ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования. Во второй половине XX века на основе комплексного таксономического анализа была осуществлена ревизия важнейших семейств пресноводных брюхоногих моллюсков: сем. Lymnaeidae (Круглов, 1984), сем. Bulinidae (Максимова, 1995), сем. Planorbidae (Старобогатов, 1958; Солдатенко, 1997). В результате этих исследований многие виды прежних систем оказались сборными. Обособленность большинства видов доказана на основе морфологического хиатуса (внешняя и внутренняя морфология), репродуктивной изоляции, кариологических отличий, паразитологической специфичности. Другими словами, осуществлена детальная ревизия таксономических систем (Старобогатов, 1958, 1977, 1989; 1996; Павлинов, 1988, 1989, 1996; Фридман, 1991, 1993, 1996; Любарский, 1988,1993; 1996; Иванов, 1996; Мамкаев, 1996).
Роль морфологического критерия в систематике, несомненно, остается ведущей, и в настоящее время накоплен большой опыт его применения. По этой причине морфологические особенности организмов моллюсков наиболее разработаны.
Между тем хорошо известно, что особенности морфологии тесно связаны с физиологическими процессами. По мнению М. С. Гилярова (1974), экологическая дифференциация видов (появление функциональных отличий) зачастую сопровождается возникновением различий в морфологии, что в полной мере отражает морфофункциональную организацию вида (Шварц, 1980). Например, от функциональных процессов формирования раковины зависят такие признаки, как толщина органического и минерального слоев, их химический состав и плотность упаковки молекул, а особенности строения морфологических структур синкапсул во многом определяются физиологическими процессами синтеза
оболочек и матриксов в отделах половой системы. Различия в этих процессах служат основой развития адаптивных возможностей вида.
Поэтому изучение устойчивости морфо-функциональных систем позволяет более точно прогнозировать механизмы адаптации близких видов моллюсков к действию различных экологических факторов. Вместе с тем в малакологии данная проблема, несмотря на свою актуальность, оказывается недостаточно разработанной.
В этой связи нами выявлялись различия в устойчивости морфофункциональных систем организмов близких видов моллюсков на разных этапах онтогенеза в условиях воздействия повышенной кислотности водной среды (pH 5,6-5,8), что особенно актуально в условиях мощного антропогенного закисления водоемов.
Таким образом, предпринята попытка установить зависимость между устойчивостью морфологических структур и особенностями физиологии организма, благодаря которой эти структуры формируются. В свою очередь изучение устойчивости самих физиологических процессов в условиях воздействия экстремального фактора pH (5,6-5,8) позволяет более точно оценить адаптивный потенциал вида, который реализуется в проявляемой им экологической валентности. Суммарные сведения по морфо-функциональным отличиям близких видов могут стать содержательной базой экологического критерия в систематике.
Цель и задачи исследования. Основная цель настоящей работы заключалась в выявлении отличий в устойчивости морфофункциональных систем близких видов в условиях воздействия высокой кислотности, что позволяет более точно определить адаптационный потенциал каждого вида.
В связи с этим были поставлены следующие задачи.
1. Провести сравнительное изучение устойчивости структур синкапсул и на этой основе выявить особенности и строения, и физиологии формирования.
2. Осуществить сравнительное изучение устойчивости структур раковин, что позволяет определить особенности их морфофункциональной организации.
3. Изучить отличия в способности видов поддерживать устойчивость репродуктивного потенциала в условиях воздействия высокой кислотности.
4. Выявить отличия в выживаемости взрослых особей моллюсков в условиях воздействия высокой кислотности.
5. Осуществить сопоставление морфо-функциональных отличий с различными формами обособленности на примере модельных видов из трех семейств брюхоногих моллюсков (Lymnaeidae, Bulinidae, Planorbidae).
Научная новизна. Впервые в природных условиях на фоне воздействия высокой кислотности (pH 5,6-5,8) проведено изучение отличий в устойчивости структур синкапсул и раковин, темпах откладки яиц, выживаемости взрослых особей, а также выявлены причины появления аномальных синкапсул у 21 вида пресноводных гастропод.
Установлена зависимость строения и устойчивости морфологических структур от особенностей физиологических процессов их формирования у разных видов. Показано, что различия в устойчивости морфо-функциональных систем близких видов определяют диапазон адаптивных возможностей, то есть размах экологической валентности.
Впервые осуществлено сопоставление морфо-функциональных отличий видов с установленными ранее формами обособленности; отличиями по морфологии, паразитологической специфичностью, кариологическими отличиями и репродуктивной изоляцией, что позволило подтвердить данные, касающиеся морфологии таксонов.
Практическое значение. Результаты исследований имеют важное практическое значение в экологии и систематике.
Полученные результаты позволяют более полно обсуждать адаптации вида к различным условиям среды обитания и в частности к воздействию
высокой кислотности. На их основе можно обсуждать возможные пути становления ацидофильных форм, а также возможные изменения в состоянии водных биоценозов в случае снижения показателей pH воды. ж\ На основе сведений по механизмам разрушения раковин и синкапсул
разных видов, а также аномалиям строения кладок яиц, возникающим в условиях воздействия низких значений pH, разработаны мониторинговые тесты на подкисление водной среды, что актуально в связи с антропогенным загрязнением пресных вод (Rask и др., 1985; Goldstein и др., 1985; Merilainen, 1988; Fleischer и др., 1993; Renberg и др., 1993; Андреенкова и др., 1995).
Создана основа для использования морфо-функциональных отличий в комплексном таксономическом анализе в качестве экологического критерия.
На базе полученных результатов по отличиям в строении и химическом
составе слоев раковины значительно расширены возможности
'•¦-»¦ ¦ ¦ • ¦ . . .
конхиологического метода в систематике.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены: на вторых и третьих Международных чтениях памяти профессора В.В. Станчинского (Смоленск, 1995; 2000), на научно-практической конференции по проблемам систематики, экологии, филогении ЗИН РАН (Санкт-Петербург 2000), на совместном научном семинаре лабораторий морских исследований и лаборатории пресноводной и экспериментальной гидробиологии ЗИН РАН (Санкт-Петербург, 2001), на I региональной научно-практической конференции молодых ученых Смоленской области (Смоленск 2002), на коллоквиуме лаборатории почвенной зоологии ИПЭЭ им. А. Н. Северцова РАН (Москва, 2002), на совместном коллоквиуме лабораторий экологии и морфологии морских беспозвоночных, почвенной зоологии, группы экологии пресноводных сообществ. ИПЭЭ им. А. Н. Северцова РАН (Москва, 2004).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в десяти печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения и пяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на 243 страницах, из них 145 страниц основного текста, 23 страницы список литературы и 23 - приложение. Диссертация иллюстрирована 43 рисунками и 12 таблицами. Список литературы включает 250 источников, из них 113 зарубежных работ.
ГЛАВА1 МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
1.1. Теоретическое обоснование эксперимента
Очень часто экспериментальные исследования проводятся в лабораторных условиях, при которых нередко возникают трудности в создании одинаковых условий обитания для экспериментальных животных, что снижает достоверность полученных результатов. По этой причине мы отдали предпочтение эксперименту в естественных (природных) условиях, в которых физико-химическое состояние среды стабильно и сбалансировано на протяжении многих десятилетий. Несомненно, эксперименты в естественных условиях дают более объективную информацию по сравнению с лабораторными (Mierle, Clark, France, 1984).
Из всех многочисленных форм эксперимента в природных условиях мы выбрали изучение экологической специфичности на фоне воздействия низких значений pH (5,6-5,8). Для пресноводных моллюсков оптимальными являются значения pH, равные 7-8, поэтому показатель pH 5,6-5,8 способен оказывать резкое воздействие на морфологические структуры раковин и синкапсул, провоцировать изменения функций половой системы и
гомеостаза организма в целом. Наличие различий между разными видами в характере устойчивости морфологических структур косвенно указывает на отличия в функциональных системах этих видов.
Морфологические структуры синкапсул (оболочки и матриксы) образуются в ходе сложных физиологических процессов и заметно отличаются у разных видов по следующим функциональным параметрам: емкость буферных и осморегулирующих систем белковых матриксов, механизмам регуляции полупроницаемости и сохранению нормального распределения поверхностных зарядов оболочек (Божкова, Чайлохян, 1977; Проссер, 1977; Хлебович, Бергер, 1975; Хлебович, 1981). Эти отличия детерминируют отличающуюся устойчивость оболочек и матриксов синкапсул к воздействию гуминовых кислот у разных видов. Поэтому сравнительный анализ устойчивости синкапсул в условиях воздействия низких значений pH дает возможность косвенно оценить морфо-функциональные отличия разных видов.
Раковины моллюсков, кроме формы и размеров, отличаются целым набором структурных характеристик, многие из которых определяются физиологическими особенностями их формирования. К ним, прежде всего, следует отнести разную плотность упаковки гликопротеидных молекул органического слоя и молекул углекислой извести минерального слоя, отличия в аминокислотном составе конхиолина и разный набор добавочных ионов неорганической части (Зыкова и др., 1979; Krampitz и др., 1983; Keller, Dauphin, 1983; Simkiss, 1983), а также число и форму поровых образований (Киричук, Стадниченко, 1996; Kirichuk, Stadnichenko, 1997). Эти отличия в структуре раковин у разных видов определяют разный характер ее эрозии при воздействии гуминовых кислот, что опосредованно свидетельствует об отличиях в физиологии формирования раковины.
Сравнительный анализ особенностей размножения разных видов также позволяет судить о различиях в функциональных процессах половой
10
системы у разных видов. Процесс размножения контролируется нейрогуморальными механизмами (Круглов, 1980; Joosse, 1975, 1976), которые во многом обеспечивают поддержание гомеостатического баланса организма и половой системы в неблагоприятных условиях (Гаузе, 1984; Озернюк, 1988, 1989; Шугалов, 1989). Поэтому отличия в ритме откладки синкапсул у разных видов в условиях воздействия на организм низких значений pH определяются разными возможностями вида поддерживать гомеостаз половой системы. В то же время появление аномальных структур в строении синкапсул в этих условиях рассматривается как следствие нарушений синхронной работы разных отделов половой системы. Поскольку к настоящему моменту достаточно полно изучены функции каждого отдела половой системы (Berry, 1974; Круглов, 1980; Березкина, 1981; 1991; Березкина, Старобогатов, 1986; 1988; 1991 и др.), то по характеру аномалий строения структур синкапсул легко установить нарушения работы любого из них. Это позволяет выявить различия в гомеостазе половой системы у разных видов в экстремальных условиях.
Большое значение придавалось изучению сроков выживаемости взрослых особей разных видов в условиях опыта. Различия в сроках гибели оценивались как различия в способностях вида поддерживать гомеостаз организма в целом в условиях воздействия низких значений pH. Хорошо известно, что в этих условиях происходит обезвоживание и обессоливание организма, нарушение работы ферментов, изменение pH баланса внутренней среды, обеднение биохимического аппарата, нарушение обмена веществ (Maetz и др., 1968; Виноградов, 1979; Марков, 1979; Мусил и др., 1981; Виноградов и др., 1979, 1985, 1987, 1988; Виноградов, Комов, 1988; de With, 1978; Reddy, 1985; de With и др., 1980, 1983, 1989, Bennet, Hanter, 1990; Walker, 1992).
Для выживания в экстремальной среде организм мобилизует все адаптивные возможности, опираясь на видоспецифические особенности
11
своего генотипа. Следовательно, различия в устойчивости взрослых особей моллюсков рассматривались как различия в биотическом потенциале у разных видов. Кроме того, наше исследование является длительным,
(-w поэтому оно не требует предварительной акклимации и позволяет
¦W ¦ ¦ ¦
пренебрегать негенетическими адаптациями (Хлебович, Бергер, 1975;
Кинне, 1979; Хлебович, 1981).
1.2. Выбор объектов для экспериментальных исследований
В экспериментальных исследованиях использовались моллюски следующих систематических групп:
Класс Gastropoda
Подкласс Pulmonata
Отряд Lymnaeiformes
Сем. Lymnaeidae Rafinesque, 1817
Род Lymnaea Lamarck, 1799 \
Подрод Lymnaea s. str.
L.fragilis (Linnaeus, 1758), L. stagnalis (Linnaeus, 1758)
Подрод Peregriana Servain, 1881
L.patula(E. M.Costa, 1778), L. fontinalis (Studer, 1820)
L. peregra (Muller, 1774).
Подрод Stagnicola Leach in Jeffreys 1830
L. atra (Schranck, 1803), L. palustris (O.F. Muller, 1774)
Подрод Corvusiana Servain, 1881
L. corvus Gmelin, 1791, L. gueretiniana (Servain, 1881)
Сем. Bulinidae
th» - ¦ • ¦ ¦ '
Род Planorbarius Dameril, 1806
PI. corneus (Linnaeus, 1758), PL grandis(Dunker, 1856)
PI. purpura (O. F. Muller, 1774), PI. adelosius Bourguignat, 1859
Сем Planorbidae
VojxAnisus Studer, 1820
ф
12
Подрод Disculifer С. Boettger, 1994 A. vortex (Linnaeus, 1758), А. hyppocirtus Servain, 1888 A. nummulus (Held, 1837) Род Planorbis Geoffroy, 1767
P. umbilicatus O. F. Muller, 1774, P. planorbis (Linnaeus, 1758) Vojy Segmentina Fleming, 1817
S. molytes (Westerlund, 1885), S. mantgosaniana Bourguignat in Servain 1881, S.aelandica(Westerlund, 1885)
Таблица 1
Результаты таксономического анализа сем. Lymnaeidae, Bulinidae, Planorbidae
Систе матическая группа Критерии изучения видов
Морфологический Репродуктив- [Паразитоло Кариоло-гический
Семейство Род (подрод) Виды пая изолция гическии
Lymnaeidae Lymnaea L. stagnalis L. fragilis + +
Peregriana L. patula L. fontinalis L. peregra
Stagnicola L. atra L. palustris + +
Corvusiana L. corvus L. gueretiniana + +
Bulinidae . Planorbarius PL corneus PL grandis PL purpura PL adelosius +
Planorbidae Anisus A. vortex A. nummulus A. hyppocirtus
Planorbis V. planorbis P. umbilicatus +
Segmentina S. mantgosaniana S. molytes S. oelandica
13
Для эксперимента подбирались виды моллюсков, относящиеся к общепринятым системам, созданным на комплексной основе. Поэтому данные виды можно считать модельными (табл. 1). Благодаря такому подбору видов полученные результаты по экологической специфичности, можно будет сопоставить со всеми формами обособленности (табл. 1).
1.2. Экспериментальная база
Как уже отмечалось, эксперимент проводился в естественных условиях озера Большое Стречное (национальный парк «Смоленское Поозерье», Смоленская область), воды которого имеют стабильно низкие значения pH (5,6-5,8) и ультрапресные концентрации солей (табл. 2). Котловина оз. Б. Стречное сформировалась в результате термокарстовых процессов (вытаивание погребенных глыб Валдайского ледника). Площадь озера составляет 4,3 га, его размеры - 0,3 на 0,18 км при длине береговой линии 0,83 км и площади водосбора 3 км . Воды озера насыщены кислородом, их прозрачность составляет 8 метров (Кремень, 1970; 1992).
Высокая концентрация гуминовых кислот обусловлена зарастанием озерного зеркала сплавинами торфяного болота (Кремень, 1970, 1992; Зыкова, 1977). Подкисление вызывает обессоливание пресных вод, (превращая их в ультрапресные), снижает содержание и доступность биогенных элементов (Havos и др., 1984; Appelberg, 1986; Broberg, Lindgren, 1987; Conzonno, Cirelli, 1988; Conte, Geddes, 1988; Fesser и др., 1990; Franco, 1990; Wetzel, 1993; Jensen, Malte, 1990). Одновременно ацидофикация вызывает повышение концентрации многих токсичных веществ, например, алюминия (Виноградов, 1992; Olsson, Petterson, 1993; Appelberg и др., 1993; Stenson и др, 1993). Экосистема откликается резким сокращением продукции, а диффузный поток фосфора уменьшается на 90% (Schindler и др., 1983; Holopainen, 1991; Detenbeck, Bresonik, 1991; Gahnstrom и др., 1993; Kulberg и др., 1993; Shaw, 1994; Findloy, Kasian, 1996). В таких
14
условиях происходит обеднение биологического разнообразия (Иванова, 1963; Салазкин, 1976; Turner et al., 1977; Yan, Stokes, 1978; Brehm, Mejering, 1982; Nussen и др., 1984; Raddum, Fjellheim, 1984; Bulkowski et al., 1985; Davis, Anderson, 1985; Salih et al., 1987; Sandoy, Nussen, 1987; Havens, Decosta, 1988; Muniz, 1993; Krno, 1991; Пастухов, 1992; Stensson, et al., 1993; Stoks, et al. 1993; Лазарева, 1994; 1996; Sarvala, 1994; Locte, Sprules, 1994; Bendell, Mc Nicol, 1993; 1995; Lasareva, 1995, Андреенкова, 1995; Ильящук, 1998).
Таким образом, оз. Б. Стречное является уникальным объектом для проведения экспериментов в естественных условиях среды. При отборе моллюсков для экспериментальных исследований учитывались особенности их обычных биотопов. Подавляющее большинство видов собраны в оз. Рытом (прил., табл. 1), гидрохимические характеристики которого приведены в таблице 1 и являются типичными для крупных постоянных водоемов. Пресноводные брюхоногие моллюски семейств Lymnaeidae, Bulinidae, Planorbidae обладают возможностями осваивать водоемы с широким экологическим спектром: от крупных постоянных озер до малых (минорных) пересыхающих прудов и лесных луж. В свою очередь, неоднородности , гидрологического и гидрохимического режимов мест обитания соответствуют различия биологических возможностей моллюсков. По показателям кислотности среды зона оптимума лежит в пределах нейтральной pH 7, однако пресноводные моллюски могут обитать при незначительном подщелачивании (pH 8) и даже очень слабом подкислении воды (pH 6,5).
В крупных озерах, где высоки концентрации кислорода, показатели pH колеблются от нейтральных до слабощелочных и оптимальных концентрации солей (Березкина, Старобогатов, 1988), обитают наиболее обычные виды: L. patula, L. fontinalis, L. atra, L.fragilis, L stagnalis, PL
15
corneus, PL grandis, PL purpura, P. planorbis, P. umbilicatus, A. vortex. Данные виды обнаружены в оз. Рытое (табл. 2).
Таблица 2
Гидрохимический состав воды озер, используемых в эксперименте . (по Зыковой и др., 1979)
Название озера Уровень pH Общ. жесткость мг-экв/л У стран, жесткость мг-экв/л Общая щелочность мг-экв/л Са2+ мг/л Mg21 мг/л СГ мг/л Окисляем ость О2/л
Оптимальные условия
Рытое 7,0-8,0 2,10 1,20 2,0 22,8 10,0 ¦14,7 7,4
Экстремальные условия
Большое Стречное 5,6-5,8 0,20 0,0 0,10 2,0 1,2 3,1 3,6
В мелких часто пересыхающих лужах и прудах с высоким содержанием органики, дефицитом кислорода, незначительным подкислением и ультрапресными концентрациями солей встречаются виды, более устойчивые к воздействию экологических факторов. Многие из этих видов являются эврибионтами с широким ареалом, они способны переносить асфиксию, пересыхание, эффективно регулируют pH баланс внутренней среды: L. fontinalis, L. peregra, L. corvus, L. gueretiniana, L. atra, L. palustris, L stagnalis, PL adelosius, PL purpura, P. planorbis, A. nummulus, A. hyppocirtus, S.molytes, S. mantgosaniana, S. oelandica.
Близкие виды, отличия в устойчивости которых рассматриваются в нашем эксперименте, могут обитать совместно, хотя их биотические
16
возможности (эврибионтность, стенобионтность), а также распространенность, как правило, не совпадают (Круглов, Старобогатов, 1984,1986, 1992).
Таким образом, отличия в биотических свойствах видов неминуемо должны диктовать разную устойчивость в условиях воздействия низких значений pH. Высока вероятность существования большей устойчивости у видов эврибионтов и видов, живущих в условиях болотных вод, подкисленных разлагающимся органическим веществом.
1.4. Методика эксперимента
Экспериментальное изучение устойчивости морфо-функциональных систем моллюсков при воздействии на них низких значений pH (5,6-5,8), осуществлялась на эмбриональной и постэмбриональной стадиях развития.
Сбор моллюсков производился в естественных биотопах. Часть взрослых особей содержалась (в качестве контроля) в лаборатории в оптимальных условиях. Методика культивирования моллюсков в таких условиях соответствовала требованиям, разработанным многими авторами (Круглов, 1976; 1980; Calow, 1973; Гриднев, Казанников, 1979; Давыдов и др., 1981; Bohlken, Joose, 1982; Kock, Eeden, 1985; Chandhry, 1986; 1987; Lambert, 1987; Рощин и др., 1989; Tanveer и др., 1989; Бойчаров, Алехнович, 1992).
Другая часть взрослых особей помещалась в условия с низкими значениями pH (5,6-5,8) в оз. Б. Стречное (табл. 2). Особи исследуемых видов помещались в садки специальной конструкции (рис.1 А 1,2), которые закреплялись у поверхности воды на плавающей раме (рис. 1 Б 3,4,5,6,7).
17
Рис. 1. Устройство рамы и садка (ориг.) А - крепление садка в раме; Б — вид рамы сверху; 1- садок; 2 - аэрационные отверстия стенок садка; 3 - поверхность воды; 4 - металлическое кольцо; 5 - фиксатор садка; 6 -деревянная рама; 7 - пенопластовый буек

Получить работу