Физиолого-биохимические реакции рыб на экстремальные значения экологических факторов водной среды

Резкие изменения абиотических факторов водной среды (температуры, содержания кислорода, величины (рН) в толерантном для рыб диапазоне или непродолжительное воздействие их экстремальных значений оказывают существенное влияние на многие функции и биохимический статус орга­низма. В этих разнообразных физиолого-биохимических изменениях, раз­вивающихся под влиянием стрессорных воздействий, тесно переплетаются функциональные нарушения и компенсаторные перестройки, обеспечива­ющие более или менее длительное выживание рыб в экстремальных эко­логических условиях, возникающих естественным путем или под влия­нием хозяйственной деятельности человека.

Анализ механизмов негативного влияния резких изменений или экстре­мальных значений различных факторов водной среды, а главное, компен­саторных механизмов, направленных на восстановление нормальной жизне­деятельности в изменившихся условиях, — важнейшая задача эксперимен­тальной экологии рыб. Ее решение имеет первостепенное значение для по­нимания путей и механизмов отрицательного влияния подпороговых ве­личин абиотических факторов водной среды на токсикорезистентность рыб, т. е. для ихтиотоксикологии. Вместе с тем изучение физиолого-биохими­ческих реакций рыб на экстремальные изменения абиотических факторов водной среды приобретает самостоятельное значение в качестве первоос­новы для разработки экологических ПДК, т. е. предельно допустимых ко­лебаний температуры воды, содержания в ней кислорода и двуокиси угле­рода, величины рН, ионного состава воды, которые оказывают мощное влияние на все стороны жизнедеятельности рыб, их воспроизводство и про­дуктивность.

Физиологические изменения.

Быстрые перепады температуры и край­ние ее величины, ограничивающие толерантный диапазон сверху и снизу, вызывают многочисленные реакции со стороны различных функциональ­ных систем, в первую очередь системы обеспечения кислородного режима организма (СОКРО), поскольку любое изменение интенсивности мета­болизма ведет к изменению его кислородных потребностей. Своевременное обеспечение меняющихся кислородных потребностей определяется сов­местной деятельностью различных физиологических систем (дыхание, кро­вообращение) и биохимической системы гемоглобина крови, определяю­щей ее кислородную емкость. Строго говоря, это отдельные блоки слож­ного аппарата обеспечения организма кислородом, работа которого нахо­дится под эффективным контролем центральной нервной системы.

Перспективность такого подхода была продемонстрирована нами еще в середине 60-х годов  при изучении характера влияния экстремальных температур на физиологическое состояние трехме­сячной молоди осетровых рыб. Мы провели параллельное исследование изменений в основных звеньях СОКРО (частота дыхания, ритм сердечных сокращений, концентрация гемоглобина крови) при понижении темпе­ратуры с 25 до 5°С и повышении ее с 25 до 30°С, т. е. при семи температур­ных режимах: 5; 10; 15; 20; 25 и 30°С. Понижение температуры воды от исходной речной (24 — 25°С) до заданной производили в течение 6-12 ч с интервалом в 5°С. Молодь находилась при заданном температурном режи­ме от 12 до 24 ч. Повышение температуры с 24 до 27°С (севрюга) или с 25 до 30°С (белуга, осетр, бестер) осуществляли в течение 4 — 5 ч, после чего выдерживали молодь в этом режиме 16 — 18 ч.

Запись электрокардиограммы осуществляли на двухканальном элект­рокардиографе с чернильной регистрацией типа ЭКПСЧ-3. В качестве элект­родов использовали мелкие рыболовные крючки диаметром 0,3 — 0,1 мм. Электроды полностью изолировали раствором органического стекла, пос­ле чего кончики электродов тщательно зачищали. Затем электроды напаи­вали на тонкий гибкий провод и вводили рыбе под кожу в область грудных плавников на вентральной стороне туловища, а также между спинным плавником и головой на дорзальной стороне. При анализе электрокардио­граммы учитывали наличие и выраженность зубцов (в mv), длину отрезков и интервалов (в сотых долях секунды), а также частоту сердечных сокра­щений (в ударах в минуту).

Запись электропневмограммы (частота движений оперкулярных крышек) проводили аналогичным образом, но с помощью двухканального электроэнцефалографа типа ЭЭЧС. В ряде опытов дыхание записывали без введения электродов в тело рыбы. Во всех случаях, когда производилась запись электрокардиограммы или пневмограммы, воду экранировали пу­тем погружения в аквариум металлической пластинки. Рыба находилась в аквариуме в свободном состоянии.

Поскольку запись электрокардиограммы осетровых рыб выполнена нами впервые, а ее использование в практике экологических исследований пока еще не нашла должного применения, рассмотрим ее подробнее.

Иссле­дования показали, что электрокардиограмма осетровых рыб существенно не отличается от электрограммы человека и состоит из пяти зубцов: Р,- Q, R, S и 7", причем зубцы Р, R и Т направлены вверх, а зубцы Q и S, если они выражены, — вниз. Помимо указанных зубцов в кардиограмме рыб можно выделить интервалы P-Q, S-T и Т-Р, расположенные на нулевой линии, а также отрезки Q-T и R — R.

На рисунке 11 представлена электрокардиограмма взрослого осетра, трехмесячной молоди осетра и севрюги. Все зубцы в электрокардиограмме взрослого осетра выражены хорошо и ориентированы так же, как и у человека. ЗубецЯ (0,10-0,15mv) в 5-6 раз меньше зубца R (0,50-0,5bmv). Зубец Т выражен (0,20-0,25mv) несколько хуже, однако обычно он в 2-2,5 раза меньше зубца R. Интервал P-Q, отражающий атриовентрикулярную проводимость, равен 0,12-0,10 с, т. е. немногим больше, чем у челове­ка, а интервал S-T равен 0,44-0,48 с.

Рисунок 11. Электрокардиограмма осетро­вых рыб:

a — русский осетр; 1 — взрослая рыба; 2 — молодь; б — молодь севрюги

Комплекс QRS, обозначающий длительность внутрижелудочкового возбуждения, равен 0,1 — 0,2 с, т. е. значи­тельно меньше, чем у человека. Отрезки Р — Р и R — R в рассматриваемой кардиограмме равны между собой и соответствуют 1,46-1,45 с. На основр величины этих отрезков мы определяли частоту биения сердца, которая в данном случае равна 43 — 46 ударов в минуту.

Характеризуя кардиограмму сеголетков осетра, можно отметить сле­дующие особенности. Все зубцы, кроме S, выраж.пы хорошо. Зубцы 7 и Р примерно одинаковы, но в 2 — 3 раза меньше зубца /?. Частота сердечных сокращений равна 120 — 125 ударов в минуту. Более высокая частота сердеч­ных сокращений у молоди, чем у половозрелых особей осетровых, — ха­рактерная особенность всех исследованных видов этих рыб.

На электрокардиограмме молоди севрюги отчетливо выражены все пять зубцов. Зубец R (0,35 — 0,40/эти) примерно в 7 — 8 раз выше зубца Р (0,05-0,08tfw) и в 3 раза выше зубца 7"(0,10 — 0,15/"). Иными слова­ми, здесь, как и на кардиограмме здорового человека, зубец Я в 8 раз выше зубца Р, а зубец 7 — в 2 раза выше зубца Р. Ярко выражен зубец S, что отличает электрокардиограмму молоди севрюги от электрокардиограм­мы молоди осетра, стерляди и белуги. Зубцы Р, R и 7 положительные, а зубцы Q и S отрицательные. Продолжительность интервалов Р-0 - 0,1 с; S-T — 0,26 и, наконец, Т-Р - 0,36 с, Комплекс QRS равен 0,04 с. Частота сердечных сокращений достигает 133 — 150 ударов в минуту.

На электрокардиограмме молоди белуги зубцы Р, R, 7 выражены хо­рошо, а зубцы Q и S - ньсколько хуже. Зубцы Р (0,12-0,14/77у) и 7 (0,10- 0,15ту), как и у молоди осетра, одинаковые, но в 2 раза меньше зубца R (0,20 — 0,25/77у). Длительность интервалов P-Q, S-T и Т-Р составляет 0,2; 0,32 и 0,6 с (соответственно), а отрезок Q-7 - 0,44 с.

На электрокардиограмме взрослой стерляди зубец Р (0,12 — 0,17mv) выражен хорошо и по высоте равен зубцу 7 (0,10 — 0,15ти), но оба они в 3-4 раза меньше зубца R (0,40 — 0,45mv). Продолжительность интервалов P-Q и S-T одинаковая и равна 0,24 с. Длительность комплекса QRS - 0,08 с, т. е. заметно меньше, чем у осетра (0,1 — 0,2 с). Отрезок Q — T, представля­ющий собой электрическую частоту сокращений желудочка, равен 0,32 с и зависит от частоты пульса, как и интервал Т-Р.

Количественная характеристика основных параметров сердечной де­ятельности четырех видов осетровых рыб, приведенная в таблице 13, пока­зывает, что между видами наряду со сходством имеются и существенные различия.

Антриовентрикулярная проводимость у взрослого осетра и молоди севрюги примерно одинаковая и в 2 раза выше, чем у стерляди и молоди

Таблица 13. Сравнительная характеристика интерчалов и отрезков электрокардиограмм 4 видов осетровых рыб, с белуги. Скорость внутрижелудочкового возбуждения (QRS) у молоди севрюги оказалась значительно выше (0,04 с), чем у стерляди (0,08 с) и особенно у осетра (0,1 — 0,2 с). Электрическая систола (QT) и диастола (TP) у молоди севрюги короче, чем у одновозрастной молоди белуги.

Характеризуя высоту положительных зубцов (Р, R, Т) у взрослых особей осетра и стерляди, необходимо отметить, что зубец Р у них пример­но одинаков (таблица 14}. У осетра зубец R несколько выше, чем у стерляди, а зубец Г выше почти в 2 раза. К этому следует добавить, что у молоди осетровых зубец Т примерно одинаков у всех трех видов (севрюга, осетр, белуга), а наиболее высокий зубец R отмечен у молоди севрюги.

Сопоставляя полученные нами данные по электрофизиологии сердца осетровых с накопленными к настоящему времени сведениями о струк­туре электрокардиограммы костистых рыб, можно сделать вывод об их идентичности.

Повышение температуры с 24 — 25 до 27 — 30°С за несколько часов (опыты проводились летом) приводило к резкому и стойкому увели­чению частоты сердечных сокращений и дыхания у молоди севрюги, осет­ра и белуги, достигая, по-видимому, крайнего предела. Так, например, частота дыхания молоди осетра при 30°С составила 221 в минуту, а ритм сердечных сокращений — 127 ударов в минуту (1,7:1).

Аналогичные по выраженности изменения в работе кардиореспираторного аппарата наступали у молоди севрюги уже при 27°С: частота дыхания 227 в минуту; частота сердцебиений 128 ударов в минуту (1,8:1). Резуль­таты наших опытов хорошо согласуются с данными А. Б. Лозинова, который исследовал влияние повышенных температур на устойчивость мо­лоди осетровых к дифициту кислорода и показал, что севрюга наименее

Таблица 14. Сравнительная характеристика зубцов электрокардиограмм осетровых рыб, mv.

устойчива к повышенной температуре, поскольку уже при 27 — 28°С мо­лодь этого вида испытывает затруднения в обеспечении кислородного за­проса организма даже при полном насыщении воды кислородом. Это тем более интересно, что при изучении одного и того же вопроса (уровень терморезистентности) были использованы различные методы исследова­ний, а получены однозначные результаты, свидетельствующие о меньшей устойчивости молоди севрюги по сравнению с другими видами осетровых к повышенным температурам.

Снижение температуры в толерантном диапазоне (с 25 до 5 С) при­водит к противоположным по направленности изменениям в основных звеньях СОКРО: частоте дыхания, ритме сердечных сокращений и концент­рации гемоглобина крови (таблица 15). Опыты, проведенные на молоди белуги и бестера, показали, что постепенное снижение температуры в ука­занном интервале вызывает плавное, но значительное снижение частоты дыхания и ритма сердечных сокращений (рисунок 12) и снижение концентра­ции гемоглобина. Выраженность изменений в отдельных звеньях СОКРО при одном и том же изменении температуры неодинакова.

При пятикратном снижении температуры воды (с 25 до 5°С) частота сердцебиений снизилась в 3,7 раза, частота дыхания — в 2,3 раза, а кон­центрация гемоглобина — только в 1,4 раза. Интересно сопоставить выра­женность изменений отдельных звеньев СОКРО при снижении температуры на 10°С в области высоких (25 — 15°С) и низких (15- 5°С) температур. В первом случае понижение температуры на 10°С вызывает снижение частоты дыхания в 1,3 раза, ритма сердечных сокращений в 1,8 раза, концентрации гемоглобина в 1,4 раза. Во втором случае частота дыхания снизилась в 1,8 раза, ритм сердечных сокращений в 2 раза, а содержание гемоглобина практически не изменилось.

Поскольку исследования проводились летом, мы вынуждены были изучать динамику изменения функционирования основных звеньев СОКРО только в одном направлении — при снижении температуры. Не приходится, однако, сомневаться, что при изменении температуры в противоположном направлении (повышение с 5 до 25°С) частота дыхания и ритм сердечных сокращений будут следовать за этими изменениями, т. е. повышаться при переходе из одного температурного режима в другой.

Таблица 15. Частота дыхания, ритм сердечных сокращений и концентрация гемоглобина крови у молоди осетровых рыб при различных температурных режимах

Примечание. Над чертой — показатели бепуги, а под чертой — показатели бестера.

Таблица 16. Частота дыхания и ритм сердечных сокращений у радужной форели при различных температурных режимах

Результаты этих исследований, выполненные нами еще два десятилетия тому назад, выявили принципиальную возможность использования различ­ных показателей эффективности работы СОКРО для оценки повреждаю­щего влияния резких перепадов и крайних значений отдельных экологиче­ских факторов (температура, содержание кислорода), а также компенса­торных реакций со стороны кардиореспиратного аппарата при изменении этих факторов в толерантном диапазоне. Перспективность и плодотвор­ность такого подхода стала проявляться уже в начале 70-х годов, а сегодня стала вполне очевидной.

Многочисленными литературными данными подтвержден установлен­ный нами факт, что изменение температуры в толерантном диапазоне (по­вышение или понижение) увеличивает или снижает частоту дыхания и ритм сердечных сокращений, однако выраженность наступающих изменений и динамика физиологических показателей СОКРО для каждого вида рыб специфичны. Чаще других исследовалась в этом плане радужная форель, поэтому имеется много информации о зависимости частотных параметров внешнего дыхания и сердечной деятельности от температуры акклимации у этой рыбы. Анализ имеющихся данных позволяет сделать вывод, что час­тота вентиляции жабр и сердцебиения повышается не более чем в 2 раза при повышении температуры на 10° (с 5 до 15°С). При 5°С среднее зна­чение сердечного ритма равно 33, а при 15°С — 66 ударам в минуту (таблица 16).

Данные, приведенные в таблице 16, хорошо согласуются с результатами наших исследований, выполненных на молоди белуги, согласно которым снижение температуры с 15 до 5°С изменяет ритм сердечных со­кращений почти в 2 раза (59 и 29 сокращений в минуту, соответственно), а с 25 до 15°С — в 1,8 раза {107 и 59 сокращений в минуту, соответственно).

Данные, полученные на форели, подтверждают еще один принципиаль­ной важности факт, установленный нами в опытах на молоди осетровых рыб: частота дыхания в норме у рыб выше частоты сердечных сокращений. Эта закономерность сохраняется при всех исследованных нами температурных режимах, поскольку при повышении температуры уве­личиваются частота сердечных сокращений и частота дыхания, а при сниже­нии температуры они снижаются. Правда, в опытах на форели увеличение частоты дыхания при повышении температуры в пределах от 10 до 15°С из-за большого разброса данных, полученных различными авторами, уста­новить не удалось, но в опытах на других видах рыб (гольян, обыкновен­ный окунь, ушастый окунь) эта закономерность отчетливо проявляется.

Так, например, повышение температуры с 2 до 12°С приводит к увели­чению частоты дыхания с 39 до 83 в минуту, а частоты сердечных сокраще­ний с 15 до 46 в минуту. Аналогичная зависимость изменений двух звеньев СОКРО от температуры акклимации выявлена и в опытах на обык­новенном окуне. При быстром повышении температуры в толерант­ном диапазоне, т. е. в свойственном среде обитания вида, частота дыхания и ритм сердечных сокращений у гольянов и окуней сходны с теми, которые отмечены при акклимации к соответствующей температуре, и не обнару­жено овершута, имевшего место в опытах на карпе.

Полученные к настоящему времени данные показывают, что экстре­мальные температуры вызывают угнетение деятельности физиологической системы, в частности транспорта газов у рыб. При этом развивается брадикардия, нарастает аритмия, снижаются потребление кислорода и коэффи­циент его утилизации. Вслед за этими изменениями работы кардиореспира-торного аппарата постепенно прекращается вентиляция жабр и в послед­нюю очередь перестает функционировать миокард. По-видимому, аноксия дыхательной мускулатуры и общая кислородная недостаточность одна из причин гибели рыб при перегреве. Повышение температуры приводит к ускорению утилизации кислорода и, как следствие, к падению его напряже­ния в дорзальной аорте, что, в свою очередь, служит сигналом для усиления вентиляции жабр.

Конечно, все эти реакции, а особенно мгновенная температурная ком­пенсация, обеспечиваемая физиологическими механизмами, опосредованы нервной системой как центральной, так и периферической.

Для рыб харак­терна высокая термочувствительность. Помимо боковой линии они имеют специализированные кожные терморецепторы, роль которых чрезвычайно велика. Достаточно отметить, что поведение рыб в термоградиенте и кон­центрация их при оптимальных температурах, температурные условные рефлексы и рефлекторные движения плавников на локальное температур­ное раздражение сохраняются даже после перерезания боковой линии. Рыбы способны воспринимать перепад температуры на 0,03 — 0,1°С. По мнению J1. Проссера, центральная нервная система настоль­ко чувствительна к температуре, что сама может служить терморецепто­ром. И действительно, нередко центральная нервная система рыб имеет более высокую чувствительность к изменению температуры, чем пе­риферические нервы и мышцы. Условные рефлексы, например, исчезают у рыб (окунь серебряный карась) при меньшем охлаждении, чем спиналь ные рефлексы (рисунок 13).

Рисунок. 13. Температура холодовой бло­кады нервного проведения, спинномоз­говых рефлексов и условных рефлек­сов у рыб, акклимированных к различ­ным температурам:

а — сомик; б и в — серебряный ка­рась

Температура холодовой блокады высших уровней центральной нервной системы выше, чем низших. Реакции клеток Пуркинье на антидромную сти­муляцию, локализованные в мозжечке серебряного карася, прекращаются при 6,5°С, а синаптические ответы на раздражение параллельных волокон — при 8 — 9°С. Охлаждение рыбы приводит к сужению тактильных рецептив­ных полей для центральных сенсорных нейронов. Здесь уместно вспомнить, что у некоторых видов рыб рода Leuciscus не обнаружены ре­цепторы, чувствительные только к температуре, однако после акклимации рыб к 5°С максимальная чувствительность механорецепторов к прикос­новению имеет место при 18°С, а после акклимации к 15°С — при 22°С. В мозгу рыб найдены чувствительные к температуре нейроны. Так, напри­мер, при обследовании большого числа нейронов промежуточного мозга форели 5 из них реагировали на пониженную температуру и 12 на повышен­ную. Обогревание переднего мозга бычка-подкаменщика с помощью вживленного термода сокращало время его пребывания в теплом участке аквариума, а охлаждение мозга — увеличивало.

Рисунок. 12. Влияние температуры на частоту дыхания (1) и ритм сердечных сокраще­ний (2) у молоди белуги.

Быстрое локальное охлаждение или нагревание спинного мозга рыб (карась, карп) приводило к ускорению или замедлению ритма сердца, что свидетельствует о нервной регуляции деятельности сердечно-сосудистой системы у рыб. У рыб с разрушенным центром терморегуляции напряже­ние кислорода в крови поддерживается на относительно постоянном уровне, в то время как у интактных рыб повышение температуры ведет к ускорению утилизации кислорода и вследствие этого к снижению напряже­ния кислорода в дорзальной аорте.

• Влияние экологических факторов водной среды на токсичность различных групп веществ и токсико резистентность рыб
• Путь влияния активной реакции среды на устойчивость рыб к ядам
• Физиологические реакции организма имеют первостепенное значение для адаптации рыб
• Активная реакция среды в водоемах
• Анализ параметров среды как фона для отбора образцов томата
• Анализ температурных условий нереста костистых рыб
• Архитектурно-планировочная подсистема управления охраной среды обитания, базис экосистемы
• Большое значение для рыб имеют растворенные в воде соли некоторых металлов, в частности, железа
• В различных странах мира издается в общей сложности свыше 20 специальных экологических журналов
• В теории и практике селекции накоплен ряд экологических проблем
• Величина рН и жесткость воды - влияния на рыб
• Взаимосвязи у рыб между видами на почве питания и сходной пищей
• Виды рыб, как и другие организмы, населяют определенные, свойственные им различные местообитания
• Влияние избытка двуокиси углерода на систему обеспечения кислородного режима организма рыб
• Влияние изменений температуры на вегетативные процессы у морских рыб