Наумова Е.Ю. Жизненные циклы и морфология представителей рода Epischura Forbes, 1882 (Copepoda: Calanoida) // Автореф. дисс. канд. биол. наук. Иркутск, 2006. — 23 с.

Актуальность исследований. Одна из главных задач экологии – выявление и прогнозирование реакций видов на воздействия окружающей среды. Для решения этой задачи в мировой науке существуют самые разнообразные подходы и методы, как полевые, так и экспериментальные. Для выявления экологических свойств вида представляется результативным его сравнение с близкородственными видами, занимающими разные биологические ниши. Изучение разнообразия биологических характеристик таких видов полезно, помимо экологических задач, для решения спорных таксономических вопросов и филогенетических построений.

Представители рода Epischura являются хорошей моделью для изучения экологических различий близкородственных видов, поскольку обитают в различных условиях, и это должно соответствующим образом отражаться на их жизненных циклах и других биологических особенностях. В большинстве водоемов виды рода Epischura являются доминирующими или субдоминирующими формами, ценным кормовым ресурсом рыб, потребителями водорослей и бактерий; есть среди них и хищные формы.

МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ РОДА EPISCHURA И ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУР ИНТЕГУМЕНТА

Исследование органов интегумента

Проведено исследование четырех видов: E. lacustris, E. nevadensis, E. chankensis и E. baicalensis. Полученные результаты представлены в рисунках и описаниях. Для удобства сравнительного анализа количественные данные о числе и характере органов интегумента были сведены в таблицу.

У самцов всех исследованных видов структуры интегумента распределены равномерно между цефалосомой и метасомой. Для самок азиатских видов характерно большее количество чувствительных сенсилл на метасоме, чем на цефалосоме. У самок американских представителей рода больше вооружена цефалосома, что, возможно, является следствием хищного образа жизни.

Выявленные особенности структуры органов интегумента достаточно стабильны у обследованных особей и, по-видимому, имеют видовую специфику. Так, у E. chankensis слегка варьировало общее число макропор и их форма, но никогда не изменялось само их нахождение в том или ином секторе цефалосомы. У E. lacustris могла изменяться форма макропор и положение их на сегментах, но они никогда не перемещались с сегментов метасомы на цефалосому. Получены электронные фотографии цефалосомы самок E. baicalensis и по ним определено трехмерное строение чувствительных структур – макропор.

Исследование строения ротовых конечностей с применением СЭМ

• В результате проведенных исследований отмечены следующие различия видов рода:мандибулы E. chankensis имеют примитивно устроенные центральные зубцы (узкие, одновершинные). Для остальных исследованных видов рода Epischura характерны двух- и трехвершинные зубцы разной степени заостренности, со временем у E. baicalensis они преобразуются в подобие жевательных поверхностей;

• мандибулы E. lacustris, E. nevadensis несут на первом вентральном зубце хорошо выраженные одновершинные коронки, которые не отмечены нами у E. chankensis и E. baicalensis;

• на зубцах мандибул рачков летней генерации E. baicalensis ранее отмечались рудиментарные коронки, которые у ряда особей полностью исчезают (Маркевич, Цельмович, 1981). По нашим данным у рачков зимне-весенней генерации коронки отсутствовали;

• волоски на мандибулах отмечены только у E. lacustris и E. nevadensis.

Размерные характеристики видов рода Epischura

Все представители рода Epischura разделяются по размерам взрослых особей на три группы. Длина самок E. massachusettsensis 3,27-3,55 мм - это самый крупный представитель рода. Размеры остальных американских видов колеблются от 1,64 до 2,50 мм. Интерес представляет наиболее широкий диапазон изменчивости длины тела у E. nevadensis - длина тела самки 1,30-2,50 мм. Третья группа – более мелкие азиатские виды (0,75-1,66 мм). Длина тела особей зимнего и летнего поколений E. baicalensis различаются, но в целом этот вид относится к мелким представителям рода (0,86-1,68 мм). Таким образом, байкальская эпишура принадлежит к группе мелких и мало изменчивых по дефинитивному размеру видов, причем не только среди видов рода Epischura, но и среди всего семейства Temoridae (Боруцкий и др., 1991).

ПИТАНИЕ И ТРОФИЧЕСКИЙ СТАТУС ВИДОВ РОДА EPISCHURA

Epischura baicalensis

В    период    наших    исследований    (март    1999    г.)    концентрация пикоцианобактерий в верхнем 50-метровом слое воды варьировала от 50 до 200 тыс.кл./мл, т.е. была достаточной для отфильтровывания их рачками. Следует отметить, что в марте 1999 г. количество пикоцианобактерий в этом слое было в 2-3 раза больше, чем в 1998 и 2000 гг.

Исследование с использованием эпифлуоресцентного микроскопа показало, что в содержимом кишечников эпишуры под зеленым светом четко различается три типа клеток с ярко-красно-оранжевой флуоресценцией, характерной для фикоэритрин-доминантных цианобактерий: Synechocystis limnetica и два представителя рода Synechococcus Nag. Кроме пикопланктона в кишечниках всех исследованных рачков (во все три срока наблюдений весной 1999 г.) практически не были отмечены другие формы водорослей. Для всего 1999 г. характерно полное отсутствие диатомовых водорослей рода Aulacoseira в желудках эпишуры. Осенью рачками копеподитных стадий кроме пикопланктона потреблялись пеннатные диатомовые Stephanodiscus sp., Synedra sp.

В 2000 г. на протяжении всего года в желудках копеподитных стадий и взрослой эпишуры присутствовали диатомовые водоросли. Весной - это только Aulacoseira, а осенью добавляются Stephanodiscus sp., Synedra sp., Cyclotella minuta и Dictiosphaerium pulchellum (Chlorophyta). Это отразилось и на размерах частиц в пищевом комке. В потребляемой пище 24,9% частиц в марте были крупнее 4 мкм. Более мелкие частицы были представлены пикофитопланктоном.

В 2004 г. с апреля по ноябрь в пищевом спектре взрослой эпишуры в пробах, взятых в 20 км от берега у мыса Березовый (южная котловина), преобладала Cyclotella minuta, а с июля добавляется Dictiosphaerium pulchellum. Доля частиц крупнее 4 мкм в пищевом комке в апреле была 11,0%. Численная доля пикофитопланктона 69,4%. Доля частиц крупнее 8 мкм составляла 3,1%. В целом картина повторяла закономерности, полученные для 1999 года.

Максимальный размер частиц, обнаруженных нами в желудках взрослых рачков E. baicalensis, 50 мкм. В массе встречаются частицы менее 10 мкм – именно до такого размера копеподитные стадии эпишуры измельчают колонии диатомовых. Одиночные клетки Cyclotella minuta до 40 мкм заглатываются рачками целиком. Для науплиусов E. baicalensis максимальный размер потребляемых частиц – 4 мкм. По нашим данным минимальный размер зарегистрированных в кишечниках форм – 0,3 мкм у науплиусов и 0,4 мкм у взрослых рачков. У взрослых рачков 4-микронные и крупнее частички составляют значительную часть (до 17,3%) от числа пищевых частиц в желудках в разные сезоны. Сильные изменения в спектре питания в течение года, характерные для копеподитных стадий и взрослых рачков байкальской эпишуры, происходят как за счет смены мелких объектов, так и за счет включения в рацион крупных колониальных водорослей. Перестройки в пищевом спектре в течение года у рачков науплиальных стадий происходят в пределах размерного диапазона от 0,3 до 4 мкм. Причем эти вариации определяются именно сменой пищевых объектов, а не степенью обработки пищи. По-видимому, науплиусы вообще не способны измельчать крупные пищевые частицы и не могут питаться диатомовыми водорослями. Доминирование последних в фитопланктоне пелагиали может значительно ухудшать условия питания и роста молоди эпишуры.

Другие виды рода

Epischura chankensis. В литературе специальных исследований по питанию E. chankensis автору не удалось обнаружить. Высокое содержание взвеси и бактериопланктона в воде озера Ханка позволяет предположить, что кроме растительного планктона рачки потребляют детрит и бактерий. Обнаруженные нами частицы представляли в основном детрит. Доля диатомовых водорослей была незначительна. Минимальный размер потребляемых частиц 0,3 мкм, максимальный – 10 мкм. Этот диапазон практически не менялся в зависимости от сезона.

Epischura lacustris. На протяжении всей жизни E. lacustris питается фитопланктоном и, начиная с третьей копеподитной стадии, потребляет зоопланктон. В результате наших исследований установлено, что минимальный размер частиц, потребляемых взрослой E. lacustris - 0,4 мкм, максимальный – 24,8 мкм. При этом у самок и самцов эти пределы практически совпадают, но количество частиц в каждом размерном классе отличается. Пищевые комки состояли из нанопланктона (предположительно Chlorophyta) и небольшого количества отдельных клеток диатомовых.

Общий размерный спектр. Нами показано, что частицы размером до 2 мкм, представленные в основном синезелеными водорослями, составляют важную часть питания независимо от сезона и возраста E. baicalensis. Науплиусы не потребляют в значительных количествах пищевые частицы менее 1 мкм, что связано с особенностями строения и функционирования зачаточных (личиночных) пищевых органов. Можно считать, что для эпишуры доказана возможность потреблять пикоцианобактерий в качестве основной формы в пищевом спектре в периоды их массового развития. E. baicalensis – более тонкий фильтратор по сравнению с E.chankensis и E.lacustris.

СТРАТЕГИИ ЖИЗНЕННЫХ ЦИКЛОВ ВИДОВ РОДА EPISCHURA

Epischura baicalensis в озере Байкал

По нашему мнению, оставалось неясно, почему байкальская эпишура, как наиболее мелкий вид рода, развивается крайне медленно (даже с учетом низких температур), имея по оценкам предыдущих исследователей всего две генерации в течение года.

Для уточнения параметров жизненного цикла эпишуры нами были исследованы возрастные стадии с коротким периодом развития или жизни, прежде всего, орто- и метанауплиусы, а также самцы. При этом мы старались проследить в популяционной динамике движение «пиков» численности и других стадий для того, чтобы установить продолжительность их развития in vivo. Отдельно проведено исследование стадии яйца.

Численность и вертикальное распределение яиц. По всем имеющимся данным, включая специально отобранные нами, распределение яиц в толще воды имеет следующий характер. Зафиксированная сетью Джеди численность яиц в слое воды 0-1400 м колеблется от 1 до 250 тыс.экз./м2. При этом, на срединных станциях котловин озера во все сезоны численность яиц ниже, чем на более прибрежных. Большую часть года яйца концентрируются в слоях глубже 250 м. Общее увеличение численности яиц в толще воды наблюдается в феврале, мае-июне и августе. Осенью и в подледный период (март-май) возможны два максимума в вертикальном распределении – в поверхностном 100-метровом слое и в глубинном (300-600 м), между ними количество яиц в толще воды снижается. Глубже 800 м количество яиц резко уменьшается. В летний сезон (июль-сентябрь) поверхностный максимум наблюдается   значительно   реже,   глубинный   –   стабильно.   Могут   быть кратковременные периоды полного отсутствия яиц во всей толще воды.

Важным обстоятельством является практически постоянное наличие в течение года яиц в слоях 300-600 м. Мы предположили, что помимо вынашиваемых самкой яиц в толще воды могут быть яйца покоящиеся. Для проверки этого предположения яйца из глубинной зоны (500-600 м) и яйца из яйцевого мешка самки (март 2005 года) были изучены под СЭМ. В результате было установлено, что яйца, которые еще находятся в яйцевом мешке и единичные экземпляры яиц из глубинной пробы, имели гладкую поверхность; у свободноплавающих яиц обнаружена утолщенная и скульптурированная оболочка.

Численность и вертикальное распределение науплиусов 1 стадии.Наши данные с применением более мелкоячеистой сети Джеди (1998, 2000, 2003, 2005 гг.) дают следующую новую информацию: численность науплиусов оказалась выше, чем указывалось ранее, и варьировала для слоя 0-250 м от 100 до 1500 тыс.экз./м2. При использовании данных только для слоя 0-250 м недоучет науплиусов первой стадии в глубинных слоях может достигать 20-25% от общей их численности в слое 0-1400 м. В 2000 г. была обнаружена известная для эпишуры «депрессия численности» науплиусов, т.е. ее резкое снижение в период весеннего массового размножения эпишуры. Облов 1400-метровой толщи вод 100-метровыми горизонтами показал, что науплиусы первой стадии регистрируются в основном в верхних 500 м, ниже их численность резко снижается (нижней границей их присутствия является предположительно 800 м). В летний период хорошо выражены два максимума численности ортонауплиусов в поверхностной и глубинной водных массах (0-100 и 250-500 м); в осенне-зимний период эти максимумы четко не выражены. Эти данные не согласуются с выводом Э.Л. Афанасьевой (1977) о преимущественном вылуплении науплиусов в слое воды 250-1400 м.

Количество генераций байкальской эпишуры и ее взаимоотношения с диатомовыми водорослями. Проблема влияния на пелагическое сообщество озера Байкал высокопродуктивных лет с биомассой весенних водорослей более 1 г/м3, имеет давнюю историю. Такие годы получили название «мелозирных лет» (по доминирующему вкладу в численность и биомассу видов рода Melosira, в настоящее время отнесённых к роду Aulacoseira). Для байкальской эпишуры, как и для многих морских видов каланоид, характерны сложные взаимоотношения с водорослями. Межгодовая динамика численности байкальской эпишуры во многом связана с ритмами развития диатомовых водорослей рода Aulacoseira. В годы высокой численности диатомовых водорослей этого рода и в местах (слоях) их скоплений численность эпишуры резко снижается (Атлас…, 1995). Возможной причиной этого (помимо прочего) может быть т.н. негативный материнский эффект, ранее отмечавшийся лишь для морских сообществ (Miralto et al., 1999; и др.).

По данным 1998 и 2000 гг. численность летнего комплекса водорослей практически не отличалась. Весенний комплекс различался резко как по составу, так и по численности. В 1998 г. максимум численности водорослей (с минимальным вкладом диатомовых рода Aulacoseira) приходился на май и достигал 300 тыс.кл./л; преобладали мелкие формы Cryptophyta и Chlorophyta, из диатомовых – Synedra acus. В 2000 г. нарастание численности диатомовых, в основном видов рода Aulacoseira, началось уже в марте и в течение периода интенсивной вегетации (март-май) их средняя численность превышала таковую в 1998 г. на 4 порядка (375,0 и 0,2 тыс.кл./л соответственно); максимальная численность диатомовых этого рода (470 тыс.кл./л) зарегистрирована в марте-апреле (Naumova et al., 2006).

В 2000 г., как и в другие «мелозирные» годы, нами были отмечены два отчетливых пика численности ортонауплиусов эпишуры весной и осенью (рис.5). Другие возрастные стадии в целом также образовывали два подъема численности. В то же время в «немелозирном» 1998 г. отчетливо просматривается четыре пика численности ортонауплиусов, поскольку к весеннему (подледному) и осеннему (перед ледоставом) прибавились еще два максимума размножения (июнь и сентябрь). Четыре пика численности ортонауплиусов в течение года вполне определено указывают на, по меньшей мере, вдвое более короткий срок развития этого вида, в сравнении с известным из литературы.

Анализ жизненного цикла эпишуры по максимумам массового появления ортонауплиусов и наличие покоящихся яиц позволяет предположить следующие сроки развития популяции. Подледный максимум размножения (начинается, по-видимому, в январе, но по имеющимся пробам выявляется с февраля). Низкая численность перезимовавших самок позволяет предположить, что этот выход науплиусов, возможно, происходит из покоящихся яиц, отложенных еще в ноябре-декабре. Весенний пик наблюдается через три месяца после подледного и приходится на май или июнь. Следует отметить, что температура воды в слое обитания науплиусов подледного и весеннего пиков (0-200 м) практически одинакова - 3,63 0С. Летний пик размножения ясно выражен в 1998 г. и проявляется также через три месяца после предыдущего. Последний осенний пик размножения в «немелозирном» 1998 г. был отмечен два месяца спустя после летнего. Ускорение развития эпишуры могло быть связано с более высоким прогревом зоны обитания молоди (средняя температура воды в слое 25 -150 м была 4,99 0С), и, возможно, с эффектом уменьшения длины дня.

Отсутствие самцов в декабре-феврале служит дополнительным доводом в пользу пост-диапаузной природы подледного максимума молоди в структуре популяции. Пики развития других возрастных стадий позволяют считать, что длительность развития одной генерации эпишуры ближе к трем нежели к шести месяцам. При сроках метаморфоза три месяца, байкальский вид вполне укладывается в рамки известные для пресноводных ракообразных в целом, и наиболее близок к холодноводным видам копепод (Иванова, 1978). Несмотря на невысокую численность самцов, в июне 2000 г. численность самок с уже прикрепленными сперматофорами была выше чем в 1998 г., и можно было бы, как обычно, ожидать массового появления ортонауплиусов. Однако в июне-августе 2000 г. «волна численности» ортонауплиусов не проявляется вообще (данные за сентябрь, к сожалению, отсутствуют), уровень их численности на порядок ниже, чем в 1998 г.; это же касается метанауплиусов, а затем и копеподитов. Тем не менее, к октябрю 2000 г. численность половозрелых рачков «депрессирующей» летне-осенней генерации оказывается не намного ниже таковых в 1998 г., и эти рачки обеспечивают хорошо выраженную осеннюю волну численности ортонауплиусов. Ранее отмечалось, что это происходит, вероятно, за счет увеличения плодовитости эпишуры (Мельник, 1979).

Детальный анализ возрастной структуры рачка показывает, что и в «мелозирные» годы, в летнее время на фоне общей низкой численности популяции отмечается появление самцов, что указывает на завершение предыдущего цикла.

Данные о соотношении живых и мертвых рачков показывают следующее. В 2000 г. в течение периода активной вегетации водорослей р. Aulacoseira (март-май) в слое ее максимальной концентрации 0-50 м происходит их массовая гибель, особенно науплиусов (до 80%). Наличие мертвых рачков в водной толще – явление обычное, однако ситуация 2000 г. имеет экстремальный характер. Так, в марте-июне 2001 г., когда средняя за период вегетации численность водорослей р. Aulacoseira в слое 0-50 м не превышала 30 тыс.кл./л, доля мертвых рачков была намного меньше (до 20%).

Интересным является факт различия числа циклов эпишуры в «мелозирные» и «немелозирные» годы (Рис.6). Статистический анализ имеющихся данных между числом клеток рода Aulacoseira в литре и числом пиков молоди эпишуры в году по Спирмэну установил достоверную отрицательную связь числа пиков развития эпишуры с обилием этих водорослей (Z=- 0,545).

Epischura chankensis

Самый многочисленный вид в озере Ханка. В толще воды присутствует в течение всего года. В этом водоеме вид имеет в течение года один-два пика численности и считается, что, также как и байкальский вид, имеет две генерации. Специального исследования жизненного цикла E. chankensis, а также учета численности отдельных возрастных стадий автору в литературе обнаружить не удалось.

Полученные нами данные подтверждают, что массовое размножение эпишуры происходит в феврале-марте, потом наблюдалось незначительное снижение численности науплиусов в апреле. В мае и июне количество личинок эпишуры возрастает. В остальные месяцы эпишура представлена в основном копеподитными стадиями. В августе вместе с взрослыми рачками в планктоне обнаруживалось некоторое количество яиц. Очевидно, что в 1936 г. не наблюдалось августовского пика размножения и, тем не менее, в феврале 1937 г. при невысоком количестве взрослых рачков в планктоне появились науплиусы в значительном количестве. Таким образом, можно предположить, что у E. chankensis количество успешных генераций в течение года также может меняться, как и у других близких видов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение стратегий жизненных циклов позволяет реально понять адаптивные механизмы, отвечающие за успех вида в биотопе. Род Epischura, благодаря тому, что его представители заселили разнообразные водоемы, включая уникальное древнее озеро Байкал, является хорошим объектом для подобных исследований. Сильные морфологические различия у видов рода Epischura , то, что они фактически могут напрямую участвовать в микробиальной петле и, благодаря диапаузе, пластично изменять жизненный цикл, открывает новые стороны в биологии этих видов.