Влияние длительной холодовой и тепловой акклимации на неспецифический стресс-ответ и энергетический метаболизм байкальских эндемичных и голарктических амфипод тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.10, кандидат наук Верещагина Ксения Петровна

• Верещагина Ксения Петровна
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Верещагина Ксения Петровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Температура как лимитирующий фактор среды

1.2 Адаптации гидробиоитов к изменению температурного режима

1.3 Холодоустойчивость беспозвоночных

1.3.1. Постановка проблемы исследования вопроса холодоустойчивости

1.3.2 Понятие холодоустойчивости. Стратегии и адаптации

1.4 Неспецифические механизмы стресс-адаптации

1.4.1 Антиоксидантная система как ключевой механизм неспецифической клеточной стресс-резистентности

1.5 Энергетический метаболизм гидробионтов в условиях стресса

1.5.1 Основы энергетического баланса живых организмов

1.5.2 Энергетика и регуляция метаболизма ракообразных

1.6 Озеро Байкал и изменения климата. Феномен несмешиваемости фаун

2 ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Объект исследования

2.1.1 Систематика и экология изучаемых видов

2.1.2 Известные показатели терморезистентности и термопреференции изучаемых видов

2.1.3 Методика сбора и содержания исследуемых видов амфипод

2.2 Методы постановки и проведения экспериментов

2.2.1 Длительная акклимация амфипод при температурах, отличных от предпочитаемых температур исследуемых видов

2.2.2. Длительная акклимация амфипод при температурах, отличных от среднегодовой температуры литорали озера Байкал

2.3 Методы биохимического анализа

2.3.1 Определение активности ферментов антиоксидантной системы и лактатдегидрогеназы

2.3.1.1 Выделение и пробоподготовка образцов

2.3.1.2 Определение активности каталазы

2.3.1.3 Определение активности пероксидазы

2.3.1.4 Определение активности глутатион Б-трансферазы

2.3.1.5 Определение активности лактатдегидрогеназы

2.3.1.6 Определение концентрации общего белка по методу М. Бредфорд

2.3.2 Определение содержания энергетических метаболитов

2.3.2.1 Выделение метаболитов и пробоподготовка

2.3.2.2 Определение содержания лактата

2.3.2.3 Определение содержания глюкозы и гликогена

2.3.2.4 Определение содержания аденозинтрифосфорной кислоты

2.3.3 Определение активности ферментов аэробного метаболизма

2.3.3.1 Выделение и подготовка образцов

2.3.3.2 Определение активности цитратсинтазы и цитохромоксидазы

2.4 Обсчет и статистическая обработка данных

3 РЕЗУЛЬТАТЫ

3.1 Оценка выживаемости байкальских и голарктических амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.2 Оценка выживаемости байкальских и голарктических амфипод в условиях длительной

акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал 63 3.3 Оценка неспецифического стресс-ответа по показателям изменения активности ферментов

антиоксидантной системы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.3.1 Оценка активности пероксидазы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.3.2 Оценка активности каталазы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.3.3 Оценка активности глутатион S-тpaнcфepaзы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.4 Оценка неспецифического стресс-ответа по показателям изменения компонентов антиоксидантной системы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал

3.4.1 Оценка активности пероксидазы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал

3.4.2 Оценка активности каталазы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал

3.4.3 Оценка активности глутатион S-тpaнcфepaзы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал

3.5 Оценка аэробного и анаэробного энергетического метаболизма у амфипод в условиях

длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.5.1 Оценка содержания глюкозы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.5.2 Оценка содержания гликогена у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.5.3 Оценка содержания АТФ у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.5.4 Оценка активности цитохромоксидазы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.5.5 Оценка активности цитратсинтазы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.5.6 Оценка содержания лактата у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.5.7 Оценка активности лактатдегидрогеназы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых

3.6 Оценка аэробного и анаэробного энергетического метаболизма у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал

3.6.1 Оценка активности цитохромоксидазы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал

3.6.2 Оценка активности цитратсинтазы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал

3.6.3 Оценка содержания лактата у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры

литорали оз. Байкал

3.6.4 Оценка активности лактатдегидрогеназы у амфипод в условиях длительной акклимации к температурам, отличным от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал

ОБСУЖДЕНИЕ

ВЫВОДЫ

Список используемых сокращений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние длительной холодовой и тепловой акклимации на неспецифический стресс-ответ и энергетический метаболизм байкальских эндемичных и голарктических амфипод»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Температура является одним из важнейших факторов окружающей среды, который влияет на все водные организмы. Изменения температуры среды обитания могут происходить в широких временных рамках - от ежедневных периодических циклов до крупномасштабных флуктуаций в течение многих лет, вызванных климатическими изменениями (РогЭпег еЭ а1., 2006; Fokina et al., 2015).

Большинство пресноводных организмов являются пойкилотермными. Температура их тела и процессы метаболизма напрямую зависят от температуры окружающей среды. Данная зависимость делает организмы чрезвычайно чувствительными к одному из важнейших эффектов изменения климата -повышенной изменчивости температурного режима ^сИеППег еЭ а1., 2001; РогЭпег еЭ в1., 2006).

Виды с более пластичными механизмами адаптации к стрессовым условиям способны вытеснять менее адаптированные виды, и поэтому изменения окружающей среды могут предоставлять для первых дополнительные конкурентные преимущества (Курашов и др., 2012). В связи с этим, инвазивные виды могут активно вытеснять популяции аборигенных видов, особенно в регионах, которые подвержены существенной антропогенной нагрузке (Гладышев, Москвичева, 2002; Gгаbowski еЭ а1., 2007). Это может приводить к значительному сдвигу в соотношении видов и критическим последствиям для водных экосистем ^сЬе£Пег еЭ а1., 2001). Наиболее распространенная пресноводная фауна обычно представлена космополитными видами с широкими пределами толерантности и высокой фенотипической пластичностью. Напротив, экосистемы древних водоемов в большинстве своем населены высокоспециализированными видами, зачастую являющимися эндемиками (А1ЬгесИЭ еЭ а1., 2013). Эндемичные виды узко адаптированы к специфическим условиям окружающей среды обитания. Такие виды особенно чувствительны к негативным эффектам изменений климата (Тимофеев, 2010). Исследования физиологических механизмов формирования

устойчивости к температуре критически важны для понимания и предсказания влияния глобальных климатических изменений на экосистемы (Немова и др., 2014; РогЭпег, 2008; 8око1ояа еЭ а1., 2012).

Озеро Байкал является одним из ярких примеров древнейших озер с разнообразнейшей и в то же время потенциально уязвимой флорой и фауной, которая может быть подвержена влиянию климатических изменений. Возраст озера насчитывает 25-30 миллионов лет ^отапояа еЭ а1., 2016). Байкал характеризуется высоким биоразнообразием (около 2595 видов животных), большой долей эндемичных видов (порядка 80%), а также считается одним из самых известных и важных центров видообразования среди пресноводных экосистем (Тимошкин и др., 2004). Байкальские организмы эволюционировали в течение долгого времени в условиях относительно низких температур, высокого уровня кислорода и минимальной антропогенной нагрузки. Благодаря этому в озере сформировалась высокоспециализированная фауна и флора. Сообщество Байкала характеризуется уникальным свойством, названным феноменом несмешиваемости. Несмешиваемость отражает длительную эволюционную историю фауны, изолированную от других водоемов, и характеризуется ограничением проникновения голарктических и палеарктических видов в озеро Байкал, а также ограничивает распространение байкальских видов за пределы озера (Тимошкин, 2001). Предполагается, что в связи с длительным изолированным процессом эволюции озера у байкальских видов сформировались высокоспециализированные механизмы адаптации к окружающей среде. Такие механизмы позволили им эффективно сдерживать конкуренцию голарктических видов, которые хоть и являются убиквистами, но в то же время менее приспособлены именно к байкальским условиям. Изменения климата могут повлечь за собой изменение температурного режима водоема, и, как следствие, стать причиной размытия барьера несмешиваемости. Это может привести к усилению интродукции голарктических видов в озеро Байкал, особенно обладающих высоким уровнем резистентности к критическим температурам.

Таким образом, целью исследования являлось изучение адаптивного

потенциала байкальских эндемичных амфипод видов Eulimnogammarus verrucosus (Gerstfeld, 1858) и Eulimnogammarus cyaneus (Dybowsky, 1874), а также потенциального вида-вселенца Gammarus lacustris Sars, 1863 на клеточном уровне в условиях холодовой и тепловой акклимации.

Согласно основной гипотезе диссертационного исследования, стенотермные холодолюбивые байкальские эндемичные амфиподы обладают комплексом биохимических адаптаций, которые позволяют им противостоять вселению чужеродных видов благодаря поддержанию высокой физиологической активности в зимние месяцы. Напротив, потенциальные вселенцы в условиях низких температур не способны полноценно функционировать. Изменение температурного режима озера в ходе изменения климата может существенно отразиться на адаптивных способностях байкальских эндемиков, повлиять на их жизненные циклы и структуру сообществ. Это, в свою очередь, может снизить их конкурентные способности, увеличить риск вселения видов-убиквистов и, как следствие, привести к трансформации экосистемы озера.

Для проверки предлагаемой гипотезы были выбраны два байкальских доминантных вида амфипод - E. verrucosus и E. cyaneus, которые имеют ключевое значение в литоральных сообществах оз. Байкал, а также потенциальный вселенец - голарктический вид G. lacustris.

Задачи исследования:

1. Оценить выживаемость байкальских эндемичных амфипод видов E. verrucosus и E. cyaneus, а также потенциального вида-вселенца голарктического G. lacustris, в условиях различных температур (отличных от предпочитаемых, а также отличных от среднегодовой температуры литорали оз. Байкал);

2. Выявить влияние длительной акклимации к повышенным и пониженным температурам (относительно предпочитаемой для каждого вида, а также относительно среднегодовой температуры литорали оз. Байкал) на активность ферментов антиоксидантной системы (каталазы, пероксидазы и глутатион S-трансферазы) у байкальских эндемичных видов амфипод E. verrucosus, E. cyaneus и голарктического G. lacustris;

3. Выявить влияние длительной акклимации к повышенным и пониженным температурам (относительно предпочитаемой для каждого вида) на эффективность энергетического обмена у байкальских эндемичных видов амфипод E. verrucosus, E. cyaneus и голарктического G. lacustris по изменению содержания глюкозы, гликогена, аденозинтрифосфорной кислоты и лактата, а также активности лактатдегидрогеназы, цитохромоксидазы и цитратсинтазы;

4. Оценить влияние длительной акклимации к повышенным и пониженным температурам (относительно среднегодовой температуры литорали оз. Байкал) на эффективность энергетического обмена у байкальских эндемичных видов амфипод E. verrucosus, E. cyaneus и голарктического G. lacustris по изменению содержания лактата, а также активности лактатдегидрогеназы, цитохромоксидазы и цитратсинтазы;

5. Оценить потенциальные акклимационные возможности байкальских эндемичных E. verrucosus и E. cyaneus, а также голарктического G. lacustris в условиях изменения температуры среды на основе различий в биохимических адаптациях;

6. Выявить межвидовые вариации адаптивных стратегий биохимической холодовой адаптации для подтверждения или опровержения гипотезы о преимуществах байкальских холодолюбивых видов и возможности вытеснения байкальских эндемиков голарктическим видом в случае повышения температуры среды.

Научная новизна

Впервые получены данные об особенностях функционирования механизмов неспецифического стресс-ответа и энергетического метаболизма в условиях длительной тепловой и холодовой акклимации байкальских эндемичных видов амфипод E. verrucosus и E. cyaneus, а также потенциального вида-вселенца -голарктического G. lacustris. В рамках диссертационного исследования разработана и впервые применена новая экспериментальная модель для оценки механизмов стресс-адаптации у байкальских эндемичных и голарктических видов

амфипод. Впервые установлено наличие специфических биохимических адаптаций байкальских эндемичных амфипод вида E. verrucosus к низким температурам. Показано, что низкие температуры оказывают значимый эффект на механизмы неспецифического стресс-ответа и энергетического метаболизма у потенциального инвазивного вида G. lacustris.

Теоретическая и практическая значимость

Получены новые данные о биохимических механизмах стресс-адаптации и связанных с ними экологических стратегиях доминантных байкальских видов амфипод и их потенциального голарктического конкурента. Результаты исследования имеют как теоретическую значимость (особенно для понимания главных направлений адаптаций и метаболической компенсации водных организмов в изменяющихся условиях окружающей среды), так и практическую (для прогнозирования влияния изменения температуры на водные экосистемы). Полученные данные позволяют предположить, что пониженная температура может увеличить конкурентные способности байкальских эндемичных видов по сравнению с их предполагаемым голарктическим конкурентом. Данные результаты имеют важное значение для будущих исследований как отдельных, так и комбинированных эффектов глобальных климатических изменений на другие древние озера планеты. Материалы биохимических исследований, полученные в рамках данной работы, могут способствовать выявлению новых молекул и биологических катализаторов, повышающих холодоустойчивость организмов, с перспективами практического применения результатов в различных областях биотехнологии и биомедицины.

Результаты работы имеют большое практическое значение в связи с возможностью разработки новых эффективных методов биомониторинга экосистемы озера Байкал. Полученные результаты могут быть включены в программы университетов и соответствующие учебные курсы.

Положения, выносимые на защиту

1. Существуют межвидовые различия в протекании процессов энергетического обмена и механизмов антиоксидантной системы при акклимации к температурам, отличным от предпочитаемых, у байкальских амфипод видов E. verrucosus и E. cyaneus.

2. Байкальский эндемичный вид E. verrucosus обладает высоким адаптивным потенциалом в условиях низких температур по сравнению с теплолюбивым байкальским E. cyaneus и голарктическим G. lacustris.

3. Ограничение вселения голарктического G. lacustris в открытый Байкал обусловлено неспособностью данного вида поддерживать физиологическую активность и гомеостаз организма при низких температурах.

Соответствие паспорту научной специальности

Диссертационная работа по содержанию и форме представления полностью соответствует паспорту специальности 03.02.10 - «Гидробиология», а именно разделам: «Исследование влияния факторов водной среды на гидробионтов в природных и лабораторных условиях с целью установления пределов толерантности и оценки устойчивости водных организмов в условиях изменяющихся физико-химических свойств природных вод (в частности, при антропогенном воздействии)» и «Исследование экологических основ жизнедеятельности гидробионтов - их питания, водно-солевого и энергетического обмена, закономерностей роста и развития, особенностей жизненных циклов».

Личный вклад автора

Верещагина Ксения Петровна принимала непосредственное участие на всех стадиях выполнения работы. Личный вклад соискателя состоит в определении целей и задач исследования, поиске источников информации, выборе объекта и предмета исследования. Сбор теоретического материала, поиск и применение методик, организация полевых работ по сбору биологического материала, выполнение экспериментов, проведение биохимических анализов, а также

обработка и анализ полученных данных были проведены Ксенией Петровной. Все содержащиеся в работе выводы и основные положения, выносимые на защиту, принадлежат автору. Личное участие автора в получении изложенных в диссертации результатов подтверждено соавторами и отражено в совместных публикациях.

Апробация работы

Основные результаты диссертационного исследования были представлены на 18-ом Международном коллоквиуме по амфиподам (Дижон, Франция, 2019 г.), Европейском симпозиуме по большим озерам «Большие озера, маленький Мир» (Эвиан, Франция, 2018 г.), Международной конференции «Пресноводные экосистемы - современные вызовы» (Иркутск, Россия, 2018 г.), Международном молодежном научном форуме «Ломоносов-2018» (Москва, Россия, 2018 г.), 22-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология -наука XXI века» (Пущино, Россия, 2018 г.), Международной конференции «Научная неделя молодых ученых и специалистов в области биологических наук -2017» (Петрозаводск, Россия, 2017 г.), Всероссийском конгрессе молодых ученых «Симбиоз - Россия» (Казань, Россия, 2017 г.), 17-ом Международном коллоквиуме по амфиподам (Трапани, Италия, 2017 г.) и др.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 10 работ в изданиях из перечня ВАК, в том числе 7 - в научных изданиях, индексируемых базами данных Web of Science и Scopus (в двух из которых соискатель является первым автором);

1. Vereshchagina, K. P., Kondrateva, E. S., Axenov-Gribanov, D. V., Shatilina, Zh. M., Khomich, A. S., Bedulina D.S., Zadereev, E. S., Timofeyev M. A. Nonspecific stress response to temperature increase in Gammarus lacustris Sars with respect to oxygen-limited thermal tolerance concept // PeerJ. - 2018. - e557l. https;//doi.org/10.7717/peerj.5571 IF 2,118 (Ql).

2. Vereshchagina, K. P., Shatilina, Z. M., Bedulina, D. S., Gurkov, A. N., Axenov-Gribanov, D. V., Baduev, B. K., Kondrateva, E. S., Gubanov, M. V., Zadereev, E. S., Sokolova, I. M., Timofeyev, M. A. Salinity modulates thermotolerance, energy metabolism and stress response in amphipods Gammarus lacustris // PeerJ. - 2016. -4:e2657. https://doi.org/10.7717/peerj.2657 IF 2,118 (Q1).

3. Axenov-Gribanov, D. V., Bedulina, D. S., Shatilina, Zh. M., Jakob, L., Vereshchagina, K. P., Lubyaga, Y. A., Gurkov, A. N., Shchapova, E. P., Luckenbach, T., Lucassen, M., Sartoris, F. J., Pörtner, H. O., Timofeyev, M. A. Thermal preference ranges correlate with stable signals of universal stress markers in Lake Baikal endemic and Holarctic amphipods // PloS One. - 2016. - 11 (10): e0164226. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0164226 IF 2,776 (Q1).

4. Shchapova, E. P., Axenov-Gribanov, D. V., Lubyaga, Y. A., Shatilina, Z. M., Vereshchagina, K. P., Protasov, E. S., Madyarova, E. V., Timofeyev, M. A. Crude oil at concentrations considered safe promotes rapid stress-response in Lake Baikal endemic amphipods // Hydrobiologia. - 2017. - V. 805. - № 1. - P. 189 - 201. doi: 10.1007/s10750-017-3303-3 IF 2,056 (Q1).

5. Drozdova, P., Rivarola-Duarte, L., Bedulina, D., Schreiber, S., Axenov-Gribanov, D., Gurkov, A., Shatilina, Zh., Vereshchagina, K., Lubyaga, Y., Madyarova, E., Otto, C., Jühling F., Busch W., Jakob L., Lucassen M., Sartoris F. J., Hackermüller J., Hoffmann S., Pörtner, H.-O., Luckenbach, T., Timofeyev, M., Stadler, P. F. Comparison between transcriptomic responses to short-term stress exposures of a common Holarctic and endemic Lake Baikal amphipods // BMC Genomics. - 2019. - V. 20. - № 1. - P. 1 -14. https://doi.org/10.1186/s12864-019-6024-3 IF 3,730 (Q1).

6. Axenov-Gribanov, D. V., Bedulina, D. S., Shirokova, Y. A., Emshanova, V. A., Lubyaga, Y. A., Vereshchagina, K. P., Saranchina, A.E., Pobezhimova, T.P., Timofeyev, M. A. Diet influence on mechanisms of non-specific stress-response in Baikal endemic amphipod species during long-term laboratory exposure // Crustaceana. - 2019. - V. 92. - №. 11-12. - P. 1349-1368. IF 0,517(Q2).

7. Bedulina, D. S., Takhteev, V. V., Luckenbach, T., Pogrebnyak, S. G., Govorukhina, E. B., Madjarova, E. V., Lubyaga, Y. A., Vereshchagina, K. P.,

Timofeyev, M. A. On Eulimnogammarus messerschmidtii, sp. n. (Amphipoda: Gammaridea) from Lake Baikal, Siberia, with redescription of E. cyanoides (Sowinsky) and remarks on taxonomy of the genus Eulimnogammarus // Zootaxa. - 2014. - V. 3838.

- № 5. - P. 518 - 544. IF 0,931(Q2).

8. Vereshchagina, K. P., Lubyaga, Y. A., Axenov-Gribanov, D. V., Gurkov, A. N., Kondratieva, E. S., Shchapova, E. P., Prokosov, S. O., Shatilina, Z. M. The particularities of nonspecific stress resistance mechanism activation in Baikalian endemic amphipod Gmelinoides fasciatus (Stebb, 1899) under thermal stress (short communication) // Journal of Stress Physiology and Biochemistry. - 2014. - V. 10. - № 4. - P. 131 - 138.

9. Axenov-Gribanov, D. V., Shatilina, Z. M., Lubyaga, Y. A., Emshanova, V. A., Vereshchagina, K. P., Lozovoy, D. V., Kondratieva, E. S., Timofeyev, M. A. Estimation of experimental cohabitation between Golarctic and Baikal endemic amphipods species: G. lacustris against G. fasciatus // Journal of Stress Physiology & Biochemistry. - 2018.

- V. 14. - №. 1. - P. 5 - 11.

10. Бедулина, Д. С., Шаталина, Ж. М., Гурков, А. Н., Лубяга, Ю. А., Верещагина, К. П., Мадьярова, Е. В., Аксенов-Грибанов, Д. В., Тимофеев, М. А. Физиологические и биохимические маркеры стресс-ответа эндемичных байкальских амфипод: современное состояние и перспективы исследований // Известия Иркутского государственного университета. Серия Биология. Экология.

- 2018. - Т. 23. - С. 3-22. https://doi.org/10.26516/2073-3372.2018.233

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, обсуждения результатов, выводов и списка литературы. Диссертация изложена на 150 страницах, содержит 19 таблиц и 19 рисунков. Список литературы включает 245 источников, из которых 167 на иностранных языках.

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю д.б.н. М. А. Тимофееву за помощь и поддержку на всех этапах работы. Большая благодарность всем сотрудникам лаборатории «Проблемы адаптации биосистем», особенно к.б.н. Д. В. Аксенову-Грибанову, к.б.н. Ж. М. Шатилиной, к.б.н. Д. С. Бедулиной, Е. С. Кондратьевой, В. А. Емшановой, Е. П. Щаповой, А. Н. Гуркову, Е. В. Мадьяровой за помощь в сборе материала, освоении методов анализа, работе над текстом, а также за конструктивную критику и поддержку на всех этапах работы. Автор выражает благодарность профессору Гансу Портнеру и доктору Магнусу Люкассену за предоставленную возможность освоить методы биохимического анализа в отделе интегративной экофизиологии Института Морских и Полярных Исследований имени Альфреда Вегенера Объединения имени Гельмгольца (г. Бремерхафен, Германия). Выражается признательность Инне Михайловне Соколовой за обучение методам статистического анализа в университете Северной Каролины, г. Шарлотт (США), а также советы и рекомендации по решению поставленных задач.

Проведение работ по теме исследования осуществлялось в рамках научных проектов: грант РНФ - объединение им. Гельмогльца (Германия) «Влияние изменения климата на адаптированных к холоду эндемиков озера Байкал» № 1844-06201; грант РНФ «Эндемичные байкальские амфиподы как экстремофилы: механизмы резистентности к гипероксии в условиях воздействия ультрафиолетового излучения и высокого давления на физиологическом, биохимическом и молекулярно-биологическом уровнях» № 17-14-01063; грант РФФИ мол а «Акклимационный потенциал и энергетические механизмы Байкальских эндемичных и Палеарктических амфипод в условиях изменения абиотических факторов среды» №16-34-00687; грант РФФИ «Разработка подходов к созданию лабораторных культур эндемичных амфипод озера Байкал, аборигенных и инвазивных видов амфипод и десятиногих раков Беларуси» №19 -54-04008 Бел мол а.

1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 1.1 Температура как лимитирующий фактор среды

Температура как фактор среды критически важна для всех организмов. Любой организм способен нормально функционировать лишь в определенном диапазоне температур. Важность температуры как лимитирующего фактора заключается в ее воздействии на все аспекты жизнедеятельности организмов на всех уровнях организации - будь то обмен веществ организмов или их географическое распределение. При сильном понижении температуры существует вероятность критического замедления метаболизма, в случае которого протекание основных функций организма становится невозможным. Влияние пониженных температур обуславливается замерзанием воды в клетках и тканях. При температурах ниже 0 °С сохранение функциональности и целостности клеточных структур несовместимо с кристаллизацией льда. Влияние повышенных температур ведет к денатурации белков, которая наступает приблизительно при достижении 60 °С (Чернова, Былова, 2004). При повышении температуры происходит увеличение скорости реакций в организме (согласно закону Вант-Гоффа, 010), что приводит к значительным нарушениям в метаболизме еще до наступления деградации ферментов. Данные перестройки могут быть спровоцированы резко возрастающей потребностью в кислороде, питательных веществах и т. д., которые не всегда могут быть удовлетворены (Чернова, Былова, 2004; КошЭаЧтоу, 2003; А^ШеНа, 2009).

Таким образом, для выживания в среде с низкими, высокими или постоянно изменяющимися температурами, организм вынужден адаптироваться, что представляет собой сложную комплексную задачу. В ходе эволюции у живых организмов сформировались приспособления, направленные на регуляцию метаболизма в условиях изменения температур, осуществляемые посредством перестроек на биохимическом и физиологическом уровнях (изменение набора, активности и концентрации ферментов, обезвоживание, изменение точки замерзания жидких сред организма и т. д.). Сохранять гомеостаз позволяет и

поддержание стабильной температуры тела относительно температуры окружающей среды (Чернова, Былова, 2004).

Жизнедеятельность и активность живых организмов зависят от тепла, поступающего извне. Температура тела некоторых организмов напрямую зависит от температуры внешней среды. Такие организмы называют пойкилотермными -это означает, что их тепловой режим зависим от окружающей среды и очень изменчив. Пойкилотермность присуща таким организмам, как бактерии, грибы, растения, беспозвоночные и позвоночные животные (Чернова, Былова, 2004; Angilletta, 2009; Konstantinov, 2003).

Как отмечено ранее, организмы способны стабильно и активно функционировать и развиваться в определенном диапазоне температур, который представляет собой достаточно узкие границы. Данный диапазон называется температурным оптимумом. В связи с постоянными изменениями температурного режима (суточные колебания, смена времени года), организмы вынуждены приспосабливаться посредством специфических адаптаций. Адаптивные способности привели к разделению организмов на эвритермные, способные выдерживать значительные колебания температуры, и стенотермные, которые существуют в узком диапазоне температур (Степановских, 2003; Вербицкий, 2008; Konstantinov, 2003).

Показано, что стенотермные полярные рыбы Trematoinius bernacchii, Trematomus borchgrevinki и Trematomus hansoni погибают уже при температурах, превышающих 4 °C (Somero, DeVries, 1967). Антарктические двустворчатые моллюски Laternula elliptica и Limopsis marionensis также способны выживать только в узком диапозоне температур, не превышающем 6 °C (Peck, Conway, 2000). Напротив, литоральные бычки Gillichthys seta обладают широкой термотолерантностью и способны активно метаболизировать в пределах температур от 8 до 40 °C (Dietz, Somero, 1992; Johnston, Bennett, 2008).

Большая часть байкальской эндемичной фауны является стенотермной, способной существовать в постоянных, стабильных условиях среды с некоторыми отклонениями (Тимофеев, 2010). Есть виды-исключения, которые широко

распространены в Голарктике и Палеарктике и способны населять водоемы с широким диапазоном температур от 1 °С до 28 °С. К ним можно отнести амфипод Gammarus lacustris и гастропод Limnaea stagnalis (данные виды не являются аборигенными для Байкала, но уже проникли в некоторые соры и заливы). Из байкальских амфипод это Gmelinoides fasciatus (Тахтеев, 20006; Голубев и др., 2010; Ризеский, 2011; Vreto et al., 1994). Физиологические, биохимические и молекулярные механизмы, определяющие стенотермность и эвритермность, играют ключевую роль в биогеографическом распределении видов и их адаптивных способностях (Johnston, Bennett, 2008).

1.2 Адаптации гидробионтов к изменению температурного режима

Адаптация - это структурные и функциональные приспособления организмов, повышающие их шансы на выживание в условиях постоянно изменяющейся окружающей среды (Чернова, Былова, 2004). Способность к адаптации является одним из важнейших свойств живых организмов.

Для всех живых организмов адаптационные уровни делятся на: этологические (поведенческие), то есть примеры безусловных рефлексов; морфо-анатомические - изменение особенностей строения и формы тела, связанных с жизнедеятельностью организма; физиологические - совокупность физиологических реакций, позволяющих организму адаптироваться к изменению условий среды, а также поддерживать внутренний гомеостаз; биохимические и молекулярные, проявляющиеся на уровне внутриклеточных процессов (Константинов, 1986; Чернова, Былова, 2004).

У гидробионтов выделяют два направления адаптивных реакций к изменению температуры среды: выбор места обитания, характеризующегося устойчивыми температурами или условиями, позволяющими организмам избегать воздействий критических температур, при помощи поведенческих реакций (Певз-Хоке, 2005; Степановских, 2003) и выработка различных физиологических и биохимических адаптивных реакций (Степановских, 2005).

Одной из наиболее распространенных поведенческих реакций является реакция избегания, когда организм стремится покинуть зону стрессового фактора. Большинство гидробионтов обладает развитыми поведенческими способами регуляции теплообмена. Поведенческие адаптационные реакции к флуктуациям температуры многообразны и встречаются в различных группах организмов (Elliot, Mitchell, 1973; Hall et al., 1978; Siemien, Stauffer, 1989).

На примере амфипод показано активное избегание зон с неблагоприятными температурными (Тимофеева 2000; Паномарева, 1976), волновыми (Hellou et al., 2005) или гидрохимическими (Roberts et al., 2008) условиями. К поведенческим адаптивным реакциям также относят и миграции водных организмов. Показано, что байкальские эндемичные амфиподы Eulimnogammarus verrucosus мигрируют на глубину в летний сезон, когда литораль озера прогревается (Jakob et al., 2016). Некоторые организмы способны также совершать вертикальные миграции для поиска условий с оптимальными температурами (Тахтеев и др., 2004; Lindstrom, 1991; Tsubokura et al., 1997).

В случае, если организму не удается избежать прямого воздействия температуры, для нейтрализации стрессового воздействия подключаются адаптационные механизмы, основанные на физиологических и молекулярно-биохимических компенсаторных механизмах. Так, в работах Kinne (1964) на примере антомедузы Cordylophora caspia показаны изменения размера и формы тела, числа, длины и диаметра щупалец, изменение размеров клеток, количества клеток полипов, а также изменение размеров ядер и нематоцистов в ходе экспериментальной акклимации к длительным изменениям температурного режима. При длительном влиянии повышенной температуры у дафний наблюдали перестройки в частоте сердцебиения. Также отмечали изменение потребления кислорода у рыб Crenichthys и продукции углекислого газа у Artemia salina (Kinne, 1964). У ракообразных изменение температуры вызывает фенотипические изменения цвета, связанные с различиями либо в количестве пигмента в клетке, либо в плотности хроматофоров на единицу площади клетки (Brown, 1934).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Верещагина Ксения Петровна, 2020 год

- 1982. - V. 11. - P. 45 - 51.

209. Sidell, B. D. Biochemical correlations of power development and metabolic fuel preferenda in fish hearts / B. D. Sidell, W. R. Driedzic, D. B. Stowe, I. A. Johnston // Physiological Zoology. - 1987. - V. 60. - 221 - 232.

210. Siemien, M. J. Temperature preference and tolerance of the spotted tilapia and Rio Grande cichlid / M. J. Siemien, J. R. Stauffer // Arch. Hydrobiol. - 1989. - V. 115. -№ 2. - P. 287 - 303.

211. Sindermann, C. J. Ecological Studies of Marine Dermatitis-Producing Schistosome Larvae in Northern New England / C. J. Sindermann //Ecology. - 1960. - V. 41. - № 4. - P. 678 - 684.

212. Sokolova, I. M. Energy homeostasis as an integrative tool for assessing limits of environmental stress tolerance in aquatic invertebrates / I. M. Sokolova, M. Frederich, R. Bagwe, G. Lannig, A. A. Sukhotin // Marine environmental research. - 2012. - V. 79. - P. 1 - 15.

213. Somero, G. N. Temperature tolerance of some Antarctic fishes / G. N. Somero, A. L. DeVries // Science. - 1967. - V. 156. - № 3772. - P. 257 - 258.

214. Stephen, J. R. Molecular responses of Prunus avium (wild cherry) embryonic axes to temperatures affecting dormancy / J. R. Stephen, K. C. Dent, W. E. Finch-Savage // New Phytologist. - 2004. - V. 161. - № 2. - P. 401 - 413.

215. Stillman, J. H. A comparative analysis of the evolutionary patterning and mechanistic bases of lactate dehydrogenase thermal stability in porcelain crabs, genus Petrolisthes / J. H. Stillman, G. N. Somero // Journal of Experimental Biology. - 2001. - V. 204. - № 4. - P. 767 - 776.

216. Storelli, C. Membrane lipid and protein adaptations in Antarctic fish. In ''Cold Ocean Physiology'' / C. Storelli, R. Acierno, M. MaYa. - Cambridge University Press, Cambridge. - 1998. - 166 - 189 pp.

217. Storey K., B. Introduction: nature at risk / K. B. Storey, K. K. Tanino // Temperature adaptation in a changing climate: nature at risk. - 2012. - P. 1 - 5.

218. Storey, K. B. Functional metabolism: regulation and adaptation / K. B. Storey. -John Wiley & Sons. - 2005. - 594 p.

219. Storey, K. B. Metabolic responses to anoxia and freezing by the freeze tolerant marine mussel Geukensia demissus / K. B. Storey, T. A. Churchill // Journal of experimental marine biology and ecology. - 1995. - V. 188. - № 1. - P. 99 - 114.

220. Takhteev, V. V. Effect of artificial illumination on the intensity of nocturnal vertical migrations of amphipods in Lake Baikal / V. V. Takhteev, A. M. Levashkevich, E. B. Govorukhina // Russian Journal of Ecology. - 2004. - V. 35. -№ 6. - P. 421 - 423.

221. Tesch, P. Relationship between lactate accumulation, LDH activity, LDH isozyme and fibre type distribution in human skeletal muscle / P. Tesch, B. Sjodin, J. Karlsson // Acta Physiologica Scandinavica. - 1978. - V. 103. - № 1. - P. 40 - 46.

222. Timm, V. Eesti Teaduste / V. Timm, Т. Timm // Akadeemia Toimetised Bioloogia. - 1993. - V. 42. - № 2. - P. 144 - 153.

223. Timofeyev, M. A. Can acclimation of amphipods change their antioxidative response? / M. A. Timofeyev, M. Protopopova, V. Pavlichenko, C. E. Steinberg // Aquatic ecology. - 2009. - V. 43. - № 4. - P. 1041.

224. Timofeyev, M. A. Evaluation of biochemical responses in Palearctic and Lake Baikal endemic amphipod species exposed to CdCl2 / M. A. Timofeyev, Z. M. Shatilina, D. S. Bedulina, M. V. Protopopova, V. V. Pavlichenko, O. I. Grabelnych, A. V. Kolesnichenko // Ecotoxicol. Environ. Saf. - 2008. - V. 70. - № 1. - P. 99 -105.

225. Timofeyev, M. A. Specific antioxidant reactions to oxidative stress promoted by natural organic matter in two amphipod species from Lake Baikal / M. A. Timofeyev, Z. M. Shatilina, A. V. Kolesnichenko, V. V. Kolesnichenko, C. E. Steinberg // Environ. Toxicol. - 2006. - V. 21, - № 2. - P. 104 - 110.

226. Timofeyev, M. A. Thermal stress defense in freshwater amphipods from contrasting habitats with emphasis on small heat shock proteins (sHSPs) / M. A. Timofeyev, Z. M. Shatilina, M. V. Protopopova, D. S. Bedulina, V. V. Pavlichenko, A. V. Kolesnichenko, C. E. W. Steinberg // J Therm Biol. - 2009. - V. 34. - № 6. -P. 281 - 285.

227. Tsubokura, T. Seasonal horizontal and vertical distribution patterns of the supralittoral amphipod Trinorchestia trinitatis in relation to environmental variables / T. Tsubokura, S. Goshima, S. Nakao // Journal of Crustacean Biology. - 1997. - V. 17. - № 4. - P. 674 - 686.

228. Van Haren, R. J. F. Dynamic energy budgets affect kinetics of xenobiotics in the marine mussel Mytilus edulis / R. J. F. Van Haren, H. E. Schepers, S. Kooijman // Chemosphere. - 1994. - V. 29. - № 2. - P. 163 - 189.

229. Van Straalen, N. M. Review of experimental evidence for physiological costs of tolerance to toxicants / N. M. van Straalen, A. A. Hoffmann, J. E. Kammenga, R. Laskowski // Demography in Ecotoxicology. - 2000. - P. 147 - 161.

230. Vereshchagina, K. P. Salinity modulates thermotolerance, energy metabolism and stress response in amphipods Gammarus lacustris / K. P. Vereshchagina, Z. M.Shatilina, D. S. Bedulina, A. N. Gurkov, D. V. Axenov-Gribanov, B. K. Baduev, E. S. Kondrateva, M. V. Gubanov, E. S. Zadereev, I. M. Sokolova, M. A. Timofeyev, // PeerJ. - 2016. - 4:e2657.

231. Verri, T. A. d-Glucose transport in decapod crustacean hepatopancreas / T. Verri, A. Mandal, L. Zilli, D. Bossa, P. K. Mandal, L. Ingrosso, V. Zonno, S. Vilella, G. A. Ahearn, C. Storelli // Comparative Biochemistry and Physiology - Part A: Molecular & Integrative Physiology. - 2001. - V. 130. - P. 585 - 606.

232. Viarengo, A. Pro-oxidant processes and antioxidant defence systems in the tissues of the Antarctic scallop (Adamussium colbecki) compared with the Mediterranean scallop (Pecten jacobeus) / A. Viarengo, L. Canesi, P. Garcia Martinez, L. D. Peters, D. R. Livingstone // Comp. Biochem. Physiol., B. - 1995. - V. 111. - P. 119 - 126.

233. Vinagre, A.S. Effects of starvation on the carbohydrate and lipid metabolism in crabs previously maintained on a high protein or carbohydrate-rich diet / A. S. Vinagre, R. S. M. Da Silva // Comparative Biochemistry and Physiology A. - 1992. -V. 102. - P. 579 - 583.

234. von Morze, C. Detection of localized changes in the metabolism of hyperpolarized gluconeogenic precursors 13C-lactate and 13C-pyruvate in kidney and liver / C. von Morze, G. Y. Chang, P. E. Larson, H. Shang, P. K. Allu, R. A. Bok, S. J. Nelson // Magnetic resonance in medicine. - 2017. - V. 77. - № 4. - P. 1429 - 1437.

235. Vreto, M. A. C. Allozyme variation in some populations of the freshwater snails Lymnaea peregra, L. auricularia and L. stagnalis (Gastropoda: Pulmonata) / M. A. C.

Vreto, A. Guiller, J. Daguzan // Journal of Molluscan Studies. - 1994. - V. 60. - №2 4. - P. 393 - 403.

236. Wells, R. M. G. Cutaneous oxygen uptake in the Antarctic Icequab, Rhigophila dearborni (Pisces: Zoarcidae) / R. M. G. Wells // Polar Biol. - 1986. - V. 5. P. 175 -179.

237. Wharton, D. A. Cold tolerance / D. A. Wharton // Molecular and physiological basis of nematode survival. - 2011. - P. 182 - 204.

238. Winberg, G. G. Rate of metabolism and food requirements of fishes / G. G. Winberg // Fish. Res. Board Canada, Translation Series. - 1956. - V. 194. - P. 202.

239. Winston, G. W. Oxidants and antioxidants in aquatic animals / G. W. Winston // Comparative biochemistry and physiology. C, Comparative pharmacology and toxicology. - 1991. - V. 100. - № 1-2. - P. 173 - 176.

240. Yemelyanova, A. Y. Distribution of Gammarus lacustris Sars (Amphipoda, Gammaridae) in Lake Shira (Khakasia, Siberia) and laboratory study of its growth characteristics / A. Y. Yemelyanova, T. A. Temerova, A. G. Degermendzhy // Aquatic Ecology. - 2002. - V. 36. - № 2. - P. 245 - 256.

241. Yepiz-Plascencia, G. Molecular characterization of the bifunctional VHDL-CP from the hemolymph of the white shrimp Penaeus vannamei / G. Yepiz-Plascencia, F. Jimenez-Vega, M. G. Romo-Figueroa, R. R. Sotelo-Mundo, F. Vargas-Albores. Comparative Biochemistry and Physiology. - 2002. - V. 132B. - P. 585 - 592.

242. Yepiz-Plascencia, G. Penaeid shrimp hemolymph lipoproteins / G. F. Yepiz-Plascencia, F. Vargas-Albores, I. Higuera-Ciapara // Aquaculture. - 2000. - V. 191. -P. 177 - 189.

243. Zachariassen, K. E. Physiology of cold tolerance in insects / K. E. Zachariassen // Physiol. Rev. - 1985. - V. 65. - P. 799 - 832.

244. Zheng, Z. Glucuronidation: an important mechanism for detoxification of benzo [a] pyrene metabolites in aerodigestive tract tissues / Z. Zheng, J. L. Fang, P. Lazarus // Drug metabolism and disposition. - 2002. - V. 30. - №. 4. - P. 397-403.

245. Zimmermann, C. Respiration and activity of Arctic and Antarctic fish with different modes of life: A multivariate analysis of experimental data. In "Fishes of