Адаптация водорослей баренцева моря к условиям освещения

Таким образом, сохранение жизнеспособности ламинариевых водорослей при отсутствии освещения достигается путем потребления внутриклеточных запасных веществ гетеротрофных слоев клеток и органических веществ, образующихся в процессе автолиза таллома. Продолжительность существования составляет около 60 суток и зависит от возраста таллома и длины пластины.

У фукусовых водорослей зона роста апикальная, и они не могут подобно ламинариевым водорослям активно использовать органические вещества, образующиеся при автолизе таллома. Однако нами было показано, что F. vesiculosus способен до 9 месяцев находиться в условиях отсутствия освещения. Через 3 месяца морфологических изменений таллома не наблюдалось, более того, происходило образование органов размножения - рецептакулов, что свидетельствует о высокой метаболической активности в зимний период, и эндогенной регуляции в развитии репродуктивной ткани.

Через 6 месяцев нахождения в темноте фотосинтетический аппарат водорослей сохранялся в интактном состоянии, количество и соотношение фотосинтетических пигментов оставалось неизменным. Интенсивность фотосинтеза и дыхания менялись незначительно, уровень фотосинтеза был в 6-8 раз выше, чем дыхания (рис 13). На ультраструктурном уровне наблюдали уменьшение размеров и снижение электронной плотности гранул полисахаридной природы, увеличение удельной доли митохондрий и крист в митохондриях.

Восстановления фотосинтетической активности растений, находившихся в темноте, зависело от уровня освещения. Слабое освещение (1.5 Вт/м²) не активировало работу фотосинтетического аппарата, увеличение освещенности до 4 Вт/м² приводило к возрастанию интенсивности фотосинтеза. Данный процесс проходил через стадию понижения скорости ФС. Зависимость процессов восстановления от уровня (или дозы) освещения предполагает наличие связи с энергетическим обменом клетки. Временное снижение фотосинтетической активности могло быть связано с перестройкой энергетического обмена с эндогенного и органотрофного на фототрофный.

Рис. 13. Интенсивность видимого фотосинтеза и дыхания F. vesiculosus (мгО₂/г сыр. массы*ч) после нахождения в условиях отсутствия освещения (90 и 180 суток).

Способность водорослей к поглощению растворенных органических веществ была показана ранее К.М. Хайловым с коллегами (Хайлов, 1971; Хайлов, Фирсов, 1976; Хайлов, Монина, 1977). По всей вероятности, органические вещества используются макрофитами для поддержания энергетического обмена, поскольку нами было показано поглощение карбонат-ионов при отсутствии световой фиксации СО₂ (рис. 14). Данный процесс был также отмечен и у других видов водорослей (Титлянов и др., 1972; Быков, 2003; Колмаков, 2005; Трусова, 2009). Сходные результаты были получены нами и в последующих экспериментах с другими видами фукусовых водорослей.

Рис. 14. Изменения в карбонат-бикарбонатной системе инкубационного раствора при темновом дыхании фукусовых, находившихся 43 суток в темноте, мкг/г сырой массы ч.

Таким образом, проведенное исследование физиологического состояния, морфологии и ультраструктуры клеток водорослей различных систематических групп показало, что на Мурманском побережье возможность их существования в период полярной ночи обеспечивается адаптацией фотосинтетического аппарата к низкому уровню освещения. Максимальная продолжительность существования водорослей при отсутствии освещения зависит от структуры таллома. Красные и зеленые водоросли, имеющие простую организацию, являются наименее устойчивыми. Время их существования в темноте ограничено количеством запасных веществ. У ламинарии сахаристой функциональная специализация различных участков таллома и наличие дальнего транспорта веществ обеспечивает сохранение жизнеспособности в течение 60 суток отсутствия освещения (в зависимости от возраста и длины пластины).

Фукоиды при недостатке освещения способны переходить с фотоавтотрофного на гетеротрофный способ питания, что может являться важным условием их распространения в высоких широтах.

4.2 влияние фотопериода. Нами было проведено исследование влияния фотопериода на скорость роста водорослей-макрофитов Баренцева моря. В течение года определяли относительную скорость роста водорослей в естественных и лабораторных условиях при различном фотопериоде. Показано, что увеличение периода освещения способствует росту водорослей в осенне-зимний период и не влияет или тормозит ростовые процессы в течение весны и лета (рис. 15).

Рис. 15. Относительная скорость роста водорослей (увеличение площади, % в день) в естественных и лабораторных условиях (Т= +10°С, фотопериод 12/12 свет/темнота и постоянное освещение, длительность экспериментов 10-14 дней).

Последующие эксперименты показали, что при постоянном освещении интенсивность роста большинства видов водорослей выше, чем при фотопериоде 12/12 свет/темнота. Тем не менее, в естественных условиях при постоянном освещении (полярный день) и увеличении температуры воды скорость роста водорослей начинает значительно снижаться. Подобный спад не может быть вызван уменьшением количества растворенных органических веществ в воде, поскольку внесение дополнительных биогенных элементов не вызывало увеличения скорости роста. И в данном случае снижение скорости роста является проявлением эндогенных ритмов сезонного развития водорослей.

Сходные данные также были получены и на других видах водорослей из морей умеренных широт (Fortes, Lьning, 1980; Lьning 1991, 1993; tom Dieck, 1991; Lьning, Kadel, 1993; Schaffelke, Lьning, 1994). В основном у водорослей наблюдается реакция на короткодневный фотопериод: инициация образования новой пластины, развитие репродуктивной ткани (Lьning, 1986; 1988; tom Dieck, 1991). Проявление как коротко-, так и длиннодневных периодических реакций у одного вида было отмечено только для красной водоросли Schottera nicaeensis (Perrone, Felicini, 1993). Длина светового дня является ведущим фактором для циркагодовых ритмов. Путем ее изменения можно добиться того, чтобы годовой цикл проходил за значительно более короткий промежуток времени (Lьning, 1991; tom Dieck, 1991; Lьning, Kadel, 1993; Schaffelke, Lьning, 1994).

Таким образом, наши исследования подтвердили вывод К. Люнинга (Lьning, 1993), что фотопериод является регулятором, синхронизирующим эндогенные ритмы водорослей с условиями внешней среды. Особенно это актуально для водорослей полярных морей, где температурные и световые условия в течение года меняются в широких пределах.

4.3 влияние ультрафиолетовой радиации.

4.3.1 Влияние ультрафиолетовой радиации на скорость роста водорослей-макрофитов в естественных условиях. Ультрафиолетовая область спектра (УФ) по длинам волн разделяется на три составляющих: УФ-A (200-280 нм), УФ-Б (280-320 нм) и УФ-С (320-400 нм, Lubin, Frederick, 1989). Озоновый слой полностью задерживает УФ-С, 50% УФ-Б и пропускает почти весь УФ-A (Fritz, 1957; Nachtwey, 1975).

В весенний период, при высокой скорости роста водорослей, ультрафиолетовая радиация (УФ) оказывает наибольшее повреждающее воздействие. Максимальная скорость роста водорослей наблюдается при отсутствии УФ, остается на том же уровне или немного уменьшается под воздействием УФ-А и заметно снижается под воздействием УФ-Б (рис. 16).

Виды, обитающие в нижней литорали и верхней сублиторали и имеющие пластинчатую организацию таллома, оказываются наиболее чувствительными. Эксперименты с применением избирательных фильтров, отсекающих различные спектры УФ-радиации, показали, что у Ulvaria obscura под влиянием УФ-Б интенсивность роста снижается на 64±6%.

Скорость роста Fucus distichus, хотя он и имеет плотную структуру и обитает в средней литорали, снижается на 81±8%. На рост Fucus serratus УФ не оказывает влияния, а у Fucus vesiculosus наблюдается даже увеличение скорости роста, что может объясняться его произрастанием на верхней литорали, и адаптацией его фотосинтетического аппарата к высоким интенсивностям освещения. Поэтому даже небольшой недостаток света может лимитировать ростовые процессы у данного вида.

Рис. 16. Изменение скорости роста водорослей под воздействием различных частей ультрафиолетовой радиации в мае месяце.

Уменьшение скорости роста под влиянием природного УФ-Б также было показано для других видов водорослей, что связывают с нарушением работы фотосинтетического и белоксинтезирующего аппаратов (Harm, 1980; Dohler, 1984; Karentz et al., 1991a; Jordan et al., 1991).

Таким образом, результаты экспериментов свидетельствуют, что в условиях Мурманского побережья Баренцева моря естественный уровень УФ-Б в весенний период снижает скорость роста водорослей. УФ-А не оказывает заметного ингибирующего влияния и, вероятно, служит дополнительным источником энергии в случае уменьшения количества ФАР.

4.3.2. Толерантность различных видов водорослей к УФ-Б. Лабораторные эксперименты показали, что наиболее чувствительными к воздействию УФ-Б являются Saccorhiza dermatodea и Ulvaria obscura. Оба вида снижают скорость роста до отрицательных значений, однако у ульварии наблюдалась высокая скорость восстановительных процессов. У сублиторальных видов Laminaria saccharina и Alaria esculenta при воздействии УФ-Б скорость роста также снижалась и быстро восстанавливалась после снятия воздействия.

Наиболее устойчивыми к воздействию УФ-Б оказались Porphyra umbilicalis и Palmaria palmata. Последняя снижает относительную скорость роста незначительно (с 2.1 до 1.4%/сут), но имеет низкую скорость восстановления. Скорость роста P. umbilicalis под воздействием УФ-Б не снижалась.

Результаты экспериментов показывают, что степень устойчивости разных видов к УФ-Б зависит от содержания экранирующих и УФ-абсорбирующих пигментов, а также активности репарационных процессов.

4.3.3. Влияние УФ-Б на выход и жизнеспособность спор Laminaria saccharina и Palmaria palmata. При облучении спорогенной ткани L. saccharina УФ-Б интенсивностью 1.2 Вт/м² (что соответствует естественному уровню УФ-радиации в ясный летний день) активный выход спор начинался через 4 ч после начала воздействия. Через 6 ч число вышедших спор достигало 10-12 в поле зрения, более половины из них были неподвижны и имели округлую форму. При низкой интенсивности УФ-Б выход спор начинался при большей длительности облучения, в контрольном варианте - через 18 ч после начала опыта (рис. 17).

Наблюдения за прорастанием вышедших спор показали, что облучение ультрафиолетом не повлияло на их дальнейшее развитие. Все споры прорастали на 1-3 сутки после воздействия.

Данный эксперимент показал, что облучение УФ-Б вызывает гибель парафиз в спорогенной ткани L. saccharina, что влечет за собой выход не только подвижных зрелых, но и незрелых спор и отрыв целых спорангиев. Скорость выхода зависит от интенсивности воздействия.

Рис. 17. Влияние УФ-Б на выход спор из спорогенной ткани L. saccharina. Показано количество подвижных и неподвижных спор.

При облучении зооспор L. saccharina УФ-Б показано, что скорость их оседания напрямую зависит от интенсивности воздействия (рис. 18).

Рис. 18. Оседание зооспор L. saccharina под воздействием УФ-Б.

В контрольном варианте споры начинали прорастать в течение первых суток эксперимента. После 12-часового воздействия УФ-Б большинство спор оказались жизнеспособными, однако лаг-фаза между оседанием и началом прорастания колебалась от 4 суток при интенсивности 0.1 Вт/м² до 13 суток при интенсивности 1.2 Вт/м². Из спор, облученных УФ-Б интенсивностью 1.2 Вт/м² в течение 24 ч проросло только 1-2%.

Дальнейшие наблюдения показали отсутствие нарушений развития спор, облученных малой интенсивностью УФ-Б (0.1-0.3 Вт/м²), и даже некоторое стимулирование роста. Гаметофиты состояли из 4-6 клеток, в большинстве из них просматривались клеточные структуры. Большая часть гаметофитов, образовавшаяся из спор, подвергнутых облучению УФ-Б интенсивностью свыше 0.6 Вт/м², значительно отставали в развитии.

При облучении эмбриоспор L. saccharina УФ-Б было показано, что после 12-часового облучения, независимо от его интенсивности, большая их часть оставалась способной к дальнейшему развитию. 24-часовое облучение УФ-Б интенсивностью выше 0.6 Вт/м² приводило к их гибели (рис. 19).

Рис. 19. Прорастание эмбриоспор L. saccharina после 24 ч воздействия УФ-Б.

Оболочка эмбриоспоры значительно толще, чем у зооспоры. Тем не менее, дозы УФ-Б которые не оказывают влияния на развитие зооспор, для эмбриоспор оказывается губительными. Вероятно, это происходит потому, что у эмбриоспор ДНК и белоксинтезирующий аппарат находятся в активном состоянии. Данные структуры в первую очередь подвержены влиянию УФ-Б (Calcins, Barcelo, 1982; Karentz et al., 1991a).

При облучении репродуктивной ткани Palmaria palmata УФ-Б также наблюдалось увеличение скорости выхода тетраспор. Наблюдающейся у ламинарии прямой зависимости между интенсивностью облучения и количеством вышедших спор выявлено не было (рис. 20 А), но активный выход тетраспор происходил после перенесения облученной ткани в темноту.

Эксперимент показал, что перенос растений из условий освещения в темноту вызывает выход тетраспор. Присутствие УФ-Б в предварительном освещении увеличивает выход. Повышение интенсивности УФ-Б до определенных значений (0.6 Вт/м²) вызывает увеличение выхода тетраспор в темноте примерно в 13 раз (в контроле в 2 раза), дальнейшее повышение интенсивности УФ-Б вызывает его ингибирование (рис. 20Б).

Рис. 20. Выход тетраспор из репродуктивной ткани P. palmata при облучении УФ (А) и после переноса облученной ткани в темноту на 10 час (Б).

В отличие от спороношения ламинариевых водорослей (Макаров, 1987) механизм выхода тетраспор из спорогенной ткани Palmaria palmata до сих пор не исследован. Возможно, что в данном процессе задействованы 2 различных механизма: ферментативный лизис клеточной стенки тетраспорангия и сдавливание его соседними клетками, увеличивающими свой объем за счет осмотических процессов. При увеличении количества УФ-радиации повышается осмотическое давление за счет нарушения функционирования механизма ионного транспорта в клеточной мембране и накопления ионов Na⁺ и воды в цитоплазме (Владимиров, Рощупкин, 1975; Green, 1956; Cook, 1965). Однако при этом также нарушается функция белоксинтезирующего аппарата и снижается синтез ферментов (Harm, 1980; Dohler, 1984; Karentz et al., 1991a; Jordan et al., 1991). Таким образом, при малой интенсивности УФ-Б синтез ферментов не снижается, но также не увеличивается и осмотическое давление. При высокой интенсивности осмотическое давление увеличивается, но тормозится синтез ферментов. Возможно, что именно вследствие этого максимальный выход тетраспор происходит при средней интенсивности УФ-Б, когда синтез ферментов еще не снижен, но уже происходит нарастание осмотического давления. То, что активизация выхода происходит в темноте, указывает на наличие еще одного, неизвестного пока, процесса.

Дальнейшие наблюдения показали большую устойчивость тетраспор пальмарии к воздействию УФ-Б по сравнению со спорами ламинарии. При 24-ч облучении УФ-Б интенсивностью 1.2 Вт/м² прорастало 70% тетраспор.

Результаты экспериментов показали, что ультрафиолетовая радиация является фактором, оказывающим значительное влияние на выход и развитие спор водорослей. Если активизацию спорогенеза ламинарии осенью можно объяснить повышением температуры воды, то выход спор в феврале - мае может быть индуцирован увеличением интенсивности УФ радиации в этот период. У пальмарии выход тетраспор также происходит в феврале-марте, при высокой интенсивности УФ, ФАР и наличии темнового и светового периодов. Возможно, что в данном случае также эндогенные ритмы развития репродуктивных тканей и выхода спор регулируются внешними воздействиями (длина дня, интенсивность освещения и УФ-радиация).

Таким образом, на примере L. saccharina и P. palmata, принадлежащим к различным отделам, можно проследить синхронизацию их жизненного цикла с условиями обитания. У ламинарии имеется 2 пика размножения, основной приходятся на осень, дополнительный - в весенний период. Однако гаметофиты и спорофиты, образовавшиеся из вышедших весной спор, погибают в течение лета (Lee, Brinkhuis, 1988). Возможно, что синхронизация основного периода размножения ламинарии со временем минимальной активности УФ-радиации произошла с целью избегания пагубного воздействия последней. А весенний пик является остаточным редуцируемым явлением. У пальмарии наоборот, УФ-излучение стимулирует выход спор, и сроки размножения синхронизированы с периодом увеличения УФ-радиации в природе.

4.4 влияние глубины произрастания.

4.4.1 Изменение морфофизиологических параметров водорослей при различной глубине произрастания. Основными абиотическими факторами, изменяющимися с глубиной, являются освещение (интенсивность и спектральный состав) и уровень гидростатического давления. Другие важные для функциональной активности растений факторы в диапазоне глубин произрастания водорослей меняются незначительно, поскольку существует хорошее перемешивание водной массы в прибрежных районах и водообмен с открытой частью моря.

Наши исследования показали, что в течение летнего периода (июль-сентябрь) характер проникновения ФАР в толщу воды остается постоянным. В бухте Зеленецкая глубины 1 м достигает около 20%, а глубины 15 м, где заканчивается основной пояс растительности в Баренцевом море, - около 0.5% освещения. С начала октября прозрачность воды увеличивается, и на глубину 15 м проникает около 8% ФАР.

Исследование скорости роста водорослей показало, что для каждого вида характерны свои особенности произрастания на различных глубинах, что отражается в естественном вертикальном распределении видов. Выделяется 3 группы. В первую группу светолюбивых входят литоральные водоросли, для которых характерно снижение скорости роста уже на небольших глубинах, однако они сохраняют способность к росту даже на значительной глубине (рис. 21 А). Для второй группы характерно снижение скорости роста возле поверхности. В нее входят тенелюбивые красные водоросли, произрастающие на больших глубинах или под пологом других растений (рис. 21 Б). Для третьей, в которую входит большинство исследованных видов водорослей-макрофитов, характерно постепенное снижение скорости роста с глубиной (рис. 21 В, Г).

Результаты экспериментальных исследований показывают, что уровень освещения лишь в незначительной степени влияет на вертикальное распределение водорослей. Однако у большинства видов (кроме глубоководных красных водорослей) скорость роста значительно снижается на глубине 10-12 м. На Мурманском побережье именно эти глубины являются нижней границей произрастания зарослей водорослей.

Дополнительно было проведено исследование морфологии и физиологического состояния литорального вида Fucus vesiculosus при длительном нахождении (9 месяцев, январь - сентябрь) на глубине до 15 м.

Весной и в начале лета растения, произраставшие в поверхностном слое воды (0-0.5 м), в массе обрастали эпифитными водорослями (Pylaiella littoralis, Ectocarpus sp.). Во второй половине лета водоросли-эпифиты исчезали, но появлялись гидроиды и моллюски-фитофаги. Талломы по внешнему виду не отличались от растений из природных зарослей.

Растения, произраставшие на глубинах 2-5 м, имели более темную окраску, на них поселилось большое количество гидроидов Obelia geniculata, двустворчатых (Mytilus edulis) и брюхоногих моллюсков (в основном Epheria vincta, редко Margarites helicinus). Признаки деградации талломов отсутствовали. У растений с глубины 10 м разрушалась апикальная часть и листовая пластинка на средней части таллома. Эпифиты отсутствовали, на талломах находились брюхоногие моллюски. У растений, произраставших на глубине 15 м, сохранилась только срединная жилка. Апексы, листовая часть и воздушные пузыри были разрушены. Эпифитов не обнаружено. На талломе присутствовало большое количество брюхоногих моллюсков, по-видимому, питавшихся разрушающимися участками таллома. Полученные данные свидетельствуют в пользу наиболее распространенной гипотезы, что верхняя граница распространения литоральных видов определяется факторами среды, нижняя - конкуренцией (Kiirikki, 1996).

Рис. 21. Скорость роста водорослей на различной глубине.

Интенсивность фотосинтеза F. vesiculosus с глубиной уменьшалась, однако, если освещение снижалось экспоненциально, то фотосинтез - линейно (рис. 22). И даже на глубине 15 м величина видимого фотосинтеза была положительной и составляла около 20% от интенсивности фотосинтеза возле поверхности. Данный факт свидетельствует о перестройках фотосинтетического аппарата при уменьшении освещенности.

С целью изучения процессов, происходящих при изменении освещения, связанной с увеличением глубины произрастания, дополнительно был исследован пигментный аппарат 4 видов бурых водорослей: Fucus vesiculosus, F. distichus, F. serratus и Laminaria saccharina. Для этого водоросли в течение 45 суток находились на глубинах 0, 0.5, 2, 5, 10 и 15 м. Повышение содержания фотосинтетических пигментов при увеличении глубины произрастания отчетливо проявилось у F. distichus и L. saccharina. У F. serratus их количество увеличивалось незначительно, а у F. vesiculosus повышение содержания пигментов происходило до глубины 5 м (рис. 23).

Рис. 22. Изменение интенсивности ФАР (% от освещения на поверхности) и видимого фотосинтеза (мгО₂/ч*г сыр. веса) у F. vesiculosus при произрастании на различной глубине.

Соотношение хлорофиллов и каротиноидов при этом изменялось незначительно. Прямая зависимость метаболической активности клеток (МА) от содержания фотосинтетических пигментов наблюдалась только у F. vesiculosus и L. saccharina. У F. distichus зависимость была обратная, а у F. serratus зависимости не обнаружилось.

Рис. 23. Содержание фотосинтетических пигментов (мг/г сыр. массы) и метаболическая активность клеток (А₅₇₀нм/г*ч) в талломах водорослей при различной глубине произрастания.

Содержание сухих веществ при увеличении глубины произрастания повысилось только у F. vesiculosus, у остальных видов данный показатель достоверно не изменился.

Изменение соотношения доли пигментов, входящих в ССК, к общему содержанию хлорофилла А (что указывает на изменение размеров ССК), проявилось только у растений, произрастающих в среднем и верхнем горизонтах литорали - у F. vesiculosus и F. distichus. При этом размер ССК у F. vesiculosus увеличивался до глубины 2 м, а у F. distichus наоборот, снижался до глубины 5 м. У F. serratus и L. saccharina изменений ССК не происходило (рис. 24).

Рис. 24. Изменение соотношения ХлА/ХлС+Фуко в талломах бурых водорослей при произрастании на разных глубинах.

У F. vesiculosus, находившегося на глубине 0.5 м, при снижении метаболической активности клеток и содержания фотосинтетических пигментов скорость роста была максимальной. Это может объясняться наличием в верхнем слое воды «бликового» освещения, при котором интенсивность фотосинтеза растений может значительно увеличиваться (Greene, Gerard, 1990; Wing, Patterson, 1993). При дальнейшем увеличении глубины «бликовое» освещение снижается, при этом происходит и дополнительное затенение растений эпифитами. Снижение интенсивности освещения вызывает адаптационные перестройки фотосинтетического аппарата. Данные процессы энергозависимы, что подтверждается увеличением метаболической активности водорослей. Поэтому синтез структурных элементов замедляется и наблюдается уменьшение скорости роста водорослей.

У F. vesiculosus, являющегося представителем светолюбивых видов, изменение морфофизиологических показателей при увеличении глубины произрастания проявилось наиболее ярко. В меньшей степени подобные изменения происходили и у остальных видов водорослей. Накопление фотосинтетических пигментов при увеличении глубины произрастания, превалирование процессов фотосинтеза над дыханием, а также непрекращающийся рост литоральных водорослей даже на больших глубинах свидетельствуют об адаптационных перестройках фотосинтетического аппарата и возможности исследованных видов водорослей существовать на глубинах больших, чем они произрастают в естественных условиях.

4.4.2 Влияние гидростатического давления на ранние стадии онтогенеза Laminaria saccharina. Ламинария сахаристая образует пояс зарослей, расположенный на глубинах от 0 до 10-15 м. Нижняя граница пояса четко очерчена, и на бульшей глубине, даже при наличии подходящего субстрата, встречаются только единичные растения. Считается, что нижнюю границу вертикального распределения ламинарии сахаристой определяет недостаток освещения (Перестенко, 1969; Kain, 1971) или недостаток синего света в спектре освещения (Lьning, Dring, 1979; Lьning, 1980; Odegaard et al., 1998).

Измерение интенсивности освещения показало, что на Мурманском побережье в летний период до глубины 5 м, где расположены основные заросли ламинарии, достигает около 6 % ФАР, регистрирующейся возле поверхности (рис. 22). До глубины 15 м (нижняя граница пояса ламинарии) - около 0.4 %. Различие между глубиной 15 м и 25 м (где отсутствуют растения) составляет 0.1 %. Недостаток синего света также может ингибировать развитие гамет у гаметофитов (Dring, Lьning, 1979; Lьning, 1980; Deysher, Dean, 1984; Odegaard et al., 1998; Shi et al., 2005). Однако нарушение развития наблюдалось и при достаточном количестве синего света и интенсивности освещения на глубине 45 м (Odegaard et al., 1998). Наши исследования физиологического состояния водорослей показали их принципиальную возможность обитания на глубинах бульших, чем наблюдается в естественных условиях. И возможной причиной ограничения глубины произрастания могут быть факторы, влияющие на ранние стадии онтогенеза ламинарии. Нами было выдвинуто предположение о воздействии гидростатического давления и проведено исследование его влияния на ранние стадии развития ламинарии сахаристой.

Эксперименты показали, что на характер движения и скорость оседания зооспор ламинарии сахаристой высокое гидростатическое давление (5 атм) не оказывает влияния. После отмены воздействия прорастание и развитие спор опытного и контрольного вариантов происходило одинаково. На прорастающие споры меньшее давление (3 атм) оказывало значительное воздействие. Под давлением содержимое эмбриоспор либо частично перетекало в трубку, оставаясь наполовину в оболочке эмбриоспоры, либо находилось в трубке фрагментарно. Формирование фотосинтетического аппарата происходило гораздо медленнее, внутреннее содержимое трубки и эмбриоспоры было значительно светлее, чем в контрольном варианте. Развивающиеся из отдельных спор гаметофиты имели уродливую форму, и были, по всей вероятности, стерильными, поскольку развития спорофитов в течение длительного времени (64 суток) не происходило (рис. 25). В контрольном варианте за 40 суток развились многоклеточные спорофиты.

Наиболее вероятно, что негативное проявление гидростатического давления связано с воздействием на развивающийся белоксинтезирующий аппарат клетки, что в дальнейшем приводит к нарушению функций остальных систем, как было показано на микроорганизмах (Albright, Morita, 1968; Pope, Berger, 1973; Spence, 1981). Давление может не только ингибировать синтез, но и изменять структуру уже имеющихся мембранных белков и липидов (Bartlett, 2002; Kaye, Baross, 2004; Yano et al., 1998), что нарушает проницаемость мембран и приводит к утечке ионов Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺ (Perrier-Cornet et al., 1999). Воздействие может проявляться в деградации структурных элементов клетки: гидростатическое давление, так же, как и колхицин, вызывает разборку цитоплазматических микротрубочек, что у микроорганизмов приводило к изменению формы (Воробьев, Драчев, 1989; Brown, Bouck, 1973; Molina-Hoppner et al., 2003; Salmon, 1975). Негативный эффект может проявляться и через увеличение парциального давления кислорода, при этом в-каротин, и, возможно, другие соединения, содержащие коньюгированные двойные связи, теряют свойства антиоксиданта и показывают автокаталитический прооксидантный эффект (Burton, Ingold, 1984). Процессы фотосинтеза и дыхания (Yuasa et al., 1995), а также активность ферментов (Kim, ZoBell, 1972) ингибируются только высокими уровнями давления.

Рис. 25. Влияние гидростатического давления на развитие спор Laminaria saccharina. А - контроль, Б - давление 3 атм. Светлыми стрелками показаны многоклеточные спорофиты, темными - стерильные гаметофиты.

Поскольку макрофиты являются фототрофными организмами, несомненно, что интенсивность освещения является основным фактором, определяющим вертикальную зональность их произрастания. Однако, как показало данное исследование, давление также может оказывать существенное влияние. Поэтому нижнюю границу зональности для конкретного вида необходимо рассматривать, исходя из толерантности ранних стадий жизненного цикла не только к освещению, но и уровню гидростатического давления. В мутных водах нижняя граница произрастания обусловлена недостатком освещения. В прозрачных водах именно гидростатическое давление может определять нижнюю границу произрастания макрофитов.

Глава 5. Адаптация водорослей к световым условиям как основа их биогеографического распространения. Возможность распространения видов к полюсам (выше 75°) должна зависеть не только от адаптационных возможностей их фотосинтетического аппарата, но и от способности к выживанию в условиях длительного отсутствия освещения. Таксономический обзор бурых водорослей, проведенный Л.П. Перестенко (2000), показал, что видовое разнообразие резко снижается на широтах выше 70° с.ш. Возможно, что данный эффект в большей степени связан с действием полярной ночи, нежели с понижением температуры, поскольку теплое Северо-Атлантическое течение доходит до берегов Шпицбергена, и температура вод возле его юго-западной части сравнима с температурой возле побережья Мурмана.

По всей вероятности, распространение видов происходило параллельно с развитием приспособлений к их существованию в период длительного отсутствия освещения. У однолетних водорослей таким приспособлением является синхронизация жизненного цикла с природными условиями, чтобы неблагоприятный период приходился на покоящуюся стадию. Для них возможность распространения зависела от продолжительности существования покоящейся стадии и скорости развития таллома до фертильного состояния в благоприятный период.

У многолетних видов, как показало данное исследование, механизмы переживания периода отсутствия освещения связаны со структурой таллома и типом меристематической зоны. Продолжительность существования водорослей с тонкопластинчатой организацией таллома ограничивается количеством запасных веществ, потребление которых может быть очень экономичным за счет снижения уровня метаболизма. У более высокоорганизованных бурых ламинариевых и фукусовых водорослей, кроме этого, имеются дополнительные механизмы, связанные с физиологической дифференциацией различных участков таллома и направленные на поддержание меристематической зоны в интактном состоянии. У ламинариевых это потребление веществ, образующихся в процессе автолиза таллома. У фукусовых водорослей, кроме этого, также возможен переход на гетеротрофное питание. Различие этих механизмов обуславливает и разницу в сроках существования водорослей при отсутствии освещения.

Для всех видов водорослей важным приспособлением является синхронизация жизненного цикла с условиями окружающей среды, закрепленная на генетическом уровне, что подтверждается наличием эндогенных ритмов развития. Это позволяет наиболее оптимально распределить фазы жизненного цикла с учетом воздействия на них стимулирующих (оптимальной температуры, освещенности, биогенов) или подавляющих (низкая температура, УФ-излучение) факторов среды. Данный механизм регулируется фотопериодом и спектральным составом освещения.

Таким образом, распространение водорослей происходило вследствие совершенствования механизмов, обеспечивающих их существование в высоких широтах Мирового океана, и сопровождалось эволюционными изменениями, приводившими к образованию новых видов. Так отличие в эволюционной направленности видообразования ламинариевых (неотения, педоморфоз) и фукусовых водорослей (усложнение организации) (Перестенко, 1998, 2000) определило различие в механизмах адаптации к условиям освещения.

Существенно, что большое количество водорослей различных систематических таксонов, обитающих в полярных регионах, имеют сходные физиологические адаптации к низкому уровню освещения и температуре, что также было подтверждено различными авторами (см. обзор Gomez et al., 2009). Таким образом, данное исследование подтверждает гипотезу о существовании некоего барьера из комплекса факторов среды, контролирующего биогеографическое распространение водорослей (Gomez et al., 2009).

Заключение

Ведущим фактором внешней среды, оказывающим влияние на водоросли, как на представителей фотоавтотрофных организмов, является освещение. Как показало проведенное исследование, составляющие данного фактора - интенсивность, спектральный состав и фотопериод - оказывают значительное воздействие на все стадии жизненного цикла водорослей. Однако функциональная значимость этих составляющих различается. Так фотопериод и спектральный состав света выступают в роли сигналов, синхронизирующих эндогенные ритмы функционирования организма (периоды интенсивного роста, размножения, накопления запасных веществ, снижения метаболической активности в зимний период и т.д.) с факторами внешней среды. Например, влияние спектрального состава ярко проявляется в индукции гаметогенеза при синем свете и остановке данного процесса при красном. Влияние фотопериода - в образовании новой пластины или спорогенной ткани у ламинариевых водорослей при короткодневном освещении.

Сигнальная роль фотопериода может проявляться и при сезонных перестройках фотосинтетического аппарата: изменение площади поверхности тилакоидных мембран, содержания и соотношения фотосинтетических пигментов, размеров ССК. Было показано влияние фотопериода на содержание фотосинтетических пигментов у Palmaria decipiens (Lьder et. al., 2001). Интенсивность освещения в этом случае может выполнять дополнительную, корректирующую роль, для наиболее успешного функционирования фотосинтетического аппарата в конкретных световых условиях. Пределы возможных изменений ФСА заложены генетически и определяют диапазон интенсивности освещения, пригодного для существования вида.

Акклимация к искусственному изменению интенсивности освещения, например при экспериментальных исследованиях, также проявляется в перестройке фотосинтетического аппарата, но в меньших пределах, и сопровождается значительным повышением метаболической активности. Опыты с увеличением глубины произрастания водорослей показали, что снижение интенсивности освещения до определенного уровня (конкретное значение зависит от видовой принадлежности) вызывает накопление фотосинтетических пигментов. При дальнейшем снижении освещения наблюдается разрушение ФСА и деградация таллома. Однако в природных условиях в осенний период, при значительно более низкой интенсивности и дозе освещения, функциональная активность водорослей не снижается.

Анализ сезонных изменений фотосинтетического аппарата показал, что у водорослей разных систематических групп, несмотря на различия в наборе фотосинтетических пигментов и строении ФСА, наблюдаются сходные адаптационные перестройки. В зимний период у всех видов происходит увеличение размеров ССК, площади тилакоидных мембран и содержания фотосинтетических пигментов, в летний - снижение.

Вместе с тем, имеются и отличия в сезонном содержании некоторых каротиноидных пигментов у водорослей, принадлежащие к различным отделам. Однако, по всей вероятности, данные отличия связаны не с работой фотосинтетического аппарата, а с функциональной направленностью организма в определенный период времени, например, с формированием органов размножения.

Произрастание водорослей в приполярных районах зависит не только от адаптации фотосинтетического аппарата к изменяющимся условиям освещения (в основном к низкой интенсивности света), но и от адаптации к низкой температуре окружающей среды. Анализ изменений, происходящих на различных уровнях у высших растений при адаптации к низкой температуре и у водорослей при низкой интенсивности освещения, показал, что имеется большое количество сходных изменений. На уровне организма наблюдается торможение метаболических процессов, а также синхронизация сезонного ритма развития организма с условиями окружающей среды. На клеточном уровне - изменение численности (или парциального объема в клетке) митохондрий и хлоропластов, тилакоидов в хлоропласте. На молекулярном уровне - изменение содержания фотосинтетических пигментов и доли хлорофиллов, относящихся к ССК. У высших растений, адаптированных к холоду, и у зеленых водорослей при низкой интенсивности освещения наблюдается снижение парциального объема крахмальных гранул. При гидролизе крахмала происходит накопление водорастворимых углеводов в цитоплазме (что способствует снижению температуры точки образования льда), а также их потребление для поддержания процессов клеточного метаболизма при недостатке ассимилятов, синтезирующихся в процессе фотосинтеза.

Описанные перестройки ФСА происходят вследствие снижения уровня светового насыщения фотосинтеза при низких температурах, что было показано на высших растениях и зеленых водорослях (Mawson, Cummins, 1991; Gray et al., 1997; Huner et al., 1998; Morgan et al., 1998). Таким образом, результаты наших исследований и анализ литературных данных показали, что, несмотря на многообразие жизненных форм водорослей, на разницу в месте и времени происхождения, их эволюция и распространение в высокоширотные районы Мирового океана привели к конвергентному функционированию фотосинтетического аппарата водорослей различных систематических групп.

Выводы

Проведенные экспериментальные исследования и натурные наблюдения выявили адаптации водорослей Баренцева моря к меняющимся в течение года условиям освещения:

1. У водорослей-макрофитов Баренцева моря адаптация к изменению интенсивности освещения в течение года происходит путем структурных и функциональных перестроек фотосинтетического аппарата: изменение удельной поверхности фотосинтетических мембран, содержания и соотношения фотосинтетических пигментов, размеров ССК.

2. Вариабельность размеров ССК в течение года зависит от систематической принадлежности (повышается в ряду бурые < красные < зеленые водоросли) и высоты произрастания водорослей (наибольшая у водорослей верхней литорали).

3. На Мурманском побережье в период полярной ночи интенсивность освещения в течение нескольких дневных часов является достаточной для осуществления процессов фотосинтеза у водорослей.

4. Возможность и продолжительность существования многолетних видов водорослей Баренцева моря при отсутствии освещения определяется наличием следующих типов питания:

- потребление внутриклеточных запасных веществ (виды с тонкопластинчатой организацией таллома);

- потребление веществ, образующихся при деструкции таллома (ламинариевые водоросли). Определяется наличием гетеротрофных слоев клеток и транспорта веществ по таллому;

- переход на гетеротрофный способ питания (фукусовые водоросли).

Каждый последующий тип питания подразумевает наличие более простого и увеличивает продолжительность жизнеспособности водорослей при отсутствии освещения. Их фотосинтетический аппарат в этот период остается в интактном состоянии.

5. Изменение характера освещения при увеличении глубины произрастания вызывает накопление фотосинтетических пигментов у исследованных видов водорослей. Увеличение размеров ССК наблюдается только у видов, произрастающих на верхней литорали. Адаптационные перестройки эффективны до определенной глубины, являющейся нижним пределом произрастания вида, и сопровождаются повышением метаболической активности, при этом влияния изменения спектрального состава освещения на пигментный аппарат водорослей не выявлено.

6. Нижняя граница произрастания сублиторальных макрофитов зависит от толерантности различных стадий жизненного цикла к освещению, температуре и уровню гидростатического давления. Вертикальное распространение ламинариевых водорослей в мутных водах ограничивается недостатком освещения, в прозрачных - уровнем гидростатического давления.

7. Жизненные циклы и эндогенные ритмы функциональной активности водорослей синхронизированы с условиями внешней среды, при этом синхронизирующими сигналами являются фотопериод и спектральный состав света.

8. Совершенствование адаптации к условиям освещения и низкой температуре определило возможность распространения водорослей в полярные районы.

9. Эволюционное развитие и адаптация к условиям существования в высокоширотных районах Мирового океана привели к конвергентному сходству в функционировании фотосинтетического аппарата водорослей различных систематических групп.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

Kuznetzov L.L., Makarevich P.R., Makarov M.V. Structural and productional indices of marine phytocenoses // Environment and ecosystems of the Franz Josef Land (Archipelago and shelf). Apatity. 1993. Р. 98-104.

Шошина Е.В., Макаров В.Н., Макаров М.В. Особенности биологии ламинариевых водорослей Земли Франца-Иосифа. // Биология моря. 1997. Т. 23. №5. С. 286-292.

Воскобойников Г.М., Макаров М.В. Влияние физических и химических факторов на выход, подвижность и развитие спор. // Промысловые и перспективные для использования водоросли и беспозвоночные Баренцева и Белого морей. Апатиты: изд. КНЦ РАН. 1998. С. 68-81.

Макаров М.В., Воскобойников Г.М. Влияние ультрафиолетовой радиации на споры Laminaria saccharina (Phaeophyta). // Бот. журн. 1999. Т. 84, №10. С. 63-72.

Makarov M.V. Influence of ultraviolet-radiation on the growth of the dominant macroalgae of the Barents Sea. // Chemosphere: Global Change Science. Climate Change Effect on Northern Terrestrial and Freshwater Ecosystems. 1999. V. 1. No. 4. Р. 461-469.

Макаров М.В., Воскобойников Г.М., Шошина Е.В., Матишов Г.Г. Влияние ультрафиолетовой радиации на рост и размножение ламинарии сахаристой (Laminaria saccharina (L.) Lamour.) Баренцева моря. // Доклады РАН. 1999. Т. 367. №2. С. 286-288.

Makarov V.N., Makarov M.V., Schoschina E.V. Seasonal dynamics of growth in the Barents sea seaweeds: endogenous and exogenous regulation. // Bot. Mar. 1999. V. 42. N. 1. P. 43-49.

Makarov M.V., Voskoboinikov G.M. The Influence of Ultraviolet-B Radiation on Spore Release and Growth of the Kelp Laminaria saccharina. // Bot. Mar. 2001. V. 44. Р. 89-94.

Voskoboinikov G., Makarov M., Maslova T., Sherstneva O. The photosynthetic apparatus of Ulvaria obscura during the polar day and polar night. // Phycologia. 2001. V. 40. No. 4 (Suppl.). Р. 83.

Макаров М.В., Облучинская Е.Д., Воскобойников Г.М., Рыжик И.В. Биологически активные вещества макрофитов Баренцева моря: содержание, механизмы накопления, технологии получения и перспективы использования. // Сб. Север-2003. Проблемы и решения. Апатиты. 2004. С. 218-229.

Тропин И.В., Макаров М.В. Фотосинтетический аппарат представителей Fucales (Phaeophyta) Баренцева моря после полярной ночи. // Альгология. 2004. Т. 4. .№ 4. С. 393-404.

Воскобойников Г.М., Макаров М.В., Маслова Т.Г., Шерстнева О.А. Ультраструктура и пигментный состав фотосинтетического аппарата зеленой водоросли Ulvaria obscura в полярный день и полярную ночь. // Доклады РАН. Общая биология. 2004. Т. 394. № 3. С. 423-426.

Матишов Г.Г., Макаров М.В. Изменения пигментного состава Fucus vesiculosus L. и F. serratus L. Баренцева моря при длительном нахождении в темноте. // Доклады РАН. Общая биология. 2004. Т. 397. № 5. С. 1-2.

Воскобойников Г.М., Макаров М.В., Рыжик И.В. Изменения в составе фотосинтетических пигментов и структуре клеток Fucus vesiculosus L. и F. serratus L. Баренцева моря при длительном нахождении в темноте. // Биология моря. 2006. Т. 32. № 1. С. 26-33.

Макаров М.В., Рыжик И.В., Воскобойников Г.М., Матишов Г.Г. Дифференциация пластины Laminaria saccharina (L) Lamour. как приспособление к длительному отсутствию освещения. // Доклады РАН. Общая биология. 2006. Т. 409. № 2. С. 1-2.

Макаров М.В., Рыжик И.В., Воскобойников Г.М., Матишов Г.Г. Влияние интенсивности движения воды на морфологические и физиологические показатели Fucus vesiculosus L Баренцева моря. // Доклады РАН. Общая биология. 2007. Т. 415. № 4. С. 1-2.

Воскобойников Г.М., Макаров М.В., Рыжик И.В., Малавенда С.В. Влияние абиотических факторов на структуру фитоценозов, морфологические и физиологические особенности водорослей-макрофитов Баренцева моря. // Динамика морских экосистем и современные проблемы сохранения биологического потенциала морей России. Владивосток: Дальнаука. 2007. С. 357-386.

Рыжик И.В., Макаров М.В. Активизация физиологических процессов у Fucus vesiculosus (L) Баренцева моря при произрастании в поверхностном слое воды. // Материалы конференции РБО. Петрозаводск, сентябрь. 2008. С. 173-174.

Макаров М.В., Рыжик И.В., Воскобойников Г.М. Механизмы существования бурых водорослей в период полярной ночи: функциональная дифференциация и гетеротрофия. // Сб. Современные проблемы альгологии, Мат. междунар. научн. конф. Ростов-на-Дону, 9-12 июня. 2008. С. 225-227.

Макаров М.В., Степаньян О.В. Выбор потенциальных биоиндикаторов состояния морских экосистем. Водоросли. // Новые технологии мониторинга природных процессов в зоне взаимодействия пресных и морских вод (биологическая индикация). Апатиты. 2009. С. 60-69.

Макаров М.В. Влияние давления на ранние онтогенетические стадии ламинарии сахаристой (Laminaria saccharina (L.) Lamour.). // 8-я Всероссийская школа по морской биологии «Проблемы морской палеоэкологии и биогеографии в эпоху глобальных изменений» (Мурманск, ноябрь 2009). М.: ГЕОС. 2009. С. 106-112.

Макаров М. В., Рыжик И. В., Воскобойников Г. М., Матишов Г. Г. Влияние глубины произрастания на морфофизиологические показатели Fucus vesiculosus L. Баренцева моря. // Доклады РАН. Общая биология. 2010. Т. 430. № 3. С. 427-429.

Размещено на Allbest.ru