WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Отношение байкальских и палеарктических амфипод к кислороду как фактору среды и механизмы адаптации при снижении его уровня.

На правах рукописи

Кириченко

Кузьма Анатольевич

Отношение байкальских и палеарктических амфипод к кислороду как фактору среды и механизмы адаптации при снижении его уровня.

03.00.16 – экология

03.00.04 – биохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Иркутск – 2007

Работа выполнена в Сибирском Институте Физиологии и Биохимии Растений СО РАН, г. Иркутск

Научные руководители: доктор биологических наук,

Тамара Павловна Побежимова;

кандидат биологических наук,

Максим Анатольевич Тимофеев

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук,

профессор Евгений Анатольевич Зилов,

НИИ Биологии при ИГУ, г. Иркутск

кандидат биологических наук,

Ирина Алексеевна Граскова,

Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, г. Иркутск

Ведущая организация:

Иркутский Государственный Педагогический Университет,

г. Иркутск

Защита диссертации состоится “17“ апреля 2007 г. в ___ ч на заседании диссертационного совета Д 212.074.07 при Иркутском Государственном Университете по адресу: 664003, г. Иркутск, ул. Сухэ-Батора, 5, Байкальский музей им. профессора М.М. Кожова (ауд. 219).

Почтовый адрес: 664003, г. Иркутск, ул. Сухэ-Батора, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Иркутского государственного университета.

Автореферат разослан “___“ марта 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат биологических наук Е.С. Купчинская

Актуальность проблемы. Уникально высокий уровень биоразнообразия является одной из важнейших особенностей экосистемы озера Байкал. В первую очередь это относится к амфиподам (Amphipoda; Crustacea), которые представлены более чем 250 видами (Kozhova, Izmest’eva, 1998; Тахтеев, 2000). По мнению ряда авторов, специфические условия обитания, и особенно высокое насыщение воды кислородом, а также значительный возраст озера Байкал являются важнейшими среди причин огромного видового разнообразия байкальских организмов (Верещагин, 1935; Кожов, 1962; Мазепова, 1990; Тахтеев, 2000). Другой особенностью Байкала является явление «несмешиваемости», при котором сибирские виды практически не проникают в открытый Байкал, а байкальские не распространяются за пределы озера (Верещагин, 1935; Кожов, 1962). Так, из более чем 250 видов эндемичных байкальских амфипод, только около 10 отмечены в системе рек Ангара-Енисей и лишь Gmelinoides fasciatus встречается в других, не связанных с Байкалом, водоемах. Предполагается, что эволюционное развитие байкальской фауны происходило в изолированных условиях озера при постоянном и высоком насыщении воды кислородом, что привело к формированию видов со слабо выраженными механизмами адаптации к пониженному его содержанию (Колупаев, 1989). На примере амфипод было выдвинуто предположение, что уровень растворенного кислорода является одним из основных факторов, ограничивающих распространение байкальских эндемиков за пределы озера за счет влияния на резистентные способности байкальских видов (Timofeyev, 2002; Тимофеев, 2003). Кислород, как фактор среды, оказывает определяющее влияние на все аспекты существования водных организмов, в том числе и на их распространение (Frederich, Portner, 2000; Diaz, 2001; Portner, 2001). Между тем, механизмы адаптации к различным уровням кислорода у байкальских амфипод до настоящего времени остаются слабо исследованными. Изучение механизмов адаптаций к пониженному содержанию кислорода у байкальских амфипод имеет большое значение, как для понимания экологии отдельных видов, так и для оценки принципов формирования пространственно-временной структуры их популяций, в частности ограниченного распространения видов за пределы оз. Байкал.

Цель и задачи исследования. Целью данного исследования являлось изучение влияния пониженного содержания кислорода на адаптивные механизмы у байкальских и палеарктических амфипод, а также установление сходств и различий в данных механизмах.

Для решения цели были поставлены следующие задачи:

1) Оценить влияние пониженного содержания кислорода на термо- и токсикорезистентность байкальских и палеарктических амфипод; 2) Исследовать влияние пониженного содержания кислорода на активность антиоксидантной системы у байкальских и палеарктических амфипод; 3) Изучить изменения белкового состава в условиях пониженного содержания кислорода у исследуемых видов; 4) Определить особенности анаэробного метаболизма у байкальских и палеарктических амфипод, выявить степень активации анаэробного гликолиза и других анаэробных процессов.

Основное положение, выносимое на защиту. Пониженное содержание кислорода (гипоксия) в окружающей среде вызывает снижение резистентных способностей у байкальских и палеарктических амфипод, степень устойчивости видов к гипоксии связана с их способностью к эффективной активации анаэробных механизмов и способностью к утилизации их продуктов.

Научная новизна. Работа выполнена с применением современных экспериментальных и аналитических методов исследований. При обосновании выводов учтены как собственные материалы, так и опубликованные результаты работ других исследователей. Большинство фактических данных и ряд выявленных закономерностей являются новыми. Впервые проведено сопоставительное комплексное исследование особенностей использования анаэробных механизмов в условиях гипоксии у ряда пресноводных амфипод, представителей байкальской и палеарктической фаун. Обнаружены анаэробные метаболические процессы у всех изученных байкальских амфипод (ранее предполагалось, что у байкальских видов способность к активации анаэробного метаболизма редуцирована. См. Колупаев, 1989). Показано, что степень развития анаэробных процессов, включающих в себя эффективную систему утилизации токсических продуктов анаэробиоза, определяет уровень устойчивости к гипоксии и взаимосвязана с экологическими характеристиками видов. Исследованные байкальские виды обладают менее эффективной системой анаэробного метаболизма. Получены новые данные о способности байкальских амфипод активировать анаэробный липолиз и процесс анаэробного образования сукцината. Материалы исследования представляют интерес для понимания основных механизмов функционирования системы стресс-адаптации у гидробионтов при варьировании содержания кислорода в среде.

Теоретическая и практическая значимость работы. Анализ чувствительности амфипод к различным абиотическим факторам представляется важным при использовании данной группы гидробионтов в качестве тест–объектов при биологическом мониторинге. Материалы исследований могут быть применены для сравнительной оценки чувствительности байкальских эндемиков и палеарктов к антропогенному загрязнению, для прогнозирования устойчивости байкальских видов к влиянию промышленных сбросов и возможных последствий загрязнения или глобальных климатических изменений, а также при разработке комплексной системы экологического мониторинга оз. Байкал и проведении мероприятий по охране и рациональному использованию природных ресурсов байкальского региона. Результаты исследований включены в отчеты лаборатории «Проблемы адаптации биосистем» НИИ биологии при ИГУ по проектам РФФИ – гранты: 06-04-48099-а; 05-04-97239-р_байкал_а, они используются в учебном процессе в ИГУ при чтении курсов лекций на биолого-почвенном факультете («Практикум по экологии», «Современные проблемы Лимнологии» и др.) и проведении полевых учебных практик студентов.

Публикации и апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 12 работ. Основные результаты докладывались на конференции посвященной 25-летию кафедры физико-химической биологии б-п фак-та ИГУ, - Иркутск 2003, на ежегодной научно-теоретической конференции молодых ученых, – Иркутск 2004, на Четвертой Верещагинской байкальской конференции (Иркутск, 26 сентября- 1 октября, 2005 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 134 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, главы посвященной описанию систематической принадлежности и экологии исследованных видов, методической и экспериментальной частей, результатов исследования и их обсуждения, выводов и списка цитируемой литературы. Работа включает 42 рисунка. Список литературы состоит из 180 источников, из них 100 на русском и 80 на английском языке.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В работе использованы байкальские виды амфипод: Eulimnogammarus verrucosus (Gerstf.), E. vittatus (Dyb.), E. cyaneus (Dyb.), Gmelinoides fasciatus (Stebb.), Ommatogammarus flavus (Dyb.) и Ommatogammarus albinus (Dyb.), а так же палеарктический вид Gammarus lacustris Sars.

Материал был собран в 2003-2006 гг. Сбор амфипод проводили на глубине 0,5-1 м с использованием гидробиологического сачка, глубоководные виды отлавливались на глубине 300–400 м с помощью глубоководных ловушек. Байкальских амфипод отлавливали в прибрежной зоне озера Байкал в районе пос. Листвянка, а так же в районе пос. Большие Коты. G. lacustris - в небольшом озере в районе пос. Большие Коты на расстоянии не более 1 км от побережья оз. Байкал. Перед экспериментами амфипод содержали раздельно по видам, в аэрируемых аквариумах объемом 2–4 л, при температуре 6-8оС. Во всех экспериментах использовали активно плавающих рачков, акклимированных не менее 1-2 суток. Для экспериментов по определению комплексного влияния пониженного содержания кислорода (3,8 мг О2/л) и гипертермии (25°С), а также влияния низкой концентрации кислорода на токсикорезистентность, рачков содержали в кислородных склянках (объемом от 100 и 500 мл) в воде с пониженным содержанием кислорода или в растворе CdCl2 (15 мг/л). Содержание кислорода в условиях аэрации составляло 10,5 мг/л. Воду с пониженным содержанием кислорода готовили нагреванием до 90°С в вакууме (4 часа). Затем охлаждали до 25 или 6°С, в зависимости от проводимого эксперимента. Определение содержания кислорода в воде проводили по методу Винклера. Замену воды проводили каждые 3 ч. Рачков помещали по одному в склянку, через каждый час подсчитывали количество умерших и живых особей. В экспериментах по изучению влияния гипоксии на содержание лактата в гемолимфе и недифференцированных тканях, а также содержания ацетона, ацетоуксусной кислоты, -оксимасляной кислоты, сукцината, активности пероксидазы и белкового состава, амфипод экспонировали в условиях гипоксии в течение 1-6 ч при температуре эксперимента 7–8°С. Затем рачков фиксировали, а часть повторно помещали в условия аэрации на 3 ч.

Фиксация материала. 1) Для определения содержания лактата в гемолимфе у рачков отбирали пробы и фиксировали их заморозкой при -20°С. 2) Для определения концентрации лактата, ацетона, ацетоуксусной кислоты, -оксимасляной кислоты и сукцината амфипод фиксировали кипятком. После материал высушивали в течение 1 ч при 100°С, затем растирали. Из 100-150 мг порошка 1 мл воды экстрагировали фракцию растворимых веществ. После центрифугирования и обработки хлороформом водную фракцию использовали для определения продуктов анаэробиоза методами спектрофотометриии и ЯМР-спектроскопии. 3) Для определения активности пероксидазы и оценки белкового состава пробы замораживали жидким азотом.

Спектрофотометрическое определение концентрации лактата. Измерение содержания лактата проводили энзиматическим спектрофотометрическим методом с помощью стандарт-набора согласно протоколу фирмы производителя (Vital diagnostic, СПб). Количественный расчет лактата проводили в мкг/мг сухого вещества (с.в.). Анализ выполняли на спектрофотометре UNICO 1200.

Спектрофотометрическое определение пероксидазной активности. Пероксидазную активность (выраженную в нкат/мг белка) измеряли, используя в качестве субстрата гваякол (Bergmeyer, 1983; Drotar et al., 1985).

ЯМР-спектроскопия. Определение содержания ацетона, ацетоуксусной кислоты, -оксимасляной кислоты и сукцината в тканях амфипод проводили методом ЯМР-спектроскопии. Методика основана на измерении интегральных интенсивностей сигналов спектров ядерного магнитного резонанса (ЯМР) на ядрах 13С образцов анализируемых проб. Анализ образцов был проведён на ЯМР-спектрометре «Varian VXR-500S». Количественный расчет содержания ацетона, ацетоуксусной кислоты, -оксимасляной кислоты и сукцината проводили в мкг/мг с.в. (Бюнтер, 1984; Хаусер, Кальбитцер, 1993.).

Определение специфики синтеза белков проводили с помощью метода денатурирующего электрофореза в ПААГ с ДДС-Na. Предварительно выделяли суммарный белок из недифференцированных тканей амфипод и определяли его концентрацию по методу Лоури (Lowry et al., 1951). Электрофорез проводили в блоках полиакриламидного геля размером 70x80x1 мм в модифицированной системе Лэммли (Laemli, 1970), используя прибор для электрофореза Mini-PROTEAN II Electrophoretic Cell фирмы BIO RAD (США). После окончания электрофореза гели окрашивали в водном растворе, содержащем 0,1% Кумасси R–250 (Sigma, США), 25% изопропанола, 10% уксусной кислоты. Для обесцвечивания фона гели переносили в 10 % раствор уксусной кислоты и отмывали в течение нескольких часов (Побежимова и др., 2004).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Влияние пониженного содержания кислорода на терморезистентные способности амфипод. Оценку терморезистентных способностей амфипод при разных уровнях содержания кислорода проводили у байкальских E.verrucosus, E. vittatus, E. cyaneus и палеарктического G. lacustris. Для всех исследованных видов отмечены различия в показателях смертности. При пониженном содержании кислорода в условиях гипертермии смертность 50% особей отмечается: у E. verrucosus между 2 и 3 ч, у E. vittatus между 4 и 5 ч, у E. cyaneus между 7 и 8 ч, у G.lacustris между 11 и 12 ч эксперимента. Смертность 100% особей в данных условиях отмечена у E. verrucosus к 7 ч, для E. vittatus к 10 ч, для E. cyaneus и G. lacustris к 24 ч экспонирования. В условиях нормального насыщения воды кислородам при гипертермии 50% смертность у E. verrucosus отмечена между 7 и 8 ч, у остальных видов в данных условиях в течение 24 ч эксперимента гибели особей не отмечено. В течение 24 ч содержания в условиях гипертермии при нормальной концентрации кислорода погибает около 95% особей E. verrucosus. Сравнивая показатели терморезистентности можно отметить, что в условиях гипертермии и гипоксии смертность особей всех исследованных видов выше, чем при интенсивной аэрации. Из исследованных видов по отношению к влиянию гипоксии на термоустойчивость самым резистентным оказался палеарктический G. lacustris. Чувствительность байкальских видов к гипертермии при сниженном содержании кислорода в воде оказалась выше, чем у палеарктического G. lacustris. Наиболее устойчивым среди байкальских видов оказался E. cyaneus, следующим в ряду устойчивости к совместному действию пониженного содержания кислорода и гипертермии был E. vittatus, наименее устойчивым оказался E. verrucosus.

Влияние пониженного содержания кислорода на токсикорезистентные способности амфипод. Для оценки токсикорезистентности амфипод при разных уровнях содержания кислорода использовали E. vittatus, E. cyaneus и палеарктического G. lacustris. Контрольные группы содержались в растворе CdCl2 при постоянной аэрации. Рабочие группы содержались в растворе CdCl2 в условиях пониженного насыщения воды кислородом. Из исследованных видов самым резистентным оказался байкальский E. vittatus – гибель 50% особей которого наблюдалась к 7 ч экспонирования, 100% смертность отмечена к 36 ч. Для E. cyaneus характерна 50% гибель между 5 и 6 ч эксперимента, 100% гибнут за 24 ч. У G. lacustris 50% показатель летальности отмечается между 6 и 7 ч экспозиции, 100% особей данного вида гибнут в течение 11 ч. В условиях аэрации 50% особей E. vittatus погибает между 12 и 24 ч, за 36 ч в данных условиях погибало 98% рачков. У E. cyaneus отмечаются похожие показатели гибели 50%: между 12 и 24 ч, а 100% особей погибают к 36 ч экспонирования. Для палеарктического G. lacustris в условиях аэрации смертность 50% происходила к 8 ч, 100% погибали к 12 ч.

Активность антиоксидантной системы в условиях пониженной концентрации кислорода у амфипод. Для оценки пероксидазной активности у амфипод в условиях гипоксии использовали байкальские виды: E. verrucosus, E. cyaneus, O. flavus, O. albinus и палеарктический вид G. lacustris.

На рис. 1. представлены результаты измерения активности пероксидазы у амфипод, экспонированых в условиях гипоксии. Контрольная группа содержалась в условиях аэрации. Как следует из представленных данных, изученные виды амфипод имеют существенные отличия показателей пероксидазной активности.

У G. lacustris показатели активности пероксидазы в ходе эксперимента достоверно не изменялись и оставались на уровне близком к контрольному. У E. cyaneus и E. verrucosus в условиях пониженного содержания кислорода отмечалась тенденция к снижению активности фермента. При экспонировании O. albinus и O. flavus в условиях гипоксии отмечался рост показателя пероксидазной активности.

Влияние пониженной концентрации кислорода на качественный состав и количественное содержание белков. Проводили определение влияния гипоксии на содержание белков у байкальских амфипод: E. verrucosus, E. vittatus, G. fasciatus и палеарктического G. lacustris. На рис. 2 приведены электрофореграммы белков амфипод в контроле, под воздействием пониженного содержания кислорода и при возвращении к нормоксии после 6-ти часов экспонирования при сниженной концентрации кислорода. У E. verrucosus по сравнению с контролем отмечается снижение содержания белка с молекулярной массой 97 кДа к 6 ч экспозиции, в течение 3 ч аэрации содержание данного белка остается ниже контрольного уровня. Через 1 ч экспозиции наблюдается более выраженное по сравнению с контролем содержание белка с молекулярной массой 85 кДа, далее по ходу эксперимента уровень синтеза данного белка снижается, достигая своего минимума к 6 ч, при возвращении к аэрации отмечается повышение экспрессии данного белка. Для белка с молекулярной массой 66 кДа характерно его отсутствие при экспозиции амфипод в условиях гипоксии. При возобновлении аэрации отмечается его появление. Наблюдается снижение синтеза белка с молекулярной массой 45 кДа после 6 ч экспозиции в условиях пониженного содержания кислорода и через 3 ч после возобновления аэрации. У E. vittatus наблюдаются различия в содержании ряда белков в течение эксперимента по сравнению с контролем. Через 1 ч эксперимента наблюдается редукция синтеза белка с молекулярной массой 66 кДа в течение всего эксперимента, а также индукция синтеза белка с молекулярной массой 85 кДа. Через 3 ч экспозиции в условиях пониженного содержания кислорода концентрация белка с массой 85 кДа увеличивается, а к 6 ч снижается. Через 3 ч содержания в условиях аэрации экспрессия белка с массой 85 кДа увеличивается. Отмечено постепенное снижение содержания белков с молекулярной массой 38 кДа. У G. fasciatus существенные изменения в содержании белков отмечены для группы с молекулярной массой 38 кДа: в ходе эксперимента для данной группы белков отмечается уменьшение синтеза по сравнению с контролем. У G. lacustris наблюдается пониженное содержание белков с молекулярной массой 97 и 66 кДа в течение эксперимента.

На основании полученных данных можно заключить, что гипоксия оказывает влияние на характер метаболизма белков у всех исследованных видов. Наблюдается синтез новых групп белков, а также снижение синтеза ряда белков в ходе эксперимента. Отмечены изменения в специфике синтеза ряда белков у всех исследованных видов. Наименее выраженные изменения в составе белков отмечены у устойчивых к гипоксии видов – у байкальского G. fasciatus и палеарктического G. lacustris. Для более чувствительных к гипоксии байкальских видов E. verrucosus и E. vittatus характерны значительные изменения метаболизма белков в условиях пониженного содержания кислорода.

Активация процессов анаэробного метаболизма у амфипод в условиях пониженного содержания кислорода.

Сравнительный анализ накопления и утилизации лактата в тканях амфипод. В ходе данного этапа работы проводили анализ накопления и утилизации лактата у амфипод, находящихся в условиях гипоксии и последующий аэрации. Измерение содержания лактата проводили у байкальский видов: E. verrucosus, E. vittatus, E. cyaneus и у палеарктического G. lacustris. У E. verrucosus отмечено присутствие лактата при контрольных условиях – 0,016 (±0,007) мкг/мг с.в. В течение 1 ч экспонирования в условиях пониженного содержания кислорода, у E. verrucosus происходит более чем 13 кратное увеличение содержания лактата (до 0,212 (±0,06) мкг/мг с.в.) по сравнению с контролем, 3 ч - 27 кратное увеличение концентрации лактата (до 0,436 (±0,07) мкг/мг с.в.), после 6 ч уровень лактата достигает своего максимума - 1,225 (±0,1) мкг/мг с.в. (более чем 76 кратное увеличение). Возвращение в условия аэрации приводит к уменьшению уровня накопленного лактата у E. verrucosus на 83 % до 0,196 (±0,06) мкг/мг с.в. (более чем 6 кратное снижение). Однако даже сниженный уровень лактата 10 кратно превышает контрольный. У E. vittatus при контрольных условиях также присутствует лактат – 0,011 (±0,006) мкг/мг с.в. 1 ч экспонирования ведет к 10 кратному увеличению содержания лактата (до 0,126 (±0,01) мкг/мг с.в.). После 3 ч отмечается 24 кратное увеличение концентрации лактата (до 0,320 (±0,05) мкг/мг с.в.), а после 6 ч - 74 кратное увеличение содержания лактата (до 0,967 (±0,26) мкг/мг с.в.). При возвращении к аэрации уровень лактата уменьшается на 90 % до 0,10 (±0,02) мкг/мг с.в. (10 кратно превышает контрольный). У E. cyaneus в условиях контроля присутствует лактат - 0,009 (±0,002) мкг/мг с.в. Для E. cyaneus характерно 12 кратное увеличение концентрации лактата в течение 1 ч экспозиции (до 0,086 (±0,007) мкг/мг с.в.), в течение 3 ч - 23 кратное увеличение (до 0,206 (±0,03) мкг/мг с.в.), 6 ч экспозиция приводит к 65 кратному увеличению (до 0,60 (±0,09) мкг/мг с.в.). Возвращение к аэробиозу приводит к снижению уровня накопленного лактата у E. cyaneus на 90 % до 0,051 (±0,011) мкг/мг с.в. (5-ти кратно превышает контрольный уровень). У G. lacustris в контроле присутствует лактат - 0,010 (±0,003) мкг/мг с.в. В течение 1 ч эксперимента наблюдается 2,5 кратное увеличение содержания лактата (до 0,025 (±0,005) мкг/мг с.в.), а после 3 ч экспозиция 13 кратное увеличение (до 0,127 (±0,038) мкг/мг с.в.). Через 6 ч происходит 21 кратное увеличение концентрации лактата до 0,211 (±0,039) мкг/мг с.в. Возвращение к нормоксии вызывает уменьшение уровня накопленного лактата на 90 % до 0,016 (±0,003) мкг/мг с.в. Наблюдаемое снижение уровня лактата приближается к уровню контрольной группы и статистически от него не отличается.

Анализируя степень накопления и последующей утилизации лактата, можно заключить, что для байкальских видов амфипод характерны большие показатели степени и скорости прироста содержания лактата и медленная утилизация данного продукта. У палеарктического G. lacustris отмечена наименьшая скорость и степень увеличения содержания молочной кислоты и самая значительная скорость ее утилизации.

Сравнительный анализ накопления и утилизации молочной кислоты в гемолимфе у байкальских и палеарктических амфипод. Оценку содержания лактата в гемолимфе при экспонировании рачков в условиях гипоксии и последующий аэрации проводили у байкальского вида E. verrucosus и палеарктического G. lacustris. У E. verrucosus показаны большие значения содержания молочной кислоты во всех случаях: в контроле этот показатель составляет 0,46 (±0,07) ммоль/л, что более чем в 3 раза больше контрольного содержания лактата у G. lacustris (0,14 (±0,04) ммоль/л. В течение 1 ч эксперимента у обоих видов происходит накопление молочной кислоты, причем степень и скорость такого накопления различается у обоих видов: у E. verrucosus происходит 5,5 кратное увеличение содержания лактата (до 2,57 (±0,60) ммоль/л), у G. lacustris 2 кратное увеличение (до 0,26 (±0,04) ммоль/л). На протяжении 3 ч экспонирования в условиях пониженного содержания кислорода количество лактата продолжает расти: 11 кратное увеличение у E. verrucosus (до 5,27 (±1,0) ммоль/л), и 3 кратное у G. lacustris (до 0,45 (±0,08) ммоль/л). К 6 ч эксперимента содержание лактата достигает максимума и наблюдается 18 кратный его прирост у E. verrucosus (до 8,45 (±1,0) ммоль/л) и 4,5 кратный у G. lacustris (до 0,63 (±0,09) ммоль/л). При возвращении к нормоксии у обоих видов происходит снижение концентрации накопленного в гемолимфе лактата: у E. verrucosus отмечено уменьшение содержания лактата на 40% до 5,2 (±0,8) ммоль/л, тогда как у G. lacustris на 70 % до 0,20 (±0,05) ммоль/л. При этом у E. verrucosus сниженный уровень лактата все равно 10 кратно превышает контроль, в то время как у G. lacustris снижение происходит до контрольного уровня.

Сравнительный анализ накопления и утилизации ацетона в тканях амфипод. В ходе данного этапа работы проводили ЯМР-оценку накопления ацетона у амфипод, находящихся в условиях гипоксии и последующий аэрации. Определения проводили у двух байкальских видов: E. vittatus, E. cyaneus и палеарктического G. lacustris. Для всех исследованных видов характерно отсутствие ацетона в условиях контроля. У E. vittatus в течение 1 ч содержания в условиях гипоксии концентрация ацетона увеличивается до 0,035 (±0,003) мкг/мг с.в. К 3 ч уровень ацетона возрастает до 0,050 (±0,004) мкг/мг с.в. Через 6 ч содержание ацетона увеличивается до 0,068 (±0,006) мкг/мг с.в. В течение 3 ч аэрации после содержания в условиях гипоксии уровень ацетона снижается до 0,052 (±0,003) мкг/мг с.в. У E. cyaneus 1 ч экспонирования ведет к росту содержания ацетона до 0,023 (±0,003) мкг/мг с.в. В течение 3 ч эксперимента уровень ацетона возрастает до 0,028 (±0,004) мкг/мг с.в. Через 6 ч концентрация ацетона увеличивается до 0,037 (±0,005) мкг/мг с.в. 3 ч содержания в условиях аэрации после экспонирования в условиях гипоксии приводят к снижению уровня ацетона до 0,027 (±0,004) мкг/мг с.в. У G. lacustris в течение 1 ч эксперимента содержание ацетона увеличивается до 0,012 (±0,001) мкг/мг с.в. 3 ч экспонирования G. lacustris в условиях гипоксии приводят к накоплению ацетона до значения 0,015 (±0,001) мкг/мг с.в. К 6 ч эксперимента концентрация ацетона увеличивается до 0,019 (±0,001) мкг/мг с.в. При возвращении в условия аэрации после гипоксии содержание ацетона снижается до 0,013 (±0,001) мкг/мг с.в.

Сопоставляя полученные данные, следует сказать, что байкальские виды характеризуются более выраженной индукцией накопления ацетона в условиях пониженного содержания кислорода и меньшей скоростью его утилизации при возвращении к аэробиозу. У палеарктического G. lacustris синтез ацетона менее выражен, а скорость его утилизации выше.

Сравнительный анализ накопления и утилизации ацетоуксусной кислоты в тканях амфипод. Оценивали уровень концентрации ацетоуксусной кислоты у E. vittatus, E. cyaneus и G. lacustris в контроле, при содержании амфипод в условиях гипоксии и последующий аэрации. Для всех исследованных видов показано отсутствие данного метаболита в контрольных условиях. У E. vittatus 1 ч экспозиции в условиях гипоксии приводит к увеличению содержания ацетоуксусной кислоты до 0,072 (±0,009) мкг/мг с.в. К 3 ч концентрация ацетоуксусной кислоты возрастает до 0,130 (±0,009) мкг/мг с.в. В течение 6 ч экспонирования в условиях пониженной концентрации кислорода содержание ацетоуксусной кислоты увеличивается до 0,155 (±0,014) мкг/мг с.в. Через 3 ч возвращения к аэрации концентрация ацетоуксусной кислоты снизилась до 0,118 (±0,008) мкг/мг с.в. У E. cyaneus 1 ч экспозиции в условиях гипоксии приводит к увеличению концентрации ацетоуксусной кислоты до 0,031 (±0,006) мкг/мг с.в. В течение 3 ч эксперимента содержание ацетоуксусной кислоты увеличивается до 0,062 (±0,009) мкг/мг с.в. 6 ч экспонирования в условиях гипоксии приводят к увеличению уровня ацетоуксусной кислоты до 0,084 (±0,015) мкг/мг с.в. Через 3 ч возвращения к аэрации концентрация ацетоуксусной кислоты снизилась до 0,040 (±0,008) мкг/мг с.в. У G. lacustris экспозиция в течение 1 ч при пониженном содержании кислорода приводит к увеличению содержания ацетоуксусной кислоты до 0,022 (±0,004) мкг/мг с.в. В течение 3 ч эксперимента уровень ацетоуксусной кислоты увеличивается до 0,037 (±0,005) мкг/мг с.в. Экспонирование в течение 6 ч приводит к увеличению содержания ацетоуксусной кислоты до 0,055 (±0,005) мкг/мг с.в. Через 3 ч возвращения в условия аэрации концентрация ацетоуксусной кислоты снизилась до 0,026 (±0,003) мкг/мг с.в. Оценивая уровень содержания ацетоуксусной кислоты у E. vittatus, E. cyaneus и G. lacustris можно сделать заключение, что наибольшая степень ее прироста характерна для байкальских видов, причем для E. vittatus данные показатели выше, чем для E. cyaneus. Палеарктический G. lacustris показывает меньшую степень накопления ацетоуксусной кислоты. При возвращении в условия аэрации уровень ацетоуксусной кислоты снижается: у G. lacustris и E. cyaneus на 50%, тогда как у E. vittatus уменьшается на 25 %.

Сравнительный анализ накопления и утилизации -оксимасляной кислоты в тканях амфипод. Определение концентрации -оксимасляной кислоты проводили у E. vittatus, E. cyaneus и G. lacustris в контроле, при содержании амфипод в условиях в условиях гипоксии и последующей аэрации. У всех представляемых видов -оксимасляная кислота отсутствует в контроле. У E. vittatus в течение 1 ч экспонирования концентрация -оксимасляной кислоты увеличивается до 0,068 (±0,005) мкг/мг с.в. В течение 3 ч эксперимента уровень -оксимасляной кислоты возрастает до 0,113 (±0,042) мкг/мг с.в. 6 ч экспозиции в условиях пониженной концентрации кислорода приводит к увеличению содержания -оксимасляной кислоты до 0,182 (±0,014) мкг/мг с.в. 3-х часовое содержание в условиях аэрации после 6 ч гипоксии ведет к снижению уровня -оксимасляной кислоты до 0,126 (±0,025) мкг/мг с.в. У E. cyaneus 1 ч содержания в условиях гипоксии ведет к увеличению уровня -оксимасляной кислоты до 0,035 (±0,007) мкг/мг с.в. Через 3 ч концентрация -оксимасляной кислоты составляет 0,063 (±0,009) мкг/мг с.в. В течение 6 ч экспозиции в условиях пониженной концентрации кислорода уровень -оксимасляной кислоты достигает 0,110 (±0,018) мкг/мг с.в. 3 ч аэрации после экспонирования в условиях гипоксии приводит к снижению содержания накопленной -оксимасляной кислоты до 0,045 (±0,012) мкг/мг с.в. У G. lacustris через 1 ч экспонирования в условиях пониженного содержания кислорода концентрация -оксимасляной кислоты увеличивается до 0,014 (±0,001) мкг/мг с.в. Через 3 ч эксперимента уровень -оксимасляной кислоты составляет 0,033 (±0,004) мкг/мг с.в. В течение 6 ч экспозиции концентрация -оксимасляной кислоты возрастает до 0,070 (±0,012) мкг/мг с.в. 3 ч содержания в условиях аэрации после экспонирования в условиях гипоксии приводит к снижению -оксимасляной кислоты до 0,018 (±0,002) мкг/мг с.в. Согласно приведенным данным наибольшая степень увеличения содержания -оксимасляной кислоты отмечена для E. vittatus. E. cyaneus отличается несколько меньшими значениями, показатель для 3-х часов достоверно не отличается от E. vittatus. Наименьшая степень прироста содержания -оксимасляной кислоты, среди представленных видов, характерна для G. lacustris.

Сравнительный анализ накопления и утилизации сукцината в тканях амфипод. Анализ накопления сукцината в условиях гипоксии и последующей аэрации оценивали у двух байкальских видов: E. vittatus, E. cyaneus и палеарктического G. lacustris методом ЯМР-спектроскопии. У E. vittatus содержание сукцината в контроле составляет 0,059 (±0,008) мкг/мг с.в. В течение 1 ч экспонирования наблюдается 1,5 кратное увеличение содержания сукцината (до 0,059 (±0,008) мкг/мг с.в.). После 3 ч содержания в условиях пониженной концентрации кислорода отмечен 5 кратный рост концентрации сукцината (до 0,295 (±0,020) мкг/мг с.в.). 6 ч экспозиции в условиях пониженного содержания кислорода вызывает 8 кратное увеличение концентрации сукцината (до 0,461 (±0,026) мкг/мг с.в.). При возобновлении аэрации уровень сукцината снизился на 25 % до 0,352 (±0,015) мкг/мг с.в., что в 6 раз больше контроля. У E. cyaneus содержание сукцината в контроле составляет: 0,025 (±0,004) мкг/мг с.в. В течение 3 ч эксперимента отмечается 7 кратное увеличение концентрации сукцината (до 0,168 (±0,034) мкг/мг с.в.), 6 ч экспозиция в условиях пониженного содержания кислорода приводили к 11 кратному увеличению концентрации сукцината (до 0,262 (±0,047) мкг/мг с.в.) При возобновлении аэрации происходило снижение концентрации сукцината на 45% до 0,143 (±0,042) мкг/мг с.в., достигнутая концентрация 6-ти кратно превышает контрольную. У G. lacustris содержание сукцината в контроле составляет 0,059 (±0,002) мкг/мг с.в. В течение 1 ч экспонирования, по сравнению с контролем, отмечается 2-х кратный прирост сукцината (до 0,105 (±0,008) мкг/мг с.в.). В течение 3 ч эксперимента наблюдается 7 кратное увеличение концентрации сукцината (до 0,407 (±0,022) мкг/мг с.в.), 6 ч содержания в условиях пониженной концентрации кислорода приводит к 12 кратному увеличению содержания сукцината (до 0,723 (±0,057) мкг/мг с.в.) При возобновление аэрации уровень сукцината снижался на 58 % до 0,301 (±0,028) мкг/мг с.в., данный уровень 5-ти кратно превышает контроль. Таким образом, у всех исследованных видов отмечается наличие сукцината в контрольных условиях. Пониженное содержание кислорода вызывает накопление сукцината. Возобновление аэрации приводит к снижению уровня накопленного сукцината.

Особенности анаэробного метаболизма у байкальских и палеарктических видов амфипод.

В ходе проведенного исследования, показано, что для всех видов амфипод характерна активация анаэробного метаболизма в условиях пониженной концентрации кислорода в среде. Свидетельством активации данных процессов служит накопление таких продуктов анаэробиоза, как лактат, ацетон, ацетоуксусная и -оксимасляная кислота, а так же сукцинат. Исследованные амфиподы отличаются между собой по скорости и степени накопления и утилизации конечных продуктов анаэробного обмена. У палеарктического G. lacustris в условиях пониженной концентрации кислорода происходит ограниченное накопление лактата, ацетона, ацетоуксусной и -оксимасляной кислоты, а при переходе к нормоксии их быстрая метаболическая утилизация. Для всех исследованных байкальских видов показана более выраженная индукция анаэробного гликолиза и липолиза, а так же более низкая способность к утилизации лактата, ацетона, ацетоуксусной и -оксимасляной кислоты. Анализируя особенности анаэробного метаболизма исследованных байкальских и палеарктических видов амфипод, можно заключить, что для наиболее устойчивого к пониженному содержанию кислорода G. lacustris характерна меньшая степень использования низкоэффективных путей образования энергии - анаэробных гликолиза и липолиза, большая степень использования более эффективного – процесса анаэробного образования сукцината. Для менее устойчивых к действию пониженного содержания кислорода байкальских видов показана более выраженная индукция анаэробного гликолиза и липолиза и меньшая степень подключения процесса анаэробного образования сукцината. Различия в индукции анаэробного гликолиза и липолиза, вероятно, связаны со спецификой обитания исследованных видов и различиями в физиологических и биохимических процессах. Так G. lacustris, обитая в мелководных континентальных водоемах с изменяющимися гидрохимическими условиями, вероятно, обладает более совершенным набором механизмов резистентности к гипоксии. В то время как для байкальских видов, обитающих в условиях высокого и стабильного насыщения воды кислородом, характерно слабое развитие систем резистентности к пониженной концентрации кислорода.

ВЫВОДЫ

1. Пониженное содержание кислорода в окружающей среде вызывает снижение термо- и токсикорезистентных способностей у байкальских и палеарктического G. lacustris.

2. В условиях пониженного содержания кислорода у байкальских видов амфипод наблюдается изменение общей пероксидазной активности, в то время как у палеарктического G. lacustris ее активность остается стабильной.

3. Влияние пониженного содержания кислорода отражается на количественном содержании и качественном составе белков у исследованных видов амфипод.

4. В условиях пониженного содержания кислорода у всех исследованных амфипод происходит активация анаэробного метаболизма, включаются процессы анаэробных гликолиза, липолиза, образования сукцината.

5. Байкальские амфиподы и G. lacustris обладают способностью к утилизации продуктов анаэробного метаболизма - лактата, ацетона, ацетоуксусной кислоты, -оксимасляной кислоты и сукцината.

6. Устойчивость видов к гипоксии коррелирует со способностью к эффективной активации анаэробных механизмов и способностью утилизации их продуктов при возвращении к нормоксии.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1. Тимофеев М.А. К вопросу о существовании механизмов устойчивости к гипоксии у байкальских амфипод / М.А. Тимофеев, К.А. Кириченко, А.В. Рохин // Бюллетень ВСНЦ СО РАМН.-2003. - Т.7. - с. 152-155.

2. Тимофеев М.А. Экспериментальная оценка роли абиотических факторов в ограничении распространения эндемиков за пределы оз. Байкал, на примере амфипод / М.А. Тимофеев, К.А. Кириченко // Сибирский экологический журнал. - 2004. - Т.1. – С. 41-50.

3. Кириченко K.A. Индукция анаэробного метаболизма в ответ на снижение содержания кислорода в воде у байкальских амфипод / K.A. Кириченко, М.А. Тимофеев // Вестник Иркутского университета. Специальный выпуск. Материалы ежегодной научно-теоретической конференции молодых ученых. 2004 г. - Иркутск, 2004. - С. 13-14.

4. Кириченко К.А. Оценка влияния пониженного содержания растворенного кислорода на резистентные способности байкальских амфипод / К.А. Кириченко, Д.С. Бедулина, М.А. Тимофеев // Вестник Томского государственного университета. Сер. Естественные науки. - 2004. - №11. - С. 115-116.

5. Кириченко К.А. Индукция анаэробных процессов у байкальских эндемичных амфипод в условиях гипоксии / К.А. Кириченко, Д.С. Бедулина, М.А. Тимофеев // Вестник Томского государственного университета. Сер. Естественные науки. - 2004. - №11. - С. 116.

6. Особенности индукции анаэробных процессов у байкальских амфипод и палеарктического Gammarus lacustris в условиях гипоксии / М.А. Тимофеев, К.А. Кириченко, К.П. Чернышова и др. // Актуальные проблемы экологической физиологии, биохимии и генетики животных: Материалы. Межд. Научн. Конф. 2005 г. – Саранск, 2005. - С. 237-238.

7. Снижение терморезистентных способностей байкальской амфиподы Eulimnogammarus verrucosus при гипоксии / М.А. Тимофеев, К.А. Кириченко, К.П. Чернышова и др. // Актуальные проблемы экологической физиологии, биохимии и генетики животных: Материалы. Межд. Научн. Конф. 2005 г. – Саранск, 2005. - С. 239.

8. Кириченко К.А. Индукция анаэробных процессов при гипертермии / К.А. Кириченко, К.П. Чернышова // Вестник РГМУ. – 2005. - №3. - С. 173.

9. Тимофеев М.А. Сопоставительная оценка эффективности анаэробного метаболизма у байкальских амфипод Eulimnogammarus verrucosus, E. cyaneus и палеарктического Gammarus lacustris. / М.А. Тимофеев, К.А. Кириченко // Четвертая Верещагинская байкальская конференция: Тезисы докладов и стендовых сообщений. 26 сен. - 1 окт. 2005 г. – Иркутск, 2005. - С. 186.

10. Индукция анаэробных процессов у байкальских эндемиков Eulimnogammarus vittatus (Dyb.) и E. verrucosus (Dyb.) (AMPHIPODA, CRUSTACEA) / М.А. Тимофеев, К.А. Кириченко, А.В. Рохин и др. // Журнал стресс-физиологии и биохимии. - 2006. - Вып. 2. - № 1. – С. 56-61.

11. Активация альтернативных путей энергопродукции у байкальского эндемичного вида Eulimnogammarus vittatus (Amphipoda, Crustacea) / М.А. Тимофеев, К.А. Кириченко, Д.С. Бедулина и др. // Гидробиология водоемов юга Восточной Сибири. Биоразнообразие Байкальского региона: Труды Биолого-почвенного факультета ИГУ. - 2006. – Вып. 6. - С. 94-100.

12. Тимофеев М.А. Сравнительная оценка особенностей анаэробного метаболизма у байкальских амфипод Eulimnogammarus verrucosus (Gerstf.), E. cyaneus (Dyb.) и палеарктического Gammarus lacustris Sars. / М.А. Тимофеев, К.А. Кириченко, Д.С. Бедулина // Сибирский экологический журнал. - 2006. – Т. 6. - С. 733-739.



 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.