Репродуктивная биология промысловой голотурии cucumaria frondosa (gunnerus,
На правах рукописи
Анциферова Анна Викторовна РЕПРОДУКТИВНАЯ БИОЛОГИЯ ПРОМЫСЛОВОЙ ГОЛОТУРИИ CUCUMARIA FRONDOSA (GUNNERUS, 1776) БАРЕНЦЕВА МОРЯ 03.00.18 – гидробиология
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2007 2 УДК 639.55:593.96 (261) (043.6)
Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мурманский государственный технический университет» на кафедре микробиологии биологического факультета.
Научный консультант:
кандидат биологических наук Гудимова Е.Н.
Научный консультант:
доктор биологических наук Мелехова О.П.
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Смуров А.В.
доктор биологических наук Жирков И.А.
Ведущая организация: Мурманский морской биологический институт Кольского научного центра Российской академии наук (ММБИ КНЦ РАН)
Защита диссертации состоится « » _ 2007 года на заседании специализированного диссертационного совета Д.501.001.55 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, г. Москва, Воробьевы горы, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Биологический факультет, аудитория 389.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан: « » 2007 года
Ученый секретарь специализированного диссертационного совета, кандидат биологических наук Н.В. Карташева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Голотурии входят в состав большинства бентических сообществ и играют в них доминирующую роль. Велика экологическая роль голотурий, они оказывают мощное воздействие на биопереработку органического материала на дне моря. Во избежание подрыва ресурсов и нарушения целостности донных сообществ необходимым аспектом является изучение репродуктивной биологии вида.
Эти животные играют важную роль в хозяйственной деятельности человека. Их используют в качестве пищевых продуктов, которым приписывают не только гастрономические, но и лечебные качества.
Установлено, что органы и ткани Cucumaria frondosa, как и у других видов голотурий, содержат большой спектр ценных биологически активных веществ, которые обладают противоопухолевой, антимикробной активностью, им присущи иммуномодулирующие и радиозащитные свойства. Концентрация и сезонные изменения химических соединений тесно связаны с динамикой и интенсивностью гаметогенетических процессов (Хотимченко и др., 1993). Поэтому при проведении работ по разработке биотехнологии получения и использования БАВ необходимой основой является знание особенностей функционирования репродуктивной системы вида в разные сезоны года (Оганесян, 1996).
Изучению репродуктивного цикла промысловых голотурий посвящено много работ (Tanaka, 1958;
Низовская, 1971;
Jordon, 1972;
Coady, 1973;
Green, 1978;
Размножение иглокожих…, 1980;
Cameron, Fankboner, 1986;
Мокрецова, 1987;
Касьянов, 1989;
Hamel et al., 1993 и др.), а C. frondosa Баренцева моря в этом отношении является мало изученной.
Знание репродуктивных возможностей организмов, составляющих морские сообщества, необходимо для прогнозирования изменений, происходящих в них под влиянием различных факторов и для осуществления рационального промысла этих животных.
Цели и задачи работы. Цель исследований состояла в изучении репродуктивного цикла на примере особенностей оогенеза промысловой голотурии Баренцева моря.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
- изучить морфологию гонад и клеточный состав половых трубочек;
- установить стадии зрелости гонад;
- исследовать сезонную динамику развития гонад;
- выявить влияние факторов среды на оогенетические процессы и размножение;
- определить сроки, характер и продолжительность нереста;
- оценить плодовитость у среднеразмерных особей.
Научная новизна работы. В настоящей работе впервые на основании морфометрического и гистологического анализов проведены исследования по изучению репродуктивной биологии самок C. frondosa Баренцева моря. Выявлены стадии зрелости яичников, для каждой стадии установлены свои цитоморфологические особенности. Описана сезонная динамика развития гонад, для среднеразмерных особей рассчитана плодовитость. Установлена четкая корреляция изменений факторов среды с гаметогенетическими процессами и нерестом кукумарии.
Практическая ценность работы. Полученные данные могут быть использованы при проведении промысла кукумарии в Баренцевом море. В целях сохранения естественного воспроизводства голотурий следует учитывать сроки их нереста. Наши исследования показали, что нерест кукумарии в Баренцевом море происходит с марта по май и на этот период необходимо ввести запрет на промысел.
Нерест не является единственной причиной ограничения промысла.
Невысокая плодовитость, низкие темпы роста, малоподвижный образ жизни, большая продолжительность жизни (не менее 20-24 лет) требуют очень аккуратного обращения с ресурсами кукумарии Баренцева моря.
Поэтому вылов голотурии C. frondosa может производиться только малыми партиями с использованием маломерных судов и щадящих орудий лова.
Результаты работы могут быть использованы при изучении типа Иглокожих в вузовских курсах «Зоология беспозвоночных», «Эмбриология» и «Биология размножения и развития».
Основные результаты выполненных исследований внедрены в учебный процесс, используются при чтении лекций и постановке лабораторных работ;
включены в учебно-методическую литературу для студентов высших учебных заведений. Имеется акт о внедрении.
Апробация работы. Результаты исследований, проводимых с 2001 г.
по настоящее время в рамках госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры микробиологии Мурманского государственного технического университета, представлены в отчете о научно исследовательской работе во Всероссийском научно-техническом информационном центре (г. Москва, 2006 г).
Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на российских и международных конференциях в период с 2002 г. по 2006 г.:
XX юбилейной конференции молодых ученых Мурманского морского биологического института (ММБИ КНЦ РАН, Мурманск, 2002);
Всероссийской научно-технической конференции «Наука и образование – 2002» (МГТУ, Мурманск, 2002);
Международной научной конференции «Новые технологии в решении проблем сохранения биоразнообразия в водных экосистемах» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2002);
Всероссийской научно-технической конференции «Наука и образование» (Мурманск, 2003 - 2006);
Молодежной международной конференции «Экология – 2003» (Архангельск, 2003);
Международной научно технической конференции (МГТУ, Мурманск, 2004);
12th International Echinoderm Conference (Durham, New Hampshire, 2006);
IV Международной научной конференции «Биотехнология – охране окружающей среды, посвященной 295-летию М.В. Ломоносова» (Москва, МГУ им. М.В.
Ломоносова, 2006).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 работ.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений.
Общий объем - 150 страниц, 54 рисунка, 11 таблиц, приложение. Список литературы содержит 153 источника, в том числе 70 на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлена цель и определены задачи исследования.
1. В первой главе «Обзор литературы» дана общая характеристика размножения голотурий. Приведены сведения о строении гонад, описан гаметогенез, процессы дегенерации и резорбции половых клеток.
Представлены данные по морфологии гамет и развитию голотурий.
Некоторые аспекты репродуктивной биологии и эмбрионального развития C. frondosa рассматривались норвежскими исследователями (Runnstrm, Runnstrm, 1920;
Lnning, 1976;
Falk-Petersen, 1982). Более полно жизненный цикл этого вида с Атлантического побережья Канады описан канадскими учеными (Hamel, Mercier, 1995, 1996). Ими же изучен рост C. frondosa на ранних стадиях онтогенеза. По изучению особенностей размножения баренцевоморской кукумарии существует только две работы.
В работе С. А. Оганесян (Оганесян, 1996) по изучению репродуктивного цикла сезонные изменения репродуктивной активности прослежены в толстых половых трубочках, составляющих большую часть гонады. В другом исследовании (Гудимова, 1998), выполненном без гистологического анализа, содержится информация о динамике некоторых количественных показателей гонад в годовом половом цикле самок. В связи с вышеизложенным возникла необходимость изучения репродуктивной биологии самок промысловой голотурии C. frondosa Баренцева моря.
2. Во второй главе «Биология Cucumaria frondosa Баренцева моря и природные условия обитания» описаны объект, природные условия Баренцева моря, дана гидрологическая и гидрохимическая характеристика промысловых районов.
Объектом исследований явилась баренцевоморская голотурия Cucumaria frondosa (Gunnerus, 1767), относящаяся к типу Иглокожих Echinodermata, классу Голотурий Holothuroidea, отряду Древовиднощупальцевых Dendrochirotida, семейству Cucumariidae, роду Cucumaria.
Анализ литературных источников показал, что комплекс абиотических факторов таких, как глубина, гидрологические условия, свойства грунта, рельеф дна оказывают влияние на распределение голотурии C. frondosa в Баренцевом море.
Во всех исследованных районах обитания баренцевоморской кукумарии температурный минимум у дна приходится на весенний период, а максимальные значения температуры зарегистрированы в осенне-зимнее время (октябре-декабре). Прогрев поверхностного слоя начинается обычно с апреля-мая и продолжается по август.
Весной с началом прогрева вод начинается развитие фитопланктона.
Максимум содержания кислорода развивается неодновременно на всей акватории Баренцева моря. В наиболее ранние сроки максимум наступает в водах восточных и юго-восточных районов (конец мая – начало июня), а затем на северо-западе моря у о-ва Медвежий (первая декада июня).
Необходимо отметить, что уровень содержания кислорода у дна во все сезоны довольно высок, в среднем составляет - от 94 до 99 %.
Сложность системы течений Баренцева моря определяет разнообразие условий районов. Прибрежные районы и юго-восточная часть Баренцева моря омываются теплыми водами Мурманского прибрежного и Мурманского течений, а восточный склон Медвежинской банки находится под влиянием холодных вод Медвежинско Надеждинского течения.
Значения солености находятся в диапазоне от 34,40 до 34,90 ‰.
3. В третьей главе «Материалы и методы» представлены районы отбора проб и описана методика исследований. В основу диссертационной работы положены материалы, собранные в различных районах Баренцева моря (рис. 1) научно-промысловыми рейсами ПИНРО и рыболовецкими судами с 2000 г. по 2006 г. в различные сезоны. Выбор станций обусловлен массовыми скоплениями кукумарии в данных районах. Отлов животных производили путем драгирования и траления на глубинах 76-180 м.
Материал фиксировали в 4% и 10%-растворах формалина. Объем обработанного материала представлен в табл. 1.
76.00° 75.00° 74.00° о. Медвежий 73.00° 72.00° 71.00° 70.00° 4 о-в Колгуев 69.00° н ни Кольский полуостров Ка 68.00° ов п 67.00° 18.00° 20.00° 22.00° 24.00° 26.00° 28.00° 30.00° 32.00° 34.00° 36.00° 38.00° 40.00° 42.00° 44.00° 46.00° 48.00° 50.00° Рис. 1. Станции отбора проб Cucumaria frondosa:
1. Северный склон Гусиной банки;
2. Мурманское мелководье;
3.
Западный Прибрежный район;
4. Семиостровский район;
5. Северо Канинская банка;
6. Святоносский район;
7. Восточный склон Медвежинской банки Таблица Объем исследований, выполненных по теме диссертации Вид исследования Количество экземпляров Диагностика пола Динамика гонадного индекса Репродуктивный цикл и стадии зрелости морфометрический анализ (кол-во трубочек) гистологический анализ Плодовитость При камеральной обработке у каждой особи определяли длину и массу кожно-мускульного мешка;
описывали морфологию гонад: цвет, длину, массу, общее количество половых трубочек, а также число тонких, средних и толстых трубочек.
Гонадный индекс (ГИ, в %) определяли как отношение массы гонад q к массе кожно-мускульного мешка (КММ) P по формуле:
ГИ = q / P х 100, где q – масса половых желез, P – масса животного.
При исследовании репродуктивного цикла и стадий зрелости гонад использовали морфометрический и гистологический анализы.
У каждой самки отбирали 10-20 трубочек гонады, в каждой трубочке просматривали три участка (по 1 см): концевой, средний и основание трубочки. Измерение диаметра и подсчет разных категорий ооцитов проводили под бинокуляром при помощи окуляр-микрометра. Значения диаметра ооцитов группировали в размерные классы с интервалом мкм. Развитие гонад классифицировали в 5 стадий (состояние после нереста, восстановления, роста, созревания и зрелости).
Для гистологического исследования также использовали основание, средний и концевой сегменты половой трубочки. Парафиновые срезы толщиной 6-8 мкм окрашивали гематоксилином и эозином, заключали в консервирующую среду «пертекс» или канадский кедровый бальзам.
Полученные препараты просматривали под микроскопом БИОЛАМ при увеличении 10х8, 10х40 и с помощью окуляр-микрометра измеряли диаметр половых клеток разных генераций. Для получения снимков с гистологических препаратов применяли микроскоп фирмы «МИКМЕД» с комплектом виуализации – оптическим адаптером и цифровой камерой.
Для оценки индивидуальной абсолютной плодовитости определяли среднее количество половых клеток разного диаметра в сегменте (1 см), затем в одной трубочке по формуле:
N = n x l, где n – среднее количество всех яйцеклеток в сегменте, l – длина трубочки.
Далее находили среднее значение ооцитов на 10 трубочек и рассчитывали индивидуальную абсолютную плодовитость (F) гонады в целом.
F = L х M, где L – среднее количество яйцеклеток в 10 трубочках, M – количество всех трубочек в гонаде.
Результаты исследований обработаны статистически с помощью вспомогательных программ IBM PC с применением критерия Стьюдента (td).
4. В четвертой главе «Результаты и обсуждение» обобщены результаты исследований, а также представлены результаты обсуждений, заключение и выводы.
4.1. Морфология гонад В основном голотурии C. frondosa раздельнополые животные. В литературе гермафродитизм у данного вида отмечен только Джорданом (Jordan, 1972). Нами при обработке материала также обнаружена гермафродитная особь. Большую часть такой половой железы составляют мужские половые трубочки и 1/3 женские. Исходя из этого, можно сказать, что гермафродитизм у данного вида встречается очень редко.
Голотурии имеют непарную гонаду, которая состоит из двух пучков длинных и многочисленных разветвленных и неразветвленных трубочек, заполняющих почти все свободное пространство полости тела. Определить пол особи по внешнему виду невозможно.
В период интенсивного развития гаметогенеза и во время нереста его легко идентифицировать по цвету гонад после вскрытия. У самцов они бледно-фиолетовые или розовые, у самок – темно-коричневые или бордово-оранжевые. Мужские гонады часто имеют утолщения и перетяжки различной формы и размера.
Количество трубочек в гонадах половозрелых особей (длиной кожно-мускульного мешка от 6,50 до 18,30 г, массой – 61,80-308,14 г) варьирует от 67 до 544 шт. Трубочки гонады различаются по толщине (диаметру). Мы выделили следующие категории половых трубочек: тонкие – диаметром от 0,15 до 0,50 мм, средние – от 0,60 до 1,00 мм и толстые более 1,00 мм. В отдельных наиболее утолщенных участках диаметр трубочек может достигать 2,00-3,00 мм. Яичники неполовозрелых животных представлены либо тонкими, либо тонкими и средними половыми трубочками. Гонады животных, участвующих в нересте образованы тремя категориями трубочек: тонкими, средними и толстыми.
Длина трубочек также варьирует. Короткие трубочки имеют длину от 0, до 9,00 см, длинные – от 10,00 до 34,50 см. Взаимосвязь между длиной и толщиной в наших исследованиях не выявлена.
Клеточный состав на разных участках одной трубочки существенно не отличается. В трубочках разного диаметра обнаружены различия в фазах оогенеза. В тонких трубочках комплекс половых клеток характерен для неполовозрелого состояния, большей частью это ооциты цитоплазматического роста, которые располагаются вдоль эпителия.
Средние трубочки в основном содержат превителлогенные ооциты и небольшое количество вителлогенных. Толстые трубочки содержат все категории половых клеток.
4.2. Диагностика пола Для определения пола использовали животных с массой яичников от 0,39 до 2,47 г, длиной кожно-мускульного мешка от 5,00 до 9,00 см и массой – от 26,54 до 88,62 г. У 75 % особей не удалось установить пол, т. к.
половые трубочки имеют диаметр менее 0,50 мм. Количество половых трубочек в гонадах колеблется от 48 до 190 штук. Гонады самок образованы либо тонкими половыми трубочками;
либо тонкими d=0,50 мм и средними трубочками d=0,60-0,88 мм. Длина трубочек варьирует от 0, до 15,00 см.
В тонких трубочках содержатся только пристеночные половые клетки d=25-225 мкм. В средних трубочках находятся ооциты цитоплазматического d=25-225 мкм и трофоплазматического роста d=250 450 мкм.
m гонады 1,43 г m гонады 1,83 г Содерж ание, % 10 17 25 32 40 47 55 62 70 77 85 0 5 0 5 0 5 0 5 0 5 0 d ооцитов, мкм Рис. 2. Содержание различных категорий ооцитов в гонадах неполовозрелых самок (d половых трубочек 0,60-0,88 мм) Полученные данные позволяют судить о том, что пол особей можно диагностировать с помощью морфометрического анализа при средней массе яичников 1,63 г (длиной кожно-мускульного мешка от 8,00 до 8, см и средней массе 52,98 г) при условии, если диаметр половых трубочек более 0,50 мм. Исследованные гонады молодых животных находятся на начальных этапах роста (рис. 2).
4.3. Пространственная организация оогенеза В яичнике вдоль его внутренней стенки лежат оогонии.
Располагаются они поодиночке (гнездами), либо группами среди фолликулярных клеток и делятся митозом. В период интерфазы диаметр ядра 5 мкм. Делясь, оогонии дают ооциты I порядка. Самые ранние ооциты располагаются в тех же гнездах, где и оогонии. Далее сформировавшиеся ооциты вступают в период мейотических преобразований. У прелептотенных ооцитов тонкий слой цитоплазмы окружает ядро. В ядре видны ядрышко и тонкие хроматиновые нити. Вплоть до диплотены ооциты находятся в так называемой генеративной фазе – и в это время в основном наблюдаются хромосомные преобразования в ядре ооцита (Касьянов и др., 1980). Диаметр ядра в ооцитах фазы диплотены составляет 10-14 мкм. После завершения диплотены и в ядре и в цитоплазме ооцита происходят значительные изменения, наступает период превителлогенеза.
Размеры ядра увеличиваются, возрастает количество ядрышек до 5-10;
ранее сильно спирализованные хромосомы деспирализуются и приобретают вид так называемых «ламповых щеток». Для вегетативной фазы ооцита характерно значительное увеличение объема цитоплазмы (цитоплазматический рост) и появление большого количества запасных веществ (трофоплазматический рост). Размеры ооцитов первой фазы 25 225 мкм, ооцитов, вступающих во вторую фазу - 250-450 мкм.
Вителлогенез осуществляется при достижении ооцитами размеров 475- мкм и характеризуется появлением желточных гранул. Гранулы имеют диаметр около 5 мкм и содержат гомогенные жироподобные включения (Lnning, 1976;
Falk-Petersen, 1982). Ооциты в начале вегетативной фазы располагаются вдоль стенки трубочки, в конце этой фазы ооциты освобождаются от связи со стенкой и свободно лежат в просвете гонады.
Ко времени нереста свободно лежащие ооциты, завершившие вителлогенез имеют d=700-900 мкм и заполняют просвет половых трубочек. Во время нереста гаметы выходят из яичника, и, проходя по гонодукту, выходят в морскую воду, где и происходит оплодотворение.
I и II мейотические деления в ооцитах голотурий завершаются после овуляции и оплодотворения, поэтому у них, как и у большинства иглокожих, во время нереста выметываются не яйца, а готовые к созреванию ооциты I порядка.
4.4. Репродуктивный цикл и стадии зрелости гонад самок Нами при изучении яичников кукумарии Баренцева моря в репродуктивном цикле выделено 5 стадий развития: восстановления, роста, созревания, зрелости и посленерестовая.
I стадия. Восстановление. Диаметр трубочек около 1 мм. Стенка трубочек толстая, герминальный эпителий свернут. Зрелые половые клетки практически отсутствуют. В основном в половых трубочках находятся ооциты цитоплазматического роста d=25-225 мкм и в небольших количествах ооциты, перешедшие к накоплению желточных гранул в цитоплазме d=250-450 мкм. Многочисленные ооциты подвергаются резорбции.
II стадия. Рост. Стенка трубочек толстая, 260 - 350 мкм в диаметре.
Трубочки содержат ооциты первой фазы роста, и увеличивается количество ооцитов трофоплазматического роста. Единично встречаются вителлогенные ооциты d=475-675 мкм. Резорбции подвергаются ооциты различных категорий.
III стадия. Созревание. Половые трубочки имеют максимальный диаметр и минимальную толщину стенки (50-80 мкм). Процентное соотношение ооцитов в большинстве трубочек постепенно изменяется в сторону увеличения доли ооцитов, предназначенных для вымета. В трубочках обнаруживаются ооциты предыдущих фаз развития.
IV стадия. Зрелость. Диаметр половых трубок 2 мм. Трубочки яичника тонкие, при незначительном повреждении из них вытекают ооциты. Попадаются незрелые клетки. Просвет трубочек заполнен ооцитами I порядка, которые выводятся порциями. По мере их выведения трубочки спадаются.
V стадия. Посленерестовая. Диаметр половых трубочек 1 мм, их стенка свернутая. Толщина ее 100-150 мкм, на некоторых участках - 190 300 мкм. Половые трубочки спавшиеся. Трубочки существенно отличаются по количественному и качественному составу ооцитов. В отнерестившихся яичниках обнаруживаются половые клетки на разных стадиях развития. Встречаются трубочки, не содержащие крупных ооцитов. Начинается фагоцитоз ооцитов разных категорий зрелости.
Необходимо отметить, что границы между стадиями определяются условно и перекрываются. Когда мы говорим, что гонада находится на данной стадии, это не значит, что в гонаде совсем не идут процессы иные, чем тот, который является определяющим. К примеру, в гонаде одной особи на стадии нереста наряду с нерестом могут идти процессы роста и даже размножения половых клеток (Касьянов и др., 1980). Характеристика состояния гонад в популяции основывается на том, что большинство особей имеет гонады на этой стадии.
4.5. Сезонная динамика развития яичников Лето. В начале лета большинство самок имеют гонады на стадии V.
Идентификация этой стадии зрелости не вызывает затруднений, так как после нереста половые трубочки спадаются. Стенка трубочек неровная (рис. 3). Половые трубочки яичника содержат половые клетки разных фаз развития. Резорбции подвергаются ооциты различного диаметра.
Рис. 3. Участок яичника. V стадия зрелости. Июнь. Об. 4х В июле и августе происходит восстановление гонад, начинается процесс гаметогенеза. Стенка трубочек утолщается. Толщина ее 190- мкм, 260-280 мкм, в отдельных участках достигает максимальных в годовом цикле размеров 345-350 мкм. На поперечных срезах трубочек заметна складчатость их стенок. Вдоль внутренней поверхности трубочек появляются оогонии.
Рис. 4. Участок яичника. I стадия зрелости. Июль. Об. 4х Полость трубочек гонады заполнена ооцитами округлой и овальной формы. Большей частью это превителлогенные ооциты – фазы цитоплазматического роста и фазы первоначального накопления полисахаридов (рис. 4). Ооциты цитоплазматического роста имеют базофильно окрашенную цитоплазму. Вителлогенные ооциты немногочисленны. В ядрах половых клеток содержится от 3 до 6 ядрышек.
Половые клетки окружены фолликулярными клетками. В основном резорбции подвергаются превителлогенные ооциты.
Осень. В осенний период в гонадах продолжаются восстановительные процессы, и начинается стадия накопления и дифференциации гамет. Половые трубочки имеют максимальную толщину стенки - 250-350 мкм. В сентябре (рис. 5) и октябре вдоль стенки половых трубочек располагаются оогонии и ооциты цитоплазматического роста размерами от 30 до 210 мкм. В просвете трубочек обнаружены превителлогенные ооциты промежуточных размеров. Цитоплазма их имеет зернистую структуру, ядро округлое с небольшим количеством ядрышек.
Рис. 5. Участок яичника. II стадия зрелости. Сентябрь. Об. 4х Развивающиеся ооциты окружены тонкой оболочкой из фолликулярных клеток. Наблюдается резорбция как превителлогенных, так и вителлогенных ооцитов.
В ноябре (рис.6) увеличивается диаметр гонадных трубочек, оогонии отсутствуют, происходит количественное уменьшение ооцитов начальных этапов роста и повышается содержание вителлогенных ооцитов диаметром 475-675 мкм. В больших в сечении трубочках имеются крупные половые клетки, значительная часть которых подвергается резорбции.
Рис. 6. Участок яичника. II стадия зрелости. Ноябрь. Об. 4х Зима. Состояние гонад у самок, описанное для осени, в целом характерно для зимних месяцев (рис. 7). Клеточный состав не претерпевает значительных изменений. Часты картины резорбции гамет. К концу зимы толщина стенки трубочек уменьшается до 170-215 мкм, мелкие половые клетки диаметром 25-75 мкм не обнаружены. В ядрах превителлогенных ооцитов насчитывается большое количество ядрышек от 5 до 10, что говорит об активных синтетических процессах. Ооциты окружены фолликулярными клетками.
Рис. 7. Участок яичника. II стадия зрелости. Февраль. Об. 4х Весна. В этот период половые трубочки имеют максимальный диаметр и минимальную толщину стенки 50-80 мкм. К концу марта – началу апреля просвет трубочек в основном заполнен ооцитами диаметром 475-675 мкм (рис. 8).
В апреле – мае стенки половых трубочек предельно истончены.
Вителлогенные ооциты диаметром 700-900 мкм составляют 40-60 % от общего количества половых клеток в гонаде. Присутствуют ооциты предыдущих фаз развития.
Рис. 8. Участок яичника. III стадия зрелости. Март. Об. 4х В репродуктивном цикле самок голотурии Cucumaria frondosa Баренцева моря самой непродолжительной является посленерестовая стадия (V стадия зрелости). У большинства особей она начинается в мае и заканчивается в июне. Летом осуществляется восстановление гонад, начинается новая волна гаметогенеза. С июля по август и с сентября по октябрь отмечено возрастание числа оогоний и растущих ооцитов. Самой длительной в годовом цикле является стадия роста (II стадия зрелости), обычно она начинается в сентябре и продолжается по февраль. Самки в преднерестовом состоянии (III стадия зрелости) встречаются с февраля по апрель, а с апреля по май происходит нерест (IV стадия зрелости). Следует отметить, что в гонадах баренцевоморской голотурии после нереста остаются половые клетки на разных стадиях развития. Кроме того, на протяжении всего года в яичниках постоянно происходят процессы резорбции как вителлогенных, так и превителлогенных ооцитов. По мнению ряда исследователей (Оганесян, 1996;
Oganesyan, Grigorjev, 1998) материал резорбирующихся ооцитов является одним из источников питания гонады и растущих женских гамет.
4.6. Динамика гонадного индекса С февраля по май величина гонадного индекса постепенно увеличивается, это связано с накоплением гамет нерестовой генерации и нерестом кукумарии (рис. 9). Минимальные значения индекса гонад наблюдаются у закончивших нерест особей в июне. В июле и сентябре, с развитием восстановительных процессов в гонадах и с возобновлением гаметогенеза отмечается возрастание гонадного индекса. Далее изменения гонадного индекса не имеют закономерного характера из-за наличия в пробах мелкоразмерных особей.
Гонадный индекс,% I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Месяц Рис. 9. Динамика средних значений гонадного индекса (%) самок C. frondosa 4.7. Характер, сроки и продолжительность нереста Характер нереста – порционный, так как в нерестовый сезон не было найдено экземпляров голотурий с гонадой, опустошенной целиком.
Обращает на себя внимание тот факт, что посленерестовые трубочки содержат значительное количество остаточных гамет. Можно предположить, что оставшаяся часть гамет у кукумарии предназначена для вымета через какой-то определенный промежуток времени. Но реализация второго нереста у данного вида не представляется возможной по двум причинам: 1) сразу после нереста начинается резорбция крупных ооцитов при участии питающихся фагоцитов;
2) к моменту завершения нереста у самок у самцов в просветах трубочек остается очень мало невыметанных сперматозоидов (Оганесян, 1996).
О сезоне размножения кукумарии C. frondosa в разных частях ареала в литературе накоплено много данных. Так, в Атлантике, вдоль побережья штата Мэн, начало нереста приходится на середину апреля (Jordan, 1972);
на восточном побережье Канады в эстуарии залива Св. Лаврентия – в июне (Hamel, Mercier, 1995), а в заливе Пассамагуодди (Нью-Брансвик) – между апрелем и маем (Lacalli, 1981). У берегов Норвегии, в районе Лофотенских островов голотурии со зрелыми гонадами встречаются в феврале (Mortensen, 1927), а в южных участках, в районе Бергена, в феврале-марте (Nordgaard, 1912). Согласно данным более поздних наблюдений в районе Бергена (Lnning, 1976) наибольшее количество нерестующих особей обнаружено в период с января по март. В Северном море размножение кукумарии происходит с конца февраля до конца марта (Runnstrm, Runnstrm, 1921). У берегов Северной Норвегии нерест наблюдается в апреле-мае (Falk-Petersen, 1982). В районе мыса Святой Нос, юго восточной части Баренцева моря, кукумария нерестится с февраля по апрель (Оганесян, 1996).
Наши исследования показали, что нерест голотурии C. frondosa в исследованных акваториях Баренцева моря происходит с марта по май.
Анализ данных литературы и собственных наблюдений позволяют установить, что в популяциях, сезон размножения кукумарии приходится на зимне-весеннее и весеннее время, продолжительностью от 1 до месяцев.
4.8. Факторы, влияющие на гаметогенез и нерест кукумарии Накопление гамет и их рост в значительной степени зависят от наличия запасных питательных веществ в организме, интенсивности поступления питательных веществ из пищеварительной системы, количества доступной пищи. Любая стадия годового репродуктивного цикла зависит от внешних условий, включая размножение гониев, рост гамет и их созревание. Факторы внешней среды могут увеличивать или сокращать длительность репродуктивного цикла (Касьянов и др., 1980).
У кукумарии Баренцева моря восстановление гонад и начало новой волны гаметогенеза осуществляется с июля по октябрь, что совпадает по времени с повышением температуры воды у дна (рис. 10) и обилием пищи.
В конце осени и в начале зимы в яичниках отмечена мощная резорбция ооцитов различных стадий зрелости. По-видимому, это связано с увеличением температуры придонных вод (рис. 10) и минимальным уровнем обеспеченности пищей.
При низких значениях температуры воды, в период гидрологической зимы, у самок происходит накопление и дифференциация гамет.
Роль факторов среды в индуцировании нереста голотурий дискутируется достаточно широко. В качестве потенциальных триггеров нереста рассматриваются температура воды (Tanaka, 1958;
Conand, 1993), цветение фитопланктона (Jordan, 1972;
Coady, 1973;
Himmelman, 1975;
Hamel et al., 1993a,b;
1995), интенсивность света (Cameron, Fankboner, 1986), изменение величины интенсивности света по окончании полярной ночи (Oganesyan, Grigorjev, 1998) и наличие спермы или феромонов в толще воды (Касьянов и др., 1980).
Мурм. мелк.
6 Зап.-Приб. р-н м. Св. Нос Тем-ра, С I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Месяцы Рис. 10. Сезонные изменения температуры воды у дна в районе Мурманского мелководья и прибрежных районах Мурмана Мурм. мелк.
Зап.-Приб. р-н м. Св. Нос Тем-ра, С I II III VI VII VIII XI XII IV V IX X Месяцы Рис. 11. Сезонные изменения температуры воды на поверхности в районе Мурманского мелководья и прибрежных районах Мурмана На наш взгляд одним из наиболее важных возможных факторов, стимулирующих нерест C. frondosa, является увеличение солнечной радиации, которая приводит к прогреванию поверхностных слоев воды и массовому развитию фитопланктона.
Прогревание поверхностных слоев в прибрежье Мурмана и юго восточной части моря начинается в апреле-мае (рис. 11) и достигает максимума в августе. В марте начинается весеннее цветение фитопланктона, и к апрелю поверхностные воды почти повсеместно перенасыщаются кислородом (рис. 12). Вспышка развития фитопланктона в Баренцевом море по времени совпадает с нерестом кукумарии. Весенняя вегетация фитопланктона начинается в марте и достигает максимума в апреле-мае (Vahl, 1980;
Бобров, 1985;
Рыжов, 1985). Вполне очевидно, что размножение голотурий, имеющих планктонное потомство, должно быть приурочено ко времени обилия фитопланктона в среде.
Мурм. мелк.
Содержание кислорода, % Зап-Приб. р-н м. Св. Нос I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Месяцы Рис. 12. Сезонные изменения содержания кислорода на поверхности в районе Мурманского мелководья и прибрежных районах Мурмана 4.9. Плодовитость Кроме информации об особенностях функционирования репродуктивной системы в разные сезоны года и ритме размножения, для популяционных исследований промысловых гидробионтов необходимы знания о плодовитости, как одной из центральных характеристик репродуктивной стратегии вида.
Индивидуальной плодовитостью голотурий, как и любых других морских животных с наружным оплодотворением, следует считать количество яйцеклеток, выметанное за сезон размножения, которое приходится в среднем на одну половозрелую самку.
Индивидуальная абсолютная плодовитость у среднеразмерных особей с массой кожно-мускульного мешка 150-200 г составила 60- тыс. яйцеклеток на гонаду. В пересчете на зрелые гаметы плодовитость составила 8,6-31,4 тыс. ооцитов.
Необходимо отметить, что относительно невысокая плодовитость у кукумарии, по сравнению с другими донными беспозвоночными, компенсируется наличием планктонной личинки лецитотрофного типа, что, в общем, повышает эффективность размножения этих животных и способствует успешному расселению их потомства.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ К основным результатам наших исследований следует отнести данные о плодовитости и морфологии гонад самок. Прослежены сезонные изменения репродуктивной активности и установлен сезон размножения голотурии C. frondosa в условиях Баренцева моря.
Специфической особенностью яичников является неоднородность половых трубочек, отличающихся размерами и клеточным составом. В тонких трубочках комплекс половых клеток характерен для неполовозрелого состояния, большей частью это ооциты цитоплазматического роста, а средние и толстые трубочки содержат все категории половых клеток. Судя по различиям в степени развития трубочек и фазах оогенеза можно предположить, что к нерестовому периоду только часть гонады становится половозрелой. Необходимо отметить еще одну характерную особенность гонад: задолго до нереста, некоторые крупные половые трубочки содержат ооциты, готовые для оплодотворения, но до наступления благоприятных условий вымета половых продуктов не происходит.
К нерестовому сезону истончается стенка трубочек, увеличиваются масса гонад, значения гонадного индекса и диаметр половых трубочек. С помощью морфометрического анализа установлено, что процентное соотношение ооцитов разных фаз развития в течение года подвержено сезонным изменениям. На протяжении всего периода наблюдений в яичниках отмечены процессы резорбции гамет.
В Баренцевом море в популяциях нерест кукумарии приходится на зимне-весеннее и весеннее время, продолжительностью от 1 до 3 месяцев.
Сроки нереста животных скоррелированы с действием комплекса факторов: интенсивностью света, температурными условиями и развитием фитопланктона.
Плодовитость низкая, у среднеразмерных особей она составила 60 150 тыс. клеток, что характерно для видов с лецитотрофной стратегий.
Рациональное использование ресурсов кукумарии возможно только на основе строгого обоснования норм промыслового изъятия. Без знания структуры популяций (возрастной, половой), темпов роста животных, сроков нереста невозможна длительная эксплуатация их поселений. Для таких долгоживущих, малоподвижных животных, как кукумария, необратимое истощение биоресурсов в результате перелова может наступить очень быстро. Поэтому при организации промысла необходимо учитывать сроки нереста кукумарии и продуктивность их популяций.
Использование C. frondosa Баренцева моря для пищевых и фармакологических целей необходимо, но только рационально и грамотно, под контролем ученых и природоохранных организаций.
ВЫВОДЫ 1. Яичники голотурии Cucumaria frondosa Баренцева моря характеризуются неоднородностью половых трубочек, которая выражается в размерных различиях и в стадиях зрелости. В тонких трубочках диаметром 0,15-0,50 мм комплекс половых клеток характерен для неполовозрелого состояния, большей частью это ооциты цитоплазматического роста. Средние трубочки диаметром 0,60-1,00 мм и толстые трубочки диаметром более 1,00 мм содержат все категории половых клеток.
2. В годовом репродуктивном цикле самок баренцевоморской кукумарии выделено 5 стадий оогенетического развития: восстановления, роста, созревания, зрелости и состояние после нереста. Каждая стадия имеет свои цитоморфологические особенности.
3. Установлена сезонная динамика развития гонад самок. Самой непродолжительной является посленерестовая стадия (V стадия зрелости).
У большинства особей она начинается в мае и заканчивается в июне.
Летом осуществляется восстановление гонад, начинается новая волна гаметогенеза. С июля по август и с сентября по октябрь отмечено возрастание числа оогоний и растущих ооцитов. Самой длительной в годовом цикле является стадия роста (II стадия зрелости), обычно она начинается в сентябре и продолжается по февраль. Самки в преднерестовом состоянии (III стадия зрелости) встречаются с февраля по апрель, а с апреля по май происходит нерест (IV стадия зрелости).
Необходимо отметить, что на протяжении годового цикла в половых трубочках постоянно протекают процессы резорбции гамет.
4. Гаметогенетические процессы, происходящие в яичниках, непосредственно связаны с факторами среды. Восстановление гонад и появление оогоний совпадает во времени с увеличением температуры придонных вод и обилием пищи. Дифференциация и накопление нерестовой генерации гамет происходит в период гидрологической зимы, при низких значениях температуры воды.
5. Нерест C. frondosa в Баренцевом море в популяциях осуществляется в зимне-весеннее и весеннее время, его продолжительность составляет от 1 до 3 месяцев. Характер нереста порционный. Нерест связан с сезонным повышением температуры поверхностных вод и массовым развитием фитопланктона.
6. Индивидуальная абсолютная плодовитость среднеразмерных особей с массой кожно-мускульного мешка 150-200 г составила 60- тыс. яйцеклеток на гонаду. В пересчете на зрелые гаметы плодовитость составила 8,6-31,4 тыс. ооцитов.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Анциферова, А.В. Состояние гонад баренцевоморской голотурии C. frondosa в летний период / А.В. Анциферова // Материалы ХХ юбилейн. конф. молодых ученых Мурман. мор. биолог. ин-та / ММБИ КНЦ РАН. - Мурманск, 2002. - С. 5-6.
2. Анциферова, А.В. Морфология и биохимия гонад промысловой голотурии Баренцева моря / А.В. Анциферова // Наука и образование – 2002: тезисы всерос. науч.-техн. конф. / Мурман. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2002. – С. 573.
3. Анциферова, А.В. Состояние гонад Cucumaria frondosa юго-восточной части Баренцева моря / Е.А. Анохина, А.В. Анциферова // Тезисы студ.
науч.-техн. конф. / Мурман. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2002. – С. 53 54.
4. Анциферова, А.В. Исследование репродуктивной функции промысловой голотурии Баренцева моря / А.В. Анциферова // Новые технологии в решении проблем сохранения биоразнообразия в водных экосистемах: материалы междунар. науч. конф.: сб. ст. / МГУ им.
М.В. Ломоносова. М., 2002. - С. 76.
5. Анциферова, А.В. К вопросу о промышленном освоении Cucumaria frondosa Баренцева моря / А.В. Анциферова // Наука и образование – 2003: материалы Всерос. науч.-техн. конф. (Мурманск, 2-16 апреля г.): в 5 ч. / Мурман. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2003. – Ч. 4.- С. 116.
6. Анциферова, А.В. Необходимость изучения репродуктивной биологии Cucumaria frondosa в связи с её промышленным освоением / А.В. Анциферова, Е.А. Анохина // Тезисы молодёжной междунар. конф.
«Экология-2003» / Ин-т экологических проблем Севера УрО РАН. – Архангельск, 2003.- С. 139.
7. Анциферова, А.В. К вопросу о промышленном освоении голотурии Cucumaria frondosa Баренцева моря / А.В. Анциферова, Е.А. Анохина // Межвуз. сб. тр. по материалам Всерос. науч.-техн. конф. «Наука и образование - 2003» / Мурман. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2003. – С.212-216.
8. Анциферова, А.В. Пространственная организация гаметогенеза у голотурии Cucumaria frondosa / А.В. Анциферова // Наука и образование – 2004: материалы междунар. науч.-техн. конф.: в 6 ч. / Мурман. гос. техн. ун-т. – Мурманск, 2004. - Ч.6 – С. 34-38.
9. Анциферова, А.В. Морфометрический анализ гонад промысловой голотурии Cucumaria frondosa Баренцева моря / А.Е. Брязгина, Е.Н. Гудимова, А.В. Анциферова // Тезисы докл. студ. науч.-техн. конф.
/ Мурман. гос. техн. ун-т. - Мурманск, 2005 - С. 184-186.
10. Анциферова, А.В. Репродуктивная биология баренцевоморской голотурии Cucumaria frondosa в связи с ее промышленным освоением:
материалы Международной научно-технической конференции: в 7 ч. / А.В. Анциферова. – Мурманск: МГТУ, 2005. Ч. 6 – С. 62-64.
11. Анциферова, А.В. Особенности репродуктивной биологии голотурии Cucumaria frondosa Баренцева моря в осенне-зимний период / А.В. Анциферова // Докл. Моск. общества испытателей природы. Т. 39:
Биотехнология - охране окружающей среды. - М.: Графикон, 2006. - С.
25-28.
12. Анциферова, А.В. Предварительная оценка состояния гонад промысловой голотурии Cucumaria frondosa Баренцева моря в зимний период (Электронный ресурс) А.В. Анциферова, А.Е. Брязгина // МГТУ.
Электрон. текст. Дан (16 Мб). – Мурманск: МГТУ, 2006. - Междунар.
науч.-техн. конф. «Наука и образование - 2006». – С. 552-554. – НТЦ «Информрегистр» № 0320501517, св. 7081 от 28.11.2005 г.
13. Анциферова А.В. Состояние гонад голотурии Cucumaria frondosa Баренцева моря в осенне-зимний период / А.В. Анциферова // Вестник МГТУ: Труды Мурман. гос. техн. ун-та. - Мурманск, 2006. Т. 9, № 5. – С. 762-765.
14. Antsiferova, A. Gonadal morphology and oogenic stages of Cucumaria frondosa from the Barents sea: comparative aspect 12th International Echinoderm conference, 2006 / E. Gudimova, A. Antsiferova;
University of new Hampshire Durham NH. - P. 79-80.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю канд. биол. наук Гудимовой Елене Николаевне за руководство научной работой и квалифицированные консультации, д-ру биол. наук, профессору Мелеховой Ольге Петровне за совместную проработку теоретических аспектов, д-ру биол. наук, Заслуженному работнику Высшей школы, профессору, зав. кафедрой микробиологии Перетрухиной Алефтине Трофимовне за высказанные ценные советы и поддержку. Зам генерального директора «НОРД-ВЕСТ Ф.К.» Степаненко В.Л., мл. науч. сотруд. ПИНРО Грекову А.А. за помощь и участие в сборе материала, а также коллегам биологического факультета за поддержку и грамотные замечания.