Адаптация водорослей баренцева моря к условиям освещения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Учреждение российской академии наук

Мурманский морской биологический институт Кольского научного центра ран

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

«Адаптация водорослей баренцева моря к условиям освещения»

25.00.28 - «океанология»

доктора биологических наук

Макаров Михаил Владимирович

Мурманск - 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии наук Мурманский морской биологический институт Кольского научного центра РАН (ММБИ КНЦ РАН)

Научный консультант:

д.б.н. Воскобойников Григорий Михайлович.

Официальные оппоненты:

чл. корр. РАН, д.б.н. Жиров Владимир Константинович

д.б.н., профессор Громов Валентин Валентинович

д.б.н., профессор Камнев Александр Николаевич

Ведущая организация:

Мурманский государственный технический университет

Защита состоится 25 декабря 2010 г. в 10 ч 00 мин на заседании диссертационного совета Д 002.140.01 Мурманского морского биологического института по адресу:

183010, г. Мурманск, ул. Владимирская, 17

факс: (8152) 25-39-94

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Мурманского морского биологического института КНЦ РАН

Автореферат разослан “….” 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат географических наук Е.Э. Кириллова

Общая характеристика работы

Актуальность исследования Водоросли-макрофиты являются одним из основных источников органического вещества и кислорода в прибрежной зоне морей и в значительной степени определяют состояние морских экосистем. Выступая в качестве одного из средообразующих природных компонентов, они взаимодействуют со многими видами животных и растительных организмов. Являясь продуцентами большого количества биологически активных веществ, водоросли широко используются в пищевой промышленности, биотехнологии, медицине, косметологии, сельском хозяйстве.

На всех стадиях онтогенеза, от споры до взрослого растения, водоросли-макрофиты подвергаются воздействию абиотических и биотических факторов среды обитания. Ведущим фактором внешней среды, оказывающим влияние на водоросли, как на представителей фотоавтотрофных организмов, является свет: его интенсивность, спектральный состав и фотопериод.

Большинство окраинных морей России находятся за пределом полярного круга. Поэтому обитающие здесь водоросли оказываются под воздействием не только низких температур, но и перепадов освещенности от полярного дня до полярной ночи. Соответственно, в течение года значительно меняется воспринимаемая ими суммарная доза дневной солнечной радиации, интенсивность освещения и спектральный состав света вследствие различной высоты поднятия солнца над уровнем горизонта, наличия ледового покрова на поверхности моря, количества планктонных организмов, растворенного органического и взвешенного вещества и т.д.

Из всех северных морей России Баренцево море, благодаря заходящим в него теплым водам Северо-Атлантического течения, структуре береговой линии и отсутствию мощных пресных водотоков, является наиболее продуктивным (Зенкевич, 1947; Экология и биологическая продуктивность…, 1990; Саускан, 1996). Видовое разнообразие и биомасса водорослей в нем максимальны, особенно вдоль Мурманского побережья. К настоящему времени в Баренцевом море описано 194 вида водорослей-макрофитов. Из них 39 видов представляют зеленые водоросли, 80 - бурые и 75 - красные.

Помимо экзогенного воздействия на макроводоросли абиотических и биотических факторов среды, имеется и эндогенная регуляция физиологических процессов. И если одни ее проявления хорошо заметны (например, начало роста некоторых видов в середине полярной ночи), то другие могут маскироваться действием внешних короткопериодических (суточная смена освещения, приливоотливные циклы) и продолжительных (полярный день - полярная ночь) воздействий.

Несмотря на более чем двухвековой период исследований, многие аспекты физиологии водорослей арктических морей, позволяющие им существовать в условиях значительных изменений освещения и низкой температуры, остаются малоизученными. В связи с этим также являются открытыми вопросы биоразнообразия и распространения водорослей в высокие широты. При наличии большого количества теорий, описывающих основы биоразнообразия и распределения наземных и морских организмов (см. обзор Willig et al., 2003), лишь отдельные исследования рассматривают механизмы, обеспечившие возможность распространения водорослей и приведшие к образованию новых видов в процессе эволюционного развития (Перестенко, 1998; Howe, Brunner, 2005).

Вплоть до недавнего времени, основным фактором, ограничивающим распространение морской флоры в высокие широты, считалась низкая температура (Hoek, 1982a,b, 1984; Lьning, 1984; Перестенко, 1998; Cambridge, 1990; Novaczek, Breeman, 1988, 1990 Howe, Brunner, 2005; Verbruggen et al., 2009). Однако проведенные автором многолетние натурные наблюдения и эксперименты позволяют утверждать, что приспособленность водорослей к смене освещения от полярного дня до полярной ночи также оказывала влияние на их распространение. Это подтверждает выдвинутую в последние годы гипотезу о комплексном барьере, контролирующем биогеографическое распространение водорослей (см. обзоры Campana et al., 2009; Gomez et al., 2009; Wulff et al., 2009; Zacher et al., 2009).

Решение проблем рационального природопользования также невозможно без тщательного изучения биологических особенностей всех компонентов экосистемы. Исследование водорослей на разных уровнях их организации, от молекулярного до популяционного, позволяет раскрыть механизмы адаптации организмов к факторам среды, особенно в арктическом регионе. Еще один аспект данного направления - это развитие полярной аквакультуры и восстановление природных зарослей водорослей, требующее понимания закономерностей функционирования организмов. Таким образом, расширение исследований водорослей северных морей актуально для решения задач фундаментальной и прикладной биологической науки.

Цель и задачи исследования. Цель работы: выявить адаптации водорослей-макрофитов Баренцева моря к условиям освещения, и показать их роль в распространении водорослей в высокие широты.

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

1) Оценка влияния на морфо-физиологические параметры водорослей следующих составляющих освещения:

a) интенсивность;

б)фотопериод;

в)спектральный состав.

2) Выявление сезонных изменений фотосинтетического аппарата доминантных видов водорослей.

3) Выявление механизмов, позволяющих водорослям-макрофитам существовать в условиях полярной ночи и при отсутствии освещения.

4) Определение влияния глубины произрастания на морфо-физиологические параметры водорослей.

5) Оценка вклада фактора освещенности в вертикальную зональность распределения водорослей на побережье Баренцева моря.

Научная новизна. Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные автором лично или совместно с коллегами, позволили выявить адаптации водорослей Баренцева моря к меняющимся в течение года условиям освещения.

Впервые экспериментально показано:

1) адаптация водорослей к изменениям освещения от полярного дня до полярной ночи, а также при увеличении глубины произрастания достигается преобразованиями фотосинтетического аппарата (ФСА). Пластичность ФСА зависит от высоты (глубины) произрастания и систематической принадлежности, увеличиваясь в ряду бурые < красные < зеленые водоросли;

2) на Мурманском побережье Баренцева моря в полярную ночь интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) в дневное время достаточно для прохождения процессов фотосинтеза у водорослей-макрофитов;

3) продолжительность существования многолетних видов водорослей при отсутствии освещения зависит от количества накопленных запасных веществ, структурной организации таллома и возможности перехода на гетеротрофный способ питания. Фотосинтетический аппарат при этом остается в интактном состоянии;

4) нижняя граница произрастания сублиторальных макрофитов зависит от толерантности различных стадий жизненного цикла к освещению, температуре и гидростатическому давлению. В мутных водах вертикальное распространение водорослей ограничивается недостатком освещения, в прозрачных - уровнем гидростатического давления.

Выдвинута гипотеза, что формирование механизмов адаптации к условиям освещения способствовало распространению водорослей в полярные районы.

Полученные экспериментальные данные также подтверждают гипотезу, что в естественных условиях морфологические изменения и функциональное состояние многолетних водорослей определяются генетически (эндогенные ритмы различной периодичности), и синхронизированы с годовыми циклами освещенности в природе (Lьning, 1990). В ходе онтогенетического развития макрофитов генеральная жизненная функция определяет скорость и направленность физиологических и биохимических процессов.

Теоретическое значение работы. Данное исследование вносит существенный вклад в понимание механизмов адаптации, регуляции роста и размножения водорослей-макрофитов Баренцева моря. Результаты экспериментальных исследований позволяют по-новому взглянуть на достаточно устоявшиеся взгляды о функциональном состоянии в период полярной ночи водорослей в частности и прибрежной морской экосистемы в целом, а также на механизмы, определяющие географическое распространение и вертикальную зональность произрастания водорослей.

Практическое значение работы. Полученные данные о репродукции, морфологии, физиологическом состоянии водорослей позволяют прогнозировать последствия и оценивать возможность восстановления прибрежных фитоценозов при антропогенном воздействии и климатических изменениях окружающей среды. Результаты исследований могут служить основой для проведения инженерно-экологических изысканий, разработок ОВОС, развития аквакультуры водорослей. Отдельные положения диссертационной работы могут быть использованы в учебном процессе при подготовке бакалавров, специалистов, магистров по специальностям «биология», «океанология», «экология».

Основные защищаемые положения.

1. На Мурманском побережье адаптация водорослей к низкой интенсивности освещения в период полярной ночи осуществляется за счет снижения метаболической активности и оптимизации функционирования фотосинтетического аппарата. В более высоких широтах при отсутствии освещения некоторые виды макрофитов (фукоиды) способны к частичному или полному переходу на гетеротрофный способ питания.

2. В условиях полярной ночи интенсивности фотосинтетически активной радиации (ФАР) достаточно для прохождения процессов фотосинтеза у водорослей - макрофитов Мурманского побережья Баренцева моря.

3. Присутствующая в естественном освещении ультрафиолетовая радиация оказывает влияние на все этапы жизненного цикла водорослей: стимулирует выход спор в весенний период, ингибирует развитие спор и ранних стадий развития, снижает скорость роста большинства видов водорослей.

4. Нижнюю границу произрастания Laminaria saccharina на Мурманском побережье Баренцева определяет фактор гидростатического давления, поскольку условия освещенности не лимитируют распространение водорослей на бьльшую глубину.

5. Морфологические изменения, вегетативная и репродуктивная активность многолетних водорослей определяются эндогенными ритмами. Фотопериод и спектральный состав освещения являются регуляторами, синхронизирующими эндогенные ритмы с годовыми циклами изменений факторов среды.

Апробация работы. Основные положения диссертации были апробированы на заседаниях Ученого совета Мурманского морского биологического института КНЦ РАН (1995-2010). Материалы диссертационной работы докладывались на международных конгрессах и симпозиумах: “Effect of climate change on terrestrial and freshwater ecosystems” (Рованиеми, Финляндия, 1997), YI International Congress on History of Oceanography (Циндао, Китай, 1999), были представлены на международных конференциях (Мурманск, 1995, 1997 - 1999, 2001, 2002, 2004, 2005, 2009, 2010; С-Петербург, 1996; Ростов-на-Дону, 2008; Владивосток, 2008), региональных конференциях и семинарах.

Публикации По теме диссертации опубликовано более семидесяти работ, наиболее значимые из которых приведены в автореферате, в том числе 13 статей в зарубежных и рекомендованных ВАК периодических изданиях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка литературы. Рукопись содержит 346 страниц текста и 105 рисунков. Список литературы включает 662 названия, в том числе 472 на иностранных языках.

Автор благодарит за помощь и ценные советы в период подготовки диссертации академика РАН Г.Г. Матишова, а также коллег из Мурманского морского биологического института КНЦ РАН, Ботанического института им. В.Л. Комарова РАН, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Мурманского государственного технического университета. Особую благодарность хочу выразить зав. лабораторией альгологии ММБИ д.б.н. Г.М. Воскобойникову и всем сотрудникам лаборатории.

Глубочайшую признательность выражаю своему отцу и учителю, Владимиру Николаевичу Макарову. Его трудолюбие, энтузиазм и ответственное отношение к работе всегда являлись для меня примером.

Содержание работы

Глава 1. Характеристика районов и объектов исследования. Дана характеристика географических, климатических, гидрологических и гидрохимических условий районов Восточного Мурмана и более высоких широт (Земля Франца-Иосифа, Шпицберген). Представлено краткое описание исследованных видов

Глава 2. Обзор литературы. Представлен обзор исследований функционального состояния водорослей-макрофитов высокоширотных районов. Проведен анализ работ, посвященных влиянию на водоросли интенсивности и спектрального состава освещения, ультрафиолетовой радиации, фотопериода, гидростатического давления.

Глава 3. Материалы и методы. Выводы и защищаемые положения работы основаны на результатах наблюдений, натурных и лабораторных экспериментов, проведенных на Мурманском побережье Баренцева моря и арх. Шпицберген, Земля Франца-Иосифа (1993-2009 гг.). В ходе исследований было проведено более 200 экспериментов. Основными объектами являлись представители массовых видов бурых, красных и зеленых водорослей.

Была произведена оценка следующих показателей состояния водорослей: 1) интенсивность фотосинтеза и дыхания, содержание фотосинтетических пигментов; 2) скорость роста и метаболическая активность; 3) структура таллома и ультраструктура клеток. В работе использовались стандартные методы, некоторые были модифицированы для объектов исследования.

Оборудование. Интенсивность ФАР на воздухе определяли по показаниям спектрорадиометра-пиранометра «LI-Cor LI-185A», в воде - погружным квантометром «Квант-А». Интенсивность ультрафиолета-A и Б - по показаниям пиранометров RM 11.

Определение экстинции и спектра поглощения фотосинтетических пигментов, уровня окраски тканей формазаном (метаболическая активность) производили на спектрофотометре SPECORD UV-VIS (Carl Zeiss, Jena).

Содержание кислорода в воде определяли титрометрическим методом (метод Винклера), а также с помощью анализаторов кислорода: термооксиметра AQUA-OXY, оксиметра HI 9143 и кислородного датчика Model 97-08.

Площадь объектов измеряли с помощью компьютерных систем анализа видеоизображения «Image analysis system» и «ВидеоТесТ Мастер-Морфология». В случае микроскопических объектов приемник изображения (фото- или видеокамеру) соединяли со световым микроскопом. При этом контролем линейных размеров являлась шкала делений объект-микрометра.

Оборудование для микроскопии: бинокуляры МБС-9, Leica, микроскоп МБИ-15 с фотонасадкой, электронный микроскоп JEM-100B.

Специальное оборудование, созданное для проведения отдельных экспериментов, описывается в соответствующих разделах.

Лабораторные условия. Эксперименты проводили в термостатируемых помещениях при температуре 10±1°С. Система освещения: галогеновые лампы (ДРЛ-250 или Phillips-300), лампы дневного света (ЛБ-40) и УФ-лампы (UV-A 340, Phillips). Интенсивность освещения регулировали расстоянием от объекта до источника освещения. Фотопериод устанавливали с использованием реле времени. Для экспериментов использовали свежую фильтрованную морскую воду. Смену воды при длительных экспериментах производили 1 раз в 2 суток. Движение воды в емкостях в зависимости от условий эксперимента осуществляли несколькими способами: аэрация воздушным компрессором, погружным насосом, микробиологической качалкой, магнитной мешалкой.

Методы определения. Относительную скорость роста определяли по формуле: V = (ln A₂ - ln A₁) / Т*100%, где А₂ и А₁ - площадь (или масса) в конечный и начальный период эксперимента. Т - время эксперимента (Фотосинтез и биопродуктивность..., 1989).

Интенсивность фотосинтеза определяли титрометрически (метод Винклера) или с помощью термооксиметров по изменению содержания кислорода в воде за период инкубации талломов водорослей. Интенсивность дыхания определяли по изменению содержания кислорода или бикарбоната в воде до и после инкубации талломов методом потенциометрического титрования инкубационной среды. Формы углекислоты рассчитывали по стандартной методике (Carbon Dioxide, 1989). Скорость изменения содержания кислорода или углекислоты рассчитывали в мкг/г сырой массы х час.

Качественный и количественный состав пигментов исследовали по модифицированным методикам (Пигменты …, 1964; Ли, 1978; Маслова и др., 1986). Количество индивидуальных каротиноидов - методом бумажной хроматографии, хлорофиллов "а" “b” и "с" в смеси пигментов - спектрофотометрическим методом, их содержание рассчитывали по принятым формулам (Jeffrey, Humphrey, 1975). Концентрацию пигментов определяли из расчета на 1 г сырой или сухой массы, или на 1 см² таллома.

Содержание сухого вещества определяли путем высушивания пробы в сушильном шкафу при температуре 105°С с последующим взвешиванием на весах с точностью до 0,001 г.

Метаболическую активность определяли тетразолиевым методом на основе колориметрического МТТ-теста (Vistica et al., 1991), модифицированного для водорослей (Рыжик, 2008).

Морфологию тканей и клеток анализировали по стандартным и модифицированным методикам (Воскобойников, Камнев, 1991). Для тонкого морфологического анализа фрагменты талломов фиксировали, обезвоживали и заливали в эпоксидные смолы. Постоянные препараты получали на ультрамикротоме Reichert. Срезы окрашивали толуидиновым синим и бальзамировали. Для электронной микроскопии высечки фиксировали 2,5% глютаровым альдегидом на 0,1 М какодилатном буфере рН=7.2, отмывали и постфиксировали 12 часов 1% OsО₄. Фиксаторы делали изотоничными морской воде с помощью сахарозы. Дегидратацию проводили спиртом и ацетоном, заливали в смесь аралдита с эпоном. Ультратонкие срезы контрастировали уранил-ацетатом и свинцом.

Все экспериментальные исследования проводили, как минимум, в двух повторностях. Для анализа содержания веществ (фотосинтетические пигменты, сухое вещество) брали среднюю биологическую пробу: смешивали небольшие участки тканей различных талломов. Для исследования содержания фотосинтетических пигментов брали 2 пробы, для сухого вещества - 10 проб. Оценку метаболической активности и относительной скорости роста производили по 10 пробам, интенсивности фотосинтеза и дыхания - по 3 (метод Винклера) или 5 (оксиметрия) пробам. Подсчет количества спор производили по полям зрения микроскопа. Учитывалось 10 случайно выбранных полей. Для оцениваемых показателей рассчитывали среднюю арифметическую и стандартное отклонение, используя приложение Microsoft Excel.

Глава 4. Результаты и обсуждение.

4.1. Влияние интенсивности освещения на водоросли-макрофиты. Диапазон интенсивности освещения, необходимый для эффективной работы фотосинтетического аппарата, ограничивается нижним лимитирующим пределом и верхним, при котором процессы фотосинтеза ингибируются. Ранние стадии развития обычно приспособлены к более низкому уровню освещения. Таким образом, диапазон, в котором может существовать вид, сужается и ограничивается верхним пределом интенсивности освещения для ранних стадий и нижним пределом для взрослых растений.

В некоторых случаях, например у ламинариевых, приспособительным механизмом для расширения условий существования является развитие проростков под пологом взрослых растений. У зеленых водорослей наличие фототаксиса у зооспор способствует их движению по направлению к зоне с оптимальными условиями освещения. У бурых водорослей фототаксис отсутствует, однако имеется хемотаксис (Макаров, 1987), определяющий движение зооспор по направлению к взрослым растениям. И для них хемотаксис гомологичен фототаксису.

Таким образом, для понимания процессов функционирования вида при изменяющихся в течение года условиях внешней среды необходимо исследовать ответные реакции и физиологическое состояние организма на всех стадиях онтогенеза.

4.1.2. Влияние интенсивности освещения на ранние стадии онтогенеза Laminaria saccharina. Было проведено исследование влияния интенсивности освещения на скорость оседания, прорастание и дальнейшие стадии развития спор ламинарии сахаристой Баренцева моря. Интенсивность освещения составляла от 0.5 до 100 Вт/м², продолжительность - 24 ч. Данный диапазон соответствует освещению в природных условиях в период выхода спор.

Результаты экспериментов показали, что даже 24-часовое освещение интенсивностью 100 Вт/м² не оказывает влияния на скорость оседания зооспор ламинарии и на их дальнейшее прорастание. После переноса в оптимальные условия (освещенность 20 Вт/м², фотопериод 16/8 свет/темнота) все они развивались одинаково. Некоторое снижение количества проросших спор было отмечено в опыте с интенсивностью освещения 100 Вт/м², из них проросло 90-95%.

При длительном воздействии (3 суток) высокая интенсивность освещения (свыше 50 Вт/м²) вызывала гибель спор. В первые дни споры начинали прорастать в трубку, но через 2-3 суток их развитие прекращалось. Такой же уровень освещения вызывал гибель уже проросших спор. Ранние спорофиты (10 - 40 клеток) показали большую устойчивость: при освещении интенсивностью 75 Вт/м² через 5 суток в их клетках еще содержались структурные элементы, но после 10 суток внутреннее содержимое клеток разрушалось.

Данное исследование показало, что движущиеся зооспоры устойчивы к воздействию высокой интенсивности освещения, которая вызывает элиминацию последующих стадий. Это может быть связано с тем, что фотосинтетический аппарат спор находится в неактивном состоянии и слабо подвержен воздействию стрессовых факторов. Окончательно он формируется у прорастающей споры, и для этой стадии высокие уровни освещения наиболее губительны. Результаты экспериментов подтверждают полученные ранее данные (Kain, 1969, 1996; Макаров, 1987).

У ламинарии сахаристой, произрастающей в различных регионах, имеются существенные отличия в сроках созревания спороносной ткани, обусловленные, по-видимому, различиями среды обитания. Возможно, что именно этим объясняется расхождение данных о минимальной освещенности, требующейся для развития ламинарии (Parke, 1948; Kain, 1969; Lьning, 1980; Chapman, 1984). Также гаметофиты многих видов ламинариевых водорослей способны длительное время (более 18 месяцев) находиться в условиях отсутствия освещения, причем при низких температурах их способность к выживанию увеличивается (tom Dieck, 1993).

4.1.3. Сезонные изменения фотосинтетического аппарата. Существование водорослей в высокоширотных районах с меняющимися условиями освещения от полярного дня до полярной ночи зависит от адаптационных возможностей их фотосинтетического аппарата. Адаптация к интенсивности освещения выражается в изменении площади фотосинтетических мембран, содержания и соотношения фотосинтетических пигментов, размера светособирающих комплексов (ССК), содержания экранирующих и абсорбирующих веществ.

4.1.3.1. Удельная поверхность фотосинтетических мембран. Исследование ультраструктуры хлоропластов зеленой водоросли Ulvaria obscura показало, что в зимний период, по сравнению с летом, значительно увеличивается парциальный объем мембран тилакоидов на единицу площади стромы хлоропласта (рис. 1). Тилакоиды в зимнее время выглядят более плотно упакованными, отмечается уменьшение числа рибосом в строме.

4.1.3.2. Содержание фотосинтетических пигментов У всех видов водорослей максимальное содержание фотосинтетических пигментов наблюдается в апреле и ноябре-декабре, минимальное - в июле-августе (рис. 2).

Увеличение содержания фотосинтетических пигментов, наблюдаемое с января по апрель, может быть вызвано как накоплением пигментов, так и интенсивным ростом водорослей, при котором происходит быстрое увеличение площади таллома, сопровождающееся снижением содержания сухого вещества и увеличением удельной поверхности. Вследствие этого на единицу массы таллома приходится большая площадь и, соответственно, большее количество фотосинтетических пигментов. Хотя при пересчете на клетку их содержание может не изменяться или даже снижаться (Макаров и др., 2007). Однако интенсивные процессы роста требуют значительных энергетических затрат, а также запасов углерода для синтеза структурных элементов, что может вызывать дополнительное развитие фотосинтетического аппарата. В пользу этого предположения свидетельствует также и увеличение размеров ССК в весенний период.

Рис. 1. Фрагмент хлоропласта зеленой водоросли Ulvaria obscura в летний и зимний периоды. Стрелками показаны мембраны тилакоидов. Ув. х 14 000.

Рис. 2. Изменение содержания фотосинтетических пигментов водорослей (сумма хлорофиллов и каротиноидов) в течение года, мкг/г сырой массы.

Начиная с мая интенсивность роста водорослей замедляется, и снижение содержания фотосинтетических пигментов регистрируется количественными методами. Наблюдается межвидовая изменчивость в скорости протекания данных процессов, в результате чего происходит смещение минимальных показателей на более ранние (июль для Ulvaria obscura, Porphyra umbilicalis, Laminaria saccharina) или поздние (август для Ascophyllum nodosum, Fucus serratus) сроки.

4.1.3.3. Размер светособирающего комплекса (ССК). Соотношение хлорофиллов, находящихся в ССК и фотосистемах (ФС I и II) является одной из характеристик эффективности работы фотосинтетического аппарата. Увеличение доли хлорофиллов в ССК и, соответственно, увеличение его размеров, способствует улавливанию большего количества квантов света и свидетельствует о наличии у растения пигментного аппарата «теневого» типа (Maslova, Popova, 1993).

У зеленых водорослей максимальный размер ССК наблюдается в апреле и ноябре-декабре (рис. 3). В весенний период увеличение ССК связано с необходимостью обеспечения процессов интенсивного роста энергетическими и углеродными эквивалентами. В зимний период максимальный размер ССК позволяет растениям использовать низкую интенсивность освещения и функционировать достаточно эффективно.

Рис. 3. Содержание хлорофилла А в ССК зеленых водорослей в течение года (% от общего).

С наступлением лета, при увеличении продолжительности и интенсивности освещения и снижении скорости роста размер ССК уменьшается, что предотвращает поглощение избыточного количества ФАР.

У бурых водорослей светособирающий комплекс назван FCPA (Fucoxanthin-Chlorophyll-Protein Assembly) или «ксантосомой» (по аналогии с фикобилисомами и хлоросомами). Комплекс состоит из 7 идентичных белковых субъединиц по 54 кДа, каждая из которых содержит 13 молекул ХлА, 3 - ХлС, 10 - фукоксантина и 1 - виолаксантина, может присутствовать в-каротин. Соотношение пигментов может варьировать в зависимости от видовой принадлежности (Barrett, Anderson, 1980; Katoh et. al., 1989; 1993; Mimuro et. al., 1990; Passacuet et. al., 1991; Douady et. al., 1993). Миграция поглощенной энергии в ксантосомах происходит по 2 независимым путям, различающимся по скорости, но не по эффективности: от фукоксантина на ХлА и от ХлС на ХлА (Alberte et. al., 1981; Katoh et. al., 1989; Mimuro et. al., 1990). Соотношение пигментов в ССК бурых водорослей неизвестно, поэтому невозможно рассчитать долю хлорофилла, относящихся к ксантосомам. фотосинтетический доминантный водоросль зональность

У красных водорослей присутствует только хлорофилл А. Светособирающим комплексом у них является фикобилисома - пигмент-белковый комплекс, содержащий фикобилины (фикоэритрин, фикоцианин и аллофикоцианин), и передающий энергию в основном на ФС II (Бритон, 1986; Стадничук, 1989).

У высших растений и зеленых водорослей содержание хлорофилла в ССК рассчитывают по соотношению Хл А/Хл Б, поскольку известно, что в ССК данное соотношение составляет 1.2, а остальной хлорофилл приходится на ФС (Lichtenthaller, 1987). У красных и бурых водорослей соотношение хлорофиллов в ССК неизвестно. Поэтому для бурых водорослей распределение хлорофиллов по пулам ССК или ФС мы рассчитывали по соотношению ХлА / ХлС+фукоксантин, а для красных - по соотношению ХлА / фикоэритрин. По аналогии с зелеными водорослями у бурых и красных наименьшее значение данного показателя указывает на максимальный размер ССК.

Как и у зеленых водорослей, у бурых и красных максимальный размер ССК (минимальные значения кривых на рисунке) приходится на апрель и ноябрь - декабрь (рис. 4), что свидетельствует об аналогии адаптационных перестроек фотосинтетического аппарата у различных групп водорослей.

Рис. 4. Изменение относительных размеров ССК у бурых (А) и красных (Б) водорослей в течение года.

При анализе размеров ССК в течение года (таб. 1) обнаружилось, что наибольшим изменениям подвержен фотосинтетический аппарат красных водорослей за счет разрушения фикобилиновых пигментов в летний период. У бурых водорослей он наиболее стабилен. Порядок видов в данной таблице (по отделам) отражает высоту их произрастания по горизонтам литорали в естественных условиях. Возможно, что вертикальная зональность водорослей определяется не только их толерантностью к осушению и температуре, но и лабильностью фотосинтетического аппарата.

Таблица 1. Изменение относительных размеров ССК у различных видов водорослей в течение года.

Отдел/Вид	Изменение (%)*
Красные водоросли	Зеленые водоросли	Бурые водоросли
Porphyra umbilicalis			68,2
Palmaria palmata			67,4
	Enteromorpha intestinalis		66,0
	Ulvaria obscura		43,2
		Ascophyllum nodosum	38,6
		Fucus vesiculosus	32,2
		Fucus distichus	30,8
		Fucus serratus	27,0
		Laminaria saccharina	24,4

* Рассчитывали по формуле: (Max-Min)/Max х 100%.

4.1.3.4. Соотношение фотосинтетических пигментов. Каротиноиды в составе фотосинтетического аппарата выполняют различные функции. Они могут выступать в роли дополнительных светособирающих пигментов и защищать хлорофиллы и белки ФС и реакционных центров (РЦ) от фотодеструкции. Также имеются изоформы каротиноидов не принимающие участие в процессах передачи энергии квантов света для фотосинтетических реакций, которые могут выполнять стабилизирующую функцию, входя в состав фотосинтетических мембран, или являться предшественниками других соединений. Поэтому интерпретация данных о составе и соотношении каротиноидов в свете функциональной направленности их содержания достаточно затруднена.

Общее содержание каротиноидов в течение года сходно с содержанием хлорофиллов: максимум наблюдается весной и поздней осенью, минимум - в летний период. В течение года у разных систематических групп водорослей соотношение каротиноидов и хлорофиллов, а также соотношение количества отдельных каротиноидов и их суммы может значительно изменяется.

Содержание фотосинтетических пигментов является относительной величиной, которая рассчитывается в основном на единицу массы или площади таллома. Данный показатель может зависеть не только от интенсивности освещения, но и от процессов, происходящих в самом растении: накопление или потребление запасных веществ, интенсивный рост, репродукция и т.д., которые могут изменять соотношение площади и массы, т.е. ту основу, на которую рассчитывается содержание пигментов. И процессы, происходящие при сезонном развитии таллома, могут маскировать либо имитировать перестройки фотосинтетического аппарата. Поэтому одним из широко используемых характеристик фотосинтетического аппарата является показатель соотношения хлорофиллов и каротиноидов (Хл/Кар).

По изменению соотношения Хл/Кар исследованные водоросли четко разделяются по систематическим группам. У зеленых водорослей данный показатель достаточно стабилен в течение года, немного увеличивается в летний период и январе (рис. 5А). У красных - в течение лета он постоянен и минимален и значительно повышается в зимне-весенний период, при интенсивном росте (рис. 5Б). У бурых водорослей в течение года соотношение хлорофиллов и каротиноидов достаточно стабильное (рис. 5В).

Анализ соотношения Хл/Кар показал значительное содержание каротиноидов у всех исследованных видов водорослей. Увеличение относительного содержания каротиноидов у зеленых и красных водорослей в период с января по апрель, вероятно, связано с их фотозащитной функцией (поскольку в этот период у водорослей данных систематических групп наблюдается максимальное развитие ССК). У бурых водорослей в это же время происходит накопление экранирующих пигментов (фенольные соединения), защищающих пигментный аппарат от фотодеструкции, что объясняет стабильность соотношения Хл/Кар в течение года

Рис. 5. Изменение соотношения Хл/Кар у зеленых (А), красных (Б) и бурых (В) водорослей в течение года.

Изменение содержания отдельных каротиноидных пигментов и их соотношения с хлорофиллом А также может служить индикатором перестроек фотосинтетического аппарата водорослей в ответ на изменение интенсивности и спектрального состава освещения, а также температуры окружающей среды (Mendoza et al., 1996; Han et al., 2003; Sofronova et al., 2006). Особенно это актуально для литоральных водорослей, испытывающих значительные перепады температур при приливно-отливных циклах.

Пигмент -каротин находится только в фотосистемах (хотя у бурых водорослей небольшое количество данного пигмента может содержаться и в ксантосомах (Passacuet et al. 1991). И если соотношение хлорофиллов А и В характеризует эффективность работы ССК, то содержание -каротина и его соотношение с Хл А может косвенно свидетельствовать об изменении доли хлорофилла, приходящегося на фотосистемы. Поскольку наименьшее содержание -каротина и увеличение соотношения Хл А/-кар приходится на летний период, это позволяет предположить что количество ФС летом сводится до минимума. Возможно также, что в летний период, при повышении температуры воды, снижается необходимость стабилизации фотосинтетических мембран, что является одной из функций каротиноидов и, в основном, -каротина.

У зеленых и бурых водорослей соотношение Хл А/-кар максимально в июле - августе (рис. 6 А, В). У красных водорослей это соотношение достаточно невелико и стабильно (рис. 6 Б). По всей вероятности, адаптация к изменению интенсивности освещения у них происходит в основном за счет изменения размеров ССК.

Рис. 6. Изменение соотношения Хл А/-каротин в талломах зеленых (А), красных (Б) и бурых (В) водорослей, а также соотношения Хл А/Неоксантин у зеленых водорослей (Г) в течение года.

Присущий только зеленым водорослям каротиноид неоксантин входит в состав ССК. Он может выполнять светособирающую функцию, передавая энергию на Хл Б, а также структурную функцию, влияя на пространственное расположение молекул хлорофиллов и ксантофиллов (Croce et al., 1999a,b; Polle et. al., 2001). Возможно поэтому его относительное содержание в течение года изменяется в соответствии с размерами ССК (рис. 6Г).

Ксантофиллы лютеин и виолаксантин выполняют светособирающую, фотозащитную функцию, а также принимают участие в стабилизации хлорофилл-белковых комплексов. Лютеин был выделен нами у красных и зеленых водорослей. У бурых данный пигмент отсутствовал, что также подтверждается литературными данными (Haugan, Liaaen-Jensen, 1994). В отличие от -каротина и неоксантина, связи относительного содержания данных пигментов с сезонными изменениями ССК не обнаружилось.

Соотношение Хл А/Лют у красных водорослей и зеленой ульварии имеет сходную сезонную динамику, с весенним минимумом и постепенным повышением к зимнему периоду (рис. 7).

Рис. 7. Изменение соотношения Хл А/Лютеин в талломах водорослей в течение года.

Такую же динамику наблюдали и при анализе относительного содержания виолаксантина у красных и зеленых водорослей (рис. 8). Особенностью фукусовых водорослей (у ламинарии такого эффекта не наблюдается) являлось резкое снижение содержания виолаксантина в ноябре и накопление в декабре. Возможно, что при недостатке освещения и сниженном в связи с этим синтезе высокомолекулярных соединений, происходит конкуренция за в-каротин, который является предшественником и виолаксантина, и фукоксантина. Поскольку в зимний период более востребована функция светосбора, синтез ксантофиллов переключается на образование фукоксантина за счет снижения содержания виолаксантина. При анализе их сезонных изменений можно отметить, что содержание виолаксантина и фукоксантина у бурых водорослей находится в противофазе (рис. 9 В, Д).

Рис. 8. Изменение соотношения Хл А/Виолаксантин в талломах водорослей в течение года.

Снижение содержания виолаксантина (увеличение соотношения Хл А/Виола) также может быть связано с синтезом абсцизовой кислоты, которая может являться инициатором формирования репродуктивной ткани у бурых водорослей (Nimura, Mizuta, 2002). На Мурманском побережье начало образования репродуктивной ткани фукусовых (Кузнецов, Шошина, 2003) совпадает со временем снижения содержания виолаксантина.

У красных и зеленых водорослей наблюдается стабильное соотношение Хл А/Виолаксантин в течение года, с увеличением показателя в январе, что также может быть связано с образованием репродуктивных тканей.

Изменение содержания отдельных каротиноидов в течение года может происходить вследствие смены их функциональной направленности и напрямую не зависеть от количества Хл А (рис. 9).

Рис. 9. Изменение относительного содержания (% от суммы) отдельных каротиноидов в талломах водорослей в течение года. А, Б - в-каротин, В, Г - виолаксантин, Д - фукоксантин, Е - лютеин.

4.1.4. Сезонные изменения содержания экранирующих и абсорбирующих веществ. Основными экранирующими веществами водорослей, защищающими фотосинтетический аппарат от избытка освещения в летний период, являются фенолы, таннины, микоспоринподобные аминокислоты и т.д. Анализ структуры клеток и клеточных компонентов показал, что количество физодов, содержащих флоротаннины, у фукусовых водорослей в летний период более чем в 2 раза превышает таковой в период полярной ночи. Кроме этого, окраска физодов в летний период более интенсивная (рис. 10).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 10. Изменение количества и структуры физодов (показаны стрелками) в клетках корового слоя бурой водоросли F. vesiculosus в зимний (А) и летний (Б) периоды.

Таким образом, проведенные нами исследования показали структурные и функциональные адаптационные перестройки фотосинтетического аппарата, позволяющие водорослям Баренцева моря эффективно функционировать в течение всего года при значительных изменениях интенсивности освещения. У зеленых водорослей ФСА является наиболее лабильным: в течение года в широких пределах варьирует размер ССК и количество фотосистем, а также относительное содержание каротиноидов. При ответной реакции пигментного аппарата красных водорослей происходит в основном изменение размеров ССК и в меньшей степени содержания каротиноидных пигментов. Наиболее стабильным является ФСА бурых водорослей: незначительное изменение размеров ССК и содержания каротиноидов наблюдается только у водорослей, произрастающих в верхнем горизонте литорали. Адаптация к высокой интенсивности освещения в летний период у бурых водорослей в основном происходит путем накопления экранирующих пигментов.

Данное исследование показало наличие сезонной динамики в содержании и соотношении фотосинтетических пигментов. Характер и диапазон изменений зависит как от систематической принадлежности водорослей, так и от высоты их произрастания на литорали. Несмотря на различия, у водорослей, принадлежащих к разным отделам, имеются общие ответные реакции на изменение интенсивности освещения, что может быть связано как со стратегией их сезонного роста, так и с приспособлением к существованию в условиях высоких широт.

4.1.5. Сезонные изменения содержания сухого вещества. Исследование содержания сухих веществ в талломах водорослей показало, что максимальное их количество приходится на осенний период (кроме Porphyra umbilicalis), а минимальное - на летний. Наблюдаются межвидовые различия, вызванные стратегией сезонного роста и развития водорослей, а также процессами накопления и расходования запасных веществ. Изменение содержания сухих веществ в талломе растений может проявляться при потреблении запасных веществ, изменении рН и осмотического давления, что приводит к накоплению воды в клетках, а также при интенсивном росте таллома.

Наибольшее содержание сухих веществ отмечается у зеленой водоросли Ulvaria obscura, минимальное - у Laminaria saccharina. Изменение данного параметра в течение года (таб. 2) характеризует стратегию сезонного роста и развития водорослей. У двух исследованных видов, Laminaria saccharina и Palmaria palmata, наблюдается не только наименьшее количество, но и минимальная вариабельность содержания сухих веществ в течение года. Это может свидетельствовать о наличии у них дополнительных (кроме потребления запасных веществ) механизмов существования в период полярной ночи. Наибольшие изменения содержания сухих веществ в течение года наблюдаются у Enteromorpha intestinalis и Fucus vesiculosus. Данные виды активно накапливают запасные и структурные вещества в летне-осенний период и используют их в полярную ночь при недостатке освещения. Подробнее механизмы, обеспечивающие существование различных видов водорослей в период полярной ночи, рассмотрены в соответствующей главе.

Таблица 2. Содержание сухих веществ и изменение их содержания в течение года.

Вид	Среднегодовое содержание (% сырого веса)	Изменение * содержания в течение года (%)
Laminaria saccharina	13,2	25.3
Palmaria palmata	18,4	17.2
Enteromorpha intestinalis	18,8	53.1
Fucus serratus	20,2	33.3
Fucus distichus	22,0	37.4
Porphyra umbilicalis	22,4	26.4
Ascophyllum nodosum	24,4	28.3
Fucus vesiculosus	25,2	42.1
Ulvaria obscura	29,0	21.4

* Рассчитывали по формуле: (Max-Min)/Max х 100%.

Исследование содержания сухих веществ показало наличие сезонной динамики данного показателя у водорослей Баренцева моря. Схожести динамик у представителей одного отдела или у видов, произрастающих в одинаковых условиях, выявлено не было. Таким образом, общее содержание сухих веществ зависит от строения таллома конкретного вида водорослей, а изменение содержания в течение года может быть связано только со стратегией их сезонного роста и развития.

4.1.6. Механизмы существования водорослей в период полярной ночи и при отсутствии освещения. На Мурманском побережье Баренцева моря полярная ночь длится около 1 месяца (2 декабря - 10 января). Средняя интенсивность ФАР в середине декабря в полдень составляет около 2 Вт/м². На широте Шпицбергена полярная ночь длится около 4 месяцев (28 октября - 14 февраля). Из них 2 месяца (декабрь - январь) освещение отсутствует.

До недавнего времени считалось, что в течение полярной ночи водоросли впадают в состояние «спячки» или мезабиоза (Голдовский, 1977а, б; Воскобойников, Камнев, 1991). Наши исследования показали наличие физиологической активности водорослей, а также установили, что на Мурманском побережье интенсивность естественного освещения, присутствующего в дневные часы в период полярной ночи, достаточна для протекания реакций фотосинтеза у большинства видов водорослей. Причем интенсивность фотосинтеза в дневное время в несколько (6-8) раз превышает интенсивность дыхания (хотя в течение полных суток, что важно для определения продукционных показателей вида, дыхание превалирует). Косвенно о наличии фотосинтеза свидетельствует и присутствие запасных веществ (крахмальные гранулы и обкладка пиреноида у Ulvaria obscura) водорослей на момент окончания полярной ночи (рис. 11).

Рис. 11. Ультраструктура хлоропласта (КГ - крахмальные гранулы, П - пиреноид) и интенсивность фотосинтеза и дыхания (мгО₂/г сыр. массы*ч) зеленой водоросли Ulvaria obscura в естественных условиях в декабре (ФАР - 3 Вт/м², t=+0.6°С).

Для моделирования условий полярной ночи более высоких широт (архипелаги Земля Франца-Иосифа и Шпицберген), где наблюдается полное отсутствие освещения в течение 2 месяцев, водоросли в зимний период помещали в море в специальный светонепроницаемый контейнер. В данной серии экспериментов были выявлены различные механизмы существования водорослей, и показано, что продолжительность жизни водорослей при отсутствии освещения зависит от структуры таллома и расположения меристематической зоны.

Однолетние водоросли при недостатке освещения находятся в покоящейся стадии. Большинство видов зимний период переживают в виде микроскопических стадий жизненного цикла (гаметофитов или спор) (Breeman, 1988; tom Dieck, 1993).

Многолетние красные и зеленые макроводоросли, имеющие тонкопластинчатую организацию таллома и диффузный рост (отсутствие дифференцированной зоны роста), наиболее чувствительны к недостатку освещения. Продолжительность их существования ограничена количеством внутриклеточных запасных веществ и составляет около 30 суток. При деградации наблюдается разрушение фотосинтетического аппарата, таллом распадается на отдельные фрагменты.

У более высокоорганизованных бурых водорослей кроме потребления запасных веществ имеются дополнительные механизмы, обеспечивающие их существование при отсутствии освещения, обусловленные физиологической дифференциацией различных участков таллома. Механизмы направлены на поддержание меристематической зоны в интактном состоянии. У фукусовых водорослей эта зона находится в апикальной части таллома, у ламинариевых - расположена на границе стволика и пластины.

Псевдопаренхиматозная структура таллома бурых водорослей предполагает наличие гетеротрофного питания внутренних слоев клеток, лишенных возможности фотосинтетической ассимиляции углерода. Их питание обеспечивается ближним транспортом ассимилятов от внешнего фототрофного слоя клеток. При этом во внутренних слоях происходит накопление запасных веществ. При неблагоприятных световых условиях наблюдается обратный транспорт ассимилятов к клеткам внешнего слоя.

Наши исследования показали, что даже при длительном отсутствии освещения клетки внешнего фототрофного слоя у L. saccharina остаются в интактном состоянии и не теряют способности к фотосинтезу. В темноте на 30% снижается толщина центральной части таллома (рис. 12 А), а также содержание сухих веществ (рис. 12 Б). В зоне роста и волане морфологических изменений не происходит. Но в волане наблюдается деградация фотосинтетического аппарата: количество Хл А уменьшается на 30%, фукоксантина - на 40% (рис. 12 В). В центральной части таллома общее содержание фотосинтетических пигментов не меняется, однако несколько увеличивается содержание Хл А и на столько же снижается содержание фукоксантина. Вследствие этого изменяется соотношение хлорофиллов и каротиноидов (рис. 12 Г). В зоне роста перестроек ФА не наблюдалось. При недостатке освещения сохранение зоны роста происходит за счет транспорта запасных веществ из центральной части (о чем свидетельствует снижение ее толщины и массы).

Рис. 12. Изменение морфо-физиологических параметров Laminaria saccharina при отсутствии освещения: А -толщина различных участков таллома (мм), Б - содержание сухого вещества (%), В - содержание фотосинтетических пигментов (мг/г сыр. массы), Г - соотношение фотосинтетических пигментов.

У Laminaria saccharina также существует и дальний транспорт ассимилятов, который активизируется в конце летнего периода. При этом отток ассимилятов от разрушающихся клеток волана и дистальной части пластины к зоне роста (Schmitz, Lobban, 1976) способствует сохранению ее функциональной активности в период полярной ночи и даже позволяет запускать ростовые процессы (Dunton, Schell, 1986; Makarov et al., 1999). К окончанию полярной ночи от таллома остается стволик с зоной роста и небольшой участок пластины. При увеличении фотопериода быстрое формирование новой пластины происходит за счет интенсивного деления клеток меристематической зоны и функциональной активности фотосинтетического аппарата клеток оставшегося участка таллома.

...