Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2021, T. 501, № 1, стр. 563-568

Лептоклин пятнистый Leptoclinus maculatus (Fries, 1838) – арктическо-бореальный вид рыб из семейства Стихеевые (отряд Окунеобразные), который играет важную экологическую роль в трофических цепях арктических экосистем [1, 2]. Лептоклинус является ценным высокоэнергетическим кормовым объектом для многих видов рыб, птиц и даже млекопитающих [3, 4]. Несмотря на небольшие размеры (не более 20 см в длину), он накапливает в мышцах и в липидном мешке, провизорном органе пелагической молоди, значительное количество липидов – до 40% и до 92% сухой массы, соответственно, преимущественно за счет активного питания зоопланктоном [1, 2, 5, 6]. Жизненный цикл лептоклина выделяется среди других арктических рыб длительным периодом развития молоди (3–5 лет) с последовательной сменой стадий развития от L1 до L5 [3, 5]. В литературе сравнительно немного сведений об изменении липидного профиля арктических видов рыб в процессе их развития [7, 8]. Ранее нами получены данные о качественном и количественном составе липидов мышц и липидного мешка лептоклина пятнистого L1–L5 стадий развития в Конгсфьорде акватории арх. Шпицберген в зимний период [5, 6].

В настоящей работе впервые проведен сравнительный анализ содержания общих липидов и отдельных липидных классов мышц и липидного мешка молоди лептоклина пятнистого в процессе роста и развития в заливах Конгсфьорд и Рипфьорд, различающихся экологическими факторами (температура, ледовый покров, кормовая база и др.), в наиболее продуктивный летний период (август). Сравнительные исследования динамики липидного состава в раннем постэмбриональном развитии представителя арктической ихтиофауны лептоклина пятнистого Leptoclinus maculatus в фьордах различных доменов имеют особый интерес, так как важны для понимания адаптивных механизмов трансформации вещества и энергии (в данном случае – липидной природы) как в самом организме животного, так и в пищевых цепях арктических экосистем, незаменимым объектом которых он является.

Пробы для анализа были собраны в Конгсфьорде (L1–L4 стадии развития) и Рипфьорде (L1–L5 стадии развития) (рис. 1, табл. 1) акватории архипелага Шпицберген с использованием пелагического трала в ходе научно-исследовательского рейса на научном судне “Helmer Hanssen” (Арктический университет Норвегии). Конгсфьорд и Рипфьорд могут выступать модельными экосистемами для проведения сравнительных исследований, в том числе биохимических, к воздействию на организм гидробионтов биологических и экологических факторов среды. Согласно литературным данным, Конгсфьорд находится под влиянием холодных арктических водных масс, в том числе пресных вод ледников, лежащих в его основании, а также теплых и соленых атлантических вод Западного Шпицбергеновского течения, усиливающегося с началом полярного дня [9]. Рипфьорд – высокоарктический неглубокий фьорд, находящийся под сильным влиянием холодных и пресных арктических вод. Рипфьорд может быть покрыт льдом до шести-восьми месяцев в году [10], в то время как Конгсфьорд в последние десятилетия практически не покрывается льдом даже в период полярной ночи [9]. Теплые атлантические подземные воды практически не попадают в Рипфьорд со стороны Северного Ледовитого океана, однако отмечено незначительное влияние атлантических вод в систему фьорда, что приводит к адвекции некоторых бореальных видов, например таких, как веслоногий ракообразный Calanus finmarchicus, и вносит изменения в структуру пищевой сети [10, 11].

Рис. 1.

Район сбора проб в акватории архипелага Шпицберген (Конгсфьорд (красная метка) и Рипфьорд (желтая метка)).

Оценку липидного профиля проводили по содержанию общих липидов (ОЛ) и их отдельных классов (структурных липидов – фосфолипидов (ФЛ), холестерина (ХС), энергетических липидов – триацилглицеринов (ТАГ), эфиров холестерина (ЭХС) и восков, в том числе впервые получены данные по содержанию моноацилглицеринов (МАГ), диацилглицеринов (ДАГ) и неэтерифицированных (свободных) жирных кислот (СЖК)), с использованием метода высокоэффективной тонкослойной хроматографии.

Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии выполнен анализ содержания отдельных классов фосфолипидов – фосфатидилинозитола (ФИ), фосфатидилсерина (ФС), фосфатидилэтаноламина (ФЭА), фосфатидилхолина (ФХ), лизофосфатидилхолина (ЛФХ), сфингомиелина (СФМ). Описание биохимических методов анализа липидов представлено нами ранее [5, 12, 13]. Статистическая обработка данных проведена в открытой программируемой среде R (версия 3.6.1.). Достоверность различий данных определяли с использованием непараметрического критерия Вилкоксона–Манна–Уитни [14]. Различия между значениями липидных показателей считали достоверными при p ≤ 0.05. Биохимический анализ выполнен на базе лаборатории экологической биохимии ИБ КарНЦ РАН с использованием оборудования ЦКП Федерального исследовательского центра “КарНЦ РАН”.

Относительно высокое содержание ОЛ установлено в мышцах молоди пятнистого лептоклина в процессе развития в Конгсфьорде (от 24 до 37% сухой массы) по сравнению с таковым у молоди из высокоарктического Рипфьорда (от 16 до 26%), главным образом, за счет запасных липидов (ТАГ и восков) (рис. 2). Содержание ТАГ, доминирующих в мышцах лептоклина, выше в Конгсфьорде (до 12% сухой массы), чем в Рипфьорде (до 8%). При этом только в Конгсфьорде показано его повышение в процессе роста и развития молоди рыбы от L1 к L4 стадии развития (от 8 до 12% сухой массы). Уровень восков также выше у молоди в Конгсфьорде и повышается от L1 к L4 стадии развития от 6 до 8% сухой массы. Содержание предшественников биосинтеза ТАГ – МАГ, ДАГ, а также СЖК менее или равно 1% на всех стадиях развития в обоих фьордах. В Конгсфьорде показатель ТАГ/ФЛ повышается от 1.8 до 4.1, а в Рипфьорде он варьирует от 2.7 до 3.1 в процессе роста и развития молоди лептоклина. Более эффективное накопление запасных липидов (ТАГ и воска) у рыб из арктическо-бореального Конгсфьорда в процессе роста и развития может быть связано с большим разнообразием кормовых объектов и их доступностью для питания в летний период. Известно, что в Конгсфьорд отличается разнообразием сосуществующих как бореальных, так и арктических видов фито- и зоопланктона, которые отражают изменения распределения и динамики водных масс Западного Шпицбергена [15]. При этом в Рипфьорде, главным образом, доминируют арктические представители планктона, что позволяет рассматривать их в качестве трофического маркера в сравнительных исследованиях пищевых взаимоотношений и сетей в Арктике.

Рис. 2.

Содержание отдельных классов липидов (% сухой массы) в мышцах молоди лептоклина пятнистого Leptoclinus maculatus из Конгсфьорда и Рипфьорда арх. Шпицберген. Обозначения: L1, L2, L3, L4, L5 – исследуемые стадии развития, ФЛ – фосфолипиды, ХС – холестерин, ТАГ – триацилглицерины, ЭХС – эфиры холестерина, МАГ – моноацилглицерины, ДАГ – диацилглицерины и СЖК – неэтерифицированные (свободные) жирные кислоты.

Установлено, что стадия развития L1 достоверно отличается по липидному составу от других. Она характеризуется наибольшим уровнем ОЛ за счет ЭХС и ТАГ. Более высокое содержание ЭХС, чем восков в мышцах личинок L1 стадии развития в исследуемых фьордах по сравнению с таковым у молоди старшего возраста может указывать на онтогенетические особенности ее питания в летний период. Ранее полученные данные жирнокислотного состава личинок L1 стадии показали присутствие в ее питании фитопланктона в отличие от старшей молоди лептоклина, питающейся зоопланктоном [5].

Известно, что представители зоопланктона, веслоногие ракообразные – копеподы, как одни из основных объектов питания личинок рыб, запасают липиды преимущественно в форме восков [16], в то время как в липидном профиле фитопланктона наравне с ТАГ запасаются ЭХС [17], что находит отражение на липидном профиле рыб, питающихся фитопланктоном, и в данном случае, и личинки лептоклина L1.

Молодь L1 стадии развития из Конгсфьорда также выделяется более высоким содержанием ФЛ – 6% сухой массы, чем таковое у рыб в Рипфьорде – 3%. При этом уровень ФЛ у рыб других стадий развития (L2–L5) в обоих фьордах находится в переделах 2.5–3% сухой массы. Личинки L1 стадии развития держатся, главным образом, в поверхностном слое воды [2], и потому, в большей степени подвержены воздействию изменений температурных колебаний, что находит отражение в изменении липидного состава биомембран за счет соотношения ХС и ФЛ [18], как одного из биохимических механизмов компенсаторного ответа организма на воздействие факторов среды. Кроме того, потребность организма рыб в пищевых ФЛ снижается от личинки к ювенильной особи [19]. Количество ХС варьирует в процессе развития молоди лептоклина от 2 до 4% в обоих фьордах. Показатель соотношений липидов ХС/ФЛ (коэффициент Дьердии) у рыб в Конгсфьорде изменялся в пределах 0.8–1.0, а в высокоарктическом Рипфьорде был выше на всех стадиях развития лептоклина – 1.0–1.1. Более высокое значение коэффициента Дьердии у рыб в Рипфьорде указывает на изменение физико-химического состояния биомембран в их организме для поддержания гомеостаза внутренней среды при действии более низких температур в глубинных слоях воды. Результатом является усиление вязкости биомембран за счет ХС, что уменьшает ионную проницаемость и изменяет активность мембраносвязанных ферментов.

Установлено, что в мышцах молоди лептоклина на всех стадиях развития преобладает ФХ, в меньшем количестве содержится ФЭА, что подтверждает их высокую значимость в составе мембран, и в том числе метаболическую. Известно, что позвоночные животные холодных вод имеют ограниченные способности биосинтеза ФЛ и потому получают их главным образом при питании [19]. Уровень ФХ у лептоклина в Конгсфьорде варьирует от 2.3 до 4.6% сухой массы и достоверно более высокий, чем у молоди в Рипфьорде. Наибольшее содержание ФХ и ФЭА показано для L1 стадии развития лептоклина, что необходимо для обеспечения эффективного роста и оптимального физиологического состояния рыб в раннем онтогенезе [20]. Содержание других классов фосфолипидов (ФИ, ФС, СФМ, ЛФХ) в мышцах молоди лептоклина незначительное (меньше или равно 0.1% сухой массы). Однако установленные достоверные различия их уровня указывают на их роль в организме не только как структурных компонентов, но и как вторичных мессенджеров во многих клеточных процессах, в том числе компенсаторного характера в ответ на изменение внешних факторов среды.

Сравнительное исследование содержания ОЛ и их классов в липидном мешке лептоклина пятнистого (L3, L4 стадий развития) показало отсутствие значимых различий в процессе его раннего постэмбрионального развития в Конгсфьорде и Рипфьорде. Полученные данные указывают на то, что липидный мешок сохраняет свое основное функциональное значение (прежде всего как энергетическое депо, а также – обеспечение плавучести) [2, 5] в различных условиях Арктики. Несмотря на различающиеся условия среды в исследованных фьордах, ключевой является стратегия накопления липидов в липидном мешке молодью лептоклина, что, в том числе, обеспечивает выживание и развитие личинок в зимний период. Уровень общих липидов на L3, L4 стадиях развития у молоди лептоклина из Конгсфьорда составляет – 85 и 87% сухой массы соответственно по стадиям, а в полярную ночь – 76 и 85% [6]. При этом активное питание в летний и далее в осенний периоды способствует запасанию ТАГ в липидном мешке личинок рыбы к зиме, так как уровень этого класса липидов выше в полярную ночь, чем летом (69 и 55% сухой массы соответственно на L3 и L4 стадиях развития в полярную ночь и 43 и 44% сухой массы соответственно по стадиям в летний период) [6].

Так, в работе впервые представлены данные по содержанию ОЛ и отдельных классов липидов, группы ведущих компонентов липидного метаболизма (ФЛ, МАГ, ДАГ, ТАГ, СЖК, ХС, ЭХС, восков), в мышцах и в липидном мешке лептоклина пятнистого в процессе раннего постэмбрионального развития во фьордах различных доменов (арктическо-бореальном Конгсфьорде и высокоарктическом Рипфьорде) акватории арх. Шпицберген в летний период. Установлено более эффективное накопление ОЛ за счет ТАГ и восков в мышцах молоди лептоклина из Конгсфьорда по сравнению с Рипфьордом, при этом в липидном мешке отмечено поддержание определенного уровня как ОЛ, так и других исследуемых показателей, что демонстрирует единую физиолого-биохимическую стратегию жизнедеятельности вида в условиях Арктики. Полученные данные позволяют предположить, что различия в содержании запасных липидов в мышцах молоди лептоклина связаны прежде всего с трофическими условиями (присутствие арктических и атлантических видов зоопланктона в Конгсфьорде). Впервые показан более высокий уровень ЭХС, чем восков на L1 стадии развития лептоклина, что связано с ее активным питанием (преимущественно фитопланктоном) в продуктивный летний период. Различия в содержании отдельных классов структурных ФЛ могут указывать на адаптивные изменения на уровне биомембран для поддержания гомеостаза клетки в ответ на воздействие абиотических факторов среды, а также могут отражать дополнительное поступление при питании на ранних стадиях развития рыбы.

Таким образом, установленные различия в содержании классов запасных липидов в мышцах молоди лептоклина пятнистого отражают особенности его питания в процессе развития в Конгсфьорде и высокоарктическом Рипфьорде арх. Шпицберген в летний период. При этом выявленные вариации на уровне структурных липидов связаны с поддержанием надлежащего физико-химического состояния биомембран, обеспечивающего оптимальную работу мембраносвязанных ферментов и их комплексов в соответствующих температурных условиях местообитания молоди.