Навіщо чистильнику Байкалу зубні коронки

Крихітний веслоногий рачок — байкальська епішура — один з найзнаменитіших байкальських ендеміків. Цей домінуючий вид зоопланктону Байкалу є найважливішою частиною харчової піраміди прісноводного «океану». Він живиться бактеріями і одноклітинними водоростями, а сам служить кормом байкальському омулю та іншим пелагічним рибам.

За добу рачок здатний профільтрувати близько однієї склянки води, беручи участь тим самим в очищенні байкальських вод. Але для дослідників це водне безхребетне цікаво і саме по собі: в його біології та екології залишається ще багато загадкового — від міцних кремнієвих «зубів» до видоутворення.

Байкальська епішура (Epischura baicalensis) — це планктонний організм (від греч. — Він — «парящий, блукаючий»), що мешкає у водній товщі озера. Як і більшість планктонних організмів, він має порівняно невеликі (близько 1,5 мм) розміри і практично прозорий. Харчується також планктоном, тільки фотосинтезуючим (дрібними одноклітинними водоростями), а також бактеріями.

Рід Epischura відноситься до вільних веслоногих ракоподібних підкласу Copepoda. Представники цього роду зустрічаються в прісних водоймах Азії та Північної Америки, в тому числі у Великих Американських озерах, на Далекому Сході в басейні р. Амур і, нарешті, в найглибшому і найдавнішому озері планети — Байкалі. Частка епішури в озері Байкал становить близько 80% від числа всіх ракоподібних, а загальна біомаса в озері, залежно від року і сезону, становить від 60 до 950 тис. т. Харчується епішура, відфільтровуючи їжу з води за допомогою декількох пар ротових кінцівок, які створюють струм води і одночасно утворюють щось на зразок фільтрувальної мережі, що вловлює потрібні їй частинки. За добу рачок здатний профільтрувати близько однієї склянки води, беручи участь тим самим в очищенні байкальських вод. Харчується байкальська епішура бактеріями і одноклітинними водоростями, серед яких переважають діатомові, сама ж служить їжею як для інших ракоподібних (циклопи, макрогектопус), так і для всіх пелагічних риб (омуль, голом’янка, жовтокрилка та ін). Таким чином, епішура є найважливішою ланкою в ланцюгу передачі енергії від фітопланктону до хижих представників зоопланктону і риб.

Свою їжу епішура видобуває, використовуючи цілий комплекс ротових кінцівок, що створюють струм води, з якого рачок і виловлює їстівні об’єкти. Процес харчування в принципі не відрізняється від такого в інших веслоногих. Проте багато сторін життя цього представника найдавнішої групи членистоногих залишаються маловідомими для вчених. Про харчову «розбірливість» епішури вже писали раніше (Мельник, 2004), сьогодні ж йтиметься про методи дослідження цього водного ракоподібного і найбільш цікаві нові результати, що стосуються популяційних характеристик і будови його ротового апарату.

Кольорами позначено різні групи ротових кінцівок E. baicalensis: An1 — перші антени; An2 — другі антени; Mb — мандібули; Mx1 — перші максили; Mx2 — другі максили; Mp — максіліпеди. Скануюча електронна мікроскопія

Ловися планктон, великий і маленький

Щоб отримати достатню кількість особин для дослідження, причому зібраних не в одній точці акваторії, на кораблі має бути спеціальне обладнання: електролебідка з можливістю регулювати швидкість руху троса, спеціальні планктонні мережі тощо.

Судноплавний сезон для флоту Лімнологічного інституту СО РАН відкривається на Байкалі наприкінці травня, коли тільки-тільки сходить лід. Як правило, все починається з комплексних експедицій, коли на одному кораблі йдуть хіміки, фізики і біологи. У кожного з нас — свої завдання, моя — відбір проб зоопланктону для себе та інших дослідників. Робиться це за допомогою зоопланктонних мереж, зокрема, мережею Джеді і ДжОМ (це більш велика океанічна модель мережі Джеді), до яких кріпиться вантаж 8-15 кг (чим більше мережа, тим більше вантаж).

Мережі кріпляться до троса лебідки і опускаються на потрібну глибину, а потім піднімаються з певною швидкістю (близько 1 м/с). Якщо піднімати планктонну мережу занадто швидко, вода не встигатиме проходити через дрібні отвори фільтруючої частини мережі і зворотним струмом почне викидати те, що повинно бути зловлено. Якщо ж піднімати занадто повільно, відловлювані організми, відчувши недобре, встигнуть «розбігтися» в різні боки. Необхідно стежити не тільки за швидкістю підйому мережі, а й за тим, куди її зносить: при виході з води її може затягнути під корабель, де на додачу до свого улову вона збере ще бруд і наростання з днища корабля або взагалі відірветься.

У деяких випадках важливий і кут нахилу мережі, при якому вона виходить з води. Коли потрібно взяти пробу з конкретних глибин, використовується спеціальний пристрій — «замикач», який закриває мережу на потрібній глибині за допомогою посильного вантажу, припинивши подальшу фільтрацію. При цьому мережа не зупиняється, і дослідник повинен розрахувати, виходячи зі швидкості підйому мережі і швидкості опускання посильного вантажу, глибину, де вони зустрінуться і мережа закриється.

Відбір планктонних проб займає від 10-15 хвилин до декількох годин залежно від числа проб на конкретній точці і глибин, на які потрібно опустити мережу. Байкал, як відомо, найглибше озеро в світі, але на всі півтори з гаком тисячі метрів мережу, як правило, не опускають. Хоча проби з глибини до 700 м періодично беруться.

Вітер на Байкалі — часте явище, і при температурі води близько 4 ° С, як це буває на початку експедиційного сезону, в такій справі не обійтися без хорошого зимового пуховика, шапки і теплих непромокаючих штанів.

Чому у вас такі великі зуби?

Одним із завдань нашого дослідження було вивчення ротових кінцівок епішури за допомогою скануючого електронного мікроскопа. Подібні дослідження проводилися і раніше, але за допомогою методів світлової мікроскопії. Однак завдяки більшій дозволній здатності електронного мікроскопа нам вдалося не тільки уточнити вже наявні дані, але і виявити нові факти.

Ріжучі краї мандибул E. baicalensis, щільно змикаються для подрібнення їжі

Серед одноклітинних водоростей, які входять в раціон байкальської епішури, найважливіше місце займають діатомові водорості — одноклітинні фотосинтезуючі організми, покриті химерним «панцирем» з діоксиду кремнію. Щоб розкусити таку оболонку, потрібно мати міцні зуби, і вони у епішури є. Точніше на одному із зубців щелеп (мандибул) у неї є спеціальна коронка.

Мандібулярний зубець E. baicalensis, жовтим кольором позначена кремнієва коронка

За допомогою спеціального зонда на скануючому електронному мікроскопі QUANTA 200 фірми FEI вдалося виявити, що до складу цих міцних зубних коронок входить кремній. Крім того, з’ясувалося, що коли вони «сточуються» або обламуються з часом, на їх місці виростають нові. Аналогічні кремнієві коронки були виявлені і в інших видів епішури, розрізнявся лише зміст кремнію. Виявилося, що останнє пов’язане з дієтою, а точніше — з товщиною і міцністю панцирів діатомових водоростей, якими харчуються рачки (Naumova et al., 2015).

Ріжучий край мандібули E. baicalensis, гуртком показаний зуб з обламаною кремнієвою коронкою

Структури, що містять кремній, — рідкісне явище у тварин: частіше в них присутній більш доступний кальцій. У різних видів епішури можна спостерігати, як особини втрачають кремній, якщо починають харчуватися водоростями з менш міцною оболонкою або іншими планктонними організмами.

Єдина і неподільна

Наступне питання, яким ми зайнялися, — чи представляє епішура в Байкалі одну велику популяцію, або ж вона розпадається на окремі ізольовані або майже ізольовані групи?

У пошуках відповіді було проведено порівняння фрагментів мітохондріального гена, що кодує першу суб’єдиницю одного з ферментів — цитохром оксидази (COI), взятих у особин епішури з різних ділянок озера. Мітохондріальну ДНК виділяли з плавальних ніг рачків, щоб по можливості зберегти тіло досліджуваних особин цілим для додаткових морфологічних досліджень.

Після проведення стандартної полімеразної ланцюгової реакції (ПЛР) і розшифровки первинної структури ДНК отримані нуклеотидні послідовності порівняли між собою і на цій основі побудували так звані «дерева гаплотипів». Гаплотип — це унікальна сукупність зчеплених генетично локусів, а дерево гаплотипів об’єднує ідентичні послідовності ДНК в «родинні» групи.

Один з варіантів медіанної мережі гаплотипів, побудованої в програмі NETWORK 4.5 на основі фрагмента гена COI мтДНК байкальської епішури. Кольори позначають район оз. Байкал (північна, центральна і південна котловини), де відбиралися проби. Розміри кіл пропорційні кількості особин, що володіють відповідним гаплотипом. Праворуч: так виглядає жива епішура байкальська в полі зору мікроскопа

Як відомо, зміни (заміни) в структурі ДНК накопичуються поступово, і чим менше таких замін у порівнюваних організмів, тим вони ближче до спільного предка на «родоводі». Відповідно, якби популяції епішури в різних частинах Байкалу жили і розвивалися самостійно в умовах ізоляції, це обов’язково відбилося б на характері просторового розміщення груп і групових скупчень різних гаплотипів. Однак результати аналізу мітохондріальних генів продемонстрували зовсім іншу ситуацію: виявилося, що вся байкальська епішура представлена в озері однією-єдиною величезною популяцією (Зайдиков та ін., 2015).

Дослідження крихітного, практично невидимого ока ендемічного веслоного рачка дали цікаві фундаментальні результати. По-перше, у цього мешканця планктонної товщі виявилися міцні кремневі «зуби» — рідкість у тваринному світі.

По-друге, нагадаємо, що Байкал має протяжність понад 600 км, його ширина в деяких місцях сягає майже 80 км, а підняттями дна озеро розділене на три великі котловини. Весь цей довгий час давав привід сумніватися в тому, що маленький рачок може мати єдину популяцію на всьому цьому гігантському просторі — в масштабах епішури просто космічному! Виявилося, може. І коли вдасться розібратися в причинах цього явища, ми, можливо, ще трохи наблизимося до розуміння того, як відбувається видоутворення на Землі.

Література:

1. Мельник Н.Г. Ракоутворення байкальських вод//Наука з перших рук. 2004. Т. 3. № 2. С.95-99.2.

Шумний В.К. Природа була першим генним інженером//Наука з перших рук. 2004. Т. 3. № 2. С. 33-39.3. Зайдиков

І. Ю., Майор Т.Ю., Суханова Л. В. та ін. Поліморфізм мтДНК епішури озера Байкал — ключового ендемічного виду планктонної спільноти//Генетика. 2015. Т. 51. № 9. С. 1087-1090.4. Nau

mova E. Yu., Zaidykov I. Yu., Tauson V. L., Likhoshway Ye. V. Features of the fine structure and Si content of the mandibular gnathobase of four freshwater species of Epischura (Copepoda: Calanoida) // Journal of Crustacean Biol. 2015. V. 35. Iss. 6. P. 741–746.

У публікації використані фото автора.