РЕАКЦИЯ ХРОМАТОФОРОВ РАННИХ СТАДИЙ РАЗВИТИЯ КАМЧАТСКОГО КРАБА ( PARALITHODES CAMTSCHATICUS) НА ОСВЕЩЕННОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРУ Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

ТОМ 147

ТРУДЫ ВНИРО

2007

УДК 595.384

РЕАКЦИЯ ХРОМАТОФОРОВ РАННИХ СТАДИЙ РАЗВИТИЯ КАМЧАТСКОГО КРАБА (PARAUTHODES CAMTSCHATICUS) НА ОСВЕЩЕННОСТЬ И ТЕМПЕРАТУРУ

P.P. Борисов, Е.С. Чертопруд (ВНИРО)

CHROMATOPHORE'S RESPONSE ТО ILLUMINATION AND TEMPERATURE IN THE EARLY LIFE HISTORY STAGES OF THE RED KING CRAB PARALITHODES CAMTSCIIATICUS

R.R. Borisov, E.S. Cherfoprud (VNIRO)

Chromaiopbores of early life liiiioiy stages of i he red king crab Pamiithodes camtsckaticus (Tilesjus, 1815) were investigated in aquarium condition. All planklonic stages of the red king crab were found to have yellow light-reflecting star-shaped chromatophores, which can expand when an animal is exposed to (lie bright light and coatracl after a long stay in ilie darkness. Adaptational importance of light-induced chromatophore's response is discussed. Most probably, expansion of chromatophores may protect larva from direct UV radiation. As the me of yellow chromatophores depends primarily on illumination, these Structures can noi be used as indicators of physiological condition of ibe early stages of Cinbs (glaucolhoe and larvae).

ВВЕДЕНИЕ

Одним из факторов, определяющих цвет планктонных личинок десятиногих ракообразных (отр. Dccapoda), являются хроматофоры, имеющие желтую, красную. оранжевую, мерную и белую окраску [McNamara, Могеуга, 1983; Wear, 1908]. Часто пигменты являются светоотражающими, дихроматическими, то есть имеют два характерных цвета, например, переходят из черного в желто-зеленый или красный [Wear, 1968]. Расположение и число хроматофоров у личинок отр. Deca-poda видосиецифичио [Wear, 1970].

Значение хроматофоров в процессе жизнедеятельности планктонных стадий развития десятиногих ракообразных до конца не ясно, Основная гипотеза заключается в том, что светоотражающие пигменты хроматофоров предохраняют организм, экранируя ультрафиолетовое излучение [Miner et al., 2000]. При этом яр ко окрашенные формы меньше подвержены воздействию солнечной радиации и выдерживают большую интенсивность облучения, чем прозрачные [Morgan, Christ, 1906]. На свету хроматофор расширяется и пигментные зерна распространяются по »сему его объему, заполняя разветвленные дендриты клеток, покрывая личинку звездчатой сетью прожилок. В темноте пигмент стягивается в центр сжатого хромагофора и организмы становятся более светлым. Однако хроматофоры реагируют расширением не только на увеличение количества УФ, но и на простое повышение яркости видимого спектра света [Miner et al., §000]. Это ставит под сомнение узкое адаптивное значение хроматофоров как экрана от солнечной радиации, Поэтому выдвигаются дополнительные предположения, что

хроматофоры играют роль при терморегуляции и маскировке личипок j Miner et al., 2000]. Отчасти их подтверждает то, что перераспределение пигментов и изменение размера хроматофора могут вызывать изменения температуры и солености | Diwan, Nagabhn&hanam, 1974; Vinuesa el al., 19851,

К настоящему времени о строении и функционировании системы хроматофо-ров у личинок десятиногих ракообразных накоплено относительно малп информации. При этом большинство данных относится к личинкам п/отр, Caridea и Brachyura [Wear, 1970; McNamara, Moreyra, 1983; Morgan, Christ, 1996; Miner el al,, 2000 h др.], но работы посвящены изучению хроматофорои личинок крабов п/©тр. Апошша отсутствуют.

Цель настоящей работы описать расположение и морфологию хроматофорои рашшх стадий развития камчатского краба и исследовать реакцию хроматофорои па. изменение освещенности и температуры.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Исследования выполнены в аквариальпой лаборатории воспроизводства ракообразных ВНИРО. Материалом послужили: икра, личинки (зоэа I-IV), носле-личипки (глаукотоэ) и малыш камчатского краба, полученные от самок, отловленных на акватории Баренцева моря. Выращивание псе к стадий проводили к условиях естественного светового дня при температуре воды 5-7 °С.

В экспериментах особей отсаживали в стеклянные цилиндры объемом i 00 мл или чашки Петри диаметром 5 см. Стеклянные цилиндры помещали в термостатическую емкос ть с температурой воды б °0. Чашки Петри наполняли водой 6 "С и оставляли в помещении, что обеспечивало плавный подъем температуры до 19-20 "С (для икры и личинок пребывание и течение одного-двух часов при этой температуре не Является легальным).

В экспериментах для освещения использовали галогенопый оптиковолоконный осветитель мощностью 150 Вт, дающий белый свет интенсивностью 1,1 х 10|:! квант см с"1, — это значение попадает в диапазон освещенности верхнего горизоптй воды (0-1 Г> м) в естественной среде обитания ранних стадий развития камчатского краба |Shirley, Shirley, 1988]. Для изоляции от света емкости помещали в светонепроницаемые полиэтиленовые пакеты.

Эксперименты проводили на икре (незадолго до выклева), лнчино'шых стадн-ях (зоэа 1 и III), после личинках (глаукотоэ), Всего па 172 особях выполнено 10 вариантов экспериментов с различными сочетаниями освещенности, температуры и жизненной стадии (табл. 1).

ТаВлица I. Варианты экспериментов 1 able J. Different schemes of experiments

Жил иония« стадии Ос 1К*ЩС НН (KT Li Температура, G Ko.':t!4£Ti no n 1.L I'..

1 I к pa Яркий свет 6 ss

1 |К| >й Яркий свет Повышались с (i до Ii*

1 tupa Темнота Повышалась с (j до Ii) 2ti

Икра Темнота 0 15

ЗоЭЛ 1 Яркш"] »дает (} 20

Зоэа ] Темнота (> К)

Зоэа I (контроль) Темнота (i 11

¡Зоэа Ш Яркий < пе г <; к;

1ла\чеотоя Яркий СВСТ (i 11

Глаукйтоз (контроль) Темнота t» й

При составлении морфологического описания и оценке развития хроматофоров использовали бинокулярный микроскоп МЬС-10 и макрофотографии,

РЕЗУЛЬТАТЫ

Морфологические исследив а ния

Уже за месяц до вылуплен ия эмбрионы имеют хорошо развитые хроматофо-ры двух типов: хроматофоры первого типа, содержащие желтый блестящий (отражающий свет) пигмент, который при контровом освещении выглядит черным, и хроматофоры второго типа, содержащие пигмент красного цвета. По способности отражать свет, форме и цвету хроматофоры первого типа соответствуют описанию гуанофоров (ириДиоцитов) у рыб [Микулин, 2000]. Гуанофоры придают рыбам металлический блеск и серебристую окраску. В состав гуанофоров входят кристаллы гуанина. Окраска и форма хроматофоров второго типа больше всего соответствуют эритрофорам у рыб, имеющим преимущественно красный цвет и звездчатую форму [Микулин, 2000]. В эритрофорах преобладающими пигментами являются каротиноиды, растворенные в жирах. В своей работе мы не проводили исследований состава пигментов хроматофоров камчатского краба, поэтому, чтобы избежать возможной ошибки, мы будем называть хроматофоры первого типа желтыми, а хроматофоры второго типа красными.

Форма желтых хроматофоров меняется от небольших плотных шариков до звездчатой с сильно разветвленными отростками. По размеру и форме были выделены три стадии выраженности хроматофоров (рис. 1).

Рис. 1. Три стадии выраженности хроматофоров у зоэа II камчатского крапа: 1 — хроматофоры минимального размера п виде плотных маленьких шариков; 2 - хроматофоры звездчатой формы с небольшими отростками; 3— хроматофоры с длинными силыю разветвленными отростками (вплоть до образования сплошной паутины)

Figure /. Three grades of expression of chromatophores in zoea II of the red king crab; I — chromatophores are small, in shape of liny (Sense spheres; 2— chromatophores ate star-like, with small radial appendages: 3~ chromatophores with long branched appendages, sometimes

transforming into a net-like web

Желтые хроматофоры располагаются на строго определенных участках тела личинки. Шесть наиболее крупных — ближе к заднему краю карапакса и по одному на базальных члениках максиллинед (I-III), иногда хроматофоры могут отсутствовать на части максиллипед, чаще всего на максиллипедах III. При взгляде на плывущую личинку кажется, что ее опоясывает блестящий желтый пояс. На боку карапакса, в месте расположения самого крупного хроматофора, имеется заметная выпуклость.

На стадии глаукотоэ остаются шесть желтых хроматофоров, расположенных ближе к заднему краю карапакса, при этом они занимают меньшую площадь, чем у личинок.

У малькон на карапаксе видны лишь остатки желтых хроматофоров, однако и они вскоре исчезают под становящимся непрозрачным карапаксом.

Красные хроматофоры, часто имеющие звездчатую форму, разбросаны по всему телу личинки. Они в значительной мере определяют ее красновато-рыжую окраску. Их размер и форма, видимо, во многом зависят от физиологического состояния личинки. Проведенные нами наблюдения показали, что слабые личинки имеют более сжатые красные хроматофоры, что, в том числе, приводит к обесцвечиванию личинок. При фиксации формалином красные хроматофоры сжимаются и выглядят как звездочки, с короткими отростками,

В данной работе мы не ставили своей целью подробно исследовать красные хроматофоры, сосредоточив свое внимание на желтых хроматофорах, обладающих интересной способностью изменять свой размер. В дальнейшем планируется продолжить исследования хроматофоров ранних стадий онтогенеза камчатского краба.

Эксперименты

Икра. При освещении икры, вне зависимости от того, поднималась ли температура или оставалась постоянной, спустя час экспозиции у более чем 90% эмбрионов хроматофоры увеличились в размерах и достигли третьей стадии (рис. 2). При постепенном подъеме температуры и отсутствии света у эмбрионов также наблюдалось увеличение хроматофоров, но оно было более медленное, и через час только 50% эмбрионов имели хроматофоры третьей стадии,

В случае помещения эмбрионов с хроматофорами в темноту при температуре 6 *С у них наблюдалось уменьшение хроматофоров » размерах. Однако, уменьшение хроматофоров происходило гораздо медленнее, чем их увеличение. Так, спустя 90 мин. экспозиции не было замечено сжатие хроматофоров до второй стадии, уменьшение хроматофоров в размерах продолжалось и спустя 12 часов экспозиции (рис. 3),

Рис. 2. Соотношения эмбрионов г хроматофорами разной степени выраженности в начале эксперимента и спустя час, дли вариантов: свет-тепло, свет-холод, темнота—тепло

Figure 2. Ratios between embryos with different expression of chromato-phores in the beginning of experiments and one hour alter its start. The experiment schemes are: light-warmth; light-cold; darkness-warms

Ю0 80 60 40 20 0

начало конец эксперимента свет-тепло

начало конец эксперимента свет-холод

Стадия

в ы ражен н ости хроматофоров

■ -1

начало конец эксперимента тем нога-те шю

Plie. 3. Изменение соотношения эмбрионов с хромагофорцми разном g степени выраженности » темноте при температуре | воды +6 °С CJ

Figure 5. Changes in ratios of embryos with different expression of chromato-phores in the darkness and water temperature +6 °C

Зоэа. При освещении ярким светом и постоянной температуре как у зоэа I, так и у зоэа III происходило более быстрое, чем у эмбрионов, расширение хромато-форов, и уже спустя 30 мин. от 90% до 100% личинок имели хроматофоры третьей стадии (рис. 4).

8 темноте при температуре б "С у зоэа i наблюдалось постепенное сжатие хро-матофоров (рис. 5). Однако, также как и в случае с эмбрионами, оно происходило гораздо медленнее, чем их расширение.

Глаукотоэ. При освещении ярким светом и постоянной температуре у глаукотоэ хроматофоры расширялись (рис. б), но медленнее, чем у зоэа I и зоэа III. Спустя 30 мин. только 45% глаукотоэ имели хроматофоры третьей стадии, а через час их было 70%.

Рис, 4. Соотношения доли личинок с хроматофорами рааной степени выраженности в начале эксперимента и спустя 30 мин, у зоэа I и зоэа III

Figure 4. Ratios between larvae (¿oea ] and zoea II) with different expression of chromalophores in the beginning and one hour after the start of experiment

100

« i

so

60

40

3

20

Стадия

выраженности

хроматофоров ■ '

□ -3

начало конец начало конец эксперимента эксперимента зоэа [ зоэа III

Рис. 5. Изменение соотношения зоэа 1 С хроматофорами разной степени выраженности в темноте при температуре воды +6 "С

Figure 5. Changes in ratio of zoea I with different expression of сh ro mat op ho res in the darkness under water temperature +(i °C

Стадия

выраженности хроматофоров

m-2

□ -3

0 Ц---,... ., . ,... -т . ., ..-Щ-

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Продолжительность эксперимента, мин

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 Продолжительность эксперимента, мин

Стадия

вы раже! и I ости хроматофоров

■ -1 □ -2

□ -3

Стадия

выраженности хроматрфоров

соотношения глаукотоэ с хроматофорамн разной

степени Выраженности на свету при температуре

Рис. 6. Изменение

□ -3

воды +6 °С

О 20 40 60 80 100 120 Продолжительность эксперимента, мин

figure 6. Changes in ratio of glaucotboe with different expression of chromato-phores in the light under water temperature +6 °C

Й контрольных группах, когда зоэа I и глаукотоэ с хроматофорамн первой стадии содержали и темноте при температуре 6 °С, изменения размеров хроматофо-ров после 30 минут экспозиции обнаружено не было.

Экспериментов с нагревом воды на личинках и глаукотоэ не проводили, полагая, что реакция хроматофоров будет сходной с таковой у эмбрионов в икре.

Желтые хроматофоры у камчатского краба появляются на последних стадиях эмбрионального развития и исчезают на стадии малька. На всех стадиях зоэа расположение и форма желтых хроматофоров практически совпадают, не меняется и поведение личинок. Хроматофоры зоэа I и III с одинаковой скоростью расширяются при воздействии яркого света (см. рис. 4). Поэтому, вероятно, на всех четырех стадиях зоэа желтые хроматофоры будут одинаково реагировать на свет. Расширение желтых хроматофоров у эмбрионов в икре при ярком освещении {см. рис. 2) и их сжатие в темноте (см. рис. показывает, что механизмы, управляющие этими процессами, начинают работать задолго до вылупления личинок. Таким образом, размер желтых хроматофоров на всех стадиях увеличивается на свету и уменьшается в темноте. При этом расширение хроматофоров происходит на порядок быстрее и более синхронно, чем их сжатие в темноте. Тот факт, что при повышении температуры в темноте процесс расширения хроматофоров шел заметно медленнее, чем при ярком свете и температуре 6 °С, свидетельствует, что именно освещение регулирует размер хроматофоров. Расширение хроматофоров при повышении температуры может зависеть от физиологических процессов в организме и быть ответом на стрессовое воздействие, например, ноны-шеи не температуры, более чем на 10 °С.

Хорошо известно, что ультрафиолетовое излучение может отрицательно, вплоть до летального эффекта, влиять на зоопланктон. Личинки камчатского краба в естественной среде постоянно держатся в толще воды, совершая вертикальные миграции [Shirley, Shirley, 1У88]. Глаукотоэ в начале стадии также активно плавают, отыскивал подходящий субстрат для оседания. Кроме того, личинки и глаукотоэ обладают положительным фототаксисом и активно движутся в направление источника света [Epelbaum et а]., 2007]. Возможно, именно защита от солнечной радиации — основная функция, которую выполняют желтые хроматофоры. Это подтверждает то, что желтые хроматофоры: содержат светоотражающий пигмент; реагируют на свет; быстро расширяются на свету и медленно сжимаются в темноте; присутствуют у стадий с прозрачными покровами, ведущими планктонный образ жизни. Функцию защиты от ультрафиолета для хроматофоров предполагают Минер с соавторами [Miner et al., 2000], изучавшие мегалоп

ОБСУЖДЕНИЕ

двух пидов крабоп, а также Морган и Христ [Morgan, Christ, 1996], исследовавшие личинок четырех тропических крабов. Кроме того, известно, что меланофо-ры и гуанофоры у личинок рыб защищают нервную систему и внутренние органы от воздействия ультрафиолета | Мпкулип, 20001. 11а первой мальковой стадии краб впервые переходит к полностью бснтосному образу жизни, возможно, именно поэтому у мальков происходит обызвествление каранакса, отсутствовавшее у глаукотоэ и личинок. Можно предположить, что переход к бентосному образу жизни и появление в карапаксе кальция делают защиту от ультрафиолета с помощью хроматофоров не нужной.

Возможно, пигмент, отражающий свет в желтых хроматофорах личинок кра-ña, не только защищает личинок от воздействия ультрафиолета, но, в отличие от черного пигмента, делает их не столь заметными для хищников.

Поскольку размер желтых хроматофоров у личинок и глаукотоэ в первую очередь зависит от интенсивности освещения и может изменяться даже в процессе осмотра особи под бй но кул яром с ярким осветителем, его нельзя использовать при оценке физиологического состояния особей. Возможно, для этой цели подойдут красные хроматофорьт, для которых отмечено изменение размера у исто-щеннЕлх или погибших особей. Однако это требует более детального их исследования.

ЛИТЕРАТУРА

Михулин А.Е. 20(10. Функциональное значение пигментов и пигментации в онтогенезе рыб. М,: Изд-во В МИРО. 232 с,

Diuian A.D., Nagabhushanam R. 1974. Physiology of llie black and red chromatophores of the freshwater crab, Bmytdphum cunicularis // j. Zool, Sot. ludia. Vol. 26. № 1-2. P. 87-97.

Epelbaum A.B., Borisov R.R., Kovatcheva jV.P. 2007. Ontogeny of light response in the early life history of the ted king crab Paralithodes camtschaticus (Ariomunt: Lithodidac) // Mar, and Freshwater Behaviour and Physiology. Vol. 40. № I. P. 33-42.

McNamara J.C,, Moreyra G.S. 1983. UlnastrticUira hromatophores from the fiddler crabs Uca mpax (Smith} and Uca uniguayensis (Nobili) {Decapoda, Brachyura) / / Crustacean a. Vol. 44. Part 3. P. 301-310,

Miner R.G., Morgan S.G., HuffmanJ.R. 2000. Postlarval chromatophores as an adaptation to ultraviolet radiation //J- Experimental Marine Biology and Ecology, Vol. 219. № 2. P 235-248.

Morgan S.G., ChristJ.H. 1996. Survival of marine larvae under the countervailing selective pressures of photodamage arid prediction. Limnol. Oeeaiiogr. Vol. 41 № 3, P, 498-504.

Shirley S., Shirley T. 1988. Behavior of red king crab larvae: phototaxis, geotasis and rheo-taxis // Marine Behavior and Physiology. Vol. 13. P. 369-388.

Vinuesa J.H., Ferrari L., Lombardo RJ, 1985. Effect of temperature and salinity on larval development of southern king crab (Lithodes anlarclicus) / / Marine biology. Voi. 95. № 1. P. 83-87.

Wear R.G. 1968. Family Ocypodidae. First stage zoea larva of Hemiplax hirtipes (Jacquinot, 1853) //J. Marine Freshwater Res, Vol. 2. № 1. P. (398-707.

Wear R.G. 1970. Zoea larvae hatched from crabs of [he family Grapsidae //J. Marine Freshwater Res. Vol, 4. № I. P. 3-35.