CC BY
43
Серия «Биология. Экология» ИЗВЕСТИЯ
fÜMiÜl! 2013. Т. 6, № 3(1). С. 82-86 Иркутского
Онлайн-доступ к журналу: государственного
http://isu.ru/izvestia университета
УДК [547.979.7:582.263:593,4:282.256.341]:543.544.42
Жизненная стратегия байкальской губки Lubomirskia baicalensis О. Ю. Глызина, А. В. Глызин, Т. А. Шишлянникова
Лимнологический институт СО РАН, Иркутск E-mail: glyzina&.lin. irk. г и
Аннотация. Рассматриваются жизненная стратегия байкальской губки Lubomirskia baicalensis и результаты экспериментов по её культивированию в искусственных условиях пресноводного аквариумного комплекса Лимнологического института СО РАН. Анализируются данные автотрофной активности симбиотического сообщества губки и её редукционных телец, впервые полученных в ходе экспериментов. Как показали биохимические исследования, редукционные тельца имеют высокое содержание хлорофиллов а и Ь. что свидетельствует не только о полностью автотрофном питании, но и позволяет отнести симбиотические водоросли телец к типу зелёных. Культивирование колоний губок и их редукционных телец in vivo с применением экспериментальной аквариумной установки позволило создать управляемую живую модель в контролируемых условиях.
Ключевые слова: байкальские губки, жизненная стратегия, культивирование, редукционные тельца.
Введение
Древнейшие представители фауны оз. Байкал эндемичные пресноводные байкальские губки (ЬиЬогшгекнёае) доминируют по биомассе среди бентосных организмов литорали и служат ядром сложного симбиотического сообщества, включающего экзо- и эндосимбион-тов [1-4].
В настоящее время их преобладание по биомассе наблюдается на глубинах от 7 до 15 м - в зоне, особо подверженной антропогенному прессу. А в связи с «предсказыванием» глобального потепления актуальность приобретает и вопрос об их стратегии выживания в изменяющихся условиях.
Температура воды - один из главных факторов окружающей среды, который контролирует рост и развитие основной группы эн-досимбионтов губки - одноклеточных водорослей. Как морские кораллы и губки, так и пресноводные губки не обладают высокой экологической пластичностью, их жизненная стратегия скорее «патентная» - в условиях постоянства среды они способны довольствоваться незначительным количеством ресурсов, устойчивы к суровым условиям, и будучи доминантами в части бентосных сообществ, тем не менее не проявляют выраженных эдифика-торных свойств [4-8].
В данной работе обсуждаются результаты экспериментов, в которых были смоделированы возможные изменения такого важного кли-
матического параметра гидросферы, как температура воды и реакция на это байкальской губки Lubomirskia baicalensis (Pallas).
При организации исследований были учтены два важных фактора: во-первых, губки не переносят резких изменений условий среды; во-вторых, они требовательны к чистоте воды и не выживают даже при высоких концентрациях собственных метаболитов.
Обитание в бедных питательными веществами, холодных, но прозрачных водах оз. Байкал стало одной из предпосылок возникновения симбиоза с одноклеточными водорослями, которые обеспечивают губки не только углеродом, но и жирными кислотами. В результате наших предыдущих исследований с использованием маркерных демоспонгиевых кислот были выяснены как основные трофические взаимодействия между внутриклеточными симбионтами Lubomirskia baicalensis, так и основные доминирующие пигменты внутриклеточных альгосимбионтов губок [1-3].
Соотношение между концентрацией хлорофилла а и продуктами его превращений, а также другими пигментами (хлорофилл 6; хлорофилл с i + с2; каротиноиды) характеризуют физиологическое состояние водорослей. Их изменения на биохимическом уровне проявляются раньше, чем на внешнем [2]. Поэтому в ходе экспериментов особое внимание было уделено исследованию содержания хлорофиллов а и 6.
ЖИЗНЕННАЯ СТРАТЕГИЯ БАЙКАЛЬСКОЙ ГУБКИ LUBOMIRSKIA 'BÄICALENSIS.
83
Материалы и методы
Объектом исследования в проводимых экспериментах являлась крупная ветвистая губка Lubomirskia baicalensis (Pallas). Этот вид достаточно изучен по биологическим, экологическим и биохимическим показателям, что позволяет провести сравнительный анализ их изменений в максимально приближенных к природным условиям содержания в эксперименте [1-4].
В качестве исходного образца служили губки, собранные с глубины 10 м в южной котловине оз. Байкал. В течение 14 суток они были адаптированы к содержанию в аквариумах при температуре 8-12 °С в условиях проточно-сти и 12-часовом световом режиме. Взрослые губки содержались в проточных аквариумных установках объёмом 30 л с охлаждением. Для содержания молодых губок использовали холодильники с ёмкостями объёмом 1 л и проточной системой.
Наблюдения за ростом и развитием губок при точном контроле потока воды, освещения и температуры проводились в течение двух лет. В результате экспериментов была предложена методика длительного содержания сим-биотических организмов в аквариумах, которая позволила продолжить изучение взаимоотношений эндо- и экзосимбионтов губки [3].
Эксперименты проводились в аквариумных установках, наполненных проточной бутыли-рованной байкальской и водой из сети городского водоснабжения (состав, мг/л : НСОз" -57,9; Cl - 1,3; S042"- 4.3; К+- 1,0; Na+- 3,48; Са2+ - 15,6; Mg2+- 2,9; Fe2+- 0,1; С02 - 0,30,8). Состав воды регулярно контролировали, pH поддерживали в интервале 7,5-7,8 в соответствии с ранее разработанными методиками содержания губок [4].
Выделение фракции альгосимбионтов клеток губки проводили в градиенте плотности искусственного полисахарида «Ficol-400M», растворённого в концентрациях 10, 5, 3 и 1 %. Суспензия клеток губки была отфильтрована от остатков спикул, спонгина и неразрушенных клеток губки сразу после гомогенизации, пятикратно разбавлена водой и отцентрифугирова-на (LMC-4200R (Biosan, Латвия), 50 g/min при 10 °С).
Контроль над чистотой фракций проводили с помощью светового микроскопа при увеличении в 600-1500 раз. Чистота выделения фракций «водорослей» составила 93-95 %, а «бактерий» - 90 %. Каждую из фракций отмы-
вали от полисахарида и помещали в приготовленный заранее раствор для экстракции липид-ных компонентов [4]. Количественный и качественный анализ хлорофиллов а и b фракции альгосимбионтов проводили методом ВЭЖХ на хроматографе "Милихром А-02" (ЭкоНова, Новосибирск). Условия хроматографического определения: колонка 0 2x75, упакованная об-ращённо-фазным сорбентом ProntoSIL 120-5С18 AQ (BischoFf Anal. GmbH, Германия); подвижные фазы: А- вода:метанол (5:95), Б-метанол; линейный градиент 25 мин от 0 до 100% Б; скорость потока- 100 мкл/мин; температура колонки 35 °С; длины волн УФ-детектора 330 и 360 нм. Для идентификации пигментов и их количественного определения использовали серии растворов хлорофилла а и b (Sigma, США) в метаноле с концентрацией от 2 до 20 нг/мл. Определение хлорофиллов а и b проводили на хроматографе Милихром А-02.
Результаты и обсуждение
Среди эндосимбионтов в байкальской губке Lubomirskia baicalensis (Pallas) доминируют по биомассе одноклеточные водоросли. Все они тесно включены в физиологические процессы губки и определяют гетеро- или автотрофный способ её питания. Исследования показали, что в сообществе байкальских губок существуют следующие трофические взаимодействия: водоросли —► бактерии, губка —► водоросли, губка —► бактерии, бактерии —► губка, водоросли —► губка, которые хорошо прослеживаются с помощью маркёрных жирных кислот [3]. Выявлено также, что у внешне здоровой байкальской губки (рис. 1, А), которую содержали в течение одного месяца в аквариуме, происходят серьёзные изменения состава липидов, в том числе жирных кислот [2]. В липидном экстракте губок значительная доля приходится на хлорофилл. Известно также, что индикатором повреждения, вызванного действием среды обитания, является снижение содержания хлорофилла. При этом у устойчивых к повышению температуры среды видов происходит увеличение соотношения содержания хлорофилла а и Ь, а у неустойчивых - снижение. У исследованных нами образцов Lubomirskia baicalensis не выявлено зависимости между концентрацией хлорофилла а и b (как абсолютные значения, так и их соотношение) и устойчивостью к повышению температуры, либо незначительному изменению состава воды (табл. 1).
Серия «Биология. Экология». 2013. Т. 6, № 3(1)
84
О. Ю. ГЛЫЗИНА, А. В. ГЛЫЗИН, Т. А. ШИШЛЯННИКОВА
I
А Б В
Рио. 1. Байкальская губка ЬиЬопигзЫа Ьа/сак'гпх, живущая в проточной водопроводной воде (А). Образование на ней редукционных телец (Б). Рост редукционного тела на субстрате (В). Фото О. Ю. Г лызиной, С. И. Дидоренко
Таблица 1
Концентрация хлорофиллов а и Ь в культивируемых в условиях аквариума губках ЁшЬотшкШ Ьтса1ев<$т
Характеристики среды обитания Концентрация хлорофиллов, мкг/г сырой массы водорослей Масса водорослей (мг) из 1 г губки
Хл а ХлЬ Хла/ХлЬ
3,6-4,5 °С, природная байкальская вода 0,43Ю,5 0.15-0.3 2,86 0,11+0,02
3,6-4,5 С. бутылированная байкальская вода 0,3 Ш,4 0,2010,1 1,55 0,0910,01
3,6-4,5 °С, водопроводная вода 0,16Ю,5 0,0910,4 1,77 0,1010,02
9,5-10,5 °С, водопроводная вода 0.18-0.3 0,1210,3 1,50 ОД 1-0.01
В эксперименте отмечено, что визуальные признаки разрушения колоний губки (втянутые оскулюмы, появление небольших областей мёртвых клеток, снижение численности экзо-симбионтов - амфипод и малощетинковых червей), живущих при температуре 10 °С (выше, чем в естественных условиях), появились уже на 45-е сутки культивирования (см. рис. 1, Б). Искусственно изменённые условия вызвали активизацию полового размножения - ранний выход личинок губок.
Впервые в эксперименте у байкальских губок было обнаружено образование редукционных телец - «клеточных скоплений, состоящих из группы амёбоцитов, одетой снаружи клетками кроющего эпителия» [2], что можно считать признаком адаптации сообщества к неблагоприятным условиям (см. рис. 1, Б). Редукционные тельца имеют ярко-зелёный цвет и размеры от 1 до 10 мм, держатся на губке около двух недель, а затем падают на грунт и начинают самостоятельное развитие (см. рис. 1, В). С наступлением благоприятных условий из этих редукционных телец развиваются новые губки. Всего с 2010 по 2013 г. в эксперименте в
условиях значительной проточности воды и постоянного светового режима получено 8 партий редукционных телец. Как показали биохимические исследования, редукционные тельца имеют высокое содержание хлорофиллов а и Ь (табл. 2), что свидетельствует не только о полностью автотрофном питании, но и позволяет отнести симбиотические водоросли телец к типу зелёных.
Заключение
Результаты эксперимента показывают, что при повышении температуры окружающей воды выше экологического оптимума губка ЬиЬотшкла ЪспссйегА не остаётся в рамках своей обычной «патиентной» жизненной стратегии, а проявляет черты «эксплерента», т. е. способность за счёт усиленного размножения резко повышать вероятность нахождения оптимального местообитания. При этом наблюдается не только половое, но и бесполое размножение - с помощью образования редукционных телец. В естественных условиях в оз. Байкал образование последних до настоящего времени не отмечено.
ЖИЗНЕННАЯ СТРАТЕГИЯ БАЙКАЛЬСКОЙ ГУБКИ LUBOMIRSKIA BAICALENSIS
85
Таблица 2
Концентрация хлорофиллов аиЬ в редукционных тельцах культивируемых в условиях аквариума губок ЬиЬотггякга Ьтсактчя
Характеристики среды обитания Концентрация хлорофиллов, мкг/г сырой массы водорослей Масса водорослей (мг) из 1 г тельца
Хл а ХлЬ Хла/ХлЬ
3,6-4,5 °С, природная байкальская вода 0,18i0,05 0,08i0,02 2,25 0,li0,02
3,6-4,5 °С, бутылированная байкальская вода 0,15i0,3 0,09i0,l 1,66 0,li0,02
3,6-4,5 °С, водопроводная вода 0,12i0,5 0,lli0,3 1,09 0,li0,02
9,5-10,5 °С, водопроводная вода 0,12i0,3 0,10i0,3 1,20 0,li0,02
Культивирование колоний губок и их редукционных телец in vivo с применением ПАК позволило создать управляемую живую модель в экспериментально контролируемых условиях. А сочетание натурных наблюдений и комплекса современных методов биохимического анализа ещё раз доказало их эффективность при обнаружении адаптационных изменений в организмах и их сообществах.
Работа выполнена при поддержке программы СО РАН «Виварии, коллекции клеточных культур, уникальных штаммов бактерий, микроорганизмов, коллекции растений» и проектов РФФИ №14-44-04152 р сибиръ а и № 14-04-00838 'А, публикация статьи осуществлена при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 13-04-06068- г.
Литература
1. Глызина О. Ю. Исследование фотосинтетических пигментов симбиотических водорослей байкальских губок методом ВЭЖХ/ О. Ю. Глызина, Г. И. Барам // Химия в интересах устойчивого развития. - 2002. - № 10. - С. 301-305.
2. Индикаторы жизненного состояния байкальской губки при содержании в аквариумах с исполь-
зованием масс-спектрометрии и жидкостной хроматографии / О. Ю. Глызина [и др.] // Химия в интересах устойчивого развития. - 2007. - № 15 (6). -С. 659-662.
3. Глызин А. В. Изучение симбиотического сообщества байкальской губки с помощью экспериментальных аквариумных установок / А. В. Глызин, О. Ю. Глызина, С. А. Любочко // Вода: химия и экология. - 2011. -№ 2 (32). - С. 35-40.
4. Effect of habitat on particitoin of simbionts in formation of the fatty acid poll of frech-water sponges of lake Baikal / Latyshev N. A. [et al.] // Сотр. Bio-chem. Physiol. - 1992. - Vol. 102B. - P. 961-965.
5. Imbs A. B. Distribution of lipids and fatty acids in the zooxanthellae and host of the soft coral Sinularia sp. / A. B. Imbs, I. M. Yakovleva, L. Q. Pham // Fish. Sci. - 2010. - Vol. 76, N 2. - P. 375-380.
6. Distribution of lipids and fatty acids in corals by their taxonomic position and presence of zooxanthellae / A. B. Imbs [et al.] // Mar. Ecol. Progr. Ser. -2010.-Vol. 409.-P. 65-75.
7. Imbs A. B. Fatty acid composition as an indicator of possible sources of nutrition for soft corals of the genus Sinularia (Alcyoniidae) / A. B. Imbs, N. A. Latyshev// J. Mar. Biol. Ass. UK. Published online: 06 October 2011, D01:10.1017.
Life strategies of baikalian sponges Lubomirskia baicalensis
O. Yu. Glyzina, A. V. Glyzin, T. A. Shishlyannikova
Limnological Institute SB RAS, Irkutsk
Abstract. Life strategy of Baikal sponge Lubomirskia baicalensis and the results on its cultivation under artificial conditions in the freshwater aquarium system at the Limnological Institute of RAS SB are considered. Data on autotrophic activity of a sponges symbiotic community ant its directing bodies obtained for the first time during the experiments are analyzed. Directing bodies have a high content of chlorophylls a and b, which shows not only fully autotrophic nutrition, but also allows to be reflerred symbiotic algae to green algae. Cultivation of sponges and their directing bodies in vivo helped create a managed model under controlled conditions.
Keywords: Baikalian sponge, life strategy, cultivation, reduction bodies.
Серия «Биология. Экология». 2013. Т. 6, № 3(1)
86
О. Ю. ГЛЫЗИНА, А. В. ГЛЫЗИН, Т. А. ШИШЛЯННИКОВА
Глызина Ольга Юрьевна
кандидат биологических наук, старший
научный сотрудник
Лимнологический институт СО РАН
664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3
тел. (3952)42-82-18
E-mail: [email protected]
Глызин Александр Витальевич кандидат биологических наук, научный консультант Лимнологический институт СО РАН 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3 тел. (3952)42-82-18 E-mail: [email protected]
Шишлянникова Татьяна Александровна инженер
Лимнологический институт СО РАН 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 3 тел. (3952)42-47-7-0 E-mail: [email protected]
Glyzina 01 'ga Yurievna
Ph. D. in Biology, Senior Research Scientist
Limnological Institute SB RAS
3 Ulan-Batorskaya st., Irkutsk, 664033
tel.: (3952) 42-82-18
E-mail: [email protected]
Glyzin Alexander Vitalyevich Ph. D. in Biology, Scientific Adviser Limnological Institute SB RAS 3 Ulan-Batorskaya st., Irkutsk, 664033 tel.: (3952) 42-82-18 E-mail: [email protected]
Shishlyannikova Tatyana Aleksandrovna Engineer
Limnological Institute SB RAS 3 Ulan-Batorskaya st., Irkutsk, 664033 tel.: (3952) 42-47-70 E-mail: [email protected]
