В результате антропогенного повышения содержания углекислого газа в атмосфере, происходит изменение химического состава океанической среды. В настоящее время, очень важно понять то, как это может отразиться на жизнедеятельности морских организмов и общем состоянии экосистем, чтобы предсказать возможные последствия повышения уровня содержания кислот в океанической среде.

Увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере, связанное с деятельностью человека, является серьезной проблемой. Одно из наиболее тревожных последствий — стремительное изменение химического состава морской воды на фоне снижения водородного показателя, которое может серьезно повлиять на морские экосистемы и представлять угрозу для жизни морских организмов. Текущие данные свидетельствуют о ряде биологических изменений в организмах морских обитателей, а также значительных различиях в восприимчивости к изменениям уровня содержания углеводорода, как между различными крупными категориями организмов, так и внутри одной категории. Различия в реакции видов на изменения свидетельствуют об особенностях окружающей среды, однако пока сложно предугадать последствия повышения содержания СО₂ для морских организмов. Сейчас крайне важно понять то, каким образом повышение кислотности в морской экосистеме способно повлиять на показатели, характеризующие устойчивость организмов.

Тогда как о негативных последствиях повышения содержания углекислого газа на многие организмы, склонные к обызвествлению, известно достаточно много (Гёег-Гульдверг с соавт., 2007), его воздействие на рыбу долго оставалось неисследованным, и стало объектом изучения лишь недавно (Ишимацу с соавт., 2008 г.). Согласно гипотезам, по сравнению с беспозвоночными, рыба физиологически более устойчива к высоким концентрациям СО₂. Несмотря на это, имеются свидетельства пагубного влияния возросшего уровня углекислого газа на жизнедеятельность рыб, которое, как ожидается, произойдет уже в ближайшем будущем (Мандей, 2010 г.). На начальных этапах роста, эмбрионы особенно чувствительны к экологическим сдвигам, в том числе и повышению содержания углекислоты в среде (Бауманн с соавт., 2012 г.). Однако, данные о прямых последствиях планируемого роста содержания двуокиси углерода для молодых особей, довольно противоречивы (Мандей, 2009 — 2011 гг.; Бауманн, 2012 г.; Фроммель, 2012 г.). Особый интерес вызывает его влияние на поведенческие особенности — нерест, умение постоять за себя, активность, умение избегать встреч с хищниками, что было замечено у рыб, обитающих среди коралловых рифов (Мандей с соавт., 2009, 2010 гг.; Диксон с соавт., 2010 г.; Феррари с соавт., 2011, 2012 гг.; Симпсон с соавт., 2011 г.); в результате, было зафиксировано увеличение смертности (Мандей, 2010 г.; Феррари, 2011).

Недавние исследования взрослых колюшек показали, что углекислый газ также может влиять на жизнедеятельность рыб, обитающих в умеренных широтах (Джутфельт, 2013 г.). Эти изменения в поведении во многом объясняются угнетением чувствительной функции вследствие повышения концентрации СО₂ (Мандей, 2009, 2012 гг.; Диксон, 2010 г.; Симпсон, 2011 г.). Один из предполагаемых базовых механизмов, который получил экспериментальное подтверждение, заключается в прямом воздействии СО₂ на функцию нейротрансмиттера рецептора GABA-A, который вызывает нейронную гиперактивность (Нильссон с соавт., 2012 г.). Поскольку в ткаанях спинного мозга, главным образом, рецептор GABA-A опосредует ингибирующее влияние, повышение концентрации СО₂ в водной среде приведет к ухудшению работы всех органов чувств и отклонениям в поведении. Эта метаморфоза охватит большое количество видов рыб (Нильссон с соавт., 2012).

Одной из задач исследования была оценка влияния двуокиси углерода на показатели устойчивости видов, обитающих в прибрежных водах умеренных широт. Эти виды живут в среде, для которой, в отличие от открытого океана, выраженные кратковременные колебания уровня кислотности происходят регулярно (Хофманн с соавт., 2011 г.); следовательно, эти виды должны демонстрировать некоторую устойчивость к изменениям уровня углекислого газа (Мельцнер с соавт., 2009 г. ).

До настоящего времени, большинство опытов, связанных с определением влияния этого газа на морские организмы, сводились к какому-либо одному этапу жизнедеятельности (Дюпонт с соавт., 2012 г.). В данном случае, авторы работы исследовали особенности влияния СО₂ на различных этапах развития (от момента спаривания и зачатия до раннего эмбрионального этапа) на примере вида, обитающего у европейского побережья и играющего значительную роль в поддержании экологического баланса – двупятнистого бычка ( Gobiusculus flavescens). На ранних этапах эмбриогенеза, костистые рыбы особенно чувствительны к «экологическим стрессам» (Браун и Сэдлер, 1989 г.; Киккава с соавт., 2003 г.). Таким образом, исследователи предвидели, что в ходе эксперимента углекислый газ окажет негативное влияние на жизнеспособность икринок и/или процесс развития эмбриона. Исходя из гипотезы, согласно которой повышенное содержание СО₂ влияет на функцию мозга и стимулирует различные сенсорные реакции (обзор представлен в работе Мандея, 2012 г.), предполагалось воздействие газа на поведение через зрительный канал. В частности, опираясь на данные группы ученых во главе с Нильссоном (2012 г.), согласно которым СО₂ вызывает повышенную активность нейронов, авторы работы выдвинули гипотезу, согласно которой высокая концентрация СО₂ может привести к сенсорной гиперчувствительности. Следовательно, рассматривалась вероятность положительного фототаксиса как реакции на повышенное содержание СО₂.

Результаты
Размножение и эмбриогенез. Изначально, количество икринок (учитывается количество икринок, произведенное одной самкой) оставалась неизменной между процедурами (по данным контрольного исследования: 1392± 302 икринок; при увеличении СО₂: 1434 ± 255 икринок; t = 0.33, df = 18, P = 0.42). Продолжительность инкубационного периода варьировала от 9,5 до 12,5 суток, однако значимых различий не было обнаружено (контроль: 11,2±0,9 суток, при увеличении СО₂: 11,4±0. Сут., t = 0.39, df = 22, P = 0.70). Количество икринок в кладке на 9 сутки также оставалась относительно стабильной (данные контроля: 1556 ± 600 икринок, CO2: 1410 ± 594 икринок; t =-0.60, df = 23, P = 0.55).

Количество погибших икринок на 9 сутки с момента нереста в условиях повышенной концентрации углекислого газа выросло вдвое (14.5 ± 13.3%) по сравнению с данными контрольного исследования (6.4 ± 5.4%, по U-критерию Манна-Уитни, P = 0.025). Даже при том, что большинство икринок и эмбрионов развивались нормально (рис. 2), исследование на наличие изменений в эмбрионах при сильном увеличении (на 7 день) выявило несколько случаев патологий, которые, как правило, были вызваны задержками на различных этапах эмбрионального развития (Рис. 1). Частота патологий в условиях повышенного содержания СО₂ увеличилась более чем вдвое (6.1 ± 6.7%) по сравнению с данными контрольного исследования (2.4 ± 2.7%; t = 2.09, df = 23, P = 0.048) (Рис. 3).

Фототаксис на личиночной стадии

Значительное количество личинок продемонстрировали выраженную направленную фототактическую реакцию, другими словами, быстрое движение в направлении источника света (в среднем, расстояние в 55 см личинки преодолевают за 52 ± 22 секунд [N = 14]; наиболее быстрые особи преодолевают расстояние за 13 секунд). С учетом длины тела (средний размер новорожденной личинки – 2,8 мм; Свенсон, 2006 г.); средняя скорость самой быстрой личинки – 3,4 BL s-1 и 13.7 BL s-1. Таким образом, личинки показали весьма выраженный фототаксис.

Личинки, выращенные в условиях повышенной концентрации СО₂, продемонстрировали гораздо более сильную фототактическую реакцию по сравнению с контролем. Во время исследований с помощью специального аппарата, 62 ± 22% личинок достигли источника света в течение 2 минут, тогда как лишь 36 ± 22% личинок контрольной группы (t = 2.99, df = 23, P = 0.007) (рис. 4), сумели добраться до освещенного места в течение указанного промежутка времени. Время, затрачиваемое наиболее быстрыми особями из обоих выводков, также значительно разнится. В среднем, самым быстрым личинкам из «углекислой» группы потребовалось 40 ± 14 секунд, чтобы добраться до источника света, тогда как особям из «контрольной» группы понадобилось 64 ± 22 секунд (t = 2.47, df = 12, P = 0.029, Рис. 2).

Немедленный эффект?
Каких-либо признаков немедленного эффекта среди особей «углекислой» группы выявлено не было, так как ни общий показатель фототактической реакции (процентная доля особей, достигших источника света — 35 ± 14 для «углекислой» группы и 41 ± 23 для контрольной группы, при t = -0.75, df = 22, P = 0.46), ни скорость движения наиболее быстрых личинок («углекислая» группа — 69 ± 23 сек, контрольная – 71 ± 26 сек, t = 0.14, df = 22, P = 0.89) не выявили различий между контрольной и «углекислой» группами. Для обеих сред, реальные показатели соответствовали ожидаемым показателям для особей, выведенных в углекислых условиях (см. рис. 4). Таким образом, текущие лабораторные условия (содержание СО₂ на пути следования личинок к светодиоду) не оказало влияния на результат.

Общая активность
В условиях обычной освещенности, активность особей оставалась невысокой, вне зависимости от тестируемой группы особей (около 20% особей покинули «стартовый» контейнер; P > 0.8 между процедурами). В отсутствии света, активность была крайне низкой. Лишь одна личинка переместилась в соседнюю секцию (0,4% от всех особей). Таким образом, личинки продемонстрировали низкую активность в неосвещенной среде, а также весьма ограниченное движение в воде при отсутствии источника направленного света, в условиях обычного освещения.

Обзор результатов исследования
Результаты исследования выявили негативное влияние увеличения концентрации СО₂ на эмбриональное развитие и выживаемость икринок. Значимого влияния на стандартные показатели по нересту и размеру кладки, хотя временные интервалы, в течение которых особи подвергались влиянию углекислого газа перед нерестом, были весьма непродолжительными. В отличие от большинства опытов, проведенных с целью изучения влияния углекислого газа на жизнедеятельность природных организмов, данное исследование предполагало создание естественных условий, где особи могли размножаться, демонстрируя естественное репродуктивное поведение (нерест, эмбриональное развитие, забота о потомстве), что придавало результатам дополнительное экологическое значение.

В то время, как дефекты эмбрионального развития, скорее всего, были напрямую связаны с повышенным содержанием СО₂, причины потери икринок могут быть более разнообразными. Возможно, имело место уничтожение (поедание) самцами слабых эмбрионов, либо нетипичное поведение особей-родителей по отношению к потомству вследствие повышения концентрации углекислого газа. Результаты работы противоречат данным некоторых других исследований рыб, согласно которым повышенное содержание СО₂ в водной среде не оказывает влияния на развитие эмбрионов (Мандей с соавт., 2009 г.; Франке и Клеммесен, 2011 г.), за исключением Menidia beryllina (менидии прибрежной) – атлантической рыбы, обитающей в средних широтах. В последнем случае, особи в условиях высокого содержания СО₂ имели высокий показатель эмбриональной смертности, а также большое количество патологий у личинок (Бауманн с соавт., 2012). Это свидетельствует о том, что на ранних этапах развития, высокий уровень СО₂ может оказывать пагубное влияние, однако степень его выраженности для различных видов неодинакова. Личинки морских рыб демонстрируют очень высокие показатели смертности, при этом смертность среди личинок и мальков сильно влияет на численность популяции (Кушинг, 1990 г., Худ, 1997 г.). В то же время, возможные последствия высокого содержания СО₂ для популяций в настоящее время до конца не изучены.

В ходе эксперимента новорожденные личинки помещались в среду богатую углекислым газом и продемонстрировали более выраженную фототактическую реакцию. Реакция не отражала общее поведение: это был особый эффект, который характеризовал реакцию на световой раздражитель, поскольку при обычном освещении (потолочными светильниками), личинки не проявляли активности, и ее уровень оставался одинаковым во время ухода. В темноте активность практически не наблюдалась. Более того, не было обнаружено каких-либо явлений, указывающих на присутствие немедленного эффекта от повышенного содержания СО₂. Таким образом, интенсивность фототаксиса на эмбриональном этапе развития зависит от концентрации СО₂.

Считается, что положительный фототаксис способствует физическому развитию личинок (Камлер, 1992 г., Карлсен и Мангор-Йенсен, 2001 г.). Однако, влияние СО₂ на интенсивность фототактической реакции, как показало работа, было весьма выраженным – наблюдалось увеличение на 65-70% по двум различным показателям. Столь сильная реакция может свидетельствовать о зрительной гиперчувствительности, обусловленной содержанием СО₂. Это подтверждает гипотезу, согласно которой высокий уровень СО₂ вызывает гиперактивность нейронов вследствие воздействия на нейромедиаторную функцию мозга (Нильссон с сотр., 2012 г.). Чувствительность зрения видов, вероятно, в настоящее время является фактором текущего стабилизирующего отбора, так как низкая чувствительность ведет к отсутствию необходимой реакции, а гиперчувствительность приводит к неадекватной реакции на слабые или даже отсутствующие сигналы (Брэдбури и Веренкамп, 2011 г.).

Таким образом, впервые было проведено исследование влияния углекислого газа на интенсивность фототаксиса у рыб. Дальнейшие исследования должны определить, оказывает ли значительное усиление фототаксиса положительное или отрицательное влияние на физическое развитие личинок и как оно потенциально влияет на уровень популяции. В то же время, есть вероятность негативных последствий гиперчувствительности, так как она увеличивает риск неадекватных реакций на различные слабые или случайные световые сигналы, которые, так или иначе, возникают в многогранной среде, характерной для каменистых прибрежных зон, богатых водорослями. Учитывая факт, что движение личинок в направлении источника света не было монотонным, а характеризовалось более или менее частыми остановками и поворотами, есть основания полагать, что повышенная фотатактическая реакция могла быть вызвана увеличением сенсорной потребности и более направленным и продолжительным движением в воде.

Характер фототаксиса личинок определялся уровнем содержания СО₂ в среде на эмбриональном этапе развития, а не тем, что одни особи испытывались в обычной «контрольной» среде, а другие – в «углекислой». Это подтверждается предыдущими опытами, в ходе которых было установлено, что кратковременное повышение концентрации СО₂ не вызывает отклонений в поведении личинок, обитающих среди коралловых рифов (Мандей с соавт., 2010 г.; Нильссон с соавт., 2012 г.) Наряду с текущим исследованием, предыдущие анализы позволяют предположить, что постоянное превышение показателя по углекислому газу вследствие реализации сценария закисления океанической среды, может иметь более серьезные последствия нежели значительные, но кратковременные колебания, которые рыба так или иначе испытывает во многих средах, например — умеренных прибрежных (Хофманн с соавт., 2011 г.) Что касается долгосрочных последствий увеличения содержания СО₂, то здесь основной вопрос состоит в том, способны ли организмы через много поколений, путем естественного отбора наиболее устойчивых генотипов, приспособиться к климатическим стрессовым факторам. Еще предстоит выяснить, способны ли организмы, для которых характерно относительно продолжительное время генерации, в данном случае рыбы – эволюционно адаптироваться к быстро растущему уровню содержания СО₂ в окружающей среде. Результаты исследований рыб, обитающих среди коралловых рифов, свидетельствуют о том, что негенетические первичные характеристики действительно позволяют видам в некоторой степени приспособиться к углекислой среде в течение нескольких поколений (Миллер с соавт., 2012 г.), однако с точки зрения долговременной эволюции, потенциал и универсальность данного явления пока остаются неисследованными.

В конечном итоге, исследование выявило последствия влияния повышенного содержания СО₂ на эмбрионы и личинки бычка, обитающего в средних широтах. Повышение концентрации СО₂ привело к увеличению зародышевой смертности и случаев отклонений в развитии эмбрионов, в подтверждение прогнозов о том, что негативные последствия становятся заметными на ранних этапах жизнедеятельности. Мы также выявили влияние СО₂ на поведение рыб, обусловленное зрительной функцией (фототактическая реакция), согласно предположению о влиянии углекислого газа на сенсорные реакции вообще (Мандей с соавт., 2012) В особенности, новорожденные личинки, появившиеся на свет в условиях повышенного содержания СО₂, продемонстрировали значительно более выраженную фототактическую реакцию, что подтверждается недавним открытием Нильссона и его коллег (2012 г.), согласно которому СО₂ вызывает «нейронную гиперактивность». Как и другие недавние открытия (Бауманн, Мандей, 2012 г.; Джатфельт с соавт., 2013 г.), наши исследования показали, что морские организмы менее устойчивы к повышенным концентрациям СО₂, чем считалось ранее. Следует отметить, влияние СО₂ на поведение, определяющееся сенсорными реакциями, скорее всего, касается не только видов, обитающих среди коралловых рифов, а является глобальной проблемой.

——
www.thefishsite.com/articles/1834/elevated-co2-affects-embryonic-development-and-larval-phototaxis-in-a-temperate-marine-fish