Влияние освещенности на эмбриональное развитие нельмы

В отличие от температуры, исследования, посвященные влиянию

освещенности на эмбриогенез рыб в литературных источниках представлены в

53

существенно меньшем объеме, не смотря на то, что первые опыты по изучению

воздействия света на развитие икры рыб относятся к началу прошлого века.

Так, зарубежными исследователями Хейном (Hein, 1906), Риделом (Riedel, 1907),

Уолтером (Walter, 1912) было отмечено стимулирующее действие света на

зародышевое развитие ручьевой форели Salmo trutta morpha fario (по: Любицкая,

1956). Позже Шефелт (Scheffelt, 1926) установил, что увеличение уровня

освещенности во время эмбриогенеза вызывает снижение числа туловищных

сегментов, позвонков и лучей в непарных плавниках у зародышей сиговых рыб

(по: Черняев, 2007). По такому принципу воздействия на развивающийся

организм освещенность сравнили с температурой (Smith, 1916; Рощупкин,

Потапов, 1977).

Первым из отечественных авторов, обративших внимание на значение

освещенности в эмбриогенезе рыб, был И.Г. Юданов (1939), наблюдавший за

развитием вмерзшей в лед икры ряпушки Coregonus albula в Обской губе. Автор

установил факт нормального развития икры и сделал предположение о том, что

под влиянием солнечной радиации происходит ускорение эмбриогенеза

указанного вида после полярной ночи.

Последующее изучение роли освещенности в эмбриональном развитии

различных видов рыб были выполнены отечественными исследователями в

1950-1960-х гг. Ими было установлено, что изменение интенсивности светового

потока и его спектра в процессе развития икры отражается на морфометрических

признаках зародышей, скорости их роста и жизнеспособности (Любицкая, 1952,

1956; Мишарин, 1953; Любицкая, Дорофеева, 1961; Коровина и др., 1965).

Ж.А. Черняевым (1984) было показано, что солнечный свет ускоряет развитие

икры байкальского омуля и определяет сроки вылупления предличинок.

Зарубежные исследования на сиговых позволили установить, что солнечный свет

в видимом диапазоне спектра оказывает положительное влияние на

выживаемость икры и стимулирует темп эмбриогенеза (John, Hasler, 1956;

Lindstrem, 1970).

54

Также были определены предельные значения освещенности, существенно

ограничивающие воспроизводство сиговых рыб в природе. Чрезмерная

инсоляция, превышающая 700 лк, снижает эффективность естественного

воспроизводства сигов в высокогорных районах, а солнечный свет в видимом

диапазоне в пределах 5-500 лк жизненно необходим в период развития

зародышей сиговых (Рубенян, 1988; Рубенян и др., 1990; Черняев, 1990).

Для поздних этапов эмбриогенеза предельные значения освещенности

установлены на уровне 300 лк, при более высоких показателях происходит

разрушение молекул гемоглобина в эритроцитах эмбриональной системы

кровообращения и зародыши гибнут от анемии (Черняв, 2014).

С развитием методов искусственного воспроизводства вопросы влияния

внешних факторов среды на эмбриональное развитие рыб стали весьма

актуальными. С целью повышения выживаемости икры в процессе инкубации, а

также получения физиологически полноценной жизнестойкой молоди

необходимо определить оптимальные световые режимы на этапе зародышевого

развития рыб.

Для изучения влияния светового фактора на эмбриональное развитие

кубенской нельмы в 2010 и 2013 гг. были поставлены эксперименты, в которых

инкубация икры осуществлялась в различных режимах естественной и

искусственной освещенности. В 2010 г. количество инкубируемой икры в каждом

варианте равнялось около 300 тыс., в 2013 г. – около 30 тыс. икринок.

Для создания условий инкубации в полной темноте аппараты Вейса

оборачивали светонепроницаемой пленкой и накрывали крышкой. При

продолжении инкубации в условиях освещенности пленку с опытных аппаратов

снимали. Икра, развитие которой изначально проходило при свете,

инкубировалась в аппаратах, не подвергавшихся изменениям. Для создания

постоянного освещения аппаратов Вейса в 2013 г. использовались лампы

накаливания мощностью 40 Вт. Лампы располагались таким образом, что

освещалось не менее 75% поверхности аппаратов, световая величина равнялась

около 150 лк.

55

В 2010 г. икру инкубировали в двух вариантах: No1 – развитие проходило в

темноте до вылупления предличинок; No2 – икра затемнялась до окончания

пигментации глаз у эмбрионов (78 сут.), далее развитие продолжалось при свете.

В контроле икра развивалась при естественной освещенности дневным светом,

проходящего через окна инкубационного цеха. Освещенность в цехе с ноября по

февраль составляла в среднем 9 лк, в марте – 75 лк, в апреле – 240 лк.

В 2013 г. опыты проводили в 4-х вариантах: No4 – на всем протяжении

эмбрионального развития икра находилась в круглосуточном освещении

искусственным светом; No5 – в полной темноте; No6 – до формирования зрачка

при круглосуточном освещении, затем – в полной темноте; в No7 – до

формирования зрачка в полной темноте, далее при постоянном освещении.

В контроле икра инкубировалась при естественном освещении, которое

составляло не более 7 лк. Схема экспериментов приведена в таблице 7.

Таблица 7. Схема экспериментов по влиянию освещенности на эмбриональное

развитие нельмы.

Вариант опыта

Дроблени е

Формирование зрачка

Окончание пигментации глаз

Вылупление

2010-2011 гг. Темнота, No1

Контроль Естественная освещенность Примечание: Серый фон – периоды развития икры в темноте, белый – при свете; * –

естественная освещенность; ** – круглосуточная искусственная освещенность.

Темнота/свет*, No2

Контроль Естественная освещенность

2013-2014 гг. Свет**, No4 Темнота, No5

Свет/темнота**, No6

Темнота/свет**, No7

56

Разница естественной освещенности в 2010 и 2013 гг. связана с различным

размещением инкубационных аппаратов в помещении цеха. Температурные

условия развития икры представлены в табл. 1 (см. раздел 3.2).

Полученные в 2010-2011 гг. результаты показали, что на начальных этапах

эмбриогенеза (дробление, гаструляция) в темноте (вариант No1 и 2) и при свете

(контроль) развитие проходило синхронно. В возрасте 17 сут. (IV этап) были

отмечены первые достоверные различия (при p<0,05), которые выражались в

различном количестве сегментов тела – в затемнении 39, в контроле 40. Длина

зародышей при этом не различалась и равнялась 4,1 мм. Дальнейшие различия в

опыте и контроле представлены в таблице 3.

Интересна динамика увеличения количества миотомов в теле зародышей

нельмы – до V этапа развития эмбрионы в темноте имели меньше сегментов тела,

чем при естественной освещенности, к 41 суткам разница в количестве миотомов

достигала 3 (табл. 8). По окончании сегментации тела, у эмбрионов из вариантов

No1 и 2 насчитывалось 66 миотомов, в контроле – 65.

Причины ускоренного формирования миотомов и более быстрого роста

эмбрионов, развивающихся при естественном свете, по-видимому, связаны

с формированием нервной системы и органов чувств, на которые освещенность,

могла оказывать стимулирующий эффект. Кроме того, с образованием хвостового

отдела у эмбрионов разных видов рыб увеличивается скорость роста (Вернидуб,

1949).

За счет более быстрого роста эмбрионов и формирования у них сегментов

тела в контроле, этот процесс завершился несколько раньше, чем в условиях,

в которых развитие икры проходило без участия света (вариант No1 и 2).

Продолжение формирования миотомов у зародышей в темноте, в итоге,

определило большее их количество, чем в контроле (табл. 8).

Рост эмбрионов в эксперименте проходил по схожему принципу, что и

сегментация – на определенных этапах эмбрионального развития (IX) зародыши в

контроле были на 5,3% крупнее, чем в условиях темноты (вариант No1), а к

моменту вылупления эта разница сократилась до 1,2% (табл. 8). Вероятно,

57

ускорение роста эмбрионов в контроле позволило им быстрее достичь

оптимальной для вылупления формы, а дальнейшее расходование питательных

веществ было направлено на поддержание жизнедеятельности эмбрионов, а не на

их рост.

Таблица 8. Влияние освещенности на рост и сегментацию туловища зародышей

кубенской нельмы в период инкубации (2010-2011 гг.)

Возраст, сут

Темнота (вариант No1) Контроль

Этап

Длина эмбриона, мм

Кол-во миотомов

Длина эмбриона, мм

Кол-во миотомов

17 IV 4,1 39 4,1 40 28 V 4,5 48 4,5 50 33 V 6,3 54 6,4 57 41 V 6,5 60 6,7 63 52* VI 6,7 66 6,9 65 64 VII 7,4 - 7,8 - 117 VIII 8,3 - 8,8 - 132 IX 10,8 - 11,4 - 180-181 Вылупление 12,7 - 12,9 - Примечание: этапы развития (по: Буланов, 1979б): IV ? образование зародыша,

дифференцировка головных и туловищных отделов, закладка глазных пузырей, нервной

трубки; V ? закладка обонятельных плакод, появление сердечной трубки; VI ? начало

тока крови по замкнутой системе, образование сосудистой сети на желточном мешке;

VII ? появление кровообращения в задних кардинальных венах, образование ротовой

воронки и анального отверстия; VIII ? начало кровообращения в жаберных дугах; IX

(заключительный этап эмбрионального развития) ? закладка жаберных лепестков на

жаберных дугах;* ? завершение сегментации туловища эмбрионов.

Напротив, в темноте (вариант No1) рост зародышей был более размеренным,

и, как отмечено выше, к концу эмбриогенеза их масса приблизилась

к контрольной. Размеры желточного мешка эмбрионов в опыте и контроле при

этом не различались и составили 2,1 мм в длину и 1,3 мм в высоту. Несмотря на

различия в количестве сегментов туловища и массы эмбрионов в контроле и

опытных вариантах, икра находилась на одинаковых этапах эмбриогенеза.

58

Т. е. более быстрая сегментация и рост зародышей в контроле не отражались на

скорости эмбрионального развития.

Предличинки из варианта No2, которые в процессе эмбриогенеза после

окончания пигментации глаз были перемещены из темноты в условия

естественной освещенности, по размерно-массовым характеристикам были ближе

к предличинкам из контроля (табл. 9).

Таблица 9. Размерно-массовые показатели и количество миотомов у однодневных

предличинок кубенской нельмы в мае 2011 г.

Вариант эксперимент а

Длина, мм Масса, мг

Туловищны й отдел

Хвостовой отдел

Общее количество X±m min-max

Cv, %

X±m min-max

Cv, %

X±m min-max

Cv, %

X±m min-max

Cv, %

X±m min-max

Cv, % Темнота No1

12,7±0,06

a,b

12,0-13,4

2,2

8,7±0,12 6,9-10,3

6,9

43,0±0,19 42-46

2,2

23,4±0,21

a

21-26

4,4

66,4±0,25

a

64-69

1,9

Темнота/св ет No2

12,9±0,06

a

12,4-13,6

2,5

8,8±0,15 6,5-10,4

8,5

43,2±0,16 42-45

2,2

23,1±0,23

b

21-25

5,0

66,3±0,27

b

64-69

2,0

Контроль

12,9±0,06

b

12,3-13,5

2,2

8,7±0,13 7,5-10,0

7,4

43,1±0,21 41-46

2,5

22,4±0,22

a,b

21-25

4,9

65,5±0,27

a,b

63-68

2,1

Примечание: a, b – различия достоверны при p ? 0,05.

Видимо, произошла своеобразная компенсация дефицита световой энергии,

полученного при инкубации икры в темноте, и в последующем послужившая

ускорению роста зародышей. Количество сегментов тела предличинок в этом

варианте было таким же, как у предличинок из варианта No1 (развитие в темноте),

что обусловлено их переносом в новые условия после завершения процесса

сегментации.

Помимо влияния освещенности на формирование морфометрических

признаков, световой фактор обусловил различия в скорости и степени

пигментации зародышей. В контроле начало пигментации глаз и окрашивание

форменных элементов крови было отмечено несколько раньше, чем в темноте.

Кроме того, кожные покровы и желточный мешок у эмбрионов в контроле были

пигментированы сильнее. В варианте No2 (темнота/свет) воздействие дневного

59

света на икру после инкубации в темноте усиливало пигментацию эмбрионов,

которая в последующем была сопоставима с таковой в контроле.

При развитии икры в темноте, напротив, степень пигментации была

выражена заметно слабее, на теле встречались меланофоры в виде точек, тогда

как нормальные пигментные клетки имели звездчатую форму (рис. 8).

Рисунок 8. Пигментация головы и желточного мешка эмбрионов нельмы,

развивающихся в темноте (слева) и в условиях естественной освещенности (справа).

Возраст 85 сут

Меланофоры в виде точек не являются отклонением от нормы и встречаются

у свободных эмбрионов других видов сиговых рыб, развитие которых проходило

в естественных условиях. Так, В.Д. Богданов (1983) наблюдал «точечные»

меланофоры у личинок чира, сига пыжьяна C. lavaretus pidschian и пеляди,

выловленных в рр. Собь и Манья.

Выживаемость икры по итогам инкубации в опытных вариантах и контроле

практически не отличалась и составляла в среднем 66%. Высокую смертность

(73% от общего числа погибших икринок) наблюдали в период с начала

органогенеза (IV этап) до начала кровообращения (VI этап). Массовое

вылупление предличинок в контроле и варианте No2 произошло в возрасте

180 сут. (3 мая) при температуре воды 6,4°С, при развитии икры в темноте

(вариант No1) – на сутки позже. Такая разница составляет 0,6% от общего срока

инкубации и несущественна для практики рыбоводства.

60

В 2013 г. было проведено исследование влияния искусственной

освещенности на эмбриональное развитие кубенской нельмы. Смену условий

инкубации в этом опыте проводили на стадии формирования зрачка у эмбрионов

(возраст 15 сут.).

Несмотря на различные условия и режимы освещенности инкубационных

аппаратов, развитие эмбрионов во всех опытных вариантах и в контроле

проходило синхронно. Единственное отличие, которое можно было установить

визуально, выражалось в более сильной пигментации туловища зародышей,

развивающихся при свете, несмотря на то, что начало пигментации, в том числе и

глаз, проходило во всех вариантах единовременно. Однако с весенним

повышением температуры эта разница нивелировалась.

Массовое вылупление было отмечено 23 апреля при температуре 5,7°C и

составило 167 сут., в вариантах, где икра на момент вылупления была затемнена,

период инкубации составил 168 сут. Выживаемость икры за период инкубации в

опытных вариантах и контроле также не различалась и составляла 66-68%.

Характеристики однодневных предличинок представлены в табл. 10.

Таблица. 10. Размерно-массовые показатели и количество миотомов у

однодневных предличинок кубенской нельмы в 2014 г.

Вариант эксперимента

Количество миотомов Длина, мм Масса, мг

Туловищный

Хвостовой отдел

отдел

Общее количество X±m min-max

Cv, %

X±m min-max

Cv, %

X±m min-max

Cv, %

X±m min-max

Cv, %

X±m min-max

Cv, %

Свет No4

13,4-14,3 13,8±0,2

1,7

13,1±0,2 12,0-14,2

5,3

42,6±0,2 40-44

2,5

24,8±0,1 24-26

2,6

67,4±0,3 64-69

1,9

Темнота No5

12,8-14,7 13,8±0,1

3,1

13,2±0,1 12,1-14,1

5,0

42,5±0,4 40-45

4,8

25,6±0,2 24-26

4,3

68,1±0,3 65-71

2,5

Свет/темнота No6

12,0-14,2 13,6±0,1

3,8

12,8±0,2 10,9-14,0

5,8

42,9±0,2 41-44

2,1

24,5±0,3 23-26

4,9

67,4±0,4 65-70

2,2

Темнота/свет No7

13,5-14,4 13,6±0,1

1,8

12,8±0,1 12,0-13,9

4,0

42,8±0,2 41-45

2,4

24,5±0,2 23-26

3,3

67,3±0,3 65-70

1,9

Контроль

13,3-14,2 13,7±0,1

1,2

13,1±0,1 12,0-14,0

4,4

42,7±0,2 41-45

2,6

25,3±0,2 24-27

3,4

68,0±0,3 65-71

2,3

В процессе эмбрионального развития и на момент вылупления предличинок

их размерно-массовые характеристики были достаточно близкими по значению.

61

Достоверные отличия (при p ? 0,05) наблюдались у предличинок только по

показателю массы в вариантах No5 и 7. Другие отмеченные различия были

связаны с количеством сегментов тела эмбрионов. Их количество в теле

зародышей, развитие которых проходило в темноте и контроле, было достоверно

больше (при p ? 0,05), чем в остальных вариантах опыта. Причем различия

отмечаются в хвостовом отделе и теле в целом, в то время как в туловищном

отделе достоверных различий нет.

Одинаковое количество миотомов при развитии эмбрионов в темноте

(вариант No5) и контроле в 2013 г. обусловлено достаточно схожими условиями.

Как отмечалось выше, освещенность в контрольном аппарате не превышала 7 лк,

что существенно меньше, чем в контроле 2010 г.

Таким образом, изменение условий освещенности в период развития органов

зрения у зародышей (речь идет об электрическом свете) существенно не влияет на

скорость эмбриогенеза, размеры, пигментацию и выживаемость эмбрионов, а

также сроки инкубации икры кубенской нельмы в искусственных условиях.

Однако световые условия определяют различия в количестве сегментов тела. Как

и в опыте 2010 г., развитие эмбрионов под воздействием света к окончанию

сегментации сопровождалось сокращением у них количества миотомов, и,

напротив, развитие в темноте ? увеличением их числа.

Различия в массе эмбрионов, развивающихся при свете и в темноте, в опыте

2010 г. и их отсутствие в 2013 г. может быть вызвано различными источниками

света (естественным и искусственным). Кроме того, в 2013 г. были достаточно

высокие температуры воды в первой половине инкубационного цикла, что

ускорило развитие икры и частично нивелировало действие освещенности.

Например, в 2010 г. процесс сегментации тела у зародышей завершился на

52-е сут. с момента оплодотворения, а в 2013 г. – на 25-е.

Подводя итог проведенным исследованиям по влиянию освещенности на

эмбриональное развитие кубенской нельмы, можно отметить, что искусственный

(до 150 лк) и естественный (до 240 лк) свет не влияет на скорость роста и

выживаемость эмбрионов, а также продолжительность инкубации икры по

62

сравнению с развитием зародышей в темноте. Схожие результаты были получены

на икре судака, на которую свет и темнота не оказывают существенного влияния

(Белый, 1961; Стеффенс, 1985; Woynarovich, 1960). Оболочки икринки

обеспечивают защиту развивающемуся эмбриону даже от прямого солнечного

света.

С другой стороны при развитии икры нельмы в нашем опыте свет оказывает

влияние на сегментацию тела эмбрионов, ускоряя этот процесс. Однако к его

завершению количество миотомов у зародышей в контроле было меньше, чем в

темноте, что обусловлено ранним окончанием формирования миотомов у

контрольных эмбрионов, и продолжением этого процесса у зародышей в

затемнении.

Исследования по инкубации икры сиговых рыб в экспериментальных

условиях при различной освещенности в литературе отмечены в работе

А.И. Любицкой (1956). Автором были проведены наблюдения за развитием икры

чудского сига Coregonus lavaretus maraenoides и сига лудоги С. l. ludoga в

темноте и в условиях дневного освещения. Инкубацию в темноте у чудского сига

начинали перед гаструляцией, у лудоги – до начала пигментации глаз.

Результаты исследований показали, что на стадии вылупления бoльшими

размерами характеризовались предличинки, развитие которых проходило в

условиях дневного освещения. Разница по длине у чудского сига составила

0,5 мм, у сига лудоги – 1 мм. Несмотря на разницу в размерных показателях,

затемнение икры не влияло на скорость эмбрионального развития. Вылупление

предличинок в условиях освещенности наблюдалось на 7 часов раньше, чем в

темноте. Смертность эмбрионов по итогам инкубации, как у чудского сига, так и

сига лудоги, оказалась в среднем на 30% выше в темноте.

Обращает на себя внимание тот факт, что в наших экспериментах мы не

наблюдали достоверных различий по массе и выживаемости предличинок,

развивавшихся в разных условиях освещенности. По-видимому, количество

солнечной энергии было недостаточным, чтобы установить различия по

обсуждаемым показателям в опыте и контроле. В свою очередь, в работе

63

А.И. Любицкой (1956) не указаны значения интенсивности света, влияющего на

развитие икры, а приведены лишь данные о том, что развитие проходило при

«дневном свете, проникающем через оконное стекло, - от 450 до 700 м?».

К сожалению, этого не достаточно, чтобы установить причину различных

результатов, полученных нами и автором.

Синхронное развитие эмбрионов в темноте и при свете в нашем опыте можно

объяснить слабой освещенностью контрольных аппаратов, которая в первые

месяцы развития в течение короткого зимнего дня не превышала 15 лк. А схожий

показатель смертности икры нельмы за инкубационный период может быть

связан с низкими температурными условиями развития. Именно температурный

фактор является первостепенным и определяющим ход эмбриогенеза, под

влиянием которого, возможно, нивелируется действие освещенности.