Тема: "Исследование физиолого-биохимических механизмов адаптации морских организмов к меняющимся условиям среды обитания и экстремальным воздействиям" (рук. к.б.н. С.Л. Кондрашев).

Цель НИР – изучение реакций адаптаций и повреждения у морских организмов (микроводорослей, донных беспозвоночных и рыб) при воздействии биотических и неоптимальных абиотических факторов среды и загрязняющих веществ, а также использование биоиндикаторов для контроля состояния морской среды.

Морские организмы, обитающие в прибрежной морской зоне, подвержены воздействию разнообразных, в том числе – экстремальных, факторов среды – гипоксии, гипер- и гипотермии, пониженной солености, освещенности, а также антропогенного загрязнения. Процессы воспроизводства биоресурсов в значительной степени зависят от качества водной среды в мелководных зонах, поскольку именно здесь размножаются и проходят ранние стадии онтогенеза многие виды рыб и беспозвоночных животных. Морские организмы обладают необходимым запасом фенотипической морфофизиологической пластичности, позволяющей им адаптироваться к многокомпонентной изменяющейся внешней среде и выживать в достаточно широких диапазонах температуры, солености, содержания кислорода, мутности воды и освещенности. Однако механизмы этой пластичности в значительной степени не изучены.

Особый интерес представляет такое последствие загрязнения морских вод городскими и сельскохозяйственными сточными водами как эвтрофикация – обогащение морской среды веществами, стимулирующими развитие фитопланктона. В приповерхностных слоях создается «избыточная» биомасса фитопланктона, которая не успевает утилизироваться зоопланктоном. Микроводоросли потребляют растворенный в воде кислород, кроме того, избыточный фитопланктон оседает на дно, где подвергается микробиологическому разложению с потреблением кислорода. Это становится причиной развития гипоксии, наиболее сильно выраженной в придонном слое воды, поэтому изучение механизмов адаптации донных беспозвоночных к дефициту кислорода представляет актуальную задачу.

По некоторым оценкам, морские беспозвоночные с внешним оплодотворением и питающейся фитопланктоном (планктотрофной) личинкой составляют около 70% всех видов морских беспозвоночных. Репродуктивный цикл морских таких животных завершается нерестом, приуроченным к сезону с оптимальными условиями для развития потомства – температурой и соленостью воды, наличием пищи для потомства. В связи с этим большой интерес представляет изучение репродуктивных адаптаций донных беспозвоночных с планктотрофной личинкой к эвтрофированной среде обитания.

Изучение реакций морских организмов на изменение химического состава среды, происходящих на разных уровнях организации, от молекулярного до популяционного и биоценотического, необходимо для того чтобы выявить такие реакции, по которым можно судить о наличии в морской среде загрязняющих веществ, то есть которые могут служить биомаркёрами загрязнения и использоваться в системе биологического мониторинга качества прибрежных вод. Свойство некоторых гидробионтов, таких как прикрепленные моллюски, в частности митилиды, накапливать в своих органах и тканях различные химические соединения используют для оценки уровня загрязнения ими водных экосистем путем химического анализа тканей моллюсков. С другой стороны, поступление загрязняющих веществ в организм гидробионта приводит к запуску сложной цепочки биохимических реакций, в результате которой появляются вещества, не характерные для нормального метаболизма (молекулярные биомаркеры загрязнения) и патологические изменения органов и тканей – гистологические биомаркеры загрязнения. По характеру и степени выраженности таких изменений можно судить об уровне загрязнения морской среды определенными группами химических соединений, с одной стороны, и об уровне опасности загрязненной среды обитания для гидробионтов, с другой стороны.

В рамках темы проводиится сравнительное исследование морфо-физиологической организации зрительной системы рыб, отражающей специализированные адаптации к внешней среде, параметрам освещения, восприятию и анализу зрительных стимулов.

Специализация отдельных нейронов и зрительных путей прослеживается на самых разных уровнях организации зрительной системы позвоночных и среди представителей всех систематических групп, включая высших приматов и человека. Характерными примерами такой специализации является неравномерное (мозаичное) присутствие фоторецепторов в сетчатке, различие в их спектральной чувствительности, сложное пространственное распределение, формирующее поля повышенной плотности нейронов и зоны острого зрения. Представляет значительный интерес выяснение того, как отражаются специальные морфо-физиологические особенности фоторецепторов и нейронов более высокого порядка в поведенческих реакциях животных.

Низшие позвоночные (рыбы и амфибии) традиционно являются модельными экспериментальными объектами для изучения этой проблемы, физиологии зрения и цветового зрения, в частности. Удобство этих объектов определяется их доступностью, лёгкостью содержания, сравнительной простотой постановки экспериментов, а также тем, тем, что у них уже на уровне сетчатки выделяются существенные признаки зрительного окружения, и производится значительная доля анализа информации при ее передаче от фоторецепторов до уровня ганглиозных клеток сетчатки (ГК), сообщающих основные сведения о признаках зрительного окружения в мозг. К тому же строение их сетчатки устроена типично для всех позвоночных.

Фоторецепторы сетчатки – входные нейроны зрительной системы - содержат разнообразные зрительные пигменты и проявяляют отчетливые признаки специализации. В литературе имеются сведения о зрительных пигментах рыб из разных семейств или принадлежащих определенной экологической группе, обитающих в водоеме с относительно однородными свойствами. Несмотря на постоянное пополнение сведений о свойствах фоторецепторов и зрительных пигментах рыб, имеющихся данных недостаточно, либо они неполны. Прибрежная ихтиофауна Японского моря насчитывает сотни видов и несколько десятков семейств, что предоставляет большие возможности для сравнительных исследований. В этой связи задача НИР, связанная с определением морфологии и спектральной чувствительности фоторецепторов сетчатки, а также свойств зрительных пигментов морских рыб, продолжает быть актуальной.

К настоящему времени накоплены достаточно обширные сведения о специфике нейрональной организации как центральных, так и периферических (сетчатка) компонентов зрительной системы позвоночных. Известны основные закономерности обработки зрительной информации на уровне сетчатки, а также ее дальнейшего преобразования в зрительных центрах разного уровня. В то же время, одно из актуальных и интенсивно развивающихся направлений современной нейробиологии - количественное описание и моделирование функционирования зрительной системы - невозможно без детальных сведений о типах и количестве нервных клеток, участвующих в обработке зрительной информации, комплексной характеристики их морфологии, классификации, пространственной организации и связей, равно как и их физиологических свойств. В связи с необходимостью построения классификации нейронов встает задача разработки эффетивных методов математического анализа материала с целью получения адекватных результатов. Вся обработанная сетчаткой информация передается в мозг животных конечными нейронами – ганглиозными клетками. К сегодняшнему дню ГК низших позвоночных, в частности, рыб, изучены хуже, нежели ГК высших позвоночных. Структурная организация и центральные проекции ГК исследованы лишь у примерно двух десятков видов рыб. Для проверки гипотез о путях и направлениях филогенетических преобразований зрительной системы требуется привлечение сравнительного материала от достаточно большого числа видов, представляющих разные таксоны. В этой связи степень изученности ГК рыб можно считать недостаточной, учитывая видовое богатство этой группы позвоночных, широту адаптивной радиации и разнообразие занимаемых экологических ниш.

В настоящее время имеются детальные данные о физиологических свойствах различных ганглиозных клеток сетчатки низших позвоночных, направляющих аксоны из сетчатки в разные центры мозга. Ранее в нашей лаборатории было показано, что некоторые виды являются уникальными модельными объектами для изучения цветового зрения позвоночных в поведенческих экспериментах Всё это позволяет давать исчерпывающее физическое описание применяемых стимулов и проводить строгие поведенческие эксперименты по исследованию механизмов цветового зрения.

Информацию подготовил вед.н.с. Кондрашев С.Л.