую пищевую цепь, в которой происходит перенос и утилизация экзометаболитов. Поликультура в контролируемых заводских условиях управляется путем изменения состава определенных видов в сообществе и воздействия на них определенными абиотическими факторами.

По мнению С.С.Шварца (1969) и М.Барбье (1978), вместо пассивной охраны природы следует работать над созданием оптимальной природной среды, продуктивных и стабильных биогеоценозов, способных к саморегуляции. Мы полагаем, что "метаболиты" по своей природе специфичны и поэтому абсолютно безопасны с экологической точки зрения - это принципиально новый путь регуляции природных процессов.

Литература

Барбье М. Введение в химическую экологию. - М.: Мир, 1978. - 229 с.

Бузников Г.А. Нейротрансмиттеры в эмбриогенезе. - М.: Наука, 1987. -232 с.

Бузников Г.А., Подмарев В.К. Морские ежи Strongylocentrotus droeba-chiensis, S. nudus, S. intermedius // Объекты биологии развития. - М.: Наука, 1975. - С. 178-216.

Викторовская Г.И., Евдокимов В.В. Экспериментальная регуляция га-метогенеза у приморского гребешка // Биология и культивирование моллюсков. - М.: ВНИРО, 1987. - С. 3-10.

Вышкварцев Д.И. Особенности продукционных процессов в мелководных бухтах зал. Посьета (Японское море): Автореф. дис. ... канд. биол. наук. -Владивосток, 1979. - 21 с.

Евдокимов В.В. Морские ежи из половых клеток, полученных методом температурной стимуляции // Цитологические исследования морских организмов. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1979. - С. 55-56.

Евдокимов В.В. Развитие грацилярии бородавчатой в моно- и поликультуре / ТИНРО. - Владивосток, 1989. - 149 с. - Деп. во ВНИЭРХ, № 967 рх-88.

Евдокимов В.В., Родин В.Е., Викторовская Г.И., Павлючков В.А.

Размножение морских ежей и приморского гребешка в прибрежных сообществах Японского моря // Онтогенез. - 1997. - Т. 28, № 1. - С. 49-54.

Касьянов В.Л., Медведева Л.А., Яковлев Ю.М., Яковлев С.М. Размножение иглокожих и двустворчатых моллюсков. - М.: Наука, 1980. - 204 с.

379

Лакин Г.Ф. Биометрия. - М.: Высш. шк., 1980. - 239 с.

Макарова Л.Г. Продукционные характеристики приморского гребешка Mizuhopecten yessoensis (Jay) как объекта марикультуры: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. - Л.: ЗИН АН ССС, 1986. - 21 c.

Меркулов Г.А. Курс патологической техники. - Л.: Медицина, 1969. -340 с.

Мотавкин П.А., Евдокимов В.В. Получение у морского ежа в искусственных условиях зрелых половых клеток и их функциональная характеристика // Биол. моря. - 1975. - № 1. - С. 58-67.

Мотавкин П.А., Хотимченко Ю.С., Деридович И.И. Регуляция размножения и биотехнология получения половых клеток у двустворчатых моллюсков. - М.: Наука, 1990. - 216 с.

Пропп М.В. Азотный и фосфорный обмен иглокожих // Систематика, эволюция, биология и распределение современных и вымерших иглокожих. -Л., 1977. - С. 54-56.

Сиренко Л.А., Козицкая В.Н. Биологически активные вещества водорослей и качество воды. - Киев: Наук. думка, 1988. - 256 с.

Хотимченко Ю.С. Моноаминергическая и холинергическая регуляция размножения у иглокожих и двустворчатых моллюсков: Автореф. дис. ... д-ра биол. наук. - М.: МГУ, 1989. - 47 с.

Хотимченко Ю.С., Деридович И.И., Мотавкин П.А. Биология размножения и регуляция гаметогенеза и нереста у иглокожих. - М.: Наука, 1993. - 168 с.

Шварц С.С. Эволюционная экология животных. - М.: Изд-во АН СССР, 1969. - 200 с.

Щепин Ю.В., Гнездилова С.М. Сезонная характеристика аминокислот в гонадах морского ежа Strongylocentrotus nudus // Биол. моря. - 1984. - № 4. - С. 50-54.

Deridovich I.I., Motavkin P.A., Evdokimov V.V. et al. Marine bio-techology. Vol. 1. Endocrinology and Reproduction. - New Delhi; Calcutta: Oxford & IBH Publishing Co. PVT. LTD, 1998. - 78 c.

Yamamoto G. Studies on the propagation of the scallops, Patinopecten yessoensis (Lay), in M uysu B ay // Nihon Suisanhigen Hogokyokai. Suisan Z oshoku Sosho. - 1964. - № 6. - P. 1-77.

Cancino J.M., Munuz M., Orellana M.C. E ffects epifauna on algal growth and gulity of agar produced by Gracilaria verrucosa (Hydson) Papenfuss // Hy-drobiologia. - 1987. - № 151-152. - P. 233-237.

Поступила в редакцию 6.08.02 г.