Уникальная ихтиофауна Шпицбергена

Российские и норвежские ученые из Института биологии Карельского научного центра РАН, Арктического университета Норвегии (UiT, г. Тромсё, Норвегия) и Международного центра арх. Шпицберген (UNIS, г. Лонгийр, Норвегия) обобщили и впервые представили результаты многолетних научных исследований о биохимических механизмах адаптации с участием липидов у арктическо-бореального вида рыбы пятнистого лептоклина, обитающего в акватории арх. Шпицберген.

Получены совершенно новые знания и данные о роли липидов в биохимических и физиологических адаптациях рыб, раскрыты особенности пищевых взаимосвязей в арктической экосистеме.

Впервые проведено обширное гистологическое и биохимическое описание уникального адаптивного образования – «липидный мешок». Результаты исследования опубликованы в недавнем спецвыпуске Fatty Acids in Natural Ecosystems and Human Nutrition – высокорейтингового международного журнала Biomolecules.

Водные экосистемы Арктики и Субарктики называют «липид-

зависимыми», так как накопление достаточного количества липидов (жиров) в течение короткого, но высокопродуктивного арктического лета — это залог успешной зимовки. Одним из любимых объектов исследования лаборатории экологической биохимии ИБ КарНЦ РАН является морской донный вид рыбы — пятнистый лептоклинус (Leptoclinus maculatus), ранее называемый пятнистый люмпен, из семейства Стихеевые (Stichaeidae). Пятнистый лептоклинус (рис.1) играет важную экологическую роль в арктических пищевых цепях, являясь источником пищи для морских рыб, птиц и млекопитающих (тюленей).

Это небольшая по размерам рыба северных морей — типичный представитель ихтиофауны акватории архипелага Шпицберген. В ходе жизненного цикла пятнистый лептоклинус постепенно мигрирует от поверхностных слоев воды к донным. Молодь рыбы отличается от взрослой особи по размерно-весовым характеристикам, окраске и пигментации тела, а также наличию уникального образования – «липидного мешка».

Липидный мешок рассасывается после того, как рыба переходит к донному образу жизни. Молодь с накопленными липидами  в таком специальном мешке  рассматривается как источник высококалорийной пищи. Раннее постэмбриональное развитие люмпена характеризуется многостадийностью, отображенной на рис. 2 (от L1 От L5 стадии).

Российские и норвежские ученые из Института биологии КарНЦ РАН, Арктического университета Норвегии (UiT, г. Тромсё, Норвегия) и Международного центра арх. Шпицберген (UNIS, г. Лонгийр, Норвегия) представили результаты многолетних совместных научных исследований биохимических адаптаций с участием липидов у пелагической молоди (L3 стадия развития) пятнистого лептоклинуса из акватории арх. Шпицберген в разные сезоны года. Этот вид характеризуется высокими приспособительными возможностями и пластичностью к воздействию факторов окружающей среды и их флуктуациям (колебаниям), что неоспоримо важно в изучении адаптации организмов высоких широт.

По результатам исследования, впервые проведено гистологическое описание специфического адаптивного образования – «липидный мешок». Выяснено, что «липидный мешок» представляет собой систему полостей, наполненных липидами (рис.4).

Внутренний слой стенок – это многоядерный симпласт, выполняющий трофическую (питательную) функцию. Такой симпласт – это уникальная структура, которая описана учеными впервые. Результаты были получены с привлечением партнеров, специалистов эмбриологов из Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ, к.б.н. Екатерина Кондакова). Таким образом, липидный мешок используется молодью в качестве липидного депо, в нем накапливаются «жиры» кормовых объектов, обеспечивая жизнеспособность и устойчивость молоди в суровых условиях Арктики, особенно в условиях зимы. Исключительное доминирование принадлежит энергетическим липидам – триацацилглицеринам. Помимо этого, липидный мешок обеспечивает плавучесть личинок лептоклинуса, позволяя им оставаться в продуктивной зоне пелагиали.

Другой важной особенностью биохимических механизмов адаптации молоди является степень ненасыщенности жирных кислот (ЖК), структурных компонентов липидов. Она обеспечивается за счет высокого уровня определенной группы кислот, которые называются мононенасыщенных жирные кислоты (МНЖК). Сезонные вариации этих кислот в липидном мешке в высокой степени отражают их экологическую роль – взаимосвязь с объектами питания.

Молодь относится к группе зоопланктонофагов — пожирателям зоопланктона. Арктический вид копепод C. glacialis и бореальный океанический вид – С. finmarchicus (рис. 5) - основные объекты питания молоди лептоклинуса.

Сезонные изменения соотношения жирных кислот отражают колебания полиненасыщенных и мононенасыщенных жирных кислот в липидном мешке и мышцах в летний и зимний периоды. Раскрывается вязь с весенним цветением фитопланктона, а в процессе роста молоди происходит смена кормовой базы на копепод, что совпадает с появлением зоопланктона в среде. Такую «синхронизацию» (рис.6) для лептоклинуса можно рассматривать как ключевой этап, обеспечивающий пополнение этого важного арктического вида рыб в условиях Арктики и поддержание его численности.

Исследования будут продолжены и сосредоточены, в том числе на изучении возможности биосинтеза длинноцепочечных полиненасыщенных жирных кислот разновозрастной молодью лептоклинуса в разные сезоны года в Арктике.

«Исследования мы проводим с 2007 года, и вот нынешняя публикация в журнале – объединение многолетних усилий ученых. До этого были отдельные работы, которые тоже находили отклик и интерес в рецензируемой международной прессе. Сейчас эти сведения объединили в один материал и получилось, что нашему международному коллективу принадлежит описание отдельных, емких сторон биохимии, биологии, экологии этого вида в Арктике. С позиции биохимии, мы в большей степени сфокусировались на жирах – липидах, поскольку арктические экосистемы – липидозависимые. В данном случае сколько ты жира накопишь, в течение арктического лета – это и будет залогом того, переживешь ли ты зиму, и сможешь ли дождаться весны, когда будет новая пища.

Особенность лептоклина – нашей рыбы, заключается в том, что не так давно наши российские ученые из Институт биологических проблем Севера ДВО РАН (Магадан) очень детально разобрали общую таксономию и систематику семейства Стихеевые (к которому относится лептоклин), что позволило понять основные пути эволюции и расселения видов. Располагая этой информацией, мы могли понять и объяснить высокую приспособительность и адаптивную пластичность исследуемого вида к «суровым» условиям Арктики. Лептоклин принадлежит к арктическо-бореальной зоогеографической группе. Его можно встретить в водах Северной Атлантике и он обычен в акватории фьордов западного побережья Шпицбергена. Но мы сейчас начинаем встречать его севернее, что говорит о том, что он, скорее всего, является индикатором климатических изменений – продвигается все дальше на север. У лептоклинуса длительное развитие и в жизненном цикле происходит смена образа жизни от пелагического к донному. Одна из ключевых адаптаций вида, связана с тем, что молодь накапливает жир в особом образовании тела «липидном мешке» (такой липидный мешок обнаружен только у лептоклинуса среди рыб, обитающих в Арктике в водах архипелага Шпицберген), при этом молодь остается в пелагиали 

длительно (до 5 лет) и развивается в несколько стадий прежде чем превратиться в донную взрослую особь. Этот вид, в том числе, обеспечивает перенос вещества и энергии из пелагиали к донным экосистемам. Для того, чтобы личинкам и молоди рыбы выжить в пелагических слоях – биохимическая адаптация и сформировалась.

Есть еще одна особенность – она заключается в том, что в арктической экосистеме все организмы в плане пищевых отношений друг с другом завязаны. И один из ключевых компонентов пищевых цепей – зоопланктон. В частности, в Арктике можно встретить несколько видов копепод, это такие веслоногие рачки из рода калянус. Наша молодь, как раз, активно питается этим зоопланктоном. Соответственно, для арктических птиц и млекопитающих, некоторых промыслов видов рыб – лептоклинус – достаточно калорийная пища. Кроме того, это трансфер очень важных компонентов от зоопланктона и фитопланктона. Напрямую некоторые виды рыб не могут питаться фитопланктоном, но за счет поедания лептоклинуса, необходимые компоненты в организм поступают. Из коммерческих видов рыб – это атлантическая треска. Но в большей степени молодь лептоклинуса – объект питания для арктических птиц – это очень важно, и для млекопитающих – тюлени. Мы это показали, как биохимическим анализом, так проведя паразитологическое исследование, тем самым увидели для каких паразитов лептоклинус промежуточный хозяин и кто является конечным» - рассказала "Научной России" заведующая лабораторией экологической биохимии КарНЦ РАН Светлана Мурзина.