ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Динамика численности естественных популяций черноморской мидии (Mytilus galloprovincialis) в восточной части Черного моря в последнее время такова, что мероприятия по ее восстановлению становятся безотлагательными.
Научную основу таких мероприятий, включающих искусственное воспроизводство и культивирование мидии, могут составить только данные о генетическом разнообразии внутри ее естественных популяций. Имеется в виду не генетическая структура, традиционно характеризуемая частотой отдельных генов (аллелей) и частотой генотипов, а генетический полиморфизм - сосуществование в популяции нескольких генетически и морфофизиологически различных групп особей с разной адаптивностью. В условиях конкретных местообитаний генетический полиморфизм » формируется естественным отбором и им же поддерживается. При
искусственном воспроизведении сохранность элементов этой популяционнои структуры — морф должна обеспечиваться дифференцированным воспроизводством.
Разработка технологии искусственного воспроизводства мидии предполагает достаточно широкий круг генетико-селекционных исследований. Опыт работы с другими объектами аквакультуры свидетельствует о необходимости, и даже безотлагательности селекционных {0 мероприятий во избежание резкого обеднения генофонда культивируемых
популяций. Изучение генетической структуры природных популяций как исходного материала для селекции становится, таким образом, крайне существенной частью общей задачи.
В последние два-три десятилетия в оценке генетической
гетерогенности популяций наиболее популярными стали методы
(* биохимической генетики, основанные на электрофоретическом исследовании
белков как первичных продуктов генной активности. Точность этих методов
5
(* определяется именно близостью изучаемых признаков к гену. Однако
совершенно очевидно, что чем ближе к конкретному гену, тем дальше от системы генотипа в целом, которая и определяет адаптивную ценность особей в популяции. Неудивительно, поэтому, что биохимическая генетика относительно мало способствовала выявлению генетически обусловленной гетерогенности популяций по приспособленности. А именно эта гетерогенность более всего интересна как в микроэволюционном, так и в селекционном аспектах. Действительно, когда среда обитания практически неконтролируема, нет смысла отбирать и воспроизводить те генотипические варианты популяции, которые в условиях конкретных местообитаний не поддерживаются естественным отбором.
Цель анализа гетерогенности популяций мидии мы видим, таким образом, в выявлении первичных групповых образований, с которыми оперирует естественный, и должен оперировать искусственный отбор. * В популяционной биологии растений такие групповые образования
удачно названы экоэлементами (Синская Е.Н., 1948). В популяционной биологии животных чаще говорят о генетически различных морфах ( Huxley J, 1955), а о самой гетерогенности, как о генетическом полиморфизме.
В основу выделения морф в пределах популяций мидии нами положен фундаментальный тезис Ц.И. Шмальгаузена (1968), в соответствии с которым генотип полностью детерминирует определенные пути - "каналы" развития, что выражается в конечном числе схем роста, различимых по (# средним значениям признаков и системе их корреляций. На поиск
внутрипопуляционных групп, удовлетворяющих обоим этим критериям, и было направлено исследование естественных популяций из различных местообитаний восточной части Черного моря.
Сложность задачи состоит в необходимости распознавания генетически
различных групп на основе анализа только фенотипической изменчивости. В
(* настоящей работе выбран подход к ее решению, основываемый на двух
положениях: первое - селекция эффективна, если все условно выделяемые
6
w этапы целостного селекционного процесса, т.е. оценка исходного материала,
выбор метода отбора и распознавание селекционно-ценных генотипов, построены на едином генетическом принципе; второе - таким принципом может стать системный анализ изменчивости.
Термин «системный анализ» используется здесь в его, так сказать, «первородном» смысле как научная методология, построенная на представлении изучаемых объектов в качестве систем и исследовании этих
•т
систем. Системой является в данном случае «морфотип особи» как комплекс коррелированных морфологических признаков, а адекватным методом исследования изменчивости морфотипа - многомерный статистический анализ.
Цель и задачи исследования. В рамках системного анализа
изменчивости комплекса морфометрических характеристик раковины
черноморской мидии разработать методы выявления и оценки генетической
» гетерогенности мидий из различных местообитаний, адекватных
популяционно-генетическим исследованиям.
На пути ее достижения решались следующие задачи:
- характеризовать местообитания черноморской мидии по комплексу параметров среды;
- изучить изменчивость мидий из различных местообитаний по значениям размерных характеристик и их индексам;
- разработать схему промеров раковины черноморской мидии, j, обеспечивающей репрезентативность характеристики фенотипа;
- оценить эффективность предложенной методики морфометрического описания раковины черноморской мидии, в оценке гетерогенности популяций;
- оценка перспектив использования морфотипа мидии в экологическом мониторинге черноморского побережья;
» - оценка гетерогенности популяций черноморской мидии из различных
местообитаний на основе системного анализа изменчивости морфотипа;
7
- доказательство генетической природы выявленного полиморфизма популяций.
Научная новизна. Предложена новая оригинальная схема морфометрического описания раковины черноморской мидии, обеспечивающая репрезентативность характеристики фенотипа и отвечающая задачам эколого-генетического исследования популяций.
Показана адекватность системного морфометрического анализа задачам изучения генетической гетерогенности популяций мидии.
Определен биологический статус элементов внутрипопуляционной структуры - морф, существование которых отражает поддерживаемый отбором полиморфизм.
Практическая значимость работы определяется следующими результатами:
- разработан и апробирован алгоритм, позволяющий использовать комплекс морфометрических промеров раковины черноморской мидии для экологического мониторинга черноморского побережья;
- предложен эффективный метод выявления структуры популяций мидий, элементами которой являются генотипически различные морфы, обладающие разной адаптивностью. Метод реализуется с использованием кластерного, дискриминантного, корреляционного и дисперсионного анализов изменчивости комплекса морфометрических признаков;
Положения, выносимые на защиту:
1. Вскрыта зависимость морфотипа мидий от комплекса экологических параметров, характеризующих условия среды в конкретном местообитании.
2. Системный морфометрический анализ является адекватным и достаточным инструментом генетического изучения популяций черноморской мидии, обеспечивающим вскрытие уровня их генетической гетерогенности.
8
3. Выявляемая методами системного морфометрического анализа структура популяций представляет собой генетический полиморфизм, элементы которого — морфы различаются средними значениями признаков, их корреляционной структуры и отражают генетическую гетерогенность популяции по приспособленности к условиям обитания.
Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на XIV-XVI конференциях «Актуальные вопросы экологии и охраны природных экосистем южных регионов России и сопредельных территорий» (Краснодар, 2001-2003 гг.); Региональной конференции «Современные проблемы экологии» (Краснодарский край, Апшеронский район, 19-25 мая 2002 г.).
Публикации. В период 2001 — 2003 гг. по материалам диссертации было сделано 6 публикаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, трёх глав, излагающих основные результаты работы, выводов, практических рекомендаций и приложений.
Работа представлена на 130 страницах текста, содержит 26 таблиц, 21 рисунок (с приложениями).
Список цитированной литературы содержит 121 наименование, из которых 18 на иностранных языках.
9 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1.Систематическое положение, строение и динамика численности
черноморской мидии
Согласно А.В. Супрунович и Ю.Н. Макарова (1990) таксономический ранг исследуемого объекта следующий:
Тип Mollusca
Класс Bivalvia
Надотряд Autobranchia
Отряд Mytiliformes
Подотряд Mytiloidei
Надсемейство Mytiloidea
Семейство Mytilidae
Подсемейство Mytilinae
Род Mytilus
Подрод Mytilus
Вид Mytilus galloprovincialis.
Черноморская мидия широко распространена в прибрежной зоне Черного моря от уреза воды до глубины 80 метров. Тело мидий заключено в продолговато-выпуклую кальцинированную раковину. Форма раковины весьма изменчива. Цвет варьирует от светло-желтого до черного или черно-фиолетового. Макушка раковины расположена на переднем конце, поверхность раковины гладкая, с тонкими линиями нарастания. По одинаковым очертаниям створок раковину мидии можно отнести к равностворчатым моллюскам.
Створки раковины образованы внешним конхиолиновым слоем и несколькими карбонатными слоями с призматической и перламутровой структурами. Соединение створок происходит за счет лигамента. Мидии имеют лишь наружный лигамент. Смыкание створок осуществляется двумя
10
мускулами — замыкателями, прикрепленными концами к створкам. Передний мускул меньше заднего (Супрунович А. В., Макаров Ю. Н., 1990).
Тело моллюска одето мантией, наружная поверхность которой выделяет раковину. Мантия состоит из правой и левой лопастей (мантийные складки), которые ограничивают собой мантийную полость. Мантийные лопасти срастаются почти вдоль всей спинной стороны мидии. Сзади свободные края мантийных лопастей связаны поперечным парусом. Между ним и спинным срастанием (спайкой) мантийных лопастей расположено верхнее выводное отверстие (выводной сифон). Под жаберным парусом, между свободными краями мантии, где внутренние краевые складки мантии образуют бахромчатые выросты, вода поступает в мантийную полость, т.е. нижнее вводное отверстие отсутствует. С брюшной стороны тела расположен мускулистый вырост - нога, утративший функцию органа движения и находящуюся в рудиментарном состоянии. (Иванов А. В., 1983)
Взрослые особи ведут неподвижный образ жизни и, объединяясь в колонии, образуют мидийные "щетки" и "банки", которые занимают значительные прибрежные площади дна. В Черном ' море живут три экологические формы мидий - иловая, скальная и ракушечная. На глубине 50-80 метров иловая форма образует широко распространенный биоценоз "мидиевого ила", где является доминирующей формой. Имеется предположение, что именно иловая форма, осевшая на коллекторы, составляет большую часть опавшей молоди. Характерным отличием этой формы является удлиненная, овальной формы раковина, преимущественно коричневой окраски.
Скальные мидии, носители темно-фиолетовой окраски, обитающие на незначительной глубине, в единицу времени образуют большее количество биссусных нитей и более прочных, чем темно- и светло-коричневые мидии (Иванов А.И., 1981)
Живут мидии 7-8, иногда до 30 лет, популяции состоят из трех-четырех возрастных групп, с преобладанием одно- и двухлеток. Особенно много
11
мелкой молоди мидий в северо-западной части моря, где крупные особи часто гибнут при заморах. Мидии достигают 140 мм длины и 30 г веса. Но основную долю составляют моллюски размером 60-80 мм и массой 3-8 г (Виноградова 3.А., 1950).
Ухудшающаяся экологическая обстановка в восточной части Черного моря не могла не сказаться на динамике численности естественных популяций черноморской мидии. По данным Б.Д. Елецкого (1999) в изучаемом регионе в период с 1984 по 1991 гг. существенно снизились основные биопоказатели естественных популяций: плотность поселений и биомасса. Так, в 1984 г. плотность поселений мидии составляла 124 экз./м2, а в 1991 г. - всего 32 экз./м , то есть наблюдалось снижение показателя более чем в 4 раза.
Большое значение имеет для мидий находящаяся в ноге биссусная железа, которая продуцирует коллагенизированный белок биссус. С его помощью мидия крепко держится за субстрат, срастается в друзы.
Пищеварительная система начинается ртом, который ведет непосредственно в пищевод и, расширяясь, переходит в желудок, представляющий собой объемистый мешок. На брюшной стороне желудок образует непарный слепой карман, в котором располагается кристаллический стебелек - студенистый ферментный стержень. Стебелек постепенно растворяется и выделяет пищевой фермент.
В мантийной полости по бокам тела мидий [расположены жабры. Каждая жабра состоит из приросшей к телу жаберной оси и отходящих от нее двух рядов филаментов (жаберных нитей). Совокупность нитей каждого ряда образует полужабры. Между жаберными нитями сращений не образуется, и нити сцепляются жесткими ресничками, расположенными на особых выростных ресничных дисках. Жабры покрыты мерцательным эпителием, благодаря деятельности которого создается ток воды через мантийную полость.
12
Кровеносная система мидий представлена сердцем, разветвленной сетью артериальных сосудов и систем венозных сосудообразных каналов, лакун и синусов. Кровеносная система незамкнутая. Кровь бесцветная. Сердце лежит на спинной стороне тела и заключено в околосердечную сумку. Сердце пронизано задней кишкой и закладывается в виде двух зачатков по обе стороны задней кишки, которые сливаются и образуют один желудочек. Предсердия расположены по бокам желудочка. Желудочек отдает кровь только через переднюю аорту.
Выделительная система состоит из двух нефридиев (почек), лежащих по бокам тела у основания жабр и имеющих вид трубчатых мешков с железистыми стенками. Каждая почка имеет два отверстия; одним она сообщается с околосердечной сумкой, а другим - с мантийной полостью.
Нервная система образована тремя парами нервных узлов (ганглиев): головных, ножных и внутренностных. Между собой они соединены длинными коннективами, а одноименные ганглии — короткими комиссурами. Органы чувств развиты слабо (Супрунович А. В., Макаров Ю. Н., 1990).
Половые железы (гонады) парные, состоят из большого количества трубочек, лопастей, долек, залегающих в брюшном отделе туловища и в толще мантийных складок. Выводные протоки открываются в мантийную полость половыми отверстиями (Скарлато О. А., 1960).
Общие запасы мидий в Черном море оцениваются в 65 млн. тонн из которых доступны для сбора драгами только 7 млн. тонн. Кроме того, в последнее время в связи с ростом солености в Азовском море мидия стала широко распространяться в этом новом для нее бассейне.
1.2 Размножение черноморской мидии
Мидии - раздельнополые моллюски. Наступление половой зрелости зависит от возраста, физиологического состояния, географического и экологического ареалов обитания, комплекса абиотических и биотических
13
факторов. Половозрелыми мидии становятся главным образом в раннем возрасте (Seed R., 1975). Мидии, выращиваемые на коллекторах в юго-восточной части Крымского побережья Черного моря, достигают половой зрелости при длине створок 2,0 - 2,5 см на первых шести месяцах жизни. Установлено, что у самцов М. galloprovincialis в возрасте 100-110 суток, уже имеются сформированные половые железы, локализованные на мантийных выстилках раковин. В мужских ацинусах завершен цикл образования спермиев. Ацинусы яичников содержат по 4 - 6 вителлогенных ооцитов, и есть все основания считать, что М. galloprovincialis, осевшие на коллекторы весной, осенью этого же года способны размножаться в возрасте 100 - ПО суток после оседания на субстрат (Кудинский О.Ю., Мартынова Н.В., Столетова Т.В., 1985). Пол у мидий можно различить по цвету гонад в период их половой зрелости. Зрелые гонады самцов мидии М. galloprovincialis и М. edulis кремового цвета, у самок - оранжево-красного (Марковская Е.Б., 1952). Плодовитость мидии М. galloprovincialis с длиной створок 50,0 - 59,9 мм в северо-западной части Черного моря составила 288 -348 тыс. яйцеклеток (Кудинский О.Ю., Мартынова Н.В., Столетова Т.В., 1985).
В репродуктивном цикле мидии можно выделить ряд стадий: преднерестовую, нерест, посленерестовую, роста и созревания (Гинзбург А.С., 1974; Айзенштадт Т.Б., 1977). Время наступления и продолжительность каждой стадии зависит главным образом от температурных условий среды (Lubet P. et al., 1981). Пик массового нереста мидий М. galloprovincialis юго-восточной части крымского побережья Черного моря отмечен в декабре -январе, а менее значителен он - в мае - июне (Супрунович А.В., Макаров Ю.Н., 1990). Каждая стадия является продолжением предыдущей, и поэтому стадии перекрываются.
Оплодотворение наружное. Половые продукты попадают в мантийную полость, а затем током воды выводятся наружу, во внешнюю среду, где и происходит оплодотворение. Сперматозоид примитивного строения, состоит
14
из конусовидной головки и хвостика. Оплодотворенное яйцо делится неравномерно, тип дробления - спиральный. Образующаяся в процессе эмбрионального развития личинка мидии подобна плавающим планктонообразным личинкам двухстворчатых моллюсков.
Личиночное развитие проходит в несколько стадий: трохофора, велигер (парусник), великонхи, спат (прикрепившаяся к субстрату личинка). По мере развития у личинки образуются новые органы, свойственные стадиям развития. У личинки на ранних стадиях образуется равномерный ресничный покров, затем он дифференцируется: в верхнем полушарии личинки реснички становятся длиннее, а в нижнем частично исчезают и к 24 - 26 часам развития на спинной полосе образуется теменной хохолочек или султанчик. Такая личинка называется трохофорой. К 40 - 48 часам на спинной стороне появляется выпячивание эктодермы — раковинная железа. Через 2-3 часа на поверхности железы можно обнаружить тонкую пленку раковины. На этом этапе личинку называют продиссоконх (Супрунович А.В., Макаров Ю.Н., 1990).
К концу 72 часов развития тело личинки сплющивается, и на его переднем конце формируется плавательный орган — парус (velum) имеющий форму диска, покрытого ресничками (Дроздов А.Л., Заварзина Е.Г., Куликова В.А., 1983). Образуется личинка велигер или парусник.
Личинка-велигер черноморской мидии прозрачна и бесцветна. Поверхность раковины тонкозернистая или ячеистая. Раковина полукруглая, равностворчатая и равносторонняя с прямым замковым краем, имеющим зачатки зубов (по 3-4 зубика с каждой стороны створок).-
По мере развития (14-25 суток), личинка-велигер переходит на стадию великонха, на которой происходит ее дальнейший рост и дифференциация мягких частей тела (появляются пигментные пятна, глаза, задний аддуктор, нога, закладываются ганглии). Раковина приобретает новые формы, появляется новый участок раковины (продиссоконх И). Замковый край становится вогнутым, образуется макушка. Длина раковины личинки-
15
великонхи М. galloprovincialis достигает 250 - 300 мкм. Раковина становится овально-треугольной, концентрические линии роста широкие и глубокие, равномерно расположенные. Раковина однородного желтого цвета, иногда края ее окрашены, а середина остается бесцветной. Замок хорошо развит и состоит из 7 - 8 крупных прямоугольных зубчиков (впереди и сзади) и 11 - 13 мелких зубчиков (посередине). Хорошо развитая нога наблюдается у личинок длиной свыше 250 мкм. Задний мускул-замыкатель появляется у личинок длиной 307 мкм, а жаберные петли - у личинок длиной 278 мкм (Захваткина К. А., 1972).
У великонха (длина 250 - 350 мкм) перед оседанием на субстрат размеры ноги резко увеличиваются, в вытянутом положении она в 3 - 4 раза превышает длину самой личинки. Данная стадия называется педивелигер. Педивелигер прекрасно плавает и ползает, используя при выборе подходящего субстрата для оседания ногу (Дроздов А.Л., Заварзина Е.Г., Куликова В.А., 1983). В состоянии «поиска» педивелигер может находиться до одной недели, пока не закрепится биссусными нитями. При неблагоприятных условиях существования личинка-педивелигер способна вновь открепится от субстрата и какой-то период времени вести плавающий (поисковый) образ жизни. Через 1,5 - 2,0 месяца от начала своего развития, личинка приступает к оседанию. По данным Киселевой Г.А. (1972) количество личинок в поверхностном слое может достигать 67 тыс./м3, но обычно их меньше даже во время пика нереста - 236-320 экз./м3. Отдельные личинки встречаются круглый год, так как нерест всей популяции непрерывный, с осенними и весенними пиками. Во время шторма в планктоне появляются сформировавшиеся мидии размером 400-600 мкм., сорванные с субстрата.
Спат — это окончательно осевшая на субстрат личинка. На этой стадии утрачивается парус и проявляется жизнедеятельность биссусной железы. Нога занимает место паруса. Форма и цвет раковины меняется. Начинается интенсивный рост заднего края раковины, что приводит к смещению
16
вершины и замкового края к переднему краю раковины. Цвет раковины становится более темным. На стадии спата молодь мидий переходит к взрослому образу жизни, хотя наблюдаются случаи обрыва биссусных нитей у особей до 2 см и перемещение моллюсков на более подходящее для их жизни субстраты (Супрунович А.В., Макаров Ю.Н., 1990).
В северо-западной части Черного моря пик нереста наблюдается с 10 мая по 15 июня, а осенью — в сентябре - ноябре. На кавказском побережье пик нереста в конце февраля марта, осенью приходится на август — сентябрь (Иванов А.И., 1965).
Длительность планктонной стадии 7-14 суток, но личинка может плавать несколько месяцев, после чего погибает, выживаемость до взрослой стадии - менее 0,01%. Главная конкуренция — за место прикрепления. Для массового оседания на субстрат необходима бактериально-водорослевая пленка, которая в три раза ускоряет метаморфоз личинок. При оседании личинки предпочитают нитчатые и шероховатые поверхности.
Максимум оседания личинок происходит в апреле - начале мая. Оптимальная плотность оседания - не более 50 экз./см . При высокой плотности оседания, при температуре воды более 20°С, при солености менее 16%о начинается процесс опадания с субстрата (элиминация), который может достигнуть 40% и более (Боровинский П.Г., 1987).
Мидия активно растет (при оседании весной) до октября, достигая 28-30 мм (в среднем 17-22 мм), с октября по март вырастает еще на 10%, а с апреля по июль - на 30%. Максимальный весовой прирост наблюдается на второе лето. Размеров 40-50 мм мидии достигают при весеннем оседании — за 12 месяцев, при осеннем - за 15 месяцев. Для черноморских хозяйств период выращивания составляет 18 месяцев. Интенсивный рост идет в верхних слоях воды на глубине 4-6 метров. Оптимальная температура для роста мидий 14-20°С, для личинок 17-20°С, при температуре воды ниже 5°С рост мидий прекращается.
17
1.3 Питание черноморской мидии
Mytilus galloprovincialis по типу питания относятся к сестонофагам -фильтраторам. Пища поступает к ним с водой, засасываемой с помощью вододвижущего аппарата. Поэтому в своем питании мидии полностью зависимы от количества и состава взвеси в окружающей их воде.
Отбор пищи мидии начинают уже на входе воды через длинную и узкую щель, обрамленную краями мантии. При контакте с рецепторами мантии крупных частиц моллюск может резко закрыть створки, предотвращая попадание внутрь нежелательных объектов. Наиболее крупные организмы, найденные в пищеварительной системе черноморской мидии, -личинки двустворчатых и брюхоногих моллюсков, копеподитные и науплиальные стадии веслоногих рачков, взрослые Oithonia minuta, обломки крупных планктонных водорослей (Миронов Г.Н., 1948). Водоросли представлены разнообразными диатомеями и динофлагеллятами, причем донные виды диатомовых водорослей - существенный компонент пищи мидии.
Мидии потребляют и мельчайшую органическую взвесь - детритные частички, бактерии, но эффективность их отфильтровывания заметно снижается с приближением размеров взвеси к 1 мкм.
При микроскопическом исследовании содержимого пищеварительного тракта мидии чаще всего наблюдаются частицы детрита (у 91% особей), затем следуют диатомовые (70%), динофлагелляты (60%) и животные (40%) (Цихон-Луканина Е.А., 1987). Для мидии из Азовского моря определили, что рацион состоит их детрита на 80 - 90%, а 10 - 20% составляют водоросли (Николаенко СМ., 1987).
В спектре питания черноморской мидии выявлена и сезонная динамика. В летний период основная роль принадлежит зоопланктону, в остальные периоды года - водорослям и детриту (Данилова М.М., 2001). |
