ФЕНОМЕН ПРЕАДАПТАЦИИ ЖИРНОКИСЛОТНЫХ СОСТАВОВ ЛИПИДОВ У ЭКТОТЕРМНЫХ ОРГАНИЗМОВ РАЗНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ Л.П. Смирнов, В.В. Богдан
Учреждение Российской академии наук Институт биологии Карельского научного центра РАН, г. Петрозаводск, Россия e-mail: leo@bio.krc.karelia.ru
Температура является важнейшим абиотическим фактором среды, адаптация к которому у живых организмов осуществляется через реализацию различных физиолого-биохимических механизмов.
В отличие от гомойотермных животных, особенности метаболизма которых позволяют поддерживать достаточно стабильные термические условия внутренней среды (эндотермия), у пой- килотермных животных отсутствует метаболическая регуляция температуры тела и они полностью зависимы от температуры внешней среды (эктотермия). В процессе эволюции у эктотермных организмов сформировался комплекс приспособительных механизмов, позволяющий им поддерживать жизненные функции не только в значительном термическом диапазоне, но и при резких колебаниях температуры. Одним из них является преадаптация, которую Е.М. Крепс называет «эволюционной адаптацией» (Крепс, 1984), а П. Хочачка и Дж. Сомеро - «генетической адаптацией» (Хочачка, Сомеро, 1988). Преадаптация - первый этап адаптации, сразу обеспечивающий выживание организма при смене условий обитания или образа жизни (Huxley, 1942). На субклеточном уровне этот феномен определяется как генетически детерминированные качественный состав и количественные соотношения молекул, которые позволяют поддерживать функциональную метаболическую стабильность в клетке (энантиостаз по определению Хочачки и Сомеро, 1988) при резком изменении силы действия того или иного фактора.Одним из важнейших механизмов температурных адаптаций эктотермных организмов являются качественные и количественные компенсаторные изменения в составе жирных кислот мембранных липидов, направленные на элиминацию или ослабление критических фазовых переходов в липидах, которые могли бы нарушить жидкокристаллическую структуру мембран и, соответственно, осуществление клетками их жизненных функций.
Сравнение жирнокислотных спектров бактерий Vibrio anguillarum, взятых из разных географических зон, выявило различия, которые обусловлены, по-видимому, температурными условиями существования предковых штаммов. Несмотря на то, что в наших экспериментах все образцы были выращены в изотермическом режиме, в бактериальных мембранах штаммов, выделенных из тканей рыб и воды в субтропической зоне (Геленджик), выявлено достоверно больше насыщенных жирных кислот, в основном за счет пальмитиновой, чем в таковых бактерий из северных регионов. В спектрах штаммов, собранных в Выборге и Мурманске, прослеживается тенденция к увеличению уровня полиеновых кислот в липидах, в основном за счет эйкозатриеновой (20:3) кислоты Полученные результаты дают основание предполагать, что ненасыщенность мембран вибрионов, определяемая количественным соотношением насыщенных и ненасыщенных кислот, генетически закрепилась в процессе эволюционной адаптации тех или иных штаммов V. anguillarum к температурному фону окружающей среды.
Анализ жирнокислотного состава липидов мембран лизосом и суммарных липидов у Eubothrium crassum (от холоднокровного хозяина) показал очень высокий уровень сходства между ними по количественному распределению жирных кислот, в то время как спектры жирных кислот мембран и общих липидов у Diphyllobothrium dendriticum имеют существенные различия. Так, в липидах лизосом лентецов по сравнению с общими липидами обнаружено на 5,4% больше насыщенных кислот и в 1,5 раза - моноеновых. Общая доля насыщенных и моноеновых кислот в мембранах лизосом составляла 71,1%, в то время как в суммарных липидах не превышала 55%. Кроме того, в тотальных липидах D. dendriticum (от теплокровного хозяина) выявлено в 1,4 - 2,2 раза больше диеновых, тетраеновых, пента- и гексаеновых кислот, чем в лизосомальных. Расчет коэффициента ненасыщенности (отношение суммы насыщенных к сумме ненасыщенных кислот) показал, что общие липиды в 2 раза более ненасыщенны, чем липиды лизосомальных мембран.
Ранее нами (Смирнов, Богдан, 1997) была выявлена преадаптация жирнокислотного состава липидов у личинок некоторых видов цестод к температуре окончательного теплокровного хозяина.
Обнаруженный феномен можно объяснить тем, что в процессе эволюции у гельминтов, цикл которых связан с последовательной сменой сред, резко различающихся по температуре, возникла преадаптация количественных соотношений жирных кислот у тех стадий паразитов, которые переходят из среды с низкой температурой в среду с высокой и наоборот, причем смена термических условий происходит скачком, например, плероцеркоид - имаго, имаго - яйца. Поэтому не удивительно, что доля ненасыщенных жирных кислот в общих липидах имагинальных стадий дифиллоботриумов явно превышает уровень, необходимый для нормальной жизнедеятельности в теплокровных хозяевах.Как известно, в цепи осуществления процессов жизнедеятельности критическим моментом для каждого вида рыб является размножение, поскольку из всех физиологических процессов оно имеет наименьший полигон толерантности, то есть успешно протекает только в условиях незначительных колебаний температуры (Бигон и др., 1989; Голованов и др., 1997). Если в период нереста, а затем развития икры и выклева личинок происходит изменение термических условий в водоемах, которое выходит за верхнюю или нижнюю границы диапазона температур размножения, специфичного для того или иного вида, то полноценное воспроизводство становится невозможным (резко возрастает число погибших эмбрионов, усиливается тератогенез), что вне всякого сомнения приводит к значительному снижению численности формирующегося поколения. Надо полагать, что температура размножения рыб - это таксономическая характеристика, закрепившаяся на генетическом уровне в процессе эволюционного становления. Для подтверждения этого постулата рассмотрим температурные условия нереста некоторых видов сем. Cyprinidae. Хотя плотва (Rutilus rutilus L.), сазан (Cyprinus carpio L.) и его одомашненная форма - карп обитают в умеренных широтах Европейской части России в температурном интервале от 0 до 25-38°, тем не менее, нерестятся при разных температурах. Так, у плотвы нерест начинается, когда температура воды достигает 4-8°, а у карпа нижний термический порог - 15-18° (Голованов, и др.
1997). Эти данные указывают на то, что виды, термический диапазон нереста и эмбриогенеза которых расположен в зоне более высоких температур, вряд ли могут заселить пространства с более низкими температурами, господствующими в регионах на нерестовый период. Например, в озерах и реках республики Карелия семейство карповых представлено достаточно широко (19 видов), тем не менее многие виды, оптимум зоны нерестовых температур которых лежит в интервале 16-22° (карась, линь, густера, карп (Мельянцев, 1974), весьма редки и встречаются только в водоемах ее южной части, на границе с Лениниград- ской областью. Исходя из этих сведений можно предположить, что специфика границ термотолерантности того или иного вида рыб определяется генетически запрограммированными особенностями биохимического строения и метаболических процессов, связанными, в частности, с соотношением насыщенных и ненасыщенных кислот в тканевых мембранных липидах. По уровню насыщенных, пента- и гексаеновых кислот икра лосося отличалась от икры трех видов теплолюбивых карповых рыб (карпа, пестрого толстолоба, белого амура) (Болгова и др., 1981), что скорее всего связано с температурными особенностями размножения. Это предположение в какой-то мере подтверждается результатами изучения жирнокислотного состава икры плотвы и карпа. Выяснилось, что состав жирных кислот в липидах икры плотвы, нерестящейся при +7-8°С, более ненасыщен, чем таковой икры карпа (нерестовая температура - +16-22°), что и следовало ожидать, исходя из аксиомы о соответствии жирнокислотных спектров организма температурным условиям существования его клеток (Проссер, 1964; Hazel, 1973). Ненасыщенность липидов в икре плотвы поддерживается за счет более высокой концентрации таких полиеновых кислот, как арахидоновая (20:4ω6), эйкозапентаеновая (20:5) и докозагексаеновая (22:6), уровень которых был в 1,4 - 4 раза выше, чем в икре карпа. В свою очередь ненасыщенность липидов икры карпа определяется более высоким уровнем менее ненасыщенных - эйкозадиеновой (20:2) и эйкозатриеновой (20:3) кислот. Доля кислот линоленового ряда (ω3) в икре плотвы была в 1,4 -1,7 раза выше чем у карпа. Рост концентрации ω3 кислот в условиях обитания при более низких температурах показан на икре других видов рыб (Сидоров, 1983; Болгова и др., 1985). У обоих видов рыб переход от преднерестовой стадии зрелости икры к нерестовой сопровождался однонаправленными изменениями в жирнокислотном составе липидов, связанными с увеличением содержания пента- и гексаеновых, а также ω3 кислот (у плотвы - 20:5 и 22:6, а у карпа - 20:5 и 22:5 кислоты). Интересно отметить, что этот процесс происходил на фоне роста температуры окружающей среды, то есть в данном случае мы сталкиваемся с парадоксом, на который впервые обратил внимание А. Коссинс (Cossins, 1977), обнаруживший рост концентрации докозагексаеновой (22:6) кислоты в синаптосомальных мембранах золотой рыбки при повышении температуры окружающей среды. Этот феномен можно объяснить с позиций учета разной степени зависимости геометрических размеров углеводородного радикала жирной кислоты от температуры. Теоретические расчеты показали, что коэффициент линейного расширения полиеновой цепи зависит от термических условий тем слабее, чем больше степень ненасыщенности (Рипатти и др., 1985). У докозагексаеновой кислоты этот показатель практически нулевой (почти в 100 раз меньше, чем у линолевой и насыщенных кислот). Из этих данных следует допущение, что длинноцепочечные полиненасыщенные кислоты (в особенности с 22 углеродными атомами в алифатической цепи), расширяют диапазон термотолерантности, что очень важно для эктотермного организма, размножающегося в весьма нестабильных температурных условиях, свойственных окружающей среде, например, у рыб, нерестящихся на незначительных глубинах. В частности, нерест плотвы происходит весной в литорали, и можно наблюдать его практически у самого уреза воды. В период эмбрионального развития большой размах суточного хода температуры может представлять большую опасность для оплодотворенных яйцеклеток, в особенности это актуально для теплолюбивых рыб (карп). Поэтому рост уровня длинноцепочечных полиеновых кислот в липидах икры по мере ее созревания имеет очевидную адаптивную природу, как способ нивелировки негативного влияния скачков температуры, то есть расширяет диапазон термотолерантности половых продуктов, что в конечном итоге повышает шансы у зародышей успешно пройти стадию эмбриогенеза.Существует еще один аспект адаптивных изменений жирнокислотного состава липидов икры, на первый взгляд не менее парадоксальный, чем увеличение концентрации длинноцепочечных полиненасыщенных кислот с ростом температуры, который заключается в том, что в условиях одинаковых температур липиды генеративных тканей могут заметно отличаться от таковых соматических тканей по содержанию пента- и гексаеновых кислот. Этот факт выявлен нами при сравнительном анализе жирнокислотных составов соматических и генеративных тканей карпа. В отличие от предыдущего вида, карп (одомашненная форма сазана) - теплолюбивая рыба, которая, как отмечено выше, не размножается, если температура воды в нерестовый период ниже 17°. На широте Москвы в прудах рыбоводных хозяйств такие условия обычно бывают не раньше конца мая - начала июня. В марте, когда температура воды в прудах держится на в пределах 3-5°, уровень пента- и гексаено- вых кислот в липидах соматических тканей не превышает 16-18%. Физиологическим следствием падения доли этих кислот до необычно низких, на первый взгляд, значений, носящих очевидный адаптивный характер, является малоподвижность и пребывание в состоянии полуанабиоза, которое достаточно четко определялось по уровню дыхания и частоте сердечных сокращений (Дьяконов, Бабаев, 1985). В апреле зимовальный период заканчивается, температура воды приближается к 10°. Карп начинает активно двигаться, питаться и готовиться к нересту. Степень зрелости половых продуктов достигает V стадии. Относительная концентрация пента- и гексаеновых кислот в липидах мышц и гепатопанкреаса увеличивается в 1,6-1,7 раза, достигая 26-32% от общей суммы кислот. В то же время доля этих кислот в липидах икры не превышает 15%, что явно не отвечает термическому режиму, в котором карп пребывает в апреле, а соответствует температуре размножения. Данные, приведенные в табл. 2 показывают, что в нерестовой икре (VI стадия) не происходит заметных изменений в количественных соотношениях жирных кислот по сравнению с предыдущей стадией, в частности, доля пента- и гексаеновых кислот увеличивается всего на 1,5%. Исходя из полученных результатов, можно предположить, что в Подмосковье карп уже в апреле почти готов к нересту, но температура тормозит этот процесс до тех пор, пока не поднимется до нижней границы термотолерантности размножения. Эти результаты, на наш взгляд, свидетельствуют о существовании у карпа феномена преадаптации жирнокислотных спектров липидов генеративных тканей к температуре размножения.
Нами дополнительно были проведены расчеты по данным, полученным на лососе из рек бассейна Онежского озера (Болгова и др., 1981), которые показали определенные отличия по уровню пента- и гексаеновых кислот между гонадами с одной стороны и печенью и мускулатурой - с другой. Для лучшего понимания сути обсуждаемого феномена следует коснуться некоторых сторон биологии этого вида. У лосося Онежского озера миграция из озера в реки начинается в мае и в июне уже около ~ 70% стада переселяется в реки (Смирнов, 1971). Температура воды в этом месяце в среднем составляет 10-12°. В августе вода в реках прогревается до 15-20°, а гонады у рыб имеют IV стадию зрелости половых продуктов. Нерест же начинается в октябре, но при одном условии - термический режим на акватории нерестилища не должен превышать 5-6°.
Относительная концентрация пента- и гексаеновых кислот в печени и мускулатуре лосося в июне (в более холодных условиях) была выше, чем в августе (в 2,1 и 1,6 раза соответственно), то есть по этим тканям мы не наблюдаем отклонения от аксиомы Проссера и Хейзела (Проссер, 1964; Hazel, 1973). Между тем, уровень пента- и гексаеновых кислот в образцах икры, взятых в августе в 1,6 раза превышал таковые печени и мышц. Из этого следует, что если в печени и мышцах наблюдается акк- лимация мембранных структур клеток к температуре воды через изменение количественных соотношений пента- и гексаеновых кислот в липидах, то созревающая икра нечувствительна к температуре (в пределах видового полигона термотолерантности). В ней идет процесс накопления этих кислот в соотношениях, которые необходимы для последующей реализации программы эмбрионального развития, протекающего в узком диапазоне термических условий, специфичном для лосося (4-6°).
Следовательно, в процессе развития икры как у теплолюбивого вида (карп), так и холодолюбивых (лосось, плотва), количественный состав жирнокислотных радикалов липидов формируется в соотношениях, которые соответствуют диапазону термотолерантности размножения, и в определенной степени не зависит от реальных температурных условий, существующих на момент развития. Это свидетельствует в пользу существования у рыб феномена преадаптации половых продуктов к температуре размножения, специфичной для того или иного вида.
Таким образом, проведенные нами исследования на бактериях, гельминтах и рыбах показывают, что температурная преадаптация на уровне липидов, является, по-видимому, достаточно широко распространенным явлением в мире эктотермных организмов.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ «Ведущие научные школы Российской Федерации» — 306. 2008.4; программы Российской Академии Наук «Биологические Ресурсы 2009—2011», программы Российской Академии Наук «Биоразнообразие-2009».
Литература
Бигон М., Харпер Дж., Таунсенд К., 1989. Экология особи, популяции и сообщества. / Пер с англ. М.: Мир. Т. 1. 667 с.
Болгова О.М., Рипатти П.О., Сидоров В.С., 1981.О жирнокислотном составе икры некоторых видов рыб // Сравнительные аспекты биохимии рыб и некоторых других животных. Петрозаводск : Карельский филиал АН СССР. С. 113-115.
Болгова О.М., Ефимова Е. Н., Лазарева И. П., Богдан В.В., Нефедова З. А., Гурьянова С. Д., 1985. Жирнокислотный состав кормов карпа // Биохимия молоди пресноводных рыб. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР. С. 23-27.
Голованов В.К., Свирский А.М., Извеков Е.И., 1997. Температурные требования рыб Рыбинского водохранилища и их реализация в естественных условиях // Современное состояние рыбных запасов Рыбинского водохранилища. Ярославль: ИБВВ РАН. С. 92-116.
Дьяконов Ю.Н., Бабаев Н.С., 1985.Дыхание и деятельность сердца молоди рыб в период зимовки // VI Всесоюзная конференция по экологической физиологии и биохимии рыб. Вильнюс. С. 69.
Крепс Е. М., 1981. Липиды клеточных мембран. Л.: Наука. 339 с.
Мельянцев В. Г., 1974. Рыбы (Животный мир Карелии). Петрозаводск: «Карелия». 120 с.
Смирнов Л.П., Богдан В.В., 1997. Влияние термошока на липидный состав плероцеркоидов некоторых цестод // Паразитология. T. 31, вып. 6. С. 543-551.
Проссер К.Л. 1964., Акклимация к холоду метаболических процессов и центральной нервной системы у рыб // Клетка и температура среды. /Пер с англ. М.: Мир. С. 84-209.
Рипатти П.О., Рабинович А.Л., Богдан В.В. 1985., Докозагексаеновая кислота - температурный стабилизатор биомембран // Биохимия молоди пресноводных рыб. Петрозаводск: Карельский филиал АН СССР. С. 27-33.
Сидоров В.С. 1983., Экологическая биохимия рыб. Липиды. Л.: Наука. 240 с.
Смирнов Ю.А. Лосось Онежского озера. Биология, воспроизводство и пользование. Л.: Наука. 1971.
143 с .
Хочачка П., Сомеро Дж. 1988., Биохимическая адаптация. М.: Мир. 568 с.
Cossins A.R., 1977. Adaptation of biological membranes to temperature. The effect of temperature acclimation of goldfish upon the viscosity of synaptosomal membranes // Biochim. biophys. Acta. Vol. 470. P. 395411.
Hazel J.R., 1973. The regulation of cellular function by temperature induced alterations in membrane composition // Eff. Temp. Ecthotermic Organisms. Berlin. P. 55-67.
Huxley J., 1942. Evolution. The modern synthesis. L.: Allen and Unwin. 213 p.
Lovern J.A., 1942. The composition of the depot fats of aquatic animals // Great Britain Dep. Sci. Industr. Res. Food Invest. Board Spec. Rep. Vol. 51. P. 72.