science-review.ru
Речной окунь Perca fluviatilis L. широко распространен в водоемах Северного и Южного полушария, встречается практически во всех регионах России. В бассейнах всех крупных рек Сибири окунь является распространённым промысловым видом, он также широко представлен в водоемах европейской части России и Уральского региона, хотя и не имеет большого промыслового значения [1–3]. При интродукции окунь легко адаптируется к новому местообитанию [1; 3], устойчив к загрязняющим веществам антропогенной природы [1], нетребователен к условиям внешней среды во время нереста. В закисленных озерах этот вид рыб зачастую является единственным представителем ихтиофауны. Окунь также относительно устойчив к низкому содержанию кислорода в воде и используется в качестве объекта аквакультуры.
В современной экологии к числу наиболее важных направлений относится изучение физиолого-биохимических механизмов устойчивости животных к неблагоприятным условиям существования. Необходимо признать, что участию ионов в метаболизме у рыб уделяется недостаточно внимания.
Цель настоящего исследования − выяснить роль уровня натриемии в высокой жизнеспособности и широком диапазоне адаптивных реакций пресноводного окуня в изменяющихся условиях среды.
Материалы и методы исследования
Исследование проведено на окуне Perca fluviatilis L. (сем. окуневые Percidae). Рыб отлавливали неводом в летний период (с середины июня до начала сентября) преимущественно в Рыбинском водохранилище, небольшая часть материала была поймана в Волгоградском водохранилище. Было изучено 29 половозрелых особей (самцы и самки). Масса окуней, выловленных в Рыбинском водохранилище − 125±4.0 г, в Волгоградском − 239±7.0 г. Забор крови у рыб осуществляли сразу после отлова, продолжительностью не более 15 мин. Кроме того, концентрацию ионов натрия в плазме крови также определяли у половозрелых особей 18 видов рыб из Рыбинского, Горьковского, Куйбышевского и Волгоградского водохранилищ. Из костистых рыб изучали представителей 5 семейств: сем. карповые Cyprinidae – серебряный карась Carassius auratus gibelio (Bloch) (n=13), линь Tinca tinca L. (n=17), лещ Abramis brama L. (n=62), плотва Rutilus rutilus L. (n=24), синец Abramis ballerus L (n=16), сазан Cyprinus carpio L. (n=12), язь Leuciscus idus L. (n=6), чехонь Pelecus cultratus L. (n=7), жерех Aspius aspius L. (n=4), густера Blicca bjoerkna L. (n=9), белоглазка Abramis sapa (n=5); сем. окуневые Percidae – судак обыкновенный Sander lucioperca L. (n=9), ёрш Acerina cernua L. (n=4), берш Sander volgensis Gmelin (n=5); сем. щуковые Esocidae – щука Esox lucius L. (n=21); сем. налимовые Lotidae – налим Lota lota L. (n=18); сем. лососевые Salmonidae – ряпушка европейская Coregonus albula (n=5). Костные ганоиды представлены одним видом из сем. осетровые Acipenseridae: стерлядь Acipenser ruthenus L. (n=18). У нескольких из перечисленных видов рыб была измерена также концентрация ионов натрия в мышцах.
Кровь отбирали из хвостовой вены после каудотомии, центрифугировали при 1800 g. Супернатант (плазму) разводили в 100 раз дистиллированной водой. Навески мышц растворяли в концентрированной азотной кислоте и разбавляли в 1000 раз дистиллированной водой. Концентрацию ионов натрия определяли с помощью пламенного фотометра Flapho-4 (Carl Zeiss, Jena, Германия) в воздушно-пропановом пламени. Результаты представлены в виде средних значений и ошибки средней. Проверку на нормальность распределения выборочных данных проводили с использованием теста Шапиро-Уилка. Достоверность различий оценивали по критерию Стьюдента при p˂0.05.
Результаты исследования и их обсуждение
Сразу после отлова концентрация Na+ в плазме крови окуня составляла 156±2 ммоль/л. По уровню натриемии окунь превосходил другие виды пресноводных рыб (рисунок); различия достоверны (p˂0.05). По литературным данным [4; 5], концентрация Na+ в плазме крови окуня находится в диапазоне 154−159.3 ммоль/л. Однако уровень натриемии у окуня может быть и выше: 177 ммоль/л [6], что наблюдалось у половозрелых особей окуня лишь в период нереста.
Уровень натриемии у ряда видов пресноводных рыб Примечание. Значения концентрации Na+ в плазме крови рыб приводятся в сравнении с таковым у окуня, принятым за 100%. Обозначения по оси ОХ: 1 − судак, 2 − щука, 3 − берш, 4 − язь, 5 − стерлядь, 6 − налим, 7 − густера, 8 − чехонь, 9 − ерш, 10 − жерех, 11 − сазан, 12 − лещ, 13 − плотва, 14 − карась, 15 − линь, 16 – синец, 17 – белоглазка,18 – ряпушка
По литературным данным, концентрация Na+ в плазме крови у некоторых из рассматриваемых в настоящей работе видов рыб, встречающихся как в Волге, так и в других пресных водоемах планеты, а также других видов пресноводных и полупроходных рыб уступает таковому у окуня. Так, изучены ещё толстолобик Hypophthalmichthys molitrix, красноперка Scardinius erithrophalmus, сом Silurus glanis, уклея Alburnus alburnus, полупроходная плотва Rutilus rutilus caspicus, радужная Salmo gairdneri и ручьевая форель Salvelinus fontinalis, золотой карась Carassius сarassius [4; 5], а также мозамбикская тиляпия (Oreochromis mossambicus), полупроходные рыбы Masu salmon, Ayu и пресноводные тропические рыбы [7; 8]. Уровень натриемии указанных видов рыб на 10–40 ммоль/л ниже, чем у окуня.
Таким образом, основываясь на собственных и литературных данных, можно заключить, что более 30 видов пресноводных и полупроходных рыб уступают окуню по уровню натриемии. При этом хищные рыбы (щука, судак, берш, налим, язь и др.) находятся ближе к окуню по значению концентрации ионов натрия в плазме крови (различия в 10–15 ммоль/л), чем мирные (карась, карп, плотва, лещ, синец, линь и др.) – на 20–30 ммоль/л. В результате концентрационный градиент по натрию между наружной (водой) и внутренней (плазмой крови) средой у окуня в 1.1–1.2 раза выше, чем у других видов пресноводных рыб.
После одинакового стрессового воздействия у окуня отмечена менее выраженная, чем у других видов рыб, гипонатриемия. Например, через сутки после отлова и транспортировки в лабораторию величина гипонатриемии у окуня равнялась 4.5%, а у щуки, леща и плотвы в аналогичных условиях составляла соответственно 7, 14 и 11%. Это может указывать на то, что ионные процессы окуня более лабильны, а скорость восстановления ионных параметров выше, чем у других пресноводных рыб.
Сразу после отлова концентрация ионов натрия в мышцах окуня равнялась 23.5±1.7 ммоль/л. Значения концентрации ионов натрия в скелетной мышечной ткани у многих пресноводных рыб близки, например у щуки, плотвы и леща составляли соответственно 22.5±1.6, 22.9±1.3, 24.3±1.4 ммоль/л, т.е. сходны с таковой у окуня. Полученные данные указывают на более высокий концентрационный (и электрохимический) градиент по Na+ на клеточной мембране скелетных мышц у окуня, чем других видов рыб. Можно предположить аналогичные соотношения и для других тканей.
Общеизвестно, что натрий-зависимые системы котранспорта на мембране клеток у животных обеспечивают потребность клетки в различных веществах. Таким образом, ионные концентрационные градиенты на мембране клеток (эпителиальных, хрящевых, мозговых и других) можно рассматривать как резервуары свободной энергии, используемой в различных физиологических процессах, а также как механизм поддержания устойчивой неравновесности организма рыб в качестве живой системы.
Таким образом, полученные данные позволяют говорить о большей неравновесности организма окуня как живой системы и о более высоком энергетическом и, следовательно, жизненном потенциале окуня по сравнению с другими представителями пресноводных рыб. Известна повышенная в сравнении с другими видами пресноводных рыб способность окуня к утилизации и ресинтезу АТФ, сходная с таковой у агрессивных инвазионных видов: бычка песочника Neogobius fluviatilis и бычка кругляка N. melanostomus [1]. Рыбы семейства бычковые Gobidae, ранее обитавшие только в устье Днепра, расселились по всему его бассейну, а также активно заселяют многие пресноводные водоемы Европы и Северной Америки. Известно, что у вселенцев высокий уровень натрия в плазме крови (не менее 154 ммоль/л), высок он и соизмерим с таковым у окуня и у проходных видов рыб, много энергии расходующих на миграцию (155.4−170 ммоль/л) [4]. Вероятно, по такому же принципу можно объяснить различия в уровне натриемии между хищными пресноводными и мирными рыбами: первые обладают более высокой энергетикой и, следовательно, имеют более высокое содержание натрия во внутренней среде.
Ранее [9] показаны изменения в системе водно-солевого равновесия у рыб при стрессе, вызываемом стрессорами разного качества и количества, и обоснована ведущая роль концентрационных градиентов Na+ на мембране клеток в энергетике организма рыб при стрессе. Показано, что у рыб и высших позвоночных животных гипонатриемия свидетельствует о неблагополучии организма (патологический стресс или дистресс). При этом существует прямая зависимость между величинами гипонатриемии и неблагополучия. При физиологическом стрессе (или эустрессе), когда происходит повышение устойчивости организма к неблагоприятным факторам и усиление анаболических процессов, отклонения в плазме крови направлены в сторону повышения концентрационных градиентов Na+ на клеточной мембране. Таким образом, и с данных позиций высокий уровень натриемии у окуня является показателем его высокой энергетики.
Хотя окунь превосходит всех пресноводных рыб по уровню натриемии, но в пределах одного вида (как окуня, так и других) возможны некоторые отличия в значениях концентрации Na+ в плазме крови рыб, приводимых разными авторами. Основная причина здесь заключается в том, что уровень натриемии у животных зависит от состояния животного, а поимка, тем более транспортировка являются стрессорами. Отлов в зависимости от его силы и продолжительности, а также возраста рыб, температуры воды мог вызывать как физиологический, так и патологический стресс [9]. В наших опытах условия взятия крови унифицированы и стресс сведен к минимуму: кратковременный отлов и немедленное взятие крови у половозрелых особей при одинаковой или близкой температуре воды. Из литературных источников об условиях взятия проб крови у рыб иногда многое остается неясным. Можно предположить, что одна из причин особенно высокого уровня натриемии у ювенильных особей окуня в работе иностранных исследователей [6] могла быть связана со стрессовыми манипуляциями. У проходных осетровых (русского осетра Acipenser guldenstadti и севрюги A. stellatus) в пресной воде концентрация ионов натрия во внутренней среде ниже, чем у окуня: 121–129 ммоль/л [4]. У осетровых, возможно, это связано со стрессовым влиянием как отлова, так и длительной (несколько часов без воды) транспортировки крупных особей, предшествующей взятию у них крови. Однако нельзя исключить, что гипонатриемия у проходных осетровых рыб могла быть обусловлена и древним происхождением этих животных и поэтому несовершенством систем ионной регуляции, в частности жаберных ионообменных механизмов. У кижуча Oncorhynchus kisutch в пресной воде уровень натриемии не выше 110 ммоль/л [10]. У кижуча пробы крови могли быть собраны уже в предгибельном состоянии рыб, для которого характерна гипонатриемия.
Высокий уровень энергетики окуня можно рассматривать в качестве неспецифического механизма его высокой жизнеспособности, обеспечивающей успешную адаптацию при вселении в новые водоёмы и активную конкуренцию с другими видами рыб. Высокий уровень энергетики окуня позволяет ему также обладать повышенной неспецифической устойчивостью к разного рода неблагоприятным факторам, таким как выбросы промышленных предприятий и смывы с полей химических удобрений, что в конечном итоге способствует благополучному существованию этого вида рыб. У окуня выявлена более высокая по сравнению с другими видами пресноводных рыб устойчивость пищеварительных ферментов к токсикантам [11].
У окуня выявлена способность жить и размножаться в недостаточно благоприятных условиях искусственного содержания [6]. С его высоким энергетическим потенциалом может быть связана также повышенная скорость метаболических процессов. Помимо более высокой скорости в сравнении с другими рыбами восстановления натриевого гомеостаза после стресса, можно указать на более быстрый вывод продуктов распада введенных бактерий [12], что, в свою очередь, может свидетельствовать о бóльшей устойчивости этого вида к болезням.
Окунь обладает высокой устойчивостью к низкому pH воды (до pH 3.5), которая обеспечивается, главным образом, специфическими физиолого-биохимическими механизмами адаптации. К таким механизмам относятся низкая чувствительность Na+/H+ обмена через жабры к закислению воды, высокий эффект Бора и низкое сродство гемоглобина к кислороду в кислой среде [13; 14], а также высокая способность Na+/H+ обмена через мембрану эритроцитов к защелачиванию внутриклеточной среды [15]. Возможно, другие не исследованные в сравнительном аспекте буферные системы у окуня также более эффективны, чем у других рыб.
Окунь относительно устойчив к недостатку кислорода в воде: нормальная жизнедеятельность его возможна при содержании кислорода до 3 мг/л. В низких температурах воды его потребности в кислороде столь же невелики, как у карася. В данном случае также приходится говорить о специфических механизмах устойчивости к гипоксии. У окуня высокое сродство гемоглобина к кислороду, такое же, как и у устойчивых к гипоксии карася, линя, угря, сома [13; 14]. У окуня, как у устойчивых к гипоксии рыб, в эритроцитах содержится высокий уровень ионов калия. Можно предположить у окуня более высокое содержание гемоглобина в крови и лучшее обеспечение организма кислородом по сравнению с другими видами рыб на основе более высокой величины гематокрита, чем у карповых и щуки [15].
Широкое расселение окуня в водоёмах планеты обусловлено, главным образом, сознательной антропогенной интродукцией. Окунь не принадлежит к типичным инвазионным видам, он не совершает длительных миграций в поисках пищи и других благоприятных условий для существования по причине своих высоких адаптивных возможностей, которые, в свою очередь, обеспечиваются как общими, так и специфическими физиолого-биохимическими механизмами адаптации.
Заключение
Показано, что уровень натриемии у окуня значительно превышает таковой у всех известных нам по собственным и литературным данным пресноводных полупроходных видов рыб. Высокая концентрация ионов натрия в плазме крови окуня свидетельствует о повышенном энергетическом потенциале этого вида рыб и рассматривается в качестве неспецифического механизма повышения общей жизнеспособности и устойчивости к различным неблагоприятным факторам. В работе также проанализированы специфические физиолого-биохимические механизмы повышенной устойчивости окуня к низким рН среды и гипоксии.
Исследование выполнено в рамках госзадания, тема №121050500046-8.